汽车硅片生产工艺中封装环节颗粒污染的分析

郑晓东，董 敏

汽车硅片生产工艺中封装环节颗粒污染的分析

郑晓东1,3，董 敏*2

（1.武城县水利局，山东 德州 253000；2.武城县第二实验小学，山东 德州 253000；3.山东有研艾斯半导体材料有限公司，山东 德州 253000）

半导体制造过程中，封装工艺需要对汽车硅片进行充氮和真空处理。这一过程，对于汽车硅片的运输和保存相当重要。文章主要研究封装工艺对汽车硅片颗粒污染的程度，对工艺制程的影响以及降低这种影响的方法。封装工艺由于稳定性、无污染性和防氧化性等要求，需要对装有汽车硅片的汽车硅片盒进行充氮和吸真空的工艺步骤，以此来将汽车硅片盒内的水汽和氧气排除。同时使汽车硅片盒内充满干燥的氮气，避免汽车硅片表面生成氧化物，提高汽车硅片的良品率。对于封装环节对汽车硅片造成颗粒污染超标的原因进行了分析，并通过优化汽车硅片封装装置和工艺流程，有效地降低了封装环节对汽车硅片颗粒污染的影响。

汽车硅片；封装环节；颗粒污染；封装装置

污染控制是在现代集成电路开发和生产中要慎重对待的课题[1]。随着汽车硅片尺寸由26.6 cm向40 cm发展，在生产过程中减少污染尤为重要，控制污染是提高汽车硅片品质的重要因素之一。现在汽车硅片制造产生的污染主要有颗粒污染、金属污染、有机物污染、自然氧化层和静电释放[2-3]。主要影响汽车硅片产品质量的污染是颗粒。汽车硅片的生产涉及多种生产工艺，会在各个车间和生产设备之间流动，导致汽车硅片受到污染的概率急剧增加。虽然在清洗检测车间，清洗设备会清理汽车硅片和汽车硅片盒，但在清洗后的检测和封装环节，还可能导致汽车硅片出库前污染。

1 汽车硅片封装过程中的颗粒污染

在汽车硅片生产过程中，为了减少颗粒对汽车硅片的污染，会采用高级别的洁净车间和生产设备，并规定生产人员穿特定洁净服。这样虽然能够极大减少污染，但还是无法杜绝。而附着在汽车硅片表面的颗粒，可能会造成芯片等器件的短路或断路，从而影响产品质量。

在汽车硅片的生产制造过程中，常以每步每片上的颗粒数来表示每一道工序中一片硅片中增加的某一特征尺寸的颗粒数[4]。在早期的硅片生产过程中，往往利用光学显微镜检测硅片上颗粒污染的情况，但这种方法工作量大且便利性差，影响生产效率。为了解决上述问题，利用激光在汽车硅片表面照射呈现不同电阻值的特性，设计了一系列检测设备。现在汽车硅片生产大厂普遍使用缺陷数据管理系统（Defect Data Management System,DDMS），该系统由检测设备和计算机构成[5]，图1为系统构造图。

汽车硅片封装环节中颗粒的污染是工艺工程师需要解决的重点问题。工艺中大多数颗粒污染原因都与设备、操作人员有关。封装环节是汽车硅片生产工艺的最后一道工序，也是重要工序之一，关乎汽车硅片的存储与保存。一旦该工序出现问题，就会影响汽车硅片的良品率。

图1 DDMS系统构造图

2 汽车硅片封装中颗粒污染原因研究

我们研究了汽车硅片封装工序中可能造成颗粒污染的一些因素，其主要污染源是操作人员跟设备。其中人员因素只能控制，无法彻底解决。本文主要研究封装设备因素对汽车硅片的污染。为了确定污染源改进封装设备，对封装设备进行研究分析和试验，为减少汽车硅片封装环节对汽车硅片的污染提供助力。

2.1 硅片颗粒污染异常增加原因的研究

汽车硅片封装设备是一种充氮真空封口机台。即一次吸真空，注入氮气然后封口，多个硅片被放在同一个汽车硅片盒内。在封装时，将封装机喷嘴插入装有汽车硅片盒的封装袋内，然后先通过喷嘴吸气，随后注入氮气，最后通过封装机上下加热电阻丝对封装袋加热然后封口。

在汽车硅片封装环节中，每次封装都是以汽车硅片盒为单位，客户只在同一批次中取几片硅片进行检测，就可判断整批硅片是否合格。因此，只要有一片汽车硅片不合格就会影响整批汽车硅片，但是在汽车硅片封装环节中存在同一个汽车硅片盒内部分汽车硅片出现被污染的情况，而且存在汽车硅片盒表面被污染的状况。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）检测设备检测到的污染如图2所示。

图2 表面沾污形态

造成这种污染状态的原因是封装机。由于封装机先用喷嘴吸气，封装袋内气体所带有的颗粒会污染封装机的喷嘴，随后又通过这个喷嘴向封装袋内注入氮气，颗粒又被吹入了封装袋内，进而进入汽车硅片盒内污染汽车硅片。封装机的吸气、充氮系统如图3所示。

图3 封装机喷嘴部位

2.2 封装设备与颗粒污染相关性试验

汽车硅片的存储和运输离不开封装，在这个过程中，封装机的真空充氮系统尤其重要。封装机的真空充氮系统负责给封装袋内的汽车硅片抽真空和充氮气，以起到防止汽车硅片氧化和干燥的作用。但在充氮气的过程中也给汽车硅片以及汽车硅片盒带来了颗粒污染，在高速气体作用下，把喷嘴里的颗粒喷到封装袋内，进而进入汽车硅片盒内污染汽车硅片，甚至可能对汽车硅片表面造成划伤。

封装机的真空充氮系统有两种工作方式，一种工作方式是喷嘴只进行吸气抽真空，另一种则是既抽真空也充氮气。针对这两种工作形式，设计两组实验来对比分析判断造成汽车硅片被污染的原因。首先取两个装有相同数量汽车硅片的汽车硅片盒，在同一批次下分别对汽车硅片盒和汽车硅片进行清洗，然后把这两组汽车硅片，一组单纯用封装机喷嘴进行真空，另外一组则真空后吹入氮气。重复测试10次，实验结果如图4所示。

由图4可以看出，只抽真空的一组汽车硅片，颗粒污染程度较低，且10次试验后的颗粒数基本保持不变；而既抽真空又充氮气的一组汽车硅片，颗粒污染程度较高，且10次实验后其颗粒污染数量有上升的趋势。分析可知，这主要是因为在用封装袋装硅片盒的过程中，封装袋内进入含有颗粒的空气，喷嘴在抽真空的过程中把颗粒吸入喷嘴及管道内，再次用其充氮时，残留的颗粒跟随氮气一起进入封装袋内，从而造成硅片的污染。

3 汽车硅片颗粒污染的解决方案

通过以上分析，我们得到造成汽车硅片封装环节中出现颗粒污染的原因是封装机喷嘴的重复使用，从而导致汽车硅片的污染。如果能够避免封装机喷嘴既真空又充氮，那么就会降低颗粒污染的水平。所以我们将对封装机进行硬件和软件的升级，以期实现其对汽车硅片污染的减少。

图5 改装后的双喷嘴封装机

针对在对汽车硅片封装中喷嘴既真空又充氮的问题，首先从硬件上对封装机进行改造，给封装机设计两个独立的喷嘴，并与之设计相对应的进气、出气系统，使封装机真空和充氮两种工作互不影响。其次控制封装时喷嘴吸气和充氮的速率，找到最佳的适合速率。图5为改造后的双喷嘴封装机。

图6 改装后封装机数据

图7 改装后超标次数

对封装机喷嘴改造完成后，又对其吸气、充氮的速率进行了调节。随后按照上文的测试方法取一组清洗后的汽车硅片进行试验测试，测试结果如图6所示。通过测试结果可以看出，在使用改装过的封装机进行封装作业后，汽车硅片的污染颗粒数属于汽车硅片合格产品的控制范围，且与只用喷嘴抽真空的那一组汽车硅片基本相一致。在随后的生产过程中，对封装机进行了长时间的监控，改进后发生颗粒污染超标的次数很少。

对封装机进行改造后，汽车硅片在封装环节发生颗粒污染超标的次数明显减少，如图7所示。这也再次验证了封装机喷嘴重复使用，易造成汽车硅片在封装环节颗粒污染超标。

4 结论

根据文章提出的改善措施，在试验机台上成功地验证了这些措施的有效性、可靠性和安全性。这些措施降低了汽车硅片封装工艺中颗粒污染水平，提高了封装机台颗粒污染的稳定性，降低了产品的良率损失，同时大大提升了生产线的生产能力。为汽车硅片生产带来了良好的经济效益，但生产人员给汽车硅片带来污染的因素仍然存在，今后将在硅片封装机高度自动化方向进行研究与探索。

[1] 杨雯惠,陈璐,张昕莹.考虑设备时变效应的晶圆加工序列决策调度方法[J].哈尔滨工业大学学报,2022,54 (7):29-36.

[2] 刘敏,郑柳,何志,等.激光退火硅晶圆温度场分布的数值模拟研究[J].激光与红外,2022,52(4):515-521.

[3] 刘博源,江云,黄昭宇,等.基于晶圆级封装的W波段微同轴天线小型化设计与实现[J].电子学报,2022,50 (5):1098-1106.

[4] 王帆,刘磊,张胜兵,等.一种MEMS陀螺晶圆级真空封装工艺[J].微纳电子技术,2019,56(3):248-252.

[5] 刘磊,王帆,喻磊,等.Ti基吸气剂制备及其在MEMS晶圆级真空封装中的应用[J].微纳电子技术,2021,58 (5):439-445.

Analysis of Particle Contamination in Packaging Links in Automotive Silicon Wafer Production Process

ZHENG Xiaodong1,3, DONG Min*2

( 1.Wucheng County Water Conservancy Bureau, Dezhou 253000, China;2.Wucheng County Second Experimental Primary School, Dezhou 253000, China;3.Shandong Youyan Aisi Semiconductor Materials Company Limited, Dezhou 253000, China )

In the semiconductor manufacturing process, the packaging process requires nitrogen filling and vacuuming of automotive silicon wafers. This process is very important for the transportation and preservation of automotive silicon wafers. This paper mainly studies the degree of contamination of automotive silicon wafers by the packaging process, the impact on the process and the methods to reduce this impact. Due to the requirements of stability, non-polluting and anti-oxidation in the packaging process, it is necessary to carry out the process steps of nitrogen filling and vacuum suction on the automotive silicon wafer box containing the automotive silicon wafer, so as to remove the water vapor in the automotive silicon wafer box and oxygen is eliminated, and at the same time, the car silicon wafer box is filled with dry nitrogen, so as to avoid the formation of oxides on the surface of the car silicon wafer and improve the yield of the car silicon wafer. The reasons for the excessive particle pollution of automotive silicon wafers caused by the packaging process are analyzed, and by optimizing the packaging equipment and process flow of automotive silicon wafers, the impact of packaging processes on the particle pollution of automotive silicon wafers is effectively reduced.

Automotive silicon wafers; Packaging link; Particle pollution; Packaging device

U463

A

1671-7988(2023)03-150-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.028

郑晓东（1995—），男，硕士，工程师，研究方向为机器人，E-amil:746779739@qq.com。

董敏（1995—），女，E-mail:2206669028@qq.com。