前段製程是在矽晶圓上製作電晶體與導線的製程,後段製程則是將晶圓切割成一顆顆晶片,封裝後進行測試,完成產品的製程。前段製程反覆進行薄膜沉積、曝光、蝕刻等步驟,先進產品需要2~3個月,並需要最潔淨的無塵室與昂貴的設備。後段製程以晶圓切割、黏晶、打線接合、封膠與測試為主,生產週期較短,每1台設備的價格也比前段製程低。負責業者也不同,前段製程由晶圓代工廠與IDM負責,後段製程則由OSAT(委外封裝測試業者)扮演重要角色。不過隨著CoWoS與混合鍵合等先進封裝的普及,兩者的界線正逐漸模糊。
主要差異
| 比較面向 | 前段製程 | 後段製程 |
|---|---|---|
| 目的 | 在晶圓上製作電晶體與導線(積體電路) | 切出晶片,經連接、封裝與測試成為產品 |
| 處理單位 | 晶圓(1片上有數百~數千顆晶片) | 晶圓 → 個別晶片(晶粒)→ 封裝 |
| 主要製程 | 清洗、薄膜沉積、曝光、蝕刻、離子佈植、熱處理、CMP | 晶背研磨、晶圓切割、黏晶、打線接合、封膠、最終測試 |
| 生產週期參考 | 先進邏輯約2~3個月 | 數天~數週 |
| 潔淨度 | 最嚴格。曝光等關鍵區域以極高的潔淨度管理 | 比前段製程寬鬆(依製程而異) |
| 設備市場 | 佔半導體製造設備市場的大半(大約8成以上) | 封裝設備與測試設備合計佔其餘部分 |
| 代表性設備廠商 | 艾司摩爾(ASML)、應用材料(Applied Materials)、科林研發(Lam Research)、東京威力科創(TEL)、科磊(KLA) | 愛德萬測試(Advantest)、迪思科(DISCO)、泰瑞達(Teradyne)、ASMPT、TOWA |
| 主要負責業者 | 晶圓代工(台積電等)、IDM(英特爾・三星等) | OSAT(日月光・Amkor・長電科技JCET等)、IDM自有工廠 |
| 選址傾向 | 台灣・韓國・美國・日本・中國 | 台灣・中國・東南亞(馬來西亞等) |
界線在哪裡
一般而言,在晶圓上完成電路為止屬於前段製程,從切割晶圓開始屬於後段製程。前段製程又分為製作電晶體的FEOL(Front End of Line),以及在其上方堆疊導線的BEOL(Back End of Line)。BEOL在英文中雖帶有「Back End」,但因為是在晶圓上進行的導線製程,在日本的區分方式中屬於前段製程,這點需要留意。在晶圓狀態下量測電氣特性的晶圓測試(針測),有時放在前段製程的最後,有時放在後段製程的開頭,依企業或資料而有不同歸類。
為什麼投資集中在前段製程
決定晶片效能與積體度的是前段製程。電路微縮需要讓曝光、蝕刻、薄膜沉積的精度達到奈米等級,也會用到像EUV曝光機這樣1台高達數百億日圓的設備。而且薄膜沉積、曝光、蝕刻的循環要依導線層數反覆進行,所需設備台數也相當龐大。結果是半導體製造設備市場的大半由前段製程設備所佔,最先進工廠的建廠成本達到數兆日圓規模。後段製程每1道製程的設備相對便宜,工廠的投資金額一般也遠小於前段製程。
負責業者與選址的差異
前段製程需要龐大投資與高度的製程技術,因此集中在台積電、三星、英特爾等少數企業。後段製程過去勞力密集的性質較強,很早就移往人事成本低的東南亞與中國,形成由日月光、Amkor、長電科技等OSAT專業承接的分工體制。日本在晶片製造本身的存在感雖已減弱,但在後段製程的測試設備(愛德萬測試)、切割與研磨設備(迪思科)、封膠設備(TOWA)以及封裝材料上擁有全球性市佔率,在前段製程也仍以東京威力科創等的設備,以及矽晶圓、光阻等材料保有強項。
先進封裝使界線移動
近年,不屬於這種區分的製程越來越多。像台積電的CoWoS那樣,在矽中介層上並排多顆晶片並以微細導線連接的技術,由於在晶圓層級進行加工與接合,需要接近前段製程的設備與潔淨度。以銅電極直接連接晶片的混合鍵合,以及貫穿晶片的TSV形成也是如此。這類製程也稱為「中段製程(Middle End)」,晶圓代工廠跨入後段製程、OSAT引進源自前段製程的技術,兩股動向同時進行。隨著AI用GPU與HBM需求擴大,後段製程的定位已大幅轉變為左右效能的關鍵製程。
總結
前段製程是「在晶圓上製作電路」的製程,特徵是微縮精度與龐大的設備投資。後段製程是「將晶片做成產品」的製程,以切割、連接、封裝與測試為主。不過隨著先進封裝普及,後段製程也被要求具備與前段製程同等的精度,已進入將兩者一體設計的時代。