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Front-End vs. Back-End in der Halbleiterfertigung: Schritte, Anlagen, Unternehmen

Die Halbleiterfertigung gliedert sich grob in Front-End und Back-End. Im Front-End werden auf dem Siliziumwafer Schichtabscheidung, Belichtung, Ätzen, Ionenimplantation usw. wiederholt, um Transistoren und Leiterbahnen herzustellen. Im Back-End wird der fertige Wafer in einzelne Chips zerteilt, die in Gehäuse montiert, nach außen angeschlossen, geprüft und ausgeliefert werden. Mit modernen Packaging-Verfahren wie Chiplets gewinnen zuletzt Prozesse zwischen beiden Bereichen an Bedeutung.

MerkmalFront-EndBack-End
ZielTransistoren und Leiterbahnen auf dem Wafer herstellen und die Schaltung fertigstellenChips vereinzeln, im Gehäuse montieren, nach außen anschließen und zu einem lieferfähigen Produkt machen
Wichtigste ProzessschritteReinigung, Oxidation, Schichtabscheidung (CVD, PVD), Lithografie, Ätzen, Ionenimplantation, Wärmebehandlung, CMP, Herstellung der LeiterbahnenRückseitenschleifen (Backgrinding), Dicing, Die-Bonding, Verbindung per Wire Bonding oder Flip Chip, Verkapselung mit Kunstharz (Molding), Beschriftung, Endtest
BearbeitungseinheitWafer (z. B. 300 mm oder 200 mm Durchmesser)Chip (Die) und Gehäuse
StrukturgrößenIm Nanometerbereich (nm)Überwiegend im Bereich von Mikrometern (µm) bis Millimetern (mm)
Zahl der Schritte und DauerGleichartige Schritte werden für jede Lage wiederholt. Bei modernster Logik sind es über tausend Schritte, und allein das Front-End dauert mehr als drei MonateWeniger Schritte und kürzere Dauer als im Front-End
Wichtigste AnlagenBelichtungsanlagen, Ätzanlagen, Abscheideanlagen, Ionenimplanter, CMP-Anlagen, ReinigungsanlagenDicer, Die-Bonder, Wire-Bonder, Molding-Anlagen, Tester (ATE), Handler
ArbeitsumgebungReinraum mit sehr hoher ReinheitsklasseReinraum, jedoch meist mit geringeren Anforderungen an die Reinheit als im Front-End
PrüfungWährend des Prozesses: optische Inspektion sowie Messung von Schichtdicken und AbmessungenWafertest (wird teils auch dem Ende des Front-Ends zugeordnet), Endtest nach dem Packaging, bei Bedarf Burn-in
Beteiligte UnternehmenIDMs und FoundriesIDMs und OSATs (Auftragsfertiger für das Back-End). Zunehmend bieten auch Foundries fortschrittliches Packaging an

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Front-End
Der Teil, der Leistung, Energieverbrauch und Integrationsdichte des Chips bestimmt. Hier liegt der Schwerpunkt des Wettlaufs um die Miniaturisierung, und die Investitionen etwa in Belichtungsanlagen sind entsprechend hoch.
Back-End
Der Teil, der den Chip schützt, Wärme abführt und ihn mit der Leiterplatte verbindet. Gehäuseform und Verbindungstechnik beeinflussen Baugröße, Wärmeableitung und Signalgeschwindigkeit des Produkts.
Middle-End
Prozesse, bei denen Front-End-nahe Techniken wie TSVs, feine Umverdrahtungslagen oder die Herstellung von Bumps auf Waferebene für das Packaging eingesetzt werden, werden mitunter als Middle-End bezeichnet. Sie sind für Chiplets und gestapelte Speicher wichtig geworden.

Häufige Fragen

Wo liegt die Grenze zwischen Front-End und Back-End?

Im Allgemeinen gehört alles bis zur Fertigstellung der Schaltung auf dem Wafer zum Front-End, und ab dem Zerteilen des Wafers in Chips und deren Montage im Gehäuse beginnt das Back-End. Ob die elektrische Prüfung der einzelnen Chips (Wafertest) dem einen oder anderen Bereich zugeordnet wird, ist je nach Unternehmen und Quelle unterschiedlich.

Warum dauert das Front-End länger?

Weil Schritte wie Schichtabscheidung, Belichtung und Ätzen entsprechend der Zahl der Transistor- und Leiterbahnlagen dutzendfach wiederholt werden. Bei modernsten Logikhalbleitern sind es über tausend Schritte, und vom Einschleusen des Wafers bis zum Abschluss des Front-Ends vergehen mehr als drei Monate.

Warum steht das Back-End im Fokus?

Weil sich die Leistung allein durch Miniaturisierung immer schwerer steigern lässt und sich Ansätze wie Chiplets und 3D-Integration verbreiten, bei denen mehrere Chips dicht nebeneinander oder übereinander in einem Gehäuse angeordnet werden. Wie bei HBM, wo gestapelter Speicher direkt neben dem Prozessor sitzt, bestimmt die Back-End-Technik immer häufiger die Leistung des Produkts.

Was ist ein OSAT?

Die Abkürzung steht für Outsourced Semiconductor Assembly and Test: Unternehmen, die Montage und Test im Back-End im Auftrag übernehmen. Sie erhalten fertige Wafer von Fabless-Unternehmen oder Foundries und übernehmen Packaging und Test.

Verständnis prüfen

Welche Unterscheidung zwischen „Front-End“ und „Back-End“ der Halbleiterfertigung ist richtig?

  1. AFront-End ist der Entwurf, Back-End die Fertigung
  2. BFront-End ist der Prozess, in dem Schaltungen auf dem Wafer erzeugt werden, Back-End der Prozess, in dem Chips herausgeschnitten, montiert und geprüft werden
  3. CFront-End ist die Prüfung, Back-End die Waferherstellung
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Antwort: B. Front-End ist der Prozess, in dem Schaltungen auf dem Wafer erzeugt werden, Back-End der Prozess, in dem Chips herausgeschnitten, montiert und geprüft werden

Der Front-End-Prozess erzeugt durch wiederholte Abscheidung, Lithografie, Ätzen, Ionenimplantation u. Ä. Schaltungen auf dem Wafer. Der Back-End-Prozess umfasst Montage der aus dem Wafer geschnittenen Chips im Gehäuse, Prüfung und Auslieferung. Der Entwurf ist eine separate Stufe vor der Fertigung. In letzter Zeit gewinnt fortgeschrittenes Packaging, bei dem Umverdrahtung und Chipstapelung im Waferzustand erfolgen, an Bedeutung, und die Grenze zwischen beiden verschwimmt.

Welcher Wert kommt der Durchlaufzeit von der Einschleusung des Wafers in die Fertigungslinie bis zum Abschluss des Front-End-Prozesses bei fortgeschrittenen Logikhalbleitern am nächsten?

  1. AEtwa 1 Tag
  2. BEinige Monate (grob 3 Monate oder mehr)
  3. CEtwa 10 Jahre
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Antwort: B. Einige Monate (grob 3 Monate oder mehr)

Bei fortgeschrittenen Logikhalbleitern umfassen Belichtung, Abscheidung, Ätzen usw. insgesamt über tausend Schritte, und allein der Front-End-Prozess dauert mehr als 3 Monate. Hinzu kommen Back-End-Prozess und Test, und der Bau einer neuen Fabrik dauert über zwei Jahre; selbst bei plötzlich steigender Nachfrage lässt sich das Angebot daher nicht schnell erhöhen, was einer der Gründe für leicht auftretende Ungleichgewichte und Engpässe ist. In einem Tag lassen sich so viele Prozessschritte nicht abschließen, und 10 Jahre wären zu lang.

Was ist der zutreffende Grund, warum der Back-End-Prozess (Packaging) in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat?

  1. AWeil der Back-End-Prozess überflüssig geworden ist
  2. BWeil die Packagingkosten nahezu 0 geworden sind
  3. CWeil Chiplets und fortgeschrittenes Packaging zu einem wichtigen Mittel zur Steigerung der Systemleistung geworden sind
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Antwort: C. Weil Chiplets und fortgeschrittenes Packaging zu einem wichtigen Mittel zur Steigerung der Systemleistung geworden sind

Da sich die Leistung allein durch Miniaturisierung kaum noch steigern lässt, wurde fortgeschrittenes Packaging, das mehrere Chips dicht verbindet, zu einem Mittel, Leistung und Energieeffizienz zu erhöhen. Bei KI-Halbleitern bestimmt die Produktionskapazität für 2,5D-Integration, bei der HBM neben dem Prozessor angeordnet und über einen Silizium-Interposer verbunden wird, inzwischen sogar die Liefermenge der Produkte. Weder ist der Back-End-Prozess überflüssig geworden, noch sind die Kosten 0.

  1. Welche Aussage zum Dicing (Vereinzeln) ist korrekt?
  2. Wie heißt die Prüfung an Wafern nach dem Front-End-Prozess, bei der Einsatzspannung, Schichtwiderstand u. Ä. von TEGs gemessen werden, um zu bestätigen, dass der Prozess spezifikationsgerecht verlaufen ist?
  3. Wie wird der Advanced-Packaging-Prozess genannt, der feine Bearbeitungstechniken nahe dem Frontend, etwa die Herstellung von TSVs und feinen Umverdrahtungslagen, im Waferzustand nutzt und daher zwischen Front-End und Back-End liegt?

Übungsfragen zu Halbleiterindustrie und Markt

Wichtige Begriffe erklärt

Dicing
Prozess, bei dem der Wafer in einzelne Chips (Dies) getrennt wird. Neben dem Sägen mit rotierendem Blatt gibt es z. B. das Stealth-Dicing, bei dem per Laser im Inneren eine modifizierte Schicht erzeugt wird.
Back Grinding (Rückseitenschleifen)
Schritt, bei dem vor dem Vereinzeln die Waferrückseite abgeschliffen wird, um das Package dünner zu machen. Bei Chips für Stapelung auf einige zehn µm.
Drahtbonden (Wire Bonding)
Verbindungsverfahren, bei dem die Kontaktflächen des Chips mit Leadframe oder Substrat über dünne Metalldrähte aus Gold, Kupfer o. Ä. verbunden werden.
Wafertest (Probertest)
Schritt vor dem Vereinzeln, bei dem Prüfspitzen auf die Elektroden der einzelnen Chips auf dem Wafer aufgesetzt und die elektrischen Eigenschaften geprüft werden. Defekte Chips werden vor der Montage erkannt, und unnötige Montage wird vermieden.
OSAT
Unternehmen, das die Back-End-Prozesse der Halbleiterfertigung wie Montage und Test im Auftrag übernimmt.

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