半導體製造工藝科普|半導體行業觀察

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半導體從業者對晶元都有一定程度的了解，但我相信除了在晶圓廠的人外，很少有人對工藝流程有深入的了解。在這裡我來給大家做一個科普。首先要做一些基本常識科普：半導體元件製造過程可分為前段製程（包括晶圓處理製程、晶圓針測製程）；還有後段（包括封裝、測試製程）。

零、概念理解

所謂晶圓處理製程，主要工作為在硅晶圓上製作電路與電子元件（如電晶體、電容體、邏輯閘等），為上述各製程中所需技術最複雜且資金投入最多的過程 ，以微處理器（Microprocessor）為例，其所需處理步驟可達數百道，而其所需加工機台先進且昂貴，動輒數千萬一台，其所需製造環境為為一溫度、濕度與 含塵（Particle）均需控制的無塵室（Clean-Room），雖然詳細的處理程序是隨著產品種類與所使用的技術有關；不過其基本處理步驟通常是晶圓先經過適 當的清洗（Cleaning）之後，接著進行氧化（Oxidation）及沈積，最後進行微影、蝕刻及離子植入等反覆步驟，以完成晶圓上電路的加工與製作。

晶圓針測製程則是在製造好晶圓之後，晶圓上即形成一格格的小格 ，我們稱之為晶方或是晶粒（Die），在一般情形下，同一片晶圓上皆製作相同的晶片，但是也有可能在同一片晶圓 上製作不同規格的產品；這些晶圓必須通過晶片允收測試，晶粒將會一一經過針測（Probe）儀器以測試其電氣特性， 而不合格的的晶粒將會被標上記號（Ink Dot），此程序即 稱之為晶圓針測製程（Wafer Probe）。然後晶圓將依晶粒 為單位分割成一粒粒獨立的晶粒。

IC封裝製程（Packaging）：利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成集成電路；目的是為了製造出所生產的電路的保護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞。而後段的測試則是對封裝好的晶元進行測試，以保證其良率。

因為晶元是高精度的產品，因此對製造環境有很高的要求。

下面對主要的製程進逐一講解：

一、硅晶圓材料

晶圓是製作硅半導體IC所用之硅晶片，狀似圓形，故稱晶圓。材料是「硅」， IC（Integrated Circuit）廠用的硅晶片即為硅晶體，因為整片的硅晶片是單一完整的晶體，故又稱為單晶體。但在整體固態晶體內，眾多小晶體的方向不相，則為復晶體（或多晶體）。生成單晶體或多晶體與晶體生長時的溫度，速率與雜質都有關係。

二、光學顯影

光學顯影是在感光膠上經過曝光和顯影的程序，把光罩上的圖形轉換到感光膠下面的薄膜層或硅晶上。光學顯影主要包含了感光膠塗布、烘烤、光罩對準、 曝光和顯影等程序。

關鍵技術參數:最小可分辨圖形尺寸Lmin(nm) 、聚焦深度DOF

曝光方式:紫外線、X射線、電子束、極紫外光

三、蝕刻技術

蝕刻技術（Etching Technology）是將材料使用化學反應物理撞擊作用而移除的技術。可以分為:

濕蝕刻（wet etching）:濕蝕刻所使用的是化學溶液，在經過化學反應之後達到蝕刻的目的.

干蝕刻（dry etching）:干蝕刻則是利用一種電漿蝕刻（plasma etching）。電漿蝕刻中蝕刻的作用，可能是電漿中離子撞擊晶片表面所產生的物理作用，或者是電漿中活性自由基（Radical）與晶片表面原子間的化學反應，甚至也可能是以上兩者的複合作用。

現在主要應用技術:等離子體刻蝕

四、CVD化學氣相沉積

這是利用熱能、電漿放電或紫外光照射等化學反應的方式，在反應器內將反應物（通常為氣體）生成固態的生成物，並在晶片表面沉積形成穩定固態薄膜（film）的一種沉積技術。CVD技術是半導體IC製程中運用極為廣泛的薄膜形成方法，如介電材料（dielectrics）、導體或半導體等薄膜材料幾乎都能用CVD技術完成。

常用的CVD技術有：

(1)「常壓化學氣相沉積（APCVD）」；

(2)「低壓化學氣相沉積（LPCVD）」；

(3)「電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）」

較為常見的CVD薄膜包括有：

二氣化硅（通常直接稱為氧化層）

氮化硅

多晶硅

耐火金屬與這類金屬之其硅化物

CVD的反應機制主要可分為五個步驟：

(1)在沉積室中導入氣體，並混以稀釋用的惰性氣體構成「主氣流（mainstream）」；

(2)主氣流中反應氣體原子或分子通過邊界層到達基板表面；

(3)反應氣體原子被「吸附（adsorbed）」在基板上；

(4)吸附原子（adatoms）在基板表面移動，並且產生化學反應；

(5)氣態生成物被「吸解（desorbed）」，往外擴散通過邊界層進入主氣流中，並由沉積室中被去除。

五、物理氣相沉積（PVD）

這主要是一種物理製程而非化學製程。此技術一般使用氬等鈍氣，藉由在高真空中將氬離子加速以撞擊濺鍍靶材後，可將靶材原子一個個濺擊出來，並使被濺擊出來的材質（通常為鋁、鈦或其合金）如雪片般沉積在晶圓表面。

PVD以真空、測射、離子化或離子束等方法使純金屬揮發，與碳化氫、氮氣等氣體作用，加熱至400～600℃（約1～3小時）後，蒸鍍碳化物、氮化物、氧化物及硼化物等1～10μm厚之微細粒狀薄膜，

PVD可分為三種技術：(1)蒸鍍（Evaporation）；(2)分子束磊晶成長（Molecular Beam Epitaxy；MBE）；(3)濺鍍（Sputter）

解離金屬電漿是最近發展出來的物理氣相沉積技術，它是在目標區與晶圓之間，利用電漿，針對從目標區濺擊出來的金屬原子，在其到達晶圓之前，加以離子化。離子化這些金屬原子的目的是，讓這些原子帶有電價，進而使其行進方向受到控制，讓這些原子得以垂直的方向往晶圓行進，就像電漿蝕刻及化學氣相沉積製程。這樣做可以讓這些金屬原子針對極窄、極深的結構進行溝填，以形成極均勻的表層，尤其是在最底層的部份。

六、離子植入（Ion Implant）

離子植入技術可將摻質以離子型態植入半導體組件的特定區域上，以獲得精確的電子特性。這些離子必須先被加速至具有足夠能量與速度，以穿透（植入）薄膜，到達預定的植入深度。離子植入製程可對植入區內的摻質濃度加以精密控制。基本上，此摻質濃度（劑量）系由離子束電流（離子束內之總離子數）與掃瞄率（晶圓通過離子束之次數）來控制，而離子植入之深度則由離子束能量之大小來決定。

七、化 學 機 械 研 磨 技 術

化學機械研磨技術（化學機器磨光， CMP）兼具有研磨性物質的機械式研磨與酸鹼溶液的化學式研磨兩種作用，可以使晶圓表面達到全面性的平坦化，以利後續薄膜沉積之進行。

在CMP製程的硬設備中，研磨頭被用來將晶圓壓在研磨墊上並帶動晶圓旋轉，至於研磨墊則以相反的方向旋轉。在進行研磨時，由研磨顆粒所構成的研漿會被置於晶圓與研磨墊間。影響CMP製程的變數包括有：研磨頭所施的壓力與晶圓的平坦度、晶圓與研磨墊的旋轉速度、研漿與研磨顆粒的化學成份、溫度、以及研磨墊的材質與磨損性等等。

八、光罩檢測（Retical檢查）

光罩是高精密度的石英平板，是用來製作晶圓上電子電路圖像，以利集成電路的製作。光罩必須是完美無缺，才能呈現完整的電路圖像，否則不完整的圖像會被複制到晶圓上。光罩檢測機台則是結合影像掃描技術與先進的影像處理技術，捕捉圖像上的缺失。

當晶圓從一個製程往下個製程進行時，圖案晶圓檢測系統可用來檢測出晶圓上是否有瑕疵包括有微塵粒子、斷線、短路、以及其它各式各樣的問題。此外，對已印有電路圖案的圖案晶圓成品而言，則需要進行深次微米範圍之瑕疵檢測。

一般來說，圖案晶圓檢測系統系以白光或雷射光來照射晶圓表面。再由一或多組偵測器接收自晶圓表面繞射出來的光線，並將該影像交由高功能軟體進行底層圖案消除，以辨識並發現瑕疵。

九、清洗技術

我們要知道，清洗技術在晶元製造中非常重要。清洗的目的是去除金屬雜質、有機物污染、微塵與自然氧化物；降低表面粗糙度；因此幾乎所有製程之前或後都需要清洗。份量約佔所有製程步驟的 30%。

十、晶片切割（Die Saw）

晶片切割之目的為將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之晶粒（die）切割分離。舉例來說：以0.2微米製程技術生產，每片八寸晶圓上可製作近六百顆以上的64M微量。欲進行晶片切割，首先必須進行 晶圓黏片，而後再送至晶片切割機上進行切割。切割完後之晶粒井然有序排列於膠帶上，而框架的支撐避免了膠帶的皺摺與晶粒之相互碰撞。

十一：焊線（Wire Bond）

IC構裝製程（Packaging）則是利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成集成電路（Integrated Circuit；簡稱IC），此製程的目的是為了製造出所生產的電路的保護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞。最後整個集成電路的周圍會 向外拉出腳架（Pin），稱之為打線，作為與外界電路板連接之用。

十二、封膠（Mold）

封膠之主要目的為防止濕氣由外部侵入、以機械方式支 持導線、內部產生熱量之去除及提供能夠手持之形體。其過程為將導線架置於框架上並預熱，再將框架置於壓模機上的構裝模上，再以樹脂充填並待硬化。

十三、剪切/成形（Trim /Form）

剪切之目的為將導線架上構裝完成之晶粒獨立分開，並 把不需要的連接用材料及部份凸出之樹脂切除（dejunk）。成形之目的則是將外引腳壓成各種預先設計好之形狀 ，以便於裝置於電路版上使用。剪切與成形主要由一部衝壓機配上多套不同製程之模具，加上進料及出料機構 所組成。

十四：典型的測試和檢驗過程

這些測試和檢驗就是保證封裝好晶元的質量，保證其良率的。其檢測項目包括但不限於以下幾項:

總結

以上的整理並不保證完全正確或者完整，筆者整理這些是為了方便大家對半導體晶元的製程有一些簡要的了解，如果有錯誤，希望大家斧正。當然，也希望這些內容對大家有所幫助。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1377期內容，歡迎關注。

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