1、为此需动用多重离子交换树脂、RO逆渗透、与UV紫外线杀菌等重重关卡，才能放行使用。由于去离子水是最佳的溶剂与清洁剂，其在半导体工业之使用量极为惊人！8、洁净室所有用得到的气源，包括吹干晶圆及机台空压所需要的，都得使用氮气 （98%），吹干晶圆的氮气甚至要求99.8%以上的高纯氮！ 以上八点讲明是最差不多的要求，另还有污水处理、废气排放的环保问题，再再需要大笔大笔的建筑与维护费用!二、晶圆制作 硅晶圆 （silicon wafer） 是一切集成电路芯片的制作母材。既然讲到晶体，显然是通过纯炼与结晶的程序。目前晶体化的制程，大多是采柴可拉斯基（Czycrasky） 拉晶法 （CZ法）。拉晶时，将特
2、定晶向 （orientation） 的晶种 （seed），浸入过饱和的纯硅熔汤 （Melt） 中，并同时旋转拉出，硅原子便依照晶种晶向，乖乖地一层层成长上去，而得出所谓的晶棒 （ingot）。晶棒的阻值假如太低，代表其中导电杂质 （impurity dopant） 太多，还需通过FZ法 （floating-zone） 的再结晶 （re-crystallization），将杂质逐出，提高纯度与阻值。辅拉出的晶棒，外缘像椰子树干般，外径不甚一致，需予以机械加工修边，然后以X光绕射法，定出主切面 （primary flat） 的所在，磨出该平面；再以内刃环锯，削下一片片的硅晶圆。最后通过粗磨 （la
3、pping）、化学蚀平 （chemical etching） 与拋光 （polishing） 等程序，得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圆。（至于晶圆厚度，与其外径有关。） 刚才题及的晶向，与硅晶体的原子结构有关。硅晶体结构是所谓钻石结构（diamond-structure），系由两组面心结构 （FCC），相距 （1/4,1/4,1/4） 晶格常数 （lattice constant；即立方晶格边长） 叠合而成。我们依米勒指针法 （Miller index），可定义出诸如 ：100、111、110 等晶面。因此晶圆也因之有 100、111、110等之分野。有关常用硅晶圆之切边方向等信息
4、，请参考图2-2。 现今半导体业所使用之硅晶圆，大多以 100 硅晶圆为主。其可依导电杂质之种类，再分为p型 （周期表III族） 与n型 （周期表V族）。由于硅晶外貌完全相同，晶圆制造厂因此在制作过程中，加工了供辨识的记号：亦即以是否有次要切面 （secondary flat） 来分辨。该次切面与主切面垂直，p型晶圆有之，而n型则阙如。100硅晶圆循平行或垂直主切面方向而断裂整齐的特性，因此专门容易切成矩形碎块，这是早期晶圆切割时，可用刮晶机 （scriber） 的缘故 （它并无真正切断芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齐断开之。）事实上，硅晶的自然断裂面是111，因此尽管得到矩形的碎芯
5、片，但断裂面却不与100晶面垂直！以下是订购硅晶圆时，所需讲明的规格：项目 讲明 晶面 100、111、110 1o 外径（吋） 3 4 5 6 厚度（微米） 300450 450600 550650 600750（25） 杂质 p型、n型 阻值（-cm） 0.01 （低阻值） 100 （高阻值） 制作方式 CZ、FZ （高阻值） 拋光面 单面、双面 平坦度（埃） 300 3,000 三、半导体制程设备 半导体制程概分为三类：（1）薄膜成长，（2）微影罩幕，（3）蚀刻成型。设备也跟着分为四类：（a）高温炉管，（b）微影机台，（c）化学清洗蚀刻台，（d）电浆真空腔室。其中（a）（c）机台依序对应
6、（1）（3）制程，而新近进展的第（d）项机台，则分不应用于制程（1）与（3）。由于坊间不乏介绍半导体制程及设备的中文书籍，故本文不刻意锦上添花，谨就笔者认为较有味的观点，描绘一二！（一）氧化（炉）（Oxidation） 对硅半导体而言，只要在高于或等于1050的炉管中，如图2-3所示，通入氧气或水汽，自然能够将硅晶的表面予以氧化，生长所谓干氧层（dryz/gate oxide）或湿氧层（wet /field oxide），当作电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。氧化是半导体制程中，最洁净、单纯的一种；这也是硅晶材料能够取得优势的特性之一（他种半导体，如砷化镓 GaAs，便无法用此法成长绝缘层，因为
7、在550左右，砷化镓已解离释放出砷！）硅氧化层耐得住850 1050的后续制程环境，系因为该氧化层是在前述更高的温度成长；只是每生长出1 微米厚的氧化层，硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。以下是氧化制程的一些要点：（1）氧化层的成长速率不是一直维持恒定的趋势，制程时刻与成长厚度之重复性是较为重要之考量。（2）后长的氧化层会穿透先前长的氧化层而堆积于上；换言之，氧化所需之氧或水汽，势必也要穿透先前成长的氧化层到硅质层。故要生长更厚的氧化层，遇到的阻碍也越大。一般而言，专门少成长2微米厚以上之氧化层。（3）干氧层要紧用于制作金氧半（MOS）晶体管的载子信道（channel）；而湿氧层则用于其它
8、较不严格讲究的电性阻绝或制程罩幕（masking）。前者厚度远小于后者，1000 1500埃已然足够。（4）对不同晶面走向的晶圆而言，氧化速率有异：通常在相同成长温度、条件、及时刻下，111厚度110厚度100厚度。（5）导电性佳的硅晶氧化速率较快。（6）适度加入氯化氢（HCl）氧化层质地较佳；但因容易腐蚀管路，已渐少用。（7）氧化层厚度的量测，可分破坏性与非破坏性两类。前者是在光阻定义阻绝下，泡入缓冲过的氢氟酸（BOE，Buffered Oxide Etch，系 HF与NH4F以1：6的比例混合而成的腐蚀剂）将显露出来的氧化层去除，露出不沾水的硅晶表面，然后去掉光阻，利用表面深浅量测仪（su
9、rface profiler or alpha step），得到有无氧化层之高度差，即其厚度。（8）非破坏性的测厚法，以椭偏仪 （ellipsometer） 或是毫微仪（nano-spec）最为普遍及准确，前者能同时输出折射率（refractive index；用以评估薄膜品质之好坏）及起始厚度b与跳阶厚度a （总厚度 t = ma + b），实际厚度 （需确定m之整数值），仍需与制程经验配合以判读之。后者则还必须事先明白折射率来反推厚度值。（9）不同厚度的氧化层会显现不同的颜色，且有2000埃左右厚度即循环一次的特性。有经验者也可单凭颜色而推断出大约的氧化层厚度。只是若超过1.5微米以上的厚
10、度时，氧化层颜色便渐不明显。（二）扩散（炉） （diffusion） 1、扩散搀杂 半导体材料可搀杂n型或p型导电杂质来调变阻值，却不阻碍其机械物理性质的特点，是进一步制造出p-n接合面（p-n junction）、二极管（diode）、晶体管（transistor）、以至于大千婆娑之集成电路（IC）世界之基础。而扩散是达成导电杂质搀染的初期重要制程。众所周知，扩散即大自然之输送现象 （transport phenomena）；质量传输（mass transfer）、热传递（heat transfer）、与动量传输 （momentum transfer；即摩擦拖曳） 皆是事实上然的三种已知现象
11、。本杂质扩散即属于质量传输之一种，唯需要在850oC以上的高温环境下，效应才够明显。由因此扩散现象，杂质浓度C （concentration；每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子）服从扩散方程式如下：这是一条拋物线型偏微分方程式，同时与扩散时刻t及扩散深度x有关。换言之，在某扩散瞬间 （t固定），杂质浓度会由最高浓度的表面位置，往深度方向作递减变化，而形成一随深度x变化的浓度曲线；另一方面，这条浓度曲线，却又随着扩散时刻之增加而改变样式，往时刻无穷大时，平坦一致的扩散浓度分布前进！既然是扩散微分方程式，不同的边界条件（boundary conditions）施予，会产生不同之浓度分布外形。固
12、定表面浓度 （constant surface concentration） 与固定表面搀杂量 （constant surface dosage），是两种常被讨论的具有解析精确解的扩散边界条件（参见图2-4）： 2、前扩散 （pre-deposition） 第一种定浓度边界条件的浓度解析解是所谓的互补误差函数（complementary error function），其对应之扩散步骤称为前扩散，即我们一般了解之扩散制程；当高温炉管升至工作温度后，把待扩散晶圆推入炉中，然后开始释放扩散源 （p型扩散源通常是固体呈晶圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片，n型则为液态POCl3之加热蒸气
13、） 进行扩散。其浓度剖面外形之特征是杂质集中在表面，表面浓度最高，并随深度迅速减低，或是讲表面浓度梯度 （gradient） 值极高。3、后驱入 （post drive-in） 第二种定搀杂量的边界条件，具有高斯分布 （Gaussian distribution） 的浓度解析解。对应之扩散处理程序叫做后驱入，即一般之高温退火程序；差不多上只维持炉管的驱入工作温度，扩散源却不再释放。或问曰：定搀杂量的起始边界条件自何而来？答案是前扩散制程之结果；盖先前前扩散制作出之杂质浓度集中于表面，可近似一定搀杂量的边界条件也！至于什么缘故扩散要分成此二类步骤，因此不是为了投数学解析之所好，而是因应阻值调变之
14、需求。原来前扩散的杂质植入剂量专门快达到饱和，即使拉长前扩散的时刻，也无法大幅增加杂质植入剂量，换言之，电性上之电阻率 （resistivity） 特性专门快趋稳定；但后驱入使表面浓度及梯度减低（因杂质由表面往深处扩散），却又营造出再一次前扩散来增加杂质植入剂量的机会。因此，借着多次反复的前扩散与后驱入，既能调变电性上之电阻率特性，又可改变杂质电阻之有效截面积，故依大伙儿熟知之电阻公式 ； 其中 是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。4、扩散之其它要点，简述如下：（1）扩散制程有批次制作、成本低廉的好处，但在扩散区域之边缘所在，有侧向扩散的误差，故限制其在次微米 （sub-micron）
15、制程上之应用。（2）扩散之后的阻值量测，通常以四探针法（four-point probe method）行之，示意参见图2-5。目前市面已有多种商用机台可供选购。 （3）扩散所需之图形定义（pattern）及遮掩（masking），通常以氧化层（oxide）充之，以抵挡高温之环境。一微米厚之氧化层，已足敷一般扩散制程之所需。（二）微影（Photo-Lithography） 1、正负光阻 微影光蚀刻术起源于照相制版的技术。自1970年起，才大量使用于半导体制程之图形转写复制。原理即利用对紫外线敏感之聚合物，或所谓光阻（photo-resist）之受曝照与否，来定义该光阻在显影液（develope
16、r）中是否被蚀除，而最终留下与遮掩罩幕，即光罩（mask）相同或明暗互补之图形；相同者称之正光阻（positive resist），明暗互补者称之负光阻（negative resist），如图2-6所示。一般而言，正光阻，如AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L等，其分辨率及边缘垂直度均佳，但易变质，储存期限也较短 （约半年到一年之间），常用于学术或研发单位；而负光阻之边缘垂直度较差，但可储存较久，常为半导体业界所使用。2、光罩 前段述及的光罩制作，是微影之关键技术。其制作方式经几十年之演进，已由分辨率差的缩影机 （由数百倍大的红胶纸【rubby-lith】图样缩影） 技术，改良为直
17、接以计算机辅助设计制造（CAD/CAM）软件操纵的雷射束（laser-beam）或电子束（E-beam）书写机，在具光阻之石英玻璃板上进行书写 （曝光），分辨率 （最小线宽） 也改进到微米的等级。由于激光打印机的分辨率越来越好，以后某些线宽较粗的光罩可望直接以打印机出图。举例而言，3386dpi的出图机，最小线宽约为七微米。3、对准机 / 步进机 在学术或研发单位中之电路布局较为简易，一套电路布局可全部写在一片光罩中，或甚至多重复制。加上使用之硅晶圆尺寸较小，配合使用之光罩本来就不大。因此搭配使用之硅晶圆曝光机台为一般的光罩对准机（mask aligner，如图2-7）。换言之，一片晶圆只需一
18、次对准曝光，便可进行之后的显影及烤干程序。但在业界中，使用的晶圆大得多，我们不可能任意造出7吋或9吋大小的光罩来进行对准曝光：一来电子束书写机在制备如此大的光罩时，会耗损巨量的时刻，极不划算；二来，大面积光罩进行光蚀刻曝光前与晶圆之对准，要因应大面积周密定位及防震等问题，极为棘手！因此工业界多采纳步进机（stepper）进行对准曝光；也确实是讲，即使晶圆大到6或8吋，但光罩大小依旧小小的12吋见方，一则光罩制备快速，二则小面积对准的问题也比较少；只是要曝满整片晶圆，要花上数十次对准曝光移位的重复动作。但即便如此，因每次对准曝光移位仅费时1秒左右，故一片晶圆的总曝光时刻仍操纵在1分钟以内，而保持
19、了工厂的高投片率 （high through-put；即单位时刻内完成制作之硅芯片数。） 图2-7 双面对准曝光对准系统（国科会北区微机电系统研究中心）。4、光阻涂布 晶圆上微米厚度等级的光阻，是采纳旋转离心（spin-coating）的方式涂布上去。光阻涂布机如图2-8所示。其典型程序包括：（1）晶圆表面前处理 （pre-baking）：即在150C下烘烤一段时刻。若表面无氧化层，要另外先上助粘剂 （primer），如HMDS，再降回室温。换言之，芯片表面在涂敷光阻前要确保是亲水性（hydrophilic）。（2）送晶圆上真空吸附的转台，注入（dispensing）光阻，开始由低转速甩出多余
20、的光阻并均布之，接着以转速数千rpm，减薄光阻至所需厚度。（3）将晶圆表层光阻稍事烤干定型，防止沾粘。但不可过干过硬，而阻碍后续的曝光显影。一般光阻涂布机的涂布结果是厚度不均。尤其在晶圆边缘部份，可能厚达其它较均匀部份的光阻3倍以上。另外，为了确保光阻全然涂布到整片晶圆，通常注入光阻的剂量，是真正涂布粘着在晶圆上之数十甚至数百倍，极其惋惜；因为甩到晶圆外的光阻中有机溶剂迅速挥发逸散，成份大变，不能回收再使用。5、厚光阻 德国Karl-Suss公司开发了一种新型的光阻涂布机，称为GYRSET?，如图2-9所示，其卖点在于强调可减少一半的光阻用量，且得出更均厚的光阻分布。其原理极为单纯：只是在真空
21、转台上加装了跟着同步旋转的盖子。如此一来，等于强迫晶圆与盖子之间的空气跟着旋转，那么光阻上便无高转速差的粘性旋转拖曳作用。故光阻在被涂布时，其与周遭流体之相对运动并不明显，只是离心的彻体力效果，使光阻稳定地、且是呈同心圆状地向外涂布。 依照实际使用显示，GYRSET?只需一般涂布机的55%光阻用量。另外，其也可应用于厚光阻之涂布 （厚度自数微米至数百微米不等）。受涂基板也可由晶圆改为任意的工作外型，而可不能造成边缘一大部份面积厚度不均的花花外貌。注 厚光阻是新近进展出来，供微机电研究使用的材料，如IBM的SU-8系列光阻，厚度由数微米至100微米不等，以GYRSET?涂布后，通过严格的烘干程序
22、，再以紫外线或准分子雷射 （excimer laser） 进行曝光显影后，所得到较深遂的凹状图案，可供进一步周密电铸 （electro-forming） 的金属微结构成长填塞。这种加工程序又称为仿LIGA制程 （poor mans LIGA），即异步X光之深刻模造术。（三）蚀刻（Etching） 蚀刻的机制，按发生顺序可概分为反应物接近表面、表面氧化、表面反应、生成物离开表面等过程。因此整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。整个蚀刻的时刻，等因此扩散与化学反应两部份所费时刻的总和。二者之中孰者费时较长，整个蚀刻之快慢也卡在该者，故有所谓reaction limit
23、ed与diffusion limited两类蚀刻之分。1、湿蚀刻 最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法，其设备如图2-10所示。其阻碍被蚀刻物之蚀刻速率 （etching rate） 的因素有三：蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌 （stirring） 之有无。定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但浓度之阻碍则较不明确。举例来讲，以49%的HF蚀刻SiO2，因此比BOE （Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6） 快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢！ 湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业，关于一般不是这方面的研究人员，必须向该化学专业
24、的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是选择性（selectivity），意指进行蚀刻时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质 （如蚀刻掩膜；etching mask， 或承载被加工薄膜之基板；substrate ） 的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。 （1）等向性蚀刻 （isotropic etching） 大部份的湿蚀刻液均是等向性，换言之，对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好蚀刻掩膜的图案，暴露出来的区域，便是往下腐蚀的所在；只要蚀刻配方具高选择性，便应当止于所该止之深度。然而有鉴于任何被
25、蚀薄膜皆有其厚度，当其被蚀出某深度时，蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触，故蚀刻液也开始对蚀刻掩膜图案边缘的底部，进行蚀掏，这确实是所谓的下切或侧向侵蚀现象 （undercut）。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级，换言之，湿蚀刻技术因之而无法应用在类似次微米线宽的周密制程技术！（2）非等向性蚀刻 （anisotropic etching） 先前题到之湿蚀刻选择性观念，是以不同材料之受蚀快慢程度来讲明。然而自1970年代起，在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速
26、率相差极大，尤其是方向，足足比或是方向的腐蚀速率小一到两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。这部份将在体型微细加工时再详述。2、干蚀刻 干蚀刻是一类较新型，但迅速为半导体工业所采纳的技术。其利用电浆 （plasma） 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采纳的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。干蚀刻差不多上包括离子轰击（ion-bombardment）与化学反应（chemical reaction） 两部份蚀刻机制。偏离子轰击效应者使用氩气（argon），加工
27、出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏化学反应效应者则采氟系或氯系气体（如四氟化碳CF4），经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点，能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点，换言之，本技术中所谓活性离子蚀刻（reactive ion etch；RIE） 已足敷次微米线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。（四）离子植入 （Ion Implantation） 在扩散制程的末尾描述中，曾题及扩散区域之边缘所在，有侧向扩散的误差，故限制其在次微米制程上之应用。但诚如干蚀法补足湿蚀法在次微
28、米制程能力不足一样，此地另有离子植入法，来进行图案更精细，浓度更为稀少精准的杂值搀入。离子植入法是将III族或IV族之杂质，以离子的型式，经加速后冲击进入晶圆表面，通过一段距离后，大部份停于离晶圆表面0.1微米左右之深度 （视加速能量而定），故最高浓度的地点，不似热扩散法在表面上。只是因为深度专门浅，一般依旧简单认定大部份离子是搀杂在表面上，然后进一步利用驱入（drive-in）来调整浓度分布，并对离子撞击过的区域，进行结构之修补。差不多上，其为一低温制程，故可直接用光阻来定义植入的区域。（五）化学气相沉积 （Chemical Vapor Deposition；CVD） 到目前为止，只谈到以高温炉管来进行二氧化硅层之成长。至于其它如多晶硅 （poly-silicon）、氮化硅 （silicon-nitride）、钨或铜金属等
