半导体的生产工艺流程机械基础.doc

半导体的生产工艺流程 微机电制作技术，尤其是最大宗以硅半导体为基础的微细加工技术(silicon-?based?micromachining)，原本就肇源于半导体组件的制程技术，所以必须先介绍清楚这类制程，以免沦于夏虫语冰的窘态。?　??一、洁净室??????一般的机械加工是不需要洁净室(clean?room)的，因为加工分辨率在数十微米以上，远比日常环境的微尘颗粒为大。但进入半导体组件或微细加工的世界，空间单位都是以微米计算，因此微尘颗粒沾附在制作半导体组件的晶圆上，便有可能影响到其上精密导线布局的样式，造成电性短路或断路的严重后果。????????为此，所有半导体制程设备，都必须安置在隔绝粉尘进入的密闭空间中，这就是洁净室的来由。洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以class?10为例，意谓在单位立方英呎的洁净室空间内，平均只有粒径0.5微米以上的粉尘10粒。所以class后头数字越小，洁净度越佳，当然其造价也越昂贵(参见图2-1)。??　为营造洁净室的环境，有专业的建造厂家，及其相关的技术与使用管理办法如下：????1、内部要保持大于一大气压的环境，以确保粉尘只出不进。所以需要大型鼓风机，将经滤网的空气源源不绝地打入洁净室中。????2、为保持温度与湿度的恒定，大型空调设备须搭配于前述之鼓风加压系统中。换言之，鼓风机加压多久，冷气空调也开多久。????3、所有气流方向均由上往下为主，尽量减少突兀之室内空间设计或机台摆放调配，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与时间减至最低程度。????4、所有建材均以不易产生静电吸附的材质为主。????5、所有人事物进出，都必须经过空气吹浴?(air?shower)?的程序，将表面粉尘先行去除。????6、人体及衣物的毛屑是一项主要粉尘来源，为此务必严格要求进出使用人员穿戴无尘衣，除了眼睛部位外，均需与外界隔绝接触?(在次微米制程技术的工厂内，工作人员几乎穿戴得像航天员一样。)?当然，化妆是在禁绝之内，铅笔等也禁止使用。????7、除了空气外，水的使用也只能限用去离子水?(DI?water,?de-ionized?water)。一则防止水中粉粒污染晶圆，二则防止水中重金属离子，如钾、钠离子污染金氧半?(MOS)?晶体管结构之带电载子信道?(carrier?channel)，影响半导体组件的工作特性。去离子水以电阻率?(resistivity)?来定义好坏，一般要求至17.5MΩ-cm以上才算合格；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！????以上八点说明是最基本的要求，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造与维护费用!??二、晶圆制作???????????硅晶圆?(silicon?wafer)?是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，显然是经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)。晶棒的阻值如果太低，代表其中导电杂质?(impurity?dopant)?太多，还需经过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。最后经过粗磨?(lapping)、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。所以晶圆也因之有?{100}、{111}、{110}等之分野。有关常用硅晶圆之切边方