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 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 Ω-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 % 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 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向等信息,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