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半導體元器件的制造過程

日期:2021/1/8 10:54:02
摘要:半導體元器件的制造除了人們熟知的“設計→制造→封裝→測試”四大環節以外,中間的整體環節其實很復雜,可分為前段制程和后段制程。

半導體元器件的制備首先要有最基本的材料——硅晶圓,通過在硅晶圓上制作電路與電子元件(如電晶體、電容體、邏輯閘等),為上述各制程中所需技術最復雜且資金投入最多的過程。由于芯片是高精度的產品,因此對制造環境有很高的要求,其所需制造環境為為一溫度、濕度與含塵均需控制的無塵室。此外,一枚芯片所需處理步驟可達數百道,而且使用的加工機臺先進且昂貴,動輒數千萬一臺,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之後,接著進行氧化及沈積,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制作。

下面是主要的制程:

一、硅晶圓材料

晶圓是制作硅半導體IC所用之硅晶片,狀似圓形,故稱晶圓。材料是硅,芯片廠家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,速率與雜質都有關系。

二、光學顯影

光學顯影是在光阻上經過曝光和顯影的程序,把光罩上的圖形轉換到光阻 下面的薄膜層或硅晶上。光學顯影主要包含了光阻涂布、烘烤、光罩對準、 曝光和顯影等程序。小尺寸之顯像分辨率,更在 IC 制程的進步上,扮演著 最關鍵的角色。由于光學上的需要,此段制程之照明采用偏黃色的可見光。因此俗稱此區為 黃光區。

三、蝕刻技術

蝕刻技術(EtchingTechnology)是將材料使用化學反應物理撞擊作用而移除的技術??梢苑譃椋簼裎g刻(wetetching):濕蝕刻所使用的是化學溶液,在經過化學反應之后達到蝕刻的目的;干蝕刻(dryetching):干蝕刻則是利用一種電漿蝕刻(plasmaetching)。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復合作用?,F在主要應用等離子體刻蝕技術。

四、CVD化學氣相沉積

化學氣相沉積(CVD)是指化學氣體或蒸汽在基質表面反應合成涂層或納米材料的方法,是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術,包括大范圍的絕緣材料,大多數金屬材料和金屬合金材料。從理論上來說,它是很簡單的:兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內,然后他們相互之間發生化學反應,形成一種新的材料,沉積到晶片表面上。

五、物理氣相沉積(PVD)

這主要是一種物理制程而非化學制程。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后,可將靶材原子一個個濺擊出來,并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。

六、離子植入(IonImplant)

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。離子植入制程可對植入區內的摻質濃度加以精密控制?;旧?,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

晶圓制造中,隨著制程技術的升級、導線與柵極尺寸的縮小,光刻(Lithography)技術對晶圓表面的平坦程度(Non-uniformity)的要求越來越高,IBM公司于1985年發展CMOS產品引入,并在1990年成功應用于64MB的DRAM生產中。1995年以后,CMP技術得到了快速發展,大量應用于半導體產業?;瘜W機械研磨亦稱為化學機械拋光,其原理是化學腐蝕作用和機械去除作用相結合的加工技術,是機械加工中唯一可以實現表面全局平坦化的技術。

八、光罩檢測

光罩是高精密度的石英平板,是用來制作晶圓上電子電路圖像,以利集成電路的制作。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復制到晶圓上。光罩檢測機臺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。

九、清洗技術

清洗技術在芯片制造中非常重要。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;因此幾乎所有制程之前或后都需要清洗。份量約占所有制程步驟的30%。

十、晶片切割

晶片切割之目的為將前制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微米制程技術生產,每片八寸晶圓上可制作近六百顆以上的64M微量。欲進行晶片切割,首先必須進行晶圓黏片,而后再送至晶片切割機上進行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于膠帶上,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

IC構裝制程(Packaging)則是利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成集成電路(IntegratedCircuit;簡稱IC),此制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。最后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

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于框架上并預熱,再將框架置于壓模機上的構裝模上,再以樹脂充填并待硬化。

十三、剪切/成形

剪切之目的為將導線架上構裝完成之晶粒獨立分開,并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,以便于裝置于電路版上使用。剪切與成形主要由一部沖壓機配上多套不同制程之模具,加上進料及出料機構所組成。

十四、測試和檢驗

這些測試和檢驗就是保證封裝好芯片的質量,保證其良率。

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