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晶圆
阅读:22654时间:2010-12-10 10:51:44

  晶圆是指硅半导体积体电路制作所用之硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆;在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能之ic产品。晶圆的原始材料是硅,很多文献上描述晶圆是矽制成,矽是硅元素的旧称。

简介

  晶圆的原始材料是硅,地壳表面有着取之不尽用之不竭的二  氧化硅,二氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了  高纯度的多晶硅,其纯度高达 0.99999999999。晶圆制造厂再将此多晶硅  融解,再于融液内掺入一小粒的硅晶体晶种,然后将其慢慢拉出,以形成  圆柱状的单晶硅晶棒,由于硅晶棒是由一颗小晶粒在熔融态的硅原料中逐  渐生成,此过程称为长晶,硅晶棒再经过研磨、抛光、切片后,即成  为积体电路工厂的基本原料----硅晶圆片,这就是晶圆。国内自1997  年起已有厂家生产八英寸(200mm)晶圆片,未来将会生产十二寸晶圆。晶圆的制造是整个电子资讯产业中最上游的部份,晶圆产业的发展优劣,直接影响半导体工业,也可从中观察出整个资讯产业的发展趋势。

结构

  1 晶格:晶圆制程结束后,晶圆的表面会形成许多格状物,成为晶格。经过切割器切割后成所谓的晶片

  2 分割线:晶圆表面的晶格与晶格之间预留给切割器所需的空白部分即为分割线

  3 测试晶格:指晶圆表面具有电路元件及特殊装置的晶格,在晶圆制造期间,这些测试晶格需要通过电流测试,才能被切割下来

  4 边缘晶格:晶圆制造完成后,其边缘会产生部分尺寸不完整的晶格,此即为边缘晶格,这些不完整的晶格切割后,将不被使用

  5 晶圆的平坦边:晶圆制造完成后,晶圆边缘都会切割成主要和次要的平坦边,目的是用来作为区分。

制作过程

  光学显影:是在光阻经过曝光和显影的程序,把光罩上的图形转换到光阻下面的薄膜层或矽晶上。光学显影主要包含了光阻涂布、烘烤、光罩对准、曝光和显影等程序。小尺寸之显像解析度,更在IC制程的进步上,扮演着最关键的角色。由於光学上的需要,此段制程之照明采用偏黄色的可见光。因此俗称此区为黄光区。

  干式蚀刻技术:在半导的体制程中,蚀刻被用来将某种材质自晶圆表面上移除。乾式蚀刻(又称为电浆蚀刻)是目前最常用的蚀刻方式,其以气体作为主要的蚀刻媒介,并藉由电浆能量来驱动反应。

  电浆对蚀刻制程有物理性与化学性两方面的影响。首先,电浆会将蚀刻气体分子分解,产生能够快速蚀去材料的高活性分子。此外,电浆也会把这些化学成份离子化,使其带有电荷。

  晶圆系置於带负电的阴极之上,因此当带正电荷的离子被阴极吸引并加速向阴极方向前进时,会以垂直角度撞击到晶圆表面。晶片制造商即是运用此特性来获得绝佳的垂直蚀刻,而后者也是乾式蚀刻的重要角色。

  基本上,随着所欲去除的材料与所使用的蚀刻化学物质之不同,蚀刻由下列两种模式单独或混会进行:

  1.电浆内部所产生的活性反应离子与自由基在撞击晶圆表面后,将与某特定成份之表面材质起化学反应而使之气化。如此即可将表面材质移出晶圆表面,并透过抽气动作将其排出。

  2.电浆离子可因加速而具有足够的动能来扯断薄膜的化学键,进而将晶圆表面材质分子一个个的打击或溅击(sputtering)出来。

  化学气相沉积:是制造微电子元件时,被用来沉积出某种薄膜的技术,沉积出的薄膜可能是介电材料(绝缘体)(dielectrics)、导体、或半导体。

  在进行化学气相沉积制程时,包含有被沉积材料之原子的气体,会被导入受到严密控制的制程反应室内。当这些原子在受热的晶圆表面上起化学反应时,会在晶圆表面产生一层固态薄膜。而此一化学反应通常必须使用单一或多种能量源(例如热能或无线电频率功率)。

  物理气相沉积:(PhysicalVaporDeposition)主要是一种物理制程而非化学制程。此技术一般使用氩等钝气,藉由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后,可将靶材原子一个个溅击出来,并使被溅击出来的材质(通常为铝、钛或其合金)如雪片般沈积在晶圆表面。制程反应室内部的高温与高真空环境,可使这些金属原子结成晶粒,再透过微影图案化(patterned)与蚀刻,来得到半导体元件所要的导电电路。

  解离金属电浆:是最近发展出来的物理气相沉积技术,它是在目标区与晶圆之间,利用电浆,针对从目标区溅击出来的金属原子,在其到达晶圆之前,加以离子化。离子化这些金属原子的目的是,让这些原子带有电价,进而使其行进方向受到控制,让这些原子得以垂直的方向往晶圆行进,就像电浆蚀刻及化学气相沉积制程。这样做可以让这些金属原子针对极窄、极深的结构进行沟填,以形成极均匀的表层,尤其是在最底层的部份。

  高温制程:多晶矽(poly)通常用来形容半导体电晶体之部分结构:至於在某些半导体元件上常见的磊晶矽(epi)则是长在均匀的晶圆结晶表面上的一层纯矽结晶。多晶矽与磊晶矽两种薄膜的应用状况虽然不同,却都是在类似的制程反应室中经高温(600℃至1200℃)沉积而得。

  即使快速高温制程(RapidThermalProcessing,RTP)之工作温度范围与多晶矽及磊晶矽制程有部分重叠,其本质差异却极大。RTP并不用来沉积薄膜,而是用来修正薄膜性质与制程结果。RTP将使晶圆历经极为短暂且精确控制高温处理过程,这个过程使晶圆温度在短短的10至20秒内可自室温升到1000℃。RTP通常用於回火制程(annealing),负责控制元件内掺质原子之均匀度。此外RTP也可用来矽化金属,及透过高温来产生含矽化之化合物与矽化钛等。最新的发展包括,使用快速高温制程设备在晶极重要的区域上,精确地沈积氧及氮薄膜。

  离子植入技术:可将掺质以离子型态植入半导体元件的特定区域上,以获得精确的电子特性。这些离子必须先被加速至具有足够能量与速度,以穿透(植入)薄膜,到达预定的植入深度。离子植入制程可对植入区内的掺质浓度加以精密控制。基本上,此掺质浓度(剂量)系由离子束电流(离子束内之总离子数)与扫瞄率(晶圆通过离子束之次数)来控制,而离子植入之深度则由离子束能量之大小来决定。

  化学机械研磨技术(ChemicalMechanicalPolishing,CMP):兼其有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用,可以使晶圆表面达到全面性的平坦化,以利后续薄膜沉积之进行。

  在CMP制程的硬体设备中,研磨头被用来将晶圆压在研磨垫上并带动晶圆旋转,至於研磨垫则以相反的方向旋转。在进行研磨时,由研磨颗粒所构成的研浆会被置於晶圆与研磨垫间。影响CMP制程的变数包括有:研磨头所施的压力与晶圆的平坦度、晶圆与研磨垫的旋转速度、研浆与研磨颗粒的化学成份、温度、以及研磨垫的材质与磨损性等等。

  制程监控:在下个制程阶段中,半导体商用CD-SEM来量测晶片内次微米电路之微距,以确保制程之正确性。一般而言,只有在微影图案(photolithographicpatterning)与后续之蚀刻制程执行后,才会进行微距的量测。

  光罩检测:光罩是高精密度的石英平板,是用来制作晶圆上电子电路图像,以利积体电路的制作。光罩必须是完美无缺,才能呈现完整的电路图像,否则不完整的图像会被复制到晶圆上。光罩检测机台则是结合影像扫描技术与先进的影像处理技术,捕捉图像上的缺失。

  当晶圆从一个制程往下个制程进行时,图案晶圆检测系统可用来检测出晶圆上是否有瑕疵包括有微尘粒子、断线、短路、以及其他各式各样的问题。此外,对已印有电路图案的图案晶圆成品而言,则需要进行深次微米范围之瑕疵检测。一般来说,图案晶圆检测系统系以白光或雷射光来照射晶圆表面。再由一或多组侦测器接收自晶圆表面绕射出来的光线,并将该影像交由高功能软体进行底层图案消除,以辨识并发现瑕疵。

  切割:晶圆经过所有的制程处理及测试后,切割成壹颗颗的IC。举例来说:以0.2微米制程技术生产,每片八寸晶圆上可制作近六百颗以上的64MDRAM。

  封装:制程处理的最后一道手续,通常还包含了打线的过程。以金线连接晶片与导线架的线路,再封装绝缘的塑胶或陶瓷外壳,并测试IC功能是否正常。

  由於切割与封装所需技术层面比较不高,因此常成为一般业者用以介入半导体工业之切入点。

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