工艺技术_半導體元件的製作

我们总羡慕别人的幸福，却常常忽略自己生活中的美好。其实，幸福很平凡也很简单，它就藏在看似琐碎的生活中。幸福的人，并非拿到了世界上最好的东西，而是珍惜了生命中的点点滴滴，用感恩的心态看待生活，用乐观的态度闯过磨难。 半導體的產品很多，應用的場合非常廣泛，圖一是常見的幾種半導體元件外型。半導體元件一般是以接腳形式或外型來劃分類別，圖一中不同類別的英文縮寫名稱原文為PDID：Plastic Dual Inline PackageSOP：Small Outline PackageSOJ：Small Outline J-Lead PackagePLCC：Plastic Leaded Chip CarrierQFP：Quad Flat PackagePGA：Pin Grid ArrayBGA：Ball Grid Array 雖然半導體元件的外型種類很多，在電路板上常用的組裝方式有二種，一種是插入電路板的銲孔或腳座，如PDIP、PGA，另一種是貼附在電路板表面的銲墊上，如SOP、SOJ、PLCC、QFP、BGA。 從半導體元件的外觀，只看到從包覆的膠體或陶瓷中伸出的接腳，而半導體元件真正的的核心，是包覆在膠體或陶瓷內一片非常小的晶片，透過伸出的接腳與外部做資訊傳輸。圖二是一片EPROM元件，從上方的玻璃窗可看到內部的晶片，圖三是以顯微鏡將內部的晶片放大，可以看到晶片以多條銲線連接四周的接腳，這些接腳向外延伸並穿出膠體，成為晶片與外界通訊的道路。請注意圖三中有一條銲線從中斷裂，那是使用不當引發過電流而燒毀，致使晶片失去功能，這也是一般晶片遭到損毀而失效的原因之一。圖四是常見的LED，也就是發光二極體，其內部也是一顆晶片，圖五是以顯微鏡正視LED的頂端，可從透明的膠體中隱約的看到一片方型的晶片及一條金色的銲線，若以LED二支接腳的極性來做分別，晶片是貼附在負極的腳上，經由銲線連接正極的腳。當LED通過正向電流時，晶片會發光而使LED發亮，如圖六所示。 半導體元件的製作分成兩段的製造程序，前一段是先製造元件的核心晶片，稱為晶圓製造；後一段是將晶中片加以封裝成最後產品，稱為IC封裝製程，又可細分成晶圓切割、黏晶、銲線、封膠、印字、剪切成型等加工步驟，在本章節中將簡介這兩段的製造程序。 須經過下列主要製程才能製造出一片可用的晶片，以下 是各製程 的介紹：（）長晶（CRYSTALGROWTH）： 長晶是從矽沙中(二氧化矽)提鍊成單晶矽，製造過 程是將矽石(Silica)或矽酸鹽 (Silicate) 如同冶金一樣，放入爐中熔解提鍊，形成冶金級矽。冶金級矽中尚含有雜質，接下來用分餾及還原的方法將其純化，形成電子級矽。雖然電子級矽所含的矽的純度很高，可達 99.9999 99999 %，但是結晶方式雜亂，又稱為多晶矽，必需重排成單晶結構，因此將電子級矽置入坩堝內加溫融化，先將溫度降低至一設定點，再以一塊單晶矽為晶種，置入坩堝內，讓融化的矽沾附在晶種上，再將晶種以邊拉邊旋轉方式抽離坩堝，而沾附在晶種上的矽亦隨之冷凝，形成與晶種相同排列的結晶。隨著晶種的旋轉上升，沾附的矽愈多，並且被拉引成表面粗糙的圓柱狀結晶棒。拉引及旋轉的速度愈慢則沾附的矽結晶時間愈久，結晶棒的直徑愈大，反之則愈小。 右圖(摘自中德公司目錄)為中德電子材料公司製作的晶棒(長度達一公尺，重量超過一百公斤)。 （）切片（SLICING）：從坩堝中拉出的晶柱，表面並不平整，經過工業級鑽石磨具的加工，磨成平滑的圓柱，並切除頭尾兩端錐狀段，形成標準的圓柱，被切除或磨削的部份則回收重新冶煉。接著以以高硬度鋸片或線鋸將圓柱切成片狀的晶圓(Wafer) (摘自中德公司目錄)。 （）邊緣研磨（EDGEGRINDING）：將片狀晶圓的圓周邊緣以磨具研磨成光滑的圓弧形，如此可(1)防止邊緣崩裂，(2)防止在後續的製程中產生熱應力集中，(3)增加未來製程中鋪設光阻層或磊晶層的平坦度。 （）研磨（LAPPING）與蝕刻（ETCHING）：由於受過機械的切削，晶圚表面粗糙，凹凸不平，及沾附切屑或污漬，因此先以化學溶液(HF/HNO3)蝕刻(Etching)，去除部份切削痕跡，再經去離子純水沖洗吹乾後，進行表面研磨拋光，使晶圓像鏡面樣平滑，以利後續製程。研磨拋光是機械與化學加工同時進行，機械加工是將晶圓放置在研磨機內，將加工面壓貼在研磨墊(Polishing Pad)磨擦，並同時滴入具腐蝕性的化學溶劑當研磨液，讓磨削與腐蝕同時產生。研磨後的晶圓需用化學溶劑清除表面殘留的金屬碎屑或有機雜質，再以去離子純水沖洗吹乾，準備進入植入電路製程。（5）退火（ANNEALING）： 將晶片在嚴格控制的條件下退火，以使晶片的阻質穩定。（6）拋光（POLISHING）： 晶片小心翼翼地拋光，使晶片表面光滑與平坦，以利將來再加工。（7）洗淨（CLEANING）： 以多步驟的高度無污染洗淨程序包含各種高度潔淨的清洗液與超音動處理除去晶片表面的所有污染物質，使晶片達到可進行晶片加工的狀態。（8）檢驗（INSPECTION）：晶片在無塵環境中進行嚴格的檢查，包含表面的潔淨度、平坦度以及各項規格以確保品質符合顧客的要求。（9）包裝（PACKING）： 通過檢驗的晶片以特殊設計的容器包裝，使晶片維持無塵及潔淨的狀態，該容器並確保晶片固定於其中，以預防搬運過程中發生的振動使晶片受損。 經過晶圓製造的步驟後，此時晶圓還沒任何的功能，所以必須經過積體電路製程，才可算是一片可用的晶圓。 以下是積體電路製程的流程圖：磊晶 微影 氧化 擴散 蝕刻 金屬連線 磊晶(Epitoxy) 指基板以外依元件製程需要沉積的薄膜材料，其原理可分為：() 液相磊晶 (Liquid Phase Epitoxy，LPE) LPE 的晶體成長是在基板上將熔融態的液體材料直接和晶片接觸而沉積晶膜，特別適用於化 合物半導體元件，尤其是發光元件。 () 氣相磊晶 (Vapor Phase Epitoxy，VPE) VPE 的原理是讓磊晶原材料以氣體或電漿粒子的形式傳輸至晶片表面，這些粒子在失去部份的動能後被晶片表面晶格吸附 (Adsorb)，通常晶片會以熱的形式提供能量給粒子，使其游移至晶格位置而凝結 (Condensation)。在此同時粒子和晶格表面原子因吸收熱能而脫離晶片表面稱之為解離 (Desorb)，因此 VPE 的程序其實是粒子的吸附和解離兩種作用的動態平衡結果，如下圖所示。 VPE 依反應機構可以分成 () 化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition，CVD) 和 () 物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition，PVD) 兩種技術。 CVD 大致是應用在半導體晶膜和氧化層的成長。 PVD 主要適用於金屬接點連線的沉積。() 分子束磊晶 (Molecular Beam Epitoxy，MBE) MBE 是近年來最熱門的磊晶技術，無論是 III-V、II-VI 族化合物半導體、Si 或者 SixGe1-x等材料的薄膜特性，為所有磊晶技術中最佳者。MBE 的原理基本上和高溫蒸鍍法相同，操作壓力保持在超真空 (Ultra High Vacuum，UHV) 約 10-10 Toor 以下，因此晶片的裝載必須經過閥門的控制來維持其真空度。微影(Lithography)微影 (Lithography) 技術是將光罩 (Mask) 上的主要圖案先轉移至感光材料上，利用光線透過光罩照射在感光材料上，再以溶劑浸泡將感光材料受光照射到的部份加以溶解或保留，如此所形成的光阻圖案會和光罩完全相同或呈互補。由於微影製程的環境是採用黃光照明而非一般攝影暗房的紅光，所以這一部份的製程常被簡稱為”黃光”。 為了加強光阻覆蓋的特性，使得圖轉移有更好的精確度與可靠度，整個微影製程包含了以下七個細部動作。() 表面清洗：由於晶片表面通常都含有氧化物、雜質、油脂和水分子，因此在進行光阻覆蓋之前，必須將它先利用化學溶劑 (甲醇或丙酮) 去除雜質和油脂，再以氫氟酸蝕刻晶片表面的氧化物，經過去離子純水沖洗後，置於加溫的環境下數分鐘，以便將這些水分子從晶片表面蒸發，而此步驟則稱為去水烘烤 (Dehydration Bake)，一般去水烘烤的溫度是設定在 100200 C 之間進行。()塗底 (Priming)：用來增加光阻與晶片表面的附著力，它是在經表面清洗後的晶片表面上塗上 一層化合物，英文全名為”Hexamethyldisilizane”(HMDS)。HMDS 塗佈的方式主要有兩種，一是以旋轉塗蓋 (Spin Coating)，一是以氣相塗蓋 (Vapor Coating)。前者是將 HMDS 以液態的型式，滴灑在高速旋轉的晶片表面，利用旋轉時的離心力，促使 HMDS 均勻塗滿整個晶片表面；至於後者則是將 HMDS 以氣態的型式，輸入放有晶片的容器中，然後噴灑在晶片表面完成 HMDS 的塗佈。()光阻覆蓋：光阻塗佈也是以旋轉塗蓋或氣相塗蓋兩種的方式來進行，亦即將光阻滴灑在高速旋轉的晶片表面，利用旋轉時的離心力作用，促使光阻往晶片外圍移動，最後形成一層厚度均勻的光阻層；或者是以氣相的型式均勻地噴灑在晶片的表面。()軟烤 (Soft Bake)：軟烤也稱為曝光前預烤 (Pre-Exposure Bake) 在曝光之前，晶片上的光阻必須先經過烘烤，以便將光阻層中的溶劑去除，使光阻由原先的液態轉變成固態的薄膜，並使光阻層對晶片表面的附著力增強。()曝光：利用光源透過光罩圖案照射在光阻上，以執行圖案的轉移。()顯影：將曝光後的光阻層以顯影劑將光阻層所轉移的圖案顯示出來。()硬烤：將顯影製程後光阻內所殘餘的溶劑加熱蒸發而減到最低，其目的也是為了加強光阻的附著力，以便利後續的製程。氧化（Oxidation） 氧化(Oxidation)是半導體電路製作上的基本熱製程。氧化製程的目的是在晶片表面形成一層氧化層，以保護晶片免於受到化學作用和做為介電層(絕緣材料)。擴散（Diffusion） 擴散(Diffusion)是半導體電路製作上的基本熱製程。其目的是藉由外來的雜質，使原本單純的半導體材料的鍵結型態和能隙產生變化，進而改變它的導電性。蝕刻（Etching） 泛指將材料使用化學或物理方法移除的意思，以化學方法進行者稱之為濕式蝕刻(Wet Etching)，是將晶片浸沒於化學溶液中，因為化學溶液與晶片表面產生氧化還原作用，而造成表面原子被逐層移除；以物理方法進行蝕刻程序稱之為乾式蝕刻 (Dry Etching)，主要是利用電漿離子來轟擊晶片表面原子或是電漿離子與表面原子產生化合反應來達到移除薄膜的目的。金屬連線 金屬連線製程是藉由在矽晶塊 (Die) 上形成薄金屬膜圖案，而組成半導體元件間的電性的連接。以歐姆式接觸 (Ohmic Contact) 而言，金屬直接和矽表面接觸，且在矽表面形成一金屬 / 矽的介面，當金屬沉積覆蓋整個晶圓表面時，藉由蝕刻去掉不需存留的金屬，形成元件間彼此的連接。對於晶塊與外部電路的連接，矽表面金屬端會製作一極大面積的銲墊 (Bonding Pad)，以作為線銲 (Wire Bond) 的端點。 （Die Saw）晶片切割之目的乃是要將前製程加工完成的晶圓上一顆顆之晶粒 （Die）切割分離。首先要在晶圓背面貼上膠帶（blue tape）並置於鋼製之框架上，此一動作叫晶圓黏片（wafer mount），如圖一，而後再送至晶片切割機上進行切割。切割完後，一顆顆之晶粒井然有序的排列在膠帶上，如圖二、三，同時由於框架之支撐可避免膠帶皺摺而使晶粒互相碰撞，而框架撐住膠帶以便於搬運。圖一圖二 圖三 （Die Bond）黏晶的目的乃是將一顆顆分離的晶粒放置在導線架（lead frame） 上並用銀膠（ epoxy ）黏著固定。導線架是提供晶粒一個黏著的位置（晶粒座die pad），並預設有可延伸晶粒電路的延伸腳 （分為內引腳及外引腳 inner lead/outer lead）一個導線架上依不同的設計可以有數個晶粒座，這數個晶粒座通常排成一列，亦有成矩陣式的多列排法。導線架經傳輸至定位後，首先要在晶粒座預定黏著晶粒的位置上點上銀膠（此一動作稱為點膠），然後移至下一位置將晶粒置放其上。而經過切割之晶圓上之晶粒則由取放臂一顆一顆地置放在已點膠之晶粒座上。黏晶完後之導線架則經由傳輸設備送至彈匣（magazine）內。黏晶後之成品如圖所示。 導線架 成品 （Wire Bond） 銲線的目的是將晶粒上的接點以極細的金線（1850um）連接 到導線架上之內引腳，藉而將晶粒之電路訊號傳輸到外界。當 導線架從彈匣內傳送至定位後，應用電子影像處理技術來確定晶粒 上各個接點以及每一接點所相對應之內引腳上之接點的位置，然後 做銲線之動作。銲線時，以晶粒上之接點為第一銲點，內接腳上之 接點為第二銲點。首先將金線之端點燒結成小球，而後將小球壓銲 在第一銲點上（此稱為第一銲，first bond）。 接著依設計好之路徑 拉金線，最後將金線壓銲在第二銲點上（此稱為第二銲，second bond）， 同時並拉斷第二銲點與鋼嘴間之金線，而完成一條金線之 銲線動作（見圖一）。接著便又結成小球開始下一條金線之銲線動 作。銲線完成後之晶粒與導線架則如圖所示。圖二為30之金線與 頭髮的比較。 請點選圖片 可看得更仔細喔. 圖一 成品 第一銲點 圖二 第二銲點 （Mold）封膠之目的有以下數點： 、防止濕氣等由外部侵入。、以機械方式支持導線。、有效地將內部產生之熱排出於外部。、提供能夠手持之形體。 封膠之過程比較單純，首先將銲線完成之導線架置放於 框架上並先行預熱，再將框架置於壓模機（mold press）上的 封裝模上，此時預熱好的樹脂亦準備好投入封裝模上之樹脂 進料口。啟動機器後，壓模機壓下，封閉上下模再將半溶化 後之樹脂擠入模中，待樹脂充填硬化後，開模取出成品。封 膠完成後的成品，可以看到在每一條導線架上之每一顆晶粒 包覆著堅固之外殼，並伸出外引腳互相串聯在一起（如圖所 示）。 成