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[弱电] 半导体元器件的制造过程

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发表于 2021-2-25 18:52:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
半导体元器件的制造除了人们熟知的“设计→制造→封装→测试”四大环节以外,中间的整体环节其实很复杂,可分为前段制程和后段制程。
半导体元器件的制备首先要有最基本的材料——硅晶圆,通过在硅晶圆上制作电路与电子元件(如电晶体、电容体、逻辑闸等),为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程。由于芯片是高精度的产品,因此对制造环境有很高的要求,其所需制造环境为为一温度、湿度与含尘均需控制的无尘室。此外,一枚芯片所需处理步骤可达数百道,而且使用的加工机台先进且昂贵,动辄数千万一台,虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关;不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗之後,接著进行氧化及沈积,最後进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤,以完成晶圆上电路的加工与制作。
下面是主要的制程:
一、硅晶圆材料
晶圆是制作硅半导体IC所用之硅晶片,状似圆形,故称晶圆。材料是硅,芯片厂家用的硅晶片即为硅晶体,因为整片的硅晶片是单一完整的晶体,故又称为单晶体。但在整体固态晶体内,众多小晶体的方向不相,则为复晶体(或多晶体)。生成单晶体或多晶体与晶体生长时的温度,速率与杂质都有关系。
二、光学显影
光学显影是在光阻上经过曝光和显影的程序,把光罩上的图形转换到光阻 下面的薄膜层或硅晶上。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。小尺寸之显像分辨率,更在 IC 制程的进步上,扮演着 最关键的角色。由于光学上的需要,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。
三、蚀刻技术
蚀刻技术(EtchingTechnology)是将材料使用化学反应物理撞击作用而移除的技术。可以分为:湿蚀刻(wetetching):湿蚀刻所使用的是化学溶液,在经过化学反应之后达到蚀刻的目的;干蚀刻(dryetching):干蚀刻则是利用一种电浆蚀刻(plasmaetching)。电浆蚀刻中蚀刻的作用,可能是电浆中离子撞击晶片表面所产生的物理作用,或者是电浆中活性自由基(Radical)与晶片表面原子间的化学反应,甚至也可能是以上两者的复合作用。现在主要应用等离子体刻蚀技术。
四、CVD化学气相沉积
化学气相沉积(CVD)是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法,是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术,包括大范围的绝缘材料,大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说,它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上。
五、物理气相沉积(PVD)
这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)如雪片般沉积在晶圆表面。
六、离子植入(IonImplant)
离子植入技术可将掺质以离子型态植入半导体组件的特定区域上,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。
七、化学机械研磨
晶圆制造中,随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小,光刻(Lithography)技术对晶圆表面的平坦程度(Non-uniformity)的要求越来越高,IBM公司于1985年发展CMOS产品引入,并在1990年成功应用于64MB的DRAM生产中。1995年以后,CMP技术得到了快速发展,大量应用于半导体产业。化学机械研磨亦称为化学机械抛光,其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术,是机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。
八、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,以利集成电路的制作。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。
九、清洗技术
清洗技术在芯片制造中非常重要。清洗的目的是去除金属杂质、有机物污染、微尘与自然氧化物;降低表面粗糙度;因此几乎所有制程之前或后都需要清洗。份量约占所有制程步骤的30%。
十、晶片切割
晶片切割之目的为将前制程加工完成之晶圆上一颗颗之晶粒(die)切割分离。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64M微量。欲进行晶片切割,首先必须进行晶圆黏片,而后再送至晶片切割机上进行切割。切割完后之晶粒井然有序排列于胶带上,而框架的支撑避免了胶带的皱摺与晶粒之相互碰撞。
十一、焊线
IC构装制程(Packaging)则是利用塑胶或陶瓷包装晶粒与配线以成集成电路(IntegratedCircuit;简称IC),此制程的目的是为了製造出所生产的电路的保护层,避免电路受到机械性刮伤或是高温破坏。最后整个集成电路的周围会向外拉出脚架(Pin),称之为打线,作为与外界电路板连接之用。
十二、封膠
封胶之主要目的为防止湿气由外部侵入、以机械方式支持导线、内部产生热量之去除及提供能够手持之形体。其过程为将导线架置于框架上并预热,再将框架置于压模机上的构装模上,再以树脂充填并待硬化。
十三、剪切/成形
剪切之目的为将导线架上构装完成之晶粒独立分开,并把不需要的连接用材料及部份凸出之树脂切除(dejunk)。成形之目的则是将外引脚压成各种预先设计好之形状,以便于装置于电路版上使用。剪切与成形主要由一部冲压机配上多套不同制程之模具,加上进料及出料机构所组成。
十四、测试和检验
这些测试和检验就是保证封装好芯片的质量,保证其良率。




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