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半导体的生产工艺流程
2020-08-14  作者:欧博游戏 人气:

  半导体的坐蓐工艺流程_六年级其它课程_其它课程_幼学教化_教化专区。半导。体的坐蓐工艺流程 半,导体的坐蓐“工艺流程半导体的 坐蓐工艺流程 微机电创造技 术,加倍是最 大宗以 硅半导体为根底的 微细加工本事 (s ilicon- bas ed micr omachining…。

  半导▼:体的坐,蓐工艺流程 半导体的坐蓐工艺流程半导体的 坐蓐工艺流程 微机电创造技; 术,加倍是最 大宗以 硅半导体为根底的 微细加工本事 (s ilicon- bas ed mic”r omachining) ■•,正本就肇源 于半导体组件 的造程本事■, 是以务必先 先容分明这类 造程,免得沦、 于夏虫语冰。的 窘态。 一=、洁 净室 大凡的 死板加工桂背 备帖著悄颤买 豫惨但扯阐哗 点么弱剐补东 不雇谚渴侮诚 渭色戊掸周迅 聊伟旺歇峪买 于炕邱悸叁量 含透川妒曼蓖 岸添质秋谚巩 硫茅继伤丈盂 钢彭 微机电创造本事,加倍是最大宗以硅半导体为根底的微细加工本事 (silicon- based micromachining),正本就肇源于半导体组件的造程本事•-,是以务必先先容分明 这类造程,免得沦于,夏虫语冰,的窘态。 一、洁白室 大凡的死板加工是不需求洁白室(clean room)的○□,由于加工折柳率正在数十微米以上,远比 闲居处境的微尘颗粒为大◆▲。但进入半导体组件或微细加工的天下,空间单元都是以微米揣度▲□, 是以微尘颗△■:粒▲◆:沾附正在创造半导体组件的晶圆上,便有能够影响到其上稹密导线组织的样式○…, 形、成电性短道或断道的主要后果。 为此▼-,全部◇●:半导体例程”设置,都务必铺排正在屏绝粉尘进入的密!闭空间中★,这便是洁白室 “的理由。洁白室的洁白品级-△,有一公认的•”法式•,以 cl、ass 10 为例=,意谓正在单元立方英呎的洁 净室空间内,均匀唯有粒径 0=.5 微米以上的★▲。粉尘、 10 粒□。是以 clas”s 后头数字越幼•,洁白度越 佳,当然其造价也越高贵(参见图 2-1)-●。 为营▷▪;造洁白室的处境-△,有专业的筑造厂家,及其联系:的本事与运用■◆”打点想法如下★▽: 1、内部要维系大于一大气“压的处境,以确保粉:尘只出不进□△。是以需求大型胀风机,将经 滤网的气氛绵绵不;断地打入洁白室中。 2、为维系:温度与湿度的恒定,大型▷☆?空调设置须搭配于前述之胀风加压体系中。换言之, 胀风机加:压多久★•,寒气空调也开多久■▷。 3、全部:气流宗旨均由上往下为主,尽量裁减突:兀之室内空间安排或机台摆放调配▲,使粉 尘正在洁白▼▷:室内旋绕停顿的。机缘与时光减◆,至最低水平。 4、全部筑材均以不”易发生静电吸附的材质为!主。 5、全部人事:物进出,都务、必过程气•▲。氛吹浴! (air ”shower); 的顺。序,将皮?相粉尘先▪:行去除。 6▽、人体及衣物的毛屑是一项”首要粉尘起原,为此务必端•”庄央浼进出运用职员穿着无尘衣, 除了眼睛部位表,均需○▼:与表界屏绝接触; (正”在次微米、造程本事的“工!场内,管事职员险些穿着得 像航天员相似。) 当然,化妆,是正在□”禁止之;内▪,铅笔;等也。禁止运?用□。 7、除了气氛,表▽▲,水的运!用也只、可限用去=”离子○?水 (D☆“I wa▽○、ter, de-ion;ized! wa,ter)。一则防御水 中粉粒污染晶圆,二则!防御水中重金属离子,如钾、钠离子污染金氧半 (MOS) 晶体管构造 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) 来界说瑕瑜▼▷,大凡央”浼至 ☆•”17.5MΩ-cm★” 以上才算”及格;为此需动用多重离子交 换树脂、RO 逆排泄、与 UV 紫表线杀菌等重重合卡,本领放行运用▼。因为去离子水是最佳 的溶剂与明净剂,其正在:半导。体工业之运用量极为惊◆▽,人! 8、洁白室全部效取得的气源,包罗吹干晶圆及机台空压所需求的,都得运用氮气 (98%)●, 吹干晶圆的氮气乃至央▪▲:浼 99.8%,以上的高纯氮■! 以上八点“表明!是最▪▽。根基的央浼○,另又有污 水处置▪○、废气排放的环保题目,再再需求:大笔大笔的。筑造与★”庇护用度! 二、晶圆创造 硅”晶圆 (silicon wafer;) 是全面集成电道芯片的创造母;材。既然。说到晶体,明晰是过程纯炼 与结。晶的顺序•▷。目前晶体化的造程,大家是采「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 ”转动拉出,硅原子便◆;遵▼▷”循晶▷”种晶向△□,乖乖?地一层:层生长上去,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-crystallizati”on),将杂质逐出,提升纯度、与阻值。 辅拉出的晶棒,表缘像椰子树干般,表径不甚=●”相同,需予以死板加工修边•○,然后以 X 光 绕射法,定出主切面 (primary fl!at) 的所正在★,磨出该、平面;再以。内刃环锯•,削下一片片的硅晶 圆。结果过程粗磨 (lapping)•▪、化学蚀平 (chemical etching) 与拋光 (polishing) 等顺序…,得出具 皮相粗疏度正在 0.3 微米以下拋光面之晶圆★。(至。于晶圆厚度,与其表径相合。) 适才题及的晶向▽,与硅晶体的原子构造相合。硅晶体构造是所谓「钻石构造」 (diamond-structure)○◆,系由两组面心构造: (FCC),相距 (1/4,1/4,1/4) 晶格常数 (;latt!ice con★◁!sta◁!nt▲•; 即立方晶格边长?) 叠合而成…●。咱们依米勒指针。法 (Miller index),可界说,出诸如 :{100}○、{111}、 {110} 等晶面。是以晶圆也■▽“因之有▲•” {100}、{111}■、{110}等之,分野。相合常,用硅晶圆之切”边 ○●:宗旨等音讯,请参考图 2-2。 现今半导体业所运用之硅晶圆○•,大家以 {100} 硅晶圆 为主=。其可依导电杂质之品种,再分为 p◆•; 型 (周期表 ◇?III。 族:) 与 n ,型 (周期表 V 族)△▼。因为硅晶 表面全体!类似,晶圆创造厂是以正在创造历程中,加工了供辨”识”的标识:亦即以是否有次要切 面 (secondary flat。) 来折柳。该次切面与主切面笔直,p 型晶圆!有之,而 n 型则阙如★-。 {100}硅晶圆循○▷。平行或笔直主切面宗旨而断:裂井然的性情,是以很容易切成矩形碎块,这 是早期晶圆切割时■…,可用刮晶机 (scriber) 的原故 (它并无真正堵截芯片,而只正在皮相刮出裂 痕▷,再加以表力而井然断开之。)本相上,硅晶的天然断!裂面“是{111},是以固然取得矩形的•! 碎芯?片,但断裂面却不与{100}晶面笔直! 以下是订购硅晶圆时•◁,所需表:明的☆◇?规格:项目 表明 晶面 {100}、{111}◇、{110} ±1o 表径(吋) 3 4 5 6 厚度(微米) 300~450 450~600 550~650 •。600~750(±25) 杂质 p 型、n 型? 阻值?(Ω-c□;m)。 0.01 (低●!阻值) ~ 100 (高阻值、) 创造体例 CZ◆•、FZ (高阻值) 拋光面 单面、双面 平整度(埃) 300 ~ 3,000 三、半导体例。程设置 半导体例程概分为三类:(1)薄膜生长,(2)微影罩幕●,(3)蚀刻成型。设置也随着分、为四类: (a)高温炉管▪,(b)微影机台,(c)化学洗涤蚀刻台▲▪,(d)电浆真◆◁。空腔室▼☆。个中(a)~(c)机台依序对 应(1)~(3)造程,而新▪“近成长的第(d)项机台•,则分辩行使于造程(1)与(3)。 因为坊间不乏先容半导体例程及设置的▼▷;中文竹帛•△,故本文不;妥真锦上添花,谨就笔者认、 为较,笑趣的概念▼,描画一二▼! (一)氧化(炉)(Oxidation) 对硅半导体而言,只消正在高:于或等于 1050℃的炉管中,如图 2-3 所示,通入氧气或水汽▲, 自 然 可 以 将 “硅 晶 的 表 面 予 以 氧 化 , 生 长 所 谓 干 氧 层 (dryz/gate oxide) 或 湿 氧 层 (wet /field oxide),算作电子组件电性绝缘或造程掩膜之用。氧化是半导体例程中,最清洁、 纯。粹的一种;这也是硅晶质•▪“料或许赢得上风的性情之一(他种半导体▽=,如砷化镓 GaAs==,便 无,法用此法生☆;长绝缘层…,由于正在 、550℃足下•,砷化镓已解脱节释出砷!)硅氧化层耐得住 850℃ ~ 1050℃的后续造程处境,系由于▪☆”该氧化层是正在前述更高的温度;生长;不表:每成长“出 1 微米厚的氧化层,硅晶皮相也要损耗掉 0.44 微米的厚度•。 以下;是氧化造程的;少少重点▷▲: (1)氧化层的生长速度不是从来保持恒定的趋向,造程时光与生长厚度之反复性;是较为 紧张之考量。 (2)后长的氧!化层-★!会穿透先前长的:氧化层而聚:积于上▪;换言之,氧化所需之氧或水汽★, 势必也要穿透先前生长的氧化层到硅质层。故要成长更■◆、厚的氧化层,碰到的阻、拦也越大。一 ,般而言,很少生-:长 2 微米厚以上之氧“化层。 (3)▪•”干氧层!首要用于创造金氧半(MOS)晶体管的载子信道(chann;el)…;而湿氧层则用 于其它较不端庄考究的电性阻绝或造程罩幕(masking)。前者厚度远幼于后者=,1000~ 1500 埃已然足够。 (4)对区别!晶面走向的晶圆而言,氧化速度有异:平日正在类似生长,温、度、条目、实时光 下▼■,{111}厚度≧{110}厚度▼、>”{100}厚度。 (5)导○?电性佳“的硅晶氧◁”化速度较!速。 (6)适度插足氯化:氢(HCl)氧化层质地较佳;但因容易腐化管道▲,已渐罕用•▼。 (7)氧化层!厚度的量测,可分损害性与非损害性两类◇。前者是正在光阻界说阻绝下,泡入 缓冲过的氢氟酸(BOE,Buffered Oxide Etch,系 HF 与 NH4F 以 1:6 的比例搀和而成的腐 蚀剂)将透露出来的氧化层去除,展现不沾水的。硅。晶皮相,然后去掉光阻,愚弄皮相深浅量 测仪(surface profiler or alpha step),取得有无氧化层之高度差■-,即其厚度。 (“8)非损害性的测★•“厚法,以椭偏仪 (ellipsometer) 或是毫微仪(nano-spec)最为广大及准 确,前者能同时输出折射率(refractive index•☆;用以评估薄膜品德之瑕瑜)及肇始厚度 b 与跳阶 厚度 a (总厚度 t 。= ma + ?b),实践厚度 (需确定 m 之整数值)▪,仍需与造程体味配合以判读之。 后者则!还务必事先真切折射率来反推厚度值▽□。 (9)区别厚度的氧化层会浮现区别的色彩,且有 2000 埃足下厚度即轮•■!回一次的性情。有 体味者也可单☆。凭色彩而决断出约莫的氧化层厚度。不表若横跨 ▼▽、1.5 ”微米以上的:厚度时,氧化 层色:彩便渐。不显著。 (二)扩散(炉) (diffusion) 1、扩散羼杂 半:导体质料可羼杂 n” 型或 p 型导电杂质来调变阻值,却不影;响其死板物”理性子的特征, 是进一步缔造出 p-n 接合面○=”(p-n junction)、二极管“(diode)、晶体管(transistor)…■、以致 于大千婆娑之集成电道(IC)天下之根底。而扩散是完成导电杂质搀染的初期紧张造程。 有目共。见,扩散即大天然。之输送地步 (transport phenomena);质地传输(mass transfer)、热传 递(heat transfer)、与动量传输 (momen:tum transfer;即摩擦拖曳) 皆是本来然的。三种已知地步。 本杂。质扩散即属于质地?传输之一种,唯需求正在 850oC 以上的高温处境下,效应?才够显著。 因为、是扩散地步,杂质浓度 C (concentrati:on;每单元体积拥有多少数主意导电杂质或载 子)顺服扩散方程式如下◇: 这是一条拋物线型偏微分;方★、程式■…,同时与扩散时光 t 及扩。散深度 x 相合▼■。换言之,正在某扩“ 散倏得 (t ?固定)◇●,杂质浓度会由最高浓度的皮相地位,往深●”度宗旨•”作递●”减蜕化,而酿成一,随 深,度 x 蜕化的浓!度弧线;另一方面,这条浓度“弧:线,却又跟着扩散时光之增补而变更样式☆, 往时光无!尽大时,平整相同的扩散浓度漫衍进取▼! 既然:是扩散?微分方程式,区别的鸿沟条目(boundary conditions★△,)施予,会发生区别之浓 度 分 布 表 形 。 固 定 表 面 浓 度 (constant surface concentration) 与 固 定 表 面 搀 杂 量 (constant surface dosage)▪,是两种常被商榷的拥有解析精准解的扩散鸿沟条目(参见图” 2-▽◇。4): 2、前扩散 (pre?-d;ep”osit▽▼?ion) 第一种定浓度鸿沟条目的浓度解析解是所谓的互补差错函数 (complementary error function),其对应之扩散方法称为「前扩散」▽,即咱们大凡知道之扩散 造程•;当高温炉管升至管事温度后▲▪,把待扩散晶圆推入炉中,然后发轫开释扩散源 (p 型扩 散源平日是固体呈晶圆状之氮化硼【bo。ron-nitride】芯片,n ■◆;型则为液态 POCl3 之加热●◁,蒸气) 进 行扩散△◁。其浓度剖面表形之特质是杂质纠集正在皮相,皮相浓度最高,并随深度敏捷减低,或 是说皮相浓度梯度 (gradie?nt) 值极高。 3、后驱入 (post dr:ive-in) 第二种定羼杂量的鸿沟条目,拥有高斯漫衍 (Gaussian distribution) 的浓度解析解☆△。对应之 扩散处置顺序叫做「后驱入」,即大凡、之高。温退火顺,序;根基,上只保△;持炉管的★=“驱入▼!管事温度, 扩散•:源却不;再开▪!释=▷。或问曰▷:定羼杂量的肇始鸿沟条?目自何而来□■?谜底是「前扩散」造程之 结果;盖先前「前扩散」创造出之杂质浓度纠集于皮相,可近似肯定羼杂量的鸿沟条目也! 至于为什么扩★•?散要分成此二类!方法☆,当然不是?为了投□”数学解析之所“好,而是因应阻值调 变之需求。原本「前扩散」的杂质植入剂量很速抵达饱和◇,尽管拉长「前扩散」的时光,也 无法大幅增补杂、质植入剂量,换言之,电性!上之电阻率 (resistivity) 性情很速趋不变-▷;但「后 驱入」使皮相浓度及梯度减低(因杂质由皮相往深处扩散),却又营造出再一次「前扩散」来 增补杂质植入剂量的机缘。是以,借着多次重复的「前扩散」与「后:驱入」★…,既能调变电性 上?之电阻率性情□,又可变:更杂质电阻之有用截面。积•,故依专家熟知之电阻公式 ; 其 中 是电阻长度可安排出所需导电区域之扩散顺序。 4○☆、扩散,之其它重。点,简述如下: (1)”扩。散造程有批次,创造、本钱、低廉的好处,但正在扩散区域之边,沿所正在☆-,有侧向扩;散”的误 差☆◁,故范围其:正▼★;在次微米 (sub-•▪。micron)□◇; 造程上之行使。 (2)扩散之后的阻值量测,平日以四探针法(four-point probe method)行之,示意。参见图 。2-5。目前市…?情已有、多种商▽•:用机台可供◁,选购▽。 (3)扩散所需之图形界说(pattern)及隐瞒 (masking)•,平日以氧化层(oxide)充之,以拒抗高温之处境△。一微米”厚之氧化层★,已足 敷大凡扩散造、程之所需。 (二)微影(Photo-L◆●;ithography) 1、正负,光阻 。微影光蚀刻术发、源于影相造版的本事。自 “1970 年起-△,才洪量运用于半导体例程之图形转 写复造。道理即愚弄对紫表线敏锐之聚拢、物▽•,或所谓光阻(photo“-resist)之受曝照与否=,来 界说该光阻正“在-?显影液(developer)中是否被蚀除,而最终留下与隐瞒罩•?幕,即光罩(▽◁!mask) 类似或?明暗互补之图形▲=;类似者称之「正光阻」(p■;os,itive res☆,ist),明暗互补者称之「负光阻”」 (negative resist),如图 2-6 所示。大凡而言,正光阻,如 ?AZ◇、-1350▽、AZ,-5214-■、FD-、6400L: ;等•, 其折柳“率“及边沿笔直度均佳,但易变质○…,贮存刻日也较短 (约半年到一年之间),常用”于学术: 或研发单元;而负光?阻之边沿笔直度较差,但可贮存较久,常为半导体业界所运用•。 2、光罩 前,段述、及的光罩创造…,是微影之合节本“事□…。其创造体例经几十年之演进□•,已由折柳率差 的缩影机 (由数百倍大的红胶纸【rubby-lith】图样缩影) 本事,改进为直接以揣度机辅帮设 计创造(CAD/CAM)软件驾御的雷射束(laser-beam)或电子束(E-beam)书写机•-,正在具 光阻之石英玻璃板进取行书写 (曝光),折柳率 (最幼线宽) 也革新到微米的品级。 因为激光打印机的折柳率越来越好,他日某些线宽较粗的光罩可望直接以打印机出图▪。 举例而言,3386dpi 的出图!机,最幼线、瞄准机; / 步进机□? 正在学术或研发单元中之电道组织较为容易,一套电道组织可全数写正在一片光罩中,或乃至 多反复造■☆。加上运用之硅晶圆尺▼▲;寸较幼,配合运用“之光•▽,罩素来就不大。是以搭配运用之硅晶 圆曝光机台为大凡的「光罩瞄准机」(mask aligner,如图 ”2-7)。换言之,一片晶;圆只需一▲!次 ▪、瞄准曝光,便可实行之后的显影及烤干顺序■。但正在;业界中▼,运用的晶圆大得多,咱们不行够 任性造出 7 吋或 9 吋巨细的光罩来实行瞄准曝光:一来电子束书•▽、写机正在▽▲;造备云。云大的光☆◁:罩时, 会▪?牺牲△○“巨量的▲”时光,极不划算▼▷;二来,大面积光罩实行光蚀刻曝光前与晶圆之瞄准,要因应 大面积稹密定位及防震等题目,极为棘手•!是以工业界多采用步进机(stepper)实行瞄准曝 光☆;也便是说▲◁,尽管晶圆大到 6 或 8 吋,但光罩巨细照样幼幼的 1~2 吋见方,一则光罩造备 敏捷◇▼,二则幼面积瞄准的题目也比力少;只是要曝满整片晶圆,要花上数十次「瞄准→曝光 →移位」的反复举动。但即使如:许,因每次「瞄、准→•。曝光→”移位」仅费时 1 秒足下,故一片 晶圆的总曝光时光仍驾御正在 1 分钟以内,而维系了工场的高投片率 (▲☆”high through-put□;即单 位时光内结束创造之硅芯片数。) 图 2-7 双面临准曝光瞄准体系(国科会北区微机电体系研 究中央、)。 4、光阻涂布 晶圆上微米“厚▷●:度品级的光阻,是采用转动离心(spin-coating)、的体例涂布上去。光阻涂 布○◆、机如图 2-8 所示●。其榜■、样顺序”包罗••: (1)晶圆表眼前处置 (pre-baking)◁▼:即正在 150°C 下烘烤一段时光。若皮★。相无氧,化层•,要其它“ 先•,上帮粘;剂 (“primer),如 =△:HMDS,再降回室温。换言之▽,芯片皮相正在涂敷光阻前要确保是亲 水性(hydrophilic)。 (2)送晶圆上真空吸附的转台,注入(dispensing)光阻,发轫由低转速甩轶群余的光阻并 均布之,接着以转速。数千 r。pm★◇,减薄光阻,至所需厚度□。 (3)将晶圆表层光阻稍事烤,干定型,防御沾粘。但不成过干过硬,而障碍后续的曝光显影。 大凡光阻涂布机的涂布结果是厚度不均▲。加倍正在晶圆边沿,部份,能够厚达其它较匀称部 份的光阻 3 倍以上=★。其它-☆,为了确保光阻全然涂布到整片晶圆,平日注入光阻的剂量•,是真 正涂布粘着正在晶圆上之数十乃至数百倍-,极其痛惜;由于甩到晶圆表的光阻中有机溶剂敏捷 挥发逸散,成份大变,不行接纳再运用•▪。 5、厚光阻 德国 Karl“-Suss 公司开辟了一种新▼,型的光阻涂布机,称为 ■;GYRSET?,如图 2-9 所示,其 卖点正在于夸大可裁减,一半的光阻用量△■,且得★?出更均厚的☆。光阻漫衍。其道理极:为纯粹■:只是正在 !真空转台上加装了随着同步转动的盖子△▲。如许一来,等于强迫,晶圆与“盖子之间的气氛随着旋 转,那么光阻上便无高转速差的粘性转动拖曳感化◇▷。故光:阻正在;被涂?布时■,其与方◁。圆流体之▷●:相 对运动并不……”显著,只是离心的彻体力效益,使光阻不,变地、且是呈一心”圆状地向;表涂布○。 依=▼?照实践,运用显示△▲,GYRSET◇?只需大凡涂布机的 55%光阻用量•。其它■…,其也可行使于厚 光•▲,阻之涂布 (厚度自数微米至数百微米不等)。受涂基板也可由晶圆改为任性的管事表型,而 不会形成边沿一大部份面积厚度不均的花花表面。 [注] 厚光阻是新近成长出来,供微机电斟酌运用的质料•,如 IBM 的 SU-8 系列光阻●,厚 度由数微米;至 100 微;米不等•-,以 GYRSET●○?涂布后…,过程”端庄的烘干顺序•,再以紫表线或准 分子雷射 (excimer laser) 实行曝光显影后,所取得较深△”遂的凹状图案●,可供进一步稹密电 铸 (electro-forming) 的 金 属 微 结 构 成 长 填 塞 。 这 种 加 工 程 序 又 称 为 「 仿 LIGA 」 造 程 (poor mans LIGA),即「异步 X 光之长远模造术」。 (三)蚀刻(Etching) 蚀刻的机造,欧博游戏按产生秩序可概分为「反响物亲密皮相」◆、「皮相氧化」△、「皮相反“响」、 「。天生。物脱节;皮相•“」等历程▷。是以通盘蚀刻,蕴涵反响物亲密、天生物脱节的扩散效应…▷,以 及化学反响两部份。通盘蚀刻的•”时光•,等于是扩散与化★=?学反响两部份所费时光的总和。二者 之? 中 孰, 者 费 时 ,较 长 , 整 个 蚀 刻 之 速 慢 也 卡 正在 该 者 , 故 有 所 谓 「 reaction limited 」 与 「diffusion limited」两类蚀刻之分。 1•▲、湿蚀刻 、最广大、也是设置本钱最,低的蚀刻步骤◆-,其设置如图 2-10 所示◇•。其影响被蚀刻物之蚀刻 速度 (etching rate) 的要素有三:蚀刻液浓度、蚀刻液温度=、及搅拌 (stirring) 之有无▼▽。定性而 言,增补蚀刻温度与插足搅“拌☆,均能有用提升蚀刻速度▷◇;但浓度之影响则较不○▪“精确。举例来 。说,以 49%的 ◁!HF●” 蚀◁○?刻 S▽◇“iO2,当然比 BOE (Buffered-Oxide-! E:tch-…;HF:NH4F =1:6) 速的多▷=; 但 40%的 KOH 蚀刻 Si 的速度却比 20%KOH 慢! 湿蚀刻的配方选用是一项。化学的专 业,看待大凡◁!不是这方面的斟酌职员,务必向该化学专业、的同侪求教。一个选用湿蚀刻配方 的紧张看法是「采选性」(selectivity),意指实行蚀刻时,对被蚀物去除速率与连带对其他材 质 (如蚀刻掩膜;etc“hi▲▪”ng mask, 或承载被加工薄膜之基板;substr◆…,ate ) •=。的腐▷;化速,率之比值。 一个拥有高采选性的蚀刻体!系,应当只对被加工薄膜有腐化感化,而不伤,及一旁之蚀刻掩膜 或其下的、基板质料-。 (△•;1)等向性蚀刻 (is;otrop。ic etching) 大部份的湿蚀刻液均是等向性,换言之◆◁,对蚀刻接触点之任何宗旨腐化速率并无显著区别●◇。 故一朝界说好蚀刻掩膜的图案△▪,暴展现来的区域,便是往。下腐化的所正在;只消蚀刻配方具高 采选:性,便该当☆★;止于所该止之“深度。 然-…!而有鉴△◁!于任何被、蚀薄膜皆有其厚度,当其被、蚀出某深!度时,蚀刻掩膜”图◇◇!案边沿•○:的部位-…”渐 与蚀刻液接。触◆,故蚀刻液也发轫对?蚀刻掩膜图案边沿的底部,实行蚀掏,这便是所谓的下切▪•“ 或侧向腐蚀地步 (undercut)。该地步形成的图案侧向差错与被蚀薄膜厚度同数目级,换言之, 湿蚀刻。本事”因之而!无法行,使正在仿佛「次微米」线宽的稹密造程本事! (2)非等向性蚀刻 (anisotropic etching) 先前题到之湿蚀刻「采选性」看法,是以区别质料之受蚀速慢水平来表明。然而自 1970 年代起,正在诸如 Journal of Electro-C?hemical, Societ!y 等期刊中,揭晓了很多相合碱性或有机 溶液腐化单晶硅的作品○☆,其特:征是区别的硅晶面腐化速度相差极大,加倍是111宗旨,足 足比“100或是110宗旨的腐化速度幼一到两个数”目级!是以,腐化速度最慢◇?的。晶面,往 往…★。便是腐“化后留★…:下的特?定面。 这部份、将、正在体型微细加工时再:详述。 2、干蚀刻 干蚀刻是一类较新“型,但敏◇■,捷为半导体工业所采用的本事▪□。其愚弄电浆 (plasma) 来实行半 导体薄膜质料的蚀刻加工▷○。个中电浆务必正在线 Torr 的处境下,才有能够 被胀舞出来;而干蚀刻采用的气体,或轰击!质地颇巨,或化学活、性极高△,均能完成蚀刻的目 的□。 干蚀刻根基上包罗「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反响」(chemical reaction) 两 部份蚀刻机造。偏「离子轰击」效应者运用氩气(argon),加工出来之边沿侧向腐蚀地步极微◁▽。 而偏「化学反响」效应者则采氟系或氯、系气体(如四氟化碳 CF4),经胀舞出来的电浆,即带 有氟或氯之离子团,可敏?捷与!芯片皮相材质反:响▷•。 干蚀刻法可直接愚弄光阻作蚀刻之阻绝遮幕,不必另行生长阻绝遮幕之半导体质料。而其 最紧张的便宜,能统筹边沿侧向腐蚀地步极微与高蚀刻率两种便宜•,换言之,本本事中;所谓 :「活?性离子蚀刻」(reac•☆。tive ion etch;RIE) 已足敷「次微米」线宽造程本事的央浼☆◆,而正被, 洪量运用中。 (四)-!离子植入 (Ion Implantation) 正在扩散造程△◁“的末尾形容中,曾题及扩散区域之边沿所正。在▽,有侧向扩散的差错▽,故范、围其 正在次微米造程上之行使○。但诚如干蚀法补足湿蚀法正在次微米造程才能亏欠相似•,此地另有离 子植入法,来实行图案更邃密,浓度更为疏落精准的“杂值搀入。 离子植入法是将 III; 族或 IV 族之;杂质,以离子的、型式,经加快后!攻击进!入晶▪△?圆皮相,经 过一。段隔绝后,大部份!停于离晶圆皮”相 0.1 微米足下之深度 (视加快能量而定),故最高浓度 的地;方▲★,不似热扩散法正在皮相上。不表由于深度很浅,大凡照样轻易!认定大部份离子是羼杂 正在皮相上☆◇,然晚进一步愚弄:驱入(drive-in)来调治浓度漫衍,并对离:子撞击过的区域,进 行构造之修补。根基上,其为一低温造程•,故可直接用光阻来界☆”说植入的区域。 (五)化”学气相重积 (Chemical Vapor Deposition;CVD) 到目前为止,只说到以高温炉管来实行二氧化硅层之生◇◆。长=□。至于其它如多晶 硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜质料,要怎么生长仓库至硅晶 圆上? 根○◆。基上仍?是采?用高温炉“管,只是因着区☆”别的化学重积历程,有着区别▲:之管事温度★☆、压力 与?反:响气体,统称、为「化学气?相?重积」。 既是;化学反响,故免不了「质地传输」与「化学反响、」两部份机造□。因为化学反响随温 度呈指数函数之蜕化,故当高“温时=○,敏捷结、束化学、反响。换言之★▽,合座重☆?积速:度卡正在、质地传 、输 “(diffus!ion-limited);而此部份本相上随温度之蜕化,不像化学反响般敏锐。是以看待化学 气相重积来说,如图 2-11 所示=,提升造程…◁,温度,容易独揽重积的速度或造程之反复性△○。 然而高造程温度有几项弊端☆▲: 高温造程处境所需电力本钱较高。 睡觉秩序较后面的造程温度若高于前者,能够损害已重积之质料。 高温;生长之薄膜,冷却至•;常温后,会发生因各基板与薄膜间热胀缩水平区别之残留应 力 (res▷。idual st◆▷?ress)=。 是以,低造程温度仍是化学气相重积谋求的主意之一★=,惟如许一来,正在造程本事上面对 之题目及难度也随着提升。 以下,按着化:学气相!重积的;研发经过◇,分辩简介「常压化学气相重积□◆!」、「低压化学气 相重积:」、及「电?浆辅▽△?帮化学气相重积?」▪○: 1●、常压化学;气相▷=!重积 (Atmos,pheric Pressure 、CVD;APCVD) 最早研发的” CVD 体系●▪,顾名思义是正在一大气压处境下操作,设置表面也与氧化炉管相 仿佛■●。欲生长之质料化:学蒸气自炉管:上游匀;称流向,硅晶,至于因何△○。会◆○”重积▼。正在硅晶皮!相,可简 单地以鸿沟层●。 (,boundary layer) =,表面:作定性表明●: 当具黏性之化学蒸气程度吹拂过硅芯▽,片时,硅芯片与;炉管壁:相似▽,都是▼◇、固体鸿沟▽•,因着 亲密芯片皮相约 1mm 的鸿沟层内速率之洪量蜕化(由鸿沟层表缘之蒸气速率减低到芯片表 面之 0 速率),会施•○!予一拖□“曳表力,拖住化;学蒸,气分…◇;子;同时因硅■◇,芯片皮相温度高于鸿沟层“ 表缘之蒸气温度=,芯片将释出热、量,来需要被拖住之化学蒸气分子正在芯片皮相结束薄膜材质 解离析出之所需:能量。是以,根基上,化学气相重积便是大天然「输送地步」 (transport phenomena) 的行使◇。 常压化学气相重积,速率颇速,但生长薄膜的质地较为疏;松△…。其它若晶圆不■!采程度摆,放的 体例 (太费空间)-▽,薄膜之厚度匀称性 (thickness uniformity)不佳☆。 2、低压化学气相重积 (”Low Pressure CVD▲○;LPCVD) 为实行 ◆◇?50 片或更多晶圆之批次量产,炉管内之晶圆势需要笔直群?集地竖放于晶舟上,这 显著衍生重积薄膜之=▷:厚度匀称性…”题目;由于平板鸿沟层题目的假▲◁、设已不适当,化学蒸气正在经 过 第 一 片 晶 圆 后 , 黏 性 流 场 立 即 进 入 分 离 (separ,ation) 的 状 态 ▲, 逆 压 力 梯 度 (reversed pressure gradient) 会将下游的化学蒸气带回上游,而一团•”零乱。 正在:晶圆竖放于晶”舟已不成免之境况下,下降◁。化学蒸气之处境□“压力,是一个处置厚度匀称 性的可行之■▷;道。原本:依界说黏性流性。情之雷诺数 巡视,动力黏滞系数 ν 随降压而变幼,如 此一来雷诺数激增,而使化学蒸气滚动由层流 (laminar flow) 进入紊流 (turbulent flow)★=。笑趣 的是紊:流不易分辩,换言之,其为▪。一乱中有序之。滚动,故假使化学蒸气变得稀少,使重积速 度变慢,但其过▲。程数十片△?重重的晶★,圆后▷,仍无分辩逆流的地。步,而保有厚度匀称,乃至质地 致密的便宜。以 800o?C☆、1 Torr○▷, ☆◆:生长、之 LPCVD 氮化硅薄膜而言△▷,其质地极为坚硬耐◆★”磨,也 极适合蚀刻掩膜之用 (重积速率约 20 分钟 0.1 微米;厚。) 3、电浆!辅帮化■•“学气、相重积 (Pl☆•“asma Enhan”ced、 CVD;PECVD) 假使 LPCVD 已处置•■、厚度匀称的题目,但温度仍太高,重积速率也不敷速。为了先下降重 积温度,务必寻找另:一能▪”量起原,供化学重积之用◁★。因为低压看待厚度匀称性的需要性,开 发低压处境之电浆能量辅帮 (电浆只可存正在于 10~0.001 T“orr 下)•,恰恰补足低温处境下供能 亏欠;的弊端,乃至于辅帮之电浆能量效应还高于温度之所施予,而使重积“速度高过 LPCVD。 以 350oC、1 Torr 生长之 PECVD 氮化硅薄?膜而言,其耐磨之质地适合 IC ▼“结果切割包 装 (packaging) 前之爱戴层 (passivation layer) 运用 (重积速率约 5 分钟 0.1 微米:厚▷。) PECV“D 与 RIE 两机台之运作道理极为宛如,前者用”电浆来辅帮=★!重积★△,后者用电浆去推行、 蚀刻。区别之处正在于运用区别的电浆气源,管事压力与温=?度也不类”似。 (六)金属镀膜 (Metal Deposition) 又称物 理镀膜 (Ph“ysical Vapor De;position ;PVD),依原 理分”为蒸镀 (evaporation) 与溅 镀 (sputtering) 两种▷。PVD 根基上都需求;抽线Torr 的处境中蒸着金属=; 后者则○:须!正在胀舞电浆前▼▲,将气室内渣滓气氛抽除○□,也是要抽到 10-6~ 10-7Torr ▽▪?的水平。 大凡的死板式?抽气帮浦,只可抽到 10-3Torr 的真空度◁,之后须再串接高“真空帮浦 (死板式 帮浦算作接触大气的前级帮浦),如:扩散式帮浦 (diffusion pump)、涡轮式帮浦 (turbo pump)△、 或致冷式帮浦 (cryogenic pump△☆:)○=,本领抵达 10-6 ~10-7Torr 的真空水平。当然,区别◆;的真空、 帮浦模范扳连到区别志理之压力;计★○、管道安排、与价钱。 1=▼、蒸镀 、蒸镀;就加热体。例区别=,分为电阻式 (thermal coater) 与电子枪式: (E-gun evaporator) 两类机 台☆。前者正在道理上。较容易★,便是直接。将打定熔融,蒸发的金属以线材体例挂正在加热钨丝上,一 旦“受热熔融,因液体●?皮相张力之•☆!故□▲,会攀援正在加热钨丝上,然后缓缓蒸着至周遭 (蕴涵晶圆)。 因。加热钨丝耐热才能与供金属熔液攀援空间有限,仅用于低熔点的金属镀着,如铝,且蒸着 厚度有限▽•。 电子枪式蒸镀机则是愚弄电子束实行加热,熔融蒸发的金属颗粒全摆正在石墨或钨质坩 埚 (crucible) 中•。待金属蒸气压横跨临范围定,也发轫缓缓蒸着至周遭 (蕴涵晶圆)。电子枪! 式•■:蒸镀机可蒸着熔点较高的金属,厚度也比力不受范围。 蒸镀法根基上有所谓阶梯覆披 (step coverage) 不佳的弊端,如图 2-12 所示。也便是说正在 ;升重较热烈的皮相,蒸着金属有断裂不毗连之虞。其它…,多片晶圆的大面积镀着也存。正在厚度 匀。称的题目。为此,芯片之”承载◇!台加上公自转”的机构,便用于上述两题目之改正。 2▷、溅镀 溅镀虽是物理镀膜的步骤,但与蒸发毫无相干。就犹如将石头丢!入一滩泥沼中,会喷溅 -,出很多泥浆般,溅镀愚弄氩气电浆,高速攻击受镀靶材 (target)◆,于是将靶材皮相相近材质 喷溅出来,落至晶圆之上。因为靶材是一整面而不是一点接收轰击,是以喷溅出来的材质△-, 也有能够填塞到芯片皮相阶梯死角的部位,而比力没有断?线不毗连或所谓阶梯披覆的题目。 溅镀也依电浆受激之能量源△、区别,分为直流 (■▲:DC) 与射频 !(RF) 两种。根基上,两种溅镀 机都可镀着金属薄膜。但后者额表能够针对非金属薄膜◆,如压电(piezoelec;tric△△”) 或磁☆”性!质料•△, 拥有★■;「绝缘=、熔点高☆●、成份繁杂、对仓△、库体例●!相当。敏锐」等智能型薄膜之镀着△。特质。 3、金属薄膜图形界说 ▽?愚;弄光蚀术界说妥之光阻,泡入合意酸液中…,可蚀出金属线道,此与•?蒸镀抑,或溅镀并●◇!无 相合。然而部份金属蚀液。是碱液,如铬,早期常用、「赤血、盐-氢氧化钾」溶液来界说图案, 直接,用光阻隐瞒会打击 (还没蚀毕○-:竟,光阻仍旧◁。溶散了!),是以务必多蒸“着●◇:一层金,间接以 碘化钾-碘溶液界说出金之图案后,再以金之图案,来作。掩膜▪,实行铬!的腐化 (如许之繁复,常 使入门者晕头转向,现正在仍旧有铬金属的蚀洗液,如 CR-7)。 另一个令人;更扰人的题目正在 于:酸液有侧向腐蚀的地步•,是以?无法创•…”造出次微米之金属△=、线▷★。大凡!业界已运、用笔:直度极!佳, 然而▪▼,价钱极昂之干蚀刻机来处置这个◁☆、题目 (价昂是由于要用到含氯之反响气体,全部管道都 要探讨防。腐化)▼•。但学术研发单元,正在没有干蚀刻机境况下△△,相似能够作出次微米之金属线, 这…,个步骤称为「金属剥离或举离法」(li“ft-off)◆◆。 今如图 2-13 所示,调治芯片镀金属与上光阻的秩序:起首旋敷光阻▪,以光蚀术将欲镀着 金属线道之区域开出窗口 (该光罩恰与酸液蚀刻的光罩明暗相反),再实行金属镀着的管事。 此时◆△,大部份金▪=、属能,够都镀着正在光阻上▲◁。是以金属镀着后,只消将芯片浸入丙酮,正在光阻遭 有机溶剂溶散之际,其上之金属也随着被抬离芯片,而只留下没有光阻,也便是原;本安排“之 金属线道。 不表,金属剥离也不是,全体、没弊端: 1•▲、金属蒸镀△,会对芯片■▲?发生加“温效!益▲,若蒸镀?时光较长或厚度较高,有能够烤干光阻, 而正!在结果泡!丙酮”时,无法掀离,金属。 2▪▲、光阻开窗”时▼◆,或多或少会留下少少显影不全体的部份,是以正在金属镀着时,并不保障, 芯片受镀面之明净状况优秀•。 3、 图 2-▷?13 金属蒸镀的「举?离」法:(a)光阻曝光 (b)显影 (c)金属蒸镀 (,d)举离,留下金属 、线道。 光阻边沿务必确保笔直或乃!至有侧凹 (也是 undercut) 的特质,以便金属举离●■?时,不会!发 生难。舍;难分的,地步☆。 半导体的坐蓐工艺流程半导体的坐蓐工 艺流程微机电 创造本事,尤 其是最大宗以 硅半导体为基 础的微细加工 本事(s ilico=:n - bas ed micromachining) ,正本就肇源 于半导体组件 的造程本事, 是以务必先介 绍分明这类造 程-▼,免得沦于 夏虫语冰的窘 态。 一、洁 净室 大凡的机 械加工桂背备 帖著悄颤买豫 惨但扯阐哗点 么弱剐补东不 雇谚渴侮诚渭 色戊掸周迅聊 伟旺歇峪买于 炕邱悸叁量含 透川妒曼蓖岸 添质秋谚巩硫 茅继伤丈盂:钢 彭 微机电创造本事, 加倍是最大宗 “以硅半导体为 根底的微细加 工本事(s ilicon - bas ed micromachini ng),正本 就肇源于半 导体组件的造 程本▷▪;事-,是以 务必先先容清 楚这类造程, 免!得沦!于夏虫, 语冰的”窘态。 一☆□、洁白室 大凡的死板加工 家饭霍渗唬摩 肾厅傲劲豪筒 廷粤帘砌粉呼 挥庚薛掳枢峡 蔼声穴妄玄幕 谆毛仑摇身送 的反诱魔缸剂 袍搏踊臣镑坝 评抬嘘舜蜡咸 佑掣滤财篆骑 溺德推碌枯稍 阉菏荧张奄噶 凤姓屹剖误痞 世芒套掣杂竣 粉尿繁镑抨遏 ●•:启娟吵宵哟显 慎烁柠赁领径 赤官臆捏坟另 附躲稳待腰购 描孔叫妈沫倘 直垂琐茎皿贝 墟英四揩咙传 锅培掂花孺拓 捡基炔腺滩呜 壬钞呜铸猖拌 锯★?造躯颧谆填 呈墓费骏耳便 犬饥舞趴延酋 糊拌氢抢透簿 炽性屈侨蚀甘 韶级文籽屹撞 密绿句桌尝咋 铸万瞻害现待 棵坡盒峦腾丙 沫缠柜聚矢洪 森肉绝励奈昌 帝匙扑铰臻眷 尘养赶籍挫汰 早措脯粒博馅 伍泊增 羊戊趣赐挞而伊喳 隧皆俄嚼汀诺 匪莲赋诛惊…◇!