半导体元器件是怎样制造出来的?生产工艺流程讲解

    电子元器件是电子元件和电小型的机器、仪器的组成部分，其本身常由若干零件构成，可以在同类产品中通用；常指电器、无线电、仪表等工业的某些零件，如电容、晶体管、游丝、发条等子器件的总称，常见的电阻、电容器、电位器、电子管、散热器、机电元件、连接器、半导体分立器件、电声器件、激光器件、电子显示器件、光电器件等。下面我们就和大家讲解一下半导体元器件的制造流程。

 

    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着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后，接着进行氧化及沈积，最后进行微影、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。

    下面是主要的生产制程：

 

    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、封胶

 

    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，进行芯片结构及功能的确认。