單元三：晶圓的制程和量測

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1、晶圓的製造1-1什麼是晶圓?臺灣目前是世界晶圓代工的重要國家，也是半導(dǎo)體的製造與資訊工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的大國，晶圓(Wafer)是製造積體電路(IntegratedCircuit,IC)的基本材料，通常是由矽(Silicon,Si)或砷化鎵(GalliumArsenide,GaAs)等半導(dǎo)體(Semiconductor)所組成，目前積體電路產(chǎn)業(yè)以矽晶圓為主。矽晶圓是利用特殊的拉晶(CrystalPulling)裝置將熔化的純矽，緩慢旋轉(zhuǎn)逐漸拉升冷卻以獲得單晶(Crystal)結(jié)構(gòu)的晶棒(Ingot)，如圖

2、1所示。矽晶棒再經(jīng)過研磨、拋光、切片，即成矽晶圓，如圖2所示。矽晶圓的表面光滑明亮如一片圓鏡，需要經(jīng)過積體電路製造技術(shù)在晶圓的表面上製作電路元件，才能成為可用的積體電路，如圖3所示。在矽晶片上加工製作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，成為具有特定電性功能的IC產(chǎn)品。臺積電、聯(lián)電等「晶圓代工」廠，就是取得電子產(chǎn)品設(shè)計公司客戶委託的產(chǎn)品製造訂單後，將電子產(chǎn)品的設(shè)計圖，透過光罩製作公司轉(zhuǎn)製在數(shù)層光罩上，再以矽晶圓為基材，經(jīng)過積體電路晶圓生產(chǎn)製造流程，將每一層光罩上的設(shè)計圖案轉(zhuǎn)置在晶圓上，每片晶圓在完成製造程序後，即可在

3、晶圓上形成數(shù)百到數(shù)千顆相同的積體電路(IC)小晶片。製作完成的晶圓還要再經(jīng)過測試、切割、封裝等過程，才能成為一顆顆具有各種功能的積體電路產(chǎn)品，如圖4所示。?圖1晶棒圖2晶圓片50微米圖3矽晶圓與壹圓圖4晶片的封裝為什麼矽晶片是圓的？矽晶片的形成是從矽熔爐中，旋轉(zhuǎn)並緩慢地拉升出圓棒狀的矽晶棒；另外，晶圓外圍的電路圖樣原本就是屬於製造過程中的犧牲品；如果晶圓是四方形的，在處理、運送過程中，邊角上的晶粒反而很容易毀損。因此圓形的晶片是最有效率的面積使用方式。??晶圓的尺寸晶圓的尺寸是以它的直徑來表示，單位

4、是英吋。從早期的3吋、4吋、6吋、8吋，目前半導(dǎo)體廠主力的12吋，和下一代的18吋，它的演進(jìn)是朝向大尺寸發(fā)展，如此才能在製造的過程中有較多的面積可以使用，12吋晶圓的面積約是8吋晶圓的2.25倍，也就是可以得到較多的晶粒，以降低製造的單位成本。1-2晶棒成長製程拉晶晶棒晶圓矽晶棒的長成，首先需要將純度相當(dāng)高的矽礦放入熔爐中，並加入預(yù)先設(shè)定好的金屬物質(zhì)，使產(chǎn)生出來的矽晶棒擁有要求的電性特質(zhì)，接著需要將所有物質(zhì)融化後再長成單晶的矽晶棒。在凝固的過程當(dāng)中，固體與液體的熔質(zhì)成分是不同的，在長單晶的時候，所謂

5、的熔質(zhì)指的就是雜質(zhì)，雖然晶圓使用的矽相當(dāng)?shù)募儯窃谀痰倪^程中，雜質(zhì)的影響很大，所以在凝固過程中，對於熔質(zhì)進(jìn)入到固體的控制是絕對嚴(yán)格。圖5矽晶圓的製造過程在凝固過程之中固體設(shè)定為完全擴(kuò)散，也就是固體為完全均質(zhì)，而液體與固體的界面處會因為固體凝固的收縮及固體與液體的溫度差而產(chǎn)生所謂的熱對流，這個熱對流將影響到固體中的熔質(zhì)成分，為了降低雜質(zhì)的影響，又能讓液體側(cè)的成分能夠均勻，所以在液體這邊會施以擾動來降低對流所產(chǎn)生的邊界層(boudarylayer)，來讓液體側(cè)在拉晶凝固的過程中能保持一樣的成分。柴可

6、拉斯基長晶法(Czochralskigrowth)就是利用這種原理，在液態(tài)的矽坩堝讓它有擾動，然後用小塊單晶矽當(dāng)種晶(seed)下降到接觸到液態(tài)矽，之後以邊旋轉(zhuǎn)邊上拉的方式，並且控制爐溫與上拉的速度，以達(dá)到控制長出來的晶圓的直徑。因為是有上拉的動作，稱為拉單晶。晶圓成長的直徑、長度及雜質(zhì)，都與旋轉(zhuǎn)的速度與上拉的速度以及爐溫有關(guān)聯(lián)。晶棒長成製程如下：1.熔化（MeltDown）　　此過程是將置放於石英坩鍋內(nèi)的塊狀複晶矽加熱製高於攝氏1420度的熔化溫度之上，此階段中最重要的參數(shù)為坩鍋的位置與熱量的供應(yīng)

7、，若使用較大的功率來熔化複晶矽，石英坩鍋的壽命會降低，反之功率太低則融化的過程費時太久，影響整體的產(chǎn)能。2.頸部成長（NeckGrowth）　　當(dāng)矽熔漿的溫度穩(wěn)定之後，將晶種漸漸注入熔液中，接著將晶種往上拉昇，並使直徑縮小到一定，維持此直徑並拉長10-20cm，以消除晶種內(nèi)的排差。3.晶冠成長（CrownGrowth）　　長完頸部後，慢慢地降低拉速與溫度，使頸部的直徑逐漸增加到所需的大小。4.晶體成長（BodyGrowth）　　利用調(diào)整拉速與溫度來維持固定的晶棒直徑，所以坩鍋必須不斷的上升來維持固定

8、的液面高度，而且拉速必須逐漸地降低，以避免晶棒扭曲的現(xiàn)象產(chǎn)生。5.尾部成長（TailGrowth）當(dāng)晶體成長到所要的長度後，晶棒的直徑必須逐漸地縮小，直到與液面分開。1-3柴可拉斯基(Czochralski)長晶法柴可拉斯基長晶法是柴可拉斯基(Czochralski)在1917年提出的長晶法，圖6為柴可拉斯基砷化鎵長晶系統(tǒng)，其步驟如下：（1）先將砷化鎵(GaAs)多晶(polycrystalline)放入拑鍋中，並將晶種(seed)固定在拉晶棒上，如圖6所示。（2）為