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半導體制程潔凈室及晶圓制造
發布時間： 2008-4-18 9:29:59
一、潔凈室
一般的機械加工是不需要潔凈室(cleanroom)的，因為加工分辨率在數十微米以上，遠比日常環境的微塵顆粒為大。但進入半導體組件或微細加工的世界，空間單位都是以微米計算，因此微塵顆粒沾附在制作半導體組件的晶圓上，便有可能影響到其上精密導線布局的樣式，造成電性短路或斷路的嚴重后果。
為此，所有半導體制程設備，都必須安置在隔絕粉塵進入的密閉空間中，這就是潔凈室的來由。潔凈室的潔凈等級，有一公認的標準，以class10為例，意謂在單位立方英呎的潔凈室空間內，平均只有粒徑0.5微米以上的粉塵10粒。所以class后頭數字越小，潔凈度越佳，當然其造價也越昂貴。
為營造潔凈室的環境，有專業的建造廠家，及其相關的技術與使用管理辦法如下：
1、內部要保持大于一大氣壓的環境，以確保粉塵只出不進。所以需要大型鼓風機，將經濾網的空氣源源不絕地打入潔凈室中。
2、為保持溫度與濕度的恒定，大型空調設備須搭配于前述之鼓風加壓系統中。換言之，鼓風機加壓多久，冷氣空調也開多久。
3、所有氣流方向均由上往下為主，盡量減少突兀之室內空間設計或機臺擺放調配，使粉塵在潔凈室內回旋停滯的機會與時間減至最低程度。
4、所有建材均以不易產生靜電吸附的材質為主。
5、所有人事物進出，都必須經過空氣吹浴(airshower)的程序，將表面粉塵先行去除。
6、人體及衣物的毛屑是一項主要粉塵來源，為此務必嚴格要求進出使用人員穿戴無塵衣，除了眼睛部位外，均需與外界隔絕接觸(在次微米制程技術的工廠內，工作人員幾乎穿戴得像航天員一樣。)當然，化妝是在禁絕之內，鉛筆等也禁止使用。
7、除了空氣外，水的使用也只能限用去離子水(DIwater,de-ionizedwater)。一則防止水中粉粒污染晶圓，二則防止水中重金屬離子，如鉀、鈉離子污染金氧半(MOS)晶體管結構之帶電載子信道(carrierchannel)，影響半導體組件的工作特性。去離子水以電阻率(resistivity)來定義好壞，一般要求至17.5MΩ-cm以上才算合格；為此需動用多重離子交換樹脂、RO逆滲透、與UV紫外線殺菌等重重關卡，才能放行使用。由于去離子水是最佳的溶劑與清潔劑，其在半導體工業之使用量極為驚人！
8、潔凈室所有用得到的氣源，包括吹干晶圓及機臺空壓所需要的，都得使用氮氣(98)，吹干晶圓的氮氣甚至要求99.8以上的高純氮！ 以上八點說明是最基本的要求，另還有污水處理、廢氣排放的環保問題，再再需要大筆大筆的建造與維護費用!
二、晶圓制作
硅晶圓(siliconwafer)是一切集成電路芯片的制作母材。既然說到晶體，顯然是經過純煉與結晶的程序。目前晶體化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky)拉晶法(CZ法)。拉晶時，將特定晶向(orientation)的晶種(seed)，浸入過飽和的純硅熔湯(Melt)中，并同時旋轉拉出，硅原子便依照晶種晶向，乖乖地一層層成長上去，而得出所謂的晶棒(ingot)。晶棒的阻值如果太低，代表其中導電雜質(impuritydopant)太多，還需經過FZ法(floating-zone)的再結晶(re-crystallization)，將雜質逐出，提高純度與阻值。
輔拉出的晶棒，外緣像椰子樹干般，外徑不甚一致，需予以機械加工修邊，然后以X光繞射法，定出主切面(primaryflat)的所在，磨出該平面；再以內刃環鋸，削下一片片的硅晶圓。最后經過粗磨(lapping)、化學蝕平(chemicaletching)與拋光(polishing)等程序，得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圓。(至于晶圓厚度，與其外徑有關。)
剛才提及的晶向，與硅晶體的原子結構有關。硅晶體結構是所謂「鉆石結構」(diamond-structure)，系由兩組面心結構(FCC)，相距(1/4,1/4,1/4)晶格常數(latticeconstant；即立方晶格邊長)疊合而成。我們依米勒指針法(Millerindex)，可定義出諸如：{100}、{111}、{110}等晶面。所以晶圓也因之有{100}、{111}、{110}等之分野。有關常用硅晶圓之切邊方向等信息，請參考圖2-2。 現今半導體業所使用之硅晶圓，大多以{100}硅晶圓為主。其可依導電雜質之種類，再分為p型(周期表III族)與n型(周期表V族)。由于硅晶外貌完全相同，晶圓制造廠因此在制作過程中，加工了供辨識的記號：亦即以是否有次要切面(secondaryflat)來分辨。該次切面與主切面垂直，p型晶圓有之，而n型則闕如。
{100}硅晶圓循平行或垂直主切面方向而斷裂整齊的特性，所以很容易切成矩形碎塊，這是早期晶圓切割時，可用刮晶機(scriber)的原因(它并無真正切斷芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齊斷開之。)事實上，硅晶的自然斷裂面是{111}，所以雖然得到矩形的碎芯片，但斷裂面卻不與{100}晶面垂直!
以下是訂購硅晶圓時，所需說明的規格：項目說明
晶面{100}、{111}、{110}±1o
外徑(吋)3456
厚度(微米)300"450450"600550"650600"750(±25)
雜質p型、n型
阻值(Ω-cm)0.01(低阻值)"100(高阻值)
制作方式CZ、FZ(高阻值)
拋光面單面、雙面
平坦度(埃)300"3,000
資訊來源：中國凈化工程網 |
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