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第十三章新興製造技術13-1半導體製程簡介13-2微細製造簡介13-3其他製造技術總目次一、概述材料以導電能力，可以分為1.半導體、電路與積體電路(1)導體(2)半導體(3)絕緣體回目次13-1半導體製程簡介課本P.268一、概述導電能力介於導體和絕緣體之間的材料，就稱之為半導體。(1)半導體：半導體材料主要有鍺、矽及砷化鎵。矽的優點：a.原料便宜b.耐高溫c.表面易形成絕緣的二氧化矽•矽為現今主要的半導體材料！回目次13-1半導體製程簡介課本P.268一、概述半導體產品，如圖所示。(1)半導體：回目次13-1半導體製程簡介課本P.268一、概述砷化鎵適用於製作雷射二極體及發光二極體(Lightemittingdiode，LED)的材料。常用的摻雜劑有帶正電的硼及帶負電的磷或砷。1.半導體、電路與積體電路加入硼則稱為p型半導體，加入磷或砷則稱為n型半導體。回目次13-1半導體製程簡介課本P.268(1)半導體：一、概述積體電路，如圖13－2所示。1.半導體、電路與積體電路回目次13-1半導體製程簡介課本P.269一、概述(1)半導體及IC的製作需要在無塵室中進行。2.無塵室(2)製程中最大的汙染源是工作人員，因此必須穿著全身包覆的無塵衣。(3)無塵室的空氣必須以高效能空氣微粒濾網(HEPA)過濾，溫度控制在23℃、相對溼度在45％最為適宜。(4)奈米（nm）是長度單位，為10-9公尺（m），即1nm＝0.000000001m。回目次13-1半導體製程簡介課本P.269以IC的製程技術而言，其單一線路寬度可細小至20nm以下，如圖13－3為IC製程尺度。一、概述2.無塵室回目次13-1半導體製程簡介課本P.269(1)「IC中可容納的電晶體數每隔18個月就能增加1倍，從而使性能也提升1倍」(2)預測未來製程微小至7nm後，此定律將不再適用。一、概述3.摩爾定律（Moore'slaw）回目次13-1半導體製程簡介課本P.270二、半導體製程矽在地球上的含量占25%，僅次於氧。矽晶圓製作IC將矽砂經過一連串的精煉過程後，可以製作成半導體材料及IC，流程如圖13－4所示。回目次13-1半導體製程簡介課本P.270~2711.晶棒與晶圓(1)現況概述：由矽砂提煉成矽晶棒的最後一關，使用柴氏或稱CZ製程（Czochralskiprocess），操作方法如圖13－5所示。回目次13-1半導體製程簡介二、半導體製程矽晶圓製作IC課本P.272二、半導體製程(2)矽晶棒的製作：如圖13－5（續）為晶圓切片與化學機械研磨。回目次13-1半導體製程簡介矽晶圓製作IC1.晶棒與晶圓課本P.272二、半導體製程1.晶棒與晶圓回目次13-1半導體製程簡介矽晶圓製作IC圖13－6晶圓片直徑朝大尺度展（3～12吋）課本P.273(3)晶圓的製作：圖13－6為不同直徑的晶圓片。單顆IC的面積通常只有數mm2很少有大於1cm2的尺度。一片直徑12吋的晶圓面積，可以同時製作出數百個或數千顆IC。最後再以鑽石砂輪或雷射分割成單顆IC進行封裝。回目次二、半導體製程13-1半導體製程簡介矽晶圓製作IC課本P.273(4)發展狀況：1.晶棒與晶圓2.IC中的線路及元件製作IC依功能及使用目的，進行線路及半導體元件的設計並製作於晶圓表層。過程：薄膜製作→微影製程→蝕刻→離子植入。重複上述過程，進行不同位置的線路及元件製作。回目次二、半導體製程13-1半導體製程簡介矽晶圓製作IC課本P.273薄膜的製作通常採用氣相沉積和氧化等方法。(1)薄膜製作：①氣相沉積薄膜A.物理（PVD）B.化學氣相沉積（CVD）C.磊晶回目次二、半導體製程13-1半導體製程簡介矽晶圓製作IC2.IC中的線路及元件製作課本P.273~274①氣相沉積薄膜B.化學氣相沉積：CVD（Chemicalvapordeposition）圖13－7所示的常壓式與低壓式二種化學氣相沉積爐。回目次(1)薄膜製作：13-1半導體製程簡介課本P.274圖13－7常壓式與低壓式化學氣相沉積爐A.物理氣相沉積：PVD（Physicalvapordeposition）B.化學氣相沉積：CVD（Chemicalvapordeposition）常用於多晶矽、氮化矽及二氧化矽等薄膜的沉積。低壓式的爐體為密閉設計，可節省大量反應用的化學氣體。生產率高且膜厚均勻。回目次13-1半導體製程簡介課本P.274①氣相沉積薄膜(1)薄膜製作：C.磊晶使沉積薄膜的結晶方向與基材（晶圓）相同或直接相關的一種薄膜製作方法。磊晶薄膜的雜質少，製成的元件效能較高。回目次13-1半導體製程簡介課本P.274①氣相沉積薄膜(1)薄膜製作：IC製程中二氧化矽是最常使用的氧化薄膜。乾式氧化（高品質）溼式氧化（高效率）製作的方法以乾→溼→乾的順序來提高生產率製作高品質的二氧化矽薄膜。回目次13-1半導體製程簡介課本P.274~275②氧化薄膜(1)薄膜製作：光罩一片印製有線路、元件圖案的透明石英玻璃。正片光罩：線路部分透光（其餘部分不透光）負片光罩：線路部分不透光（其餘皆透光）影像呈現的形式回目次(2)微影製程：13-1半導體製程簡介課本P.275將光罩上的線路、元件圖案，投影至晶圓表面，以便後續蝕刻出圖案。曝光顯影微影製程步驟光阻塗布回目次(2)微影製程：13-1半導體製程簡介課本P.275光阻是一種感光材料，由感光劑、樹脂及溶劑混合而成。正光阻：不溶於顯影液負光阻：易溶於顯影液依成分分為解析度較佳！回目次①光阻塗布(2)微影製程：13-1半導體製程簡介課本P.275①光阻塗布塗布的方法如圖13－8所示。回目次(2)微影製程：13-1半導體製程簡介課本P.275將光罩覆蓋在塗有光阻的晶圓片上(或保持一定距離)。以紫外光、電子束、X光及離子束等射線穿過光罩透明部份，將線路圖案投影在光阻上。使受到照射的光阻產生性質變化。回目次②曝光(2)微影製程：13-1半導體製程簡介課本P.276②曝光如圖13－9所示回目次(2)微影製程：13-1半導體製程簡介課本P.276的在去除剩餘之溶劑及水氣。③顯影使光阻形成的線路圖案更加堅韌及牢固，確實保護不需蝕刻的部份。回目次(2)微影製程：13-1半導體製程簡介經曝光後的光阻層，使用顯影劑沖洗去除不要的光阻。課本P.276(3)蝕刻：溼式化學法乾式電漿法方法有二種將晶圓表面未受光阻保護的二氧化矽薄膜蝕穿，而露出下層的矽晶材料。再將離子植入，形成二極體、電晶體等半導體元件及線路。回目次13-1半導體製程簡介課本P.276如圖13－10(a)所示。①溼化學蝕刻：將晶圓浸入酸液（氫氟酸，HF）中，蝕刻方向為等向性。蝕刻深度由時間、溶液濃度及溫度加以控制。回目次(3)蝕刻：13-1半導體製程簡介課本P.277如圖13－10(b)所示。②乾式電漿蝕刻：蝕刻方向為非等向性。製程中僅需要少量的化學反應用氣體，是比較好的蝕刻方法。回目次(3)蝕刻：13-1半導體製程簡介課本P.277(4)離子植入：①在p型或n型半導體製成的晶圓上，局部植入硼或磷離子。②該部位形成為一個具有功能的半導體元件。如圖13－11所示。回目次13-1半導體製程簡介課本P.277~278③重複薄膜製作→微影製程→蝕刻（並去除光阻）→離子植入（並去除二氧化矽薄膜）等步驟。回目次(4)離子植入：13-1半導體製程簡介課本P.277~278二、半導體製程3.金屬化製程(1)說明：①在晶圓片上的每一顆IC裡，製作出千萬個半導體元件。②這些元件還需要有鋁或鋁銅合金導線來加以連接，才能使IC產生功能。③這些連接元件之間的導線製作，稱之為金屬化，如圖13－12所示。矽晶圓製作IC回目次13-1半導體製程簡介課本P.278回目次二、半導體製程矽晶圓製作IC13-1半導體製程簡介3.金屬化製程課本P.278~279二、半導體製程3.金屬化製程矽晶圓製作IC(2)製作過程：①每兩層金屬導線之間會沉積一層絕緣材質做為隔離。②上下層導線連接處稱為通道。③導線與元件相接處則稱為接點。④每條導線最終的端點會製作在IC最上層的四周，並製成較大的面積稱之為銲盤。回目次13-1半導體製程簡介課本P.278~279(3)後續處理：待整片晶圓檢測完成，即以非常薄的鑽石砂輪片，將每一顆IC切下，如圖13－13所示。回目次二、半導體製程矽晶圓製作IC13-1半導體製程簡介3.金屬化製程圖13－13完成測試等待分割的晶圓片局部外觀課本P.2794.打線、封裝與測試(1)打線：①將IC晶片以環氧樹脂黏在導線架上。②使用直徑0.025mm左右的金線以熱壓接合或超音波銲接法，連接IC晶片表面的銲盤與導線架。回目次二、半導體製程矽晶圓製作IC13-1半導體製程簡介課本P.279回目次4.打線與封裝(1)打線：如圖13－14所示。13-1半導體製程簡介課本P.280圖13－14打線①將打線完成的IC晶片與導線架，置入封裝模具中，以環氧樹脂（最常用）或是陶瓷材料填入密封。回目次4.打線與封裝(2)封裝：13-1半導體製程簡介課本P.280②完成封裝後即進行晶片的功能測試，以確保出廠之產品品質。定義製造微小化零件及產品的技術稱為微細製造。圖片資料來源：蔡明欽，金屬工業研究及發展中心，金屬精微成形實驗室負責人回目次13-2微細製造簡介課本P.281包含的技術分三大類一、半導體製程/微機電系統二、LIGA製程三、精微機械製造製品的尺度小至微米（m；10-6m）範圍。範圍回目次13-2微細製造簡介課本P.281微細製造的尺度範圍和類別如圖13－15所示。回目次13-2微細製造簡介課本P.281微機電系統（MEMS）微機電系統包含三項基本元件一、積體電路二、微感測器三、微致動器微機電系統(Microelectromechanicalsystem)為一具有特定功能的系統。回目次13-2微細製造簡介課本P.281稱為X光深刻精密電鑄模造成形，簡稱光刻鑄模。LIGA是德文(Lithographiegalvanoformungabformung)之縮寫。一、LIGA製程1.X光微影LIGA製程結合三製程2.電鑄3.射出成形回目次13-2微細製造簡介課本P.282製程步驟如圖13－16所示。一、LIGA製程13-2微細製造簡介回目次課本P.2821.X光微影製程(1)LIGA所用的微影製程與前述IC製程中相同。(2)製程步驟：光阻塗布→圖案轉印及顯影→硬烤。(3)塗布光阻的基板必須是導體，做為後續電鑄製程的陰極。(4)LIGA的照射光源具有短波長、繞射小、功率大、穿透力強等優點的同步輻射X光。(5)搭配光阻材料PMMA（壓克力），可得最佳的圖案解析度及照射深度。回目次一、LIGA製程13-2微細製造簡介課本P.2822.電鑄(1)將金屬電鑄在模型表面。(1)再以熔解或蝕刻的方式將模型去除，複製一個與模型完全互補的金屬微結構。回目次一、LIGA製程13-2微細製造簡介課本P.2833.射出成形(1)以電鑄所得的金屬微結構，做為微型的塑膠射出模具或壓縮模具。(2)或是由這些量產的塑膠微結構做為電鑄用模型，進行第二次電鑄，便可以量產金屬微結構零件。回目次一、LIGA製程13-2微細製造簡介課本P.283二、精微機械製造泛指製品具有3D複雜形狀，且尺度介於0.5～10mm。相較於半導體製程，精微機械製造在我國是一項剛起步的製造科技。回目次13-2微細製造簡介課本P.283精微機械製造如表13－1所示，有微車削、微銑削、微磨削、微放電/線切割、微超音波及微雷射加工等。回目次二、精微機械製造13-2微細製造簡介課本P.283以車、銑、磨、放電及雷射等各種精微機械製造方法，來製作可大量生產的精微模具及成形技術，是精微製造技術未來的主流。精微鍛造成形技術，被視為最有潛力的微型零件生產技術。回目次二、精微機械製造13-2微細製造簡介課本P.2841.微銑削(1)與傳統銑削最大的差別在於使用直徑小於1mm的微型刀具進行銑削加工。(2)搭配高轉速（2