半導(dǎo)體制程及其基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知識(shí)原理

1、制程及原理概述半導(dǎo)體工業(yè)的制造方法是在硅半導(dǎo)體上制造電子元件 （ 產(chǎn)品包括 :動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、靜態(tài)記億體、微虛理器等），而電子元件之完成則由精密復(fù)雜的集成電路（Integrated Circuit ，簡(jiǎn)稱IC）所組成；IC之制作 過程是應(yīng)用芯片氧化層成長(zhǎng)、微影技術(shù)、蝕刻、清洗、雜質(zhì)擴(kuò)散、離子植入及薄膜沉積等技術(shù)，所須制程多達(dá)二百至三百個(gè)步驟。隨著電子信 息產(chǎn)品朝輕薄短小化的方向發(fā)展 ，半導(dǎo)體制造方法亦朝著高密度及自動(dòng) 化生產(chǎn)的方向前進(jìn)；而IC制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，大致仍朝向克服晶圓直 徑變大，元件線幅縮小，制造步驟增加，制程步驟特殊化以提供更好的產(chǎn)品特性等課題下所造成的良率控制因難方向上前進(jìn)。半導(dǎo)體

2、業(yè)主要區(qū)分為材料 （ 硅品棒） 制造、集成電路晶圓制造及集成 電路構(gòu)裝等三大類，范圍甚廣。目前國內(nèi)半導(dǎo)體業(yè)則包括了后二項(xiàng)，至 于硅晶棒材料仍仰賴外國進(jìn)口。國內(nèi)集成電路晶圓制造業(yè)共有 11 家， 其中聯(lián)華、臺(tái)積及華邦各有 2 個(gè)工廠，總共 14 個(gè)工廠，目前仍有業(yè)者 繼紙擴(kuò)廠中，主要分布在新竹科學(xué)園區(qū)，年產(chǎn)量逾 400 萬片。而集成電 路構(gòu)裝業(yè)共有 20 家工廠，遍布于臺(tái)北縣、新竹縣、臺(tái)中縣及高雄市， 尤以加工出口區(qū)為早期半導(dǎo)體于臺(tái)灣設(shè)廠開發(fā)時(shí)之主要據(jù)點(diǎn) 。年產(chǎn)量逾20 億個(gè)。原理簡(jiǎn)介一般固體材料依導(dǎo)電情形可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體及絕緣體。材料元件 內(nèi)自由電子濃度 （n 值） 與其傳導(dǎo)率成正比。良好導(dǎo)

3、體之自由電子濃度相當(dāng)大(約 10 個(gè) e /m ) ，絕緣體 n 值則非常小 (10 個(gè) e/m 左右) ，至于半 導(dǎo)體 n 值則介乎此二值之間。半導(dǎo)體通常采用硅當(dāng)導(dǎo)體，乃因硅晶體內(nèi)每個(gè)原子貢獻(xiàn)四個(gè)價(jià)電 子，而硅原子內(nèi)部原子核帶有四個(gè)正電荷。相鄰原子間的電子對(duì)，構(gòu)成 了原子間的束縛力，因此電子被緊緊地束縛在原子核附近，而傳導(dǎo)率相 對(duì)降低。當(dāng)溫度升高時(shí)，晶體的熱能使某些共價(jià)鍵斯鍵，而造成傳導(dǎo)。這種不完全的共價(jià)鍵稱為電洞 ，它亦成為電荷的載子 。如圖 1.l(a),(b)于純半導(dǎo)體中，電洞數(shù)目等于自由電子數(shù)，當(dāng)將少量的三價(jià)或五價(jià) 原子加入純硅中 ，乃形成有外質(zhì)的 (extrinsic) 或摻有雜質(zhì)

4、的 (doped) 半 導(dǎo)體。并可分為施體與受體，分述如下：1.施體(N型)當(dāng)摻入的雜質(zhì)為五價(jià)電子原子 (如砷) ，所添入原子取代硅原子，且第五個(gè)價(jià)電子成為不受束縛電子，即成為電流載子。因貢獻(xiàn)一個(gè)額外的電子載子，稱為施體 (donor) ，如圖 1.l(C) 。2.受體(P型)當(dāng)將三價(jià)的雜質(zhì) (如硼)加入純硅中，僅可填滿三個(gè)共價(jià)鍵，第四個(gè)空缺形成一個(gè)電洞。因而稱這類雜質(zhì)為受體 (acceptor) ，如圖 1.l(d) 。半導(dǎo)體各種產(chǎn)品即依上述基本原理，就不同工業(yè)需求使用硅晶圓、 光阻劑、顯影液、酸蝕刻液及多種特殊氣體為制程申的原料或添加物 等，以完成復(fù)雜的集成電路制作。Si5i英ma” !1

5、«頁 A Zl *fTL；r ! “ V 丿：Si « i/*rfv / _- I 丿 / 艾匚自引S “ 巾)以昭號(hào)萬耳rawne胡矽凰«的Wifi. I /豊祚 "喩:強(qiáng)科迫開*! i I J ；" * f Si(hM3-ffi?£f；f«at33e3Bll目由子 * L *7 盤；F卞 說二邊匸遍iT 浮W Z 斬過廠迥 J" SISiSi Si5i Si4 Sif 、“# «、:"jPi;:f丄一+十麗 k / 07、« J"總廠竝涼I 4 1 n, 章' ;

6、 I I fl51 &2 S1何»1 a三«的nnfflf子n代的31耳圖1.1半導(dǎo)體構(gòu)造組成制造流程半導(dǎo)體工業(yè)所使用之材料包含單一組成的半導(dǎo)體元素，如硅(Si)、鍺(Ge)(屬化學(xué)周期表上第四族元素)及多成分組成的半導(dǎo)體含二至三種元素，如鎵砷 (GaAs) 半導(dǎo)體是由第三族的鎵與第五族的砷所組成。在1950 年代早期，鍺為主要半導(dǎo)體材料，但鍺制品在不甚高溫情況下，有 高漏失電流現(xiàn)象 。因此，1960 年代起硅晶制品取代鍺成為半導(dǎo)體制造主 要材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可區(qū)分為材料加工制造、晶圓之集成電路制造(wafer fabrication)( 中游)及晶圓切割、構(gòu)裝

7、(wafer package) 等三大 類完整制造流程，如圖 1.2 所示。其中材料加工制造，是指從硅晶石原 料提煉硅多晶體 (polycrystalline silicon) 直到晶圓 (wafer) 產(chǎn)出，此 為半導(dǎo)體之上游工業(yè)。此類硅芯片再經(jīng)過研磨加工及多次磊晶爐(Epitaxial reactor) 則可制成研磨晶圓成長(zhǎng)成為磊晶晶圓，其用途更 為特殊，且附加價(jià)值極高。其次晶圓之體積電路制造，則由上述各種規(guī) 格晶圓，經(jīng)由電路設(shè)計(jì)、光罩設(shè)計(jì)、蝕刻、擴(kuò)散等制程，生產(chǎn)各種用途 之晶圓，此為中游工業(yè)。而晶圓切割、構(gòu)裝業(yè)系將制造完成的晶圓，切 割成片狀的晶粒 (dice) ，再經(jīng)焊接、電鍍、包裝及

8、測(cè)試后即為半導(dǎo)體成 品。卅EMIT I 劇百忘1 !科4匕=11 ii 771 _幣an*呵f卩 Jr= L_= =奉TiinE.-jG中qa建buL_ng IHWh廠I釀 jtK)一一I f:古謝Mfcf I.Jtub* 初 Ha-JU)p *1*6 i圖1.2半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上、字訂I MUJt! I塢亞!衛(wèi)4嚀Iiif A r初中、下游完整制造流程制程單元集成電路的制造過程主要以晶圓為基本材料，經(jīng)過表面氧化膜的形 成和感光劑的涂布后，結(jié)合光罩進(jìn)行曝光、顯像，使晶圓上形成各類型 的電路，再經(jīng)蝕刻、光阻液的去除及不純物的添加后，進(jìn)行金屬蒸發(fā)，使各元件的線路及電極得以形成，最后進(jìn)行晶圓探針檢測(cè)；

9、然后切割成芯片，再經(jīng)粘著、連線及包裝等組配工程而成電子產(chǎn)品。各主要制程單 元概述如下：氧化與模附著原料晶圓在投入制程前，本身表面涂有2口 m厚的A|2Q，與甘油混合溶液保護(hù)之，晶圓的表面及角落的污損區(qū)域則藉化學(xué)蝕刻去除。為制成不同的元件及集成電路，在芯片長(zhǎng)上不同的薄層，這些薄層 可分為四類 : 熱氧化物，介質(zhì)層，硅晶聚合物及金屬層。熱氧化物中重要的薄層有閘極氧化層（gate oxide; 與場(chǎng)氧化層 （field oxide） ，此二層均由熱氧化程序制造氧化:。以下二化學(xué)反應(yīng)式描述硅在氧或水蒸氣中的熱Si（ 固體） + O 2（氣體）f SiO2（固體）Si（固體）+ 2H 20（氣體）f S

10、iO2（固體）+ 2H 2（氣體）現(xiàn)代集成電路程序中，以氯介入氧化劑來改善氧化層的質(zhì)量及Si-SiO 2，接合面的性質(zhì)。氯包含在氯氣、氯化氫HCl 或二氯乙烷中，其 將 Si-SiO 2，接合面的雜質(zhì)反應(yīng)成揮發(fā)性氯化物，多余的氯會(huì)增加介質(zhì)的崩潰強(qiáng)度，減低接合面缺陷密度。介電質(zhì)附著層主要用來隔離及保護(hù) 不同種類元件及集成電路。三種常用的附著方法是 : 大氣壓下化學(xué)蒸氣 附著（CVD），低壓化學(xué)蒸氣附著（LPCVD）及電漿化學(xué)蒸氣附著（PCVD或 電漿附著 ）?；瘜W(xué)蒸氣附著生成約二氧化硅并不取代熱生長(zhǎng)的氧化層，因?yàn)楹笳呔哂休^佳的電子性質(zhì)。二氧化硅層可使用不同的附著方法，其 中低溫附著（300500

11、 C ）之氧化層由硅烷、雜質(zhì)及氧氣形成。植入磷之氧化硅的化學(xué)反應(yīng)為SiH4+O2fSiO2+2H24PH3+5O2f2P2O5+6H2于中等溫度（500800 C ）的附著，二氧化硅由四乙經(jīng)基硅,Si（OC2H5）4,在LPCVD反應(yīng)器中分解形成。其分解反應(yīng)為:Si(OC2H0 47 SiO2+副產(chǎn)物高溫附著(900 C)，二氧化硅由二氯硅烷(SiCl 2H2)與笑氣(N2O)在低壓下形成：SiCl 2H2+2N2O7SiO+2N2+2HCI氮化硅層可用作保護(hù)元件，方可作為硅氧化作用時(shí)的遮蔽層，覆蓋 不欲氧化的硅晶部分，氮化硅的附著是在中等溫度(750 C)LPCVD程序或低溫(300 C )

12、電漿CVDg序中形成。LPCVD程序中，二氯硅烷與氨在減壓下，700800C間，反應(yīng)生成氮化硅附著，反應(yīng)式為:SiCl 2H2+4NH3 7Si3N4+6HCl+6H2電漿PCVD程序中，氮化硅由硅烷與氨在氫電槳中反應(yīng)或是硅烷在放電 氮?dú)庵猩桑磻?yīng)式如下:SiH4+NH37SiNH+3H22SiH4+HT2SiNH十 3H2硅晶聚合物，或稱聚合硅，在 Metal Oxide Semic on ductor(MOS)元件中用作閘極接線材料 ;多層金屬處理中當(dāng)作導(dǎo)電材料 ; 低能階接面元件中 為接觸材料。方可作為擴(kuò)散來源，生成低能階接面及硅晶體的歐姆接觸。其他用途包括電容及高電阻的制作。低壓反應(yīng)

13、器在600650C間操作，將硅烷熱解生成硅聚合體，反應(yīng)式如下:SiH47Si+2H2金屬層如鋁及硅化物用來形成低電阻連接N、卩+及硅聚合物層的金屬接觸，及整流作用的金屬一半導(dǎo)體能障。金屬處理包含內(nèi)部聯(lián)線、歐姆接觸及整流金屬二半導(dǎo)體接觸等金屬層的形成。金屬層可用不同方法鍍上，最重要的方法為物理蒸氣附著及化學(xué)蒸氣附著，鋁與其合金以及硅化金屬為兩種最重要的金屬。在金屬處理中，化學(xué)蒸氣附著(CVD)提供相當(dāng)優(yōu)良的同型階梯涵蓋層，且一次可制成大量晶圓。最新的集成電路cVD金屬附著是應(yīng)用于難熔金屬的附著。以鎢為例其熱解及還原的化學(xué)反應(yīng)式：WL W+3FWF+3H7 W+6HF其他金屬如鉬(Mo)，鉭(Ta

14、)，及鈦(Ti)都可應(yīng)用于集成電路。這些金屬 的附著皆是在LPCVD反應(yīng)器中進(jìn)行下列氫還原反應(yīng):2MC5+5HT 2M+10HCIM代表金屬M(fèi)o,Ta,Ti。鋁附著亦可使用有機(jī)金屬，如三異丁烷鋁2(CH3)2CHCH 3AI 7 2AI+3H2+副產(chǎn)物集成電路金屬處理量最大的是鋁及其合金，因?yàn)閮烧呔邆涞碗娮柘?數(shù)(Al為2.7 uQ -cm,合金為3.5 -cm)，符合低電阻的要求。硅化物如TiSi 2及TaSi2,，其低電阻系數(shù)(三50 uQ -cm)，且在整個(gè)集成電路程序中不失原有性質(zhì)，表列出不同硅化物的電阻系數(shù)。表1.1硅化物電阻系數(shù)(300 ° K)硅化物來源燒結(jié)溫度（。C）

15、電阻系數(shù)（uQ -cm）CoSil 2硅聚合體金屬附著90018-20共濺射合金90025HfSi2硅聚合體金屬附著9004550MoS2共濺射合金I000100NiSi2硅聚合體金屬附著90050共淺射合金9005060Pc2Si硅聚合體金屬附著4003050P tSi硅聚合體金屬附著6008002835TaSi2硅聚合體金屬附著10003545共濺射合金10005055TiSi 2硅聚合體金屏附著9001316共濺射合金90025Wsi2共濺射合金I00070ZrSi2硅聚合體金屬附著9003540擴(kuò)散與離子植入擴(kuò)散及離子植入是用來控制半導(dǎo)體中雜質(zhì)量的關(guān)鍵程序。擴(kuò)散方法 是使用植入雜質(zhì)或雜

16、質(zhì)的氧化物作氣相附著，將雜質(zhì)原子植入半導(dǎo)體晶 圓的表面附近區(qū)域。雜質(zhì)濃度由表面成單調(diào)遞減，雜質(zhì)的分布固形取決 于溫度及擴(kuò)散時(shí)間。離子植入程序中，雜質(zhì)是以高能呈離子束植入半導(dǎo) 體中。植入雜質(zhì)的濃度在半導(dǎo)體內(nèi)存在一高峰，雜質(zhì)的分布圖形取決于 離子的質(zhì)量與植入能量。離子植入程序的優(yōu)點(diǎn)在于雜質(zhì)量的精確控制，雜質(zhì)分布的再重整，以及低溫下操作。擴(kuò)散與離子植入之比較如圖1.3所示。雜質(zhì)的擴(kuò)散基本上是將半導(dǎo)體晶圓置于熔爐中，然后以帶雜質(zhì)原子 的惰性氣體通過。于硅擴(kuò)散作用中，最常使用的雜質(zhì)為硼、砷及磷，這 三種元素在硅中的溶解度相當(dāng)高。雜質(zhì)的來源包含數(shù)種，有固體來源（BN, ASO及 PO），液體來源（BBr3

17、、AsCk及 P0C3），氣體來源（B2H6、AsH、及PH）。通常，以上物質(zhì)由惰性氣體（如N,）輸送至半導(dǎo)體表面而發(fā)生還原反應(yīng)。固體來源的化學(xué)反應(yīng)式如下反應(yīng)時(shí)會(huì)往硅表面形成氧 化層。2As2O+3Si 7 4As+3SiC2離子植入是將高能量之帶電粒子射入硅基晶中。半導(dǎo)體中離子植入的實(shí)際應(yīng)用改變了基晶層的電子性質(zhì)。植入雜質(zhì)濃度在10111016 離子/cm2。雜質(zhì)濃度的表示法是半導(dǎo)體單位表面積Icm所植入的離子數(shù)目。 +軽薛磬密醸後夢(mèng);吋澆影UEHn馬圜mi子圖1.3使用擴(kuò)散與離子植入技術(shù)將雜質(zhì)植入半導(dǎo)體基晶中的比較印刻與蝕刻印刻是在覆蓋半導(dǎo)體芯片表面的光敏感材料薄層（稱為光阻）印上幾何鑄型

18、。不同的光阻鑄型不止一次的印刻在晶層上，以形成元件圖樣。再經(jīng)蝕刻程序獲得各不同區(qū)，以便進(jìn)行植入、擴(kuò)散等前幾節(jié)所敘述 的步驟。表1.2所列為IC印刻方法及對(duì)應(yīng)使用之光阻成分。表1.2 IC印刻方法及對(duì)應(yīng)使用之光阻成分電子束印刻正光阻PMMA聚甲基丙烯酸甲脂），PBS（聚丁稀諷）。負(fù)光 阻COP縮水甘油丙烯酸甲脂與乙基丙稀酸酯共相聚合物 ）光學(xué)（uv）印刻負(fù)光 阻硒化銬和銀覆蓋層X光印刻負(fù)光 阻DCOPA（烯（二氡丙基）酸及縮水廿油甲基丙烯酸酯一土二基 丙烯酸酯）離子束光阻正光阻PMMA光阻化合物對(duì)輻射具敏感性，可區(qū)分為正光阻及負(fù)光阻。正光阻經(jīng)過光照后，曝光區(qū)可以化學(xué)物質(zhì)（去光阻劑或顯影液）溶解除

19、去；負(fù)光阻 正好相反。正光阻的組成有三：對(duì)光敏感化合物、樹脂及有機(jī)溶劑。負(fù)光阻是含光敏感組成的高分子。表1.3列出了商業(yè)上常用的IC印刻種類及其光阻型式。表1.3 IC印刻種類及其光阻型式印刻種類型式敏感度光學(xué)Kodak 747負(fù)29 mJ/cmAZ-1350J正90mJ/cmP R102正140mJ/cm電子束COP負(fù)0.3 卩 C/cmGeSe80 卩 C/cm2負(fù)2PBS1 卩 C/cmPMMA正50 卩 C/cm正2COP負(fù)175 mJ/cm'DCOPA負(fù)10 mJ/cm2PBS295 mJ/cmPMMA正lOOOmJ/cm正2晶圓上光阻后，經(jīng)曝光處理，再由顯影液將曝光區(qū)的正光

20、阻溶解、 洗凈、涼干，再經(jīng)蝕刻去除曝光區(qū)的絕緣層，而未曝光區(qū)的光阻則不受 蝕刻影向，最后除去剩余光阻，可用溶液(如H2S&HO槽)或電漿氧化, 經(jīng)此道程序，可制成設(shè)計(jì)所需之絕緣層鑄型影像。而絕緣層之鑄型影 像，乃作為下個(gè)制程的遮避保護(hù)層，如離子植入未被絕緣層保護(hù)的半導(dǎo) 體基質(zhì)區(qū)域，整個(gè)集成電路的電路系統(tǒng)制程，通常須重覆地在晶圓表面 作多次以上的印刻與蝕刻程序。濕法化學(xué)蝕刻乃利用液體化學(xué)物質(zhì)與基質(zhì)表面的特定材料反應(yīng)溶 出，此程序廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體制程中。最常使用的侵蝕液為硝酸(HNO3) 及氫氟酸(HF)的水溶液或是醋酸(CH3C00H溶液。SiO2+6Hi HSiF6+H0Si+HNO

21、+6Hi H2SiF6+HN0+HO+H鎵砷半導(dǎo)體之蝕刻液以H2SdH2Q-H2O為主。另外，絕緣層與金屬層 之蝕刻，使用的是能溶解這些物質(zhì)及其鹽類或錯(cuò)化物的化學(xué)品。硅與鎵 砷常見之蝕刻液列于表1.4，表1.5列出了常用作絕緣層及金屬層蝕刻 的侵蝕液。半辱IB用途ft或te劉爭(zhēng)1(raAnin)SiICP-4A3inJHFSml HNQ3tnl CH|COOH34 SCPS遇光ImiKF Sml HNO, 2ml CHjCOOH7,4番面著妙列訓(xùn)fi接面匪燧HF + dl 珈 HNOj方向性鰹関！凹ttfe列23.4wtKOHPropyl aJcohol633wiH,OjvlOOo爲(wèi) 0,6

22、vllfgO"GaAs«光im HiSO< Inti HO1ml H,OYlHX* 爲(wèi) 0.8 其 ffiRld«光Sm HQP. 1 Rii H3O, SOinlH,0<ll 1>-Gag.a.表1.4硅與鎵砷常用之浸蝕液表1.5絕緣層與導(dǎo)電層常用之侵蝕液材料SiO2侵蝕液組成28mlHF170mlH2O HF緩沖溶液113g NH4F15ml HF10ml HNO P-蝕刻300ml H2O蝕刻液1000A/min120 A/minSiN4HF緩沖溶液HPO5 A/mi n100 A/minAl1mlHNO 4mlCHCOOH 4 mIHsP

23、O ImIHO350 A/minAu4g KI1g I 2 40mlh2O1 卩 m/minMo5ml H3PO2ml HNO4ml CH3COOH150mlHO0.5 卩 m/minPt1ml HNO7mlHCl8mlHO500 A/minW34g KHPO13.4g KOH33g K3Fe(CN)6加入HO至1公升1600 A/mi n干法蝕刻（電漿蝕刻）乃利用低壓放電將氣體電離成電漿，所以電漿含全部或部分電離之氣體，其中有離子、電子及中子。表1.6列出兩種氣體蝕刻系統(tǒng)濺蝕刻制射程及平行臺(tái)電漿蝕刻所使用之氣體。濺射蝕刻制程平行臺(tái)電漿蝕 刻表1.6濺射蝕刻制程及平行臺(tái)電漿蝕刻使用之氣體加，N

24、eCl,CCI< + CICF< + HBCI3 + CICC|V + 0SF +1.3.4晶圓切割將芯片排列組合，做成集成電路，利用閘區(qū)化切割機(jī)或鉆石刀及雷 射槍來替代切割機(jī)切割晶圓，形成IC薄片，如圖1.4所示-cTfLjna A口匸口 a口匚零 pm氏圖1.4晶圓成品之切割程序連線打著利用金屬線連接IC芯片與基板，如圖1.5所示。塑封為保護(hù)已連線的IC,將IC芯片封入環(huán)氧樹脂封套內(nèi)。此種程序在 壓模機(jī)中完成，操作溫度為180200。C,如圖1.6所示。去筋打彎將整片連線打著完成之半產(chǎn)品自金屬線切開（即去筋），并將基板兩側(cè)漏出之金屬線打彎成直角，如圖 1.7所示。圖1.5 IC

25、 芯片連線打著程序圖1.6 IC芯片樹脂套封程序圖1.7 IC 芯片去今打彎程序?qū)Ь€電鍍 在電鍍槽中將露在外面的導(dǎo)線，鍍上一層銅使之易于導(dǎo)電。此制程視產(chǎn)口 口口口口口 質(zhì)決定需要否浸錫與清洗將導(dǎo)線浸錫以利焊接，并以有機(jī)溶劑、混酸清洗去除殘余油脂，提高IC質(zhì)量。測(cè)試與包裝檢查IC芯片之電性，最后將合格之IC包裝完成。IC制程實(shí)例半導(dǎo)體業(yè)集成電路制造過程十分復(fù)雜，且隨著產(chǎn)品之不同制程亦跟 著改變。以下則舉一基本實(shí)例并配合圖形說明整個(gè)制程。半導(dǎo)體元件成 品如圖1.8所示。製程1 矽晶H之淸洗製程2.成長(zhǎng)熟氧化層（SiOJssnigiiOr：: *>J-P-r.l44r FtYuri*"

26、; “2I J-J*+<n#製程3利用«影技術(shù)定出巴well之區(qū)域製程4蝕刻去除熱氧化層製程5.離子佈植植入巴型雜買gg童磁魏ht (邃塗澱沁瀏回圧？亦：；：？£：!梟蔦吆"g；：需f出:t：!：出出舊常為初疥:總云站:瀘汕 亦降溜策聽益即詼站報(bào)朗賤的站跖跖跖藥跖菇器 :曲;跖;跖品岀厲防潞欲曲凹詳刪處撫汪近曰邁1叵備詼/<! Kli- mTTT fTTTfiT3 *V#TTT*TTTi) #-j “« 4鼻«jaajaaajj*>* * fl « r« «i #* < * "*#

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38、怦弗*"弗土為“ ri BRIB ri.BP 話* "算t!打帶"I *4 J « - ""* 注第型圍 一黑扛士話： ««止rAJBIitali -+ *p± F* * -_ * J > +J Rd I 產(chǎn)齊“訂需雄“衿 畀；冷；訂“；” fH圖1.8半導(dǎo)體元件成品剖面圖污染源及污染特性污染源概述半導(dǎo)體工業(yè)因產(chǎn)品不斷研發(fā)而制程亦隨著更改，從以往所采用之濕 式制程到現(xiàn)在采用減壓后之氣體干式制程 ，及目前興起之化合物半導(dǎo)體研究也正迅速發(fā)展中。隨著這些技術(shù)之革新，半導(dǎo)體制造時(shí)所使用之酸 鹼溶液、有機(jī)溶劑

39、、特殊氣體材料之種類及數(shù)量均在增加之中，而這些 制程原料大部份都其有毒性，所以應(yīng)特別注意并加以防范與控制。以下 乃針對(duì)此產(chǎn)業(yè)各類生產(chǎn)流程，說明廢氣、廢水及廢棄物污染來源，以期 能掌握各項(xiàng)污染物之排放?？諝馕廴驹窗雽?dǎo)體制造不管在硅晶圓、集成電路制造，或是 IC 芯片構(gòu)裝，其 生產(chǎn)制程相當(dāng)繁雜，制程申所使用之化學(xué)物質(zhì)種類亦相當(dāng)多，而這些化 學(xué)物質(zhì)或溶劑的使用是為半導(dǎo)體生產(chǎn)之主要空氣污染源 ，也因此使得半 導(dǎo)體制造空氣污染呈現(xiàn)量少但種類繁多的特性。晶圓及集成電路制造過程中幾乎每個(gè)步驟皆分別使用各式各樣的 酸鹼物質(zhì)、有機(jī)溶劑及毒性氣體，而各種物質(zhì)經(jīng)過反應(yīng)后又形成種類頗 為復(fù)雜之產(chǎn)物，各制程不同使用的化

40、學(xué)物質(zhì)亦不相同，故所有制程幾乎 部可能是空氣污染源，且皆為連績(jī)排放。圖 2.1 中說明晶圓及集成電路 制程申可能之污染源及其排放之污染物。依污染物特性予以歸類，可將1.晶圓及集成電路制程空氣污染區(qū)分為下列三處： 氧化擴(kuò)散及化學(xué)蒸著沉積制程中所使用具有毒性、可燃性之氣體以及反應(yīng)后所生成之氣體。2.蝕刻及清洗制程中所產(chǎn)生之酸鹼氣體。3.黃光室制程中所產(chǎn)生之有機(jī)溶劑氣體。至于晶圓切割成芯片，再經(jīng)過一連串之構(gòu)裝作業(yè)，可能之空氣污染源包括 :電鍍區(qū)產(chǎn)生之酸鹼廢氣、浸錫區(qū)產(chǎn)生之錫煤煙，以及清洗過程產(chǎn)生之酸氣與有機(jī)溶劑蒸氣等三大類。圖 2.2 中則標(biāo)示 IC 芯片構(gòu)裝作 業(yè)程序可能之空氣污染源及其排放之污染

41、物。! It ： ：；'恆詞二(F轉(zhuǎn)、B - (即-HHtH TX(nd惓In4BUlGriSS*HWK *昭! *'oH* CD vnaiff HM* WHSfllp-W*：»ZJS_V_iiN: siniHM wi =麗卿鬲im MS興M S.f'US 7*A師三tWJgJ(IfVlWjl -h55 - 1 :如.圖2.1晶圓及集成電路制程中空氣污染物發(fā)生源:T!I'Jt ,Hj IIVTiIf£9 'vacjI a !翕蛀Ias-圖2.2 IC芯片構(gòu)裝制程中空氣污染物發(fā)生源廢水污染源廢水污染源分為IC制造廠及構(gòu)裝制造作業(yè)，各有不

42、同，說明如下:1. IC制造廠廢水來源雖多且造成污染之化學(xué)物質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，廢水主要為超純水清洗芯片、去光阻及刻蝕過程等程序所排出之廢水。各股廢 水源及其所含的化學(xué)物質(zhì)如下所示：(1) 芯片清洗廢水：HSO、HO、HF、NHOH HCI。(2) 去光阻廢水：二甲苯、乙酸丁酯、甲苯、 ABS濕式蝕刻廢水：HF NHF、HNO HO、HCI、HSO、HAc HPO、HBr、Al、Si。(4)洗爐管廢水：HF。(5)純水設(shè)備再生廢水:NaOH HCI、HQ。(6)濕式洗滌塔廢水：洗滌廢氣所含之污染質(zhì)。2. IC構(gòu)裝制造作業(yè)主要污染源為切割、電鍍、浸錫、清洗等廢水，如圖2.3所示:各股污染源所包含的化學(xué)物

43、質(zhì)列示如下:(1)切割廢水：芯片切割研磨廢水。(2)電鍍廢水：脫脂過程之有機(jī)物及電鍍程序的2+2+2+Cu、Ni 、Zn、Ag2+、氰化物、氟化物等。(3) 浸錫：廢水助焊劑。 清洗廢水：HSO、HNO、HO、HbPO。(5)純水設(shè)備再生廢水:NaOH HCI。(6)濕式洗滌塔廢水：洗滌廢氣所含之污染質(zhì)。i尿n壺呂】 ;rA切n IL旦w圖2.3 IC芯片構(gòu)裝過程中廢水污染物發(fā)生源廢棄物污染源廢棄物之產(chǎn)生源及其物質(zhì)分述如下：1.包裝器材：紙箱、木箱、玻璃瓶、塑膠桶、保麗龍?zhí)畛湟r材。2.清洗廢液：廢酸、廢鹼、廢溶劑。3.蝕刻廢液：廢酸。4.5.6.污泥：含氟廢水處理之污泥。泵浦廢油：離子植入機(jī)、

44、PVD CVD蝕刻機(jī)等真空泵之劣化油脂。7.8.無塵室人員使用后廢棄之口罩、手套、鞋套。9.員工生活廢棄物：餐廳及辦公室廢棄物?？諝馓幚韽U料：無塵室空氣過濾廢濾料及毒性氣體吸附塔廢料。10. 廢損芯片。污染物種類及特性IC 制造主要使用之化學(xué)物質(zhì)半導(dǎo)體制造工業(yè)在產(chǎn)業(yè)史上屬危險(xiǎn)性較高之工業(yè)，尤其是超 LSI 制 程需經(jīng)過很多層之處理而成形，構(gòu)成非常精密的回路，須于氣相中處理。同時(shí)這些處理都要在瞬間的狀態(tài)下進(jìn)行，所以使用之氣體也采用化 學(xué)活性高的元素，例如超 LSI 基于物理特性考慮，而使用金屬、半金屬 及非金屬為氣體化之氫化物，烷基化合物 (aIkyI) 或低級(jí)鹵素化合物(halogen) 等。

45、制程中由氧化至清洗階段包括光罩、蝕刻、離子植入及 不純物擴(kuò)散等，也都需使用具有毒性之膠合劑氣體及硅烷類氣體，其供 給型態(tài)如表 2.1 及圖 2.4 所示。另外一般濕式制程中的蝕刻及清洗則使用大量的酸鹼溶液，基本上 有氫氟酸(HF)、硝酸(HNO)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3P04)、鹽酸(HCII 及氨(NH3)等，使用時(shí)大都形成混合液(buffer solutio n) 。然而制程中幾乎每個(gè)步驟都使用有機(jī)溶劑，尤其在黃光區(qū)中光阻液 清洗、濕像液清除、蝕刻液清除及晶圓清洗等均使用大量有機(jī)溶劑，主 要有丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、丙醇、甲醇、三氯乙烷、丁酮、甲苯、 苯、二甲苯、乙醇、乙酸甲酯、

46、二氯乙烯及氯醛等。同一操作單元所使用之化學(xué)物質(zhì)隨工廠之不同而異，而每個(gè)工廠也不一定使用所有化學(xué)物質(zhì) ，而本節(jié)中所列乃為工廠目前主要使用之化學(xué) 物質(zhì)。men已f審:直fiJCAi蚌eVAaZLS 的址3 shiihBitaMtlmura0000000:叭仙51'平I哼匡砂肚a砂i|lJLO TTsiH贏jI，I EtHCh&«嚴(yán)際* !列冋.v鼻網(wǎng)-I聊逝Eg 4eFJ*N 儕|£即r 4»J(Sfc4c»軌MMr氨讀名穗¥ «視合混合時(shí)的觸831« '嚨子植入氨 S （S«著 本氯K-Q 氯

47、證）遲）四#化政 （PFJ五ft化碑!11SiOiSitkSi% 囂 1H+4Q -NO, Nd他需廠料氣ISPSGBSGSiH口旳“比耳等5諷SiK5iH. 5NK,尊（N0）-«化亂（NH囲03其它（H強(qiáng)痢化® 心濁氯 記鈾Sft （CQJ四戟化碳注；0號(hào)ftSi要篥 均具有昭魅ft'自蜓童離資特來嬉：羋專證工樂鬧化5品市皤調(diào)査（專題謂査報(bào)寺）表2.1主要半導(dǎo)體用氣體的供給型態(tài)由以上敘述可將半導(dǎo)體工業(yè)所用之制程材料歸納為特殊毒性氣體、酸鹼液及有機(jī)溶劑三大類。由于所用之原料多為劇毒且具刺激性、危險(xiǎn)性及易燃性，對(duì)人體傷害甚巨，美國安全衛(wèi)生協(xié)會(huì)（OSHA）,已對(duì)這些物

48、質(zhì)訂定安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)加以防范，如HF曝露閥值為3ppm HCI為QQ5ppm H2SO4為 Img/m、HNO為 Img/m、NH為 25ppm CI2為 Ippm、ASH為0.05ppm、pH為0.03ppm。另外由于此行業(yè)過去使用極多之氟氨碳化 物（CFCs代表所有鹵素合成物，包括氟氯碳及氟氯烷 ），這些合成物對(duì)臭氧層之破壞力十倍于氫氯碳化合物（HFCs）,因此現(xiàn)多已改用其他替代之方法，而且將完全不用 CFCs類化學(xué)品。目的劃iftft(Ar)慣性瑞覬ft廉用砂*花殆ahP*(O1>- c»«s讚蔵席另 n(性 ft« BAHWS1H4SA駛ft * *asp»i?晶底長(zhǎng)StiVhFSA飯長(zhǎng)芳耳'懇 （V結(jié)A用）ZEftW fSHClia蹴Aft «枝燒'SiH町SiOft itoptd cw<9(» 貳紀(jì)ft-ft»CPS30' loped otickS 吾島8乙感卻問w» '«iiiK - BS "VM的血IWt環(huán)呦血網(wǎng)加血損a晶藥脫曲 A(ponoitt 91 R« nrait化鎮(zhèn)(CF4)ag 拿«鈔餐5韜Is虹四楓化ntCCliAl丘住軸JfcO(H