2022年IC制作流程 .pdf

1. IC 之生產流程，從線路設計光罩製作晶圓加工製造晶圓測試晶片切割、封裝 =、後段測試而產出最終成品。2. IC 製造業的角色係定位在晶圓加工製造階段（亦即以擁有晶圓加工製造廠之公司為主）。其製程技術是指：綜合氧化、擴散、顯影、蝕刻、薄膜，及離子植入等反覆製程，並整合微影技術、光阻處理技術、蝕刻技術、帄坦化技術、擴散與植入技術、薄膜技術及製程控制技術所構成之技術系統【5，6】 。其主要生產設備有：微影設備、蝕刻設備、化學氣相沈積（CVD） 、離子植入設備、物理氣相沈積（PVD） 、化學機械式研磨（CMP） ，及快速熱處理設備 （RTP） 。若以建造一座滿載規劃為每月二萬五千片左右的八吋廠而言，其投資金額約為十億美元。這其中生產設備佔絕大部分，約有七成五左右（約為七億五千萬美元） 。根據工研院機械所【 8】之資料顯示，上述主要設備之成本支出約佔總生產設備支出成本的 56左右（約為四億二千萬美元） 。如此貴重且精密之設備，國內目前並沒有自製能力，而全部掌握在美、日兩國手上。3. 對 IC 封裝業而言製程技術則是指 ：綜合晶圓切割 、黏晶、銲線 （此三者亦稱為前段製程）、封 膠、剪切/成型、印字及檢測技術 （此四者亦稱為後段製程） 所構成之技術系統【 7】 。主要設備則包括：晶片切割機、晶片黏著機、銲線機、塑模機、成型機、蓋印機，及檢視機 /腳位檢測機。有關上述設備之供應來源，由於國資設備廠大多集中在後段製程設備之供應，因此對封裝業者而言，前段製程所需之設備唯有依賴進口一途。同時，在對國產設備之穩定性及精密度信心不足之情況下，4. 光罩的製作材料光罩廠在拿到 IC 設計公司所設計的程式檔案後便開始光罩的製作，在光罩廠工程師收到 IC 設計公司 X Chip 的程式檔案後， 第一個動作就是進行轉檔 ， 將 X Chip程式檔案送交光罩廠的Tooling Planning 的部門，將原本的 IC 設計檔案轉換成光罩設備可判讀的 MEBS 語言的檔案格式，光罩的製作設備再利用曝光機上的雷射光將 X Chip 線路圖打在光罩的製作材料石英玻璃上。光罩的製作材料並不是只有石英玻璃一種，目前較常被使用的光罩製作材料有蘇打玻璃、乳劑光罩、石英玻璃三種，蘇打玻璃是810年前的主流材料，但是目前幾乎已被石英玻璃所取代，現在只剩5%還在使用蘇打玻璃。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 在光罩廠所使用的石英玻璃，上面會鍍上一層黑色的鉻及氧化鉻 ，雷射光便是將X Chip 線路圖打在石英玻璃的鉻上，以形成在IC 製造時所需的線路 ，而氧化鉻最主要的功能是 保護鉻，以防止鉻暴露於空間中而被氧化。依每家 IC 製造廠的製造設備不同，所需的石英玻璃厚度規格也大不相同，所以IC 設計公司在委託光罩廠製作光罩之前，必須確認將來產品是由那家晶圓廠代工生產， 目前大多數晶圓廠所需石英玻璃的厚度規格可分為250mils、150mils、90mils 等(圖 1)(mil 是美國計算線直徑的單位，1mil 為 1/1000 英吋)。在看 X Chip 的 Data Sheet規格書時，不難發現Data Sheet會說明 X Chip 是幾層的金屬製程，在 X Chip 的剖面圖上，可以發現，在薄薄的晶片中居然包括好幾層的金屬層和氧化層等，就像我門常聽到的三層PCB、四層 PCB，也是在一片PCB 中內夾了好幾層銅電路。一樣的，因為X Chip 每一層的線路都不一樣而製作一個光罩，所以每一層就需一個光罩，光罩廠會將晶圓廠製作IC 時所需的每一層光罩，全部都放在同一片石英玻璃上。在晶圓廠的IC 製程中，會將石英玻璃置於步進機上，光罩都會在晶圓上經過曝光、微影、蝕刻等步驟，周而復始，直到每個光罩都完成這道製程。所以為了製程的緣故，光罩廠會將所有的光罩放在同一片石英玻璃上 (圖 2)。在晶圓廠中依所生產產品的不同，大約粗略可分為ASIC 和 MEMORY 兩種，生產 ASIC 和 MEMORY 所需的生產設備及流程都不相同，製造MEMORY 的晶圓廠如果想轉為生產ASIC 就必須得再添購或更換部份設備，但是對於光罩來說，不管是 ASIC 或 MEMORY 還是砷化鎵，光罩製作的流程和材料都一樣。65. 光罩製程光罩製程中，首先曝光機利用雷射光將線路圖打在石英玻璃上的這一道程序便是稱為曝光，目前曝光的技術系統可以分為利用雷射光和電子束。光罩曝光的觀念就是和照片的曝光是一樣的，所不同的是，照相是利用自然光將影像曝光於底片上，利用顯影溶劑和相片沖洗技術，將底片上的影像顯示出來，然後再將影像轉印至相紙上。而在半導體的光罩製造技術上，是利用曝光機的雷射光或電子束將X Chip 的線路圖曝光於石英玻璃上，使石英玻璃上的鉻層，出現和X Chip 線路圖一樣的電路，之後，光罩廠的工程師使用顯影劑顯影，把電路圖在鉻層上顯示出來，再利用蝕刻等技術 ，在鉻層上將電路圖的部份蝕化掉 ，重複作業直至 X Chip上的每一層製程光罩都曝光、顯影、蝕刻完畢，完成光罩後送交晶圓廠，晶圓廠便將光罩上的 X Chip 線路圖轉印到矽晶圓上，而生產成一顆顆的X Chip。在曝光的程序中，光罩廠會將光罩的尺寸放大較原IC 實際尺寸的 5 倍(圖 3)，原名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 因是在晶圓廠的微影製程中，會將IC 光罩送至黃光室進行矽晶圓的曝光，在曝光的過程中，黃光會產生聚焦的作用，使透過光罩而落在矽晶圓的影像發生縮小的現象，所以在光罩的製作過程中，對於 IC 光罩尺寸就必須把黃光聚焦的情況考慮進去。比例上，通常晶圓廠若是使用6 吋晶圓生產時，光罩廠便會將IC 光罩作成 5 吋的大小， 8 吋晶圓生產時光罩則是作成6 吋，若是晶圓廠使用最先進的 12 吋晶圓，光罩的尺寸就會被作成9 吋(表 1)。光罩在經過一連串的生產過程後，所完成的光罩，仍無法確定是否會和原設計相符合，所以和所有流程一樣都必須經過驗證的程序，光罩在完成製作後，就必須送到檢驗的部門進行量CD 的動作，光罩廠的工程師會利用各種儀器來測量光罩上 IC 的 Critical Dimension，而再接下來的檢驗動作便是檢查光罩上的電路是否和原設計相吻合， 目前有兩種檢驗光罩的作法，一是Die to Die，另外一個就是Die to Database ，所謂 Die to Die 的檢驗方法是將光罩上的電路和IC 設計公司所試作的樣品 IC 相比對，找出光罩在曝光、顯影或蝕刻的製作過程中所造成的失誤，而 Die to Database就是光罩廠將製作完成的光罩和IC 設計公司所送來的Database作比對，藉此保證光罩的正確性。製作技術的限制隨著晶圓廠的 IC 製造技術的細微化，相對的光罩廠也必須提昇本身的生產技術，目前， 光罩廠的最大量產技術層次是落在0.50.35微米之間，而對於0.35微米以下的技術就顯得困難許多，包括光罩材料的使用都將是一個問題，現階段光罩廠對於 0.35 微米以下的製程，在材質上大多都改用稱為相位移轉光罩(PSM；Phase Shift Mask) 的材料，主流製程明年將會進步到0.25 微米。和所有 的技術瓶頸一樣，光罩製造技術也是有瓶頸存在，現行的光罩製作技術最大的範圍只能克服到 0.18 微米的製程 ，今天的光罩顯影、蝕刻技術再加上雷射光的限制，都不足以應付比 0.18微米更細微的製程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 晶圓大小有關係？論IC 製作技術孫嘉芳我國半導體業傲視全球，其中晶圓代工所占地位重要，技術更是首區一指，晶圓代工廠均致力研發新技術，以節省成本，增加國際競爭力。八吋晶圓廠是否登陸是最近的熱門話題 ，然而什麼是八吋晶圓 ，又如何從原料變成一顆一顆的IC呢？本文將從半導體講起，說明技術發展趨勢、晶圓大小和IC 技術如何影響成本，以及廠商設廠時考量的因素 ，讓讀者在登陸論戰中 ，能了解背後的事實依據。什麼是半導體和積體電路？半導體是製造積體電路（ integrated circuit, 簡稱 IC）的材料。物質傳導電流的能力不同，可分為非導體（絕緣體，如玻璃）與導體（例如金屬）。半導體的導電能力介於導體與非導體之間，其導電性質特殊，因此可以用來製造邏輯線路，使電路有處理資訊的功能。半導體產業主要以矽為材料，另外還有週期表三五族或二六族的化合物，如砷化鎵（GaAs） 、GaP、InP、ZnSe、ZnS 等。早年，處理資訊是用體積龐大的真空管，後來電晶體取代了真空管，但隨電路系統複雜化，體積愈來愈大，成本也更高昂。電晶體發明十年後，1958年，德州儀器公司的研發人員，研究電路小型化的工程師基爾比（Jack S. Kilby）發明了積體電路。時至今日，一片不到指甲大小的矽晶片上可以濃縮了由成千上萬個電子元件所構成的電子電路（即積體電路），等於是電腦、通訊等電子產品的心臟。積體電路造成資訊革命 ，徹底改變了人類的生活方式 。四十多年後，2000年的諾貝爾物理獎終於頒給基爾比，肯定了他的貢獻。從晶圓到 IC 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 從半導體原料到一片IC 成品，可以分為三個階段：製造晶圓 （wafer） 、製作積體電路和封裝 （圖一） 。晶圓是生產 IC 晶片的材料基板，液態的高溫矽晶液經過長晶過程形成晶柱，一根直徑八吋的矽晶棒重量約一百二十公斤，晶柱切片、拋光之後就成為一片片晶圓。晶柱切割成一片片晶圓後，送至八吋晶圓廠，塗上化學物質，經過氧化、擴散、沉積等步驟，在晶圓上覆蓋一層規劃了邏輯電路的光罩，以雷射光照射材料表面，誘使被照到的部分產生化學反應，原先設計好的線路就可以精細的刻畫在晶片上 （圖二） ，除去未發生反應的部分 ，成為一顆顆的晶粒 （die） ，再經過切割、打線、封裝、測試，便成為市面上的IC。每片晶圓上約可切割出數百顆相同的 IC 晶 片。晶圓有各種尺寸，和蛋糕一樣是以直徑來區分的。晶圓隨著技術愈作愈大，從以前的四吋（ 100mm） 、五吋（ 125mm） 六吋（ 150mm） ，到近年來的八吋（200mm） ，以至未來將成主流的十二吋（300mm）晶圓等。想像一下八吋蛋糕有多大，就是八吋晶圓的面積。為什麼晶圓的大小這麼有關係呢？第一，晶圓愈大，面積增加愈多。從表一可以比較各種晶圓面積的差異。晶圓每增加兩吋，面積增加約一倍，可切割出的IC 晶片數量也加倍了。第二，在晶圓上切割時，必須捨棄邊緣呈弧型的部分 ，會浪費不少材料 ；晶圓直徑愈大 ，圓弧的曲度愈小，可利用面積的比例愈大。一片晶圓可作出愈多IC，IC 的單位成本就愈低，難怪廠商都努力發展技術，加建大尺寸晶圓的代工廠了。IC 技術發展現況國內半導體產業具有相當完整的垂直分工體系（圖三） ，從晶圓代工廠、封裝、測試到材料零組件、IC 設計等，超過百家廠商。以2000年的數據來看，國內整體半導體產業的總產值高達7144 億台幣，晶圓代工約占其中60，說是半導體產業的經濟命脈也不為過。IC 製造商包括台積電、聯電、華邦、德碁、旺宏、茂矽、力晶等，以記憶體與晶圓代工為主，台積電、聯電是主要的晶圓代名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 工廠。剛剛說過， IC 的發展趨勢是朝向晶圓面積增加、線寬（製程）更精密的方向進化。製程愈精密，晶片面積愈小，電路愈精密，運算能力愈強，價值也愈高；晶圓愈大，單位產量愈多，單位成本越低（表二）。但是在發展過程中，必須考慮廠商投入的研發人力、建造晶圓廠及購買設備的成本等。過去兩三億美金就可以擁有一座晶圓廠，未來一座晶圓廠的成本約二、三十億美金，研發費用也要數億美金。雖然提升晶圓尺寸可以節省成本，但會影響產品單位成本的，除了晶圓的大小，還有設備折舊和晶片良率。半導體設備價格高昂，折舊率卻很高，就像汽車一樣，買來之後價格跌落很快，幾年後要汰舊換新時價值已經很低，因此折舊占成本很大比例。而IC製造技術愈高，愈容易造成某些設備使用率高，有些設備卻閒置，更耗費折舊成本。IC 的製造過程非常精密，步驟繁多，一個不慎就會毀損。從晶圓切割下來一顆顆的 IC，經過封裝並通過測，才算是成功的產品，其中也有許多失敗作。一片晶圓上，可用的IC 占產出 IC 總數的比例稱為良率。良率要高，才能節省單位成本。晶圓大小、生產線的管制和製程的複雜程度都會影響良率。晶圓愈大，邊緣要捨棄的比例愈小，相對良率也愈高。但晶圓愈大，生產線會使用較高級的製程，製程愈精密，手續愈繁複，就愈容易失敗，良率反而低。建一座新的晶圓廠，技術必須成熟到某個程度，良率要達到某個比例，才能算是成功的晶圓廠。此外，晶圓代工廠在努力提升製程，在更大的晶圓上做出產品時，還要考慮許多成本因素，像設備、人力成本、研發費用、生產線品管與環境。設廠地點當地的制度、稅金與福利好不好，以及研發人員水準和薪資高不高、資源充不充分都很重要，遇到停水或停電生產線停擺，一天就要損失數億元。國內晶圓代名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 工廠，顧名思義是幫國際客戶代工，例如Intel 處理器的晶片，就是在國內晶圓廠製作運至國外，再交給下游製造商繼續處理，因此交通方不方便，雙方都要考慮，若下游製造商在大陸，國際客戶也會向晶圓代工廠施壓。一座晶圓廠設置地點有這麼多考量，這些都是晶圓代工廠必須面臨的。是否西進學問大八吋晶圓廠仍是全球晶圓代工業的主力，十二吋晶圓廠的良率還不高，生產成本是八吋晶圓廠的好幾倍，要成為主流還要好一段時間，因此八吋晶圓廠仍是台灣半導體業的經濟命脈。國際客戶的代工訂單都是朝低成本的地區移動，由於大陸成本便宜加上積極布局，吸引國際廠商前往，很可能成為未來的半導體代工重鎮。但目前大陸的技術還不成熟，上下游產業也不完整，需要國內的核心製程技術與經驗，將其產業技術升級，並建立完整分工體系。國內廠商將晶圓廠建在大陸，除了考量成本，也是考量全球布局，早點卡位，到時才能和當地廠商競爭。然而當八吋晶圓廠進入大陸，資本、技術和產值也會跟著流入，並加速其技術的進步，削弱國內競爭力和就業機會，對整體產業影響很大。這些步驟與開放的快慢息息相關，是目前爭議的重點。西進的考慮因素很多，因此要從長計議，找出帄衡點，以調整適當的步伐。孫嘉芳係科技報導特約記者感謝國家晶片系統設計中心提供照片。下載活動簡章及報名表Copyright ? 2003 All rights reserved. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -