电子封装专用设备半导体芯片制造基本工艺与设备.doc

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目录第2章半导体芯片制造工艺与设备 1 2.1 概述 1 2.2薄膜生成工艺 5 2.2.1薄膜生成方法 5 2.2.2氧化工艺 6 2.2.3淀积工艺 7 2.3图形转移工艺 10 2.3.1 图形化工艺方法 10 2.3.2光刻工艺 11 2.3.3 刻蚀工艺 16 2.4参杂工艺 17 2.4.1扩散 17 2.4.2离子注入 18 2.5其他辅助工艺 19 2.5.1热处理工艺 19 2.5.2清洗工艺 21 2.5.3 CMP 22 2.6 半导体芯片制造工艺设备 23 2.6.1半导体芯片制造工艺设备分类 23 2.6.2 半导体制造的关键设备错误！未定义书签。第2章半导体芯片制造工艺与设备 2.1 概述 1. 固态半导体芯片制造过程半导体芯片种类及构造形式有各种各样，但是制造过程基本相似。以固态半导体芯片制造过程为例，固态半导体器件制造大体经历5个阶段：材料准备、晶体生长和晶圆准备、晶圆制造和分选、封装、终测。这五个阶段是独立，分别作为半导体芯片制造工艺过程，普通由不同公司独立完毕。（1）材料准备材料准备是指半导体材料开采并依照半导体原则进行提纯。硅以沙子为原料，沙子通过转化可成为具备多晶硅构造纯净硅。（2）晶体生长和晶圆准备在固态半导体器件制造第二个阶段，材料一方面形成带有特殊电子和构造参数晶体。之后，在晶体生长和晶圆准备工艺中，晶体被切割成被称为硅片（普通也被称为晶圆）薄片，并进行表面解决。如图2.1所示，第二阶段工艺过程分为十个环节：单晶生长、生成单晶硅锭、单晶硅锭去头和径向研磨、定位边研磨、硅片切割、倒角、粘片、硅半晌蚀、抛光、硅片检查。图2.1 晶体生长和晶圆准备晶体生长和晶圆准备设备涉及单晶硅制造设备、圆片整形加工研磨设备、切片设备、取片设备、磨片倒角设备、刻蚀设备、抛光设备、清洗和各种检查设备等，最后是包装设备。（3）晶圆制造第三个阶段是晶圆制造，也叫集成电路制造或芯片制造，也就是在硅片表面上形成器件或集成电路。在每个晶圆上可以形成数以千计同样器件。在晶圆上由分立器件或集成电路占据区域称为芯片。在封装之前还需要对晶圆上每个芯片做测试，对失效芯片做出标记。（4）封装、测试背面两个阶段是封装和测试。封装是通过一系列过程把晶圆上芯片分割开，然后将它们封装起来。最后对每个封装好芯片做测试，并剔除不良品，或提成级别。从载有集成电路晶圆到封装好芯片，这一过程普通称为集成电路后道制造，需要通过工序大体涉及：晶圆测试，晶圆减薄和划片，贴片与键合，芯片封装，成品芯片测试等工艺过程。半导体芯片封装、测试工艺过程及设备使用将在本书第3章做详细简介。 2.晶圆制造工艺过程半导体芯片制造即晶圆制造是一种非常复杂过程。在半导体制造工艺中COMS技术具备代表性，咱们以COMS工艺为例阐明半导体制造基本流程。图2.2为COMS工艺流程中重要制造环节，基本工艺过程涉及硅片氧化工艺、在氧化硅表面涂敷光刻胶、使用紫外光曝光、曝光后显影露出氧化硅表面、刻蚀氧化硅表面、去除未曝光光刻胶、形成栅氧化硅、多晶硅淀积、多晶硅光刻及刻蚀、离子注入、形成有源区、氮化硅淀积、接触刻蚀、金属淀积与刻蚀。图2.2 COMS工艺流程中重要制造环节大批量芯片生产普通是在晶圆制造厂中集中加工制造。如图2.3所示，硅片制造分为6个独立生产区域：扩散（涉及氧化、淀积和掺杂工艺）、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。图2.3 亚微米COMS IC制造厂典型硅片流程模型从图2.3咱们可以看出半导体制造重要工艺是在多次重复进行“形成薄膜”、“光刻”、“刻蚀”、“扩散”、“注入”和“抛光”等工艺，在重复进行工艺之间穿插“清洗、热解决、工艺检测”等工艺。（1）扩散扩散普通以为是进行高温工艺及薄膜淀积区域。扩散重要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。（2）光刻光刻目是将电路图形转移到覆盖于硅片表面光刻胶上。光刻胶是一种光敏化学物质，它通过深紫外线（或极紫外线）曝光来印制掩模板图像。涂胶和显影设备是用来完毕光刻一系列工具组合。光刻过程涉及预解决、涂胶、甩胶、烘干，然后用机械臂将涂胶硅片送入光刻机。以步进式光刻机为例，在进行硅片和掩模板对准、聚焦后，步进式光刻机先曝光硅片上一小片面积，随后步进到硅片下一区域并重复这一过程。（3）刻蚀刻蚀是在没有光刻胶保护地方留下永久图形。刻蚀工艺普通使用等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。当前重要使用干法等离子体刻蚀工艺。（4）离子注入离子注入是亚微米工艺中最常用掺杂办法。将要掺入杂质，如砷 (As)、磷（P）、硼（B）注入离子注入机，通过电离，再由高电压或磁场控制并加速，高能杂质离子穿透涂胶硅片表面，最后进行去胶和清洗硅片完毕离子注入。（5）薄膜生长薄膜生长工艺用来加工出半导体中介质层、金属层。薄膜工艺涉及化学气相淀积（CVD）和金属溅射（物理气相淀积，PVD）。薄膜产生后需要使用迅速退火装置（RPT）修复离子注入引入衬底损伤，以及完毕金属合金化。最后使用湿法清洗设备进行硅片清洗。（6）抛光 CMP（化学机械平坦化）工艺用于硅片表面平坦化。CMP用化学腐蚀与机械研磨相结合，以去除硅片表面凹凸不平。重要设备是抛光机，辅助设备涉及刷片机、清洗装置和测量工具。尽管半导体制造工艺非常复杂，但是产业界普通将这些复杂工艺过程归纳为加法工艺、减法工艺、图形转移工艺及辅助工艺等工艺过程。加法工艺。涉及掺杂和薄膜工艺，使用设备重要有扩散炉、离子注入机和退火炉。薄膜工艺包括氧化、化学气相淀积、溅射和外延，使用设备涉及氧化炉、CVD反映炉、溅射镀膜机和外延设备。掺杂工艺中有扩散和离子注入工艺。减法工艺。是指刻蚀工艺，涉及干法刻蚀和湿法腐蚀，使用设备涉及湿法刻蚀机、反映离子刻蚀机。图形转移工艺。重要办法为光刻工艺。使用设备有涂胶和显影设备，以及光刻机。辅助工艺。重要涉及抛光与清洗。抛光普通使用化学机械平坦化完毕抛光工艺，使用设备有CMP抛光机、硅片清洗机等。行业内也将半导体制造工艺过程分为四种基本工艺：薄膜生成工艺、图形转移工艺、掺杂工艺、其她辅助工艺（涉及热解决工艺、清洗工艺、CMP）。下面咱们将分别简介这四种工艺及其使用设备。 2.2薄膜生成工艺 2.2.1薄膜生成办法图2.4所示薄膜生成工艺是通过生长或淀积办法，生成集成电路制造过程中所需各种材料薄膜，如金属层、绝缘层、半导体层等。半导体中各个层次制造工艺如表2.1所示。例如可以运用蒸发、溅射、电镀工艺生成导体层，如铝或金为材质导体层。二氧化硅作为绝缘层，可以用热氧化工艺、化学气相淀积工艺或溅射工艺来加工。使用化学气相淀积工艺办法制作出以多晶硅或者单晶硅为材质半导体层。薄膜工艺生长法氧化工艺氮化工艺淀积法化学气相淀积蒸发工艺溅射工艺电镀工艺图2.4 薄膜工艺类型表2.1 半导体中各个层次制造工艺层次类热氧化工艺化学气相淀积工艺蒸发工艺溅射工艺电镀工艺绝缘层半导体导体二氧化硅二氧化硅氮化硅外延单晶硅多晶硅铝铝合金镍金二氧化硅一氧化硅铝铝合金钨钛钼金铜 2.2.2氧化工艺氧化(Oxidation)工艺重要目是在硅衬底表面形成SiO2氧化膜。SiO2在微电子和微系统中重要应用涉及：钝化晶体表面，形成化学和电稳定表面，即器件表面保护或钝化膜；作为后续工艺环节（扩散或离子注入）掩模（掺杂掩模、刻蚀掩模）；形成介质膜用于器件间隔离或作器件构造中绝缘层（非导电膜）；在衬底或其她材料间形成界面层（或牺牲层）。热氧化是指在高温炉中反映，形成较厚SiO2氧化层过程，也称为热生长法。依照不同作用，氧化层厚度从60Å-10000 Å。氧化温度普通在900℃-1200℃。热氧化法有3种环境：干氧氧化(O2)；水蒸气氧化(H2O)；湿氧氧化(H2O+O2)。热氧化生成二氧化硅过程如图2.5所示，设备原理如图2.6（a）所示，图2.6（b）是一种卧式热氧化炉。图2.5 热氧化生成二氧化硅示意图 O2或H2O浸入硅衬底，在Si与SiO2界面上形成新SiO2，清洁Si-SiO2界面不断向Si中延伸。式（2-1）和（2-2）是热氧化法2种化学反映式。 Si (固) + O2 (气) → SiO2 (固) （2-1） Si (固) + 2H2O (汽) → SiO2 (固) + 2H2 (气) （2-2）（a）热氧化生成二氧化硅设备原理示意图（b）卧式热氧化炉图2.6 热氧化生成二氧化硅原理及设备 2.2.3淀积工艺硅材料上加膜层办法有化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition，PVD）。当前CVD技术已成为微电子和微系统加工中最重要工艺之一。微电子和微系统加工中可淀积薄膜有金属薄膜和非金属薄膜。金属薄膜涉及Al、Ag、Au、W、Cu、Pt、Sn等；非金属薄膜涉及SiO2、Si3N4、SiGe（硅锗合金）、BPSG（硼磷硅玻璃）、Al2O3、ZnO等。（1）化学气相淀积（CVD）化学气相淀积是运用气态先驱反映物，以某种方式激活后，通过原子或分子间化学反映途径在衬底上淀积生成固态薄膜技术。CVD膜构造可以是单晶、多晶或非晶态。运用CVD可获得高纯晶态或非晶态金属、半导体、化合物薄膜，能有效控制薄膜化学成分，且设备运转成本低，与其她有关工艺有较好相容性。图2.7所示为CVD法成膜示意图。图2.7 CVD法成膜示意图图2.8 CVD卧式反映炉 CVD工艺采用设备为CVD反映炉，依照反映压力可分为常压或低压CVD炉。CVD反映炉惯用有卧室反映炉和立式反映炉。图2.8所示为CVD卧式反映炉工作原理示意图。为避免高温，可以采用其她能量供应形式，例如，通过高能射频源获得等离子体就是一种可选形式，称为等离子增强CVD (PECVD，Plasma Enhanced CVD)。（2）外延工艺与设备外延（Epitaxy）是在单晶衬底上、适当条件下沿衬底本来结晶轴向，生长一层晶格构造完整新单晶层制膜技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称为外延层。长了外延层衬底称为外延片。惯用外延工艺分为如下几种。气相外延（VPE，Vapor Phase Epitaxy），是惯用办法。液相外延（LPE，Liquid Phase Epitaxy），合用III和V簇金属。固相外延（SPE，Solid Phase Epitaxy），熔融再结晶。分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy），合用超薄工艺。气相外延工艺和CVD办法类似，通过包括反映物携载气体，在衬底表面淀积同质材料。外延工艺重要用于在硅衬底表面淀积多晶硅薄膜，这些多晶硅是掺杂硅晶体且晶向随机排列，用于在硅衬底指定区域实现导电。外延工艺与CVD办法工艺设备构造基本相似。使用时用H2作为携载气体。为安全起见，在工艺开始之前采用N2清除反映炉中也许存在O2。外延层形成过程如图2.9所示，化学反映公式见式（2-3）。图2.10（a）所示为一种气相外延设备。分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量晶体薄膜新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分炉子加热而产生蒸气，经小孔准直后形成分子束或原子束，直接喷射到恰当温度单晶基片上，同步控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。图10（b）所示为一种分子束外延设备。图 2.9 外延层形成过程 (2-3) （a）气相外延设备（b）分子束外延设备图2.10 外延设备（3）物理气相淀积（PVD）物理气相淀积（PVD）是指膜物质微粒经蒸发或溅射逸出固体后堆积在晶片表面上。使固体膜物质转移到硅材料上形成膜层，重要有蒸发和溅射两种办法。PVD法成膜过程如图2.11所示。图2.11 PVD法成膜示意图溅射是等离子工艺。在溅射过程中，惰性气体离子（普通为氩，Ar+）加速冲向靶（阴极），从靶中移出材料粒子。这些粒子构成蒸气柱，凝结在衬底上。在微电子学和微型机电系统中，溅射是金属化层淀积重要办法。溅射工艺包括四个阶段：通过引入气体原子（Ar)与电子碰撞创造出离子，离子加速冲向靶；通过离子对靶撞击，移出靶原子；自由靶原子向衬底传播；在衬底上靶原子凝结。图2.12是具备装载反映室、复合靶和旋转衬底托盘水平射频磁控溅射机示意图。图2.12 具备装载反映室、复合靶和旋转衬底托盘水平射频磁控溅射机示意图 2.3图形转移工艺 2.3.1 图形化工艺办法图形化工艺是半导体工艺过程中最重要工序之一，它是用来在不同器件和电路表面上建立平面图形工艺过程。这个工艺过程目的有两个，一方面是在晶圆表面上产生图形，这些图形尺寸在集成电路或器件设计阶段建立；第二个目的是将电路图形对的地定位于晶圆表面。整个电路图形必要被对的地置于晶圆表面，它们与晶圆衬底相对晶向，以及电路图形上单独每一某些之间相对位置也必要是对的。图形化工艺是一种基本操作，在操作结束时，晶圆表面层上将剩余孔洞或岛区。图形化工艺也经常被称为光刻( Photolithography )。图形化工艺过程重要分为光刻工艺和刻蚀工艺。光刻本质是把暂时电路构造复制到后来要进行刻蚀和离子注入硅片上。这些构造一方面以图形形式制作在称为掩模版石英膜版上，然后用紫外光透过掩模版把图形转移到硅片表面光敏薄膜上。芯片大批量生产工艺中光刻以紫外光刻为主。掩模板制作也使用光刻工艺，但是，普通使用电子束、离子束进行曝光。图形转移中光刻曝光技术在本书第4章将做详细简介。光刻显影后图形出当前硅片上，然后用一种化学刻蚀工艺把薄膜图形成像在下面硅片上，或者被送到离子注入工作区来完毕硅片上图形区中可选取掺杂。转移到硅片上各种各样图形拟定了器件众多特性，例如：通孔、器件各层间必要金属互连线以及硅掺杂区。从物理上说，集成电路是由许许多多半导体元器件组合而成，相应在硅晶圆片上就是半导体、导体以及各种不同层上隔离材料集合。普通来说，互连材料淀积在硅片表面，然后有选取性地去除它，就形成了由光刻技术定义电路图形。这种有选取性地去除材料工艺过程，叫做刻蚀，在显影检查完后进行，刻蚀工艺对的进行非常核心，否则芯片将不能工作。更重要是，一旦材料被刻蚀去掉，在刻蚀过程中所出错误将难以纠正。刻蚀规定取决于要制作特性图形类型，如合金复合层、多晶硅栅、隔离硅槽或介质通孔。图形化工艺过程如图2.13所示，图形化工艺过程包括两个基本过程，即光刻工艺和光刻后续工艺。光刻工艺过程光刻后续工艺图2.13 图形化工艺过程 2.3.2光刻工艺光刻涉及两种基本工艺类型：负性光刻和正性光刻。负性光刻把与掩模版上图形相反图形复制到硅片表面。正性光刻把与掩模版上相似图形复制到硅片上。这两种基本工艺重要区别在于所用光刻胶种类不同。如图2.14所示，光刻工艺过程涉及8个基本环节：气相成底模、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘培、显影、坚膜烘培、显影检查。如图2.15所示，由硅片传送系统将光刻工艺基本设备串接在一起构成自动硅片光刻工艺加工系统，实现硅片自动化光刻加工。在光刻基本工艺中对准和曝光是最为核心工艺。对准和曝光普通在曝光机（普通也被称作光刻机）上完毕，曝光机是光刻工艺系统核心设备。图2.14 光刻基本工艺环节简图图2.15 自动硅片轨道系统 1.气相成底膜涉及硅片清洗、脱水烘培、硅片成底膜三个环节。气相成底膜采用湿法清洗和去离子水冲洗以去除玷污物，通过脱水烘培去除水汽，然后立即用六甲基二硅烷（HMDS）进行成底膜解决，它起到提高粘附力作用。成底膜过程普通在如图2.15所示自动化轨道系统上与其她工艺按顺序完毕。 2.旋转涂胶光刻胶最基本构成是有机溶剂中一种聚合物溶液。光刻胶物理特性涉及辨别率、对比度、敏感度、粘滞性、粘附性、抗蚀性、表面张力、存储与传送特性、玷污和颗粒控制等。光刻胶重要有两个作用：将掩膜版上图形转移到光刻胶上，在后续工艺中保护下面材料。光刻胶适合于旋转涂胶，硅片会持续旋转涂胶直到硅片表面形成一层薄膜。光刻胶涂覆办法四个基本环节分别为滴胶、旋转铺开、旋转甩掉多余胶、溶剂挥发。硅片上光刻胶涂胶厚度和均匀性是非常核心质量参数。光刻胶涂覆过程中重要技术参数为：滴胶量，约1~3CC；成膜厚度约1微米左右，厚度变化20-50Å。光刻胶涂敷系统构成如图2.16所示，硅片吸附在真空吸盘上，真空吸盘可绕Z轴旋转，喷嘴可沿X、Y、Z移动，环绕Z旋转。喷嘴沿硅片径向分滴光刻胶，这样光刻胶就可以均匀喷涂在硅片表面上。光刻胶涂覆后，在硅片边沿正反两面都会有光刻胶堆积。边沿光刻胶普通涂布不均匀，不能得到较好图形，并且容易发生剥离（Peeling）而影响其他某些图形。因此需要去除。图2.16中“背面EBR”装置为边沿光刻胶去除装置。图2.16 光刻胶涂敷系统构成 3.软烘软烘目是去掉光刻胶中溶剂、增强光刻胶粘附性、释放旋转涂胶产生内应力、改进线宽控制、防止光刻胶粘附到其她器件上。软烘在真空热板上进行，软烘设备工作原理如图2.17所示，硅片放在真空热板上，热量从硅片背面通过热传导方式加热光刻胶。普通软烘温度为85~120℃，时间为30~60S。软烘后将硅片转移到轨道系统冷板上冷却（见图2.15）以便下一步操作。图2.17 在真空热板上软烘 4.对准和曝光以光学紫外曝光为例，一方面将硅片定位在光学系统聚焦范畴内，硅片对准标记与掩模版上相匹配标记对准后，紫外光通过光学系统和掩模版图形进行投影。掩模版图形若以亮暗特性出当前硅片上，这样光刻胶就曝光了。图2.18所示为紫外曝光系统曝光过程示意图。该曝光系统涉及一种紫外光源、一种光学系统、一块由芯片图形构成投影掩模版、一种对准系统和涂过光刻胶硅片。硅片放在可以实现X、Y、Z、q方向运动承片台上，由对准激光系统实现承片台上硅片与掩模版之间对准，由光源系统、投影掩模版、投影透镜实现硅片上光刻胶曝光。曝光过程涉及：聚焦、对准、曝光、步进和重复以上过程。光学曝光技术经历了不同发展阶段。按照掩模版与硅片位置关系区别，从最初接触式曝光，发展到接近式曝光，直到当前投影式曝光。曝光光源重要使用紫外光、深紫外光、极紫外光，现今最惯用是：汞灯和准分子聚光光源。光刻设备发展和使用经历了五个不同阶段，分别是：接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影光刻机、分步重复光刻机、步进扫描光刻机。图2.18 紫外曝光系统曝光过程示意图曝光与对准过程重要由光刻机完毕。光刻机造价高昂，是非常复杂系统，涉及技术也非常多。光刻机是芯片生产核心设备，也是电子制造核心技术设备。 5.曝光后烘培曝光后硅片从曝光系统又回到硅片轨道系统，需要进行短时间曝光后烘培。其目是增进光刻胶化学反映，或者提高光刻胶粘附性并减少驻波。在光刻胶产品阐明书中，生产商会提供后烘时间和温度。进行后烘时，硅片放在自动轨道系统一种热板上，解决温度和时间需要依照光刻胶类型拟定。典型后烘温度90~130℃，时间1~2分钟。 6.显影用化学显影液溶解由曝光导致光刻胶可溶解区域就是光刻胶显影，目是把掩模版图形精确复制到光刻胶中。显影规定重点是产生核心尺寸达到规格规定。当前生产线上显影液涂覆办法重要有两种：持续喷雾显影和旋转浸没显影。光刻胶显影过程需要控制重要工艺技术参数涉及：显影温度、显影时间、显影液量、当量浓度、清洗、排风。 7.坚膜烘培显影后热烘培称为坚膜烘培，目是蒸发掉硅片光刻胶中剩余溶剂，从而使光刻胶变硬，提高光刻胶与硅片粘附性。坚膜过程也可以蒸发掉残存在硅片上显影液和清洗用水。坚膜过程普通在硅片轨道系统热板上，或在生产线上专用炉中完毕。坚膜温度大体为：正胶130℃，负胶150℃。对于DNQ酚醛树脂光刻胶则可使用深紫外线照射进行坚膜解决，此办法使正胶树脂发生交联形成较硬表面层，增长了光刻胶热稳定性，可以承受125~200℃等离子刻蚀及离子注入工艺工作温度。 8.显影检查显影检查是为了发现光刻胶中成像缺陷。显影检查后合格硅片投入下道工序，有缺陷硅片可进行返工操作，也就是通过去胶清洗后重新进行光刻工艺过程。显影检查普通借助光学显微镜由纯熟操作工完毕。大批量生产时显影检查普通使用自动检查设备。 2.3.3 刻蚀工艺刻蚀是用化学或物理办法有选取地从硅片上去除不需要材料过程。刻蚀是在硅片上进行图形转移最后重要工艺环节。半导体刻蚀工艺有两种基本办法：干法刻蚀和湿法腐蚀。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件最重要办法，湿法腐蚀使用液体腐蚀加工办法，重要用于特性尺寸较大状况。按照被刻蚀材料来分，干法刻蚀重要提成：金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。刻蚀也可以提成有图形刻蚀和无图形刻蚀。有图形刻蚀可用来在硅片上制作不同图形，例如栅、金属互连线、通孔、接触孔和沟槽。无图形刻蚀用于剥离掩蔽层。有图形或无图形刻蚀都可以分别采用干法刻蚀或湿法腐蚀。刻蚀重要工艺参数有：刻蚀速率、刻蚀剖面、刻蚀偏差、选取比、均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损伤、颗粒玷污和缺陷。 1.干法刻蚀在半导体制造中，干法刻蚀是用来去除表面材料最重要刻蚀办法。干法刻蚀是把硅片表面暴露于气态中产生等离子体，等离子体通过光刻胶中开出窗口与硅片发生物理或化学反映，从而去掉暴露材料。一种等离子体干法刻蚀系统由发生刻蚀反映反映腔、一种产生等离子体射频电源、气体流量控制系统、去除刻蚀生成物和气体真空系统等构成。刻蚀反映系统涉及传感器、气体流量控制单元和终点触发探测器。普通干法刻蚀中控制参数涉及真空度、气体混合组分、气流流速、温度、射频功率和硅片相对于等离子体位置。惯用干法等离子体反映器类型涉及圆筒式等离子体反映器、平板式反映器、顺流刻蚀系统、三级平面反映器、离子铣、反映离子刻蚀器、高密度等离子体刻蚀机等。图2.19所示为由平板反映器构成平板等离子刻蚀机系统。反映器有两个大小和位置对称平行金属板，硅片背面朝下放置于接地阴极上面，RF信号加在反映器上电极。由于等离子体电势高于地电势，因而这是一种带能离子进行轰击等离子体刻蚀模式。一种刻蚀系统能力及控制办法对成功加工硅片非常核心。图2.19 平板等离子刻蚀系统构成示意图 2.湿法腐蚀初期湿法腐蚀重要用于硅半晌蚀，当前湿法腐蚀功能大某些被干法刻蚀代替。当前湿法腐蚀重要用于漂去氧化物、去除残留物、表层剥离，以及较大特性尺寸图形腐蚀。湿法腐蚀设备较为简朴，普通使用一种液体槽，采用浸泡或喷射办法批量解决硅片。湿法腐蚀设备重要控制参数涉及溶液浓度、浸泡时间、腐蚀槽温度、溶液槽搅动、解决硅片批次等。 2.4参杂工艺掺杂是把杂质引入半导体材料晶体构造中，以变化半导体材料电学性能一种办法。在芯片制造中惯用两种办法向硅片中引入杂质元素，即热扩散和离子注入。热扩散运用高温驱动杂质穿过硅晶格构造，这种办法受届时间和温度影响。离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片。杂质通过与硅片发生原子级高能碰撞，才干被注入。 2.4.1扩散扩散分为三种，即气态、液态和固态。在半导体制造中，运用高温扩散驱动杂质穿过硅晶格。硅中固态杂质扩散需要三个环节：预淀积、推动和激活。在淀积过程中，硅片被送入高温扩散炉，杂质原子从材料源处转移到扩散炉内，炉温普通设为800~1000℃，持续时间10~30分钟，这时杂质处在硅片表面，为防止杂质流失，在硅表面需要生成薄层氧化层。预淀积过程为扩散过程建立了浓度梯度，从表面进一步到硅片内部，杂质浓度逐渐减少。热扩散第二步是推动，其作用是使淀积杂质穿过硅晶体，在硅片中达到一定深度。推动温度在1000~1250℃。热扩散第三步是激活，当温度进一步升高时，杂质原子与硅原子键合，从而变化硅导电率。杂质只有在成为硅晶格构造一某些，才有助于形成半导体硅。扩散在高温扩散炉中进行，在高温炉中完毕扩散三个环节。高温炉设备构造见2.5.1节热解决工艺单元设备。 2.4.2离子注入通过物理注入方式向硅衬底引入一定数量杂质，将变化硅片电学性能。离子注入重要用途是掺杂半导体材料。当前离子注入办法优于扩散工艺，成为半导体掺杂工艺重要办法。 1.离子注入机离子注入工艺在离子注入机内进行。离子注入机构造如图2.20所示，普通离子注入机设备涉及5个某些。（1）离子源。注入离子在离子源中产生，正离子由杂质气态源或固态源蒸汽产生。（2）引出电极（吸级）和离子分析器。离子通过离子源上一种窄缝被吸出组件吸引。注入机中磁性离子分析器能将需要杂质离子从混合离子束中分离出来。（3）加速管。为了获得更高能量（也就是运动速度），正离子还需要在加速管中电场下进行加速。（4）扫描系统。注入机离子束斑约1~3cm2，需要通过扫描覆盖整个硅片。可以通过固定硅片，移动束斑，或者相反操作进行扫描。扫描系统有静电扫描、机械扫描、混合扫描和平行扫描。（5）工艺腔。离子束注入在工艺腔中进行。普通工艺腔涉及扫描系统、硅片装卸终端台、硅片传播系统、检测系统，以及控制沟道效应装置。图2.20 离子注入机构成示意图 2. 离子注入参数离子注入参数重要有剂量和射程。剂量是单位面积硅片注入离子数，单位是原子每平方厘米（或离子每平方厘米）。射程是离子注入过程中，离子穿入硅片总距离。注入机能量越高，则杂质原子穿入硅片深度越大。 2.5其她辅助工艺 2.5.1热解决工艺半导体生产中热解决工艺重要是退火工艺。在离子注入后，硅片晶格因原子撞击而损伤。此外被注入离子不占据硅晶格，处在晶格间隙位置。通过退火解决后杂质原子被激活，运动到硅片晶格上。退火同步修复了晶格损伤。 1.热解决工艺晶格修复温度大概为500℃，激活杂质原子温度大概为950℃。硅片退火使用两种办法。（1）高温退火在高温炉中将注入杂质硅片加热至800~1000℃，保温30分钟。在此温度下可修复晶格损伤，并且实现硅晶格上原子替代。这种热解决工艺会导致杂质扩散。（2）迅速热解决迅速升温到1000℃，并且迅速对硅片进行退火解决。普通在通入Ar或N2迅速热解决机中对硅片进行注入离子后退火解决。退火工艺要在保证晶格修复、激活杂质和防止杂质扩散三者之间获得平衡，最佳办法就是获取最佳升温速度和保温时间。 2.热解决工艺设备热解决工艺设备重要是高温炉设备。此类高温炉设备同样可用于热生长氧化物、各种淀积膜生成、玻璃体回流、硅化膜生成。热解决工艺设备有三种：卧式炉、立式炉、迅速热解决器（RTP）。（1）卧式炉卧式炉是初期广泛使用热解决炉。重要构造是使用水平放置石英管，在石英管中放置硅片，管子外围进行加热。（2）立式炉立式炉更容易操作、也容易控制温度和均匀性，因而逐渐取代了卧式炉。如图2.21所示，立式高温炉重要由五某些构成：石英工艺腔、硅片传播系统、气体分派系统、尾气系统和温控系统。图2.21 立式热解决炉系统构成示意图工艺腔：工艺腔由垂直石英罩、多区加热丝和加热管套构成。工艺腔体内通过热电偶实现精准温度控制，加热单元是缠绕在炉管外部金属电阻丝。硅片传播系统：使用自动机械系统装卸工艺腔中硅片。气体分派系统：控制炉管内气体成分，满足不同工艺需要。控制系统：控制工艺参数，如工艺时间、温度、工艺环节顺序、气体种类、气流速度、升降速率和装卸硅片。立式炉一种形式是迅速升温立式炉。典型迅速升温立式炉温升速率达到80℃/分，冷却速度为60℃/分。能同步解决100片以上硅片。硅片温升及冷却都能精准控制。（3）迅速热解决器迅速热解决（RTP）是在几分之一秒内，将硅片加热至400~1300℃一种工艺办法。迅速热解决器构成原理如图2.22所示。热源为组装在一起多盏卤钨灯，热源灯提成各种区域可以减少加热不均匀性。卤钨灯产生短波长辐射加热硅片。RTP系统温度检测办法普通使用热电偶或者光学高温计。 RTP工艺最广泛用途是离子注入后退火，重要长处是缩短加热时间，节约加热费用。此外，RTP工艺还可以用于淀积膜解决、硼磷硅玻璃回流、阻挡层退火、硅化物形成等。图2.22 迅速热解决（RTP）系统构造示意图 2.5.2清洗工艺硅片清洗目是去除所有表面沾污，如颗粒、有机物、金属和自然氧化物等。硅片清洗工艺贯穿于硅片加工各个阶段，先后有上百次。清洗工艺重要采用湿化学法。为了减少化学溶剂使用，普通也使用超声清洗器、喷雾清洗器、刷洗器等以增长清洗效果。（1）超声清洗器。在清洗槽中增长能产生1MHz超声能兆声发生器，运用超声能量产气愤泡去除污物，从而减少清洗温度，减少清洗剂溶液浓度。（2）喷雾清洗器。喷嘴高速喷出雾状清洗液与旋转运动硅片之间产生物理作用力，增长清洗效果。（3）刷洗器。硅片刷洗能大量去除硅片表面颗粒物，这种办法重要用于化学机械抛光后清洗。喷嘴喷射出清洗液或者去离子水，转动刷涮洗做旋转运动硅片，从而增长清洗效率。（4）水清洗设备。水清洗设备有溢流清洗器、排空清洗器、喷射清洗器和加热去离子水清洗机。（5）硅片甩干。硅片清洗结束后需要甩干，普通使用旋转式甩干和异丙醇蒸汽干燥法两种办法。 2.5.3 CMP CMP普通称为化学机械抛光（chemical mechanical planarization，CMP）或抛光。化学机械平坦化是实现多层金属技术重要平坦化技术，它通过硅片和一种抛光头之间相对运动来平坦化硅片表面，在硅片表面和抛光头之间有磨料，并且施加一定压力。CMP设备工作原理如图2.23所示，图2.23（a）为平坦化加工原理图，图2.23（b）为带有各种磨头CMP设备示意图。在抛光时一种磨头上装有一种硅片，在传送和抛光过程中，磨头依托真空来吸附硅片。抛光时磨料由磨料喷嘴喷涂到抛光垫上，磨头和转盘旋转运动实现了硅片抛光。磨料与硅片化学反映增进了抛光效果。（a）化学机械平坦化加工原理图 (b) 各种磨头加工示意图图2.23 化学机械平坦化设备工作原理示意图 CMP重要工艺参数有：抛光时间、磨头向下压力、转盘速度、磨头速度、磨料化学成分、磨料流速、抛光垫修整、硅片/磨料温度、硅片背压。 CMP工作过程一种重要工艺环节是终点检测，普通使用两种办法，一是电机电流终点检测，在抛光时硅片上不同材料摩擦特性不一致，那么磨头电机感受到阻力会有不同变化，电机电流也会相应发生变化。通过检测电机电流变化判断抛光过程与否进入不同材料层，从而判断与否到达抛光终点。二是光学终点检测，该技术是基于光反射系数，在反射光谱学中，光从膜层上反射不同角度与膜层材料和厚度关于。当膜层从一种材料界面变化到另一种材料界面时，光学终点检测测量到从抛光膜层反射过来紫外光或可见光之间干涉，从而判断与否到达抛光终点。 2.6 半导体芯片制造工艺与设备 2.6.1半导体芯片制造工艺及设备半导体芯片制造可以分为制造准备、制造过程两个阶段。制造准备阶段需要做工作涉及集成电路设计、掩模板设计制造、硅片制备、制造环境创立。芯片制造过程涉及重要工艺有薄膜生成工艺（氧化、淀积）、图形转移工艺（光刻、刻蚀）、掺杂工艺（扩散、离子注入）以及其她辅助工艺（热解决、清洗、CMP）等。芯片制造工艺设备按照工艺过程构成相应生产线。 1. 半导体芯片制造工艺以64GbCOMS器件制造为例，整个工艺过程大概需要180个重要环节、52个清洗/剥离环节以及多达28块掩模板。这些工艺环节基本上都属于上述四种基本工艺。如果集成电路特性值进一步减少时，需要工艺环节数将会增长到500或更多。表2.2所列为COMS器件制造时使用工艺类型及实际可选工艺办法。表2.2 COMS器件制造工艺类型及实际可选工艺办法（摘要）基本工艺工艺可选取工艺办法薄膜工艺氧化常压高压迅速热氧化（RTO）化学气相淀积（CVD）常压、低压（LPCVD）等离子增强（PECVD）气相外延（VPE）有机金属气相淀积（MOCVD）分子束外延（MBE）分子束外延（MBE）物料气相淀积（PVD）真空蒸发溅射图形化工艺光刻胶正性光刻胶负性光刻胶曝光系统接触式、接近式、扫描投影式、步进式曝光源高压汞灯、准分子激光、X射线、电子束图像加工单层光刻胶多层光刻胶减反射膜离轴照明环形照明平坦化反差增强刻蚀湿法化学液体/蒸发干法（等离子体）剥离法离子铣掺杂扩散卧式开口/立式密闭式中束流/大束流低压/高压（能量）加热热热板传导迅速热解决辐射红外（IR） 2.半导体芯片制造工艺设备分类（1）电路设计用设备半导体芯片中集成电路需要大量设计，使用设计设备涉及计算机系统、各种输入输出设备和各种软件等。（2）制板设备在半导体芯片制造过程中要使用各式各样掩模板。掩模板制造过程与芯片制造过程类似，也要使用成膜、曝光及刻蚀设备，以及清洗和各种检查设备等。掩模板制造所用图形设备普通使用电子束扫描曝光设备，在玻璃板铬膜上直接刻蚀出可局部透光掩模图形。电子束扫描曝光系统采用与电视显像管原理相似光栅扫描系统。（3）半导体工程设备半导体芯片加工重要在超净室进行，超净室规定涉及：1m3中粒径在0.1μm以上浮游微粒数在10个如下（ISO1级）；温度保持在（23±1）℃；湿度保持在(45±5)%；污染气体分子保持在十亿分之一如下。为了保证超净室清洁度，要使用可以滤掉99. 9999%以上微粒化学过滤器。此外，芯片制造环境温度变化和振动也会损害光刻加工时对准和曝光精度。为了保证曝光机纳米级对准精度，需要严格控制曝光机工作环境温度变化，并对曝光机安装基本进行隔振解决。半导体制造工程设备涉及净化室、净化台、晶圆原则机械接口箱、自动搬送设备和环境控制设备（超净水制造、废气解决、废液解决、精制设备、分析设备、探测器）等。此外还需要某些静电解决与防护设备。（4）半导体芯片制造工艺设备从单晶硅片到包具有芯片成品晶圆是复杂而漫长过程，在这个过程使用了大量设备，这些设备涉及光刻设备（曝光、涂膜、显影、腐蚀设备等）、清洗设备、掺杂设备（离子注入设备、扩散炉等）、氧化设备、CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）设备、溅射设备、各种测试检测设备和分析评价设备等。与表2.2所述工艺类型相应设备基本包括了绝大某些半导体芯片制造工艺设备。 3.半导体芯片制造厂生产线构成硅片制造厂生产线普通涉及光刻系统、离子注入系统、扩散系统、刻蚀系统、薄膜系统、金属化系统等。硅片制造厂生产线布置如图2.24所示，其中光刻系统布置如图2.15所示。如图2.24所示，每个生产子系统内部有自己上/下片系统，加工系统，检测系统等。在各个加工系统之间由硅片转运系统完毕硅片转运。整个生产线会按照各个子系统生产能力进行配备，以满足均衡生产。一种硅片从

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