流程概述

矽半導體器件加工的描述，無論是分立器件（僅包含一個有源器件的半導體，例如晶體管）還是 IC（單個半導體基板內的有源和無源元件的互連陣列，能夠執行至少一種電子電路功能） ，涉及許多技術含量高且具體的操作。 本說明的目的是提供一個基本框架，並解釋製造矽半導體器件時使用的主要組件步驟以及相關的環境、健康和安全 (EHS) 問題。

IC 的製造涉及一系列過程，這些過程在電路完成之前可能會重複多次。 最流行的 IC 使用 6 個或更多掩模來完成圖案化過程，通常使用 10 到 24 個掩模。 微電路的製造始於直徑為 4 至 12 英寸的超高純度矽晶片。 完全純的矽幾乎是絕緣體，但某些雜質，稱為 摻雜劑， 添加量從百萬分之十到一百，使矽導電。

集成電路可以由數百萬個由摻雜矽製成的晶體管（還有二極管、電阻器和電容器）組成，所有晶體管都通過適當的導體圖案連接，以創建計算機邏輯、存儲器或其他類型的電路。 一塊晶圓上可以製作數百個微電路。

六個主要的製造工藝步驟對所有矽半導體器件都是通用的：氧化、光刻、蝕刻、摻雜、化學氣相沉積和金屬化。 接下來是組裝、測試、標記、包裝和運輸。

氧化

通常，半導體器件加工的第一步涉及晶圓外表面的氧化，以生長一層薄薄的（約一微米）二氧化矽 (SiO₂). 這主要是為了保護表面不受雜質影響，並作為後續擴散過程的掩模。 這種在矽上生長化學穩定的二氧化矽保護晶片的能力使矽晶片成為使用最廣泛的半導體基板。

氧化，通常稱為熱氧化，是在高溫擴散爐中進行的間歇過程。 保護性二氧化矽層生長在含有氧氣（O₂）（幹氧化）或氧氣與水蒸氣結合（H₂O）（濕法氧化）。 爐內溫度範圍為 800 至 1,300^oC. 也可以添加氯化氫 (HCl) 形式的氯化合物，以幫助控制不需要的雜質。

較新的製造設施傾向於使用立式氧化爐。 立式爐更好地滿足了對更好的污染控制、更大的晶圓尺寸和更均勻的處理的需求。 它們允許更小的設備佔地面積，從而節省寶貴的潔淨室佔地面積。

乾式氧化

待氧化的矽晶片首先使用清潔劑和水溶液清洗，然後​​用二甲苯、異丙醇或其他溶劑沖洗。 清潔後的晶圓被乾燥，裝入稱為 a 的石英晶圓支架中 船 並加載到操作員端（負載端) 的石英擴散爐管或電池。 管的入口端（源端) 供應高純度氧氣或氧氣/氮氣混合物。 “幹”氧氣流被控制進入石英管，並確保有過量的氧氣可用於矽晶片表面上二氧化矽的生長。 基本的化學反應是：

矽+氧₂ → 二氧化矽₂

濕法氧化

當水為氧化劑時，通常使用四種引入水蒸氣的方法——自燃法、高壓法、鼓泡法和閃蒸法。 基本的化學反應是：

自燃高壓：Si+2O₂ + 2小時₂ → 二氧化矽₂ + 2H₂O

閃光和起泡器：Si + 2H₂O _→ 二氧化矽₂ + 2H₂

自燃氧化 涉及氫氣/氧氣混合物的引入和燃燒。 這樣的系統通常被稱為 燃燒的氫氣 or 火炬 系統。 當在管的入口端引入適量的氫氣和氧氣並使其發生反應時，就會產生水蒸氣。 必須精確控制混合物以保證適當燃燒並防止爆炸性氫氣積聚。

高壓氧化 (HiPox) 在技術上被稱為水熱合成系統，通過超純氫和氧的反應產生水蒸氣。 然後將蒸汽泵入高壓室並加壓至 10 個大氣壓，從而加速濕氧化過程。 去離子水也可用作蒸汽源。

In 起泡器氧化 去離子水被放置在一個稱為 起泡器 並通過使用加熱套將其保持在低於其 100°C 沸點的恆定溫度。 氮氣或氧氣進入鼓泡器的入口側，在水中上升時被水蒸氣飽和，然後通過出口進入擴散爐。 鼓泡系統似乎是最廣泛使用的氧化方法。

In 閃氧化 去離子水不斷滴入石英容器加熱的底面，水一旦碰到熱表面就會迅速蒸發。 氮氣或氧氣載氣流過蒸發的水並將水蒸氣帶入擴散爐。

光刻

光刻，也稱為光刻或簡稱掩模，是一種在氧化晶圓上精確形成圖案的方法。 微電子電路是逐層構建的，每一層都接收來自電路設計中規定的掩模的圖案。

印刷行業發展了當今半導體器件微加工工藝的真正前身。 這些發展涉及印刷板的製造，通常是金屬印刷板，通過化學蝕刻去除材料在其上產生表面浮雕圖案。 這種相同的基本技術用於生產 主面具 用於製造器件的每一層處理。

電路設計人員將每一層的基本電路數字化。 這個計算機化的原理圖允許快速生成掩模電路並促進可能需要的任何更改。 這種技術被稱為計算機輔助設計 (CAD)。 利用強大的計算機算法，這些在線設計系統允許設計人員直接在具有交互式圖形功能的視頻顯示屏上佈置和修改電路。

每層電路的最終繪圖或掩模由計算機驅動的光繪機或圖案生成器創建。 然後將這些光繪圖紙縮小到電路的實際尺寸，在玻璃上製作帶有鉻浮雕的主掩模，並在工作板上複製，用於在晶圓上進行接觸或投影印刷。

這些掩模描繪了通過光刻轉移到晶圓上的導電和絕緣區域的圖案。 大多數公司不生產自己的口罩，而是使用口罩生產商提供的口罩。

清潔

對無顆粒和無污染的外部晶圓表面的需求需要經常清潔。 主要類別有：

• 去離子水和洗滌劑擦洗

• 溶劑：異丙醇（IPA）、丙酮、乙醇、萜烯

• 酸：氫氟酸（HF）、硫酸（H₂SO₄) 和過氧化氫 (H₂O₂), 鹽酸 (HCl), 硝酸 (HNO₃) 和混合物

• 苛性鹼：氫氧化銨（NH₄哦）。

 

抵制申請

晶圓塗有溶劑型聚合物的抗蝕劑材料，並在 微調, 它傳播了一個薄的均勻層。 然後溶劑蒸發，留下聚合物膜。 所有抗蝕劑材料都取決於（主要是紫外線）輻射引起的合成有機聚合物在選定的顯影液中溶解度的變化。 抗蝕劑材料分為負性或正性抗蝕劑，這取決於暴露於輻射後在顯影劑中的溶解度是降低（負）還是增加（正）。 表 1 確定了各種光刻膠系統的組成成分。

表 1. 光刻膠系統

PB = 聚合物基； S = 溶劑； D = 開發人員。

由於大多數光刻膠對紫外線 (UV) 光敏感，因此加工區域使用缺乏敏感紫外線波長的特殊黃光照明（見圖 1）。

圖 1. 光刻“黃室”設備

負性和正性紫外線抗蝕劑主要用於該行業。 然而，電子束和 X 射線抗蝕劑由於分辨率更高而正在獲得市場份額。 光刻中的健康問題主要是由與選定的正抗蝕劑（例如，乙二醇單乙醚乙酸酯作為載體）相關的潛在生殖危害引起的，這些抗蝕劑目前正在被行業淘汰。 負性抗蝕劑（例如二甲苯）偶爾發出的氣味也會引起員工的擔憂。 由於這些擔憂，半導體行業的工業衛生學家花費了大量時間對光刻膠操作進行採樣。 雖然這有助於表徵這些操作，但在旋轉器和顯影器操作期間的常規暴露通常低於工藝中使用的溶劑的職業暴露空氣傳播標準的 5%（Scarpace 等人，1989 年）。

在旋轉器系統的操作過程中，發現暴露於濃度為 1 ppm 的乙二醇單乙醚乙酸酯 6.3 小時。 這種暴露主要是由於維護操作期間的不良工作實踐造成的（Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993）。

乾燥和預烘烤

塗上抗蝕劑後，晶片在軌道上移動或手動從旋轉器移動到具有氮氣氣氛的溫控烘箱中。 適中的溫度（70 至 90°C）會導致光刻膠固化（軟烘烤）並使剩餘的溶劑蒸發。

為確保抗蝕劑層與晶圓的粘附性，將底漆六甲基二矽烷 (HMDS) 應用於晶圓。 底漆結合晶圓表面的分子水。 HMDS 可以直接應用於浸漬或旋塗工藝，也可以通過蒸汽灌裝應用，與其他方法相比具有工藝和成本優勢。

掩模對準和曝光

使用精密的光學/機械設備將掩模和晶圓靠在一起，並將掩模上的圖像與光刻膠層下方晶圓中已經存在的任何圖案對齊。 對於第一個掩碼，不需要對齊。 在較舊的技術中，通過使用雙鏡（雙透鏡顯微鏡）和精確控制相對於掩模定位晶圓，可以實現連續層的對齊。 在較新的技術中，對齊是使用晶圓上的參考點自動完成的。

對準完成後，高強度紫外線汞蒸氣或弧光燈源會透過掩模照射，在掩模不透明區域未保護的地方曝光抗蝕劑。

晶圓對準和曝光的各種方法包括 UV 泛光曝光（接觸或接近）、通過投影透鏡進行還原（投影）的 UV 曝光、UV 步進和重複還原曝光（投影）、X 射線泛光（接近）和電子束掃描曝光（直寫）。 使用的主要方法包括通過接近或投影對準器從汞蒸氣和弧光燈中進行紫外線照射。 UV 抗蝕劑要么被設計為對廣譜 UV 波長起反應，要么被配製為優先對燈發出的一條或多條主要光譜線（例如，435 nm 的 g 線，405 nm 的 h 線）起反應365 nm 和 XNUMX nm 處的 i 線）。

目前用於光掩模的主要波長為 365 nm 或以上，但 UV 燈光譜在健康關注的波長區域（低於 315 nm 的光化區域）中也包含大量能量。 通常，從設備逸出的紫外線輻射強度低於光化區陽光下的強度和為職業性紫外線照射設定的標準。

偶爾在維護過程中，紫外線燈的對準需要在設備櫃外或沒有正常的保護過濾器的情況下通電。 此操作期間的暴露水平可能超過職業暴露限制，但標準潔淨室服裝（例如工作服、乙烯基手套、面罩和帶紫外線抑製劑的聚碳酸酯安全眼鏡）通常足以將紫外線衰減到暴露限制以下（Baldwin 和 Stewart，1989 年） ).

雖然光刻中使用的紫外線燈的主要波長為 365 nm 或以上，但對高級 IC 中更小特徵的追求導致使用波長更短的曝光源，例如深紫外線和 x 射線。 用於此目的的一項新技術是在步進器中使用氪氟化物準分子激光器。 這些步進器使用具有高激光功率輸出的 248 nm 波長。 然而，這些系統的外殼在正常操作期間會包含光束。

與半導體製造中使用的包含高功率激光系統的其他設備一樣，主要關注的是在光束對準期間何時必須打破系統的互鎖。 高功率激光器也是半導體行業中最重要的電氣危害之一。 即使在電源關閉後，工具內仍存在很大的電擊可能性。 Escher、Weathers 和 Labonville (1993) 介紹了這些系統的控制和安全設計注意事項。

光刻中使用的一種先進技術曝光源是 X 射線。 X 射線光刻源的輻射水平可能導致設備中心每年的劑量率接近 50 毫西弗 (5 rems)。 建議限制進入屏蔽牆內的區域以盡量減少暴露（Rooney 和 Leavey 1989）。

發展

在顯影步驟中，抗蝕劑的未聚合區域被溶解並去除。 溶劑型顯影劑通過浸漬、噴塗或霧化的方式應用於覆蓋有抗蝕劑的晶圓表面。 表 1 中列出了顯影劑溶液。溶劑沖洗 (n-乙酸丁酯、異丙醇、丙酮等）通常在顯影劑之後使用，以去除任何殘留物質。 顯影后殘留的抗蝕劑在後續處理過程中保護各個層。

烘焙

在對準、曝光和顯影抗蝕劑之後，晶圓然後移動到另一個具有氮氣氣氛的溫控烘箱。 高溫烘箱（120 至 135°C）使光刻膠固化並在晶圓表面完全聚合（硬烘烤）。

光刻膠剝離

然後使用濕法或乾法化學品選擇性地蝕刻顯影的晶圓（參見下面的“蝕刻”）。 在進一步處理之前，必須從晶圓上剝離剩餘的光刻膠。 這可以通過在溫控浴中使用濕化學溶液或通過使用等離子灰化器或乾化學物質來完成。 表 2 列出了濕化學成分和乾化學成分。 下面討論乾化學等離子蝕刻——使用與等離子灰化相同的設備和操作原理。

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表 2. 光刻膠剝離劑

濕潤化學

 酸

硫酸（H₂SO₄) 和鉻 (CrO₃)

硫酸（H₂SO₄) 和過硫酸銨 ((NH₄)₂S₂O₈)

硫酸（H₂SO₄) 和過氧化氫 (H₂O₂)

有機物

酚類、硫酸、三氯苯、全氯乙烯

乙二醇醚、乙醇胺、三乙醇胺

氫氧化鈉和矽酸鹽（正性抗蝕劑）

化學乾粉

等離子灰化（剝離）

RF（射頻）電源—13.56 MHz 或 2,450 MHz 頻率

氧氣（O.₂) 氣源

真空泵系統

—用液氮捕集器潤滑的油（舊技術）
—用惰性全氟聚醚液體潤滑（新技術）
—乾式泵（最新技術）

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刻蝕

蝕刻去除二氧化矽層（SiO₂)、金屬和多晶矽，以及抗蝕劑，根據抗蝕劑描繪的所需圖案。 蝕刻的兩大類是濕化學法和乾法化學法。 主要使用濕法蝕刻，涉及含有所需強度的蝕刻劑（通常是酸性混合物）的溶液，該溶液與要去除的材料發生反應。 干法蝕刻涉及在高度通電的腔室中在真空下使用反應氣體，這也會去除未受抗蝕劑保護的所需層。

濕潤化學

濕化學蝕刻溶液裝在由聚丙烯 (poly-pro)、阻燃聚丙烯 (FRPP) 或聚氯乙烯 (PVC) 製成的溫控蝕刻槽中。 浴槽通常在濕化學蝕刻站的後部配備環形增壓排氣通風裝置或開槽排氣裝置。 垂直層流罩向蝕刻槽的頂面提供均勻過濾的無顆粒空氣。 與被蝕刻的表面層相關的常見濕蝕刻劑化學溶液如表 3 所示。

表 3. 濕化學蝕刻劑

 

垂直安裝的氣流供應罩與防濺罩和排氣通風裝置一起使用時，會在濕化學蝕刻站內產生空氣湍流區域。 結果，可能會降低局部排氣通風在捕獲和引導來自使用中的蝕刻浴的逸出空氣污染物方面的有效性。

濕蝕刻的主要問題是皮膚接觸濃酸的可能性。 雖然蝕刻中使用的所有酸都會導致酸灼傷，但暴露於氫氟酸 (HF) 尤其令人擔憂。 皮膚接觸和疼痛之間的滯後時間（小於 24% HF 的溶液長達 20 小時，1% 至 8% 的溶液長達 20 至 50 小時）可能導致治療延遲和比預期更嚴重的燒傷（Hathaway 等人，1991 年） .

從歷史上看，酸灼傷一直是該行業內的一個特殊問題。 然而，近年來皮膚接觸酸的發生率有所降低。 這種減少的部分原因是蝕刻工藝中與產品相關的改進，例如轉向干法蝕刻、更多機器人技術的使用以及化學分配系統的安裝。 酸灼傷率的降低也可能歸因於更好的處理技術、更多地使用個人防護設備、更好的濕式甲板設計和更好的培訓——如果要進一步降低酸灼傷率，所有這些都需要持續關注（鮑德溫和威廉姆斯，1996 年） ).

化學乾粉

乾化學蝕刻由於能夠更好地控制蝕刻過程和降低污染水平而成為越來越受關注和使用的領域。 乾化學處理通過使用化學反應氣體或通過物理轟擊有效地蝕刻所需的層。

化學反應等離子體蝕刻系統已經開發出來，可以有效地蝕刻矽、二氧化矽、氮化矽、鋁、鉭、鉭化合物、鉻、鎢、金和玻璃。 有兩種等離子蝕刻反應器系統在使用——桶形或圓柱形，以及平行板形或平面形。 兩者的運行原理相同，主要僅在配置上有所不同。

等離子體類似於氣體，不同之處在於等離子體的一些原子或分子被電離並且可能包含大量的自由基。 典型的反應器由一個裝有晶圓的真空反應器室組成，晶圓通常由鋁、玻璃或石英製成； 射頻 (RF) 能源——通常為 450 kHz、13.56 MHz 或 40.5 MHz，以及控制處理時間、反應氣體成分、氣體流速和射頻功率水平的控制模塊。 此外，油潤滑（較舊技術）或乾式（較新技術）粗真空泵真空源與反應室對齊。 將晶圓單獨或裝入盒中裝入反應器，泵抽空腔室並引入反應氣體（通常為四氟化碳）。 氣體的電離形成蝕刻等離子體，它與晶片反應形成揮發性產物，這些產物被抽走。 將新鮮的反應物氣體引入腔室可維持蝕刻活性。 表 4 列出了用於蝕刻各層的材料和等離子氣體。

表 4. 等離子蝕刻氣體和蝕刻材料

 

目前正在開發的另一種蝕刻方法是微波下游。 它使用高功率密度微波放電產生具有長壽命的亞穩態原子，蝕刻材料幾乎就像浸入酸中一樣。

物理蝕刻工藝類似於噴砂，因為氬氣原子用於物理轟擊要蝕刻的層。 真空泵系統用於去除錯位的材料。 反應離子蝕刻涉及化學和物理干法蝕刻的組合。

濺射過程是離子撞擊和能量轉移的過程之一。 濺射蝕刻結合了濺射系統，其中將要蝕刻的晶片連接到輝光放電電路中的負電極或目標。 通過正離子（通常是氬）的轟擊，材料從晶圓上濺射出來，並導致表面原子錯位。 電源由頻率為 450 kHz 的射頻源提供。 在線真空系統用於壓力控制和反應物去除。

離子束蝕刻和銑削是一種使用低能離子束的溫和蝕刻工藝。 離子束系統包括一個產生離子束的源、一個在其中進行蝕刻或銑削的工作室、一個用於將晶圓固定在離子束中的靶板固定裝置、一個真空泵系統、支持電子設備和儀器。 離子束是從放電產生的電離氣體（氬氣或氬氣/氧氣）或等離子體中提取的。 放電是通過在發射電子的熱絲陰極和位於放電區域外徑的陽極圓柱之間施加電壓而獲得的。

離子束銑削是在離子轟擊的低能量範圍內進行的，其中僅發生表面相互作用。 這些離子通常在 500 至 1,000 eV 範圍內，撞擊目標並 濺射 通過破壞將原子與其相鄰原子結合的力來破壞表面原子。 離子束蝕刻是在稍高的能量範圍內完成的，這涉及到更顯著的表面原子錯位。

反應離子蝕刻 (RIE) 是物理濺射和低壓化學反應物質蝕刻的組合。 RIE 使用離子轟擊實現定向蝕刻，同時使用化學反應氣體四氟化碳 (CF₄) 或四氯化碳 (CCl₄), 以保持良好的蝕刻層選擇性。 晶片被放置在一個腔室中，腔室中充滿化學反應性氣體化合物，壓力約為 0.1 托（1.3 x 10 ^{- 4} 氣氛）。 放電會產生能量為幾百電子伏特的反應性“自由基”（離子）等離子體。 離子垂直撞擊晶圓表面，在那裡它們反應形成揮發性物質，這些物質被低壓在線真空系統去除。

乾式蝕刻機有時有一個清潔循環，用於去除反應室內部積聚的沉積物。 用於清潔循環等離子體的母體化合物包括三氟化氮 (NF₃), 六氟乙烷 (C₂F₆) 和八氟丙烷 (C₃F₈).

清潔過程中使用的這三種氣體，以及蝕刻過程中使用的許多氣體，是 1990 世紀 XNUMX 年代中期出現的半導體行業面臨的環境問題的基石。 一些高度氟化氣體被確定為具有顯著的全球變暖（或溫室效應）潛力。 （這些氣體也稱為 PFC，全氟化合物。）大氣壽命長、全球變暖潛能值高以及 NF 等 PFC 使用量顯著增加₃，C₂F₆，C₃F₈, 碳纖維₄, 三氟甲烷 (CHF₃) 和六氟化硫 (SF₆) 讓半導體行業專注於減少排放的方法。

半導體行業向大氣排放 PFC 的原因是工具效率低下（許多工具僅消耗所用氣體的 10% 到 40%）和減少空氣排放的設備不足。 濕式洗滌器無法有效去除 PFC，對許多燃燒裝置的測試發現某些氣體的破壞效率很低，尤其是 CF₄. 許多這些燃燒裝置發生故障 C₂F₆ 和C.₃F₈ 進入CF₄. 此外，這些減排工具的高擁有成本、它們的電力需求、它們釋放的其他全球變暖氣體及其有害空氣污染物的燃燒副產品表明燃燒減排不是控制 PFC 排放的合適方法。

提高工藝工具的效率、確定和開發對這些幹蝕刻氣體更環保的替代品以及廢氣的回收/再循環一直是與乾蝕刻相關的環境重點。

乾式蝕刻機的主要職業衛生重點一直是維護人員在反應室、泵和其他可能含有反應產物殘留物的相關設備上工作時的潛在接觸。 等離子金屬蝕刻機的複雜性和表徵與其維護相關的氣味的困難使它們成為許多研究的主題。

在等離子金屬蝕刻機中形成的反應產物是氯化和氟化化合物的複雜混合物。 金屬蝕刻機的維護通常涉及會產生強烈氣味的短期操作。 六氯乙烷被發現是一種鋁蝕刻機產生氣味的主要原因（Helb 等人，1983 年）。 另一方面，氯化氰是主要問題：暴露水平是 11 ppm 職業暴露限值的 0.3 倍（Baldwin 1985）。 在其他類型的蝕刻機中，氯化氫與氣味有關； 測得的最大暴露量為 68 ppm（Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993）。 有關該主題的更多信息，請參閱 Mueller 和 Kunesh (1989)。

金屬蝕刻機廢氣中化學成分的複雜性促使研究人員開發了研究這些混合物毒性的實驗方法（Bauer et al. 1992a）。 這些方法在囓齒動物研究中的應用表明，這些化學混合物中的某些可能是誘變劑（Bauer 等人，1992 年 b）和可疑的生殖毒素（Schmidt 等人，1995 年）。

由於乾式蝕刻機作為封閉系統運行，因此在系統封閉時通常不會發生設備操作員接觸化學品的情況。 一個罕見的例外是舊批量蝕刻機的吹掃週期不夠長，無法充分去除蝕刻劑氣體。 據報導，當這些蝕刻機的門打開時，會短暫但刺激性地接觸低於典型工業衛生監測程序檢測限的氟化合物。 通常這可以通過在打開蝕刻室門之前簡單地增加吹掃週期的長度來糾正。

操作員暴露於 RF 能量的主要問題來自等離子蝕刻和灰化過程（Cohen 1986；Jones 1988）。 通常，射頻能量洩漏可能由以下原因引起：

• 錯位的門
• 櫥櫃上的裂縫和孔洞
• 由於蝕刻機接地不當，金屬台和電纜充當天線
• 蝕刻機觀察窗中沒有衰減屏（Jones 1988；Horowitz 1992）。

 

射頻暴露也可能發生在蝕刻機的維護過程中，尤其是在設備櫃已被拆除的情況下。 曝光量為 12.9 mW/cm² 在舊型號等離子蝕刻機的頂部發現，蓋子已拆下進行維護（Horowitz 1992）。 操作員所在區域的實際射頻輻射洩漏通常小於 4.9 mW/cm².

興奮劑

之間的電結或邊界的形成 p n 單晶矽晶片中的區域是所有半導體器件運行的基本要素。 結允許電流在一個方向上比在另一個方向上更容易流動。 它們為所有半導體中的二極管和晶體管效應提供了基礎。 在集成電路中，必須將一定數量的元素雜質或摻雜劑引入到矽基板或晶片的選定蝕刻區域中。 這可以通過擴散或離子注入技術來完成。 無論使用何種技術，相同類型或摻雜劑都用於生產半導體結。 表 5 標識了用於摻雜的主要成分、它們的物理狀態、電氣類型（p or n) 和使用的主要結技術——擴散或離子注入。

表 5. 用於擴散和離子注入的結形成摻雜劑

 

擴散爐和離子注入機操作員的常規化學品暴露量很低——通常低於標準職業衛生取樣程序的檢測限。 該過程的化學問題集中在有毒氣體釋放的可能性上。

早在 1970 世紀 XNUMX 年代，先進的半導體製造商就開始安裝第一個用於易燃和有毒氣體的連續氣體監測系統。 該監測的主要重點是檢測氣味閾值超過其職業接觸限值（例如胂和乙硼烷）的毒性最強的摻雜劑氣體的意外釋放。

大多數半導體行業的工業衛生空氣監測器用於可燃和有毒氣體洩漏檢測。 然而，一些設施也在使用連續監測系統來：

• 分析排氣管（煙囪）排放
• 量化揮發性化學物質的環境空氣濃度
• 識別和量化工廠區域的氣味。

 

半導體行業最常用於此類監測的技術是比色氣體檢測（例如，MDA 連續氣體檢測器）、電化學傳感器（例如，sensydyne 監測器）和傅里葉變換紅外（例如，Telos ACM）（Baldwin 和 Williams 1996） .

擴散

擴散 是一個術語，用於描述摻雜劑從擴散爐源端的高濃度區域向矽晶片內較低濃度區域的移動。 擴散是最成熟的結形成方法。

該技術涉及使晶片經受擴散爐內的加熱氣氛。 熔爐包含所需的蒸氣形式的摻雜劑，並導致產生摻雜電活動區域，或者 p or n. 最常用的摻雜劑是 p 型的硼； n 型的磷 (P)、砷 (As) 或銻 (Sb)（見表 5）。

通常，晶圓堆疊在石英載體或舟皿中，然後放置在擴散爐中。 擴散爐包含一個長石英管和一個精確的溫度控制機構。 溫度控制極其重要，因為各種矽摻雜劑的擴散速率主要是溫度的函數。 使用溫度範圍為 900 至 1,300 ^oC，取決於具體的摻雜劑和工藝。

將矽晶片加熱到高溫使雜質原子通過晶體結構緩慢擴散。 雜質通過二氧化矽的速度比通過矽本身的速度慢，從而使薄氧化物成為可能 圖案用作掩模，從而允許摻雜劑僅在未受保護的地方進入矽。 在積累了足夠多的雜質後，將晶圓從爐子中取出，擴散就有效地停止了。

為了最大限度地控制，大多數擴散分兩步進行——預沉積 駛入. 預沉積或恆定源擴散是第一步，它發生在爐子中，爐子中的溫度經過選擇以實現對雜質數量的最佳控制。 溫度決定了摻雜劑的溶解度。 經過相對較短的預沉積處理後，晶圓被物理移動到通常溫度較高的第二個爐子中，在那裡進行第二個熱處理以驅動摻雜劑在矽晶圓晶格中達到所需的擴散深度。

預沉積步驟中使用的摻雜源處於三種不同的化學狀態：氣態、液態和固態。 表 5 確定了各種類型的擴散源摻雜劑及其物理狀態。

氣體通常由帶有壓力控製或調節器、截止閥和各種吹掃附件的壓縮氣瓶供應，並通過小直徑金屬管分配。

液體通常從鼓泡器分配，鼓泡器使載氣流（通常是氮氣）充滿液體摻雜劑蒸汽，如濕法氧化部分所述。 液體分配的另一種形式是通過使用 上旋 摻雜物 儀器。 這需要將固體摻雜劑放入含有液體溶劑載體的溶液中，然後將溶液滴在晶圓上並旋轉，其方式類似於光刻膠的應用。

固體源可以是氮化硼晶片的形狀，夾在兩個待摻雜的矽晶片之間，然後放入擴散爐中。 此外，粉末或珠子形式的固體摻雜劑可以放置在 石英彈 外殼（三氧化二砷），手動傾倒在擴散管的源端或裝入與主擴散爐一致的單獨源爐中。

在沒有適當控制的情況下，砷暴露在 0.01 毫克/立方米以上³ 在清潔沉積爐（Wade 等人 1981 年）和清潔固體源離子注入機的源室期間（McCarthy 1985 年；Baldwin、King 和 Scarpace 1988 年）有報導。 這些暴露發生在沒有採取任何預防措施來限制空氣中的灰塵量的情況下。 然而，當殘留物在清潔過程中保持濕潤時，接觸量會減少到遠低於空氣接觸極限。

在較舊的擴散技術中，在爐管的拆卸、清潔和安裝過程中存在安全隱患。 危害包括在手動清潔過程中破碎的石英器皿可能造成的割傷和酸灼傷。 在較新的技術中，這些危害被減少了 現場 管道清潔，消除了大部分人工操作。

在半導體製造中，擴散爐操作員在極低頻電磁場（例如 50 至 60 赫茲）中經歷了最高的常規潔淨室暴露。 據報導，在熔爐的實際運行過程中，平均暴露量大於 0.5 微特斯拉（5 毫高斯）（Crawford 等人，1993 年）。 該研究還指出，在擴散爐附近工作的潔淨室人員的平均測量暴露量明顯高於其他潔淨室工作人員。 這一發現與 Rosenthal 和 Abdollahzadeh（1991 年）報告的點測量結果一致，他們發現擴散爐產生的接近讀數（5 厘米或 2 英寸以外）高達 10 到 15 微特斯拉，周圍場隨距離逐漸下降比研究的其他潔淨室設備； 即使距離擴散爐 6 英尺，報告的通量密度也為 1.2 至 2 微特斯拉（Crawford 等人，1993 年）。 這些排放水平遠低於世界衛生組織和各個國家設定的當前基於健康的暴露限值。

離子注入

離子注入是在室溫下將雜質元素引入矽晶片以形成結的較新方法。 離子化的摻雜劑原子（即，剝離了一個或多個電子的原子）通過數万伏特的電勢差被加速到高能量。 在路徑的盡頭，它們撞擊晶圓並嵌入不同的深度，具體取決於它們的質量和能量。 與傳統的擴散一樣，圖案化的氧化物層或光刻膠圖案選擇性地掩蔽晶圓免受離子影響。

典型的離子注入系統包括離子源（氣態摻雜劑源，通常裝在小演講瓶中）、分析設備、加速器、聚焦透鏡、中性束阱、掃描儀處理室和真空系統（通常是三組獨立的在線粗加工和油擴散泵）。 電子流由熱燈絲通過電阻、電弧放電或冷陰極電子束產生。

通常，在註入晶圓後，通過激光束退火或使用電子束源的脈衝退火執行高溫退火步驟（900 至 1,000°C）。 退火工藝有助於修復由摻雜離子轟擊造成的注入晶圓外表面的損傷。

隨著用於離子注入機的胂、磷化氫和三氟化硼氣瓶的安全輸送系統的出現，這些氣體發生災難性釋放的可能性已大大降低。 這些小氣瓶中充滿了一種化合物，砷化氫、磷化氫和三氟化硼會吸附在該化合物中。 氣體通過使用真空從鋼瓶中抽出。

離子注入機是半導體行業中最重要的電氣危害之一。 即使在電源關閉後，工具內仍存在巨大的電擊電位，必須在植入機內部工作之前將其消散。 對於所有新安裝的設備，尤其是離子注入機，必須仔細檢查維護操作和電氣危險。

在離子注入機低溫泵維護期間，已經發現暴露於高達 60 ppb 的氫化物（可能是胂和磷化氫的混合物）（Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993）。 此外，高濃度的砷化氫和磷化氫會從受污染的植入器部件中排出氣體，這些部件在預防性維護期間被移除（Flipp、Hunsaker 和 Herring，1992 年）。

帶有高效微粒衰減器 (HEPA) 過濾器的便攜式真空吸塵器用於清潔離子注入區域中被砷污染的工作表面。 暴露在 1,000 微克/立方米以上³ 當 HEPA 吸塵器清潔不當時進行測量。 HEPA 真空吸塵器在向工作空間排放氣體時，還可以有效散發與離子注入機束線清潔相關的獨特的氫化物氣味（Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993）。

雖然令人擔憂，但還沒有關於在使用摻雜劑的真空泵換油期間大量摻雜劑氣體暴露的公開報告——可能是因為這通常是作為一個封閉系統進行的。 缺乏報告的暴露也可能是由於使用過的油中氫化物的低排放量造成的。

一項現場研究的結果顯示，當泵油超過 700 ℃時，對來自同時使用胂和磷化氫的離子注入機的 70 毫升用過的低級泵油進行加熱，結果顯示泵頂部空間中僅可檢測到空氣中的氫化物濃度。^oC（Baldwin、King 和 Scarpace 1988）。 由於機械低真空泵的正常工作溫度為 60 至 80^oC，這項研究沒有表明顯著暴露的可能性。

在離子注入過程中，伴隨著操作形成了 x 射線。 大多數注入機都設計有足夠的機櫃屏蔽（包括戰略性地放置在離子源外殼和相鄰檢修門周圍的鉛板），以將員工暴露在每小時 2.5 微西弗（0.25 毫雷姆）以下（Maletskos 和 Hanley 1983）。 然而，發現較舊型號的注入機在裝置表面的 X 射線洩漏超過每小時 20 微西弗 (μSv/hr)（Baldwin、King 和 Scarpace 1988）。 安裝額外的鉛屏蔽後，這些水平降低到低於 2.5 μSv/hr。 另一種較舊型號的離子注入機被發現在檢修門周圍（高達 15 μSv/hr）和觀察口（高達 3 μSv/hr）存在 X 射線洩漏。 添加了額外的鉛屏蔽以減弱可能的暴露（Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993）。

除了來自離子注入機的 X 射線曝光之外，如果注入機在 8 萬電子伏特 (MeV) 以上運行或使用氘氣作為離子源，則假設有可能形成中子 (Rogers 1994)。 然而，注入機通常設計為在遠低於 8 MeV 的條件下運行，工業中並不常用氘（Baldwin 和 Williams 1996）。

化學氣相沉積

化學氣相沉積 (CVD) 涉及在矽晶片表面上分層附加材料。 CVD 裝置通常作為封閉系統運行，導致操作員很少或沒有化學品接觸。 然而，當清潔某些 CVD 預洗滌器時，可能會發生短暫的高於 5 ppm 的氯化氫暴露（Baldwin 和 Stewart 1989）。 通常使用兩大類沉積——外延和更一般的非外延 CVD。

外延化學氣相沉積

外延生長是一種材料的單晶薄膜的嚴格控制沉積，該材料保持與現有襯底晶片層相同的晶體結構。 它在隨後的擴散過程中用作製造半導體元件的基質。 大多數外延膜生長在相同材料的襯底上，例如矽上矽，其過程稱為同質外延。 在襯底上生長不同材料層，例如藍寶石上的矽，稱為異質外延 IC 器件處理。

三種主要技術用於生長外延層：氣相、液相和分子束。 液相和分子束外延主要用於 III-V 族（例如 GaAs）器件的加工。 這些在“III-V 半導體製造”一文中進行了討論。

氣相外延用於通過分子 CVD 在 900 至 1,300 的溫度下生長薄膜^oC. 載氣（通常是氫氣）中含有矽和控制量的 p 型或 n 型摻雜劑的蒸氣通過加熱的晶片以沉積摻雜的矽層。 該過程通常在大氣壓下進行。

表 6 確定了氣相外延的四種主要類型、參數和發生的化學反應。

表 6. 矽氣相外延的主要類別

 

外延工藝中通常遵循的沉積順序包括：

• 基材清洗—物理擦洗、溶劑脫脂、酸洗（硫酸、硝酸和鹽酸，氫氟酸是常見的順序）和乾燥操作

• 晶圓裝載

• 升溫— 氮氣吹掃並加熱到大約 500 °C，然後使用氫氣和射頻發生器感應加熱晶圓

• 氯化氫 (HCl) 蝕刻—通常將 1 至 4% 濃度的 HCl 分配到反應室

• 沉積- 矽源和摻雜劑氣體被計量並沉積在晶圓表面

• 冷卻-氫氣在 500°C 再次轉變為氮氣

• 卸載.

 

非外延化學氣相沉積

外延生長是一種高度特殊的 CVD 形式，其中沉積層具有與襯底層相同的晶體結構取向，而非外延 CVD 是通過氣態化合物的熱反應或分解在加熱的襯底上形成穩定的化合物。

CVD 可用於沉積許多材料，但在矽半導體加工中，除了外延矽外，通常會遇到的材料有：

• 多晶矽（poly Si）

• 二氧化矽（SiO₂——摻雜和未摻雜； p 摻雜玻璃）

• 氮化矽（Si₃N₄).

 

這些材料中的每一種都可以以多種方式沉積，並且每一種都有許多應用。

表 7 使用工作溫度作為區分機制確定了 CVD 的三大類。

表 7. 矽化學氣相沉積 (CVD) 的主要類別

* 注意：反應不是化學計量平衡的。

** CVD 反應器系統的通用、專有或商標名稱

 

幾乎所有類型的 CVD 設備都包含以下組件：

• 反應室
• 氣體控制部分
• 時間順序控制
• 基板熱源
• 污水處理。

 

基本上，CVD 工藝需要提供受控量的矽或氮化物源氣體，連同氮氣和/或氫氣載氣，如果需要還可以提供摻雜劑氣體，用於反應室內的化學反應。 除了控制反應器和晶片的表面溫度外，還施加熱量以提供化學反應所需的能量。 反應完成後，未反應的源氣加上載氣通過流出物處理系統排放到大氣中。

鈍化是 CVD 的一種功能類型。 它涉及在矽晶片表面生長保護性氧化層，通常作為非製造工藝之前的最後製造步驟。 該層通過將集成電路的表面與環境中的電氣和化學條件隔離開來提供電氣穩定性。

金屬化

在矽襯底中製造器件後，必須將它們連接在一起以執行電路功能。 這個過程被稱為金屬化。 金屬化通過沉積導電材料的複雜圖案提供了一種佈線或互連集成電路最上層的方法，這些圖案在電路內傳送電能。

廣泛的金屬化工藝根據沉積的金屬和其他材料層的尺寸和厚度而有所不同。 這些都是：

• 薄膜—大約一微米或更小的薄膜厚度

• 厚膜—大約 10 微米或更大的薄膜厚度

• 電鍍—薄膜厚度從薄到厚不等，但通常是厚薄膜。

 

用於矽半導體金屬化的最常見金屬是：鋁、鎳、鉻或稱為鎳鉻合金、金、鍺、銅、銀、鈦、鎢、鉑和鉭的合金。

薄膜或厚膜也可以蒸發或沉積在各種陶瓷或玻璃基板上。 這些基材的一些例子是：氧化鋁（96% Al₂0₃)、氧化鈹 (99% BeO)、硼矽酸鹽玻璃、高溫陶瓷和石英 (SiO₂).

薄膜

薄膜金屬化通常通過使用高真空或部分真空沉積或蒸發技術來應用。 高真空蒸發的主要類型是電子束、閃光和電阻，而部分真空沉積主要通過濺射完成。

要執行任何類型的薄膜真空金屬化，系統通常由以下基本組件組成：

• 可以抽空以為沈積提供足夠真空的腔室

• 真空泵（或多個泵）以減少腔室中的環境氣體

• 用於監測真空度和其他參數的儀器

• 一種沉積或蒸發金屬化材料層的方法。

 

電子束蒸發，通常稱為 電子束，使用聚焦電子束加熱金屬化材料。 高強度電子束的產生方式類似於電視顯像管中使用的方式。 電子流通過通常為 5 至 10 kV 的電場加速並聚焦在要蒸發的材料上。 聚焦的電子束熔化包含在水冷塊中的材料，水冷塊具有稱為爐床的大凹陷。 熔化的材料然後在真空室內蒸發並凝結在冷卻的晶圓上以及整個室表面上。 然後執行標準光刻膠、曝光、顯影和濕法或乾法蝕刻操作以描繪複雜的金屬化電路。

閃蒸 是另一種沉積金屬化薄膜的技術。 當要同時蒸發兩種材料（合金）的混合物時，主要使用此方法。 雙組分薄膜的一些示例是：鎳/鉻 (Nichrome)、鉻/一氧化矽 (SiO) 和鋁/矽。

在閃蒸中，陶瓷棒通過熱阻加熱，連續進給的線軸、顆粒流或振動分配的粉末與熱的燈絲或棒接觸。 然後蒸發的金屬覆蓋內部腔室和晶圓表面。

電阻蒸發 （也稱為燈絲蒸發）是最簡單且成本最低的沉積形式。 蒸發是通過逐漸增加流過燈絲的電流來首先熔化待蒸發材料的環路，從而潤濕燈絲來完成的。 一旦燈絲被潤濕，通過燈絲的電流就會增加，直到發生蒸發。 電阻蒸發的主要優點是可以蒸發的材料種類繁多。

維護工作有時在稱為鍾罩的電子束蒸發器沉積室的內表面上進行。 當維護技術人員將頭伸入鐘形罩內時，可能會發生大量暴露。 去除沉積在鐘形罩內表面上的金屬殘留物可能會導致此類暴露。 例如，在從用於沉積銀的蒸發器中去除殘留物的過程中，技術人員的銀暴露量遠高於空氣傳播限值（Baldwin 和 Stewart，1989 年）。

使用有機清潔溶劑清潔鐘形罩殘留物也會導致大量溶劑暴露。 在此類清潔過程中，曾發生過技術人員接觸到濃度超過 250 ppm 的甲醇的情況。 使用水代替甲醇作為清潔溶劑可以消除這種暴露（Baldwin 和 Stewart 1989）。

濺射沉積 工藝發生在低壓或部分真空氣體環境中，使用直流電（DC 或陰極濺射）或射頻電壓作為高能量源。 在濺射中，在使用低真空泵達到令人滿意的真空度後，將惰性氬氣離子引入真空室。 通過在兩個帶相反電荷的板之間施加高電壓（通常為 5,000 V）形成電場。 這種高能放電使氬氣原子電離並使它們移動並加速到腔室中稱為靶的板之一。 當氬離子撞擊由待沉積材料製成的靶時，它們會驅散或濺射這些原子或分子。 金屬化材料的脫落原子隨後沉積在面向靶材的矽基板上的薄膜中。

許多老式濺射設備的側面和背面的射頻洩漏被發現超過了職業暴露限值（Baldwin 和 Stewart 1989）。 大部分漏水是由於反复拆卸維護面板導致機櫃出現裂縫。 在同一製造商的較新型號中，接縫處帶有金屬絲網的面板可防止明顯洩漏。 可以用金屬絲網改造舊的濺射器，或者可以使用銅帶覆蓋接縫以減少洩漏。

厚膜

大多數厚膜的結構和尺寸與硅集成電路的金屬化不兼容，主要是由於尺寸限制。 厚膜主要用於混合電子結構的金屬化，例如 LCD 的製造。

絲網印刷工藝是厚膜應用的主要方法。 通常使用的厚膜材料是鈀、銀、二氧化鈦和玻璃、金-鉑和玻璃、金-玻璃和銀-玻璃。

電阻厚膜通常使用絲網印刷技術沉積在陶瓷基板上並形成圖案。 金屬陶瓷 是一種電阻性厚膜，由導電金屬顆粒懸浮在陶瓷基體中，並以有機樹脂作為填料。 典型的金屬陶瓷結構由在一氧化矽或二氧化矽基質中的鉻、銀或氧化鉛組成。

電鍍

兩種基本類型的電鍍技術用於在半導體基板上形成金屬膜：電鍍和化學鍍。

In 電鍍，將待鍍基板置於鍍槽的陰極或帶負電的端子處，並浸入電解液中。 由待鍍金屬製成的電極用作陽極或帶正電的端子。 當直流電通過溶液時，從陽極溶解到溶液中的帶正電的金屬離子遷移並沉積在陰極（基板）上。 這種電鍍方法用於形成金或銅的導電膜。

In 化學鍍，待鍍金屬的同時還原和氧化用於形成游離金屬原子或分子。 由於該方法在電鍍過程中不需要導電，因此可用於絕緣型基板。 鎳、銅和金是最常見的以這種方式沉積的金屬。

合金化/退火

在沉積和蝕刻金屬化互連之後，可以執行最後的合金化和退火步驟。 合金化包括將金屬化基板（通常帶有鋁）置於低溫擴散爐中，以確保鋁金屬和矽基板之間的低電阻接觸。 最後，無論是在合金化步驟中還是緊隨其後，晶圓通常會在擴散爐中暴露於 400 至 500°C 的含氫氣體混合物中。 退火步驟旨在通過在矽-二氧化矽界面處或附近將氫與未確定的原子結合來優化和穩定器件的特性。

背磨和背面金屬化

還有一個可選的金屬化處理步驟稱為倒磨。 可以使用濕研磨溶液和壓力研磨或研磨晶片的背面。 可以通過濺射將諸如金的金屬沉積在晶片的背面上。 這使得在最終組裝中更容易將分離的管芯連接到封裝。

組裝和測試

非製造加工，包括外部包裝、附件、封裝、組裝和測試，通常在單獨的生產設施中進行，而且很多時候是在東南亞國家進行的，這些勞動密集型工作的執行成本較低。 此外，在非製造加工區域，工藝和微粒控制的通風要求通常不同（非潔淨室）。 製造過程中的這些最後步驟涉及的操作包括焊接、脫脂、使用化學品和輻射源進行測試，以及使用激光進行修整和標記。

半導體製造過程中的焊接通常不會導致高鉛暴露。 為防止對集成電路造成熱損壞，焊料溫度應保持在低於可能形成大量熔化鉛煙的溫度 (430°C)。 但是，通過刮擦或刷掉含鉛殘留物來清潔焊接設備可能會導致鉛暴露量超過 50 μg/m³ （鮑德溫和斯圖爾特 1989）。 此外，鉛暴露量為 200 微克/立方米³ 在波峰焊操作期間使用不當的浮渣去除技術時會發生這種情況（Baldwin 和 Williams 1996）。

由於接觸助焊劑的熱解產物，特別是在手工焊接或修補操作期間，對焊接操作的一個日益關注是呼吸道刺激和哮喘，這些操作在歷史上並不常用局部排氣通風（不像波峰焊操作，它在過去的幾十年裡，它們通常被封閉在用完的櫃子裡）（Goh 和 Ng 1987）。 有關詳細信息，請參閱文章“印刷電路板和計算機組裝”。

由於助焊劑中的松香是一種敏化劑，因此無論空氣採樣結果如何，都應將所有暴露降低到盡可能低的水平。 當焊接要進行較長時間（例如，超過 2 小時）時，新的焊接裝置尤其應包括局部排氣通風。

手工焊接產生的煙霧會隨著熱流垂直上升，當員工俯身靠在焊接點上時進入員工的呼吸區。 通常通過在焊嘴處有效的高速和低容量局部排氣通風來實現控制。

將過濾後的空氣返回工作場所的設備，如果過濾效率不足，可能會造成二次污染，影響除焊接以外的工作場所人員。 過濾後的空氣不應返回到工作室，除非焊接量很小並且房間有良好的一般稀釋通風。

晶圓分類和測試

晶圓製造完成後，每個本質上完成的晶圓都會經過晶圓分類過程，其中每個特定芯片上的集成電路都會用計算機控制的探針進行電氣測試。 單個晶圓可能包含一百到數百個必須進行測試的獨立管芯或芯片。 測試結果完成後，芯片會用自動分配的單組分環氧樹脂進行物理標記。 紅色和藍色用於識別和分類不符合所需電氣規格的芯片。

模具分離

在對晶圓上的器件或電路進行測試、標記和分類後，晶圓上的各個管芯必須物理分離。 已經設計了許多方法來分離單個芯片——金剛石劃線、激光劃線和金剛石輪鋸。

金剛石劃線是最古老的使用方法，它涉及沿著劃線或“街道”在晶圓上繪製形狀精確的嵌入金剛石的尖端，將晶圓表面上的各個芯片分開。 劃線造成的晶體結構缺陷使晶圓沿著這條線彎曲和斷裂。

激光劃線是一種相對較新的芯片分離技術。 激光束由脈衝式高功率釹釔激光器產生。 光束沿著劃線在矽晶片中產生凹槽。 凹槽用作晶圓斷裂的線。

一種廣泛使用的管芯分離方法是濕鋸——用高速圓金剛石鋸沿著街道切割基板。 鋸切可以部分切割（劃線）或完全切割（劃片）矽基板。 通過鋸切產生從街道上清除的材料的濕漿。

芯片貼裝和鍵合

單個管芯或芯片必須連接到載體封裝和金屬引線框架上。 載體通常由絕緣材料（陶瓷或塑料）製成。 陶瓷載體材料通常由氧化鋁（Al₂O₃), 但可能由氧化鈹 (BeO) 或滑石 (MgO-SiO₂). 塑料載體材料是熱塑性或熱固性樹脂類型。

單個管芯的連接通常通過三種不同類型的連接中的一種來完成：共晶、預成型和環氧樹脂。 共晶模具連接涉及使用共晶釬焊合金，例如金矽。 在這種方法中，一層金金屬被預先沉積在芯片的背面。 通過將封裝加熱到共晶溫度（金矽為 370°C）以上並將管芯放置在其上，在管芯和封裝之間形成鍵合。

預成型鍵合涉及使用一小塊特殊合成材料，該材料將粘附到芯片和封裝上。 將預成型件放置在封裝的芯片貼裝區域並使其熔化。 然後在整個區域擦洗芯片，直到貼上芯片，然後冷卻封裝。

環氧樹脂鍵合涉及使用環氧樹脂膠將管芯附著到封裝上。 將一滴環氧樹脂滴在封裝上，並將管芯放在其上。 封裝可能需要在高溫下烘烤以正確固化環氧樹脂。

一旦管芯物理連接到封裝，就必須在集成電路和封裝引線之間提供電連接。 這是通過使用熱壓、超聲波或熱超聲鍵合技術在矽芯片和封裝引線的接觸區域之間連接金線或鋁線來實現的。

熱壓鍵合通常與金線一起使用，涉及將封裝加熱到大約 300^oC 並使用熱和壓力在導線和焊盤之間形成鍵合。 兩種主要類型的熱壓粘合在使用中——焊球 楔形接合. 球焊，僅用於金線，將線送入毛細管，壓縮它，然後氫火焰熔化線。 此外，這會在下一個鍵合週期的導線末端形成一個新球。 楔形鍵合涉及楔形鍵合工具和顯微鏡，用於將矽芯片和封裝準確定位在鍵合焊盤上。 該過程在惰性氣氛中進行。

超聲波鍵合使用超聲波高頻能量脈衝來提供擦洗作用，從而在導線和焊盤之間形成鍵合。 超聲波鍵合主要用於鋁線，通常優於熱壓鍵合，因為它不需要在鍵合操作期間加熱電路芯片。

熱超聲鍵合是金線鍵合的最新技術變革。 它涉及使用超聲波和熱能的組合，並且比熱壓鍵合需要更少的熱量。

封裝

封裝的主要目的是將集成電路放入滿足與集成電路應用相關的電、熱、化學和物理要求的封裝中。

最廣泛使用的封裝類型是徑向引線型、扁平封裝和雙列直插 (DIP) 封裝。 徑向引線型封裝主要由鐵、鎳、鈷的合金可伐合金製成，並帶有硬玻璃密封和可伐合金引線。 扁平封裝使用金屬引線框架，通常由鋁合金結合陶瓷、玻璃和金屬組件製成。 雙列直插式封裝通常是最常見的，通常使用陶瓷或模製塑料。

模壓塑料半導體封裝主要由兩個獨立的工藝生產——傳遞模塑 注塑成型. 傳遞模塑是主要的塑料封裝方法。 在這種方法中，芯片安裝在未修整的引線框架上，然後批量裝入模具中。 粉末狀或顆粒狀的熱固性塑料成型化合物在加熱鍋中熔化，然後在壓力下被迫（轉移）到裝載的模具中。 粉末狀或顆粒狀塑料模塑料系統可用於環氧樹脂、矽樹脂或矽樹脂/環氧樹脂。 該系統通常由以下各項組成：

• 熱固性樹脂—環氧樹脂、矽樹脂或矽樹脂/環氧樹脂

• 硬化劑—環氧酚醛清漆和環氧酸酐

• 填料—二氧化矽熔融或結晶二氧化矽 (SiO₂) 和氧化鋁 (Al₂O₃), 一般佔重量的50-70%

• 阻燃劑—三氧化二銻 (Sb₂O₃) 一般佔重量的 1-5%。

 

注塑成型使用熱塑性或熱固性模塑化合物，在受控溫度下在圓筒中將其加熱至熔點，並在壓力下通過噴嘴強制進入模具。 樹脂迅速凝固，打開模具，彈出封裝包。 注塑成型中使用了各種各樣的塑料化合物，其中環氧樹脂和聚苯硫醚 (PPS) 樹脂是半導體封裝中的最新產品。

矽半導體器件的最終封裝根據其抗洩漏能力或將集成電路與其環境隔離的能力進行分類。 這些被區分為氣密（氣密）或非氣密密封。

洩漏測試和老化

洩漏測試 是為測試封裝設備的實際密封能力或氣密性而開發的程序。 目前使用兩種常見的洩漏測試形式：氦氣洩漏檢測和放射性示踪劑洩漏檢測。

在氦氣洩漏檢測中，完成的包裝被放置在氦氣壓力的氣氛中一段時間。 氦氣能夠通過缺陷滲透到包裝中。 從氦氣加壓室中取出後，包裝被轉移到質譜儀室中，並測試包裝缺陷中的氦氣洩漏情況。

放射性示踪氣體，通常是氪85（Kr-85），在第二種方法中代替氦氣，測量從包裝中洩漏出來的放射性氣體。 在正常情況下，此過程中的人員暴露每年少於 5 毫西弗（500 毫雷姆）（Baldwin 和 Stewart，1989 年）。 這些系統的控件通常包括：

• 隔離在僅限必要人員進入的房間內

• 在含有 Kr-85 的房間的門上張貼輻射警告標誌

• 具有警報和自動關閉/隔離功能的連續輻射監測器

• 專用排氣系統和負壓室

• 用個人劑量測定監測暴露（例如，輻射膠片徽章）

• 定期維護警報和聯鎖裝置

• 定期檢查放射性物質洩漏

• 對操作人員和技術人員的安全培訓

• 確保輻射暴露保持在可合理實現的盡可能低的水平 (ALARA)。

 

此外，與 Kr-85 接觸的材料（例如，暴露的 IC、用過的泵油、閥門和 O 形環）也經過調查，以確保它們在從中移除之前不會因為殘留氣體而發出過量的輻射。控制區。 Leach-Marshal (1991) 提供了有關來自 Kr-85 精細洩漏檢測系統的曝光和控制的詳細信息。

燒進來 是溫度和電應力操作，以確定最終封裝器件的可靠性。 使用環境氣氛或惰性氮氣氣氛，將設備放置在溫度受控的烘箱中較長時間。 溫度範圍從 125°C 到 200°C（平均 150°C），時間從幾小時到 1,000 小時（平均 48 小時）。

最後一個考試

為了最終表徵封裝矽半導體器件的性能，執行最終電氣測試。 由於所需測試的數量和復雜性，計算機執行和評估對設備的最終功能很重要的眾多參數的測試。

標記和包裝

最終封裝設備的物理識別是通過使用各種標記系統來完成的。 元件標記的兩大類是接觸式和非接觸式印刷。 接觸式印刷通常結合使用溶劑型油墨的旋轉膠印技術。 非接觸式印刷無需物理接觸即可轉移標記，涉及使用溶劑型墨水或激光標記的噴墨頭或碳粉印刷。

用作印刷油墨載體和預清潔劑的溶劑通常由醇類（乙醇）和酯類（乙酸乙酯）的混合物組成。 大多數組件標記系統，除激光標記外，使用的墨水需要額外的設置或固化步驟。 這些固化方法是空氣固化、熱固化（熱或紅外線）和紫外線固化。 紫外線固化油墨不含溶劑。

激光打標系統使用高功率二氧化碳 (CO₂) 激光器，或高功率釹：釔激光器。 這些激光器通常嵌入在設備中，並具有聯鎖的機櫃，這些機櫃封閉了光束路徑和光束與目標接觸的點。 這消除了正常操作期間的激光束危害，但是當安全聯鎖裝置失效時存在問題。 需要移除光束罩並破壞聯鎖裝置的最常見操作是對準激光束。

在這些維護操作期間，理想情況下，除必要的維護技術人員外，應疏散裝有激光器的房間，鎖好房間的門並張貼適當的激光安全標誌。 然而，用於半導體製造的高功率激光器通常位於大型、開放的製造區域，使得在維護期間重新安置非維護人員是不切實際的。 對於這些情況，通常會建立一個臨時控制區。 通常，這些控制區域由能夠承受與激光束直接接觸的激光幕或焊接屏幕組成。 臨時控制區的入口通常是通過一個迷宮入口，只要激光聯鎖裝置被破壞，該入口就會張貼警告標誌。 光束對準期間的其他安全預防措施類似於開放光束高功率激光器操作所需的安全預防措施（例如，培訓、眼睛保護、書面程序等）。

高功率激光器也是半導體行業中最重要的電氣危害之一。 即使在電源關閉後，工具內仍存在巨大的電擊電位，必須在進入機櫃內部工作之前將其消散。

除了光束危害和電氣危害外，在對激光打標系統進行維護時還應小心，因為阻燃劑三氧化二銻和鈹可能造成化學污染（含有這種化合物的陶瓷包裝將被貼上標籤）。 在使用高功率激光打標期間會產生煙霧，並在設備表面和煙霧抽取過濾器上產生殘留物。

過去曾使用脫脂劑清潔半導體，然後再標記識別碼。 如果操作員的頭部位於導致蒸汽再凝結的冷卻盤管下方，則很容易發生高於適用的職業空氣接觸限值的溶劑暴露，這可能發生在操作員試圖取回掉落的部件或技術人員清理盤管底部的殘留物時單元（Baldwin 和 Stewart 1989）。 由於限制使用氯氟烴和氯化溶劑等消耗臭氧層物質，脫脂劑在半導體行業的使用已大大減少。

故障分析和質量保證

故障分析和質量分析實驗室通常執行用於確保設備可靠性的各種操作。 在這些實驗室中進行的一些操作存在員工暴露的可能性。 這些包括：

• 標記測試 在電爐上的加熱燒杯中使用各種溶劑和腐蝕性混合物。 需要具有足夠表面速度的金屬罩形式的局部排氣通風 (LEV) 來控制無組織排放。 單乙醇胺溶液會導致暴露超過其空氣傳播限制（Baldwin 和 Williams 1996）。

• 氣泡/洩漏測試 利用高分子量碳氟化合物（商品名 Fluorinerts）

• X射線包裝單位.

 

鈷 60（高達 26,000 居里）用於輻照器，用於測試 IC 在軍事和太空應用中承受伽馬輻射的能力。 在正常情況下，此操作的人員暴露每年少於 5 毫西弗（500 毫雷姆）（Baldwin 和 Stewart，1989 年）。 這種有些專門化操作的控制類似於用於 Kr-85 精細洩漏系統的控制（例如，隔離室、連續輻射監測器、人員暴露監測等）。

在故障分析過程中使用小型“特定許可證”α 源（例如，微居里和毫居里的镅 241）。 這些源被稱為窗口的薄保護塗層覆蓋，允許 alpha 粒子從源發射，以測試集成電路在受到 alpha 粒子轟擊時的運行能力。 通常定期（例如，每半年一次）檢查源是否會在防護窗損壞時發生放射性物質洩漏。 任何可檢測到的洩漏通常會觸發源的移除並將其運回製造商。

機櫃 X 射線系統用於檢查金屬塗層的厚度和識別缺陷（例如，模塑料封裝中的氣泡）。 雖然不是重要的洩漏源，但通常會定期（例如，每年）使用手持式 X 射線洩漏測量儀檢查這些裝置，並進行檢查以確保門聯鎖裝置正常運行。

運送地址

運輸是大多數矽半導體設備製造商參與的終點。 商業半導體製造商將他們的產品出售給其他終端產品生產商，而專屬製造商則將這些設備用於他們自己的終端產品。

健康研究

每個流程步驟都使用一組特定的化學品和工具，這些化學品和工具會導致特定的 EHS 問題。 除了與硅半導體器件加工中特定工藝步驟相關的擔憂之外，一項流行病學研究調查了半導體行業員工對健康的影響（Schenker 等人，1992 年）。 另見文章“健康影響和疾病模式”中的討論。

該研究的主要結論是，在半導體製造設施中工作與自然流產 (SAB) 率增加有關。 在研究的歷史部分中，製造和非製造員工中研究的懷孕人數大致相等（分別為 447 和 444），但製造中的自然流產（n = 67）多於非製造（n = 46） . 當針對可能導致偏差的各種因素（年齡、種族、吸煙、壓力、社會經濟狀況和懷孕史）進行調整時，捏造與非捏造的相對風險 (RR) 為 1.43（95% 置信區間 = 0.95-2.09） .

研究人員將增加的 SAB 率與暴露於半導體製造中使用的某些基於乙烯的乙二醇醚 (EGE) 聯繫起來。 參與研究並被懷疑對生殖產生不良影響的特定乙二醇醚是：

• 2-甲氧基乙醇 (CAS 109-86-4)

• 2-甲氧基乙酸乙酯 (CAS 110-49-6)

• 2-乙氧基乙酸乙酯 (CAS 111-15-9)。

 

雖然不屬於研究的一部分，但工業中使用的另外兩種乙二醇醚，2-乙氧基乙醇 (CAS 110-80-5) 和二甘醇二甲醚 (CAS 111-96-6) 具有類似的毒性作用，已被一些機構禁止半導體製造商。

除了與暴露於某些乙二醇醚相關的 SAB 率增加外，該研究還得出結論：

• 氟化物暴露（蝕刻中）和 SAB 之間存在不一致的關聯。

• 在製造區工作的女性中，自我報告的壓力是 SAB 的一個強大的獨立風險因素。

• 與在非製造區工作的女性相比，在製造區工作的女性懷孕時間更長。

• 與非製造工人相比，製造工人的呼吸道症狀（眼睛、鼻子和喉嚨刺激和喘息）有所增加。

• 上肢遠端的肌肉骨骼症狀，如手、腕、肘和前臂疼痛，與製造室工作有關。

• 與非製造工人相比，製造工人報告皮炎和脫髮（脫髮）的頻率更高。

 

設備審查

半導體製造設備的複雜性，加上製造工藝的不斷進步，使得新工藝設備的安裝前審查對於最大限度地降低 EHS 風險非常重要。 兩個設備審查流程有助於確保新的半導體工藝設備具有適當的 EHS 控制：CE 標誌和半導體設備和材料國際 (SEMI) 標準。

CE 標記是製造商聲明，如此標記的設備符合歐盟 (EU) 所有適用指令的要求。 對於半導體製造設備，機械指令 (MD)、電磁兼容性 (EMC) 指令和低電壓指令 (LVD) 被認為是最適用的指令。

在 EMC 指令的情況下，需要保留主管機構（由歐盟成員國正式授權的組織）的服務來定義測試要求和批准檢查結果。 MD 和 LVD 可由製造商或指定機構（歐盟成員國正式授權的組織）進行評估。 無論選擇何種途徑（自我評估或第三方），進口商負責進口產品的 CE 標記。 他們可以使用第三方或自我評估信息作為他們認為設備符合適用指令要求的依據，但最終，他們將準備符合性聲明並自行粘貼 CE 標誌。

Semiconductor Equipment and Materials International 是一個代表半導體和平板顯示設備及材料供應商的國際貿易協會。 其活動之一是製定自願性技術標準，這些標準是供應商和客戶之間的協議，旨在以合理的價格和穩定的供應提高產品質量和可靠性。

兩個專門針對新設備 EHS 問題的 SEMI 標準是 SEMI S2 和 SEMI S8。 半導體 S2-93, 半導體製造設備安全指南，旨在作為半導體製造中使用的設備的基於性能的 EHS 考慮因素的最小集合。 半導體 S8-95, 供應商人體工程學成功標準用戶指南，擴展了 SEMI S2 中的人體工程學部分。

許多半導體製造商要求新設備由第三方證明符合 SEMI S2 的要求。 SEMI S2-93 和 SEMI S8-95 的解釋指南包含在行業聯盟 SEMATECH 的出版物中（SEMATECH 1996）。 有關 SEMI 的更多信息，請訪問萬維網 (http://www.semi.org).

化學品處理

液體分配

隨著自動化學品分配系統成為規則，而不是例外，員工被化學品燒傷的次數已經減少。 但是，需要在這些自動化學品分配系統中安裝適當的防護措施。 這些包括：

• 在大容量電源和接線盒處進行洩漏檢測和自動關閉

• 如果化學品被認為是危險材料，則採用雙重密封管線

• 端點處的高級傳感器（浴槽或工具容器）

• 定時泵關閉（在自動關閉之前只允許將特定數量泵送到某個位置）。

配氣

多年來，隨著新型鋼瓶閥、鋼瓶中的限流孔、自動氣體吹掃面板、高流速檢測和關閉以及更複雜的洩漏檢測設備的出現，氣體分配安全性得到了顯著提高。 由於其自燃性及其作為原料的廣泛用途，矽烷氣體代表了行業內最顯著的爆炸危險。 然而，隨著 Factory Mutual 和 SEMATECH 進行的新研究，矽烷氣體事故變得更容易預測。 有了適當的減流孔 (RFO)、輸送壓力和通風率，大多數爆炸事件都已被消除 (SEMATECH 1995)。

由於不相容氣體的不受控制混合，近年來發生了幾起安全事故。 由於這些事件，半導體製造商經常檢查氣體管線安裝和工具氣體箱，以確保不會發生不當混合和/或氣體回流。

化學問題通常是半導體製造中最受關注的問題。 然而，該行業內的大多數傷害和死亡都是由非化學危害造成的。

電氣安全

該行業中使用的設備存在許多電氣危險。 安全聯鎖裝置在電氣安全方面發揮著重要作用，但這些聯鎖裝置經常被維護技術人員忽略。 大量的維護工作通常是在設備仍然通電或僅部分斷電時進行的。 最重要的電氣危險與離子注入機和激光電源有關。 即使在電源關閉後，工具內仍存在巨大的電擊電位，必須在工具內部工作之前將其消散。 美國的 SEMI S2 審查流程和歐洲的 CE 標誌有助於提高新設備的電氣安全性，但並不總是充分考慮維護操作。 所有新安裝的設備都需要仔細檢查維護操作和電氣危險。

排在電氣危險清單第二位的是一套在蝕刻、濺射和腔室清潔過程中產生射頻能量的設備。 需要適當的屏蔽和接地，以最大限度地降低 RF 灼傷的風險。

這些電氣危險和許多工具在維護操作期間不會斷電，需要維護技術人員採用其他方法來保護自己，例如上鎖/掛牌程序。 電氣危險並不是通過上鎖/掛牌解決的唯一能源。 其他能源包括加壓管線，其中許多含有有害氣體或液體，以及氣動控制裝置。 用於控制這些能源的斷開裝置需要位於容易獲得的位置——在 FAB （製造）或員工將工作的區域，而不是在不方便的地方，例如 subfab。

人體工程學

員工和工具之間的接口繼續造成傷害。 肌肉拉傷和扭傷在半導體行業相當普遍，尤其是對於維護技術人員而言。 在工具的製造過程中以及在工廠中放置工具的過程中，泵、腔室蓋等的入口通常設計得不好。 泵應裝在輪子上或放在拉出式抽屜或託盤中。 許多操作需要結合起重設備。

簡單的晶圓處理會導致人體工程學危害，尤其是在較舊的設施中。 較新的設施通常具有較大的晶圓，因此需要更多的自動化處理系統。 這些晶圓處理系統中有許多被認為是機器人設備，在設計和安裝這些系統時必須考慮這些系統的安全問題 (ANSI 1986)。

消防安全

除了已經解決的矽烷氣體之外，氫氣也有可能成為嚴重的火災隱患。 然而，人們對此有了更好的了解，而且業界還沒有看到與氫氣相關的許多重大問題。

現在最嚴重的火災隱患與 濕甲板 或蝕刻浴。 典型的建築塑料材料（聚氯乙烯、聚丙烯和阻燃聚丙烯）都已涉及製造 火災。 點火源可以是蝕刻或電鍍浴加熱器，電氣控制裝置直接安裝在塑料或相鄰工具上。 如果這些塑料工具之一發生火災，顆粒污染和腐蝕性燃燒產物會蔓延到整個工廠。 由於工廠的停機時間，而面積和設備恢復到潔淨室標準，經濟損失很高。 通常一些昂貴的設備無法充分淨化，必須購買新設備。 因此，充分的防火和防火保護都是至關重要的。

防火可以通過不同的不燃建築材料來解決。 不銹鋼是這些濕式甲板的首選構造材料，但該過程通常不會“接受”金屬工具。 具有較低火災/煙霧可能性的塑料存在，但尚未經過充分測試以確定它們是否與半導體製造工藝兼容。

為了防火，這些工具必須受到無障礙灑水裝置的保護。 將 HEPA 過濾器放置在潮濕的長凳上方通常會阻塞噴頭。 如果發生這種情況，請在過濾器下方安裝額外的灑水噴頭。 許多公司還要求在這些工具的增壓腔內安裝火災探測和滅火系統，許多火災都是從這裡開始的。

 

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