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光 電 半 導 體 製 程 設 備 介 紹 電 子 光 子 能 階 升 授 課 老 師 : 林 彥 勝 博 士 夸 克 原 子 核 E-mail: yslin@mail.cna.edu.tw 能 階 降 Content 潔 淨 室 (Cleaning Room) 薄 膜 沈 積 (Thin Film Deposition) 化 學 汽 相 沉 積 法 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) 分 子 束 磊 晶 (MBE,Molecular Beam Epitaxy) 離 子 濺 鍍 (Sputter) 光 刻 電 鑄 模 造 (Lithographie GalVanoformung Abformung) (Lithography Electroforming Micro Molding) LIGA 技 術 LIGA 技 術 1

潔 淨 室 (Cleaning Room) 潔 淨 室 (Clean Room), 亦 稱 為 無 塵 室 或 清 淨 室 潔 淨 室 是 指 將 一 定 空 間 範 圍 內 之 空 氣 中 的 微 粒 子 有 害 空 氣 細 菌 等 之 污 染 物 排 除, 並 將 室 內 之 溫 度 潔 淨 度 室 內 壓 力 氣 流 速 度 與 氣 流 分 佈 噪 音 振 動 及 照 明 靜 電 控 制 在 某 一 需 求 範 圍 內, 而 所 給 予 特 別 設 計 之 房 間 亦 即 是 不 論 外 在 之 空 氣 條 件 如 何 變 化, 其 室 內 均 能 俱 有 維 持 原 先 所 設 定 要 求 之 潔 淨 度 溫 濕 度 及 壓 力 等 性 能 之 特 性 潔 淨 室 最 主 要 之 作 用 在 於 控 制 產 品 ( 如 矽 晶 片 等 ) 所 接 觸 之 大 氣 的 潔 淨 度 日 及 溫 濕 度, 使 產 品 能 在 一 個 良 好 之 環 境 空 間 中 生 產 製 造, 此 空 間 我 們 稱 之 為 潔 淨 室 潔 淨 室 控 管 之 項 目 1. 能 除 去 空 氣 中 飄 游 之 微 塵 粒 子 2. 能 防 止 微 塵 粒 子 之 產 生 3. 溫 度 和 濕 度 之 控 制 4. 壓 力 之 調 節 5. 有 害 氣 體 之 排 除 6. 結 構 物 與 隔 間 之 氣 密 性 7. 靜 電 之 防 制 8. 電 磁 干 擾 預 防 9. 安 全 因 素 之 考 慮 10. 節 能 之 考 量 2

潔 淨 室 之 等 級 以 直 徑 0.5 微 米 的 塵 粒 作 為 比 較 標 準, 在 1 立 方 英 吋 的 空 間 中, 大 於 0.5 微 米 的 塵 粒 少 於 一 個, 就 稱 為 Class 1, 而 大 於 0.5 微 米 的 塵 粒 少 於 十 個, 就 稱 為 Class 10, 大 於 0.5 微 米 的 塵 粒 少 於 1000 個, 就 稱 為 Class 1000 目 前 許 多 半 導 體 積 體 電 路 產 品 都 是 在 Class 1 的 潔 淨 室 中 製 造 潔 淨 室 的 種 類 方 式 亂 流 式 (Conventional flow) 水 平 層 流 式 (Cross flow) 垂 直 層 流 式 (Down flow) 構 造 圖 特 點 設 備 費 用 較 低 管 理 容 易 設 備 配 置 單 純 且 容 易 不 能 獲 得 較 高 的 清 潔 度 構 造 簡 單 可 獲 得 較 高 之 清 潔 度 氣 流 上 游 與 下 游 之 清 潔 度 落 差 較 大 設 備 之 配 置 以 及 人 員 物 品 出 入, 必 須 有 良 好 的 管 理 方 式 可 獲 得 最 高 等 級 的 清 潔 度 生 產 流 程 變 更 容 易, 設 備 擺 放 位 置 彈 性 較 佳 維 護 管 理 容 易 設 備 費 用 較 高 設 備 體 型 較 大, 需 佔 建 築 平 面 與 空 間 較 多 3

薄 膜 沈 積 (Thin Film Deposition) 薄 膜 的 成 長 是 一 連 串 複 雜 的 過 程 所 構 成 的 圖 為 薄 膜 成 長 機 制 的 說 明 圖 圖 中 首 先 到 達 基 板 的 原 子 必 須 將 縱 向 動 量 發 散, 原 子 才 能 吸 附 (adsorption) 在 基 板 上 這 些 原 子 會 在 基 板 表 面 發 生 形 成 薄 膜 所 須 要 的 化 學 反 應 所 形 成 的 薄 膜 構 成 原 子 會 在 基 板 表 面 作 擴 散 運 動, 這 個 現 象 稱 為 吸 附 原 子 的 表 面 遷 徙 (surface migration) 當 原 子 彼 此 相 互 碰 撞 時 會 結 合 而 形 成 原 子 團 過 程, 稱 為 成 核 (nucleation) 薄 膜 沈 積 (Thin Film Deposition) 薄 膜 沈 積 依 據 沈 積 過 程 中, 是 否 含 有 化 學 反 應 的 機 制, 可 以 區 分 為 物 理 氣 相 沈 積 (Physical Vapor Deposition, 簡 稱 PVD) 通 常 稱 為 物 理 蒸 鍍 及 化 學 氣 相 沈 積 (Chemical Vapor Deposition, 簡 稱 CVD) 通 常 稱 為 化 學 蒸 鍍 4

MOCVD MOCVD(metal organic chemical-vapor deposition, MOCVD) 意 思 是 金 屬 有 機 物 化 學 氣 相 沉 積, 是 把 金 屬 有 機 物 化 工 原 料 如 : 三 甲 基 鎵 三 甲 基 鋁 等, 與 特 殊 氣 體 如 : 砷 化 氫 磷 化 氫 等, 通 過 特 殊 載 體 氣 流 送 到 高 溫 的 矽 晶 片 寶 石 等 晶 片 上, 在 反 應 器 內 的 高 溫 下, 這 些 材 料 發 生 化 學 反 應, 並 使 反 應 物 沉 積 在 晶 片 上, 而 得 到 磊 晶 片 之 生 產 技 術 此 一 生 產 技 術 在 晶 片 上 形 成 一 層 半 導 體 結 晶 膜, 這 樣 就 能 做 成 半 導 體 發 光 材 料, 如 發 光 二 極 體 等 PVD 物 理 氣 相 沈 積 (Physical Vapor Deposition, 簡 稱 PVD), PVD 顧 名 思 義 是 以 物 理 機 制 來 進 行 薄 膜 湚 積 而 不 涉 及 化 學 反 應 的 製 程 技 術, 所 謂 物 理 機 制 是 物 質 的 相 變 化 現 象, 如 蒸 鍍 (Evaporation), 蒸 鍍 源 由 固 態 轉 化 為 氣 態, 濺 鍍 (Sputtering Sputtering), 蒸 鍍 源 則 由 氣 態 轉 化 為 電 漿 態 MOCVD and PVD 5

金 屬 有 機 化 學 汽 相 沉 積 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) 是 經 由 氣 流 傳 輸 反 應 物 到 磊 晶 基 板 上, 以 氣 閥 控 制 氣 流, 藉 由 氣 體 管 路 系 統 的 特 殊 設 計, 去 除 管 路 的 暗 空 間, 並 降 低 成 長 速 率, 達 到 超 結 晶 格 子 結 構 的 成 長 需 求 MOCVD 技 術 則 有 利 於 大 量 生 產, 但 在 控 制 厚 度 上 卻 較 為 不 易 ; 一 般 而 言,MOCVD 適 合 生 產 HBT( 異 質 接 面 雙 載 電 晶 體 ) 元 件 目 前 採 用 MOCVD 生 產 磊 晶 的 地 區 主 要 集 中 在 日 本, 其 次 是 北 美, 產 品 主 要 應 用 在 行 動 電 話 及 衛 星 通 訊 上 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) 亦 稱 MOVPE, OMVPE, OMCVD 6

金 屬 有 機 化 學 汽 相 沉 積 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) These include adsorption and desorption of the precursor molecules, surface diffusion, nucleation and growth, and desorption of reaction products 金 屬 有 機 化 學 汽 相 沉 積 MOCVD ( Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) 化 學 氣 相 沈 積 (CVD) 技 術 主 要 是 利 用 含 有 欲 鍍 薄 膜 成 分 的 一 種 或 多 種 氣 體 化 合 物, 高 溫 下 在 基 板 表 面 進 行 化 學 反 應 而 生 成 固 態 薄 膜 的 方 法 CVD 這 種 薄 膜 沈 積 方 式 主 要 涉 及 化 學 反 應, 故 以 化 學 氣 相 沈 積 法 稱 之 7

物 理 氣 相 沈 積 (Physical Vapor Deposition, 簡 稱 PVD) PVD 顧 名 思 義 是 以 物 理 機 制 來 進 行 薄 膜 湚 積 而 不 涉 及 化 學 反 應 的 製 程 技 術, 所 謂 物 理 機 制 是 物 質 的 相 變 化 現 象, 如 蒸 鍍 (Evaporation), 蒸 鍍 源 由 固 態 轉 化 為 氣 態, 濺 鍍 (Sputtering), 蒸 鍍 原 則 由 氣 態 轉 化 為 電 漿 態 物 理 氣 相 沈 積 (Physical Vapor Deposition, 簡 稱 PVD) PVD 主 要 包 括 下 列 三 個 過 程 : (1) 薄 膜 材 料 經 各 種 不 同 的 方 法 加 熱, 由 固 態 或 液 態 激 發 成 氣 態 (2) 薄 膜 材 料 的 氣 態 原 子 分 子 或 離 子, 由 蒸 發 源 穿 越 真 空 抵 達 基 座 表 面 (3) 材 料 抵 達 基 座 表 面 後, 沈 積 而 逐 漸 形 成 薄 膜 8

分 子 束 磊 晶 (MBE,Molecular Molecular Beam Epitaxy) 一 種 長 晶 技 術, 主 要 是 用 來 成 長 品 質 優 良 之 半 導 體 金 屬 或 是 絕 緣 體 薄 膜 薄 膜 成 長 時, 處 於 一 個 非 熱 平 衡 狀 態, 其 成 長 機 制 決 定 於 材 料 表 面 之 動 力 學 成 長 過 程 中, 配 合 RHEED( 反 射 式 高 能 電 子 束 繞 射 ) 的 裝 置 可 以 成 長 厚 度 極 薄 的 薄 膜, 同 時 也 可 以 掌 控 極 為 精 確 的 組 成 變 化 MBE 系 統 對 真 空 度 的 要 求 極 高, 通 常 背 景 真 空 維 持 在 小 於 10-11 11 torr, 俗 稱 超 高 真 空 (UHV UHV,Ultra Ultra-High Vacuum) 分 子 束 磊 晶 (MBE,Molecular Molecular Beam Epitaxy) 分 子 束 磊 晶 (Molecular Beam Epitoxy,MBE) 是 以 真 空 蒸 鍍 的 方 式 進 行 磊 晶, 蒸 發 的 分 子 以 極 高 的 熱 速 率, 直 線 前 進 到 磊 晶 基 板 之 上, 以 快 門 阻 隔 的 方 式, 控 制 蒸 發 分 子 束, 獲 得 超 陡 介 面 9

三 種 物 理 氣 相 沈 積 法 之 比 較 性 質 方 法 蒸 鍍 (Evapor ation) 分 子 束 磊 晶 成 長 (MBE) 濺 鍍 (Sputter) 沈 積 速 率 極 慢 極 慢 佳 大 尺 寸 厚 度 控 制 差 差 佳 精 確 成 份 控 制 差 優 秀 佳 可 沈 積 材 料 之 選 用 少 少 多 整 體 製 造 成 本 (COO COO) 差 差 優 秀 磊 晶 成 長 方 式 比 較 成 長 方 式 微 波 元 件 結 構 特 色 應 用 MBE MOCVD MESFET 金 屬 半 導 體 場 效 電 晶 體 PHEMT 高 電 子 遷 移 率 電 晶 體 HBT 異 質 介 面 雙 載 子 電 晶 體 同 質 結 構 線 性 度 佳 均 勻 度 佳 製 程 成 熟 穩 定 異 質 結 構 電 子 速 度 高 增 益 高 雜 訊 低 及 工 作 頻 寬 高 異 質 結 構 線 性 度 佳 功 率 放 大 倍 率 佳 及 工 作 頻 寬 高 行 動 電 話 光 纖 通 訊 無 線 區 域 網 路 高 級 手 機 衛 星 通 訊 雷 達 與 全 球 定 位 系 統 手 機 中 的 功 率 放 大 器 衛 星 通 訊 資 料 來 源 : 全 新 光 電 MONEY DJ 10

化 合 物 半 導 體 磊 晶 生 成 法 比 較 技 術 層 次 量 產 能 力 磊 晶 成 長 速 度 成 長 極 薄 磊 晶 磊 晶 純 度 磊 晶 平 整 度 液 相 磊 晶 LPE 低 高 高 難 高 差 氣 相 磊 晶 VPE 中 中 高 中 不 容 易 高 中 分 子 束 磊 晶 MBE 中 高 低 中 低 容 易 高 好 有 機 金 屬 氣 相 磊 晶 MOCVD 高 中 中 容 易 高 好 資 料 來 源 : 全 新 光 電 11

離 子 濺 鍍 (Ion Beam Sputter Deposition,IBSD IBSD) 離 子 濺 鍍 IBSD 是 指 利 用 離 子 源 以 800V 到 1500V 之 離 子 束 撞 濺 膜 材 料 ( 此 膜 材 料 稱 之 為 靶 ), 經 由 動 量 傳 遞 將 膜 材 料 之 原 子 一 顆 顆 膏 出 並 有 力 地 一 個 原 子 一 個 原 子 沈 積 在 基 板 上, 這 一 切 都 在 高 真 空 中 進 行 IAD System Ion source 功 能 : (1)Clean (2)IAD 24 12

離 子 濺 鍍 (Ion Beam Sputter Deposition,IBSD) 濺 鍍 是 利 用 離 子 ( 不 限 定 是 氬 ) 轟 擊 靶 材, 擊 出 靶 材 原 子 變 成 氣 相 並 析 鍍 於 基 材 上 濺 鍍 具 有 廣 泛 應 用 的 特 性, 幾 乎 任 何 材 料 均 可 析 鍍 上 離 子 束 離 子 助 鍍 利 用 熱 蒸 發 源 在 熱 高 壓 下 從 小 孔 噴 後 因 絕 熱 膨 脹 而 成 一 小 團 一 小 團, 然 後 在 其 旁 邊 放 射 電 子 使 之 離 子 化, 基 板 上 加 負 高 壓, 則 可 強 力 吸 收 膜 材 料 之 離 子 團, 灑 落 在 基 板 上, 因 動 能 很 大 而 長 出 膜 良 好 薄 膜 13

離 子 鎗 輔 助 鍍 膜 系 統 示 意 圖 離 子 束 輔 助 蒸 鍍 特 點 低 能 量 離 子 束 (10~200eV) 對 表 面 作 用 僅 於 1 或 2 個 原 子 層, 卻 有 助 於 改 善 異 質 介 面 的 附 著 性, 並 減 小 介 面 與 經 個 常 數 與 熱 膨 脹 係 數 差 異 所 造 成 的 影 響. 增 加 原 子 成 為 薄 膜 的 機 率, 隊 粘 著 係 數 小 的 元 素 可 降 低 其 蒸 發 源 消 耗. 可 改 變 薄 膜 成 長 的 動 態 過 程, 此 可 歸 因 於 成 核 速 率 增 加 以 及 表 面 擴 的 加 速. ( 使 原 子 有 足 夠 能 量 再 表 面 移 動, 降 低 結 晶 缺 陷, 對 多 晶 膜 而 言, 使 晶 粒 增 大, 緻 密 度 提 高 ). 28 14

薄 膜 間 相 互 作 用 Ion Film surface Interaction Ion: energy, mass, charge. 30 15

薄膜的柱狀結構 TiO2 /SiO2 東品E gun deposition 300oC Ta2O5 /SiO2 雙離子束濺鍍 (工研院) (工研院) 31 柱狀結構的影響 機械強度不佳 孔洞吸收水氣, 孔洞吸收水氣,使膜的index 使膜的index變大 index變大, 變大,光譜 往長波長飄移, 往長波長飄移,使光學穩定度不佳. 使光學穩定度不佳. 薄膜index 薄膜index偏低 index偏低. 偏低. 如何在我們的e-gun系統下改善薄膜緻密性 系統下改善薄膜緻密性? 如何在我們的 系統下改善薄膜緻密性 1. 提高基板溫度. 提高基板溫度 2. IAD (離子助鍍 離子助鍍). 離子助鍍 32 16

何 謂 LIGA? 透 過 X 光 深 刻 及 電 鑄 製 造 精 密 模 具, 再 大 量 複 製 微 結 構 的 特 殊 製 程,LIGA 是 德 文 (Lithographie GalVanoformung Abformung) 之 縮 寫, 譯 成 英 文 則 為 Lithography Electroforming Micro Molding 譯 成 中 文 則 為 X 光 微 影, 微 電 鑄, 微 成 型 也 就 是 X 光 深 刻 精 密 電 鑄 模 造 成 形, 通 常 簡 稱 為 光 刻 電 鑄 模 造 或 光 刻 模 造 LIGA 製 程 源 自 德 國 核 能 研 究 所,1980 年 初 期 所 發 展 出 來 用 以 製 造 微 結 構 的 技 術 Lithography Electroforming Micro Molding X 光 深 刻 精 密 電 鑄 模 造 成 形 微 影 電 鍍 鑄 造 陶 瓷 成 形 17

Lithography Electroforming Micro Molding X 光 深 刻 精 密 電 鑄 模 造 成 形 Lithography Electroforming Micro Molding X 光 深 刻 精 密 電 鑄 模 造 成 形 18

LIGA 之 技 術 領 域 可 分 為 三 方 面 ( 一 ) Lithography ( 微 影 ) ( 二 ) Electro deposition ( 電 氣 沈 積 ) Electroforming ( 電 鑄 ) Electroplating ( 電 鍍 ) ( 三 ) Micro Molding ( 微 成 形 ) Lithography ( 微 影 ) 19

The process of Lithography Lithography ( 微 影 ) 簡 單 的 說, 就 是 半 導 體 製 程 中 的 製 作 光 罩 / 曝 光 / 蝕 刻 的 這 個 過 程, 把 電 路 設 計 " 轉 印 " 到 晶 圓 上 的 這 種 技 術, 因 為 過 程 中 是 使 用 光 學 的 方 式, 所 以 稱 optical lithography 20

微 影 (Lithography) 微 影 (Lithography) 技 術 是 將 光 罩 (Mask) 上 的 主 要 圖 案 先 轉 移 至 感 光 材 料 上, 利 用 光 線 透 過 光 罩 照 射 在 感 光 材 料 上, 再 以 溶 劑 浸 泡 將 感 光 材 料 受 光 照 射 到 的 部 份 加 以 溶 解 或 保 留, 如 此 所 形 成 的 光 阻 圖 案 會 和 光 罩 完 全 相 同 或 呈 互 補 由 於 微 影 製 程 的 環 境 是 採 用 黃 光 照 明 而 非 一 般 攝 影 暗 房 的 紅 光, 所 以 這 一 部 份 的 製 程 常 被 簡 稱 為 " 黃 光 " 表 面 清 洗 塗 底 (Priming) 光 阻 覆 蓋 軟 烤 (Soft Bake) 曝 光 顯 影 硬 烤 微 影 (Lithography) 21

微 影 (Lithography) The application of Lithography 22

LIGA 的 應 用 光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 技 術 可 廣 泛 應 用 於 資 訊 電 子 生 物 醫 療 光 電 通 訊 等 微 機 電 系 統 的 開 發 23

光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 的 應 用 本 技 術 可 配 合 廠 商 的 產 品 設 計, 開 發 資 訊 電 子 生 物 醫 療 光 電 通 訊 等 產 業 前 瞻 / 創 新 關 鍵 性 零 組 件 製 程 技 術, 縮 短 產 品 研 發 時 程 微 細 元 件 製 程 技 術 (Microfabrication Technology) 24

微 細 元 件 製 程 技 術 (Microfabrication Technology) 的 應 用 微 細 元 件 製 程 技 術 (Microfabrication Technology) 的 應 用 25

重 要 設 備 (Equipment) 光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 的 應 用 26

光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 的 應 用 光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 的 應 用 微 流 量 計 技 術 開 發 模 組 27

光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 的 應 用 光 深 刻 電 鑄 成 型 (LIGA) 的 應 用 28

奈 米 級 定 位 平 台 技 術 奈 米 級 定 位 平 台 技 術 29

超 高 密 度 碟 片 刻 片 系 統 (Utra high density mastering system) 簡 化 刻 片 系 統 結 構 降 低 設 備 成 本 製 作 DVD HD-DVD DVD 等 高 密 度 碟 片 之 母 模 記 錄 密 度 達 20 Gbits/, 超 過 傳 統 碟 片 密 度 30