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2.2 製程技術和實驗工具
2.2.1 無塵室
從事半導體製造的公司通常需要有雄厚的資金，其中主要原因就是她們需要一個 乾淨無污染的空間來製作積體電路，尤其是在黃光微影的過程，更是非常注重。假設 有顆灰塵附著在晶片或者光罩上，有很大的機會使得電路短路，良率降低而導致巨大 的損失。根據統計，在晶圓片上只要多一粒灰塵，就會使得一間晶圓製造廠的年度損 失超過 130 萬美元。舉個例子來說，當灰塵顆粒進入閘極氧化層中，會增加其導電特 性，使得元件因為薄膜承受不了閘極施加的電壓而鑿穿，損壞元件。最重要的是在黃 光微影的過程中，必須灰塵顆粒降到最少，因為這些顆粒附著到光罩上，就會使得在 微影製程中,造成負光阻上產生細孔，或者在正光阻上留下殘餘物。在蝕刻過程中，
這些殘餘物和細孔就會轉移到晶圓表面，引起缺陷。現在積體電路製作上需要經過好 幾百道黃光微影等步驟，光罩上的粒子就成了影響良率的重大關鍵。其他像是在離子 佈值得過程中，灰塵顆粒會擋住佈值離子造成不完全的接面。在金屬化的過程中，灰 塵很有可能使得金屬線斷裂，或者兩條金屬線短，這些都是灰塵可能對元件的特性造 成影響，圖 2.6 表示光罩粒子汙染在微影製程中所造成的影響。
這些灰塵顆粒較大者可以利用氮氣槍來將以處哩，但隨著尺寸的微縮，氮氣槍雖 然可以將較大顆粒的灰塵除去，但同時也會增加晶圓表面較微小的顆粒，
所以如何將晶片製造過程中，灰塵數目降到最少，是半導體業者的一大難題。
將空間中的溫度、溼度、灰塵、氣流、風速等等控制在一定的定值內，這空間我 們就稱為無塵室。無塵室分類標準是由公制和英制的組合如圖 2.7。在十級的無塵室 是指在每立方英尺中，直徑大於 0.5 微米的粒子數目要少於 10 顆。在一級的無塵室 須達到每立方英尺中，直徑大於 0.5 微米的微粒數量少於 1 顆。而在最高級 M-1 使用 的單位卻是公制單位，每立方公尺內其直徑大於 0.5 微米的微粒數目必須少於 10 顆。
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但無塵室的成本龐大，業者們為了降低成本，通常只有在製程區材設計擁有最高 等級的無塵室，設備區則是較低等級的無塵室，而無塵室的氣壓永遠比非無塵室的區 域還高，避免開門時造成空氣流動而帶進微粒。同樣的不同等級的無塵室，高等級的 區域氣壓要比較低等級的區域還高。
2.2.2 晶圓清洗
在積體電路製程中，晶圓清洗之技術及潔淨度是影響晶圓製程良率、元件品質及 可靠度最重要的原因之一，而在成長熱氧化物之前的清洗步驟是製程中所以清潔步驟 最關鍵的一環，因為之後所成長的閘極氧化層品質與晶圓表面潔淨度有關，最常使用 的晶圓表面清洗步驟為濕式化學法。
標準的 RCA 清洗步驟如圖 2.8，包含了去離子水的沖洗、硫酸溶液的氧化反應、
稀釋過的氫氟酸蝕刻氧化物及 SC-1 和 SC-2 去除表面微粒、金屬或有機物。
利用硫酸和雙氧水產生激烈的放熱反應，使的溶液溫度上升至75~80度，形成 H2SO5，H2SO5有很強的氧化能力，能有分解氧化有機物，隨後利用稀釋過的氫氟酸 (HF : H2O = 1:100)來蝕刻硫酸溶液反應所產生的氧化層。接著浸泡SC-1溶液去除晶圓 表面的微粒：其原理是利用雙氧水在晶圓表面形成氧化層，同時氨水會溶解oxide。
由於微粒子是以凡得瓦力吸附於晶圓表面，SC-1氧化加蝕刻的作用，會拉開微粒子與 silicon表面的距離，降低兩者接觸面積，進而減弱凡得瓦力，最終微粒子會因吸附力 不足，脫離表面而被溶液帶走。浸泡SC-2溶液，主要是利用其高氧化能力和強酸特性，
將金屬與有機物自晶圓表面移除。強烈的氧化作用，可以使得金屬離子化溶解於酸性 溶液中。SC-1和SC-2之間要利用稀釋過後的氫氟酸將SC-1殘留下的氧化物給去除。
最後以去離子水沖洗殘留下的氫氟酸，在利用氮氣槍或者旋乾機去除表面水分。
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2.2.3 加熱製程
加熱製程通常是在高溫爐管中進行，高溫爐一般是由五個系統所組成：控制系統、
製程爐管、氣體輸送、氣體排放和裝載系統，依照石英管和加熱器的位置可分為水平 式和直立式兩種
直立式爐管是目前半導體業者較多使用的方式，因為其佔地面積小、微粒汙染較 低、能處理較大量的晶圓、均勻性也較佳、維修成本也較低。尤其爐管放置和晶圓裝 載系統垂直放置，可節省無塵室的空間，並且垂直放置所以灰塵只會掉在最上面的晶 圓上。
本實驗利用水平式爐管高溫爐，如圖2.9，將晶圓放置在石英舟上，晶舟是放在 一個碳化矽所製的承載台上，載有晶圓慢慢推進石英爐管中，並將晶圓放到爐管的溫 度平坦區進行加熱製程，加熱反應製程後慢慢的拉出，以避免突然的溫度變化而使晶 圓彎曲。
熱氧化法是到目前為止最常被利用來成長二氧化矽氧化層，也是目前矽成為 IC 產業之主要半導體材料的關鍵。因為砷化鎵不能產生一層穩定且附著在砷化鎵上的絕 緣層。圖 2.10 表示利用熱氧化方式成長緩衝層。
常見的熱氧化法有兩種：乾氧化法(Dry oxidation)和濕氧化法（Wet oxidation），
其反應式如下：
solid O2 gas SiO2solid
Si
(2-6)
solid 2H2O gas SiO2solid 2H2 gas
Si
(2-7)
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2.2.4 微影技術
微影技術又稱為 IC 製造的核心，在 IC 的製造上有許多的地方都必須使用微影技 術，例如離子佈植的區域，金屬線的接觸點等。微影技術是將設計好的圖案從光罩或 者倍縮光罩上轉印到晶圓表面的光阻上時所用的技術。
一、曝光工具
傳統的曝光工具為接觸式曝光機，光罩與晶圓上的光阻直接地接觸，紫外光直接 從光罩上的透明區域穿過而將光阻曝光，這種方式解析度良好但表面容易產生微粒，
使得元件良率降低，光罩壽命也比較短。為了增加良率，工程師採用了另一種方式曝 光，稱之為鄰接式，將光罩放置在距離光阻約10~20微米的地方，這種方式光罩壽命 就比接觸式長很多，不過由於光罩跟晶圓有段距離，解析度較為不好。為了提昇解析 度又同時可以減少微粒的汙染，投影式曝光系統就被發展出來，在光源跟光罩中間放 置透鏡，減少光的散射，改善解析度。
近年來科技發展迅速，元件尺寸不斷的微縮，步進機已經慢慢取代了投影式的曝 光系統，步進機的光罩上的圖案比例比所要轉移的圖案大，透過曝光系統能夠將光罩 上的圖案縮小，曝光在某一個區域，但由於每次曝光只能在晶圓上的一小部分區域，
所以需要重複曝光許多次。步進機的優點是元件的良率及解析度較高。
二、光罩
光罩所使用材質一般是石英片或玻璃，接著鍍上一層鉻金屬當作阻擋層，隨後旋 塗上正光阻，利用電子束或者雷射雕刻圖形，經過顯影蝕刻步驟，在利用丙酮將光阻 去除，完成了光罩的製作。
光罩是積體電路製造中最重要的一環，光罩有任何缺陷都會被投射到晶圓表面，
極使是很小的缺線都會影響晶片的良率。為了避免這個情形，半導體業者改用搭配步 進機的倍縮光罩來進行微影製程，即使倍縮光罩上有一些微粒，光罩步進機都可以大 大減少這些微粒在晶圓上產生缺陷的機會。
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三、光阻
光阻是一種感光材料，用來暫時塗佈在晶圓片上，只對紫外線感光，由於光阻不 會對黃光感光，所以半導體工廠都使用黃光來照明微影技術區域，所以又稱為黃光區、
光學區。光阻有兩種：正光阻和負光阻。
正光阻主要成分為樹指，在曝光之前已經是交連狀聚合體，經過曝光後，曝光區 域的交連狀聚合體會因為光溶解化作用產上反應的光化學反應而斷裂軟化，然後在被 顯影劑所溶解，留下未曝光的區域。半導體工廠目前都使用正光阻，因正光阻不會吸 收顯影劑，能夠達到較高的解析度，所產生的圖像與光罩圖案相同，但由於正光阻附 著力較差，須經過 HMDS 來增加其附著力。
負光阻主要成分為橡膠，曝光部分會因為光化學反應而變成交連狀聚合物極高分 子化，並且在顯影後變硬而保留在晶圓的表面上，未曝光的區域則會被顯影劑所溶解，
由於負光阻會吸收顯影劑，造成光阻膨脹效應，扭曲圖案，解析度變差，半導體業者 直到 3 微米製程前還是使用負光阻，主要是負光阻附著力較佳且價格便宜。
四、圖案轉移步驟
將晶圓經過清洗後，將晶圓放置在 120oC 的熱平板上做預烤的動作，主要是為了 去除晶圓表面的濕氣，避免較差的附著力導致光阻的圖案化失敗，接著將晶圓放置 HMDS(hexa-methylene-di-siloxane)烤箱內，是為了改善有機物光阻和基板間的附著力，
使得親水性的表面能夠均勻的圖上光阻。 接著將晶圓放置在真空吸盤上，在晶圓中 心點滴上 2-3 cc 的液態光阻，晶圓加速旋轉到固定的轉速，這時間持續約 30 秒，轉 速通常為 1000-10,000 轉，形成的光阻厚度約 0.5 to 1 微米，光阻的附著力跟厚度有很 大的關聯性。
經過旋鍍光阻的步驟後，將晶圓放置在 90oC 的熱平板上做軟烤的動作，這步驟 是要移除光阻上的溶劑，增加光阻和晶圓的附著力，接著將晶圓及光罩在光學曝光系 統下對準，使用紫外光來對光阻做曝光的動作。曝光後的晶圓經過顯定影後，晶圓放