本文摘要

  • 半导体是一种材料,具有特殊的电子导电性质,可应用于太阳能电池、LED;或是製成晶片,再加工成IC积体电路、记忆体芯片、蓝牙、Wi-Fi通信模组等。
  • 半导体晶圆製程的步骤包括晶圆製造和晶片加工两大阶段,各阶段里又包含多项步骤。
  • 流量计在半导体製程中的应用包括化学供应系统的测量和控制、纯水淨化和过滤系统中的量测与监控,由于些微的液体流量差异便会对製程结果产生影响,且设备经常接触高酸硷药剂,因此流量计必须具备微小流量的精准测量性能,以及良好的耐化学性。
  • 在半导体製造过程中会产生废弃,为了符合环保法规并实现永续发展目标,需要使用螺旋喷嘴在废气处理塔内喷洒洗涤剂,将有害物质转换成稳定且易处理的化合物。

本文目录


一、什麽是半导体?

半导体(semiconductor)是一种材料,它的导电能力介于导体(如金属)和绝缘体(如陶瓷)之间,具有特殊的电子导电性质,可以控制导电性。半导体技术可应用于结构较简单的半导体元件,如太阳能电池、LED;更常见的是先製成晶片,再加工成各种电子元件,像是IC积体电路、伺服器中的微处理器、记忆体芯片、各种通信模组(如蓝牙、Wi-Fi、行动通信),防锁死煞车系统(ABS)等等,半导体技术广泛应用于各个领域,是现代科技进步的一大助力。

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二、一张图搞懂半导体晶圆製程

半导体晶圆製作流程

晶圆和晶片有什麽差别呢?晶圆是製造晶片的起始材料,它是一个薄而圆形的硅基板,通常由单晶硅製成。在晶圆製造( Wafer manufacture)过程中,包含两大阶段:第一阶段-晶圆製造(Wafer Manufacturing),包含纯化、长晶、拉晶、切片、抛光研磨步骤;第二阶段-晶片加工(Wafer Fabrication),包括气相沉积、光阻涂佈、曝光、显影、蚀刻、光阻剥除步骤。

纯化 | Wafer Cleaning
纯化 | Wafer Cleaning
透过高温熔炼、溶剂(如HF氢氟酸或KOH氢氧化钾)等方式清洗晶圆原始材料表面,去除汙染和有机残留物,以确保良好的基材品质

长晶 | Crystal Growth
长晶 | Crystal Growth
将高纯度的硅原料-二氧化硅,放入炉中提炼,还原成冶炼级的硅,再经蒸馏纯化后,透过慢速分解过程,产生出「多晶硅」。

拉晶 | Ingot Pulling
拉晶 | Ingot Pulling
拉晶 (Ingot Pulling):将多晶硅与硼酸、磷放入石英坩埚中,在高温下熔化,将探棒(单晶硅棒)浸入并旋转拉升,沾附在晶种上的硅随之冷凝,均匀附着在探棒上,形成柱状单晶硅锭。

切片 | Wafer Slicing
切片 | Wafer Slicing
刚製成的晶柱表面不平整,须经过工业级鑽石磨具加工,再去除两端尖锥状部分,调整晶柱的直径,并使用高硬度的锯片或线锯,将圆柱切割成晶圆薄片。

抛光研磨 Polishing & Lapping
抛光研磨 Polishing & Lapping
晶圆经过切割后表面粗糙,需进行抛光研磨,其步骤繁琐,抛光目的是将晶体表面变为更平滑光亮;而使用研磨则是将晶圆边缘磨成光滑圆弧形。

气相沉积 | CVD
气相沉积 | CVD
CVD(Chemical Vapor Deposition)化学气相沉积,是将气态前体引入反应室,这些气体接触到加热的基材后,产生沉积物质,并在基材表面沉积一层薄膜,製造绝缘层或导体层。

光阻涂佈 | Photoresist Coating
光阻涂佈 | Photoresist Coating
光阻受到曝光时,化学结构会发生变化,此阶段将光阻液涂佈在晶圆表面,形成均匀的光阻层,使其在后续的曝光和显影步骤中能够被移除或保留,形成所需的图案。

曝光 | Exposure
曝光 | Exposure
利用光罩上的图案,将光阻层曝光于紫外线下,把光罩对齐到被涂佈光阻的晶圆上,受到光照的区域会引起光阻层的化学反应,引起光化学反应。

显影 | Developing
显影 | Photolithography
利将曝光后的晶圆浸泡在显影溶液(可能包含硷性物质如氢氧化钠、氢氧化钾及添加剂等),使光阻层仅在曝光区域保留,未曝光区域被去除,形成模板。

蚀刻 | Etching
蚀刻 | Etching
用酸或硷性蚀刻液,根据光阻层上的图案去除底层材料,晶圆表面已经受到保护的区域(曝光后的光阻区域)则不受影响,形塑出晶片的微细结构。

光阻剥除 | Photoresist Stripping
光阻剥除 | Photoresist Stripping
完成显影后,利用化学剥除、热力学剥除、机械剥除等方式移除残留光组,如利用剥除溶液,去除残留的光阻,目的是防止任何残留物对元件的性能造成不良影响。

清洗 | Final Cleaning
清洗 | Final Cleaning
最终,晶片需再次清洗,方法可能使用有机或无机溶剂、表面活性剂或是超音波清洗等技术,以去除製程中残留的化学物质和微粒,确保製成的晶片乾淨且符合规格。
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三、流量计与喷嘴在半导体产业的应用

在半导体晶圆如此複杂细緻的製程中,每一个步骤的化学液体供应和流量都极为重要,因为它影响了最终产品的品质和稳定性。液体流量计能精确地控制和监测液体的管道流量,以保证产品的品质和性能,因此,液体流量计在半导体製程中是不可或缺的一部分。

应用一:药剂流量的监测

半导体製程中须使用各项化学药品,化学药品之供应与输送由厂务中央供酸系统供应与传送,化学药品本身为危险性液体,具有腐蚀性、毒性、易燃性等特点,且化学药品本身价值昂贵,如何安全稳定且最大效率使用成为化学供应系统的重点,及未来高科技厂房之发展方向。

 
化学药剂从中央储备场运输至各项设备时,使用流量计可以精确地监测液体用量

      ➤ 实际案例:中国科技半导体工厂

情况:传统工厂若没有预先设计中央供酸系统,需要将各种化学品分别输送至不同厂房与不同设备上,在使用上常常有发生公安危险的隐患,且无法将化学品用量最佳化。

解决方案:LORRIC FP-AS510蹼轮(叶轮)式流量计
为解决此问题,我们建议该公司工厂设置中央化学药剂储藏室,每次作业时,化学药剂从中央输送至各台机器,再利用FP-AS510蹼轮(叶轮)式流量计精准计算用量,以降低过程中损失的化学药剂成本。FP-AS510蹼轮(叶轮)式流量计为本司获多国专利及认证的流量计,搭载专利 AxleSense 轴感应技术,其水车叶片结构,在流体经过时能够感测极端微小的流量,藉此达到精准的液体测量,FP-AS510更是具有叶片异常的即时监测能力,可侦测叶片消失造成的零流量问题,透过安装FP-AS510,该公司能够在配药时精准计算每一台机器的用量,以达到降低成本的效果。此外,由于化学药剂具有高浓度酸硷性质,在储存和输送过程中易产生危险,使用FP-AS510也能解决这个问题,本产品使用PVDF材质,拥有良好的抗溶剂及抗酸硷腐蚀性能,不需担心药剂腐蚀及渗漏的问题,完善解决了工安的问题。

应用二:纯水的量测与监控

半导体製造过程中需要使用大量的纯水进行清洗晶圆、冲洗电子元件、蚀刻等操作,在纯水处理过程中,常常需要精确地测量液体流量,如在反渗透(RO)过程中,需测量浓缩液的流速,以控制浓缩比及防止膜结垢,通过持续监测水的流速,也可监控RO设备的性能,及时发现可能的故障或异常;在去离子交换(DI)过程,会使用离子交换树脂去除水中的离子,此时需要监测流经树脂的水流速、反洗液体流经树脂的速度的流速,以确保确保树脂得到充分的接触时间,以有效去除离子。另外,在纯水製程的化学添加阶段也需精准控制药剂用量,如测量消毒剂(氯、二氧化氯、臭氧等)用量,确保水中微生物的去除作业,或是pH 调节剂用量( 硫酸、氢氧化钠等),以确保水质稳定性。由此可见,纯水处理作业对于液体流速测量,以及测量工具的耐化学性,有极高的要求。

在去离子交换(DI)过程反渗透(RO)过程,监测液体的流速可以确保纯水品质,监控设备性能

      ➤ 实际案例:台湾晶圆代工大厂

情况:该厂为专业之水处理系统规划设计之工程公司,业务范围包括超纯水系统、废水回收、废水处理工程等,在纯水处理的阶段,因为纯水不导电,无法使用常见的电磁式流量计,该公司欲选择超音波流量计,但是市面上常见的超音波流量计安装及设定步骤困难繁琐,且需要定期补充超音波膏,使用体验不佳,并且在纯水处理阶段的作业中,该公司也需要选择能够精确测量液体的微小流量,并具备良好耐化学性的测量工具。

解决方案:LORRIC的超音波流量计
我们建议该公司纯水处理设备中安装LORRIC的超音波流量计,具备便利安装的特性,由于能够双向流量量测,安装时无须考虑液体流向;其专利探头安装轨道,利于快速安装、精确定位,专利扣具使管线紧密贴合,大幅提升流量侦测准确性,能稳定侦测结果,并且具备非破坏安装特性,能随时卸载维修,解决了一般流量计安装及设定步骤困难繁琐的问题。此外,超音波流量计藉由两个超音波传感器,测量接收到的超音波的频率来计算超音波在液体中的传播速度,藉此达到精确测量的效能,如在反渗透(RO)设备安装超音波流量计,监控穿过超滤膜的高浓度水,以确保反渗透系统的稳定运行,或是在去离子交换(DI)过程,监测流经树脂的水流速等,以达到最佳离子去除效果,LORRIC的超音波流量计也具有良好的耐化学性,符合了该公司的需求。

应用三:螺旋喷嘴-半导体废气处理的核心部件

半导体製造过程中,会产生含有害的气体的废气(氨气、二氧化硫、二氧化氮、氢氟酸等),因此需要利用螺旋喷嘴,在废气处理塔内喷洒洗涤剂如硷性洗涤剂(氢氧化钠)来中和酸性气体(氨气):或是酸性洗涤剂(氢氟酸),以中和硷性气体(氢氧化钠、氢氧化铵),如此,变能将有害物质转换成稳定和易处理的化合物,淨化工厂排放出的废气,避免触犯废气处理法规,也达成企业永续发展的目标。

废弃处理塔以喷嘴喷洒药剂,将半导体製程中产生的有害物质转换成稳定易处理的化合物

      ➤ 实际案例:台湾晶圆代工大厂

情况:一般厂牌製造的喷嘴,主要採用塑料射出形成的方法,直接製成模型形状的喷嘴,由于喷嘴从模具中脱模时受到一定角度的限制,这种製造方式会使螺旋喷嘴无法拥有高精度的螺旋切面和锥形通道,导致产品喷洒面积小,效果不佳。 此外,白牌厂商常使用PP(聚丙烯)生产喷嘴,其强度和硬度不足、易断裂,且对高温化学环境的耐受性有限。 一般厂牌的喷嘴,不仅无法达到最佳的喷洒面积,也不具备半导体产业废弃处理所需的抗腐蚀特性。

解决方案:LORRIC螺旋喷嘴
LORRIC螺旋喷嘴採用机械加工的方式製成,用器械将材料凋刻成实心圆锥喷型的单件式螺旋喷嘴,其较一般厂牌大的异物通过路径,能有效避免杂质阻塞,喷洒复盖面也较市面其他厂牌的喷嘴大,角度最大可达170度。另外,LORRIC螺旋喷嘴採用顶级的耐腐材料 - UPVC(聚氯乙烯)及PEEK(聚醚醚酮),能够延长喷嘴在高度接触化学药剂的场域中的使用寿命,成为半导体製造业废气处理的最佳选择。

参考资料

  1. ^ 半导体-维基百科
  2. ^ Smart学习网 - 半导体科普》晶片、晶圆傻傻分不清?一张图秒懂半导体生态(2020-11-30)
  3. ^ Modutek Corp. - WAFER CLEANING PROCESS (2021-09-15)
  4. ^ Power & Beyond - Introduction to semiconductor manufacturing(2023-09-13)
  5. ^ 国立台湾大学 - 半导体製造概論(2009-10-17)
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