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半導體技術是指半導體加工的各種技術,包括晶圓的生長技術、薄膜沉積、光刻、蝕刻、摻雜技術和工藝整合等技術。

1 半導體技術 -技術概念

  半導體技術就是以半導體為材料,製作成組件及集成電路的技術。在周期表裡的元素,依照導電性大致可以分成導體、半導體與絕緣體三大類。最常見的半導體是硅(Si),當然半導體也可以是兩種元素形成的化合物,例如砷化鎵(GaAs),但化合物半導體大多應用在光電方面。

  絕大多數的電子組件都是以硅為基材做成的,因此電子產業又稱為半導體產業。半導體技術最大的應用是集成電路(IC),舉凡計算機、手機、各種電器與信息產品中,一定有 IC 存在,它們被用來發揮各式各樣的控制功能,有如人體中的大腦與神經。

  如果把計算機打開,除了一些線路外,還會看到好幾個線路板,每個板子上都有一些大小與形狀不同的黑色小方塊,周圍是金屬接腳,這就是封裝好的 IC。如果把包覆的黑色封裝除去,可以看到裡面有個灰色的小薄片,這就是 IC。

  如果再放大來看,這些 IC 裡面布滿了密密麻麻的小組件,彼此由金屬導線連接起來。除了少數是電容或電阻等被動組件外,大都是晶體管,這些晶體管由硅或其氧化物、氮化物與其它相關材料所組成。整顆 IC 的功能決定於這些晶體管的特性與彼此間連結的方式。

  半導體技術的演進,除了改善性能如速度、能量的消耗與可靠性外,另一重點就是降低製作成本。降低成本的方式,除了改良製作方法,包括製作流程與採用的設備外,如果能在硅晶元的單位面積內產出更多的 IC,成本也會下降。所以半導體技術的一個非常重要的發展趨勢,就是把晶體管微小化。當然組件的微小化會伴隨著性能的改變,但很幸運的,這種演進會使 IC 大部分的特性變好,只有少數變差,而這些就需要利用其它技術來彌補了。

  半導體製程有點像是蓋房子,分成很多層,由下而上逐層依藍圖布局迭積而成,每一層各有不同的材料與功能。隨

  著功能的複雜,不只結構變得更繁複,技術要求也越來越高。與建築物最不一樣的地方,除了尺寸外,就是建築物是一棟一棟地蓋,半導體技術則是在同一片晶元或同一批生產過程中,同時製作數百萬個到數億個組件,而且要求一模一樣。因此大量生產可說是半導體工業的最大特色 。

  把組件做得越小,晶元上能製造出來的 IC 數也就越多。儘管每片晶元的製作成本會因技術複雜度增加而上升,但是每顆 IC 的成本卻會下降。所以價格不但不會因性能變好或功能變強而上漲,反而是越來越便宜。正因如此,綜觀其它科技的發展,從來沒有哪一種產業能夠像半導體這樣,持續維持三十多年的快速發展。

  半導體製程是一項複雜的製作流程,先進的 IC 所需要的製作程序達一千個以上的步驟。這些步驟先依不同的功能組合成小的單元,稱為單元製程,如蝕刻、微影與薄膜製程;幾個單元製程組成具有特定功能的模塊製程,如隔絕製程模塊、接觸窗製程模塊或平坦化製程模塊等;最後再組合這些模塊製程成為某種特定 IC 的整合製程

  

半導體技術



 

2 半導體技術 - 半導體納米技術


  納米技術有很多種,基本上可以分成兩類,一類是由下而上的方式或稱為自組裝的方式,另一類是由上而下所謂的微縮方式。前者以各種材料、化工等技術為主,後者則以半導體技術為主。

  以前我們都稱 IC 技術是「微電子」技術,那是因為晶體管的大小是在微米(10-6米)等級。但是半導體技術發展得非常快,每隔兩年就會進步一個世代,尺寸會縮小成原來的一半,這就是有名的摩爾定律(Moore』s Law)。

  大約在 15 年前,半導體開始進入次微米,即小於微米的時代,爾後更有深次微米,比微米小很多的時代。到了 2001 年,晶體管尺寸甚至已經小於 0.1 微米,也就是小於 100 奈米。因此現在是奈米電子時代,未來的 IC 大部分會由奈米技術做成。但是為了達到奈米的要求,半導體製程的改變須從基本步驟做起。每進步一個世代,製程步驟的要求都會變得更嚴格、更複雜。

3 半導體技術 -  製程技術的挑戰


  曝光顯影:在所有的製程中,最關鍵的莫過於微影技術。這個技術就像照相的曝光顯影,要把 IC 工程師設計好的藍圖,忠實地製作在晶元上,就需要利用曝光顯影的技術。在現今的奈米製程上,不只要求曝光顯影出來的圖形是幾十奈米的大小,還要上下層結構在 30 公分直徑的晶圓上,對準的準確度在幾奈米之內。這樣的精準程度相當於在中國大陸的面積上,每次都能精準地找到一顆玻璃彈珠。因此這個設備與製程在半導體工廠里是最複雜、也是最昂貴的。

  半導體技術進入納米時代后,除了水平方向尺寸的微縮造成對微影技術的嚴苛要求外,在垂直方向的要求也同樣地嚴格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 奈米,而且在整片上的誤差小於 5%。這相當於在100個足球場的面積上要很均勻地鋪上一層約1公分厚的泥土,而且誤差要控制在 0.05 公分的範圍內。

  蝕刻:另外一項重要的單元製程是蝕刻,這有點像是柏油路面的刨土機或鑽孔機,把不要的薄層部分去除或挖一個深洞。只是在半導體製程中,通常是用化學反應加上高能的電漿,而不是用機械的方式。在未來的奈米蝕刻技術中,有一項深度對寬度的比值需求是相當於要挖一口 100 公尺的深井,挖完之後再用三種不同的材料填滿深井,可是每一層材料的厚度只有 10 層原子或分子左右。這也是技術上的一大挑戰。

  除了精準度與均勻度的要求外,在量產時對於設備還有一項嚴苛的要求,那就是速度。因為時間就是金錢,在同樣的時間內,如果能製造出較多的成品,成本自然下降,價格才有競爭力。另外質量的穩定性也非常重要,不只同一批產品的質量要一樣,今天生產的 IC 與下星期、下個月生產的也要具有同樣的性能,因此質量管控非常重要。通常量產工廠對於生產條件的管制,包括原料、設備條件、製程條件與環境條件等要求都非常嚴格,不容任意變更,為的就是保持質量的穩定度。

4 半導體技術 -  材料問題


  電子組件進入奈米等級后,在材料方面也開始遭遇到一些瓶頸,因為原來使用的材料性能已不能滿足要求。最簡單的一個例子,是所謂的閘極介電層材料;這層材料的基本要求是要能絕緣,不讓電流通過。現在使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅,在一般狀況下這是一個非常好的絕緣材料。

  但因組件的微縮,使得這層材料需要越做越薄。在奈米尺度時,如果繼續使用這個材料,這層薄膜只能有約 1 奈米的厚度,也就是 3 ~ 4 層分子的厚度。但是在這種厚度下,任何絕緣材料都會因為量子穿隧效應而導通電流,造成組件漏電,以致失去應有的功能,因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已經沿用了三十多年,幾乎是集各種優點於一身,這也是使硅能夠在所有的半導體中脫穎而出的關鍵,要找到比它功能更好的材料與更合適的製作方式,實在難如登天。

  而且,材料是組件或 IC 的基礎,一旦改變,所有相關的設備與後續的流程都要跟著改變,真的是牽一髮而動全身,所以半導體產業還在堅持,不到最後一刻絕對不去改變它。這也是為什麼 CPU 會越來越燙,消耗的電力越來越多的原因。因為現在的 CPU 中,晶體管數量甚多,運作又快速,而每一個晶體管都會「漏電」所造成。這種情形對桌上型計算機可能影響不大,但在可攜式的產品如筆記型計算機或手機,就會出現待機或可用時間無法很長的缺點。

  也因為這樣,近年來許多學者相繼提出各種新穎的結構或材料,例如利用自組裝技術製作奈米碳管晶體管,想利用奈米碳管的優異特性改善其功能或把組件做得更小。但整個產業要做這麼大的更動,在實務上是不可行的,頂多只能在特殊的應用上,如特殊感測組件,找到新的出路。

5 半導體技術 -  進步快速的主因


  儘管有種種挑戰,半導體技術還是不斷地往前進步。分析其主要原因,總括來說有下列幾項。

  先天上,硅這個元素和相關的化合物性質非常好,包括物理、化學及電方面的特性。利用硅及相關材料組成的所謂金屬氧化物半導體場效晶體管,做為開關組件非常好用。此外,因為性能優異,輕、薄、短、小,加上便宜,所以應用範圍很廣,可以用來做各種控制。換言之,市場需求很大,除了各種產業都有需要外,新興的所謂 3C 產業,更是以 IC 為主角。

  因為需求量大,自然吸引大量的人才與資源投入新技術與產品的研發。產業龐大,分工也越來越細。半導體產業可分成幾個次領域,每個次領域也都非常龐大,譬如 IC 設計、光罩製作、半導體製造、封裝與測試等。其它配合產業還包括半導體設備、半導體原料等,可說是一個火車頭工業。

  因為投入者眾,競爭也劇烈,進展迅速,造成良性循環。一個普遍現象是各大學電機、電子方面的課程越來越多,分組越細,並且陸續從工學院中獨立成電機電子與信息方面的學院。其它產業也紛紛尋求在半導體產業中的應用,這在全世界已經變成一種普遍的趨勢。

  總而言之,半導體技術已經從微米進步到奈米尺度,微電子已經被奈米電子所取代。半導體的奈米技術可以代表以下幾層意義:它是唯一由上而下,採用微縮方式的奈米技術;雖然沒有革命性或戲劇性的突破,但整個過程可以說就是一個不斷進步的歷程,這種動力預期還會持續一、二十年。

  此外,組件會變得更小,IC 的整合度更大,功能更強,價格也更便宜。未來的應用範圍會更多,市場需求也會持續增加。像高速個人計算機、個人數字助理、手機、數字相機等等,都是近幾年來因為 IC 技術的發展,有了快速的 IC 與高密度的內存后產生的新應用。由於技術挑戰越來越大,投入新技術開發所需的資源規模也會越來越大,因此預期會有更大的就業市場與研發人才的需求。

  半導體器件有許多封裝型式,從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP,技術指標一代比一代先進,這些都是前人根據當時的組裝技術和市場需求而研製的。總體說來,它大概有三次重大的革新:第一次是在上世紀80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝,極大地提高了印刷電路板上的組裝密度;第二次是在上世紀90年代球型矩正封裝的出現,它不但滿足了市場高引腳的需求,而且大大地改善了半導體器件的性能;晶片級封裝、系統封裝、晶元級封裝是現在第三次革新的產物,其目的就是將封裝減到最小。每一種封裝都有其獨特的地方,即其優點和不足之處,而所用的封裝材料,封裝設備,封裝技術根據其需要而有所不同。驅動半導體封裝形式不斷發展的動力是其價格和性能。

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