晶元製造的各個階段

晶元製造的各個階段，from AI小助理

(1) 晶圓準備階段 (Wafer Preparation)

  • 步驟：
    • 從矽錠（Silicon Ingot）切割成薄片（Wafer），進行拋光與清洗，形成高純度矽晶圓。
  • 所需材料：
    • 矽晶圓 (Silicon Wafers)：高純度單晶矽，厚度約 0.7-1mm，直徑 300mm。
    • 拋光液 (Slurry)：化學機械拋光（CMP）用漿料，含氧化矽或氧化鋁顆粒。
    • 清洗液 (Cleaning Chemicals)：去離子水（DI Water）、氫氟酸（HF）、氨水（NH4OH）等。
  • 潛在供應商：
    • 矽晶圓：信越化學（Shin-Etsu Chemical，日本）、勝高科技（GlobalWafers，台灣，美國上市母公司）、SUMCO（日本）。
    • 拋光液與清洗液：杜邦（DuPont，DD，美股）、恩特格里斯（Entegris，ENTG，美股）、Merck KGaA（德國，美國 ADR 交易）。

(2) 薄膜沉積階段 (Thin Film Deposition)

  • 步驟：
    • 在晶圓表面沉積多層薄膜（如金屬、絕緣層），使用化學氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）。
  • 階段的主要目的：
    • 形成電路結構的基礎層
      • 目的：沉積絕緣層（如氧化矽 SiO2）或導電層（如銅 Cu、鎢 W），作為電晶體、互連線與記憶體單元的基礎。
      • 作用：這些薄膜定義電路的電性特性（如絕緣或導電），確保電流在晶片內正確傳輸。例如，SiO2 用作電晶體的閘極絕緣層，銅用於互連線。
      • 技術意義：在台積電的 2nm 製程中，薄膜的均勻性與厚度控制至關重要，直接影響晶片的性能與功耗。
    • 提高晶片的絕緣與保護
      • 目的：沉積介電層（如氮化矽 Si3N4）或鈍化層，防止電流洩漏並保護晶圓免受外界環境（如濕氣、灰塵）影響。
      • 作用：這些層減少寄生電容，提升晶片穩定性，特別在高頻應用（如 5G、AI 晶片）中關鍵。
      • 技術意義：先進製程（如 3nm）對介電層的低介電常數（low-k）要求增加，需使用特殊材料。
    • 實現多層結構的堆疊
      • 目的：通過多次沉積形成多層薄膜，構建三維電路結構（如 FinFET 或 Gate-All-Around，GAA）。
      • 作用：多層結構提升晶片密度與計算能力，例如台積電 2nm 製程的 GAA 技術依賴多層金屬與絕緣膜堆疊。
      • 技術意義：薄膜的精準沉積決定了電路的層次與效能，影響 AI 與高效能運算晶片的發展。
    • 增強材料性能與兼容性
      • 目的：沉積特定材料（如高k 介電材料或金屬障壁層）以改善電性性能或與其他層的兼容性。
      • 作用：例如，高k 材料（如HfO2）替代傳統 SiO2，減少漏電流；鈦（Ti）或鉭（Ta）障壁層防止銅擴散。
      • 技術意義：這些材料在台積電先進製程中降低功耗與提升可靠性，滿足摩爾定律延續需求。
  • 所需材料：
    • 沉積材料：矽氧化物（SiO2）、氮化矽（Si3N4）、金屬（如銅、鎢）靶材。
    • 氣體：矽烷（SiH4）、氨氣（NH3）、氫氣（H2）。
    • 化學前驅體：有機金屬化合物（如 TEOS）。
  • 潛在供應商：
    • 靶材與氣體：應用材料（Applied Materials，AMAT，美股）、蘭姆研究（Lam Research，LRCX，美股）、Air Liquide（法國，美國 ADR 交易）。
    • 化學前驅體：Merck KGaA、Versum Materials（美國）。

(3) 光刻階段 (Photolithography)

  • 步驟：
    • 使用光刻機（EUV 或 DUV）將電路圖案轉印到晶圓，涉及塗布光阻劑（Photoresist）、曝光與顯影。
  • 所需材料：
    • 光阻劑 (Photoresists)：感光性聚合物，用於圖案轉移。
    • 顯影液 (Developer)：氫氧化四甲基銨（TMAH）溶液。
    • 抗反射塗層 (Anti-Reflective Coating, ARC)：減少光學干涉。
  • 潛在供應商：
    • 光阻劑與 ARC：杜邦（DD，美股）、JSR Corporation（日本，美國 ADR 交易）、Shin-Etsu Chemical（日本）。
    • 顯影液：Merck KGaA、Tokyo Ohka Kogyo（TOK，日本）。

(4) 蝕刻階段 (Etching)

  • 步驟：
    • 通過乾式或濕式蝕刻移除不需要的材料，形成電路結構。
  • 所需材料：
    • 蝕刻氣體：氟化碳（CF4）、三氟化氮（NF3）。
    • 蝕刻液：氫氟酸（HF）、磷酸（H3PO4）。
  • 潛在供應商：
    • 氣體與液體：蘭姆研究（LRCX，美股）、應用材料（AMAT，美股）、Air Products（美國）。

(5) 摻雜階段 (Doping)

  • 步驟：
    • 通過離子植入或熱擴散引入雜質（如硼、磷），改變矽的電性。
  • 所需材料：
    • 摻雜劑：硼烷（B2H6）、磷化氫（PH3）。
    • 光阻劑：保護非摻雜區域。
  • 潛在供應商：
    • 摻雜劑：Air Liquide、Linde（德國，美國 ADR 交易）。
    • 光阻劑：杜邦（DD，美股）、JSR。

(6) 互連階段 (Interconnect)

  • 步驟：
    • 在晶圓上形成金屬層（如銅互連），使用電鍍與CMP技術。
  • 所需材料：
    • 金屬靶材：銅（Cu）、鋁（Al）。
    • CMP 漿料：含氧化矽或氧化鋁的拋光液。
    • 電鍍液：硫酸銅（CuSO4）溶液。
  • 潛在供應商：
    • 靶材與電鍍液：應用材料（AMAT，美股）、Honeywell（美國）。
    • CMP 漿料：杜邦（DD，美股）、Cabot Microelectronics（美國）。

(7) 封裝與測試階段 (Assembly and Testing)

  • 步驟：
    • 將晶圓切割成單芯片（Dicing），封裝（Encapsulation）並測試（Testing）。
  • 所需材料：
    • 封裝材料：環氧樹脂（Epoxy）、基板（Substrate）。
    • 切割液：去離子水與化學添加劑。
    • 測試探針 (Test Probes)：金屬探針。
  • 潛在供應商：
    • 封裝材料：ASE 集團（台灣，3711.TW）、Kyocera（日本，美國 ADR 交易）。
    • 切割液與探針：恩特格里斯（ENTG，美股）、Tokyo Electron（日本，美國 ADR 交易）。
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