什麼是半導體？如何製造出優良晶片？一張圖搞懂晶圓製程

Bobby Brown

更新 2023-11-23

本文摘要

半導體是一種材料，具有特殊的電子導電性質，可應用於太陽能電池、LED；或是製成晶片，再加工成IC積體電路、記憶體芯片、藍牙、Wi-Fi通信模組等。
半導體晶圓製程的步驟包括晶圓製造和晶片加工兩大階段，各階段裡又包含多項步驟。
流量計在半導體製程中的應用包括化學供應系統的測量和控制、純水淨化和過濾系統中的量測與監控，由於些微的液體流量差異便會對製程結果產生影響，且設備經常接觸高酸鹼藥劑，因此流量計必須具備微小流量的精準測量性能，以及良好的耐化學性。
在半導體製造過程中會產生廢棄，為了符合環保法規並實現永續發展目標，需要使用螺旋噴嘴在廢氣處理塔內噴灑洗滌劑，將有害物質轉換成穩定且易處理的化合物。

一、什麼是半導體？

半導體（semiconductor）是一種材料，它的導電能力介於導體(如金屬)和絕緣體(如陶瓷)之間，具有特殊的電子導電性質，可以控制導電性。半導體技術可應用於結構較簡單的半導體元件，如太陽能電池、LED；更常見的是先製成晶片，再加工成各種電子元件，像是IC積體電路、伺服器中的微處理器、記憶體芯片、各種通信模組(如藍牙、Wi-Fi、行動通信)，防鎖死煞車系統(ABS)等等，半導體技術廣泛應用於各個領域，是現代科技進步的一大助力。

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二、一張圖搞懂半導體晶圓製程

| 半導體晶圓製作流程

晶圓和晶片有什麼差別呢？晶圓是製造晶片的起始材料，它是一個薄而圓形的矽基板，通常由單晶矽製成。在晶圓製造( Wafer manufacture)過程中，包含兩大階段：第一階段－晶圓製造(Wafer Manufacturing)，包含純化、長晶、拉晶、切片、拋光研磨步驟；第二階段－晶片加工(Wafer Fabrication)，包括氣相沈積、光阻塗佈、曝光、顯影、蝕刻、光阻剝除步驟。

純化 | Wafer Cleaning
透過高溫熔煉、溶劑（如HF氫氟酸或KOH氫氧化鉀）等方式清洗晶圓原始材料表面，去除污染和有機殘留物，以確保良好的基材品質

長晶 | Crystal Growth
將高純度的矽原料-二氧化矽，放入爐中提煉，還原成冶煉級的矽，再經蒸餾純化後，透過慢速分解過程，產生出「多晶矽」。

拉晶 | Ingot Pulling
拉晶 (Ingot Pulling):將多晶矽與硼酸、磷放入石英坩堝中，在高溫下熔化，將探棒(單晶矽棒)浸入並旋轉拉升，沾附在晶種上的矽隨之冷凝，均勻附著在探棒上，形成柱狀單晶矽錠。

切片 | Wafer Slicing
剛製成的晶柱表面不平整，須經過工業級鑽石磨具加工，再去除兩端尖錐狀部分，調整晶柱的直徑，並使用高硬度的鋸片或線鋸，將圓柱切割成晶圓薄片。

拋光研磨 | Polishing & Lapping
晶圓經過切割後表面粗糙，需進行拋光研磨，其步驟繁瑣，拋光目的是將晶體表面變為更平滑光亮；而使用研磨則是將晶圓邊緣磨成光滑圓弧形。

氣相沈積 | CVD
CVD(Chemical Vapor Deposition)化學氣相沈積，是將氣態前體引入反應室，這些氣體接觸到加熱的基材後，產生沉積物質，並在基材表面沈積一層薄膜，製造絕緣層或導體層。

光阻塗佈 | Photoresist Coating
光阻受到曝光時，化學結構會發生變化，此階段將光阻液塗佈在晶圓表面，形成均勻的光阻層，使其在後續的曝光和顯影步驟中能夠被移除或保留，形成所需的圖案。

曝光 | Exposure
利用光罩上的圖案，將光阻層曝光於紫外線下，把光罩對齊到被塗佈光阻的晶圓上，受到光照的區域會引起光阻層的化學反應，引起光化學反應。

顯影 | Photolithography
利將曝光後的晶圓浸泡在顯影溶液(可能包含鹼性物質如氫氧化鈉、氫氧化鉀及添加劑等)，使光阻層僅在曝光區域保留，未曝光區域被去除，形成模板。

蝕刻 | Etching
用酸或鹼性蝕刻液，根據光阻層上的圖案去除底層材料，晶圓表面已經受到保護的區域(曝光後的光阻區域)則不受影響，形塑出晶片的微細結構。

光阻剝除 | Photoresist Stripping
完成顯影後，利用化學剝除、熱力學剝除、機械剝除等方式移除殘留光組，如利用剝除溶液，去除殘留的光阻，目的是防止任何殘留物對元件的性能造成不良影響。

清洗 | Final Cleaning
最終，晶片需再次清洗，方法可能使用有機或無機溶劑、表面活性劑或是超音波清洗等技術，以去除製程中殘留的化學物質和微粒，確保製成的晶片乾淨且符合規格。

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三、流量計與噴嘴在半導體產業的應用

在半導體晶圓如此複雜細緻的製程中，每一個步驟的化學液體供應和流量都極為重要，因為它影響了最終產品的品質和穩定性。液體流量計能精確地控制和監測液體的管道流量，以保證產品的品質和性能，因此，液體流量計在半導體製程中是不可或缺的一部分。

應用一：藥劑流量的監測

半導體製程中須使用各項化學藥品，化學藥品之供應與輸送由廠務中央供酸系統供應與傳送，化學藥品本身為危險性液體，具有腐蝕性、毒性、易燃性等特點，且化學藥品本身價值昂貴，如何安全穩定且最大效率使用成為化學供應系統的重點，及未來高科技廠房之發展方向。

| 化學藥劑從中央儲備場運輸至各項設備時，使用流量計可以精確地監測液體用量

➤ 實際案例：中國科技半導體工廠

情況：傳統工廠若沒有預先設計中央供酸系統，需要將各種化學品分別輸送至不同廠房與不同設備上，在使用上常常有發生公安危險的隱患，且無法將化學品用量最佳化。

解決方案：LORRIC FP-AS510蹼輪(葉輪)式流量計
為解決此問題，我們建議該公司工廠設置中央化學藥劑儲藏室，每次作業時，化學藥劑從中央輸送至各台機器，再利用FP-AS510蹼輪(葉輪)式流量計精準計算用量，以降低過程中損失的化學藥劑成本。FP-AS510蹼輪(葉輪)式流量計為本司獲多國專利及認證的流量計，搭載專利 AxleSense 軸感應技術，其水車葉片結構，在流體經過時能夠感測極端微小的流量，藉此達到精準的液體測量，FP-AS510更是具有葉片異常的即時監測能力，可偵測葉片消失造成的零流量問題，透過安裝FP-AS510，該公司能夠在配藥時精準計算每一台機器的用量，以達到降低成本的效果。此外，由於化學藥劑具有高濃度酸鹼性質，在儲存和輸送過程中易產生危險，使用FP-AS510也能解決這個問題，本產品使用PVDF材質，擁有良好的抗溶劑及抗酸鹼腐蝕性能，不需擔心藥劑腐蝕及滲漏的問題，完善解決了工安的問題。

應用二：純水的量測與監控

半導體製造過程中需要使用大量的純水進行清洗晶圓、沖洗電子元件、蝕刻等操作，在純水處理過程中，常常需要精確地測量液體流量，如在反滲透(RO)過程中，需測量濃縮液的流速，以控制濃縮比及防止膜結垢，通過持續監測水的流速，也可監控RO設備的性能，及時發現可能的故障或異常；在去離子交換（DI）過程，會使用離子交換樹脂去除水中的離子，此時需要監測流經樹脂的水流速、反洗液體流經樹脂的速度的流速，以確保確保樹脂得到充分的接觸時間，以有效去除離子。另外，在純水製程的化學添加階段也需精準控制藥劑用量，如測量消毒劑（氯、二氧化氯、臭氧等）用量，確保水中微生物的去除作業，或是pH 調節劑用量（硫酸、氫氧化鈉等），以確保水質穩定性。由此可見，純水處理作業對於液體流速測量，以及測量工具的耐化學性，有極高的要求。

| 在去離子交換(DI)過程反滲透(RO)過程，監測液體的流速可以確保純水品質，監控設備性能

➤ 實際案例：台灣晶圓代工大廠

情況：該廠為專業之水處理系統規劃設計之工程公司，業務範圍包括超純水系統、廢水回收、廢水處理工程等，在純水處理的階段，因為純水不導電，無法使用常見的電磁式流量計，該公司欲選擇超音波流量計，但是市面上常見的超音波流量計安裝及設定步驟困難繁瑣，且需要定期補充超音波膏，使用體驗不佳，並且在純水處理階段的作業中，該公司也需要選擇能夠精確測量液體的微小流量，並具備良好耐化學性的測量工具。

解決方案：LORRIC的超音波流量計
我們建議該公司純水處理設備中安裝LORRIC的超音波流量計，具備便利安裝的特性，由於能夠雙向流量量測，安裝時無須考慮液體流向；其專利探頭安裝軌道，利於快速安裝、精確定位，專利扣具使管線緊密貼合，大幅提升流量偵測準確性，能穩定偵測結果，並且具備非破壞安裝特性，能隨時卸載維修，解決了一般流量計安裝及設定步驟困難繁瑣的問題。此外，超音波流量計藉由兩個超音波傳感器，測量接收到的超音波的頻率來計算超音波在液體中的傳播速度，藉此達到精確測量的效能，如在反滲透（RO）設備安裝超音波流量計，監控穿過超濾膜的高濃度水，以確保反滲透系統的穩定運行，或是在去離子交換（DI）過程，監測流經樹脂的水流速等，以達到最佳離子去除效果，LORRIC的超音波流量計也具有良好的耐化學性，符合了該公司的需求。

應用三：螺旋噴嘴-半導體廢氣處理的核心部件

半導體製造過程中，會產生含有害的氣體的廢氣（氨氣、二氧化硫、二氧化氮、氫氟酸等），因此需要利用螺旋噴嘴，在廢氣處理塔內噴灑洗滌劑如鹼性洗滌劑（氫氧化鈉）來中和酸性氣體（氨氣）：或是酸性洗滌劑（氫氟酸），以中和鹼性氣體（氫氧化鈉、氫氧化銨），如此，變能將有害物質轉換成穩定和易處理的化合物，淨化工廠排放出的廢氣，避免觸犯廢氣處理法規，也達成企業永續發展的目標。

| 廢棄處理塔以噴嘴噴灑藥劑，將半導體製程中產生的有害物質轉換成穩定易處理的化合物

➤ 實際案例：台灣晶圓代工大廠

情況：一般廠牌製造的噴嘴，主要採用塑料射出形成的方法，直接製成模型形狀的噴嘴，由於噴嘴從模具中脫模時受到一定角度的限制，這種製造方式會使螺旋噴嘴無法擁有高精度的螺旋切面和錐形通道，導致產品噴灑面積小，效果不佳。此外，白牌廠商常使用PP(聚丙烯)生產噴嘴，其強度和硬度不足、易斷裂，且對高溫化學環境的耐受性有限。一般廠牌的噴嘴，不僅無法達到最佳的噴灑面積，也不具備半導體產業廢棄處理所需的抗腐蝕特性。

解決方案：LORRIC螺旋噴嘴
LORRIC螺旋噴嘴採用機械加工的方式製成，用器械將材料雕刻成實心圓錐噴型的單件式螺旋噴嘴，其較一般廠牌大的異物通過路徑，能有效避免雜質阻塞，噴灑覆蓋面也較市面其他廠牌的噴嘴大，角度最大可達170度。另外，LORRIC螺旋噴嘴採用頂級的耐腐材料 - UPVC(聚氯乙烯)及PEEK(聚醚醚酮)，能夠延長噴嘴在高度接觸化學藥劑的場域中的使用壽命，成為半導體製造業廢氣處理的最佳選擇。