半導體技術

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。

目錄

技術概念

半導體納米技術

制程技術的挑戰

材料問題

快速發展的主因

半導體技術就是以半導體為材料，制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。最常見的半導體是矽（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矽為基材做成的，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，除瞭一些線路外，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裡面佈滿瞭密密麻麻的小組件，彼此由金屬導線連接起來。除瞭少數是電容或電阻等被動組件外，大都是晶體管，這些晶體管由矽或其氧化物、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，除瞭改善性能如速度、能量的消耗與可靠性外，另一重點就是降低制作成本。降低成本的方式，除瞭改良制作方法，包括制作流程與采用的設備外，如果能在矽芯片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，隻有少數變差，而這些就需要利用其它技術來彌補瞭。

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

著功能的復雜，不隻結構變得更繁復，技術要求也越來越高。與建築物最不一樣的地方，除瞭尺寸外，就是建築物是一棟一棟地蓋，半導體技術則是在同一片芯片或同一批生產過程中，同時制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，芯片上能制造出來的IC數也就越多。盡管每片芯片的制作成本會因技術復雜度增加而上升，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。

半導體制程是一項復雜的制作流程，先進的IC所需要的制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，稱為單元制程，如蝕刻、微影與薄膜制程；幾個單元制程組成具有特定功能的模塊制程，如隔絕制程模塊、接觸窗制程模塊或平坦化制程模塊等；最後再組合這些模塊制程成為某種特定IC的整合制程

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。到瞭2001年，晶體管尺寸甚至已經小於0.1微米，也就是小於100納米。因此現在是納米電子時代，未來的IC大部分會由納米技術做成。但是為瞭達到納米的要求，半導體制程的改變須從基本步驟做起。每進步一個世代，制程步驟的要求都會變得更嚴格、更復雜。

曝光顯影：在所有的制程中，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，忠實地制作在芯片上，就需要利用曝光顯影的技術。在現今的納米制程上，不隻要求曝光顯影出來的圖形是幾十納米的大小，還要上下層結構在30公分直徑的晶圓上，對準的準確度在幾納米之內。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。因此這個設備與制程在半導體工廠裡是最復雜、也是最昂貴的。

半導體技術進入納米時代後，除瞭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納米，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公分的范圍內。

蝕刻：另外一項重要的單元制程是蝕刻，這有點像是柏油路面的刨土機或鉆孔機，把不要的薄層部分去除或挖一個深洞。隻是在半導體制程中，通常是用化學反應加上高能的電漿，而不是用機械的方式。在未來的納米蝕刻技術中，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隻有10層原子或分子左右。這也是技術上的一大挑戰。

除瞭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，如果能制造出較多的成品，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，不隻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、制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。

電子組件進入納米等級後，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。現在使用的是由矽基材氧化而成的二氧化矽，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。在納米尺度時，如果繼續使用這個材料，這層薄膜隻能有約1納米的厚度，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，因此隻能改用其它新材料。但二氧化矽已經沿用瞭三十多年，幾乎是集各種優點於一身，這也是使矽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制作方式，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，真的是牽一發而動全身，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制作納米碳管晶體管，想利用納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，頂多隻能在特殊的應用上，如特殊感測組件，找到新的出路。

盡管有種種挑戰，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，矽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。利用矽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，所以應用范圍很廣，可以用來做各種控制。換言之，市場需求很大，除瞭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、光罩制作、半導體制造、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納米尺度，微電子已經被納米電子所取代。半導體的納米技術可以代表以下幾層意義：它是唯一由上而下，采用微縮方式的納米技術；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。未來的應用范圍會更多，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，有瞭快速的IC與高密度的內存後產生的新應用。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制的。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，極大地提高瞭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，它不但滿足瞭市場高引腳的需求，而且大大地改善瞭半導體器件的性能;晶片級封裝、系統封裝、芯片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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