張致吉 / 工研院產科國際所
半導體是所有電子產品的基本根源，任何電子產品都少不了IC晶片，台灣以先進製程技術引領AI、5G及高效能運算領域發展，推動台灣半導體產業在2024年邁向全球半導體市場的新高峰。無論是AI用晶片、高頻通訊用基頻晶片，或邏輯晶片以及類比晶片，都是我國半導體產業發展的強項，而促成台灣半導體產業具競爭優勢且冠居群倫的背後，即是半導體化學品。因應半導體先進製程發展的需求，本文將針對半導體前段製程所需材料進行盤點，除了瞭解各材料所具有的功能外，並探究半導體製程所採用的化學品耗材在製程完成後所留下的課題，作為日後的研究標的。
【內文精選】
前段IC製造使用的製程材料
前段IC製程包括：清洗、微影、蝕刻、薄膜沉積、離子注入、平坦化，並且需要重複多次。主要可分為四個模組技術：擴散(Diffusion)、薄膜(Thin Film)、黃光微影(Photolithography)與蝕刻(Etching)，如前所述之半導體製程，每一個製程模組的工藝都需要許多高純度的耗材(圖四)。
圖四、IC製造使用的製程材料
1. 研磨清洗
由於從晶棒切割後的晶圓表面仍是凹凸不平，所以需要通過研磨(粗拋光)、蝕刻(化學拋光)和拋光(鏡面拋光)的拋光工藝，以去除晶圓表面的不平坦。接著需要清潔晶圓，其目的主要是去除沾附在晶圓表面上的異物，晶圓上若存有異物，會導致後續的電晶體生長和黃光微影的工藝出現缺陷。清洗時，需要用清潔劑(具界面活性劑)、雙氧水、鹽酸、氫氟酸等清洗液去除晶圓上的顆粒、金屬和有機物，接著再使用非常乾淨的超純水清洗化學溶液後，須以旋轉方式使之乾燥(倘若此時晶圓表面仍然是濕的，便會吸收空氣中的顆粒，即使洗過也會使它再次變髒)。
2. 擴散
接著需要在晶圓表面做氧化擴散，這道手續是通過熱處理來形成高品質的表面氧化膜。所使用的氧化設備主要有立式爐、臥式爐、快速退火製程(RTP)設備，在氧化爐中升溫(約800˚C以上)，通入含氧氣體，使形成氧化膜。
3. 薄膜沉積
介電材料有高介電與低介電材料。低介電係數(Low-k)材料是當前半導體行業研究的熱門話題。通過降低積體電路中使用的介電材料之介電係數，可降低導線之間的電容效應，以及降低積體電路發熱等等。低介電係數材料的研究是與高分子材料密切相關的，傳統半導體使用二氧化矽作為介電材料，氧化矽的介電係數約為4，真空的介電係數為1、乾燥空氣的介電係數接近於1。
4. 黃光微影與蝕刻
黃光微影與蝕刻是半導體前段製程中最精密也是最關鍵的一段工藝(圖五)。經過氣相擴散與薄膜沉積後的晶圓送進黃光室，開始上光阻、曝光、微影與顯像。其中的光罩是根據各個IC的需求而設計，因為牽涉到IC設計的機密性，光罩的電路圖形本身大多由代工廠與IC設計或委託者自行設計製作，先進製程(尤其是深紫外線(Deep Ultraviolet Lithography; DUV)或極深紫外線(Extreme Ultraviolet Lithography; EUV))所用的光罩基板大多是石英基板。基板種類常用的是合成石英及青板玻璃，主要差異在穿透率可達極深紫外光波長、低熱膨脹係數(Thermal Coefficient of Expansion; TCE)以及不可以有氣泡的要求。合成石英是唯一在紫外光範圍(<300 nm)仍具有穿透率>90%的基材，也具備一般光學1/10X的TCE，同時無氣泡，是透光曝光最優的光罩基板。極深紫外線(EUV)光罩是以新式微影系統，透過高能量、短波長的光源，將電路圖案轉印到晶圓。EUV光源波長比目前DUV微影製程的光源波長短少約15倍，因此能持續將線寬尺寸縮小。
圖五、晶圓黃光微影蝕刻製程示意圖
先進製程導致化學品耗用加劇，亟待開發回收再利用技術
現今我國半導體產業對待製程後所產生的廢棄物，所採納的態度是有價回收、無價廢棄的半循環方式。當進入到下世代製程時，材料用量倍增，廢棄物量必隨之倍增。在關鍵材料大多仰賴進口下，隨著製程高精度化使用量大增，未來仰賴進口程度必然升高，地緣政治關係恐引發材料供應斷鏈的危機，將對我國產業造成嚴重衝擊。相較於原礦製造，循環的電子材料耗能較少，屬低碳產品，可協助我國半導體產業鏈降低Scope 3碳足跡，達成淨零碳排目標 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》457期，更多資料請見下方附檔。