半導體材料加工技術集成電路制造核心現代電子產業基礎課程概述課程目標掌握半導體加工基本原理主要內容材料制備至器件封裝全流程學習方法第一章：半導體材料基礎半導體定義介于導體與絕緣體之間的特殊材料能帶理論禁帶寬度決定電子行為載流子特性半導體的定義與特性電阻率范圍10-3至109Ω.cm之間負溫度系數溫度升高電阻率下降光敏特性半導體材料的分類元素半導體硅、鍺等單一元素構成化合物半導體GaAs、InP等多元素化合物有機半導體含碳分子結構半導體材料的發展歷程1第一代硅、鍺材料奠定產業基礎2第二代GaAs、InP化合物提高速度性能3第三代SiC、GaN寬禁帶高溫高功率應用半導體材料的晶體結構金剛石結構硅、鍺等元素半導體sp3雜化鍵合閃鋅礦結構GaAs、InP等III-V族類似金剛石結構纖鋅礦結構GaN、ZnO等材料六方晶系排列第二章：半導體材料制備晶體生長從熔體中提拉單晶晶片加工切割、研磨、拋光外延生長在基底上沉積薄膜單晶硅的制備直拉法工業主流方法區熔法獲得高純度晶體懸浮區熔法無坩堝污染化合物半導體的制備液相外延法從飽和溶液中生長氣相外延法前驅體氣體分解沉積分子束外延法原子級精確控制半導體薄膜的制備方法物理氣相沉積蒸發、濺射等物理過程化學氣相沉積化學反應生成薄膜原子層沉積逐層生長精確控制第三章：晶圓加工基礎表面清洗去除雜質和污染物薄膜沉積形成功能層結構圖形轉移光刻和刻蝕定義結構質量檢測確保工藝一致性晶圓清洗技術RCA清洗SC1去除有機物SC2去除金屬離子超聲波清洗聲波能量去除顆粒等離子體清洗活性基團反應去除污染氧化技術干氧氧化Si+O2→SiO2生長速率慢但質量高濕氧氧化Si+2H2O→SiO2+2H2生長速率快高壓氧化提高氧分壓加速生長降低熱預算光刻技術概述光刻膠涂覆旋涂均勻薄膜曝光通過掩模轉移圖形顯影溶解曝光/未曝光區域刻蝕技術微米級濕法刻蝕化學溶液選擇性去除納米級干法刻蝕等離子體物理轟擊高比例反應離子刻蝕物理化學協同作用離子注入技術原理高能離子束轟擊材料離子嵌入表層改變性質設備離子源產生特定離子加速器提供能量應用晶體管源漏區摻雜閾值電壓調節化學機械拋光（CMP）原理化學反應軟化表面機械力去除突起工藝參數拋光液成分、壓力、速度應用多層互連平坦化淺溝槽隔離形成第四章：薄膜沉積技術各種薄膜沉積設備和技術物理氣相沉積（PVD）熱蒸發加熱源材料蒸發凝結電子束蒸發高能電子轟擊局部熔化濺射離子轟擊靶材化學氣相沉積（CVD）低壓CVD減壓環境下反應提高均勻性等離子體增強CVD等離子體活化氣體降低反應溫度金屬有機CVD使用金屬有機前驅體適合III-V族材料原子層沉積（ALD）原理自限制表面反應1優勢原子級精確控制應用領域高k柵介質沉積電化學沉積成本填充能力純度第五章：光刻技術詳解光刻膠處理涂膠、預烘、曝光圖形轉移顯影、后烘、檢查圖形應用刻蝕、注入、沉積光刻膠去除濕法或干法去膠光刻膠正性光刻膠曝光區溶解圖形精度高負性光刻膠曝光區交聯不溶黏附性好光刻膠涂覆方法旋涂、噴涂、滾涂曝光設備接觸式光刻掩模直接接觸晶圓容易損壞掩模投影式光刻透鏡系統投影降低掩模損耗步進式光刻分區域曝光高精度對準掩模版技術掩模版制作電子束直寫轉移圖形掩模版對準利用標記精確定位掩模版檢查光學和電子顯微技術先進光刻技術第六章：刻蝕技術詳解材料選擇性去除通過光刻定義區域形成微觀結構濕法刻蝕等向性刻蝕各向同速刻蝕形成圓弧邊緣各向異性刻蝕沿晶面選擇性刻蝕KOH刻蝕硅形成V溝刻蝕液選擇HF刻蝕SiO2H3PO4刻蝕Al干法刻蝕50:1等離子體刻蝕物理和化學雙重作用100:1反應離子刻蝕方向性離子增強反應30:1深反應離子刻蝕高深寬比結構形成刻蝕終點檢測光學發射光譜法監測特征譜線變化激光干涉法膜厚變化引起干涉變化質譜法反應產物成分分析選擇性刻蝕材料刻蝕液選擇比Si/SiO2KOH500:1SiO2/SiBOE100:1Si3N4/SiO2H3PO410:1第七章：摻雜技術半導體摻雜改變電子特性熱擴散恒定表面濃度擴散源材料持續供應預沉積過程有限體源擴散固定劑量再分布驅入過程擴散系數D=D0exp(-Ea/kT)溫度指數關系離子注入離子注入機理高能離子直接植入晶格注入能量與劑量決定分布深度和濃度退火處理修復晶格損傷激活雜質原子原位摻雜外延生長中的摻雜生長過程添加摻雜源CVD過程中的摻雜加入含雜氣體前驅物優缺點分析均勻性好但濃度受限第八章：薄膜應力與表征內應力重要性影響器件性能和可靠性測量方法多樣光學、力學、衍射技術應力控制沉積參數和結構設計薄膜應力來源外加應力外部力導致形變本征應力生長過程結構缺陷熱應力膨脹系數差異應力測量方法X射線衍射法晶格常數變化反映應力基底彎曲法應力導致翹曲拉曼光譜法振動頻率移動與應力相關應力控制技術退火熱處理松弛內應力多層膜結構設計應力相互補償應力釋放結構微觀結構減輕應力第九章：表面鈍化技術表面懸掛鍵處理消除界面態防止環境影響阻隔水分氧氣提高電學性能降低漏電流鈍化的重要性10倍改善器件參數增大漏電阻值3倍增強穩定性減少表面缺陷2倍提高可靠性延長器件壽命氧化鈍化熱氧化傳統高溫工藝2等離子體輔助氧化降低工藝溫度原子層沉積氧化精確控制超薄膜氮化物鈍化LPCVD氮化硅低壓高溫沉積高質量致密PECVD氮化硅等離子體增強低溫應力可調氮氧化物結合氧氮特性界面特性優化有機鈍化聚酰亞胺耐熱性好1BCB低介電常數2光刻膠鈍化工藝簡單第十章：封裝前的晶圓處理晶圓測試篩選出不良芯片背面減薄降低最終厚度晶圓切割分離單個芯片清洗與檢查準備封裝流程背面減薄機械研磨高速旋轉砂輪粗磨化學機械拋光表面精致平整化等離子體刻蝕減薄去除機械損傷層晶圓切割金剛石切割傳統機械切割激光切割熱加工無機械力等離子體切割干法刻蝕無碎屑清洗與干燥等離子體清洗去除有機污染提高黏著性超臨界CO2干燥無表面張力避免黏連變形甩干技術離心力去除液體工藝簡單高效第十一章：封裝材料與工藝4基板與引線框電連接與導熱互連材料金絲、銅絲、焊料封裝材料環氧樹脂、陶瓷散熱材料界面材料、金屬填充物引線框架材料類型導電性導熱性成本銅合金高高中鐵鎳合金中低低銀鍍層極高高高芯片粘結導電膠銀填充環氧樹脂低溫工藝共晶鍵合金硅合金形成高可靠性無鉛焊料錫銀銅合金環保要求引線鍵合導電性使用度成本塑封材料與工藝環氧樹脂二氧化硅填充阻燃劑、固化劑模壓成型轉移模塑加壓固化成型轉移模塑塑封料加熱流動填充模具空隙第十二章：半導體材料測試與表征多種測試方法表征材料性能電學測試I-V特性電流電壓關系曲線C-V特性電容電壓特性霍爾效應測試載流子濃度和遷移率結構