半導體工廠：設備、材料、製程及提升產業復興的處方籤

日本半導體界教父——菊地正典，集合40年業界心血結晶，完全介紹半導體工廠相關細節。從設廠開始，各廠房的機台設備，水電來源，製程詳解，甚至提醒廠方與當地政府溝通，維持官商良好關係等。除了半導體電子相關業界，也是各產業不能不讀的一本指南。本書並由國立交通大學電子物理系教授 趙天生老師審定。

半導體本身為高科技產品，因此製造半導體的工廠，集高科技、高know-how、高系統化為一身，是世界上最優秀的製造工廠。對於各製造產業來說，不僅是電子製造業的仿效模範，對於其他產業，也必須向半導體工廠學習。

著名的香港經濟學家張五常曾說過，做工廠是很難的，能夠做廠而賺錢的人非常厲害。
日本半導體界教父——菊地正典，集合40年業界心血結晶，介紹所有半導體工廠相關細節。從設廠開始，各廠房的機台設備，水電來源，製程詳解，甚至提醒廠方與當地政府溝通，維持官商良好關係等。除了半導體電子相關業界，也是各產業不能不讀的一本指南。

半導體工廠鳥瞰圖
晶圓的純度為99.999999999%
以空氣供給氮氣的設備
佈線技術源自金屬鑲嵌工藝
冗餘電路等保險措施的導入
切割為頭髮十分之一的精密裝置
稅制較人事成本更為舉足輕重
超純水使用量高達數千噸
停電對策與靜電對策
半導體工廠的氫爆事件
無塵室結構與使用
國際半導體廠的戰略
爾必達，日本半導體凋落的原因

作者◎菊地正典
1944年生，1968年日本東京大學工學部物理工學科畢業後，即進入日本電氣公司（NEC），從事一貫半導體元件及製程開發相關工作，累積半導體開發與量產的豐富經驗。1996年擔任NEC公司半導體事業集團總工程師，2000年擔任NEC電子元件總工程師，2002年起擔任日本半導體製造裝置協會（SEAJ）專務理事，2007年起擔任日本半導體能源研究所顧問。著作有：《圖解圖解電子裝置》（世茂出版），監修《圖解半導體製造裝置》（世茂出版）、《日本頂尖工程師的生存筆記》（智富出版）。

審定者◎國立交通大學電子物理系教授 趙天生
國立交通大學電子研究所博士。研究專長：半導體元件物理、深次微米前段元件製程、奈米元件製作、薄膜電晶體、超薄絕緣層製備、半導體晶圓潔淨技術。實驗室：先進半導體製程與量測實驗室。

譯者◎龔恬永，1980年生，水瓶座，國立交通大學電子工程系、經濟部ITI兩年期日語組畢，TOEIC 935分。現任科技公司中階主管。欲貢獻所學所識於他人，兼職譯者，包括英日、中日互譯，領域涵蓋科技翻譯、專利翻譯以及一般領域。

序言
第1章 進入半導體工廠
01 鳥瞰半導體工廠
02 生產線的總體確認
03 工廠各部門組織圖
04 工廠地理位置條件
05 半導體工廠的變電所設備
06 化學藥液、氣體供應、廢棄物處理系統

第2章 半導體是這樣製造的
01 什麼是「半導體」
02 半導體製造過程
03 前段製程1「FEOL」
04 前段製程2「BEOL」
05 矽晶圓
06 薄膜製造法、堆疊法
07 如何燒入電路
08 蝕刻製程進行加工成型
09 99‧9純度，加入不純物
10 晶圓的熱處理
11 使表面平坦化的CMP製程

第3章 半導體製造的幕後製程
01 微塵徹底洗淨
02 洗淨後「沖洗→乾燥」
03 利用鑲嵌技術佈線
04 半導體晶片的針測
05 「冗餘電路」保險措施的導入
06 晶圓切割晶片的技術
07 裝載在基座上
08 打線連接金屬線
09 導線的表面處理
10 保護晶片的「封裝」
11 引腳加工成型
12 晶片識別「蓋印」

第4章 半導體材料、機械、設備
01 為什麼需要進口矽晶圓？
02 將機台導入工廠
03 機台相同，生產的半導體也相同？
04 半導體的成本結構
05 材料的保存期限
06 晶圓外緣為什麼不利用
07 超純水的供應
08 超純水的純度
09 藥液、氣體等級與純度
10 計算設備稼動率
11 矽烷氣體會自燃，是危險物
12 半導體工廠的「氫爆」
13 「曝光技術「高精密度核心
14 從批量處理到單片處理
15 快速加熱處理

第5章 檢驗、篩選錯誤與出貨
01 如何篩選不良品？
02 包裝前出貨的良品晶粒
03 半導體的樣品
04 可靠性實驗與篩檢
05 同樣規格的不同運作速度
06 半導體出貨、包裝的注意事項
07 透過半導體公司銷售與直接銷售
08 處理客訴問題，改善晶片

第6章 「默契、原則」與潛規則
01 半導體工廠輪班制度
02 機器人與磁浮搬送設備
03 機台編號指定、群管理
04 微粒子扼殺半導體
05 CIM的三大作用
06 工程管理的統計數據支持
07 透過傾向管理，揪出異常徵兆
08 產業廢棄物處理業者違法棄置，公司的連帶責任
09 無塵室潔淨度
10 進入無塵室前的慣例
11 無塵室構造與使用規範
12 「局部潔淨化」策略
13 無塵室是宇宙實驗室？
14 特急、急行、普通電車同時在產線上

第7章 工廠員工真正的想法—工廠因人而存在！
01 蘊釀新想法的吸煙室
02 對於外界工廠參觀，原則上「拒絕」
03 半導體工廠的「改善」
04 非正式員工的工作
05 確認、確認再確認
06 所需的執照

第8章 半導體工廠的秘密
01 垂直式爐成為主流的原因
02 濕洗淨之外的洗淨方法
03 「良率」是什麼？
04 批次的大小，對生產的影響
05 無塵服的顏色區別
06 氣體鋼瓶室的設置細節
07 靜電處理對策
08 輕鬆參觀無塵室
09 定期點檢是在確認什麼
10 調整裝置水平
11 半導體工廠的零排放
12 半導體廠商的產業策略
13 裝置製造商洩漏情報的問題
14 備而不用的停電對策
15 無塵室的健康調查

復興日本半導體的處方籤
索引

第一章 走進半導體工廠

01鳥瞰半導體工廠
――工廠樓、行政事務樓、工廠周圍配電設備、化學槽等
上圖為半導體工廠的鳥瞰示意圖全貌。灰塵對半導體工廠來說是極為嫌惡物，幾乎所有製程都在無塵室裡面進行，即使面對現今工廠參觀的流行風潮，然而想要進入半導體工廠內部也是相當有限的。
半導體工廠可以概分為三個區域，（1）行政事務樓、（2）工廠樓、（3）週邊部分。週邊部分亦包括工廠週邊的各種附屬設施及停車場等。
其中（2）工廠樓，當然為半導體工廠的中心，關於（2）會此節概述，另在下一節會介紹無塵室等各個部細節。

行政事務樓具有行政管理功能

首先，（1）行政事務樓具有管理整個工廠的管理（行政）功能。本書中假設為四層樓高的建築物。
一樓配置有玄關與玄關旁邊的展示室、社長室、廠長室、總務部、人事部、企劃部、採購部等各部門辦公室，以及會客室、大、中、小型會議室等。
展示室一般簡單展示有企業沿革、矽的生產晶圓、IC成品晶圓、IC包裝成品、搭載IC的各類主要產品（智慧型手機、數位相機、車用導航器、個人電腦、數位時鐘）。
行政事務樓為廠長、各事務部門部長、課長、主任、擔當者的辦公地點。當然，各部門的機能不全然會各自分別獨立，有時總務部會兼任人事及財會事務等例子。
一般來說，擁有三種型式會議室者為眾，能容納50人以上的大型會議室除了桌椅之外還設有投影機及專用投影螢幕，通常用來舉辦全公司的大型儀式。能容納約20人左右的中型會議室，不僅有投影機及專用投影螢幕，經常還設有舉辦視訊會議所需要的設備，多用來舉行總公司及其他工廠的共同視訊會議。僅有少數幾人參加的會議，則除了小型會議室外，亦設有開放空間（討論區）等。
走到二樓，則有生產技術部（總括負責產品技術及製程技術）辦公室，生產技術內部可能包括部份設計技術與CIM技術（電腦整合生產）。再者，還可能會包括中小型會議室及開放空間討論區、簡易型圖書室、抽菸區（然而近年來越來越少見）等。
走到三樓，則有組裝技術部（負責組裝製程）、檢驗技術部（負責檢驗、篩選製程）、設備部（負責前段製程與後段製程的設備）、品質管理部（負責QA系統、ISO、接受外部稽核等）辦公室，以及中小型會議室與會議區域。
四樓則有員工餐廳、咖啡輕食吧、報章雜誌閱讀區等。

工廠樓以生產線為主
「工廠樓「除了實施生產活動的製造產線，還具有各種相關功能。
工廠樓一層樓高，大多相當於行政事務樓兩倍高度，故兩棟樓以空中走廊連接行政事務樓四樓和工廠樓二樓。
工廠樓一樓以製造現場的擴散線（前段製程）為主，還有其他製造部的辦公室（負責前段製程）、設備、機台、物料入口、部件倉庫（機械手臂經由自動化電腦傳輸來的指令自動運作）、高壓配電室、氣體鋼瓶室（設有氣體鋼瓶儲存鐵櫃）、分析室（SEM、TEM、FIB、SIMS等）、化學實驗室（附有草圖的藥品處理）等，此外在正面玄關設有員工專用出入口、更衣室（更換公司制服用）等。
二樓以晶圓檢驗與後段製程產線（組裝、檢驗製程）為主，同時亦設有其他製造部辦公室（晶圓檢驗、組裝、檢驗負責人），包括燒機測試等信賴性實驗室、特性測量室（以電晶體的特性為主的電性測試、評估）、設備維修辦公室、中央控制室（長時間監控無塵室裡的溫度與濕度）、電腦室（工廠運作用的大型電腦及主機的設置場所）、輪班制員工休息室、休息室、保健室等。
然而，此書中以一樓擺放前段製程設備，二樓擺放後段製程設備為前提做說明，實際上很多製造商的前後段製程是分別設置於不同建築物。

週邊設備擁有各種功能

多數人傾向把焦點放在工廠樓，但實際上，「週邊設備「具有多處維持工廠運作的設備。
首先映入眼簾的是將電力公司送來的超高壓配電（26頁）降壓並轉換為工廠配電的配電所，以及為了停電等緊急狀況所設置的自家發電設備。很意外的多數人並不知道半導體工廠在工廠範圍擁有自家電力設備。
至於比較特別的一個話題，則有從大氣中將氮氣分離供應工廠的「廠區內設置現場裝置」。半導體工廠使用大量氮氣，若所有氮氣都花錢購買，成本較高昂，因此「廠區內設置現場裝置「則是在此背景之下設置，能夠從空氣中取得氮氣的系統（空氣中80%是氮氣）。
此外，將大量使用的氣體與藥液集中供應的氣體現場裝置、藥液現場裝置等，半導體工廠中大量使用超純水的供應設備等。所謂超純水，指的是，水中含有異物量非常少的特殊水，在半導體製造過程中，各製程均分別需要數次使用超純水洗淨的作業，故為必須設施。
再者還有排水處理設施﹙中和、細菌處理、淤渣回收、河川放流）、廢氣處理設施﹙洗塵塔、吸附塔、大氣排出）、廢棄物保管倉庫、緊急廢液儲藏槽﹙若藥液外洩以大量水稀釋後保管處）等。從工廠排出之前，還有利用細菌處理的流程。
意外占用大空間的設施是停車場，分為訪客用、員工用、供應商用。特別是位於都市外圍郊區小城鎮的工廠，因多數員工使用汽車通勤，亦需要能夠確保相對足夠的停車場。仔細一瞧，居然有稻荷神社﹙13頁左側）﹙譯註：稻荷神社是日本農業與商業神明），真有趣。

02生產線的總體確認—擴散線∼檢驗、篩選線
本節我們跟著配置於工廠樓一樓的①擴散線（前段製程製造）及二樓的②晶圓檢查線③組裝、檢驗線（後段製程製造）示意圖看過一遍。
當然，實際情形並不見得一定是一樓、二樓這種組合，這是為進行初步介紹的假設。
擴散線（前段製程）生產線是無塵室的潔淨空間。然而，相對於擴散線需要最高等級的潔淨度，晶圓檢驗及組裝、檢驗線的潔淨度需求並沒有那麼高，因此潔淨度設定較低。站在工廠成本管控的觀點，因應不同製程而調整潔淨度，這是理所當然的。上圖配置稱為BAY式（中央走道部分配置成ㄈ字型。此為相對於大空間式的名稱）。天花板上有長距離運輸用的磁浮引擎驅動運輸車，呈環狀移動（圖示的中間部分），而收納晶圓用的搬運盒及暫時儲存用的儲存櫃間，則透過電梯（升降梯）進行上下移動。無塵室內有包括「擴散」、「黃光微影」、「蝕刻」、「不純物添加」、「熱處理」、「CMP（第35頁）」、「清潔」等製程站點構成的製程區域，排列成BAY式，亦有各種測試裝置安排在其中。這裡可說是半導體工廠的心臟部位。
在這些BAY範圍，則使用稱為AGV的自動化架空搬運車，亦或無線搬運機器人等，進行短程的晶圓卡匣（晶舟）之移動。在半導體工廠內，有非常多的機器人在工作。
▼晶圓檢查線如圖1-2-2所示，晶圓檢查，進行晶圓上的半導體晶片是否為良品的判斷，以及冗餘電路的雷射修補。冗餘電路指的是，即使電路的一部分發生不良，也可以透過將「冗餘電路「配給半導體晶片內部為補償。此冗餘電路的導入，使得半導體晶片本身可免於功虧一簣（產品不良作廢）。在此階段之後，透過背面研磨製程，將晶圓進行薄化，並以Dicer（切割）裝置將薄化的晶圓分割成一個個半導體晶片，稱為切割（Dicing，又稱為Slicing）製程。
▼組裝、檢驗線（後段製程）在組裝、檢驗線上，半導體晶片透過實裝製程，運送到包裝的島型構造上，並藉由打線製程，使晶片上的電極與包裝上的導線透過金製細線連接，再將包裝用樹脂封起來。接著，這顆半導體將被送去進行導線端子鍍錫、導線成型、包裝表面蓋印等流程。這般完成的半導體，接著通過檢查、篩選線，根據產品的規格測試導電性，判定其為良品或不良品。在此發現的不良，可能包括前述的透過冗餘電路的連接即可修復者。再者，除了初期不良之外，對產品施加一定溫度與一定電壓的燒機測試，也會對所有產品實施，進行良品與否的篩選。這樣一來完成的半導體製品，即可走出半導體廠的大門，直接運送至客戶，或透過半導體貿易公司間接出貨。

日本半導體製造商─公司名稱逸談

讓我們來看看日本著名半導體﹙電子﹚相關公司的名稱。索尼﹙SONY﹚的公司名稱，來自於拉丁語的「聲音﹙SONUS﹚」及「小孩子﹙SONNY﹚」兩個單字組合而來，也可乾脆說成「聲音的小孩子」。キヤノン株式会社，佳能﹙CANON﹚為「精機光學研究所」前身，因創業者吉田五郎信仰觀音菩薩，故由KWANON→CANON得名。經常被誤植為「キャノン」。夏普﹙Sharp﹚公司名稱，是因創業者早川德治發明的「早川式陸續送出鉛筆「後續改良版的「自動鉛筆」─「Sharp pencil」而來。2012年2月申請破產的日本唯一DRAM製造商「爾必達﹙Elpida﹚」則是取名自希臘語的「希望﹙Elpis﹚」。另外，日本另一家大型半導體製造商、近年來狀況不大好的「瑞薩電子﹙RENESAS﹚」，名稱則是來自法語的「再次﹙re﹚」與「誕生﹙naissance﹚」合成，並取「文藝復興﹙Renaissance﹚」之意而創造出來的社名。從兩者的社名均能感覺到創立當時的期待與意氣風發，想到如今的凋零狀況，著實令人不勝唏噓。看向海外，美國的「英特爾﹙INTEL﹚」取自「積體電子﹙Integrated Electron半導體s﹚」；「微軟﹙Microsoft﹚」則取自「超小型機器用的軟體﹙Micro-soft﹚」。歐洲企業，荷蘭「飛利浦﹙Philips Semiconductor﹚」的前身智恩浦「NXP」，N=Next、X=Experience、P=Philips，也是產品品牌﹙Nexperia﹚的意思。各企業的公司名稱，都有著創業者的期待與希望呢。

第2章 半導體是這樣製造的

02半導體製造過程—前段製程與後段製程概要

半導體就是「積體電路」，製造工程大致可分為「前段製程」與「後段製程」。前段製程，會在矽晶圓上做出電阻、電容、二極體、電晶體等元件，以及將這些元件互相連接的內部佈線。前段製程亦稱為「擴散製程」，由數百道步驟組合而成，占半導體總製程的80％。近來，又有將前段製程細分為①在矽晶圓上做出各種元件的FEOL、②在各個元件之間做出連接用金屬佈線的BEOL兩大製程的分別法。隨著在邏輯類半導體多層佈線逐漸的被採用，前段製程的佈線製程比例提高，故BEOL獨立出來成為單獨一大項。前段製程包括：形成絕緣層、導體層、半導體層等的「成膜」；以及在薄膜表面塗佈光阻（感光性樹脂），並利用相片黃光微影技術長出圖案的「黃光微影」；並且以形成的光阻圖案做為遮罩，選擇性地去除底層材料膜，以便達成造型加工的「蝕刻」；將p型或n型的導電性不純物添加至矽基板表層的「不純物添加」；在黃光微影段為了提高黃光微影成型精細度，並改善佈線的階梯覆蓋率（step coverage），而在製程中對晶圓表面進行平坦化「CMP」；在各段製程之間產生的塵屑及不純物質去除、清潔晶圓使其得以順利進入下一道製程的「洗淨「等製程。此外，還有前段製程全部完成後，必須進行晶圓上的半導體晶片電性測試，判定良品與否的「晶圓針測製程」。後段製程則包括：「構裝製程」及「測試製程」。後面的章節將會針對這些主要的製程，進行進一步詳細說明。利用化學反應對各種材料薄膜進行加工成型的製程，稱為「蝕刻」。蝕刻又可以大致分為利用材料與氣體反應的乾式蝕刻，以及利用材料與藥液反應的濕式蝕刻兩種。以下將針對這兩種蝕刻方式進行具體的說明。①乾式蝕刻。最普遍的乾式蝕刻法為「反應離子蝕刻」，英文名稱Reactive Ion Etching簡寫為RIE。圖2-8-1所展示的是平行平板型RIE設備的構造模型橫切面。將晶圓放入內部氣體抽光呈真空狀態的化學反應腔體（chamber）蝕刻製程進行加工成型—材料薄膜的加工」中，並依照製作蝕刻的材料層，灌入所對應的氣體。再將高頻電壓施加於下層電極（晶圓抓取器），下層電極與接地的上層電極平行，則氣體電漿化，分解成正、負離子、電子以及稱為「游離基「的中性活性種。 這些蝕刻物被吸附在欲進行蝕刻的材料層表面，而發生化學反應，形成具有揮發性的生成物，生成物離開材料層、透過排氣被排出至化學反應室外，藉此進行蝕刻。也就是說，乾式蝕刻的精髓在於，與材料層發生化學反應、產生揮發性生成物的過程。乾式蝕刻是為對光阻上的圖案忠實地進行高精密加工的過程，故選擇材料層與光阻層的蝕刻速率差（選擇比）較大、且能夠確保蝕刻的非等向性（主要隨材料層的厚度方向進行蝕刻），且能降低結晶缺陷、不純物的摻雜、帶電問題導致的損傷等，並降低由於圖案疏密致使的蝕刻速率差異（微負載效應）問題為重點。②濕式蝕刻。濕式蝕刻，指的是利用藥液將材料層進行溶解的加工法。分別是將藥液儲存在蝕刻槽內，並將裝載有晶圓的載具浸入槽中的浸漬式（DIP），以及圖2-8-2所示，將晶圓旋轉同時噴撒藥液的迴旋式兩種。濕式蝕刻具有蝕刻等向性的特性，故不適用於高精密加工、且不易使用光罩遮蔽光阻，因此目前濕式蝕刻僅受限於整面蝕刻等部分製程中。蝕刻完成，剩下的光阻，在剝離製程以離子或藥液加以剝除。離子剝離又稱為「灰化」。