1、第十三章 新興製造技術,13-1 半導體製程簡介 13-2 微細製造簡介 13-3 其他製造技術,總目次,一、概述,材料以導電能力，可以分為,1.半導體、電路與積體電路,(1)導體,(2)半導體,(3)絕緣體,回目次,課本P.268,一、概述,導電能力介於導體和絕緣體之間的材料，就稱之為半導體。,(1)半導體：,半導體材料主要有鍺、矽及砷化鎵。,矽的優點：,a.原料便宜,b.耐高溫,c.表面易形成絕緣的二氧化矽,矽為現今主要的半導體材料！,回目次,課本P.268,一、概述,半導體產品，如圖所示。,(1)半導體：,回目次,課本P.268,一、概述,砷化鎵適用於製作雷射二極體及發光二極體 ( Li
2、ght emitting diode，LED ) 的材料。,常用的摻雜劑有帶正電的硼及帶負電的磷或砷。,1.半導體、電路與積體電路,加入硼則稱為p型半導體，加入磷或砷則稱為n型半導體。,回目次,課本P.268,(1)半導體：,一、概述,積體電路，如圖132所示。,1.半導體、電路與積體電路,回目次,課本P.269,一、概述,(1)半導體及IC的製作需要在無塵室中進行。,2.無塵室,(2)製程中最大的汙染源是工作人員，因此必須穿著 全身包覆的無塵衣。,(3)無塵室的空氣必須以高效能空氣微粒濾網 ( HEPA ) 過濾，溫度控制在23、相對溼度在45最為適宜。,(4)奈米（nm）是長度單位，為10
3、-9公尺（m），即1nm 0.000000001m。,回目次,課本P.269,以IC的製程技術而言，其單一線路寬度可細小至20nm以下，如圖133為IC製程尺度。,一、概述,2.無塵室,回目次,課本P.269,(1)IC 中可容納的電晶體數每隔18 個月就能增加1倍，從而使性能也提升1 倍 (2)預測未來製程微小至7nm後，此定律將不再適用。,一、概述,3.摩爾定律（Moores law）,回目次,課本P.270,二、半導體製程,矽在地球上的含量占25%，僅次於氧。,矽晶圓製作IC,將矽砂經過一連串的精煉過程後，可以製作成 半導體材料及IC，流程如圖134所示。,回目次,課本P.270271,
4、1.晶棒與晶圓,(1)現況概述： 由矽砂提煉成矽晶棒的最後一關，使用柴氏或稱CZ製程（Czochralski process），操作方法如圖135所示。,回目次,二、半導體製程,矽晶圓製作IC,課本P.272,二、半導體製程,(2)矽晶棒的製作： 如圖135（續）為晶圓切片與化學機械研磨。,回目次,矽晶圓製作IC,1.晶棒與晶圓,課本P.272,二、半導體製程,1.晶棒與晶圓,回目次,矽晶圓製作IC,圖136 晶圓片直徑朝大尺度展（312吋）,課本P.273,(3)晶圓的製作：圖136為不同直徑的晶圓片。,單顆IC的面積通常只有數mm2很少有大於1cm2 的尺度。,一片直徑12吋的晶圓面積，可
5、以同時製作出數百 個或數千顆IC。,最後再以鑽石砂輪或雷射分割成單顆IC進行封裝。,回目次,二、半導體製程,矽晶圓製作IC,課本P.273,(4)發展狀況：,1.晶棒與晶圓,2. IC中的線路及元件製作,IC依功能及使用目的，進行線路及半導體元件的 設計並製作於晶圓表層。,過程：薄膜製作微影製程蝕刻離子植入。,重複上述過程，進行不同位置的線路及元件製作。,回目次,二、半導體製程,矽晶圓製作IC,課本P.273,薄膜的製作通常採用氣相沉積和氧化等方法。,(1)薄膜製作：,氣相沉積薄膜,A.物理（PVD） B.化學氣相沉積（CVD） C.磊晶,回目次,二、半導體製程,矽晶圓製作IC,2. IC中的
6、線路及元件製作,課本P.273274,氣相沉積薄膜,B.化學氣相沉積：CVD（Chemical vapor deposition ）,圖137所示的常壓式與低壓式二種化學氣相沉積爐。,回目次,(1)薄膜製作：,課本P.274,圖137 常壓式與低壓式化學氣相沉積爐,A.物理氣相沉積：PVD（Physical vapor deposition）,B.化學氣相沉積：CVD（Chemical vapor deposition ）,常用於多晶矽、氮化矽及二氧化矽等薄膜的 沉積。,低壓式的爐體為密閉設計，可節省大量反應 用的化學氣體。,生產率高且膜厚均勻。,回目次,課本P.274,氣相沉積薄膜,(1)薄
7、膜製作：,C.磊晶,使沉積薄膜的結晶方向與基材（晶圓）相 同或直接相關的一種薄膜製作方法。,磊晶薄膜的雜質少，製成的元件效能較高。,回目次,課本P.274,氣相沉積薄膜,(1)薄膜製作：,IC製程中二氧化矽是最常使用的氧化薄膜。,乾式氧化（高品質）,溼式氧化（高效率）,製作的方法,以乾溼乾的順序來提高生產率製作高 品質的二氧化矽薄膜。,回目次,課本P.274275,氧化薄膜,(1)薄膜製作：,光罩,一片印製有線路、元件圖案的透明石英玻璃。,正片光罩：線路部分透光（其餘部分不透光）,負片光罩：線路部分不透光（其餘皆透光）,影像呈現的形式,回目次,(2)微影製程：,課本P.275,將光罩上的線路、
8、元件圖案，投影至晶圓表面，以便後續蝕刻出圖案。,曝光,顯影,微影製程步驟,光阻塗布,回目次,(2)微影製程：,課本P.275,光阻是一種感光材料，由感光劑、樹脂及溶劑混合而成。,正光阻：不溶於顯影液,負光阻：易溶於顯影液,依成分分為,解析度較佳！,回目次,光阻塗布,(2)微影製程：,課本P.275,光阻塗布,塗布的方法如圖138所示。,回目次,(2)微影製程：,課本P.275,將光罩覆蓋在塗有光阻的晶圓片上(或保持一定距離)。,以紫外光、電子束、X 光及離子束等射線穿過光罩透明部份，將線路圖案投影在光阻上。,使受到照射的光阻產生性質變化。,回目次,曝光,(2)微影製程：,課本P.276,曝光,
9、如圖139所示,回目次,(2)微影製程：,課本P.276,的在去除剩餘之溶劑及水氣。,顯影,使光阻形成的線路圖案更加堅韌及牢固，確實保護不需蝕刻的部份。,回目次,(2)微影製程：,經曝光後的光阻層，使用顯影劑沖洗去除不要的光阻。,課本P.276,(3)蝕刻：,溼式化學法,乾式電漿法,方法有二種,將晶圓表面未受光阻保護的二氧化矽薄膜蝕穿，而露出下層的矽晶材料。,再將離子植入，形成二極體、電晶體等半導體元件及線路。,回目次,課本P.276,如圖1310(a)所示。,溼化學蝕刻：,將晶圓浸入酸液（氫氟酸，HF）中，蝕刻方向為等向性。,蝕刻深度由時間、溶液濃度及溫度加以控制。,回目次,(3)蝕刻：,課
10、本P.277,如圖1310(b)所示。,乾式電漿蝕刻：,蝕刻方向為非等向性。,製程中僅需要少量的化學反應用氣體，是比較好的蝕刻方法。,回目次,(3)蝕刻：,課本P.277,(4)離子植入：,在p型或n型半導體製成的晶圓上，局部植入硼或磷離子。,該部位形成為一個具有功能的半導體元件。,如圖1311所示。,回目次,課本P.277278,重複薄膜製作微影製程蝕刻（並去除光阻）離子植入（並去除二氧化矽薄膜）等步驟。,回目次,(4)離子植入：,課本P.277278,二、半導體製程,3.金屬化製程,(1)說明： 在晶圓片上的每一顆IC裡，製作出千萬個半導體元件。這些元件還需要有鋁或鋁銅合金導線來加以連接，
11、才能使IC產生功能。 這些連接元件之間的導線製作，稱之為金屬化，如圖1312所示。,矽晶圓製作IC,回目次,課本P.278,回目次,二、半導體製程,矽晶圓製作IC,3.金屬化製程,課本P.278279,二、半導體製程,3.金屬化製程,矽晶圓製作IC,(2)製作過程： 每兩層金屬導線之間會沉積一層絕緣材質做為隔離。 上下層導線連接處稱為通道。 導線與元件相接處則稱為接點。 每條導線最終的端點會製作在IC最上層的四周，並製成較大的面積稱之為銲盤。,回目次,課本P.278279,(3)後續處理： 待整片晶圓檢測完成，即以非常薄的鑽石砂輪片，將每一顆IC切下，如圖1313所示。,回目次,二、半導體製程
12、,矽晶圓製作IC,3.金屬化製程,圖1313 完成測試等待分割的晶圓片局部外觀,課本P.279,4.打線、封裝與測試,(1)打線：,將IC晶片以環氧樹脂黏在導線架上。,使用直徑0.025mm左右的金線以熱壓接合或 超音波銲接法，連接IC晶片表面的銲盤與 導線架。,回目次,二、半導體製程,矽晶圓製作IC,課本P.279,回目次,4.打線與封裝,(1)打線：如圖1314所示。,課本P.280,圖1314 打線,將打線完成的IC晶片與導線架，置入封裝模具中，以環氧樹脂（最常用）或是陶瓷材料填入密封。,回目次,4.打線與封裝,(2)封裝：,課本P.280,完成封裝後即進行晶片的功能測試，以確保出廠之產
13、品品質。,定義,製造微小化零件及產品的技術稱為微細製造。,圖片資料來源：蔡明欽，金屬工業研究及發展中心，金屬精微成形實驗室負責人,回目次,課本P.281,包含的技術分三大類,一、半導體製程 / 微機電系統,二、 LIGA製程,三、精微機械製造,製品的尺度小至微米（m；10-6m）範圍。,範圍,回目次,課本P.281,微細製造的尺度範圍和類別如圖1315所示。,回目次,課本P.281,微機電系統（MEMS）,微機電系統包含三項基本元件,一、積體電路,二、微感測器,三、微致動器,微機電系統 ( Micro electro mechanical system ) 為一具有特定功能的系統。,回目次,課
14、本P.281,稱為X 光深刻精密電鑄模造成形，簡稱光刻鑄模。,LIGA是德文 ( Lithographie gal vanoformung abformung ) 之縮寫。,一、 LIGA製程,1.X光微影,LIGA製程結合三製程,2.電鑄,3.射出成形,回目次,課本P.282,製程步驟如圖1316所示。,一、 LIGA製程,回目次,課本P.282,1.X光微影製程,(1)LIGA所用的微影製程與前述IC製程中相同。,(2)製程步驟：光阻塗布圖案轉印及顯影硬烤。,(3)塗布光阻的基板必須是導體，做為後續電鑄製程的陰極。,(4)LIGA的照射光源具有短波長、繞射小、功率大、 穿透力強等優點的同步
15、輻射X光。,(5)搭配光阻材料PMMA（壓克力），可得最佳的圖 案解析度及照射深度。,回目次,一、 LIGA製程,課本P.282,2.電鑄,(1)將金屬電鑄在模型表面。,(1)再以熔解或蝕刻的方式將模型去除，複製一個與模型完全互補的金屬微結構。,回目次,一、 LIGA製程,課本P.283,3.射出成形,(1)以電鑄所得的金屬微結構，做為微型的塑膠射出 模具或壓縮模具。,(2)或是由這些量產的塑膠微結構做為電鑄用模型， 進行第二次電鑄，便可以量產金屬微結構零件。,回目次,一、 LIGA製程,課本P.283,二、精微機械製造,泛指製品具有3D複雜形狀，且尺度介於0.510mm。,相較於半導體製程，
16、精微機械製造在我國是一項剛 起步的製造科技。,回目次,課本P.283,精微機械製造如表131所示，有微車削、微銑削、微磨削、微放電/線切割、微超音波及微雷射加工等。,回目次,二、精微機械製造,課本P.283,以車、銑、磨、放電及雷射等各種精微機械製造 方法，來製作可大量生產的精微模具及成形技術 ，是精微製造技術未來的主流。,精微鍛造成形技術，被視為最有潛力的微型零件 生產技術。,回目次,二、精微機械製造,課本P.284,1.微銑削,(1)與傳統銑削最大的差別在於使用直徑小於1mm的 微型刀具進行銑削加工。,(2)搭配高轉速（20,000rpm60,000rpm），進行低切削量高進給速率的方式。
17、,(4)可使加工表面達到鏡面的光度及微米級的尺度精度。,(3)刀具對工件有銑削及拋光的雙重作用。,回目次,二、精微機械製造,課本P.284,圖1317所示為直徑0.2mm的端銑刀。,回目次,二、精微機械製造,1.微銑削,課本P.284,(1)利用無心研磨不需夾持工件兩端，即可進行研磨 的加工原理製作而成。,(2)可製作直徑0.13mm，公差1m，細長比20倍以 上的零件。,(3)應用在微衝模及鍛造模的衝頭、頂出銷、微細軸件或是微放電加工用的電極等。,2.微磨削,回目次,二、精微機械製造,課本P.284,(1)有微放電迴路，能更微細控制加工能量，以確保 高效率及穩定的長時間使用。,(2)微放電加
18、工的尺度可小至10m，公差控制在1m 以內。,(3)加工的形式可分為微細孔加工、微細溝槽加工及3D形狀模具加工。,3.微放電加工,回目次,二、精微機械製造,課本P.285,如圖1318所示為3D形狀模具加工。,回目次,3.微放電加工,二、精微機械製造,課本P.285,影片,如圖1319所示為線放電研磨機（WEDG）。,回目次,3.微放電加工,二、精微機械製造,課本P.285,3C產品常使用到連結機件的螺釘、螺帽等扣件，如圖1320所示。,4.微鍛造成形,回目次,二、精微機械製造,課本P.286,(1)零件尺度大約在0.43.0mm之間，若以微切削加 工方式，生產速度較慢。,(2)微鍛造成形技術
19、具有每分鐘80200件的高生產量。,(3)製品精度可控制在105m之間，材料使用率高、 品質穩定。,(4)微鍛造的加工技術往往取決於模具的製作。,(5)模具材質使用碳化鎢超硬合金，因此加工必須大 量依賴放電加工及超音波磨料加工等。,4.微鍛造成形,二、精微機械製造,回目次,課本P.286,夾爪x6,切刀,母模,圖片資料來源：蔡明欽，金屬工業研究及發展中心，金屬精微成形實驗室負責人,回目次,4.微鍛造成形,課本P.286,(1)機械微型化也是近年來機械製造業努力的方向。,(2)小型產品可以用小型生產系統來製造。,(3)能對變化快速的產品市場保持對應的彈性。,5.微型工廠,回目次,二、精微機械製造
20、,課本P.286,奈米材料是奈米科技發展的基石。,奈米製造是指1100奈米之間的生產製作技術。,發展方向有移除技術（Top down）及累加技術（Bottom up）兩種。,三、奈米製造,回目次,課本P.286287,如圖1321所示為兩種奈米製造技術的思維及做法。,回目次,三、奈米製造,課本P.287,1.移除技術（Top down）,回目次,三、奈米製造,課本P.287,2.累加技術（Bottom up）,(1)科學家發明了掃描探針顯微鏡 ( Scanning tunneling microscope，STM )。,(1)利用STM去控制電場蒸發與沉積方式，即可進行 單一原子的操縱。,回目
21、次,三、奈米製造,課本P.287288,(3)IBM實驗室以STM的探針，在銅金屬表面移動鐵原子，排列出目前最小的中文字原子，如圖1322所示。,回目次,三、奈米製造,課本P.288,2.累加技術（Bottom up）,(4)1986年開發的原子力顯微鏡（Atomic force microscope，AFM）則可以進行奈米切削、充當奈米墨筆沾黏分子，進行圖案及文字的書寫。,(5)可以移動奈米粒子，進行微小物件的奈米製造。,回目次,三、奈米製造,課本P.289,2.累加技術（Bottom up）,回目次,三、奈米製造,課本P.289,2.累加技術（Bottom up）,(1)蓮花效應 蓮葉表面
22、生有奈米結構，因而具有抗水防塵的自潔功能，稱為蓮花效應。(2)奈米黃金 黃金製成奈米粒子時，呈紅寶石色澤，熔點、硬度、生物特性皆與黃金大不相同，可應用於染料、半導體及生物科技領域。 (3)奈米碳管 碳元素構成的奈米碳管，直徑約為1 4nm，強度約為鋼的10 100 倍，而重量僅有鋼的1/6，且具有優良的彈性，可應用於顯微探針及微電極材料。,原型是指將產品由設計概念，轉變成實體（模型）， 以供設計確認、產品修正、功能測試及模具開發之用。,快速原型技術（Rapid prototyping，簡稱RP），又稱3D列印，是80 年代開始發展的製造技術。,結合了材料學、CAD/CAM、數值控制及雷射技術。
23、,回目次,一、 快速原型,課本P.290,影片,如圖1323所示，為傳統產品開發與RP製程時間比較,回目次,課本P.290,一、 快速原型,RP製程非常具有設計彈性。,RP製程的特點,可製作任何形狀。,材料可使用工程塑膠及金屬粉末（燒結）。,可直接製成零組件使用。,廣泛應用於機械、汽車、電子、通訊、航太科技等領域。,回目次,課本P.290,一、 快速原型,RP製程如圖1324所示 。,1.原理與製程步驟,回目次,課本P.291,一、 快速原型,當遇到複雜的零件，如圖1325所示，有伸出或中空部分則需要支撐。支撐可以在工件完成之後，以溶劑加以去除。,回目次,分層加工成形,課本P.291,一、 快
24、速原型,1.原理與製程步驟,(1) 立體印刷法,2.快速原型的成形方法,(2) 熔合沉積法,(3) 雷射燒結法,(4) 多層體製造法,回目次,課本P.291,一、 快速原型,(1) 立體印刷法(Stereolithography，SLA),如圖1326所示。,回目次,課本P.292,一、 快速原型,2.快速原型的成形方法,(2) 熔合沉積法(Fuseddeposition modeling，FDM),如圖1327所示。,回目次,課本P.292,一、 快速原型,2.快速原型的成形方法,(3) 雷射燒結法(Selective laser sintering，SLS),如圖1328所示，粉末法（SL
25、S）不用建構支撐，也是目前RP機器中能直接生產金屬件最成熟的方法。,回目次,課本P.293,一、 快速原型,2.快速原型的成形方法,(4) 多層體製造法（Laminatedobject manufacturing，LOM）,如圖1329所示。,回目次,課本P.243,一、 快速原型,2.快速原型的成形方法,二、 逆向工程,逆向工程 ( RE ) ：實物3D掃描取得圖檔進行設計工件製作。,常用非接觸式掃描設備量測實物的3D輪廓，而建立CAD圖檔。,圖檔以CAM轉換為加工程式，再以NC工具機或RP 技術，製作所需工件。,回目次,課本P.294,影片,二、 逆向工程,逆向工程常應用於下列情況：,1.產品設計開發。,2.原始圖檔不易取得。,3.藝術品數位典藏。,回目次,課本P.294,
