請善用半導體的優點，放棄以氣體的植入，利用礦石使半導體發揮效益，並且利用各種平順波發揮各種電力的效益！ 半導體 概括 鑽石結構 能量-動量色散 載流子的產生與復合 半導體的摻雜 摻雜物 載流子濃度 摻雜對半導體能帶結構的影響 半導體材料的製造 應用 半導體製程及原理概述 原理簡介 2. 受體(P型) 製造流程 製程單元 氧化與模附著 現代積體電路程序中，以氯介入氧化劑來改善氧化層的品質及Si-SiO2，接合面的性質。氯包含在氯氣、氯化氫HCl或二氯乙烷中，其將Si-SiO2，接合面的雜質反應成揮發性氯化物，多餘的氯會增加介質的崩潰強度，減低接合面缺陷密度。介電質附著層主要用來隔離及保護不同種類元件及積體電路。三種常用的附著方法是:大氣壓下化學蒸氣附著(CVD)，低壓化學蒸氣附著(LPCVD)及電漿化學蒸氣附著(PCVD，或電漿附著)。化學蒸氣附著生成約二氧化矽並不取代熱生長的氧化層，因為後者具有較佳的電子性質。二氧化矽層可使用不同的附著方法，其中低溫附著(300~500℃)之氧化層由矽烷、雜質及氧氣形成。植入磷之二氧化矽的化學反應為 於中等溫度(500~800℃)的附著，二氧化矽由四乙經基矽，Si(OC2H5)4，在LPCVD反應器中分解形成。其分解反應為： Si(OC2H5)4→SiO2+副產物 高溫附著(900℃)，二氧化矽由二氯矽烷(SiCl2H2)與笑氣(N2O)在低壓下形成： SiCl2H2+2N2O→SiO+2N2+2HCI 氮化矽層可用作保護元件，方可作為矽氧化作用時的遮蔽層，覆蓋不欲氧化的矽晶部分，氮化矽的附著是在中等溫度(750℃)LPCVD程序或低溫(300℃)電漿CVD程序中形成。LPCVD程序中，二氯矽烷與氨在減壓下，700~800℃間，反應生成氮化矽附著，反應式為： 電漿PCVD程序中，氮化矽由矽烷與氨在氫電槳中反應或是矽烷在放電氮氣中生成，反應式如下： 矽晶聚合物，或稱聚合矽，在Metal Oxide Semiconductor(MOS)元件中用作閘極接線材料;多層金屬處理中當作導電材料;低能階接面元件中為接觸材料。方可作為擴散來源，生成低能階接面及矽晶體的歐姆接觸。其他用途包括電容及高電阻的製作。低壓反應器在600~650℃間操作，將矽烷熱解生成矽聚合體，反應式如下： 金屬層如鋁及矽化物用來形成低電阻連接N+、P+及矽聚合物層的金屬接觸，及整流作用的金屬一半導體能障。金屬處理包含內部聯線、歐姆接觸及整流金屬二半導體接觸等金屬層的形成。金屬層可用不同方法鍍上，最重要的方法為物理蒸氣附著及化學蒸氣附著，鋁與其合金以及矽化金屬為兩種最重要的金屬。在金屬處理中，化學蒸氣附著(CVD)提供相當優良的同型階梯涵蓋層，且一次可製成大量晶圓。最新的積體電路cVD金屬附著是應用於難熔金屬的附著。以鎢為例其熱解及還原的化學反應式： 其他金屬如鉬(MO)，鉭(Ta)，及鈦(Ti)都可應用於積體電路。這些金屬的附著皆是在LPCVD反應器中進行下列氫還原反應: M代表金屬Mo,Ta,Ti。鋁附著亦可使用有機金屬，如三異丁烷鋁: 積體電路金屬處理量最大的是鋁及其合金，因為兩者具備低電阻係數(Al為2.7μΩ-cm，合金為3.5μΩ-cm)，符合低電阻的要求。矽化物如TiSi2及TaSi2，，其低電阻係數(≦50μΩ-cm)，且在整個積體電路程序中不失原有性質，表列出不同矽化物的電阻係數。 擴散與離子植入 印刻與蝕刻 濺射蝕刻製程 1.3.4 晶圓切割 連線打著 塑封 去筋打彎 導線電鍍 浸錫與清洗 測試與包裝 IC製程實例 空氣污染源 廢水污染源 2. IC構裝製造作業主要污染源為切割、電鍍、浸錫、清洗等廢水，如圖2.3所示： 廢棄物污染源 污染物種類及特性 廢棄種類及特性 廢水種類及特性 (2)IC構裝廠 2.廢水特性 廢棄物種類及特性
取自:維基百科
半導體是指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產品，如計算機、行動電話或是數位錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關連。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等，而矽更是各種半導體材料中，在商業應用上最具有影響力的一種。
材料的導電性是由「導帶」（conduction band）中含有的電子數量決定。當電子從「價帶」（valence band）獲得能量而跳躍至「導電帶」時，電子就可以在帶間任意移動而導電。一般常見的金屬材料其導電帶與價電帶之間的「能隙」非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導電帶而導電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於9電子伏特），電子很難跳躍至導電帶，所以無法導電。
一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特，介於導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發，或是改變其能隙之間距，此材料就能導電。
半導體通過電子傳導或電洞傳導的方式傳輸電流。電子傳導的方式與銅線中電流的流動類似，即在電場作用下高度電離（ionization）的原子將多餘的電子向著負離子化程度比較低的方向傳遞。電洞導電則是指在正離子化的材料中，原子核外由於電子缺失形成的「電洞」，在電場作用下，電洞被少數的電子補入而造成電洞移動所形成的電流（一般稱為正電流）。
材料中載子（carrier）的數量對半導體的導電特性極為重要。這可以通過在半導體中有選擇的加入其他「雜質」（三、五族元素）來控制。如果我們在純矽中摻雜（doping）少許的砷或磷（最外層有五個電子），就會多出一個自由電子，這樣就形成N型半導體；如果我們在純矽中摻入少許的硼（最外層有三個電子），就反而少了一個電子，而形成一個電洞（hole），這樣就形成P型半導體（少了一個帶負電荷的電子，可視為多了一個正電荷）。
半導體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶間隙（Bandgap）寬度不同半導體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶（band）寬度不同。絕緣體的能帶比半導體寬，意即絕緣體價帶中的載子必須獲得比在半導體中更高的能量才能跳過能帶，進入導帶中。室溫下的半導體導電性有如絕緣體，只有極少數的載子具有足夠的能量進入導帶。因此，對於一個在相同電場下的本質半導體（intrinsic semiconductor）和絕緣體會有類似的電特性，不過半導體的能帶寬度小於絕緣體也意味著半導體的導電性更容易受到控制而改變。
純質半導體的電氣特性可以藉由植入雜質的過程而永久改變，這個過程通常稱為「摻雜」（doping）。依照摻雜所使用的雜質不同，摻雜後的半導體原子周圍可能會多出一個電子或一個電洞，而讓半導體材料的導電特性變得與原本不同。如果摻雜進入半導體的雜質濃度夠高，半導體也可能會表現出如同金屬導體般(類金屬)的電性。在摻雜了不同極性雜質的半導體接面處會有一個內建電場（built-in electric field），內建電場和許多半導體元件的操作原理息息相關。
除了藉由摻雜的過程永久改變電性外，半導體亦可因為施加於其上的電場改變而動態地變化。半導體材料也因為這樣的特性，很適合用來作為電路元件，例如電晶體。電晶體屬於主動式的（主動）半導體元件（active semiconductor devices），當主動元件和被動式的（無源）半導體元件（passive semiconductor devices）如電阻器（resistor）或是電容器（capacitor）組合起來時，可以用來設計各式各樣的積體電路產品，例如微處理器。
當電子從導帶掉回價帶時，減少的能量可能會以光的形式釋放出來。這種過程是製造發光二極體（light-emitting diode, LED）以及半導體雷射（semiconductor laser）的基礎，在商業應用上都有舉足輕重的地位。而相反地，半導體也可以吸收光子，透過光電效應而激發出在價帶的電子，產生電訊號。這即是光探測器（photodetector）的來源，在光纖通訊（fiber-optic communications）或是太陽能電池（solar cell）的領域是最重要的元件。
半導體有可能是單一元素組成，例如矽。也可以是兩種或是多種元素的化合物（compound），常見的化合物半導體有砷化鎵（gallium arsenide, GaAs）或是磷化鋁銦鎵（aluminium gallium indium phosphide, AlGaInP）等。合金（alloy）也是半導體材料的來源之一，如矽鍺（silicon-germanium, SiGe）或是砷化鎵鋁（aluminium gallium arsenide, AlGaAs）等。
半導體的能帶結構
半導體中的電子所具有的能量被限制在基態（ground state）與自由電子（free electron）之間的幾個「能帶」（energy band）裡，也就是電子所具備的能量必定為不連續的能階。當電子在基態時，相當於此電子被束縛在原子核附近；而相反地，如果電子具備了自由電子所需要的能量，那麼就能完全離開此材料。每個能帶都有數個相對應的量子態（quantum state），而這些量子態中，能量較低的都已經被電子所填滿。這些已經被電子填滿的量子態中，能量最高的就被稱為價電帶（valence band）。半導體和絕緣體在正常情況下，幾乎所有電子都在價電帶或是其下的量子態裡，因此沒有自由電子可供導電。
半導體和絕緣體之間的差異在於兩者之間能帶間隙（energy bandgap）寬度不同，亦即電子欲從價帶跳入導電帶（conduction band）時所必須獲得的最低能量不一樣。通常能帶間隙寬度小於3電子伏特（eV）者為半導體，以上為絕緣體。
在絕對零度時，固體材料中的所有電子都在價帶中，而導電帶為完全空置。當溫度開始上升，高於絕對零度時，有些電子可能會獲得能量而進入導電帶中。導電帶是所有能夠讓電子在獲得外加電場的能量後，移動穿過晶體、形成電流的最低能帶，所以導電帶的位置就緊鄰價電帶之上，而導電帶和價電帶之間的差距即是能帶間隙。通常對半導體而言，能帶間隙的大小約為1電子伏特上下。在導電帶中，和電流形成相關的電子通常稱為自由電子。又根據包利不相容原理（Pauli exclusion principle），同一個量子態內不能有兩個電子，已經被填滿的能帶無法導電，因為該能帶內的所有量子態都已經被電子佔據，所以半導體材料的導電帶不會被電子佔滿，讓電子可以在其中的量子態間移動。
費米-狄拉克分佈。在價電帶內的電子獲得能量後便可躍升到導電帶，而這便會在價帶內留下一個空缺，也就是所謂的「電洞」（electron holes）。導電帶中的電子和價電帶中的電洞都對電流傳遞有貢獻，電洞本身不會移動，但是其它電子可以移動到這個電洞上面，等效於電洞本身往反方向移動。相對於帶負電的電子，電洞的電性為正電。
由化學鍵結的觀點來看，獲得足夠能量、進入導電帶的電子也等於有足夠能量可以打破電子與固體原子間的共價鍵（covalent bonds），而變成自由電子，進而對電流傳導做出貢獻。
半導體和導體之間有個顯著的不同是半導體的電流傳導同時來自電流與電洞的貢獻，而導體的費米能階（Fermi level）則已經在導帶內，因此電子不需要很大的能量即可找到空缺的量子態供其跳躍、造成電流傳導。
固體材料內的電子能量分布遵循費米-狄拉克分佈（Fermi-Dirac Distribution）。在絕對零度時，材料內電子的最高能量即為費米能階，當溫度高於絕對零度時，費米能階為所有能階中，被電子占據機率等於0.5的能階。半導體材料內電子能量分布為溫度的函數也使其導電特性受到溫度很大的影響，當溫度很低時，可以跳到導電帶的電子較少，因此導電性也會變得較差。
上述關於能帶結構的內容為了簡化，因此跳過了一個重要的現象，稱為「能量的色散」（dispersion of energy）。同一個能帶內之所以會有不同能量的量子態，原因是能帶的電子具有不同波向量（wave vector），或是k-向量。在量子力學中，k-向量即為粒子的動量，不同的材料會有不同的能量-動量關係（E-k relationship）。
矽的能帶結構。對於間接能帶半導體而言，電子從導帶落至價帶時，能量的釋放牽涉到動量守衡，故大部分以聲子的形式釋放能量，發光效率不高。能量-動量色散關係式能決定電子或電洞的「等效質量」（effective mass），以代表，公式如下：
等效質量可視為聯繫量子力學與古典力學的一個參數。這個參數對於半導體材料而言十分重要，例如它和電子或電洞的「遷移率」（electrons or holes mobility）有高度關聯。電子或電洞的遷移率對於半導體元件的載子傳輸是相當基本的參數。
電子和電洞的等效質量不相等，這也造成了兩者的遷移率不同，進而讓N-通道和P-通道的MOSFET導電性不同。
砷化鎵的能帶結構。對於直接能隙半導體而言，電子從導帶落至價帶時，能量的釋放不必牽涉到動量守衡，故全部以光子的形式釋放能量。半導體材料的導電帶底部和價電帶頂端在能量-動量座標上可能會處在不同的k值，這種材料叫做「間接能帶材料」（in-direct bandgap material），例如矽（silicon）或是鍺（germanium）。相對地，如果某種材料的導帶底部和價帶頂端有相同的k值，這種材料稱為「直接能帶材料」（direct bandgap material），最常見的例子是砷化鎵（GaAs）。電子在直接能隙材料的價帶與導帶的躍遷不涉及晶格動量的改變，因此發光的效率高過間接能隙材料甚多，砷化鎵也因此是光電半導體元件中最常見的材料之一。
當離子化的輻射能量落在半導體時，可能會讓價帶中的電子吸收到足夠能量而躍遷至導帶，並在價帶中產生一個電洞，這種過程叫做「電子-電洞對的產生」（generation of electron-hole pair）。而其他夠大的能量，如熱能，也可以同樣產生出電子-電洞對。
電子-電洞對則會經由復合（recombination）的過程而被消滅。根據能量守恆的觀念，在導帶中的電子必須回到價帶，將所得到的能量釋放出來。能量釋放的形式包括熱能或輻射能，而這兩種能量量子化後的表徵分別是聲子（phonon）以及光子（photon）。
對於處在穩態（steady state）的半導體而言，電子-電洞對的產生與復合速率是相等的。而在一個已給定的溫度下，電子-電洞對的數量可由量子統計求得。量子力學處理此類問題時必須同時遵守能量以及動量守恆。
半導體之所以能廣泛應用在今日的數位世界中，憑藉的就是其能藉由在其晶格中植入雜質改變其電性，這個過程稱之為摻雜（doping）。摻雜進入本質半導體（intrinsic semiconductor）的雜質濃度與極性皆會對半導體的導電特性產生很大的影響。而摻雜過的半導體則稱為外質半導體（extrinsic semiconductor）。
哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物（dopant）需視兩者的原子特性而定。一般而言，摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區分為施體（donor）與受體（acceptor）。施體原子帶來的價電子（valence electrons）大多會與被摻雜的材料原子產生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產生共價鍵的電子則會被施體原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施體電子。和本質半導體的價電子比起來，施體電子躍遷至導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，產生電流。雖然施體電子獲得能量會躍遷至導帶，但並不會和本質半導體一樣留下一個電洞，施體原子在失去了電子後只會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多餘電子提供傳導的半導體稱為n型半導體（n-type semiconductor），n代表帶負電荷的電子。
和施體相對的，受體原子進入半導體晶格後，因為其價電子數目比半導體原子的價電子數量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受體摻雜後的半導體稱為p型半導體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。
以一個矽的本質半導體來說明摻雜的影響。矽有四個價電子，常用於矽的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼（boron）摻雜至矽半導體中時，硼扮演的即是受體的角色，摻雜了硼的矽半導體就是p型半導體。反過來說，如果五價元素如磷（phosphorus）摻雜至矽半導體時，磷扮演施體的角色，摻雜磷的矽半導體成為n型半導體。
一個半導體材料有可能先後摻雜施體與受體，而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜後的半導體中，受體帶來的電洞濃度較高或是施體帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質半導體的「多數載流子」（majority carrier）。和多數載流子相對的是少數載流子（minority carrier）。對於半導體元件的操作原理分析而言，少數載流子在半導體中的行為有著非常重要的地位。
摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其載流子濃度。在熱平衡的狀態下，一個未經摻雜的本質半導體，電子與電洞的濃度相等，如下列公式所示：
其中是半導體內的電子濃度、則是半導體的電洞濃度，則是本質半導體的載流子濃度。會隨著材料或溫度的不同而改變。對於室溫下的矽而言，大約是1.5×1010 cm-3。
通常摻雜濃度越高，半導體的導電性就會變得越好，原因是能進入導帶的電子數量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導體會因為導電性接近金屬而被廣泛應用在今日的積體電路製程來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會在或是後面附加一上標的「+」號，例如代表摻雜濃度非常高的n型半導體，反之例如則代表輕摻雜的p型半導體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經高到讓半導體「退化」（degenerate）為導體，摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個有晶格結構的矽本質半導體而言，原子濃度大約是5×1022 cm-3，而一般積體電路製程裡的摻雜濃度約在1013 cm-3至1018 cm-3之間。摻雜濃度在1018 cm-3以上的半導體在室溫下通常就會被視為是一個「簡併半導體」（degenerated semiconductor）。重摻雜的半導體中，摻雜物和半導體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。在半導體製程中，摻雜濃度都會依照所製造出元件的需求量身打造，以合於使用者的需求。
摻雜之後的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質半導體的能隙之間會出現不同的能階。施體原子會在靠近導帶的地方產生一個新的能階，而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新的能階。假設摻雜硼原子進入矽，則因為硼的能階到矽的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小於矽本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到矽裡的硼原子完全解離化（ionize）。
摻雜物對於能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面（p-n junction）的能帶會彎折，起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面後其費米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導體的導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能帶差異。
上述的效應可以用能帶圖（band diagram）來解釋，如右圖。在能帶圖裡橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費米能階，半導體的本質費米能階（intrinsic Fermi level）通常以來表示。在解釋半導體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。
氫原子的電子分佈機率為了滿足量產上的需求，半導體的電性必須是可預測並且穩定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。常見的品質問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆疊錯誤（stacking fault）都會影響半導體材料的特性。對於一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。
目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基製程（Czochralski process）。這種製程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的介面固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。
半導體器件可以通過結構和材料上的設計達到控制電流傳輸的目的，並以此為基礎構建各種處理不同訊號的電路。這是半導體在當前電子技術中廣泛應用的原因。
摘自:http://www2.nsysu.edu.tw/IEE/lou/elec/web/process/semi.htm
半導體工業的製造方法是在矽半導體上製造電子元件(產品包括:動態記憶體、靜態記億體、微虛理器…等)，而電子元件之完成則由精密複雜的積體電路(Integrated Circuit，簡稱IC)所組成；IC之製作過程是應用晶片氧化層成長、微影技術、蝕刻、清洗、雜質擴散、離子植入及薄膜沉積等技術，所須製程多達二百至三百個步驟。隨著電子資訊產品朝輕薄短小化的方向發展，半導體製造方法亦朝著高密度及自動化生產的方向前進;而IC製造技術的發展趨勢，大致仍朝向克服晶圓直徑變大，元件線幅縮小，製造步驟增加，製程步驟特殊化以提供更好的產品特性等課題下所造成的良率控制因難方向上前進。
半導體業主要區分為材料(矽品棒)製造、積體電路晶圓製造及積體電路構裝等三大類，範圍甚廣。目前國內半導體業則包括了後二項，至於矽晶棒材料仍仰賴外國進口。國內積體電路晶圓製造業共有11家，其中聯華、台積及華邦各有2個工廠，總共14個工廠，目前仍有業者繼紙擴廠中，主要分佈在新竹科學園區，年產量逾400萬片。而積體電路構裝業共有20家工廠，遍佈於台北縣、新竹縣、台中縣及高雄市，尤以加工出口區為早期半導體於台灣設廠開發時之主要據點。年產量逾20億個。
一般固體材料依導電情形可分為導體、半導體及絕緣體。材料元件內自由電子濃度(n值)與其傳導率成正比。良好導體之自由電子濃度相當大(約1028個e-/m3)，絕緣體n值則非常小(107個e-/m3左右)，至於半導體n值則介乎此二值之間。
半導體通常採用矽當導體，乃因矽晶體內每個原子貢獻四個價電子，而矽原子內部原子核帶有四個正電荷。相鄰原子間的電子對，構成了原子間的束縛力，因此電子被緊緊地束縛在原子核附近，而傳導率相對降低。當溫度升高時，晶體的熱能使某些共價鍵斯鍵，而造成傳導。這種不完全的共價鍵稱為電洞，它亦成為電荷的載子。如圖1.l(a),(b)
於純半導體中，電洞數目等於自由電子數，當將少量的三價或五價原子加入純矽中，乃形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)半導體。並可分為施體與受體，分述如下：
1.施體(N型)
當摻入的雜質為五價電子原子(如砷)，所添入原子取代矽原子，且第五個價電子成為不受束縛電子，即成為電流載子。因貢獻一個額外的電子載子，稱為施體(donor)，如圖1.l(C)。
當將三價的雜質(如硼)加入純矽中，僅可填滿三個共價鍵，第四個空缺形成一個電洞。因而稱這類雜質為受體(acceptor)，如圖1.l(d)。
半導體各種產品即依上述基本原理，就不同工業需求使用矽晶圓、光阻劑、顯影液、酸蝕刻液及多種特殊氣體為製程申的原料或添加物等，以完成複雜的積體電路製作。
半導體工業所使用之材料包含單一組成的半導體元素，如矽(Si)、鍺(Ge)(屬化學週期表上第四族元素)及多成分組成的半導體含二至三種元素，如鎵砷(GaAs)半導體是由第三族的鎵與第五族的砷所組成。在1950年代早期，鍺為主要半導體材料，但鍺製品在不甚高溫情況下，有高漏失電流現象。因此，1960年代起矽晶製品取代鍺成為半導體製造主要材料。半導體產業結構可區分為材料加工製造、晶圓之積體電路製造(wafer fabrication)(中游)及晶圓切割、構裝(wafer package)等三大類完整製造流程，如圖1.2所示。其中材料加工製造，是指從矽晶石原料提煉矽多晶體(polycrystalline silicon)直到晶圓(wafer)產出，此為半導體之上游工業。此類矽晶片再經過研磨加工及多次磊晶爐(Epitaxial reactor)則可製成研磨晶圓成長成為磊晶晶圓，其用途更為特殊，且附加價值極高。其次晶圓之體積電路製造，則由上述各種規格晶圓，經由電路設計、光罩設計、蝕刻、擴散等製程，生產各種用途之晶圓，此為中游工業。而晶圓切割、構裝業係將製造完成的晶圓，切割成片狀的晶粒(dice)，再經焊接、電鍍、包裝及測試後即為半導體成品。
積體電路的製造過程主要以晶圓為基本材料，經過表面氧化膜的形成和感光劑的塗佈後，結合光罩進行曝光、顯像，使晶圓上形成各類型的電路，再經蝕刻、光阻液的去除及不純物的添加後，進行金屬蒸發，使各元件的線路及電極得以形成，最後進行晶圓探針檢測;然後切割成晶片，再經粘著、連線及包裝等組配工程而成電子產品。各主要製程單元概述如下：
原料晶圓在投入製程前，本身表面塗有2μm厚的AI2O3，與甘油混合溶液保護之，晶圓的表面及角落的污損區域則藉化學蝕刻去除。
為製成不同的元件及積體電路，在晶片長上不同的薄層，這些薄層可分為四類:熱氧化物，介質層，矽晶聚合物及金屬層。熱氧化物中重要的薄層有閘極氧化層(gate oxide;與場氧化層(field oxide)，此二層均由熱氧化程序製造。以下二化學反應式描述矽在氧或水蒸氣中的熱氧化：
Si(固體) + O2(氣體) →SiO2(固體)
Si(固體) + 2H2O(氣體) →SiO2(固體) + 2H2(氣體)
SiH4+O2→SiO2+2H2 4PH3+5O2→2P2O5+6H2
SiCl2H2+4NH3 →Si3N4+6HCl+6H2
SiH4+NH3→SiNH+3H2
2SiH4+H2→2SiNH十3H2
SiH4→Si+2H2
WF6→W+3F2
WF6+3H2→W+6HF
2MCl5+5H2→2M+10HCl
2{(CH3)2CHCH2}3Al→2Al+3H2+副產物
擴散及離子植入是用來控制半導體中雜質量的關鍵程序。擴散方法是使用植入雜質或雜質的氧化物作氣相附著，將雜質原子植入半導體晶圓的表面附近區域。雜質濃度由表面成單調遞減，雜質的分佈固形取決於溫度及擴散時間。離子植入程序中，雜質是以高能呈離子束植入半導體中。植入雜質的濃度在半導體內存在一高峰，雜質的分佈圖形取決於離子的質量與植入能量。離子植入程序的優點在於雜質量的精確控制，雜質分佈的再重整，以及低溫下操作。擴散與離子植入之比較如圖1.3所示。
雜質的擴散基本上是將半導體晶圓置於熔爐中，然後以帶雜質原子的惰性氣體通過。於矽擴散作用中，最常使用的雜質為硼、砷及磷，這三種元素在矽中的溶解度相當高。雜質的來源包含數種，有固體來源(BN，AS2O3及P2O3)，液體來源(BBr3、AsCl3及POCl3)，氣體來源(B2H6、AsH3、及PH3)。通常，以上物質由惰性氣體(如N，)輸送至半導體表面而發生還原反應。固體來源的化學反應式如下反應時會往矽表面形成氧化層。
2As2O3+3Si→4As+3SiO2
離子植入是將高能量之帶電粒子射入矽基晶中。半導體中離子植入的實際應用改變了基晶層的電子性質。植入雜質濃度在1011~1016離子/cm2。雜質濃度的表示法是半導體單位表面積1cm2所植入的離子數目。
印刻是在覆蓋半導體晶片表面的光敏感材料薄層(稱為光阻)印上幾何鑄型。不同的光阻鑄型不止一次的印刻在晶層上，以形成元件圖樣。再經蝕刻程序獲得各不同區，以便進行植入、擴散等前幾節所敘述的步驟。表1.2所列為IC印刻方法及對應使用之光阻成分。
光阻化合物對輻射具敏感性，可區分為正光阻及負光阻。正光阻經過光照後，曝光區可以化學物質(去光阻劑或顯影液)溶解除去；負光阻正好相反。正光阻的組成有三：對光敏感化合物、樹脂及有機溶劑。負光阻是含光敏感組成的高分子。表1.3列出了商業上常用的IC印刻種類及其光阻型式。
晶圓上光阻後，經曝光處理，再由顯影液將曝光區的正光阻溶解、洗淨、涼乾，再經蝕刻去除曝光區的絕緣層，而未曝光區的光阻則不受蝕刻影嚮，最後除去剩餘光阻，可用溶液(如H2SO4+H2O2槽)或電漿氧化，經此道程序，可製成設計所需之絕緣層鑄型影像。而絕緣層之鑄型影像，乃作為下個製程的遮避保護層，如離子植入未被絕緣層保護的半導體基質區域，整個積體電路的電路系統製程，通常須重覆地在晶圓表面作多次以上的印刻與蝕刻程序。
濕法化學蝕刻乃利用液體化學物質與基質表面的特定材料反應溶出，此程序廣泛的應用於半導體製程中。最常使用的侵蝕液為硝酸(HNO3)及氫氟酸(HF)的水溶液或是醋酸(CH3COOH)溶液。
SiO2+6HF→H2SiF6+H2O
Si+HNO3+6HF→H2SiF6+HNO2+H2O+H2
鎵砷半導體之蝕刻液以H2SO4-H2O2-H2O為主。另外，絕緣層與金屬層之蝕刻，使用的是能溶解這些物質及其鹽類或錯化物的化學品。矽與鎵砷常見之蝕刻液列於表1.4，表1.5列出了常用作絕緣層及金屬層蝕刻的侵蝕液。
乾法蝕刻(電漿蝕刻)乃利用低壓放電將氣體電離成電漿，所以電漿含全部或部分電離之氣體，其中有離子、電子及中子。表1.6列出兩種氣體蝕刻系統濺蝕刻製射程及平行台電漿蝕刻所使用之氣體。
加，Ne
平行台電漿蝕刻
CCI< + CI@CF< + H@BCl3 + CI@CCI< + 0@SF@ + Cl,
將晶片排列組合，做成積體電路，利用閘區化切割機或鑽石刀及雷射槍來替代切割機切割晶圓，形成IC薄片，如圖1.4所示
利用金屬線連接IC晶片與基板，如圖1.5所示。
為保護已連線的IC，將IC晶片封入環氧樹脂封套內。此種程序在壓模機中完成，操作溫度為180~200。C，如圖1.6所示。
將整片連線打著完成之半產品自金屬線切開(即去筋)，並將基板兩側漏出之金屬線打彎成直角，如圖1.7所示。
在電鍍槽中將露在外面的導線，鍍上一層銅使之易於導電。此製程視產品品質決定需要否
將導線浸錫以利焊接，並以有機溶劑、混酸清洗去除殘餘油脂，提高IC品質。
檢查IC晶片之電性，最後將合格之IC包裝完成。
半導體業積體電路製造過程十分複雜，且隨著產品之不同製程亦跟著改變。以下則舉一基本實例並配合圖形說明整個製程。半導體元件成品如圖1.8所示。
污染源及污染特性
污染源概述
半導體工業因產品不斷研發而製程亦隨著更改，從以往所採用之濕式製程到現在採用減壓後之氣體乾式製程，及目前興起之化合物半導體研究也正迅速發展中。隨著這些技術之革新，半導體製造時所使用之酸鹼溶液、有機溶劑、特殊氣體材料之種類及數量均在增加之中，而這些製程原料大部份都其有毒性，所以應特別注意並加以防範與控制。以下乃針對此產業各類生產流程，說明廢氣、廢水及廢棄物污染來源，以期能掌握各項污染物之排放。
半導體製造不管在矽晶圓、積體電路製造，或是IC晶片構裝，其生產製程相當繁雜，製程申所使用之化學物質種類亦相當多，而這些化學物質或溶劑的使用是為半導體生產之主要空氣污染源，也因此使得半導體製造空氣污染呈現量少但種類繁多的特性。
晶圓及積體電路製造過程中幾乎每個步驟皆分別使用各式各樣的酸鹼物質、有機溶劑及毒性氣體，而各種物質經過反應後又形成種類頗為複雜之產物，各製程不同使用的化學物質亦不相同，故所有製程幾乎部可能是空氣污染源，且皆為連績排放。圖2.1中說明晶圓及積體電路製程申可能之污染源及其排放之污染物。依污染物特性予以歸類，可將晶圓及積體電路製程空氣污染區分為下列三處：
1. 氧化擴散及化學蒸著沉積製程中所使用具有毒性、可燃性之氣體以及反應後所生成之氣體。
2. 蝕刻及清洗製程中所產生之酸鹼氣體。
3. 黃光室製程中所產生之有機溶劑氣體。
至於晶圓切割成晶片，再經過一連串之構裝作業，可能之空氣污染源包括:電鍍區產生之酸鹼廢氣、浸錫區產生之錫煤煙，以及清洗過程產生之酸氣與有機溶劑蒸氣等三大類。圖2.2中則標示IC晶片構裝作業程序可能之空氣污染源及其排放之污染物。
廢水污染源分為IC製造廠及構裝製造作業，各有不同，說明如下：
1. IC製造廠廢水來源雖多且造成污染之化學物質相當複雜，廢水主要為超純水清洗晶片、去光阻及刻蝕過程等程序所排出之廢水。各股廢水源及其所含的化學物質如下所示：
(1)晶片清洗廢水：H2SO4、H2O2、HF、NH4OH、HCl。
(2)去光阻廢水：二甲苯、乙酸丁酯、甲苯、ABS。
(3)濕式蝕刻廢水：HF、NH4F、HNO3、H2O2、HCl、H2SO4、HAc、H3PO4、HBr、Al、Si。
(4)洗爐管廢水：HF。
(5)純水設備再生廢水：NaOH、HCl、H2O2。
(6)濕式洗滌塔廢水：洗滌廢氣所含之污染質。
各股污染源所包含的化學物質列示如下：
(1)切割廢水：晶片切割研磨廢水。
(2)電鍍廢水：脫脂過程之有機物及電鍍程序的Cu2+、Ni2+、Zn2+、Pb2+、Ag2+、氰化物、氟化物等。
(3)浸錫：廢水助焊劑。
(4)清洗廢水：H2SO4、HNO3、H2O2、H3PO4。
(5)純水設備再生廢水：NaOH、HCl。
(6)濕式洗滌塔廢水：洗滌廢氣所含之污染質。
廢棄物之產生源及其物質分述如下：
1. 包裝器材：紙箱、木箱、玻璃瓶、塑膠桶、保麗龍填充襯材。
2. 清洗廢液：廢酸、廢鹼、廢溶劑。
3. 蝕刻廢液：廢酸。
4. 微影廢液：顯影廢液、微影清洗廢液。
5. 泵浦廢油：離子植入機、PVD、CVD、蝕刻機等真空泵之劣化油脂。
6. 污泥：含氟廢水處理之污泥。
7. 空氣處理廢料：無塵室空氣過濾廢濾料及毒性氣體吸附塔廢料。
8. 無塵室人員使用後廢棄之口罩、手套、鞋套。
9. 員工生活廢棄物：餐廳及辦公室廢棄物。
10. 廢損晶片。
IC製造主要使用之化學物質
半導體製造工業在產業史上屬危險性較高之工業，尤其是超LSI製程需經過很多層之處理而成形，構成非常精密的回路，須於氣相中處理。同時這些處理都要在瞬間的狀態下進行，所以使用之氣體也採用化學活性高的元素，例如超LSI基於物理特性考慮，而使用金屬、半金屬及非金屬為氣體化之氫化物，烷基化合物(alkyl)或低級鹵素化合物(halogen)等。製程中由氧化至清洗階段包括光罩、蝕刻、離子植入及不純物擴散等，也都需使用具有毒性之膠合劑氣體及矽烷類氣體，其供給型態如表2.1及圖2.4所示。
另外一般濕式製程中的蝕刻及清洗則使用大量的酸鹼溶液，基本上有氫氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCIl及氨(NH3)等，使用時大都形成混合液(buffer solution)。
然而製程中幾乎每個步驟都使用有機溶劑，尤其在黃光區中光阻液清洗、濕像液清除、蝕刻液清除及晶圓清洗等均使用大量有機溶劑，主要有丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、丙醇、甲醇、三氯乙烷、丁酮、甲苯、苯、二甲苯、乙醇、乙酸甲酯、二氯乙烯及氯醛等。
同一操作單元所使用之化學物質隨工廠之不同而異，而每個工廠也不一定使用所有化學物質，而本節中所列乃為工廠目前主要使用之化學物質。
由以上敘述可將半導體工業所用之製程材料歸納為特殊毒性氣體、酸鹼液及有機溶劑三大類。由於所用之原料多為劇毒且具刺激性、危險性及易燃性，對人體傷害甚鉅，美國安全衛生協會(OSHA)，已對這些物質訂定安全衛生標準加以防範，如HF曝露閥值為3ppm、HCl為5ppm、H2SO4為lmg/m3、HNO3為lmg/m3、NH3為25ppm、Cl2為lppm、ASH3為0.05ppm、pH3為0.03ppm。另外由於此行業過去使用極多之氟氨碳化物(CFCs，代表所有鹵素合成物，包括氟氯碳及氟氯烷)，這些合成物對臭氧層之破壞力十倍於氫氯碳化合物(HFCs)，因此現多已改用其他替代之方法，而且將完全不用CFCs類化學品。
積體電路製造隨著其製程使用不同的化學物質，所產生的空氣污染物種類與特性亦不同，可歸納為酸鹼廢氣、有機溶劑逸散蒸氣、特殊毒性及燃燒性氣體;如表2.2所示。
廢氣種類 污染物成份 污染源
酸鹼廢氣 酸氣：HF、HCl、HNO3、H2SO4、CH3COOH、H3PO4、H2Cr2O7
鹼氣：NH3、NaOH 氧化、光罩、蝕刻、反應爐(氧化爐、擴散爐)之清洗、CVD
有機溶劑廢氣
二氯甲烷(CH2Cl2)、氯仿(CHCl3)、丁酮、甲苯、乙苯、丙酮、苯、二甲苯、4-甲基-2-戊酮[(CH3)2CHCH2COCH3]、乙酸丁酯、三氯乙烷、異丙醇、四甲基胺、氨醛、四氯乙烯、乙基苯、亞甲基二氯、丁基苯、Trans-1,2-Dichloroethene
光阻液清洗、顯像液清除、蝕刻液清除、晶圓清洗
毒性氣體
AsH3、pH3、SiH4、B2H4、B4H10、P2O5、SiF4、 CCl4、HBr、BF3、AlCl3、B2O5、AsO3、BCl3、POCl3、Cl2、HCN、SiH2Cl2
氧化、光罩、蝕刻、擴散、CVD、離子植入
燃燒性氣體
SiH4、AsH3、PH3、BF3、H2、SiH2Cl2
離子植入、CVD、擴散
至於IC晶片構裝製造業產生之污染物計有電鍍區產生之酸鹼廢氣、浸錫區產生的錫煙氣及清洗過程產生之酸氣、有機溶劑逸散蒸氣。採用之酸液主要為硝酸、硫酸，有機溶劑為三氯乙烷及丙酮。
1. 廢水種類
(1)IC製造廠
IC製造廠由於產品類型及規格相當多樣化，因此製程單元組合多不相同，因此製程排出之廢水種類及造成污染之化學物質相當多且繁雜，而廢水絕大多數為超純水清洗晶片、去光阻及蝕刻等程序所排出之廢水，若依照廢水成份特性大致上可區分為酸鹼廢水及含氟廢水兩大類，由於此兩類廢水之污染特性差異甚大，處理時必須予以妥善分流收集：
①酸鹼廢水：含有H2SO4、HAc、HNO3、HF、H3PO4、NaOH、NH4F、H2O2、NH4OH、HCl、二甲苯等成份，污染質為pH、COD、SS及微量F -。
②含氟廢水：含高濃度HF，污染質為pH、COD、F_。
IC構裝廠主要污染源為電鍍程序產生的廢液及廢棄水洗水。其電鍍程序依產品差異而有不同，包括有鍍錫鉛、鍍鎳、鍍銀等。綜合其廢水種類可依污染性及廢水來源區分為研磨廢水、脫脂廢水、酸鹼廢水、氰化物廢水、重金屬廢水等類。
➀研磨：廢水含矽晶粉末，污染質為SS
➁脫脂廢水：電鍍前處理程序產出，含SS、油脂、COD以及螯合劑。
➂酸鹼廢水：電鍍前虛理程序產出，含H2SO4、HCl、NaOH等，污染質為pH、COD、SS。
➃氰化物廢水：污染質為CN--、pH。
➄重金屬廢水：電鍍程序產出，包括底材溶出，鍍液帶出，而溶入水洗水，污染質包括pH、Zn、Pb等重金屬。
由於積體電路製造業之製程須依據產品設計需求而決定，故廢水水量水質隨製程改變而有相當大的變化，又由於積體電路產品之多元化，乃致廢水之水量/水質經常變動，尤以電鍍程序之鍍液種類最明顯，各IC構裝廠之電鍍程序大不相同，產生之重金屬及氰化物種類相差甚大，而其中主要使用程序為鍍錫鉛，而氰化物及其他重金屬之整體污染則較微量。
工廠廢棄物可分為一般事業廢棄物及有害事業廢棄物。
1.一般事業之廢棄物：生活垃圾、紙、玻璃、塑膠、木材、保麗龍、橡膠手套、不織布口罩及鞋套、廢溶劑、廢濾料、顯影廢液、微影清洗廢液、泵浦廢油、含氟廢水虛理污泥、廢晶片，其申廢溶劑包括三氯乙烷、異丙烷、丙酮、乙醇、二甲苯、甲苯、乙酸丁酯、甲醇、三氯甲烷、三氟三氯乙烷等。
2.有害事業廢棄物：廢酸、廢鹼、毒性氣體吸附廢料。其中廢酸包括HF、NH4F、H2SO4、HCl、HNO3、HAc、HBr等，廢鹼則為NH4OH。
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