爐管在做什麼？氧化、退火是什麼

爐管是晶圓廠裡的高溫爐：一次把一整批晶圓排在架子上，送進一根很熱的長管子裡加熱，溫度多半在攝氏八百到一千兩百度之間。它最常做兩件事：熱氧化，讓矽和氧在高溫下長出一層二氧化矽；退火，用熱讓被撞亂的原子排回去。有些薄膜也在爐管裡長。

爐管長什麼樣子？

從外面看，爐管多半是一座直立的高櫃子。裡面是一根石英做的長管子，外面包著一圈加熱器。

晶圓放在一支叫「晶舟」的石英架子上，一格插一片，像碗盤架，一次排上百片，整支從下面慢慢升進管子裡。

一次放這麼多片，是因為一爐從升溫、做完到降溫要好幾個小時，長的接近一天。代價是一爐出事，整批都出事。

這一區很多廠也叫「擴散區」：以前改變矽導電的程度，是在高溫爐裡讓別種原子自己「擴散」進去；現在多半改用離子植入。其他幾區在做什麼，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」。

熱氧化是什麼？

矽放在空氣裡，表面本來就會長出一層很薄的二氧化矽，有點像鐵會生鏽。不一樣的是，矽的「鏽」是一層透明的玻璃：二氧化矽就是玻璃和石英的主要成分。它不導電，又長得很平整，是晶片裡很好用的絕緣層（見「半導體是什麼？」）。

可是在室溫下，這一層長到一、兩奈米就停了：氧要穿過已經長好的那一層才碰得到矽，室溫下它沒有足夠的能量。放進爐管加熱，氧就鑽得過去，氧化層就能一直往下長。這就是熱氧化。

新的二氧化矽是在底下、氧化層和矽的交界處生成的，用掉的是晶圓本身的矽。長出一百奈米的氧化層，大約有四十四奈米原本是矽，等於將近一半是「吃進」晶圓裡的。

在很多製程裡，熱氧化長出來最要緊的一層，是電晶體開關底下那層很薄的絕緣層（見「電晶體是什麼？」）；它也能當擋板：離子植入時，不想打到的地方先用氧化層蓋住。

乾氧和濕氧差在哪？

熱氧化的「氧」有兩種給法：

	乾氧	濕氧
通進去的	純的氧氣	水蒸氣
長得多快	慢	快很多
長出來的層	比較緻密，跟矽的交界比較乾淨	比較鬆一點
常用在	最薄、最要緊的那幾層	要長得很厚的地方

水氣會讓氧化變快，所以爐子裡連一點點多出來的水氣都要管住，不然就長得比預期厚。

退火是什麼？

退火本來是金屬加工的說法：把金屬加熱再慢慢冷下來，讓亂掉的結構重新排好。晶圓廠借了這個詞，意思是把晶圓加熱一段時間，讓原子動一動、排回該在的位置。

最常見的是在離子植入之後。矽的原子本來排得整整齊齊，像一箱排好的橘子。植入是把別種原子高速打進去（怎麼打，見「離子植入是什麼？」），一路撞過去，整齊的排列就亂了；打進去的原子也多半卡在縫裡，沒有坐上任何一顆橘子的位子。

卡在縫裡的原子幫不上導電的忙。加熱之後，撞亂的地方慢慢排回去，打進去的原子也趁機取代矽原子、坐進排列裡，才開始導電。工程師叫它「活化」，白話就是：原子站上崗位了。

退火有沒有到位，常看片電阻：站上崗位的原子越多，那一層越好導電，片電阻就越低。

退火也是兩難：溫度越高、時間越長，原子越容易站上崗位；可是熱得越久，打進去的原子也會往旁邊跑，把做好的形狀弄糊。所以有些退火還在爐管裡一次做一整批，有些改用一次一片、只加熱幾秒的快速作法。

爐管也能長薄膜嗎？

可以。熱氧化是讓矽自己跟氧反應；爐管也能把幾種氣體送進管子，在高溫、低壓下讓它們在晶圓表面起反應，鋪上一層新的材料，例如氮化矽、多晶矽。這是化學氣相沉積的一種，只是一次做一整批。長膜的幾種作法，見「薄膜製程是什麼？」。

為什麼溫度要很均勻？

氧化長得多快，跟溫度很有關係：溫度高一點，就長得快一點。一爐上百片排成一長條，如果上面比下面熱，上面的片子就長得比下面厚。像家裡的烤箱，上層和下層烤出來的顏色常常不一樣。

所以爐管把加熱分成好幾段，每一段有自己的加熱器和溫度計（熱電偶），各自調。晶舟最上面、最下面，溫度和氣流跟中間不一樣，就擺幾片不出貨的空白片子（擋片）墊著，讓產品都待在中間那一段。

每一爐也會在不同的位置，例如上、中、下，夾幾片監控片，出爐後量它們長了多厚。上下差得比平常多，就要查是溫度還是氣流出了問題。

升溫、降溫也要慢。晶圓受熱不均，邊緣和中間膨脹得不一樣，矽的排列會被扯得錯開，在邊緣留下一條一條的細線，叫滑移線。所以晶舟進出爐子都要慢慢來。

熱預算是什麼？為什麼每次加熱都要算？

原子在高溫裡會慢慢移動，就像一滴墨水滴進熱水，比在冷水裡散得快。麻煩的是，前面打進矽裡的原子，位置和深度都是算好的；後面每一次加熱，不管是氧化、退火還是長膜，都會讓它們再跑一點，形狀就慢慢變糊。

所以工程師會算一筆帳，叫熱預算：一片晶圓這一生在高溫裡待過的「溫度乘上時間」。它像一筆固定的預算，用掉就收不回來；同一段高溫多跑一次，結果就跟原本不一樣。

這筆帳要從頭排到尾：前面一步的條件，要先把後面所有的加熱算進去（見「製程整合工程師（PIE）在做什麼？」）。結構越小，原子跑一點點就看得出來，帳就越緊。等上面做了金屬導線，就再也不能進上千度的爐管，只能用幾百度。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」、左右滑到製程工程師，名字下面點「爐管」，就是爐管製程工程師；四個班照你打開的時間。你顧擴散課的兩台爐管 FURN-01、FURN-02。深夜班，FURN-02 跑到一半跳機，一爐一百片停在半路：找出哪一段加熱先掉溫、配方哪幾段沒跑完，再決定整段重跑（熱預算多用一整段），還是先 Hold、量過監控片只補剩下的。早班，量上、中、下三片監控片；午班，FURN-01 的上下差變大，今晚還有一爐要退火：先校正，還是照排；晚班，裝晶舟之前先看格子。

同一件事的設備那一邊，是爐管設備工程師（量產廠 › 設備 › 爐管）：熱電偶、加熱器和晶舟歸他。研發線的爐管研發製程工程師，要調電晶體開關底下那層很薄的氧化層和退火的條件。這幾個位子都標著 Beta。遊戲裡的公司、人物、機台編號、批號和數字都是虛構的；爐管在做什麼、氧化和退火的道理，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。