薄膜製程是什麼？晶片怎麼一層一層「長」上去

薄膜製程，就是在晶圓上鋪一層很薄的新材料。晶片是一層一層疊出來的：有的層要絕緣，把電隔開；有的層要導電，把電送過去。這些新的一層，大多是在薄膜區「長」上去的，厚度多半只有幾奈米到幾百奈米。業界也叫它薄膜沉積（deposition）。常見的作法有三種：化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD，晶圓廠裡最常見的是濺鍍）、原子層沉積（ALD）。

晶片為什麼要一層一層疊？

一顆手機晶片的最底下，有上百億個很小的開關，叫電晶體（見「電晶體是什麼？」）。開關要接起來才有用，所以上面還要蓋一層一層的金屬導線，導線和導線之間，再隔一層絕緣的材料。

每做一層，節奏都差不多：先鋪一層材料，再用黃光印上圖案，然後用蝕刻把不要的地方刻掉。薄膜就是第一步：先有一層材料，後面才有東西可以刻。其他幾區在做什麼，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」。

薄膜有多薄？

多半是幾奈米到幾百奈米。一根頭髮大約幾萬奈米粗，幾百奈米的膜也比頭髮細幾十到幾百倍。一層原子只有零點幾奈米厚，最薄的膜只有幾奈米，原子是一層一層數得出來的。

絕緣的膜，常見的是二氧化矽（玻璃的主要成分）和氮化矽；導電的，多半是金屬。

口語都叫「長」，其實有兩種：爐管裡的氧化，是讓矽自己跟氧反應，從晶圓本身長出一層；薄膜區是從外面把材料送來，鋪在最上面。

化學氣相沉積（CVD）是什麼？

CVD 是把幾種氣體送進一個密閉的腔體，讓它們在熱的晶圓表面起化學反應，變成一層固體留下來，剩下的廢氣再抽走。例如含矽的氣體加上含氧的氣體，留下的就是一層二氧化矽。

有點像冬天的窗戶：水氣碰到冰冷的玻璃，結成一層霜。不一樣的是，結霜只是水氣變成冰；CVD 的氣體在表面起了反應，變成另一種東西。

氣體從上方佈滿小孔的噴灑頭均勻灑下來。有些 CVD 加上電漿幫忙，晶圓就不必那麼熱；做到後面已經有金屬導線，不能再加熱太多（熱預算）。氣體會鑽進洞裡、在每一面起反應，所以 CVD 比較能把洞壁、洞底都長到。

物理氣相沉積（PVD）、濺鍍是什麼？

PVD 不靠化學反應。晶圓廠最常用的叫濺鍍：腔體抽成真空，通一點氬氣點成電漿。帶電的氬被電場拉過去，撞上一塊材料板（靶材，多半是金屬），把原子一顆一顆撞下來，落在晶圓上，就是一層膜。

要真空，是因為在空氣裡，原子飛不到一萬分之一公釐就會撞上空氣分子，氧和水氣也會混進膜裡。

它像噴漆：漆直直噴出去，正對著的那一面噴得厚。在又深又窄的洞裡，原子多半落在上面，鑽不太進去，洞底和洞壁就薄。靶材一直被撞，會越用越薄，用到一個程度就要換。

原子層沉積（ALD）是什麼？

ALD 把長膜拆成很多輪，每一輪最多只長一層原子，常常還不到一層。

想像一個停車場：每一格只停得下一台車，停滿了，後面來的車只能開走。ALD 先通第一種氣體，它的分子在晶圓表面「停」滿一層，就停不上去了。把多的吹乾淨，再通第二種氣體，跟停好的那一層起反應，變成一層膜，表面又空出新的車位。再吹乾淨，下一輪重來。

因為每一格只停一台，不管在洞口還是很深的洞底，只要時間夠，長出來的都一樣厚。代價是慢：常見的一種作法，一輪大約長 0.1 奈米，長 10 奈米就要一百輪左右。所以 ALD 多半用在最薄、最要緊的地方，例如電晶體裡只有幾奈米厚的絕緣層。

CVD、PVD、ALD 差在哪？

作法	怎麼長	像什麼	擅長	弱點
CVD 化學氣相沉積	氣體在熱的表面起反應	冷窗戶上結霜	快、材料多、洞裡也長得到	很深很窄的洞，洞口可能先封起來
PVD 物理氣相沉積（濺鍍）	把靶材的原子撞下來	噴漆	金屬膜、長得快	洞底、洞壁比較薄
ALD 原子層沉積	兩種氣體輪流，一輪最多一層	停車場停滿	最均勻，很薄也控制得住	很慢

最怕的是洞口先封起來。電晶體和上面的導線之間，靠又小又深的洞接通（接觸窗），洞裡要填滿金屬；洞口先合起來，裡面就留下空洞，從上面看不出來，電卻不好走。洞越細越深，作法和厚度就越講究，三種也常搭著用。

為什麼厚度要均勻？

厚度決定膜怎麼表現：金屬膜薄了，電阻變大；絕緣膜薄了，可能隔不住電。蝕刻也怕厚薄不一：同一片上，薄的地方先刻穿，厚的地方還沒，只好再多刻一段；差得越多，多刻得越久，薄的地方下面那一層就越容易傷到。所以不只平均要對，同一片晶圓的中心和邊緣也要一樣厚。

長完要量。透明的膜，看反射的光算出厚度；金屬不透光，常改量它好不好導電（片電阻）。一片晶圓上量很多個點，畫成一張厚度圖；機台也定時跑監控片，看有沒有慢慢偏掉。

厚度對了也還不夠：膜會拉著或推著晶圓，整片微微彎掉。彎太多，到了黃光，焦就對不準。

膜裡為什麼不能有微粒？

長膜的時候，只要有一顆微粒落在晶圓上，就會被膜蓋在裡面，鼓起一個小包，上面的層也可能跟著歪，讓一條線斷掉，或讓兩條線連在一起。無塵室有多乾淨，見「無塵室有多乾淨？」。

微粒也可能來自機台自己：膜也會長在腔體內壁和零件上，積厚了就剝落。所以腔體要定期清；保養完，也要先跑測試片數微粒（測機），過了才放貨。

長完之後，為什麼還要磨平？

膜照著下面的形狀長，下面高低不平，上面也一樣；把金屬填進溝槽，表面還會多出一層。所以薄膜後面常接著 CMP，把表面磨平、多的金屬磨掉，下一層的黃光才對得準（CMP 怎麼磨，見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」）。膜厚一點、薄一點，下一站磨出來就跟著變，所以這兩站常要互相講。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」的卡片上就能選薄膜的位子。當薄膜製程工程師（量產廠 › 製程 › 薄膜），你顧的是濺鍍機台 PVD-01：深夜，膜厚合格，晶圓卻彎得比平常多；早班，靶材快用完，膜一天比一天薄；午班換了新靶材，微粒變多、膜變厚，下一站 CMP 打電話來；晚班是新靶材的第一個晚上。

同一台機台的真空、泵浦和換靶材，歸薄膜設備工程師（量產廠 › 設備 › 薄膜）。研發線的薄膜研發製程工程師，用 CVD-R1 把阻障層和金屬填進新的接觸窗；凌晨的切片照片上，洞的底部有孔洞。這幾個位子都標著 Beta。遊戲裡沒有 ALD 的機台。公司、人物、機台編號和數字都是虛構的；薄膜怎麼長、為什麼怕不均勻和微粒，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。