La fabricación de cada producto semiconductor requiere cientos de procesos. Dividimos todo el proceso de fabricación en ocho pasos:obleaProcesamiento-oxidación-fotolitografía-grabado-deposición de película delgada-crecimiento epitaxial-difusión-implantación iónica.
Para ayudarle a comprender y reconocer los semiconductores y los procesos relacionados, publicaremos artículos en WeChat en cada número que presentarán cada uno de los pasos mencionados anteriormente, uno por uno.
En el artículo anterior se mencionó que para proteger laobleaA partir de diversas impurezas, se formó una película de óxido: un proceso de oxidación. Hoy hablaremos del proceso de fotolitografía para fotografiar el circuito semiconductor diseñado sobre la oblea con la película de óxido formada.
Proceso de fotolitografía
1. ¿Qué es el proceso de fotolitografía?
La fotolitografía se utiliza para fabricar los circuitos y las áreas funcionales necesarias para la producción de chips.
La luz emitida por la máquina de fotolitografía se utiliza para exponer la película delgada recubierta con fotorresina a través de una máscara con un patrón. La fotorresina cambia sus propiedades al ser expuesta a la luz, de modo que el patrón de la máscara se copia en la película delgada, convirtiéndola así en un diagrama de circuito electrónico. Este es el papel de la fotolitografía, similar al de tomar fotografías con una cámara. Las fotos tomadas con la cámara se imprimen en la película, mientras que la fotolitografía no graba fotografías, sino diagramas de circuitos y otros componentes electrónicos.
La fotolitografía es una tecnología de micromecanizado de precisión.
La fotolitografía convencional es un proceso que utiliza luz ultravioleta con una longitud de onda de 2000 a 4500 angstroms como portadora de la información de la imagen, y utiliza fotorresina como medio intermedio (de registro de imágenes) para lograr la transformación, transferencia y procesamiento de los gráficos, y finalmente transmite la información de la imagen al chip (principalmente un chip de silicio) o a la capa dieléctrica.
Se puede afirmar que la fotolitografía es la base de las industrias modernas de semiconductores, microelectrónica e información, y que determina directamente el nivel de desarrollo de estas tecnologías.
En los más de 60 años transcurridos desde la exitosa invención de los circuitos integrados en 1959, el grosor de las líneas gráficas se ha reducido en aproximadamente cuatro órdenes de magnitud, y la integración de los circuitos ha mejorado en más de seis órdenes de magnitud. El rápido progreso de estas tecnologías se atribuye principalmente al desarrollo de la fotolitografía.
(Requisitos para la tecnología de fotolitografía en las distintas etapas de desarrollo de la fabricación de circuitos integrados)
2. Principios básicos de la fotolitografía
Los materiales de fotolitografía generalmente se refieren a las fotorresistencias, que son los materiales funcionales más importantes en este proceso. Este tipo de material tiene la característica de reaccionar a la luz (incluida la luz visible, la luz ultravioleta, el haz de electrones, etc.). Tras la reacción fotoquímica, su solubilidad cambia significativamente.
Entre ellas, la fotorresina positiva aumenta su solubilidad en el revelador, y el patrón resultante es idéntico al de la máscara; en el caso de la fotorresina negativa, la solubilidad disminuye o incluso se vuelve insoluble tras la exposición al revelador, y el patrón resultante es opuesto al de la máscara. Los campos de aplicación de ambos tipos de fotorresinas son diferentes. Las fotorresinas positivas son las más utilizadas, representando más del 80 % del total.
Lo anterior es un diagrama esquemático del proceso de fotolitografía.
(1) Pegado:
Es decir, se forma una película fotorresistente de espesor uniforme, fuerte adhesión y sin defectos sobre la oblea de silicio. Para mejorar la adhesión entre la película fotorresistente y la oblea de silicio, a menudo es necesario modificar primero la superficie de esta última con sustancias como hexametildisilazano (HMDS) y trimetilsilildietilamina (TMSDEA). Posteriormente, se prepara la película fotorresistente mediante recubrimiento por centrifugación.
(2) Prehorneado:
Tras el recubrimiento por centrifugación, la película fotorresistente aún contiene cierta cantidad de disolvente. Al hornearla a una temperatura más alta, se elimina la menor cantidad posible de disolvente. Después del prehorneado, el contenido de la fotorresina se reduce a aproximadamente un 5 %.
(3) Exposición:
Es decir, la fotorresina se expone a la luz. En ese momento, se produce una fotorreacción y se genera una diferencia de solubilidad entre la parte iluminada y la parte no iluminada.
(4) Desarrollo y endurecimiento:
El producto se sumerge en el revelador. Durante este proceso, la zona expuesta de la fotorresina positiva y la zona no expuesta de la fotorresina negativa se disuelven en el revelador, creando un patrón tridimensional. Tras el revelado, el chip requiere un tratamiento térmico a alta temperatura para endurecer la película, lo que mejora significativamente la adhesión de la fotorresina al sustrato.
(5) Grabado:
El material que se encuentra debajo de la fotorresina se graba. Esto incluye el grabado húmedo con líquidos y el grabado seco con gases. Por ejemplo, para el grabado húmedo del silicio se utiliza una solución acuosa ácida de ácido fluorhídrico; para el grabado húmedo del cobre se utiliza una solución ácida fuerte como el ácido nítrico y el ácido sulfúrico, mientras que el grabado seco suele emplear plasma o haces de iones de alta energía para dañar la superficie del material y grabarlo.
(6) Desgomado:
Finalmente, es necesario eliminar la fotorresina de la superficie de la lente. Este paso se denomina desgomado.
La seguridad es el aspecto más importante en toda la producción de semiconductores. Los principales gases de fotolitografía peligrosos y nocivos en el proceso de litografía de chips son los siguientes:
1. Peróxido de hidrógeno
El peróxido de hidrógeno (H2O2) es un oxidante fuerte. El contacto directo puede causar inflamación de la piel y los ojos, así como quemaduras.
2. Xileno
El xileno es un disolvente y revelador utilizado en la litografía negativa. Es inflamable y tiene un punto de ebullición bajo, de tan solo 27,3 °C (aproximadamente a temperatura ambiente). Es explosivo cuando su concentración en el aire es del 1 % al 7 %. El contacto repetido con xileno puede causar inflamación de la piel. El vapor de xileno es dulce, similar al olor de las tachuelas de avión; la exposición al xileno puede causar inflamación de los ojos, la nariz y la garganta. La inhalación de este gas puede provocar dolores de cabeza, mareos, pérdida de apetito y fatiga.
3. Hexametildisilazano (HMDS)
El hexametildisilazano (HMDS) se utiliza comúnmente como imprimación para mejorar la adherencia de la fotorresina sobre la superficie del producto. Es inflamable y tiene un punto de inflamación de 6,7 °C. Es explosivo cuando su concentración en el aire oscila entre el 0,8 % y el 16 %. El HMDS reacciona fuertemente con el agua, el alcohol y los ácidos minerales, liberando amoníaco.
4. Hidróxido de tetrametilamonio
El hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) se utiliza ampliamente como revelador en litografía positiva. Es tóxico y corrosivo. Puede ser mortal si se ingiere o entra en contacto directo con la piel. El contacto con polvo o niebla de TMAH puede causar inflamación de los ojos, la piel, la nariz y la garganta. La inhalación de altas concentraciones de TMAH puede provocar la muerte.
5. Cloro y flúor
El cloro (Cl₂) y el flúor (F₂) se utilizan en láseres de excímeros como fuentes de luz ultravioleta profunda y ultravioleta extrema (EUV). Ambos gases son tóxicos, de color verde claro y tienen un fuerte olor irritante. La inhalación de altas concentraciones de este gas puede ser mortal. El flúor puede reaccionar con el agua para producir fluoruro de hidrógeno. El fluoruro de hidrógeno es un ácido fuerte que irrita la piel, los ojos y las vías respiratorias, y puede causar síntomas como quemaduras y dificultad para respirar. Las altas concentraciones de fluoruro pueden provocar intoxicación en el cuerpo humano, causando síntomas como dolores de cabeza, vómitos, diarrea y coma.
6. Argón
El argón (Ar) es un gas inerte que, por lo general, no causa daño directo al cuerpo humano. En circunstancias normales, el aire que respiramos contiene aproximadamente un 0,93 % de argón, concentración que no tiene efectos perceptibles en el organismo. Sin embargo, en algunos casos, el argón puede ser perjudicial.
He aquí algunas situaciones posibles: En un espacio confinado, la concentración de argón puede aumentar, reduciendo así la concentración de oxígeno en el aire y provocando hipoxia. Esto puede causar síntomas como mareos, fatiga y dificultad para respirar. Además, el argón es un gas inerte, pero puede explotar a altas temperaturas o presiones.
7. Neón
El neón (Ne) es un gas estable, incoloro e inodoro que no participa en el proceso respiratorio humano, por lo que inhalarlo en altas concentraciones provoca hipoxia. Si se permanece en estado de hipoxia durante un tiempo prolongado, pueden aparecer síntomas como dolor de cabeza, náuseas y vómitos. Además, el neón puede reaccionar con otras sustancias a altas temperaturas o presiones, provocando incendios o explosiones.
8. Gas xenón
El gas xenón (Xe) es un gas estable, incoloro e inodoro que no interviene en el proceso respiratorio humano, por lo que inhalarlo en altas concentraciones provoca hipoxia. Si se permanece en estado de hipoxia durante un tiempo prolongado, pueden aparecer síntomas como dolor de cabeza, náuseas y vómitos. Además, el gas xenón puede reaccionar con otras sustancias a altas temperaturas o presiones, provocando incendios o explosiones.
9. Gas kriptón
El gas kriptón (Kr) es un gas estable, incoloro e inodoro que no participa en el proceso respiratorio humano, por lo que respirar una alta concentración de kriptón provoca hipoxia. Si se permanece en un estado de hipoxia durante un tiempo prolongado, pueden aparecer síntomas como dolor de cabeza, náuseas y vómitos. Además, el gas xenón puede reaccionar con otras sustancias a altas temperaturas o presiones, provocando incendios o explosiones. Respirar en un ambiente con falta de oxígeno puede provocar hipoxia. Si se permanece en un estado de hipoxia durante un tiempo prolongado, pueden aparecer síntomas como dolor de cabeza, náuseas y vómitos. Además, el gas kriptón puede reaccionar con otras sustancias a altas temperaturas o presiones, provocando incendios o explosiones.
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La industria de los semiconductores implica la producción, fabricación y procesamiento de gases inflamables, explosivos, tóxicos y nocivos. Como usuario de gases en las plantas de fabricación de semiconductores, todo el personal debe comprender los datos de seguridad de los distintos gases peligrosos antes de su uso y conocer los procedimientos de emergencia en caso de fuga.
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Fecha de publicación: 16 de julio de 2024