Jokaisen puolijohdetuotteen valmistus vaatii satoja prosesseja. Jaamme koko valmistusprosessin kahdeksaan vaiheeseen:vohveliprosessointi-hapetus-fotolitografia-etsaus-ohutkalvopinnoitus-epitaksiaalinen kasvu-diffuusio-ioni-istutus.
Jotta ymmärtäisit ja tunnistaisit puolijohteita ja niihin liittyviä prosesseja, lisäämme jokaiseen numeroon WeChat-artikkeleita, joissa esittelemme yllä olevat vaiheet yksi kerrallaan.
Edellisessä artikkelissa mainittiin, että suojellakseen ns.vohvelierilaisista epäpuhtauksista valmistettiin oksidikalvo – hapetusprosessi. Tänään keskustelemme "fotolitografiaprosessista", jossa valokuvataan kiekolle kiinnitetty puolijohdesuunnittelupiiri oksidikalvon ollessa muodostuneena.
Fotolitografiaprosessi
1. Mikä on fotolitografiaprosessi?
Fotolitografia on tarkoitettu sirujen tuotantoon tarvittavien piirien ja toiminnallisten alueiden valmistukseen.
Fotolitografialaitteen lähettämää valoa käytetään valottamaan fotoresistillä päällystetyn ohutkalvon kuvioidun maskin läpi. Fotoresisti muuttaa ominaisuuksiaan valon vaikutuksesta, jolloin maskin kuvio kopioituu ohutkalvoon, jolloin ohutkalvo toimii elektronisena piirikaaviona. Tämä on fotolitografian tehtävä, samoin kuin kameralla kuvaaminen. Kameran ottamat valokuvat tulostetaan filmille, kun taas fotolitografiassa ei kaiverreta valokuvia, vaan piirikaavioita ja muita elektronisia komponentteja.
Fotolitografia on tarkka mikrotyöstötekniikka
Perinteinen fotolitografia on prosessi, jossa käytetään kuvainformaation kantajana ultraviolettivaloa, jonka aallonpituus on 2000–4500 Å, ja fotoresistiä väliaineena (kuvantallennusvälineenä) grafiikan muuntamiseksi, siirtämiseksi ja käsittelemiseksi, ja lopuksi kuvainformaatio välitetään sirulle (pääasiassa piisirulle) tai dielektriselle kerrokselle.
Voidaan sanoa, että fotolitografia on nykyaikaisen puolijohde-, mikroelektroniikan ja tietotekniikan perusta, ja fotolitografia määrää suoraan näiden teknologioiden kehitystason.
Yli 60 vuodessa integroitujen piirien onnistuneesta keksimisestä vuonna 1959 niiden grafiikan viivanleveyttä on pienennetty noin neljä kertaluokkaa ja piirien integrointia on parannettu yli kuusi kertaluokkaa. Näiden teknologioiden nopea kehitys johtuu pääasiassa fotolitografian kehityksestä.
(Valolitografiatekniikan vaatimukset integroitujen piirien valmistuksen eri kehitysvaiheissa)
2. Fotolitografian perusperiaatteet
Fotolitografiamateriaaleilla tarkoitetaan yleisesti fotoresistejä, jotka tunnetaan myös nimellä fotoresistimateriaalit, ja ne ovat fotolitografian kriittisimpiä funktionaalisia materiaaleja. Tämän tyyppisellä materiaalilla on valoreaktion (mukaan lukien näkyvä valo, ultraviolettivalo, elektronisuihku jne.) ominaisuudet. Fotokemiallisen reaktion jälkeen sen liukoisuus muuttuu merkittävästi.
Näistä positiivisen fotoresistin liukoisuus kehittäjään kasvaa, ja saatu kuvio on sama kuin maskissa; negatiivinen fotoresisti on päinvastainen, eli liukoisuus pienenee tai jopa muuttuu liukenemattomaksi kehittäjän altistuksen jälkeen, ja saatu kuvio on päinvastainen kuin maskissa. Näiden kahden tyyppisten fotoresistien käyttöalueet ovat erilaiset. Positiivisia fotoresistejä käytetään yleisemmin, ja niiden osuus kokonaismäärästä on yli 80%.
Yllä oleva on kaaviokuva fotolitografiaprosessista.
(1) Liimaus:
Eli muodostetaan tasaisen paksuinen, vahvasti tarttuva ja virheetön fotoresistikalvo piikiekkoon. Fotoresistikalvon ja piikiekon välisen tarttuvuuden parantamiseksi on usein tarpeen ensin modifioida piikiekon pintaa aineilla, kuten heksametyylidisilatsaanilla (HMDS) ja trimetyylisilyylidieetyyliamiinilla (TMSDEA). Sitten fotoresistikalvo valmistetaan linkouspinnoituksella.
(2) Esipaisto:
Linkouspinnoituksen jälkeen fotoresistikalvo sisältää edelleen tietyn määrän liuotinta. Korkeammassa lämpötilassa paistamisen jälkeen liuotinta voidaan poistaa mahdollisimman vähän. Esipaistamisen jälkeen fotoresistin pitoisuus laskee noin 5 prosenttiin.
(3) Altistuminen:
Toisin sanoen fotoresisti altistetaan valolle. Tällöin tapahtuu fotoreaktio, ja valaistun ja valaisemattoman osan välillä on liukoisuusero.
(4) Kehitys ja kovettuminen:
Tuote upotetaan kehittäjään. Tällöin positiivisen fotoresistin valottunut alue ja negatiivisen fotoresistin valottamaton alue liukenevat kehitysaineeseen. Tämä muodostaa kolmiulotteisen kuvion. Kehityksen jälkeen siru vaatii korkean lämpötilan käsittelyprosessin, jotta siitä tulee kova kalvo, joka pääasiassa parantaa fotoresistin tarttumista alustaan.
(5) Syövytys:
Fotoresistin alla oleva materiaali syövytetään. Se sisältää nestemäisen märkäsyövytyksen ja kaasumaisen kuivasyövytyksen. Esimerkiksi piin märkäsyövytykseen käytetään hapanta fluorivetyhapon vesiliuosta; kuparin märkäsyövytykseen käytetään vahvaa happoliuosta, kuten typpihappoa ja rikkihappoa, kun taas kuivasyövytyksessä käytetään usein plasmaa tai korkeaenergisiä ionisuihkuja materiaalin pinnan vahingoittamiseen ja syövyttämiseen.
(6) Limanpoisto:
Lopuksi fotoresisti on poistettava linssin pinnalta. Tätä vaihetta kutsutaan degummingiksi.
Turvallisuus on tärkein asia kaikessa puolijohdetuotannossa. Tärkeimmät vaaralliset ja haitalliset fotolitografiakaasut sirulitografiaprosessissa ovat seuraavat:
1. Vetyperoksidi
Vetyperoksidi (H2O2) on voimakas hapetin. Suora kosketus voi aiheuttaa iho- ja silmätulehduksen ja palovammoja.
2. Ksyleeni
Ksyleeni on liuotin ja kehitin, jota käytetään negatiivilitografiassa. Se on syttyvää ja sen lämpötila on vain 27,3 ℃ (noin huoneenlämpötila). Se on räjähdysherkkää, kun sen pitoisuus ilmassa on 1–7 %. Toistuva kosketus ksyleenin kanssa voi aiheuttaa ihotulehduksen. Ksyleenihöyry on makeaa, samanlaista kuin lentokoneiden tahman haju; altistuminen ksyleenille voi aiheuttaa silmien, nenän ja kurkun tulehdusta. Kaasun hengittäminen voi aiheuttaa päänsärkyä, huimausta, ruokahaluttomuutta ja väsymystä.
3. Heksametyylidisilatsaani (HMDS)
Heksametyylidisilatsaania (HMDS) käytetään yleisimmin pohjakerroksena parantamaan fotoresistin tarttumista tuotteen pintaan. Se on syttyvää ja sen leimahduspiste on 6,7 °C. Se on räjähdysherkkää, kun sen pitoisuus ilmassa on 0,8–16 %. HMDS reagoi voimakkaasti veden, alkoholin ja mineraalihappojen kanssa vapauttaen ammoniakkia.
4. Tetrametyyliammoniumhydroksidi
Tetrametyyliammoniumhydroksidia (TMAH) käytetään laajalti positiivisen litografian kehittäjänä. Se on myrkyllistä ja syövyttävää. Se voi olla tappavaa nieltynä tai joutuessaan suoraan iholle. Kosketus TMAH-pölyn tai -sumun kanssa voi aiheuttaa silmien, ihon, nenän ja kurkun tulehduksen. Suurten TMAH-pitoisuuksien hengittäminen johtaa kuolemaan.
5. Kloori ja fluori
Klooria (Cl2) ja fluoria (F2) käytetään molempia eksimeerilasereissa syvän ultravioletin ja äärimmäisen ultravioletin (EUV) valonlähteinä. Molemmat kaasut ovat myrkyllisiä, näyttävät vaaleanvihreiltä ja niillä on voimakas ärsyttävä haju. Suurten kaasupitoisuuksien hengittäminen johtaa kuolemaan. Fluorikaasu voi reagoida veden kanssa ja tuottaa vetyfluoridikaasua. Vetyfluoridikaasu on vahva happo, joka ärsyttää ihoa, silmiä ja hengitysteitä ja voi aiheuttaa oireita, kuten palovammoja ja hengitysvaikeuksia. Suuret fluoridipitoisuudet voivat aiheuttaa myrkytyksen ihmiskeholle, aiheuttaen oireita, kuten päänsärkyä, oksentelua, ripulia ja koomaa.
6. Argoni
Argon (Ar) on inertti kaasu, joka ei yleensä aiheuta suoraa haittaa ihmiskeholle. Normaalioloissa ihmisten hengittämä ilma sisältää noin 0,93 % argonia, eikä tällä pitoisuudella ole ilmeistä vaikutusta ihmiskehoon. Joissakin tapauksissa argon voi kuitenkin aiheuttaa haittaa ihmiskeholle.
Tässä on joitakin mahdollisia tilanteita: Suljetussa tilassa argonin pitoisuus voi nousta, mikä vähentää ilman happipitoisuutta ja aiheuttaa hypoksiaa. Tämä voi aiheuttaa oireita, kuten huimausta, väsymystä ja hengenahdistusta. Lisäksi argon on inertti kaasu, mutta se voi räjähtää korkeassa lämpötilassa tai korkeassa paineessa.
7. Neon
Neon (Ne) on stabiili, väritön ja hajuton kaasu, joka ei osallistu ihmisen hengitysprosesseihin, joten suuren neonkaasupitoisuuden hengittäminen aiheuttaa hypoksiaa. Jos olet hypoksian tilassa pitkään, saatat kokea oireita, kuten päänsärkyä, pahoinvointia ja oksentelua. Lisäksi neonkaasu voi reagoida muiden aineiden kanssa korkeassa lämpötilassa tai korkeassa paineessa aiheuttaen tulipalon tai räjähdyksen.
8. Ksenonkaasu
Ksenonkaasu (Xe) on stabiili, väritön ja hajuton kaasu, joka ei osallistu ihmisen hengitysprosesseihin, joten suuren ksenonkaasupitoisuuden hengittäminen aiheuttaa hypoksiaa. Jos olet pitkään hypoksian tilassa, saatat kokea oireita, kuten päänsärkyä, pahoinvointia ja oksentelua. Lisäksi neonkaasu voi reagoida muiden aineiden kanssa korkeassa lämpötilassa tai paineessa aiheuttaen tulipalon tai räjähdyksen.
9. Kryptonkaasu
Kryptonkaasu (Kr) on stabiili, väritön ja hajuton kaasu, joka ei osallistu ihmisen hengitysprosesseihin, joten suuren kryptonkaasupitoisuuden hengittäminen aiheuttaa hypoksiaa. Jos olet hypoksian tilassa pitkään, saatat kokea oireita, kuten päänsärkyä, pahoinvointia ja oksentelua. Lisäksi ksenonkaasu voi reagoida muiden aineiden kanssa korkeassa lämpötilassa tai korkeassa paineessa aiheuttaen tulipalon tai räjähdyksen. Hengittäminen hapenpuutteisessa ympäristössä voi aiheuttaa hypoksiaa. Jos olet hypoksian tilassa pitkään, saatat kokea oireita, kuten päänsärkyä, pahoinvointia ja oksentelua. Lisäksi kryptonkaasu voi reagoida muiden aineiden kanssa korkeassa lämpötilassa tai korkeassa paineessa aiheuttaen tulipalon tai räjähdyksen.
Vaarallisten kaasujen havaitsemisratkaisut puolijohdeteollisuudelle
Puolijohdeteollisuudessa tuotetaan, valmistetaan ja käsitellään syttyviä, räjähtäviä, myrkyllisiä ja haitallisia kaasuja. Kaasujen käyttäjänä puolijohdetehtaissa jokaisen työntekijän on ymmärrettävä erilaisten vaarallisten kaasujen turvallisuustiedot ennen käyttöä ja tiedettävä, miten toimia hätätilanteissa, jos näitä kaasuja vuotaa.
Puolijohdeteollisuuden tuotannossa, valmistuksessa ja varastoinnissa on näiden vaarallisten kaasujen vuotojen aiheuttamien ihmishenkien ja omaisuuden menetysten välttämiseksi asennettava kaasunilmaisulaitteita kohdekaasun havaitsemiseksi.
Kaasuilmaisimista on tullut olennainen osa ympäristön valvontaa nykypäivän puolijohdeteollisuudessa, ja ne ovat myös suorimpia valvontatyökaluja.
Riken Keiki on aina kiinnittänyt huomiota puolijohdeteollisuuden turvalliseen kehitykseen tavoitteenaan luoda ihmisille turvallinen työympäristö. Hän on myös omistautunut kehittämään puolijohdeteollisuudelle sopivia kaasuantureita, tarjoamaan kohtuullisia ratkaisuja käyttäjien kohtaamiin erilaisiin ongelmiin sekä jatkuvasti päivittämään tuotteiden toimintoja ja optimoimaan järjestelmiä.
Julkaisuaika: 16.7.2024