La produzione di ogni singolo prodotto a semiconduttore richiede centinaia di processi. Suddividiamo l'intero processo produttivo in otto fasi:waferProcesso di lavorazione-ossidazione-fotolitografia-incisione-deposizione di film sottili-crescita epitassiale-diffusione-impiantazione ionica.
Per aiutarvi a comprendere e riconoscere i semiconduttori e i relativi processi, in ogni numero pubblicheremo articoli su WeChat che illustreranno uno per uno ciascuno dei passaggi sopra descritti.
Nell'articolo precedente è stato menzionato che al fine di proteggere ilwaferA partire da varie impurità, si è formato un film di ossido: un processo di ossidazione. Oggi parleremo del "processo di fotolitografia" per fotografare il circuito del semiconduttore sul wafer con il film di ossido formatosi.
Processo di fotolitografia
1. Cos'è il processo di fotolitografia?
La fotolitografia serve a realizzare i circuiti e le aree funzionali necessarie per la produzione di chip.
La luce emessa dalla macchina per fotolitografia viene utilizzata per esporre una pellicola sottile rivestita di fotoresist attraverso una maschera con un disegno. Il fotoresist modifica le sue proprietà dopo essere stato esposto alla luce, in modo che il disegno sulla maschera venga copiato sulla pellicola sottile, che in questo modo funge da schema di un circuito elettronico. Questo è il ruolo della fotolitografia, simile a quello di scattare una fotografia con una macchina fotografica. Le foto scattate dalla macchina fotografica vengono impresse sulla pellicola, mentre la fotolitografia non incide foto, bensì schemi di circuiti e altri componenti elettronici.
La fotolitografia è una tecnologia di micro-lavorazione di precisione
La fotolitografia convenzionale è un processo che utilizza la luce ultravioletta con una lunghezza d'onda da 2000 a 4500 angstrom come vettore di informazione dell'immagine e impiega il fotoresist come mezzo intermedio (di registrazione dell'immagine) per realizzare la trasformazione, il trasferimento e l'elaborazione della grafica, trasmettendo infine le informazioni dell'immagine al chip (principalmente un chip di silicio) o allo strato dielettrico.
Si può affermare che la fotolitografia sia alla base delle moderne industrie dei semiconduttori, della microelettronica e dell'informatica, e che determini direttamente il livello di sviluppo di queste tecnologie.
Nei oltre 60 anni trascorsi dall'invenzione dei circuiti integrati nel 1959, la larghezza delle linee grafiche si è ridotta di circa quattro ordini di grandezza e l'integrazione dei circuiti è migliorata di oltre sei ordini di grandezza. Il rapido progresso di queste tecnologie è attribuito principalmente allo sviluppo della fotolitografia.
(Requisiti per la tecnologia di fotolitografia nelle varie fasi di sviluppo della produzione di circuiti integrati)
2. Principi di base della fotolitografia
I materiali per la fotolitografia si riferiscono generalmente ai fotoresist, noti anche come fotoresist, che sono i materiali funzionali più critici in questo processo. Questo tipo di materiale possiede la caratteristica di reagire alla luce (inclusa la luce visibile, la luce ultravioletta, il fascio di elettroni, ecc.). In seguito alla reazione fotochimica, la sua solubilità cambia significativamente.
Tra questi, la solubilità del fotoresist positivo nel rivelatore aumenta e il disegno ottenuto è identico alla maschera; il fotoresist negativo, al contrario, presenta una solubilità che diminuisce o addirittura diventa insolubile dopo l'esposizione al rivelatore, e il disegno ottenuto è opposto alla maschera. I campi di applicazione dei due tipi di fotoresist sono differenti. I fotoresist positivi sono i più comunemente utilizzati, rappresentando oltre l'80% del totale.
Quello sopra è uno schema del processo di fotolitografia
(1) Incollaggio:
Ovvero, la formazione di una pellicola di fotoresist con spessore uniforme, forte adesione e priva di difetti sul wafer di silicio. Per migliorare l'adesione tra la pellicola di fotoresist e il wafer di silicio, è spesso necessario modificare preventivamente la superficie del wafer con sostanze come esametildisilazano (HMDS) e trimetilsilildietilammina (TMSDEA). Successivamente, la pellicola di fotoresist viene preparata mediante spin coating.
(2) Precottura:
Dopo la deposizione tramite spin coating, la pellicola di fotoresist contiene ancora una certa quantità di solvente. Dopo la cottura ad alta temperatura, il solvente viene rimosso il più possibile. Dopo la precottura, il contenuto di fotoresist si riduce a circa il 5%.
(3) Esposizione:
In altre parole, il fotoresist viene esposto alla luce. A questo punto, si verifica una fotorazione e si crea una differenza di solubilità tra la parte illuminata e quella non illuminata.
(4) Sviluppo e indurimento:
Il prodotto viene immerso nel rivelatore. A questo punto, l'area esposta del fotoresist positivo e l'area non esposta del fotoresist negativo si dissolvono nel rivelatore. Questo crea un motivo tridimensionale. Dopo lo sviluppo, il chip necessita di un trattamento ad alta temperatura per diventare una pellicola dura, che serve principalmente a migliorare ulteriormente l'adesione del fotoresist al substrato.
(5) Acquaforte:
Il materiale sottostante al fotoresist viene inciso. Il processo comprende l'incisione chimica a umido e l'incisione chimica a secco. Ad esempio, per l'incisione chimica a umido del silicio si utilizza una soluzione acquosa acida di acido fluoridrico; per l'incisione chimica a umido del rame si utilizza una soluzione acida forte come l'acido nitrico o l'acido solforico, mentre l'incisione chimica a secco spesso impiega plasma o fasci di ioni ad alta energia per danneggiare la superficie del materiale e inciderlo.
(6) Sgommazione:
Infine, è necessario rimuovere il fotoresist dalla superficie della lente. Questa operazione è chiamata sgrassatura.
La sicurezza è la questione più importante in tutta la produzione di semiconduttori. I principali gas pericolosi e nocivi utilizzati nel processo di fotolitografia dei chip sono i seguenti:
1. Perossido di idrogeno
Il perossido di idrogeno (H2O2) è un forte ossidante. Il contatto diretto può causare infiammazioni e ustioni a pelle e occhi.
2. Xilene
Lo xilene è un solvente e sviluppatore utilizzato nella litografia negativa. È infiammabile e ha una bassa temperatura di fusione di soli 27,3 °C (circa la temperatura ambiente). È esplosivo quando la sua concentrazione nell'aria è compresa tra l'1% e il 7%. Il contatto ripetuto con lo xilene può causare infiammazioni cutanee. I vapori di xilene hanno un odore dolciastro, simile a quello della colla per aerei; l'esposizione allo xilene può causare infiammazioni agli occhi, al naso e alla gola. L'inalazione del gas può provocare mal di testa, vertigini, perdita di appetito e affaticamento.
3. Esametildisilazano (HMDS)
L'esametildisilazano (HMDS) è comunemente usato come strato di primer per aumentare l'adesione del fotoresist sulla superficie del prodotto. È infiammabile e ha un punto di infiammabilità di 6,7 °C. È esplosivo quando la sua concentrazione nell'aria è compresa tra lo 0,8% e il 16%. L'HMDS reagisce fortemente con acqua, alcol e acidi minerali rilasciando ammoniaca.
4. Idrossido di tetrametilammonio
L'idrossido di tetrametilammonio (TMAH) è ampiamente utilizzato come sviluppatore per la litografia positiva. È tossico e corrosivo. Può essere fatale se ingerito o a contatto diretto con la pelle. Il contatto con polveri o nebbie di TMAH può causare infiammazione degli occhi, della pelle, del naso e della gola. L'inalazione di elevate concentrazioni di TMAH può essere letale.
5. Cloro e fluoro
Il cloro (Cl2) e il fluoro (F2) sono entrambi utilizzati nei laser a eccimeri come sorgenti di luce ultravioletta profonda ed estrema (EUV). Entrambi i gas sono tossici, appaiono di colore verde chiaro e hanno un forte odore irritante. L'inalazione di elevate concentrazioni di questi gas può essere letale. Il fluoro gassoso può reagire con l'acqua producendo acido fluoridrico. L'acido fluoridrico è un acido forte che irrita la pelle, gli occhi e le vie respiratorie e può causare sintomi come ustioni e difficoltà respiratorie. Elevate concentrazioni di fluoruro possono causare intossicazione nell'organismo umano, con sintomi quali mal di testa, vomito, diarrea e coma.
6. Argon
L'argon (Ar) è un gas inerte che di solito non causa danni diretti al corpo umano. In circostanze normali, l'aria che respiriamo contiene circa lo 0,93% di argon e questa concentrazione non ha effetti evidenti sul corpo umano. Tuttavia, in alcuni casi, l'argon può essere dannoso per l'organismo.
Ecco alcune possibili situazioni: in uno spazio confinato, la concentrazione di argon può aumentare, riducendo così la concentrazione di ossigeno nell'aria e causando ipossia. Ciò può provocare sintomi come vertigini, affaticamento e mancanza di respiro. Inoltre, l'argon è un gas inerte, ma può esplodere ad alte temperature o pressioni.
7. Neon
Il neon (Ne) è un gas stabile, incolore e inodore che non partecipa al processo respiratorio umano, pertanto inalarne un'alta concentrazione provoca ipossia. Se ci si trova in uno stato di ipossia prolungato, si possono manifestare sintomi come mal di testa, nausea e vomito. Inoltre, il neon può reagire con altre sostanze ad alte temperature o pressioni, provocando incendi o esplosioni.
8. Gas xeno
Lo xeno (Xe) è un gas stabile, incolore e inodore che non partecipa al processo respiratorio umano, pertanto inalarne un'elevata concentrazione provoca ipossia. In caso di ipossia prolungata, si possono manifestare sintomi come mal di testa, nausea e vomito. Inoltre, il gas xeno può reagire con altre sostanze ad alte temperature o pressioni, provocando incendi o esplosioni.
9. Gas kripton
Il kripton (Kr) è un gas stabile, incolore e inodore che non partecipa al processo respiratorio umano, quindi respirarne un'alta concentrazione provoca ipossia. Se ci si trova in uno stato di ipossia prolungato, si possono manifestare sintomi come mal di testa, nausea e vomito. Inoltre, il kripton può reagire con altre sostanze ad alte temperature o pressioni elevate, provocando incendi o esplosioni. Respirare in un ambiente con carenza di ossigeno può causare ipossia. Se ci si trova in uno stato di ipossia prolungato, si possono manifestare sintomi come mal di testa, nausea e vomito. Inoltre, il kripton può reagire con altre sostanze ad alte temperature o pressioni elevate, provocando incendi o esplosioni.
Soluzioni per il rilevamento di gas pericolosi nell'industria dei semiconduttori.
L'industria dei semiconduttori implica la produzione, la lavorazione e la gestione di gas infiammabili, esplosivi, tossici e nocivi. In quanto utilizzatore di gas negli impianti di produzione di semiconduttori, ogni membro del personale deve conoscere i dati di sicurezza dei vari gas pericolosi prima dell'uso e deve sapere come gestire le procedure di emergenza in caso di perdite di tali gas.
Nella produzione, fabbricazione e stoccaggio dell'industria dei semiconduttori, al fine di evitare perdite di vite umane e danni materiali causati dalla fuoriuscita di questi gas pericolosi, è necessario installare strumenti di rilevamento dei gas per individuare il gas in questione.
I rilevatori di gas sono diventati strumenti essenziali per il monitoraggio ambientale nell'industria odierna dei semiconduttori e rappresentano anche gli strumenti di monitoraggio più diretti.
Riken Keiki ha sempre prestato particolare attenzione allo sviluppo sicuro dell'industria manifatturiera dei semiconduttori, con la missione di creare un ambiente di lavoro sicuro per le persone, e si è dedicata allo sviluppo di sensori di gas adatti al settore dei semiconduttori, fornendo soluzioni efficaci ai vari problemi riscontrati dagli utenti e aggiornando continuamente le funzionalità dei prodotti e ottimizzando i sistemi.
Data di pubblicazione: 16 luglio 2024