Produkcja każdego produktu półprzewodnikowego wymaga setek procesów. Cały proces produkcyjny dzielimy na osiem etapów:opłatekprzetwarzanie-utlenianie-fotolitografia-trawienie-osadzanie cienkich warstw-wzrost epitaksjalny-dyfuzja-implantacja jonów.
Aby pomóc Ci zrozumieć i rozpoznać półprzewodniki oraz związane z nimi procesy, w każdym numerze będziemy publikować artykuły z WeChat, aby kolejno przedstawić każdy z powyższych kroków.
W poprzednim artykule wspomniano, że w celu ochronyopłatekZ różnych zanieczyszczeń utworzono warstwę tlenku – proces utleniania. Dzisiaj omówimy „proces fotolitografii” polegający na fotografowaniu układu półprzewodnikowego na płytce z utworzoną warstwą tlenku.
Proces fotolitografii
1. Czym jest proces fotolitografii?
Fotolitografia służy do tworzenia obwodów i obszarów funkcjonalnych niezbędnych do produkcji układów scalonych.
Światło emitowane przez fotolitografię jest wykorzystywane do naświetlania cienkiej warstwy pokrytej fotorezystem przez maskę z wzorem. Fotorezyst zmienia swoje właściwości pod wpływem światła, dzięki czemu wzór z maski jest kopiowany na cienką warstwę, pełniąc funkcję schematu obwodu elektronicznego. Rola fotolitografii jest podobna do wykonywania zdjęć aparatem fotograficznym. Zdjęcia wykonane aparatem są drukowane na warstwie, podczas gdy fotolitografia nie graweruje zdjęć, lecz schematy obwodów i inne elementy elektroniczne.
Fotolitografia to precyzyjna technologia mikroobróbki
Konwencjonalna fotolitografia to proces, w którym jako nośnik informacji o obrazie stosuje się światło ultrafioletowe o długości fali od 2000 do 4500 angstremów, a jako medium pośredniczące (zapisujące obraz) stosuje się fotorezyst, co pozwala na transformację, transfer i przetwarzanie grafiki, a na koniec przesyła informacje o obrazie do układu scalonego (głównie układu krzemowego) lub warstwy dielektrycznej.
Można powiedzieć, że fotolitografia stanowi podstawę współczesnego przemysłu półprzewodnikowego, mikroelektronicznego i informatycznego oraz bezpośrednio determinuje poziom rozwoju tych technologii.
W ciągu ponad 60 lat od udanego wynalezienia układów scalonych w 1959 roku, szerokość linii grafiki na nich została zmniejszona o około cztery rzędy wielkości, a stopień integracji układów poprawił się o ponad sześć rzędów wielkości. Szybki postęp tych technologii przypisuje się głównie rozwojowi fotolitografii.
(Wymagania stawiane technologii fotolitografii na różnych etapach rozwoju produkcji układów scalonych)
2. Podstawowe zasady fotolitografii
Materiały fotolitograficzne to zazwyczaj fotorezysty, znane również jako fotorezysty, które są najważniejszymi materiałami funkcjonalnymi w fotolitografii. Ten rodzaj materiału charakteryzuje się reakcją świetlną (w tym światłem widzialnym, ultrafioletowym, wiązką elektronów itp.). Po reakcji fotochemicznej jego rozpuszczalność ulega znacznej zmianie.
Wśród nich, rozpuszczalność fotorezystu pozytywowego w wywoływaczu wzrasta, a uzyskany wzór jest taki sam jak na masce; fotorezyst negatywowy działa odwrotnie, tzn. rozpuszczalność maleje lub staje się nierozpuszczalna po naświetleniu wywoływaczem, a uzyskany wzór jest przeciwny do maski. Obszary zastosowań tych dwóch rodzajów fotorezystów są różne. Fotorezysty pozytywowe są częściej stosowane i stanowią ponad 80% całości.
Powyżej przedstawiono schemat procesu fotolitografii
(1) Klejenie:
Oznacza to utworzenie warstwy fotorezystu o równomiernej grubości, silnej przyczepności i braku defektów na płytce krzemowej. Aby poprawić przyczepność między warstwą fotorezystu a płytką krzemową, często konieczna jest wcześniejsza modyfikacja powierzchni płytki krzemowej substancjami takimi jak heksametylodisilazan (HMDS) i trimetylosililodietyloamina (TMSDEA). Następnie warstwa fotorezystu jest przygotowywana metodą powlekania wirowego.
(2) Wstępne pieczenie:
Po procesie spin-coatingu, warstwa fotorezystu nadal zawiera pewną ilość rozpuszczalnika. Po wypaleniu w wyższej temperaturze, rozpuszczalnik można usunąć w minimalnym stopniu. Po wstępnym wypaleniu, zawartość fotorezystu zmniejsza się do około 5%.
(3) Narażenie:
Oznacza to, że fotorezyst jest wystawiany na działanie światła. W tym momencie zachodzi fotoreakcja i pojawia się różnica w rozpuszczalności między częścią oświetloną a nieoświetloną.
(4) Rozwój i hartowanie:
Produkt jest zanurzany w wywoływaczu. W tym momencie odsłonięta część fotorezystu pozytywowego i nienaświetlona część fotorezystu negatywowego rozpuszczają się w wywoływaczu. Powstaje trójwymiarowy wzór. Po wywołaniu, chip wymaga obróbki w wysokiej temperaturze, aby stać się twardą powłoką, co służy przede wszystkim dalszemu wzmocnieniu przyczepności fotorezystu do podłoża.
(5) Trawienie:
Materiał pod fotorezystem jest trawiony. Obejmuje to trawienie na mokro w stanie ciekłym oraz trawienie na sucho w stanie gazowym. Na przykład, do trawienia na mokro krzemu stosuje się kwaśny wodny roztwór kwasu fluorowodorowego; do trawienia na mokro miedzi stosuje się roztwór mocnego kwasu, takiego jak kwas azotowy i siarkowy, natomiast trawienie na sucho często wykorzystuje plazmę lub wiązki jonów o wysokiej energii do uszkodzenia powierzchni materiału i wytrawienia jej.
(6) Odgumowanie:
Na koniec należy usunąć fotorezyst z powierzchni soczewki. Ten etap nazywa się odgumowaniem.
Bezpieczeństwo jest najważniejszą kwestią w całej produkcji półprzewodników. Główne niebezpieczne i szkodliwe gazy fotolitograficzne w procesie litografii chipów to:
1. Nadtlenek wodoru
Nadtlenek wodoru (H2O2) jest silnym utleniaczem. Bezpośredni kontakt może powodować stany zapalne skóry i oczu oraz oparzenia.
2. Ksylen
Ksylen to rozpuszczalnik i wywoływacz stosowany w litografii negatywowej. Jest łatwopalny i ma niską temperaturę, zaledwie 27,3°C (w przybliżeniu temperaturę pokojową). Jest wybuchowy, gdy jego stężenie w powietrzu wynosi 1–7%. Wielokrotny kontakt z ksylenem może powodować stany zapalne skóry. Opary ksylenu mają słodki zapach, podobny do zapachu lotek samolotowych; kontakt z ksylenem może powodować stany zapalne oczu, nosa i gardła. Wdychanie gazu może powodować bóle głowy, zawroty głowy, utratę apetytu i zmęczenie.
3. Heksametylodisilazan (HMDS)
Heksametylodisilazan (HMDS) jest najczęściej stosowany jako warstwa podkładowa w celu zwiększenia przyczepności fotorezystu do powierzchni produktu. Jest łatwopalny i ma temperaturę zapłonu 6,7°C. Jest wybuchowy w stężeniu w powietrzu 0,8–16%. HMDS silnie reaguje z wodą, alkoholem i kwasami mineralnymi, uwalniając amoniak.
4. Wodorotlenek tetrametyloamoniowy
Wodorotlenek tetrametyloamoniowy (TMAH) jest szeroko stosowany jako wywoływacz w litografii pozytywowej. Jest toksyczny i żrący. Połknięcie lub bezpośredni kontakt ze skórą może być śmiertelny. Kontakt z pyłem lub mgiełką TMAH może powodować zapalenie oczu, skóry, nosa i gardła. Wdychanie wysokich stężeń TMAH prowadzi do śmierci.
5. Chlor i fluor
Chlor (Cl2) i fluor (F2) są stosowane w laserach excimerowych jako źródła światła w zakresie głębokiego ultrafioletu i skrajnego ultrafioletu (EUV). Oba gazy są toksyczne, mają jasnozielony kolor i silny, drażniący zapach. Wdychanie wysokich stężeń tego gazu prowadzi do śmierci. Fluor może reagować z wodą, wytwarzając fluorowodór. Fluorowodór jest silnym kwasem, który podrażnia skórę, oczy i drogi oddechowe, powodując takie objawy, jak oparzenia i duszności. Wysokie stężenia fluoru mogą powodować zatrucia organizmu, objawiające się bólami głowy, wymiotami, biegunką i śpiączką.
6. Argon
Argon (Ar) to gaz obojętny, który zazwyczaj nie powoduje bezpośredniego zagrożenia dla ludzkiego ciała. W normalnych warunkach powietrze, którym oddychamy, zawiera około 0,93% argonu, a to stężenie nie ma wyraźnego wpływu na ludzki organizm. Jednak w niektórych przypadkach argon może być szkodliwy dla ludzkiego ciała.
Oto kilka możliwych sytuacji: W przestrzeni zamkniętej stężenie argonu może wzrosnąć, zmniejszając tym samym stężenie tlenu w powietrzu i powodując niedotlenienie. Może to powodować takie objawy, jak zawroty głowy, zmęczenie i duszność. Ponadto argon jest gazem obojętnym, ale może wybuchnąć w wysokiej temperaturze lub pod wysokim ciśnieniem.
7. Neon
Neon (Ne) to stabilny, bezbarwny i bezwonny gaz, który nie bierze udziału w procesie oddychania u ludzi. Neon nie bierze udziału w procesie oddychania u ludzi, dlatego wdychanie go w wysokim stężeniu spowoduje niedotlenienie. Długotrwałe niedotlenienie może powodować takie objawy, jak ból głowy, nudności i wymioty. Ponadto, neon może reagować z innymi substancjami w wysokiej temperaturze lub pod wysokim ciśnieniem, powodując pożar lub wybuch.
8. Gaz ksenonowy
Ksenon (Xe) to stabilny, bezbarwny i bezwonny gaz, który nie uczestniczy w procesie oddychania u człowieka, dlatego wdychanie ksenonu w wysokim stężeniu powoduje niedotlenienie. Długotrwałe niedotlenienie może powodować takie objawy, jak ból głowy, nudności i wymioty. Ponadto neon może reagować z innymi substancjami w wysokiej temperaturze lub pod wysokim ciśnieniem, powodując pożar lub wybuch.
9. Gaz kryptonowy
Krypton (Kr) to stabilny, bezbarwny i bezwonny gaz, który nie bierze udziału w procesie oddychania u człowieka, dlatego wdychanie go w wysokim stężeniu spowoduje niedotlenienie. Długotrwałe niedotlenienie może powodować takie objawy, jak ból głowy, nudności i wymioty. Ponadto ksenon może reagować z innymi substancjami w wysokiej temperaturze lub pod wysokim ciśnieniem, powodując pożar lub wybuch. Wdychanie w środowisku z niedoborem tlenu może powodować niedotlenienie. Długotrwałe niedotlenienie może powodować takie objawy, jak ból głowy, nudności i wymioty. Ponadto krypton może reagować z innymi substancjami w wysokiej temperaturze lub pod wysokim ciśnieniem, powodując pożar lub wybuch.
Rozwiązania w zakresie wykrywania gazów niebezpiecznych dla przemysłu półprzewodnikowego
Przemysł półprzewodnikowy obejmuje produkcję, wytwarzanie i przetwarzanie gazów łatwopalnych, wybuchowych, toksycznych i szkodliwych. Jako użytkownik gazów w zakładach produkujących półprzewodniki, każdy pracownik powinien zapoznać się z danymi dotyczącymi bezpieczeństwa różnych niebezpiecznych gazów przed ich użyciem oraz wiedzieć, jak postępować w sytuacjach awaryjnych w przypadku wycieku tych gazów.
Aby uniknąć utraty życia i mienia na skutek wycieku niebezpiecznych gazów w przemyśle półprzewodnikowym, przy produkcji, wytwarzaniu i magazynowaniu, konieczne jest instalowanie urządzeń do wykrywania gazu.
Detektory gazu stały się niezbędnymi instrumentami do monitorowania środowiska w dzisiejszym przemyśle półprzewodników i są jednocześnie najbardziej bezpośrednimi narzędziami monitorującymi.
Riken Keiki zawsze zwracał uwagę na bezpieczny rozwój przemysłu półprzewodnikowego, stawiając sobie za cel stworzenie bezpiecznego środowiska pracy dla ludzi. Poświęcił się opracowywaniu czujników gazu odpowiednich dla przemysłu półprzewodnikowego, dostarczaniu rozsądnych rozwiązań dla różnych problemów napotykanych przez użytkowników oraz ciągłemu udoskonalaniu funkcji produktów i optymalizacji systemów.
Czas publikacji: 16 lipca 2024 r.