A fabricação de cada produto semicondutor requer centenas de processos. Dividimos todo o processo de fabricação em oito etapas:waferProcessamento-oxidação-fotolitografia-ataque químico-deposição de filme fino-crescimento epitaxial-difusão-implantação iônica.
Para ajudar você a entender e reconhecer semicondutores e processos relacionados, publicaremos artigos no WeChat em cada edição, apresentando cada uma das etapas acima, uma a uma.
No artigo anterior, foi mencionado que, para proteger owaferA partir de diversas impurezas, foi criada uma película de óxido — processo de oxidação. Hoje, discutiremos o "processo de fotolitografia", que consiste em fotografar o circuito semicondutor projetado na pastilha com a película de óxido já formada.
Processo de fotolitografia
1. O que é o processo de fotolitografia?
A fotolitografia serve para criar os circuitos e as áreas funcionais necessárias para a produção de chips.
A luz emitida pela máquina de fotolitografia é usada para expor a película fina revestida com fotorresina através de uma máscara com um padrão. A fotorresina altera suas propriedades ao ser exposta à luz, de modo que o padrão da máscara é copiado para a película fina, conferindo-lhe a função de diagrama de circuito eletrônico. Essa é a função da fotolitografia, semelhante a tirar fotos com uma câmera. As fotos tiradas pela câmera são impressas no filme, enquanto a fotolitografia não grava fotos, mas diagramas de circuitos e outros componentes eletrônicos.
A fotolitografia é uma tecnologia de microusinagem de precisão.
A fotolitografia convencional é um processo que utiliza luz ultravioleta com comprimento de onda de 2000 a 4500 angstroms como portadora de informação da imagem, e utiliza fotorresiste como meio intermediário (de gravação da imagem) para realizar a transformação, transferência e processamento de gráficos, e finalmente transmite a informação da imagem para o chip (principalmente chip de silício) ou camada dielétrica.
Pode-se afirmar que a fotolitografia é a base das modernas indústrias de semicondutores, microeletrônica e informação, e que determina diretamente o nível de desenvolvimento dessas tecnologias.
Nos mais de 60 anos que se seguiram à invenção bem-sucedida dos circuitos integrados em 1959, a largura das linhas de seus gráficos foi reduzida em cerca de quatro ordens de magnitude, e a integração dos circuitos foi aprimorada em mais de seis ordens de magnitude. O rápido progresso dessas tecnologias deve-se principalmente ao desenvolvimento da fotolitografia.
(Requisitos para a tecnologia de fotolitografia em vários estágios de desenvolvimento da fabricação de circuitos integrados)
2. Princípios básicos da fotolitografia
Os materiais de fotolitografia geralmente se referem aos fotorresistores, também conhecidos como fotorresistentes, que são os materiais funcionais mais importantes na fotolitografia. Esse tipo de material possui a característica de reagir à luz (incluindo luz visível, luz ultravioleta, feixe de elétrons, etc.). Após a reação fotoquímica, sua solubilidade se altera significativamente.
Entre eles, a solubilidade do fotorresiste positivo no revelador aumenta, e o padrão obtido é idêntico ao da máscara; o fotorresiste negativo apresenta o comportamento oposto, ou seja, sua solubilidade diminui ou mesmo se torna insolúvel após a exposição ao revelador, e o padrão obtido é o oposto do da máscara. Os campos de aplicação dos dois tipos de fotorresiste são diferentes. Os fotorresistes positivos são mais comuns, representando mais de 80% do total.
O diagrama acima é uma representação esquemática do processo de fotolitografia.
(1) Colagem:
Ou seja, formar uma película de fotorresistente com espessura uniforme, forte adesão e sem defeitos na pastilha de silício. Para melhorar a adesão entre a película de fotorresistente e a pastilha de silício, muitas vezes é necessário modificar primeiro a superfície da pastilha com substâncias como hexametildisilazano (HMDS) e trimetilsilildietilamina (TMSDEA). Em seguida, a película de fotorresistente é preparada por revestimento por rotação.
(2) Pré-cozimento:
Após a deposição por rotação, o filme de fotorresina ainda contém uma certa quantidade de solvente. Após a cura em temperatura mais elevada, o solvente é removido ao mínimo. Após a pré-cura, o teor de fotorresina é reduzido para cerca de 5%.
(3) Exposição:
Ou seja, o fotorresiste é exposto à luz. Nesse momento, ocorre uma fotorreação, e surge uma diferença de solubilidade entre a parte iluminada e a parte não iluminada.
(4) Desenvolvimento e endurecimento:
O produto é imerso no revelador. Nesse momento, a área exposta da fotorresistência positiva e a área não exposta da fotorresistência negativa se dissolvem durante a revelação, criando um padrão tridimensional. Após a revelação, o chip precisa passar por um processo de tratamento térmico em alta temperatura para se tornar uma película rígida, que serve principalmente para aumentar ainda mais a adesão da fotorresistência ao substrato.
(5) Gravura:
O material sob a fotorresistência é gravado. Isso inclui gravação úmida líquida e gravação seca gasosa. Por exemplo, para gravação úmida de silício, utiliza-se uma solução aquosa ácida de ácido fluorídrico; para gravação úmida de cobre, utiliza-se uma solução ácida forte, como ácido nítrico e ácido sulfúrico, enquanto a gravação seca geralmente utiliza plasma ou feixes de íons de alta energia para danificar a superfície do material e gravá-lo.
(6) Desgomagem:
Por fim, é necessário remover o fotorresiste da superfície da lente. Essa etapa é chamada de descolagem.
A segurança é a questão mais importante em toda a produção de semicondutores. Os principais gases perigosos e nocivos utilizados no processo de fotolitografia de chips são os seguintes:
1. Peróxido de hidrogênio
O peróxido de hidrogênio (H2O2) é um forte oxidante. O contato direto pode causar inflamação e queimaduras na pele e nos olhos.
2. Xileno
O xileno é um solvente e revelador usado na litografia negativa. É inflamável e tem um ponto de ebulição baixo, de apenas 27,3 °C (aproximadamente a temperatura ambiente). É explosivo quando a concentração no ar é de 1% a 7%. O contato repetido com o xileno pode causar inflamação da pele. O vapor de xileno tem um odor adocicado, semelhante ao cheiro de cola de avião; a exposição ao xileno pode causar inflamação nos olhos, nariz e garganta. A inalação do gás pode causar dores de cabeça, tonturas, perda de apetite e fadiga.
3. Hexametildisilazano (HMDS)
O hexametildisilazano (HMDS) é mais comumente usado como uma camada de primer para aumentar a adesão do fotorresiste na superfície do produto. É inflamável e tem um ponto de fulgor de 6,7 °C. É explosivo quando a concentração no ar é de 0,8% a 16%. O HMDS reage fortemente com água, álcool e ácidos minerais, liberando amônia.
4. Hidróxido de tetrametilamônio
O hidróxido de tetrametilamônio (TMAH) é amplamente utilizado como revelador em litografia positiva. É tóxico e corrosivo. Pode ser fatal se ingerido ou em contato direto com a pele. O contato com poeira ou névoa de TMAH pode causar inflamação nos olhos, pele, nariz e garganta. A inalação de altas concentrações de TMAH leva à morte.
5. Cloro e flúor
O cloro (Cl₂) e o flúor (F₂) são utilizados em lasers de excímero como fontes de luz ultravioleta profunda e ultravioleta extrema (EUV). Ambos os gases são tóxicos, têm coloração verde-clara e um odor forte e irritante. A inalação de altas concentrações desses gases pode levar à morte. O flúor pode reagir com a água, produzindo fluoreto de hidrogênio. O fluoreto de hidrogênio é um ácido forte que irrita a pele, os olhos e o trato respiratório, podendo causar sintomas como queimaduras e dificuldade para respirar. Altas concentrações de flúor podem causar intoxicação no organismo humano, provocando sintomas como dores de cabeça, vômitos, diarreia e coma.
6. Argônio
O argônio (Ar) é um gás inerte que geralmente não causa danos diretos ao corpo humano. Em circunstâncias normais, o ar que respiramos contém cerca de 0,93% de argônio, e essa concentração não tem efeito óbvio sobre o corpo humano. No entanto, em alguns casos, o argônio pode causar danos ao corpo humano.
Eis algumas situações possíveis: Em um espaço confinado, a concentração de argônio pode aumentar, reduzindo assim a concentração de oxigênio no ar e causando hipóxia. Isso pode causar sintomas como tontura, fadiga e falta de ar. Além disso, o argônio é um gás inerte, mas pode explodir sob alta temperatura ou alta pressão.
7. Neon
O néon (Ne) é um gás estável, incolor e inodoro que não participa do processo respiratório humano. Portanto, a inalação de altas concentrações de néon pode causar hipóxia. A hipóxia prolongada pode causar sintomas como dor de cabeça, náuseas e vômitos. Além disso, o néon pode reagir com outras substâncias sob altas temperaturas ou pressões, causando incêndios ou explosões.
8. Gás xenônio
O gás xenônio (Xe) é um gás estável, incolor e inodoro que não participa do processo respiratório humano; portanto, a inalação de altas concentrações de xenônio causa hipóxia. Se a pessoa permanecer em estado de hipóxia por um longo período, poderá apresentar sintomas como dor de cabeça, náuseas e vômitos. Além disso, o gás xenônio pode reagir com outras substâncias sob alta temperatura ou pressão, causando incêndio ou explosão.
9. Gás criptônio
O gás criptônio (Kr) é um gás estável, incolor e inodoro que não participa do processo respiratório humano; portanto, a inalação de uma alta concentração de gás criptônio causa hipóxia. Se você permanecer em estado de hipóxia por um longo período, poderá apresentar sintomas como dor de cabeça, náuseas e vômitos. Além disso, o gás criptônio pode reagir com outras substâncias sob alta temperatura ou pressão, causando incêndio ou explosão. Respirar em um ambiente com pouco oxigênio pode causar hipóxia. Se você permanecer em estado de hipóxia por um longo período, poderá apresentar sintomas como dor de cabeça, náuseas e vômitos. Além disso, o gás criptônio pode reagir com outras substâncias sob alta temperatura ou pressão, causando incêndio ou explosão.
Soluções de detecção de gases perigosos para a indústria de semicondutores.
A indústria de semicondutores envolve a produção, fabricação e processamento de gases inflamáveis, explosivos, tóxicos e nocivos. Como usuários de gases em fábricas de semicondutores, todos os funcionários devem compreender as informações de segurança dos diversos gases perigosos antes de utilizá-los e saber como agir em caso de vazamento desses gases.
Na produção, fabricação e armazenamento da indústria de semicondutores, para evitar a perda de vidas e bens causada pelo vazamento desses gases perigosos, é necessário instalar instrumentos de detecção de gás para identificar o gás alvo.
Os detectores de gás tornaram-se instrumentos essenciais de monitoramento ambiental na indústria de semicondutores atual, sendo também as ferramentas de monitoramento mais diretas.
A Riken Keiki sempre priorizou o desenvolvimento seguro da indústria de fabricação de semicondutores, com a missão de criar um ambiente de trabalho seguro para as pessoas. A empresa se dedica ao desenvolvimento de sensores de gás adequados para o setor de semicondutores, oferecendo soluções práticas para diversos problemas enfrentados pelos usuários e aprimorando continuamente as funcionalidades dos produtos e otimizando os sistemas.
Data da publicação: 16 de julho de 2024