Производство каждого полупроводникового изделия включает в себя сотни процессов. Мы разделяем весь производственный процесс на восемь этапов:вафляобработка-окисление-фотолитография-травление-осаждение тонких пленок-эпитаксиальный рост-диффузия-ионная имплантация.
Чтобы помочь вам понять и распознать полупроводники и связанные с ними процессы, в каждом выпуске мы будем публиковать статьи в WeChat, в которых пошагово опишут каждый из вышеописанных этапов.
В предыдущей статье упоминалось, что для защитывафляИз различных примесей была получена оксидная пленка — процесс окисления. Сегодня мы обсудим «процесс фотолитографии», заключающийся в фотографировании полупроводниковой схемы на подложке с сформированной оксидной пленкой.
Процесс фотолитографии
1. Что такое фотолитография?
Фотолитография используется для создания схем и функциональных областей, необходимых для производства микросхем.
Свет, излучаемый фотолитографической машиной, используется для экспонирования тонкой пленки, покрытой фоторезистом, через маску с рисунком. Фоторезист изменяет свои свойства под воздействием света, так что рисунок на маске копируется на тонкую пленку, благодаря чему тонкая пленка приобретает функцию электронной схемы. В этом заключается роль фотолитографии, подобная фотосъемке. Фотографии, сделанные камерой, печатаются на пленке, тогда как фотолитография не гравирует фотографии, а создает схемы и другие электронные компоненты.
Фотолитография — это высокоточная технология микрообработки.
Традиционная фотолитография — это процесс, в котором в качестве носителя информации используется ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 2000 до 4500 ангстрем, а в качестве промежуточного (для записи изображения) носителя — фоторезист, который осуществляет преобразование, перенос и обработку графических данных, и, наконец, передает информацию об изображении на чип (в основном, кремниевый чип) или диэлектрический слой.
Можно сказать, что фотолитография является основой современной полупроводниковой, микроэлектронной и информационной промышленности, и именно она напрямую определяет уровень развития этих технологий.
За более чем 60 лет, прошедших с момента успешного изобретения интегральных схем в 1959 году, ширина линий их графики уменьшилась примерно на четыре порядка, а интеграция схем улучшилась более чем на шесть порядков. Быстрый прогресс этих технологий в основном обусловлен развитием фотолитографии.
(Требования к технологии фотолитографии на различных этапах развития производства интегральных схем)
2. Основные принципы фотолитографии
В фотолитографии обычно подразумевают фоторезисты, которые являются наиболее важными функциональными материалами. Этот тип материала обладает свойствами, позволяющими реагировать на свет (включая видимый свет, ультрафиолетовое излучение, электронный пучок и т. д.). После фотохимической реакции его растворимость значительно изменяется.
Среди них растворимость позитивного фоторезиста в проявителе увеличивается, и полученный рисунок совпадает с рисунком маски; у негативного фоторезиста ситуация обратная, то есть растворимость уменьшается или он даже становится нерастворимым после воздействия проявителя, и полученный рисунок противоположен рисунку маски. Области применения двух типов фоторезистов различны. Позитивные фоторезисты используются чаще, на их долю приходится более 80% от общего числа.
Выше представлена схематическая диаграмма процесса фотолитографии.
(1) Склеивание:
То есть, речь идет о формировании фоторезистивной пленки равномерной толщины, с прочной адгезией и без дефектов на кремниевой подложке. Для улучшения адгезии между фоторезистивной пленкой и кремниевой подложкой часто необходимо предварительно модифицировать поверхность кремниевой подложки такими веществами, как гексаметилдисилазан (HMDS) и триметилсилилдиэтиламин (TMSDEA). Затем фоторезистивная пленка изготавливается методом центрифугирования.
(2) Предварительная выпечка:
После нанесения методом центрифугирования фоторезистная пленка все еще содержит определенное количество растворителя. После запекания при более высокой температуре растворитель можно удалить как можно меньше. После предварительного запекания содержание растворителя в фоторезисте снижается примерно до 5%.
(3) Воздействие:
То есть фоторезист подвергается воздействию света. В этот момент происходит фотореакция, и возникает разница в растворимости между освещенной и неосвещенной частями.
(4) Развитие и затвердевание:
Продукт погружают в проявитель. В это время облученная область позитивного фоторезиста и необлученная область негативного фоторезиста растворяются в проявителе. Это создает трехмерный рисунок. После проявления чип подвергается высокотемпературной обработке для образования твердой пленки, что в основном служит для дальнейшего повышения адгезии фоторезиста к подложке.
(5) Травление:
Материал под фоторезистом подвергается травлению. Существуют различные методы: жидкостное влажное травление и газовое сухое травление. Например, для влажного травления кремния используется кислый водный раствор фтористоводородной кислоты; для влажного травления меди — сильнокислотный раствор, такой как азотная и серная кислоты, тогда как при сухом травлении часто используются плазма или высокоэнергетические ионные пучки для повреждения поверхности материала и его травления.
(6) Обезжиривание:
Наконец, необходимо удалить фоторезист с поверхности линзы. Этот этап называется обезжириванием.
Безопасность является важнейшим вопросом во всем полупроводниковом производстве. К основным опасным и вредным газам, используемым в процессе фотолитографии микросхем, относятся следующие:
1. Перекись водорода
Перекись водорода (H2O2) — сильный окислитель. Прямой контакт может вызвать воспаление кожи и глаз, а также ожоги.
2. Ксилол
Ксилол — это растворитель и проявитель, используемый в негативной литографии. Он легковоспламеняем и имеет низкую температуру всего 27,3℃ (приблизительно комнатная температура). Он взрывоопасен при концентрации в воздухе 1–7%. Повторный контакт с ксилолом может вызвать воспаление кожи. Пары ксилола имеют сладковатый запах, похожий на запах авиационного талька; воздействие ксилола может вызвать воспаление глаз, носа и горла. Вдыхание газа может вызвать головную боль, головокружение, потерю аппетита и усталость.
3. Гексаметилдисилазан (ГМДС)
Гексаметилдисилазан (ГМДС) чаще всего используется в качестве грунтовочного слоя для повышения адгезии фоторезиста к поверхности изделия. Он легковоспламеняем и имеет температуру вспышки 6,7 °C. Взрывоопасен при концентрации в воздухе 0,8–16%. ГМДС сильно реагирует с водой, спиртом и минеральными кислотами, выделяя аммиак.
4. Гидроксид тетраметиламмония
Гидроксид тетраметиламмония (ТМАГ) широко используется в качестве проявителя для позитивной литографии. Он токсичен и коррозивен. При проглатывании или прямом контакте с кожей он может быть смертельно опасен. Контакт с пылью или туманом ТМАГ может вызвать воспаление глаз, кожи, носа и горла. Вдыхание высоких концентраций ТМАГ приводит к смерти.
5. Хлор и фтор
Хлор (Cl2) и фтор (F2) используются в эксимерных лазерах в качестве источников глубокого ультрафиолетового и крайнего ультрафиолетового (EUV) излучения. Оба газа токсичны, имеют светло-зеленый цвет и сильный раздражающий запах. Вдыхание высоких концентраций этих газов приводит к смерти. Фтор может реагировать с водой, образуя фтороводород. Фторид является сильной кислотой, которая раздражает кожу, глаза и дыхательные пути и может вызывать такие симптомы, как ожоги и затруднение дыхания. Высокие концентрации фторида могут вызвать отравление организма человека, приводящее к таким симптомам, как головная боль, рвота, диарея и кома.
6. Аргон
Аргон (Ar) — инертный газ, который обычно не причиняет прямого вреда человеческому организму. В нормальных условиях воздух, которым дышит человек, содержит около 0,93% аргона, и эта концентрация не оказывает заметного воздействия на организм. Однако в некоторых случаях аргон может причинить вред человеческому организму.
Вот несколько возможных ситуаций: В замкнутом пространстве концентрация аргона может увеличиться, что приведет к снижению концентрации кислорода в воздухе и вызовет гипоксию. Это может вызвать такие симптомы, как головокружение, усталость и одышка. Кроме того, аргон — инертный газ, но он может взорваться при высокой температуре или высоком давлении.
7. Неон
Неон (Ne) — это стабильный, бесцветный и не имеющий запаха газ, не участвующий в процессах дыхания человека, поэтому вдыхание высокой концентрации неона вызывает гипоксию. При длительном нахождении в состоянии гипоксии могут наблюдаться такие симптомы, как головная боль, тошнота и рвота. Кроме того, неон может вступать в реакцию с другими веществами при высокой температуре или высоком давлении, вызывая пожар или взрыв.
8. Газ ксенон
Ксенон (Xe) — это стабильный, бесцветный и не имеющий запаха газ, не участвующий в дыхательных процессах человека, поэтому вдыхание высокой концентрации ксенона вызывает гипоксию. При длительном нахождении в состоянии гипоксии могут наблюдаться такие симптомы, как головная боль, тошнота и рвота. Кроме того, при высокой температуре или давлении ксенон может вступать в реакцию с другими веществами, вызывая пожар или взрыв.
9. Криптон
Криптон (Kr) — это стабильный, бесцветный и не имеющий запаха газ, не участвующий в дыхательных процессах человека, поэтому вдыхание высокой концентрации криптона вызывает гипоксию. Длительное пребывание в состоянии гипоксии может сопровождаться такими симптомами, как головная боль, тошнота и рвота. Кроме того, ксенон может вступать в реакцию с другими веществами при высокой температуре или высоком давлении, вызывая пожар или взрыв. Вдыхание в среде с недостатком кислорода также может вызывать гипоксию. Длительное пребывание в состоянии гипоксии может сопровождаться такими симптомами, как головная боль, тошнота и рвота. Кроме того, криптон может вступать в реакцию с другими веществами при высокой температуре или высоком давлении, вызывая пожар или взрыв.
Решения для обнаружения опасных газов в полупроводниковой промышленности
Полупроводниковая промышленность включает в себя производство, обработку и переработку легковоспламеняющихся, взрывоопасных, токсичных и вредных газов. Каждый сотрудник полупроводникового производства, использующий эти газы, должен понимать требования безопасности различных опасных газов перед их применением и знать, как действовать в случае утечки этих газов.
В процессе производства, изготовления и хранения полупроводниковых материалов, во избежание гибели людей и материального ущерба, вызванного утечкой этих опасных газов, необходимо устанавливать газоанализаторы для обнаружения целевого газа.
В современной полупроводниковой промышленности газоанализаторы стали незаменимыми приборами для мониторинга окружающей среды, а также наиболее прямыми средствами контроля.
Компания Riken Keiki всегда уделяла особое внимание безопасному развитию полупроводниковой промышленности, стремясь создать безопасные условия труда для людей. Она посвятила себя разработке газовых датчиков, подходящих для полупроводниковой отрасли, предоставлению рациональных решений различных проблем, с которыми сталкиваются пользователи, а также постоянному совершенствованию функций продукции и оптимизации систем.
Дата публикации: 16 июля 2024 г.