กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการโฟโตลิโทกราฟีแบบครบวงจร

การผลิตผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์แต่ละชิ้นต้องผ่านกระบวนการหลายร้อยขั้นตอน เราแบ่งกระบวนการผลิตทั้งหมดออกเป็นแปดขั้นตอน:เวเฟอร์กระบวนการ - การออกซิเดชัน - โฟโตลิโทกราฟี - การกัด - การตกตะกอนฟิล์มบาง - การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล - การแพร่ - การฝังไอออน
เพื่อช่วยให้คุณเข้าใจและรู้จักเซมิคอนดักเตอร์และกระบวนการที่เกี่ยวข้อง เราจะเผยแพร่บทความใน WeChat ในแต่ละฉบับเพื่อแนะนำแต่ละขั้นตอนข้างต้นทีละขั้นตอน
ในบทความก่อนหน้านี้ได้กล่าวไว้ว่า เพื่อเป็นการปกป้องเวเฟอร์จากสิ่งเจือปนต่างๆ ทำให้เกิดฟิล์มออกไซด์ขึ้น ซึ่งเป็นกระบวนการออกซิเดชัน วันนี้เราจะมาพูดถึง "กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี" ซึ่งเป็นการถ่ายภาพวงจรออกแบบเซมิคอนดักเตอร์บนแผ่นเวเฟอร์ที่มีฟิล์มออกไซด์เกิดขึ้นแล้ว

 

กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี

 

1. กระบวนการโฟโตลิโทกราฟีคืออะไร

กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี คือการสร้างวงจรและพื้นที่ใช้งานที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิป
แสงที่ปล่อยออกมาจากเครื่องโฟโตลิโทกราฟีจะถูกนำไปฉายแสงบนฟิล์มบางที่เคลือบด้วยโฟโตเรซิสต์ผ่านหน้ากากที่มีลวดลาย โฟโตเรซิสต์จะเปลี่ยนคุณสมบัติหลังจากได้รับแสง ทำให้ลวดลายบนหน้ากากถูกคัดลอกไปยังฟิล์มบางนั้น ส่งผลให้ฟิล์มบางนั้นมีคุณสมบัติเหมือนแผนผังวงจรไฟฟ้า นี่คือบทบาทของโฟโตลิโทกราฟี คล้ายกับการถ่ายภาพด้วยกล้อง ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องจะถูกพิมพ์ลงบนฟิล์ม แต่โฟโตลิโทกราฟีไม่ได้แกะสลักภาพ แต่แกะสลักแผนผังวงจรและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ

โฟโตลิโทกราฟีเป็นเทคโนโลยีการผลิตขนาดเล็กที่มีความแม่นยำสูง

กระบวนการโฟโตลิโทกราฟีแบบดั้งเดิมเป็นกระบวนการที่ใช้แสงอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่น 2,000 ถึง 4,500 อังสตรอมเป็นตัวนำข้อมูลภาพ และใช้โฟโตเรซิสต์เป็นสื่อกลาง (ตัวบันทึกภาพ) เพื่อทำการแปลง ถ่ายโอน และประมวลผลกราฟิก และสุดท้ายส่งข้อมูลภาพไปยังชิป (ส่วนใหญ่เป็นชิปซิลิคอน) หรือชั้นไดอิเล็กทริก
อาจกล่าวได้ว่า โฟโตลิโทกราฟีเป็นรากฐานของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมสารสนเทศสมัยใหม่ และโฟโตลิโทกราฟีเป็นตัวกำหนดระดับการพัฒนาของเทคโนโลยีเหล่านี้โดยตรง
ในช่วงเวลากว่า 60 ปีนับตั้งแต่การประดิษฐ์วงจรรวม (Integrated Circuit) ที่ประสบความสำเร็จในปี 1959 ความกว้างของเส้นกราฟิกในวงจรรวมลดลงไปประมาณสี่ลำดับขนาด และการรวมวงจรได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าหกลำดับขนาด ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากการพัฒนาของกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี

(ข้อกำหนดสำหรับเทคโนโลยีโฟโตลิโทกราฟีในขั้นตอนต่างๆ ของการพัฒนาการผลิตวงจรรวม)

 

2. หลักการพื้นฐานของโฟโตลิโทกราฟี

วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์ภาพด้วยแสงโดยทั่วไปหมายถึงสารไวแสง หรือที่รู้จักกันในชื่อโฟโตเรซิสต์ ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญที่สุดในการพิมพ์ภาพด้วยแสง วัสดุประเภทนี้มีคุณสมบัติในการทำปฏิกิริยากับแสง (รวมถึงแสงที่มองเห็นได้ แสงอัลตราไวโอเลต ลำแสงอิเล็กตรอน ฯลฯ) หลังจากเกิดปฏิกิริยาทางเคมีด้วยแสงแล้ว ความสามารถในการละลายของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก
ในบรรดาสารไวแสงทั้งสองชนิด สารไวแสงชนิดบวกจะละลายได้ดีขึ้นในน้ำยาเร่งปฏิกิริยา ทำให้ลวดลายที่ได้เหมือนกับแม่พิมพ์ ในขณะที่สารไวแสงชนิดลบจะมีคุณสมบัติตรงกันข้าม คือละลายได้น้อยลงหรืออาจไม่ละลายเลยหลังจากสัมผัสกับน้ำยาเร่งปฏิกิริยา ทำให้ลวดลายที่ได้ตรงข้ามกับแม่พิมพ์ ขอบเขตการใช้งานของสารไวแสงทั้งสองชนิดแตกต่างกัน สารไวแสงชนิดบวกมีการใช้งานมากกว่า คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 80% ของการใช้งานทั้งหมด

ภาพด้านบนเป็นแผนภาพแสดงกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี

 

(1) การติดกาว:

กล่าวคือ การสร้างฟิล์มโฟโตเรซิสต์ที่มีความหนาสม่ำเสมอ ยึดเกาะแน่น และปราศจากข้อบกพร่องบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อเพิ่มการยึดเกาะระหว่างฟิล์มโฟโตเรซิสต์กับแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน มักจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนด้วยสารต่างๆ เช่น เฮกซาเมทิลไดซิลาเซน (HMDS) และไตรเมทิลไซลิลไดเอทิลอะมีน (TMSDEA) ก่อน จากนั้นจึงเตรียมฟิล์มโฟโตเรซิสต์โดยวิธีการเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง (spin coating)

(2) การอบก่อน:

หลังจากเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง ฟิล์มโฟโตเรซิสต์ยังคงมีตัวทำละลายอยู่จำนวนหนึ่ง การอบที่อุณหภูมิสูงขึ้นจะช่วยลดปริมาณตัวทำละลายให้น้อยที่สุด หลังจากอบเบื้องต้นแล้ว ปริมาณตัวทำละลายในโฟโตเรซิสต์จะลดลงเหลือประมาณ 5%

(3) การเปิดเผย:

กล่าวคือ สารไวแสงจะถูกแสงส่องถึง ในขณะนั้นจะเกิดปฏิกิริยาทางแสงขึ้น และความแตกต่างของความสามารถในการละลายระหว่างส่วนที่ได้รับแสงและส่วนที่ไม่ได้รับแสงจะเกิดขึ้น

(4) การพัฒนาและการแข็งตัว:

ผลิตภัณฑ์จะถูกแช่ในน้ำยาพัฒนาภาพ ในขั้นตอนนี้ บริเวณที่ได้รับแสงของโฟโตเรซิสต์ด้านบวกและบริเวณที่ไม่ได้รับแสงของโฟโตเรซิสต์ด้านลบจะละลายไปในน้ำยาพัฒนาภาพ ทำให้เกิดลวดลายสามมิติ หลังจากพัฒนาภาพแล้ว ชิปจะต้องผ่านกระบวนการอบด้วยอุณหภูมิสูงเพื่อให้กลายเป็นฟิล์มแข็ง ซึ่งส่วนใหญ่มีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มการยึดเกาะของโฟโตเรซิสต์กับพื้นผิวให้ดียิ่งขึ้น

(5) การแกะสลัก:

วัสดุที่อยู่ใต้สารไวแสงจะถูกกัดเซาะ กระบวนการนี้รวมถึงการกัดเซาะแบบเปียกด้วยของเหลวและการกัดเซาะแบบแห้งด้วยก๊าซ ตัวอย่างเช่น สำหรับการกัดเซาะแบบเปียกของซิลิคอน จะใช้สารละลายกรดไฮโดรฟลูออริกในน้ำ สำหรับการกัดเซาะแบบเปียกของทองแดง จะใช้สารละลายกรดเข้มข้น เช่น กรดไนตริกและกรดซัลฟิวริก ส่วนการกัดเซาะแบบแห้งมักใช้พลาสมาหรือลำแสงไอออนพลังงานสูงเพื่อทำลายพื้นผิวของวัสดุและกัดเซาะมัน

(6) การกำจัดยางเหนียว:

สุดท้ายนี้ จำเป็นต้องกำจัดสารไวแสงออกจากพื้นผิวของเลนส์ ขั้นตอนนี้เรียกว่าการล้างสารไวแสง (degumming)

ความปลอดภัยเป็นประเด็นสำคัญที่สุดในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด ก๊าซอันตรายและเป็นพิษหลักๆ ในกระบวนการพิมพ์ภาพด้วยแสงบนชิปมีดังต่อไปนี้:

 

1. ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) เป็นสารออกซิไดซ์ที่รุนแรง การสัมผัสโดยตรงอาจทำให้เกิดการอักเสบและไหม้ที่ผิวหนังและดวงตาได้

 

2. ไซลีน

ไซลีนเป็นตัวทำละลายและสารเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการพิมพ์ภาพเนกาทีฟ มันติดไฟได้และมีจุดเดือดต่ำเพียง 27.3 องศาเซลเซียส (ประมาณอุณหภูมิห้อง) มันจะระเบิดได้เมื่อความเข้มข้นในอากาศอยู่ที่ 1%-7% การสัมผัสกับไซลีนซ้ำๆ อาจทำให้ผิวหนังอักเสบได้ ไอระเหยของไซลีนมีกลิ่นหวานคล้ายกับกลิ่นของกาวติดเครื่องบิน การสัมผัสกับไซลีนอาจทำให้เกิดการอักเสบของดวงตา จมูก และลำคอ การสูดดมก๊าซนี้อาจทำให้ปวดศีรษะ เวียนศีรษะ เบื่ออาหาร และอ่อนเพลีย

 

3. เฮกซาเมทิลไดซิลาเซน (HMDS)

เฮกซาเมทิลไดซิลาเซน (HMDS) นิยมใช้เป็นชั้นรองพื้นเพื่อเพิ่มการยึดเกาะของโฟโตเรซิสต์บนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ สารนี้ติดไฟได้และมีจุดวาบไฟที่ 6.7°C และจะระเบิดได้เมื่อความเข้มข้นในอากาศอยู่ที่ 0.8%-16% HMDS ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำ แอลกอฮอล์ และกรดอนินทรีย์ ปล่อยแอมโมเนียออกมา

 

4. เตตราเมทิลแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์

เตตราเมทิลแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ (TMAH) เป็นสารที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการพัฒนาภาพพิมพ์หินเชิงบวก สารนี้มีพิษและกัดกร่อน อาจถึงแก่ชีวิตได้หากกลืนกินหรือสัมผัสกับผิวหนังโดยตรง การสัมผัสกับฝุ่นหรือละออง TMAH อาจทำให้เกิดการอักเสบของดวงตา ผิวหนัง จมูก และลำคอ การสูดดม TMAH ในปริมาณความเข้มข้นสูงจะนำไปสู่การเสียชีวิต

 

5. คลอรีนและฟลูออรีน

คลอรีน (Cl2) และฟลูออรีน (F2) ต่างก็ถูกใช้ในเลเซอร์เอ็กไซเมอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความเข้มสูงและอัลตราไวโอเลตความเข้มสูง (EUV) ก๊าซทั้งสองชนิดนี้เป็นพิษ มีสีเขียวอ่อน และมีกลิ่นฉุนรุนแรง การสูดดมก๊าซเหล่านี้ในปริมาณมากจะนำไปสู่ความตาย ก๊าซฟลูออรีนอาจทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนฟลูออไรด์ ก๊าซไฮโดรเจนฟลูออไรด์เป็นกรดแก่ที่ระคายเคืองผิวหนัง ดวงตา และระบบทางเดินหายใจ และอาจทำให้เกิดอาการต่างๆ เช่น แผลไหม้และหายใจลำบาก ความเข้มข้นสูงของฟลูออไรด์อาจทำให้เกิดพิษต่อร่างกายมนุษย์ ทำให้เกิดอาการต่างๆ เช่น ปวดศีรษะ อาเจียน ท้องเสีย และหมดสติ

 

6. อาร์กอน

อาร์กอน (Ar) เป็นก๊าซเฉื่อยที่โดยทั่วไปแล้วไม่ก่อให้เกิดอันตรายโดยตรงต่อร่างกายมนุษย์ ในสภาวะปกติ อากาศที่คนเราหายใจเข้าไปจะมีอาร์กอนอยู่ประมาณ 0.93% และความเข้มข้นนี้ไม่มีผลกระทบที่เห็นได้ชัดต่อร่างกายมนุษย์ อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี อาร์กอนอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ได้
นี่คือสถานการณ์ที่เป็นไปได้บางประการ: ในพื้นที่ปิด ความเข้มข้นของอาร์กอนอาจเพิ่มขึ้น ทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศลดลงและก่อให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน ซึ่งอาจทำให้เกิดอาการต่างๆ เช่น เวียนศีรษะ อ่อนเพลีย และหายใจถี่ นอกจากนี้ อาร์กอนเป็นก๊าซเฉื่อย แต่สามารถระเบิดได้ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือความดันสูง

 

7. นีออน

นีออน (Ne) เป็นก๊าซที่เสถียร ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจของมนุษย์ ดังนั้นการสูดดมก๊าซนีออนที่มีความเข้มข้นสูงจะทำให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน หากอยู่ในภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลานาน อาจมีอาการต่างๆ เช่น ปวดศีรษะ คลื่นไส้ และอาเจียน นอกจากนี้ ก๊าซนีออนอาจทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือความดันสูง ทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้

 

8. ก๊าซซีนอน

ก๊าซซีนอน (Xe) เป็นก๊าซที่เสถียร ไม่มีสี และไม่มีกลิ่น ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจของมนุษย์ ดังนั้นการสูดดมก๊าซซีนอนที่มีความเข้มข้นสูงจะทำให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน หากอยู่ในภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลานาน อาจมีอาการต่างๆ เช่น ปวดศีรษะ คลื่นไส้ และอาเจียน นอกจากนี้ ก๊าซซีนอนอาจทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือความดันสูง ทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้

 

9. ก๊าซคริปตัน

ก๊าซคริปตอน (Kr) เป็นก๊าซที่เสถียร ไม่มีสี และไม่มีกลิ่น ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจของมนุษย์ ดังนั้นการหายใจเอาก๊าซคริปตอนที่มีความเข้มข้นสูงเข้าไปจะทำให้เกิดภาวะขาดออกซิเจน หากอยู่ในภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลานาน อาจมีอาการต่างๆ เช่น ปวดศีรษะ คลื่นไส้ และอาเจียน นอกจากนี้ ก๊าซซีนอนอาจทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือความดันสูง ทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้ การหายใจในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำสามารถทำให้เกิดภาวะขาดออกซิเจนได้ หากอยู่ในภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลานาน อาจมีอาการต่างๆ เช่น ปวดศีรษะ คลื่นไส้ และอาเจียน นอกจากนี้ ก๊าซคริปตอนอาจทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือความดันสูง ทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้

 

โซลูชันการตรวจจับก๊าซอันตรายสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวข้องกับการผลิต การแป้งรูป และกระบวนการของก๊าซไวไฟ ก๊าซระเบิด ก๊าซพิษ และก๊าซอันตราย ในฐานะผู้ใช้ก๊าซในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ พนักงานทุกคนควรเข้าใจข้อมูลด้านความปลอดภัยของก๊าซอันตรายต่างๆ ก่อนใช้งาน และควรรู้วิธีการรับมือกับเหตุฉุกเฉินเมื่อก๊าซเหล่านี้รั่วไหล
ในการผลิต การแป้งรูป และการจัดเก็บในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียชีวิตและทรัพย์สินที่เกิดจากการรั่วไหลของก๊าซอันตรายเหล่านี้ จำเป็นต้องติดตั้งเครื่องมือตรวจจับก๊าซเพื่อตรวจจับก๊าซเป้าหมาย

เครื่องตรวจจับก๊าซได้กลายเป็นเครื่องมือตรวจสอบสภาพแวดล้อมที่สำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบัน และยังเป็นเครื่องมือตรวจสอบที่ตรงไปตรงมาที่สุดอีกด้วย
บริษัท Riken Keiki ให้ความสำคัญกับการพัฒนาอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์อย่างปลอดภัยมาโดยตลอด ด้วยพันธกิจในการสร้างสภาพแวดล้อมการทำงานที่ปลอดภัยสำหรับบุคลากร และได้ทุ่มเทให้กับการพัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซที่เหมาะสมสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ พร้อมทั้งนำเสนอโซลูชันที่เหมาะสมสำหรับปัญหาต่างๆ ที่ผู้ใช้งานพบเจอ และยกระดับฟังก์ชันของผลิตภัณฑ์และปรับปรุงระบบอย่างต่อเนื่อง