Việc sản xuất mỗi sản phẩm bán dẫn đòi hỏi hàng trăm công đoạn. Chúng tôi chia toàn bộ quy trình sản xuất thành tám bước:tấm waferXử lý - oxy hóa - quang khắc - khắc axit - lắng đọng màng mỏng - tăng trưởng epitaxy - khuếch tán - cấy ion.
Để giúp bạn hiểu và nhận biết về chất bán dẫn và các quy trình liên quan, chúng tôi sẽ đăng các bài viết trên WeChat trong mỗi số báo để giới thiệu từng bước nêu trên một cách chi tiết.
Trong bài viết trước, đã đề cập rằng để bảo vệtấm waferTừ nhiều tạp chất khác nhau, một lớp màng oxit được tạo ra – đó là quá trình oxy hóa. Hôm nay chúng ta sẽ thảo luận về "quá trình quang khắc" để chụp ảnh mạch thiết kế bán dẫn trên tấm wafer có lớp màng oxit đã hình thành.
Quy trình quang khắc
1. Quá trình quang khắc là gì?
Công nghệ quang khắc được sử dụng để tạo ra các mạch điện và các vùng chức năng cần thiết cho việc sản xuất chip.
Ánh sáng phát ra từ máy quang khắc được sử dụng để chiếu sáng lớp màng mỏng phủ chất cản quang thông qua một mặt nạ có hoa văn. Chất cản quang sẽ thay đổi tính chất của nó sau khi tiếp xúc với ánh sáng, do đó hoa văn trên mặt nạ được sao chép lên lớp màng mỏng, nhờ đó lớp màng mỏng có chức năng của một sơ đồ mạch điện tử. Đây là vai trò của quang khắc, tương tự như việc chụp ảnh bằng máy ảnh. Ảnh chụp bằng máy ảnh được in lên phim, trong khi quang khắc không khắc ảnh mà khắc các sơ đồ mạch và các linh kiện điện tử khác.
Công nghệ quang khắc là một công nghệ gia công vi mô chính xác.
Công nghệ quang khắc truyền thống sử dụng ánh sáng cực tím có bước sóng từ 2000 đến 4500 angstrom làm nguồn mang thông tin hình ảnh, và sử dụng chất cản quang làm môi trường trung gian (ghi hình ảnh) để thực hiện quá trình chuyển đổi, truyền tải và xử lý đồ họa, cuối cùng truyền thông tin hình ảnh đến chip (chủ yếu là chip silicon) hoặc lớp điện môi.
Có thể nói rằng quang khắc là nền tảng của ngành công nghiệp bán dẫn, vi điện tử và công nghiệp thông tin hiện đại, và quang khắc quyết định trực tiếp mức độ phát triển của các công nghệ này.
Trong hơn 60 năm kể từ khi mạch tích hợp được phát minh thành công vào năm 1959, độ rộng đường kẻ của đồ họa tích hợp đã giảm khoảng bốn bậc độ lớn, và khả năng tích hợp mạch đã được cải thiện hơn sáu bậc độ lớn. Sự tiến bộ nhanh chóng của các công nghệ này chủ yếu là nhờ sự phát triển của kỹ thuật quang khắc.
(Các yêu cầu đối với công nghệ quang khắc ở các giai đoạn phát triển khác nhau của sản xuất mạch tích hợp)
2. Nguyên lý cơ bản của quang khắc
Vật liệu quang khắc thường đề cập đến chất cản quang, hay còn gọi là chất quang hóa, là những vật liệu chức năng quan trọng nhất trong quang khắc. Loại vật liệu này có đặc tính phản ứng với ánh sáng (bao gồm ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, chùm electron, v.v.). Sau phản ứng quang hóa, độ hòa tan của nó thay đổi đáng kể.
Trong đó, chất cản quang dương có độ hòa tan trong dung dịch phát triển tăng lên, và hình ảnh thu được giống với mặt nạ; chất cản quang âm thì ngược lại, nghĩa là độ hòa tan giảm hoặc thậm chí trở nên không hòa tan sau khi tiếp xúc với dung dịch phát triển, và hình ảnh thu được ngược với mặt nạ. Lĩnh vực ứng dụng của hai loại chất cản quang này khác nhau. Chất cản quang dương được sử dụng phổ biến hơn, chiếm hơn 80% tổng số.
Hình trên là sơ đồ minh họa quy trình quang khắc.
(1) Dán:
Tức là, tạo ra một lớp màng cản quang có độ dày đồng nhất, độ bám dính cao và không có khuyết tật trên đế silicon. Để tăng cường độ bám dính giữa màng cản quang và đế silicon, thường cần phải xử lý bề mặt đế silicon bằng các chất như hexamethyldisilazane (HMDS) và trimethylsilyldiethylamine (TMSDEA). Sau đó, màng cản quang được chế tạo bằng phương pháp phủ quay ly tâm.
(2) Nướng sơ bộ:
Sau khi phủ quay ly tâm, màng chất cản quang vẫn còn chứa một lượng dung môi nhất định. Sau khi nung ở nhiệt độ cao hơn, lượng dung môi được loại bỏ càng ít càng tốt. Sau khi nung sơ bộ, hàm lượng chất cản quang giảm xuống còn khoảng 5%.
(3) Tiếp xúc:
Tức là, chất cản quang được chiếu sáng. Lúc này, phản ứng quang hóa xảy ra, và sự khác biệt về độ hòa tan giữa phần được chiếu sáng và phần không được chiếu sáng xuất hiện.
(4) Phát triển & làm cứng:
Sản phẩm được nhúng vào dung dịch phát triển. Lúc này, vùng tiếp xúc của chất cản quang dương và vùng không tiếp xúc của chất cản quang âm sẽ hòa tan trong dung dịch phát triển. Điều này tạo ra một hoa văn ba chiều. Sau khi phát triển, chip cần trải qua quá trình xử lý ở nhiệt độ cao để trở thành một lớp màng cứng, chủ yếu nhằm tăng cường độ bám dính của chất cản quang với chất nền.
(5) Khắc:
Vật liệu nằm dưới lớp chất cản quang được khắc. Quá trình này bao gồm khắc ướt bằng chất lỏng và khắc khô bằng khí. Ví dụ, đối với khắc ướt silicon, người ta sử dụng dung dịch axit flohydric; đối với khắc ướt đồng, người ta sử dụng dung dịch axit mạnh như axit nitric và axit sulfuric, trong khi khắc khô thường sử dụng plasma hoặc chùm ion năng lượng cao để làm hỏng bề mặt vật liệu và khắc nó.
(6) Khử keo:
Cuối cùng, lớp chất cản quang cần được loại bỏ khỏi bề mặt thấu kính. Bước này được gọi là quá trình tẩy keo.
An toàn là vấn đề quan trọng nhất trong toàn bộ quy trình sản xuất chất bán dẫn. Các loại khí độc hại và nguy hiểm chính trong quá trình khắc quang học chip bao gồm:
1. Hydrogen peroxide
Hydrogen peroxide (H2O2) là một chất oxy hóa mạnh. Tiếp xúc trực tiếp có thể gây viêm da, viêm mắt và bỏng.
2. Xylene
Xylene là một dung môi và chất hiện hình được sử dụng trong kỹ thuật in thạch bản âm bản. Nó dễ cháy và có nhiệt độ thấp, chỉ khoảng 27,3℃ (xấp xỉ nhiệt độ phòng). Nó dễ nổ khi nồng độ trong không khí đạt 1%-7%. Tiếp xúc nhiều lần với xylene có thể gây viêm da. Hơi xylene có mùi ngọt, tương tự như mùi đinh ghim máy bay; tiếp xúc với xylene có thể gây viêm mắt, mũi và họng. Hít phải khí này có thể gây đau đầu, chóng mặt, chán ăn và mệt mỏi.
3. Hexamethyldisilazane (HMDS)
Hexamethyldisilazane (HMDS) thường được sử dụng làm lớp sơn lót để tăng độ bám dính của chất cản quang trên bề mặt sản phẩm. Chất này dễ cháy và có điểm bắt lửa là 6,7°C. Nó có thể gây nổ khi nồng độ trong không khí đạt 0,8%-16%. HMDS phản ứng mạnh với nước, rượu và axit khoáng để giải phóng amoniac.
4. Tetramethylammonium hydroxide
Tetramethylammonium hydroxide (TMAH) được sử dụng rộng rãi làm chất hiện hình cho kỹ thuật in thạch bản dương bản. Chất này độc hại và ăn mòn. Có thể gây tử vong nếu nuốt phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với da. Tiếp xúc với bụi hoặc hơi TMAH có thể gây viêm mắt, da, mũi và họng. Hít phải nồng độ TMAH cao sẽ dẫn đến tử vong.
5. Clo và flo
Clo (Cl2) và flo (F2) đều được sử dụng trong laser excimer làm nguồn sáng cực tím sâu và cực tím (EUV). Cả hai khí này đều độc hại, có màu xanh lục nhạt và mùi hăng khó chịu. Hít phải nồng độ cao của khí này có thể dẫn đến tử vong. Khí flo có thể phản ứng với nước tạo ra khí hydro florua. Khí hydro florua là một axit mạnh gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp, có thể gây ra các triệu chứng như bỏng và khó thở. Nồng độ florua cao có thể gây ngộ độc cho cơ thể người, gây ra các triệu chứng như đau đầu, nôn mửa, tiêu chảy và hôn mê.
6. Argon
Argon (Ar) là một loại khí trơ, thường không gây hại trực tiếp cho cơ thể người. Trong điều kiện bình thường, không khí con người hít thở chứa khoảng 0,93% argon, và nồng độ này không có tác động rõ rệt nào đến cơ thể người. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, argon có thể gây hại cho cơ thể người.
Dưới đây là một số tình huống có thể xảy ra: Trong không gian kín, nồng độ argon có thể tăng lên, làm giảm nồng độ oxy trong không khí và gây thiếu oxy. Điều này có thể gây ra các triệu chứng như chóng mặt, mệt mỏi và khó thở. Ngoài ra, argon là một khí trơ, nhưng nó có thể phát nổ dưới nhiệt độ hoặc áp suất cao.
7. Neon
Neon (Ne) là một loại khí ổn định, không màu, không mùi và không tham gia vào quá trình hô hấp của con người, vì vậy hít phải khí neon ở nồng độ cao sẽ gây thiếu oxy. Nếu bị thiếu oxy trong thời gian dài, bạn có thể gặp các triệu chứng như đau đầu, buồn nôn và nôn mửa. Ngoài ra, khí neon có thể phản ứng với các chất khác ở nhiệt độ hoặc áp suất cao gây cháy hoặc nổ.
8. Khí Xenon
Khí xenon (Xe) là một loại khí ổn định, không màu, không mùi và không tham gia vào quá trình hô hấp của con người, vì vậy hít phải khí xenon với nồng độ cao sẽ gây thiếu oxy. Nếu bị thiếu oxy trong thời gian dài, bạn có thể gặp các triệu chứng như đau đầu, buồn nôn và nôn mửa. Ngoài ra, khí xenon có thể phản ứng với các chất khác ở nhiệt độ hoặc áp suất cao gây cháy hoặc nổ.
9. Khí Krypton
Khí krypton (Kr) là một loại khí ổn định, không màu, không mùi và không tham gia vào quá trình hô hấp của con người, vì vậy hít phải khí krypton ở nồng độ cao sẽ gây thiếu oxy. Nếu bị thiếu oxy trong thời gian dài, bạn có thể gặp các triệu chứng như đau đầu, buồn nôn và nôn mửa. Ngoài ra, khí xenon có thể phản ứng với các chất khác ở nhiệt độ hoặc áp suất cao gây ra cháy hoặc nổ. Hít thở trong môi trường thiếu oxy có thể gây thiếu oxy. Nếu bị thiếu oxy trong thời gian dài, bạn có thể gặp các triệu chứng như đau đầu, buồn nôn và nôn mửa. Thêm vào đó, khí krypton có thể phản ứng với các chất khác ở nhiệt độ hoặc áp suất cao gây ra cháy hoặc nổ.
Giải pháp phát hiện khí độc hại cho ngành công nghiệp bán dẫn
Ngành công nghiệp bán dẫn liên quan đến việc sản xuất, chế tạo và xử lý các loại khí dễ cháy, dễ nổ, độc hại và nguy hiểm. Là người sử dụng khí trong các nhà máy sản xuất bán dẫn, mỗi nhân viên cần phải hiểu rõ dữ liệu an toàn của các loại khí nguy hiểm khác nhau trước khi sử dụng, và phải biết cách xử lý các tình huống khẩn cấp khi khí bị rò rỉ.
Trong sản xuất, chế tạo và lưu trữ của ngành công nghiệp bán dẫn, để tránh thiệt hại về người và tài sản do rò rỉ các loại khí độc hại này, cần phải lắp đặt các thiết bị dò khí để phát hiện khí mục tiêu.
Máy dò khí đã trở thành thiết bị giám sát môi trường thiết yếu trong ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay, và cũng là công cụ giám sát trực tiếp nhất.
Riken Keiki luôn chú trọng đến sự phát triển an toàn của ngành công nghiệp sản xuất bán dẫn, với sứ mệnh tạo ra môi trường làm việc an toàn cho người lao động, và đã cống hiến hết mình để phát triển các cảm biến khí phù hợp với ngành công nghiệp bán dẫn, cung cấp các giải pháp hợp lý cho nhiều vấn đề mà người dùng gặp phải, đồng thời liên tục nâng cấp chức năng sản phẩm và tối ưu hóa hệ thống.
Thời gian đăng bài: 16/07/2024