Die Herstellung jedes Halbleiterprodukts erfordert Hunderte von Prozessschritten. Wir unterteilen den gesamten Herstellungsprozess in acht Schritte:WaffelProzess-Oxidation-Photolithographie-Ätzen-Dünnschichtabscheidung-Epitaxie-Wachstum-Diffusion-Ionenimplantation.
Um Ihnen das Verständnis und die Erkennung von Halbleitern und den damit verbundenen Prozessen zu erleichtern, werden wir in jeder Ausgabe WeChat-Artikel veröffentlichen, in denen die oben genannten Schritte nacheinander erläutert werden.
Im vorherigen Artikel wurde erwähnt, dass zum Schutz derWaffelAus verschiedenen Verunreinigungen bildete sich ein Oxidfilm – ein Oxidationsprozess. Heute werden wir den „Photolithographieprozess“ besprechen, bei dem die Halbleiterschaltung auf dem Wafer mit dem gebildeten Oxidfilm fotografiert wird.
Photolithographie-Verfahren
1. Was ist das Fotolithografieverfahren?
Die Fotolithografie dient der Herstellung der für die Chipproduktion benötigten Schaltkreise und Funktionsbereiche.
Das von der Fotolithografieanlage emittierte Licht belichtet den mit Fotolack beschichteten Dünnfilm mithilfe einer Maske mit einem bestimmten Muster. Der Fotolack verändert seine Eigenschaften unter Lichteinwirkung, wodurch das Muster der Maske auf den Dünnfilm übertragen wird und dieser die Funktion eines elektronischen Schaltplans übernimmt. Dies ist die Funktion der Fotolithografie, vergleichbar mit dem Fotografieren. Während die Fotos einer Kamera auf Film gedruckt werden, graviert die Fotolithografie keine Fotos, sondern Schaltpläne und andere elektronische Bauteile.
Die Fotolithografie ist eine präzise Mikrobearbeitungstechnologie.
Bei der konventionellen Fotolithografie handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 2000 bis 4500 Angström als Bildinformationsträger verwendet wird. Als Zwischenmedium (Bildaufzeichnungsmedium) dient Fotolack zur Transformation, Übertragung und Verarbeitung von Grafiken. Schließlich werden die Bildinformationen auf den Chip (hauptsächlich einen Siliziumchip) oder die dielektrische Schicht übertragen.
Man kann sagen, dass die Fotolithografie die Grundlage der modernen Halbleiter-, Mikroelektronik- und Informationsindustrie bildet und dass sie den Entwicklungsstand dieser Technologien direkt bestimmt.
In den über 60 Jahren seit der erfolgreichen Erfindung integrierter Schaltkreise im Jahr 1959 konnte die Linienbreite ihrer Grafiken um etwa vier Größenordnungen reduziert und die Schaltkreisintegration um mehr als sechs Größenordnungen verbessert werden. Der rasante Fortschritt dieser Technologien ist hauptsächlich auf die Entwicklung der Fotolithografie zurückzuführen.
(Anforderungen an die Fotolithografietechnologie in verschiedenen Entwicklungsstadien der Herstellung integrierter Schaltungen)
2. Grundprinzipien der Fotolithografie
Photolithographiematerialien bezeichnen im Allgemeinen Fotolacke, die die wichtigsten Funktionsmaterialien in der Photolithographie darstellen. Diese Materialien reagieren auf Licht (einschließlich sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Elektronenstrahlen usw.). Nach der photochemischen Reaktion ändert sich ihre Löslichkeit signifikant.
Bei positiven Fotolacken erhöht sich die Löslichkeit im Entwickler, und das erzeugte Muster entspricht der Maske. Negative Fotolacke hingegen verhält sich umgekehrt: Ihre Löslichkeit nimmt ab oder sie werden nach der Belichtung mit dem Entwickler sogar unlöslich, und das erzeugte Muster ist entgegengesetzt zur Maske. Die Anwendungsgebiete der beiden Fotolacktypen unterscheiden sich. Positive Fotolacke sind mit über 80 % Marktanteil deutlich häufiger im Einsatz.
Das obige Diagramm zeigt schematisch den Fotolithografieprozess.
(1) Kleben:
Das heißt, es geht darum, einen Fotolackfilm mit gleichmäßiger Dicke, starker Haftung und ohne Defekte auf dem Siliziumwafer herzustellen. Um die Haftung zwischen Fotolackfilm und Siliziumwafer zu verbessern, ist es oft notwendig, die Oberfläche des Siliziumwafers zunächst mit Substanzen wie Hexamethyldisilazan (HMDS) und Trimethylsilyldiethylamin (TMSDEA) zu modifizieren. Anschließend wird der Fotolackfilm durch Spin-Coating aufgebracht.
(2) Vorbacken:
Nach dem Spin-Coating enthält der Fotolackfilm noch eine gewisse Menge Lösungsmittel. Durch Einbrennen bei höherer Temperatur lässt sich das Lösungsmittel weitestgehend entfernen. Nach dem Vorbacken reduziert sich der Lösungsmittelgehalt des Fotolacks auf etwa 5 %.
(3) Exposition:
Das heißt, der Fotolack wird belichtet. Dabei findet eine Fotoreaktion statt, und es entsteht ein Unterschied in der Löslichkeit zwischen dem belichteten und dem unbelichteten Bereich.
(4) Entwicklung und Härtung:
Das Produkt wird in den Entwickler getaucht. Dabei lösen sich die belichteten Bereiche des positiven Fotolacks und die unbelichteten Bereiche des negativen Fotolacks im Entwickler auf. So entsteht ein dreidimensionales Muster. Nach der Entwicklung muss der Chip einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen werden, um einen harten Film zu erhalten. Dies dient hauptsächlich der weiteren Verbesserung der Haftung des Fotolacks auf dem Substrat.
(5) Ätzen:
Das Material unter dem Fotolack wird geätzt. Dies geschieht durch Nassätzen mit flüssigen Medien und durch Trockenätzen mit Gasen. Beispielsweise wird für das Nassätzen von Silizium eine saure wässrige Fluorwasserstoffsäurelösung verwendet; für das Nassätzen von Kupfer hingegen eine starke Säurelösung wie Salpetersäure oder Schwefelsäure. Beim Trockenätzen werden häufig Plasma oder hochenergetische Ionenstrahlen eingesetzt, um die Materialoberfläche zu beschädigen und das Material abzutragen.
(6) Entschleimung:
Zum Schluss muss der Fotolack von der Linsenoberfläche entfernt werden. Dieser Schritt wird als Entschleimung bezeichnet.
Sicherheit hat bei der gesamten Halbleiterproduktion höchste Priorität. Die wichtigsten gefährlichen und schädlichen Gase im Fotolithografieprozess von Chips sind:
1. Wasserstoffperoxid
Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein starkes Oxidationsmittel. Direkter Kontakt kann zu Haut- und Augenentzündungen sowie Verätzungen führen.
2. Xylol
Xylol ist ein Lösungsmittel und Entwickler, der in der Negativlithografie verwendet wird. Es ist leicht entzündlich und hat eine niedrige Temperatur von nur 27,3 °C (etwa Raumtemperatur). Bei einer Konzentration von 1–7 % in der Luft ist es explosiv. Wiederholter Kontakt mit Xylol kann Hautentzündungen verursachen. Xyloldampf riecht süßlich, ähnlich wie Flugzeugtape; die Exposition gegenüber Xylol kann Reizungen der Augen, der Nase und des Rachens hervorrufen. Das Einatmen des Gases kann Kopfschmerzen, Schwindel, Appetitlosigkeit und Müdigkeit verursachen.
3. Hexamethyldisilazan (HMDS)
Hexamethyldisilazan (HMDS) wird häufig als Grundierung verwendet, um die Haftung von Fotolack auf der Produktoberfläche zu verbessern. Es ist entzündlich und hat einen Flammpunkt von 6,7 °C. Bei einer Konzentration von 0,8 % bis 16 % in der Luft ist es explosiv. HMDS reagiert heftig mit Wasser, Alkohol und Mineralsäuren unter Freisetzung von Ammoniak.
4. Tetramethylammoniumhydroxid
Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) wird häufig als Entwickler in der Positivlithografie eingesetzt. Es ist giftig und ätzend. Verschlucken oder direkter Hautkontakt können tödlich sein. Der Kontakt mit TMAH-Staub oder -Nebel kann Entzündungen der Augen, der Haut, der Nase und des Rachens verursachen. Das Einatmen hoher TMAH-Konzentrationen führt zum Tod.
5. Chlor und Fluor
Chlor (Cl₂) und Fluor (F₂) werden in Excimerlasern als Lichtquellen für tiefes Ultraviolett (DUV) und extremes Ultraviolett (EUV) eingesetzt. Beide Gase sind giftig, hellgrün und haben einen stechenden, reizenden Geruch. Das Einatmen hoher Konzentrationen führt zum Tod. Fluor reagiert mit Wasser zu Fluorwasserstoff. Fluorwasserstoff ist eine starke Säure, die Haut, Augen und Atemwege reizt und Symptome wie Verätzungen und Atemnot verursachen kann. Hohe Fluoridkonzentrationen können zu Vergiftungen führen, die Symptome wie Kopfschmerzen, Erbrechen, Durchfall und Koma hervorrufen.
6. Argon
Argon (Ar) ist ein Edelgas, das dem menschlichen Körper normalerweise nicht direkt schadet. Unter normalen Umständen enthält die Atemluft etwa 0,93 % Argon, und diese Konzentration hat keine erkennbaren Auswirkungen auf den menschlichen Körper. In bestimmten Fällen kann Argon jedoch gesundheitsschädlich sein.
Hier einige mögliche Situationen: In geschlossenen Räumen kann die Argonkonzentration ansteigen, wodurch der Sauerstoffgehalt der Luft sinkt und es zu Hypoxie kommt. Dies kann Symptome wie Schwindel, Müdigkeit und Atemnot verursachen. Argon ist zwar ein Edelgas, kann aber unter hohen Temperaturen oder hohem Druck explodieren.
7. Neon
Neon (Ne) ist ein stabiles, farb- und geruchloses Gas, das nicht am menschlichen Atmungsprozess teilnimmt. Das Einatmen einer hohen Neonkonzentration führt daher zu Sauerstoffmangel (Hypoxie). Bei längerem Sauerstoffmangel können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Darüber hinaus kann Neon unter hohen Temperaturen oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und Brände oder Explosionen verursachen.
8. Xenongas
Xenon (Xe) ist ein stabiles, farb- und geruchloses Gas, das nicht am menschlichen Atmungsprozess teilnimmt. Das Einatmen einer hohen Xenonkonzentration führt daher zu Sauerstoffmangel (Hypoxie). Bei längerem Sauerstoffmangel können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Darüber hinaus kann Xenon unter hohen Temperaturen oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und Brände oder Explosionen verursachen.
9. Kryptongas
Krypton (Kr) ist ein stabiles, farb- und geruchloses Gas, das nicht am menschlichen Atmungsprozess teilnimmt. Das Einatmen einer hohen Kryptonkonzentration führt daher zu Sauerstoffmangel (Hypoxie). Bei längerem Sauerstoffmangel können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Auch Krypton kann unter hohen Temperaturen oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und Brände oder Explosionen verursachen.
Lösungen zur Erkennung gefährlicher Gase für die Halbleiterindustrie
Die Halbleiterindustrie umfasst die Produktion, Herstellung und Verarbeitung von brennbaren, explosiven, giftigen und schädlichen Gasen. Als Anwender von Gasen in Halbleiterfertigungsanlagen muss jeder Mitarbeiter vor der Verwendung die Sicherheitsdaten der verschiedenen Gefahrstoffe kennen und die Notfallmaßnahmen bei einem Gasaustritt beherrschen.
Um bei der Produktion, der Herstellung und der Lagerung von Halbleiterprodukten den Verlust von Menschenleben und Sachwerten durch das Austreten dieser gefährlichen Gase zu vermeiden, ist es notwendig, Gasdetektionsgeräte zur Erkennung des Zielgases zu installieren.
Gasdetektoren sind in der heutigen Halbleiterindustrie zu unverzichtbaren Instrumenten der Umweltüberwachung geworden und stellen gleichzeitig die direktesten Überwachungsmethoden dar.
Riken Keiki legt seit jeher Wert auf die sichere Entwicklung der Halbleiterindustrie und verfolgt die Mission, ein sicheres Arbeitsumfeld für die Menschen zu schaffen. Das Unternehmen hat sich der Entwicklung von Gassensoren verschrieben, die für die Halbleiterindustrie geeignet sind, bietet sinnvolle Lösungen für verschiedene Probleme der Anwender und verbessert kontinuierlich die Produktfunktionen und optimiert die Systeme.
Veröffentlichungsdatum: 16. Juli 2024