Halbleiterprozess, vollständiger Prozess der Fotolithographie

Die Herstellung jedes Halbleiterprodukts erfordert Hunderte von Prozessen. Wir unterteilen den gesamten Herstellungsprozess in acht Schritte:WaferVerarbeitung – Oxidation – Photolithographie – Ätzen – Dünnschichtabscheidung – epitaktisches Wachstum – Diffusion – Ionenimplantation.
Um Ihnen zu helfen, Halbleiter und verwandte Prozesse zu verstehen und zu erkennen, werden wir in jeder Ausgabe einen WeChat-Artikel veröffentlichen, in dem jeder der oben genannten Schritte einzeln vorgestellt wird.
Im vorherigen Artikel wurde erwähnt, dass zum Schutz derWaferAus verschiedenen Verunreinigungen wurde ein Oxidfilm gebildet – Oxidationsprozess. Heute werden wir den „Photolithographieprozess“ besprechen, bei dem die Halbleiterdesignschaltung auf dem Wafer mit der gebildeten Oxidschicht fotografiert wird.

Fotolithographieverfahren

1. Was ist ein Fotolithographieverfahren?
Mit der Fotolithografie sollen die für die Chipherstellung erforderlichen Schaltkreise und Funktionsbereiche hergestellt werden.
Das von der Fotolithographiemaschine emittierte Licht wird verwendet, um den mit Fotolack beschichteten dünnen Film durch eine Maske mit einem Muster zu belichten. Der Fotolack ändert seine Eigenschaften, nachdem er Licht gesehen hat, sodass das Muster auf der Maske auf den dünnen Film kopiert wird, sodass der dünne Film die Funktion eines elektronischen Schaltplans hat. Dies ist die Aufgabe der Fotolithographie, ähnlich dem Fotografieren mit einer Kamera. Die von der Kamera aufgenommenen Fotos werden auf den Film gedruckt, während bei der Fotolithografie keine Fotos, sondern Schaltpläne und andere elektronische Bauteile eingraviert werden.

Die Fotolithographie ist eine präzise Mikrobearbeitungstechnologie

Bei der herkömmlichen Fotolithographie handelt es sich um einen Prozess, der ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 2000 bis 4500 Angström als Bildinformationsträger verwendet und Fotolack als Zwischenmedium (Bildaufzeichnung) verwendet, um die Transformation, Übertragung und Verarbeitung von Grafiken zu erreichen und schließlich das Bild zu übertragen Informationen an den Chip (hauptsächlich Siliziumchip) oder die dielektrische Schicht.
Man kann sagen, dass die Fotolithographie die Grundlage der modernen Halbleiter-, Mikroelektronik- und Informationsindustrie ist und dass die Fotolithographie direkt den Entwicklungsstand dieser Technologien bestimmt.
In den mehr als 60 Jahren seit der erfolgreichen Erfindung integrierter Schaltkreise im Jahr 1959 wurde die Linienbreite ihrer Grafiken um etwa vier Größenordnungen reduziert und die Schaltungsintegration um mehr als sechs Größenordnungen verbessert. Der rasante Fortschritt dieser Technologien wird vor allem auf die Entwicklung der Fotolithographie zurückgeführt.

(Anforderungen an die Fotolithographie-Technologie in verschiedenen Entwicklungsstadien der Herstellung integrierter Schaltkreise)

2. Grundprinzipien der Fotolithographie
Unter Fotolithografiematerialien versteht man im Allgemeinen Fotolacke, auch Fotolacke genannt, die die kritischsten Funktionsmaterialien in der Fotolithografie sind. Diese Art von Material weist die Eigenschaften einer Lichtreaktion (einschließlich sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Elektronenstrahl usw.) auf. Nach der photochemischen Reaktion ändert sich seine Löslichkeit erheblich.
Unter anderem nimmt die Löslichkeit des positiven Fotolacks im Entwickler zu und das erhaltene Muster ist das gleiche wie in der Maske. Negativer Fotolack ist das Gegenteil, das heißt, die Löslichkeit nimmt ab oder wird sogar unlöslich, nachdem er dem Entwickler ausgesetzt wurde, und das erhaltene Muster ist das Gegenteil der Maske. Die Anwendungsgebiete der beiden Arten von Fotolacken sind unterschiedlich. Positiv-Fotolacke werden häufiger verwendet und machen mehr als 80 % der Gesamtmenge aus.

Das Obige ist ein schematisches Diagramm des Fotolithographieprozesses

(1) Kleben: Das heißt, es wird ein Fotolackfilm mit gleichmäßiger Dicke, starker Haftung und ohne Defekte auf dem Siliziumwafer gebildet. Um die Haftung zwischen dem Fotolackfilm und dem Siliziumwafer zu verbessern, ist es häufig erforderlich, die Oberfläche des Siliziumwafers zunächst mit Substanzen wie Hexamethyldisilazan (HMDS) und Trimethylsilyldiethylamin (TMSDEA) zu modifizieren. Anschließend wird der Fotolackfilm durch Schleuderbeschichtung hergestellt.
(2) Vorbacken: Nach dem Schleuderbeschichten enthält der Fotolackfilm noch eine gewisse Menge Lösungsmittel. Nach dem Einbrennen bei höherer Temperatur kann das Lösungsmittel so wenig wie möglich entfernt werden. Nach dem Vorbrennen wird der Gehalt des Fotolacks auf etwa 5 % reduziert.
(3) Belichtung: Das heißt, der Fotolack wird Licht ausgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt findet eine Photoreaktion statt und es entsteht ein Löslichkeitsunterschied zwischen dem beleuchteten Teil und dem nicht beleuchteten Teil.
(4) Entwicklung und Aushärtung: Das Produkt wird in den Entwickler eingetaucht. Zu diesem Zeitpunkt lösen sich der belichtete Bereich des positiven Fotolacks und der nicht belichtete Bereich des negativen Fotolacks in der Entwicklung auf. Dadurch entsteht ein dreidimensionales Muster. Nach der Entwicklung muss der Chip einem Hochtemperaturbehandlungsprozess unterzogen werden, um zu einem harten Film zu werden, der hauptsächlich dazu dient, die Haftung des Fotolacks auf dem Substrat weiter zu verbessern.
(5) Ätzen: Das Material unter dem Fotolack wird geätzt. Es umfasst flüssiges Nassätzen und gasförmiges Trockenätzen. Beispielsweise wird zum Nassätzen von Silizium eine saure wässrige Lösung von Flusssäure verwendet; Beim Nassätzen von Kupfer wird eine starke Säurelösung wie Salpetersäure und Schwefelsäure verwendet, während beim Trockenätzen häufig Plasma oder hochenergetische Ionenstrahlen eingesetzt werden, um die Oberfläche des Materials zu beschädigen und zu ätzen.
(6) Entschleimung: Abschließend muss der Fotolack von der Oberfläche der Linse entfernt werden. Dieser Schritt wird als Entschleimung bezeichnet.

Sicherheit ist das wichtigste Thema in der gesamten Halbleiterproduktion. Die wichtigsten gefährlichen und schädlichen Photolithographiegase im Chip-Lithographieprozess sind folgende:

1. Wasserstoffperoxid
Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein starkes Oxidationsmittel. Direkter Kontakt kann zu Haut- und Augenentzündungen sowie Verbrennungen führen.

2. Xylol
Xylol ist ein Lösungsmittel und Entwickler, das in der Negativlithographie verwendet wird. Es ist brennbar und hat eine niedrige Temperatur von nur 27,3℃ (ungefähr Raumtemperatur). Es ist explosiv, wenn die Konzentration in der Luft 1–7 % beträgt. Wiederholter Kontakt mit Xylol kann zu Hautentzündungen führen. Xyloldampf ist süß, ähnlich dem Geruch von Flugzeugklebstoff; Der Kontakt mit Xylol kann zu Entzündungen der Augen, der Nase und des Rachens führen. Das Einatmen des Gases kann zu Kopfschmerzen, Schwindel, Appetitlosigkeit und Müdigkeit führen.

3. Hexamethyldisilazan (HMDS)
Hexamethyldisilazan (HMDS) wird am häufigsten als Grundierungsschicht verwendet, um die Haftung des Fotolacks auf der Oberfläche des Produkts zu erhöhen. Es ist brennbar und hat einen Flammpunkt von 6,7 °C. Es ist explosiv, wenn die Konzentration in der Luft 0,8 % bis 16 % beträgt. HMDS reagiert stark mit Wasser, Alkohol und Mineralsäuren unter Freisetzung von Ammoniak.

4. Tetramethylammoniumhydroxid
Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) wird häufig als Entwickler für die Positivlithographie verwendet. Es ist giftig und ätzend. Bei Verschlucken oder direktem Kontakt mit der Haut kann es tödlich sein. Der Kontakt mit TMAH-Staub oder -Nebel kann zu Entzündungen der Augen, der Haut, der Nase und des Rachens führen. Das Einatmen hoher TMAH-Konzentrationen führt zum Tod.

5. Chlor und Fluor
Chlor (Cl2) und Fluor (F2) werden beide in Excimer-Lasern als Lichtquellen im tiefen und extremen Ultraviolett (EUV) verwendet. Beide Gase sind giftig, erscheinen hellgrün und haben einen stark reizenden Geruch. Das Einatmen hoher Konzentrationen dieses Gases führt zum Tod. Fluorgas kann mit Wasser reagieren und Fluorwasserstoffgas erzeugen. Fluorwasserstoffgas ist eine starke Säure, die Haut, Augen und Atemwege reizt und Symptome wie Verbrennungen und Atembeschwerden verursachen kann. Hohe Fluoridkonzentrationen können zu einer Vergiftung des menschlichen Körpers führen und Symptome wie Kopfschmerzen, Erbrechen, Durchfall und Koma verursachen.

6. Argon
Argon (Ar) ist ein Edelgas, das dem menschlichen Körper normalerweise keinen direkten Schaden zufügt. Unter normalen Umständen enthält die Luft, die Menschen atmen, etwa 0,93 % Argon, und diese Konzentration hat keine offensichtlichen Auswirkungen auf den menschlichen Körper. In einigen Fällen kann Argon jedoch den menschlichen Körper schädigen.
Hier sind einige mögliche Situationen: In einem geschlossenen Raum kann die Argonkonzentration ansteigen, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der Luft sinkt und Hypoxie entsteht. Dies kann zu Symptomen wie Schwindel, Müdigkeit und Atemnot führen. Darüber hinaus ist Argon ein Edelgas, das jedoch bei hoher Temperatur oder hohem Druck explodieren kann.

7. Neon
Neon (Ne) ist ein stabiles, farbloses und geruchloses Gas, das nicht am Atmungsprozess des Menschen beteiligt ist. Das Einatmen einer hohen Konzentration von Neongas führt daher zu Hypoxie. Wenn Sie sich über einen längeren Zeitraum in einem Zustand der Hypoxie befinden, können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Darüber hinaus kann Neongas bei hoher Temperatur oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und einen Brand oder eine Explosion verursachen.

8. Xenongas
Xenongas (Xe) ist ein stabiles, farbloses und geruchloses Gas, das nicht am menschlichen Atmungsprozess beteiligt ist, sodass das Einatmen einer hohen Konzentration von Xenongas zu Hypoxie führt. Wenn Sie sich über einen längeren Zeitraum in einem Zustand der Hypoxie befinden, können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Darüber hinaus kann Neongas bei hoher Temperatur oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und einen Brand oder eine Explosion verursachen.

9. Kryptongas
Kryptongas (Kr) ist ein stabiles, farbloses und geruchloses Gas, das nicht am menschlichen Atmungsprozess beteiligt ist, sodass das Einatmen einer hohen Konzentration von Kryptongas zu Hypoxie führt. Wenn Sie sich über einen längeren Zeitraum in einem Zustand der Hypoxie befinden, können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Darüber hinaus kann Xenongas bei hoher Temperatur oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und einen Brand oder eine Explosion verursachen. Das Atmen in einer Umgebung mit Sauerstoffmangel kann zu Hypoxie führen. Wenn Sie sich über einen längeren Zeitraum in einem Zustand der Hypoxie befinden, können Symptome wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen auftreten. Darüber hinaus kann Kryptongas bei hoher Temperatur oder hohem Druck mit anderen Substanzen reagieren und einen Brand oder eine Explosion 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 sollte jeder Mitarbeiter vor der Verwendung die Sicherheitsdaten verschiedener gefährlicher Gase kennen und wissen, wie er mit den Notfallmaßnahmen umgeht, wenn diese Gase austreten.
Um den Verlust von Leben und Eigentum durch das Austreten dieser gefährlichen Gase zu vermeiden, ist es in der Produktion, Fertigung und Lagerung der Halbleiterindustrie erforderlich, Gaserkennungsinstrumente zur Erkennung des Zielgases zu installieren.

Gasdetektoren sind in der heutigen Halbleiterindustrie zu unverzichtbaren Umgebungsüberwachungsinstrumenten geworden und zudem die direktesten Überwachungsinstrumente.
Riken Keiki hat stets auf die sichere Entwicklung der Halbleiterfertigungsindustrie geachtet, mit dem Ziel, ein sicheres Arbeitsumfeld für Menschen zu schaffen, und hat sich der Entwicklung von Gassensoren verschrieben, die für die Halbleiterindustrie geeignet sind und vernünftige Lösungen für verschiedene Probleme bieten Benutzer, kontinuierliche Weiterentwicklung der Produktfunktionen und Optimierung der Systeme.