La fabrication de chaque produit semi-conducteur nécessite des centaines d'étapes. Nous divisons l'ensemble du processus de fabrication en huit étapes :tranchetraitement-oxydation-photolithographie-gravure-dépôt de couches minces-croissance épitaxiale-diffusion-implantation ionique.
Pour vous aider à comprendre et à reconnaître les semi-conducteurs et les processus associés, nous publierons dans chaque numéro des articles WeChat présentant chacune des étapes ci-dessus une par une.
Dans l'article précédent, il a été mentionné que pour protégertrancheÀ partir de diverses impuretés, un film d'oxyde a été formé – c'est le procédé d'oxydation. Aujourd'hui, nous aborderons le procédé de photolithographie, qui consiste à photographier le circuit semi-conducteur sur la plaquette recouverte du film d'oxyde.
procédé de photolithographie
1. Qu'est-ce que le procédé de photolithographie ?
La photolithographie sert à réaliser les circuits et les zones fonctionnelles nécessaires à la production de puces.
La lumière émise par la machine de photolithographie sert à exposer, à travers un masque, une fine pellicule recouverte de résine photosensible. Sous l'effet de cette lumière, la résine photosensible modifie ses propriétés, ce qui permet de reproduire le motif du masque sur la pellicule et de lui conférer ainsi la fonction de schéma de circuit électronique. Le principe de la photolithographie est comparable à celui de la prise de photos avec un appareil photo. Contrairement à ce qui se passe avec un appareil photo, qui est imprimé sur une pellicule, la photolithographie grave des schémas de circuits et autres composants électroniques.
La photolithographie est une technologie de micro-usinage de précision
La photolithographie conventionnelle est un procédé qui utilise la lumière ultraviolette d'une longueur d'onde de 2000 à 4500 angströms comme support d'information d'image, et utilise la photorésine comme support intermédiaire (enregistrement d'image) pour réaliser la transformation, le transfert et le traitement des graphiques, et transmet finalement l'information d'image à la puce (principalement une puce en silicium) ou à la couche diélectrique.
On peut affirmer que la photolithographie est le fondement des industries modernes des semi-conducteurs, de la microélectronique et de l'information, et qu'elle détermine directement le niveau de développement de ces technologies.
En plus de soixante ans, depuis l'invention réussie des circuits intégrés en 1959, la finesse des traits des graphismes a été réduite d'environ quatre ordres de grandeur, et l'intégration des circuits a été améliorée de plus de six ordres de grandeur. Les progrès rapides de ces technologies sont principalement dus au développement de la photolithographie.
(Exigences relatives à la technologie de photolithographie aux différentes étapes du développement de la fabrication de circuits intégrés)
2. Principes de base de la photolithographie
Les matériaux de photolithographie désignent généralement les résines photosensibles, qui sont les matériaux fonctionnels les plus importants en photolithographie. Ce type de matériau réagit à la lumière (visible, ultraviolette, faisceau d'électrons, etc.). Après une réaction photochimique, sa solubilité est considérablement modifiée.
Parmi ces deux types de résines photosensibles, la photorésine positive voit sa solubilité dans le révélateur augmenter, et le motif obtenu est identique au masque ; c’est l’inverse pour la photorésine négative : sa solubilité diminue, voire devient insoluble après exposition au révélateur, et le motif obtenu est inversé par rapport au masque. Leurs domaines d’application diffèrent. Les photorésines positives sont les plus couramment utilisées, représentant plus de 80 % du total.
Le schéma ci-dessus représente le procédé de photolithographie.
(1) Collage :
Il s'agit de former un film de photorésine d'épaisseur uniforme, présentant une forte adhérence et exempt de défauts sur la plaquette de silicium. Afin d'améliorer l'adhérence entre le film de photorésine et la plaquette de silicium, il est souvent nécessaire de modifier au préalable la surface de cette dernière à l'aide de substances telles que l'hexaméthyldisilazane (HMDS) et la triméthylsilyldiéthylamine (TMSDEA). Le film de photorésine est ensuite déposé par centrifugation.
(2) Précuisson :
Après dépôt par centrifugation, le film de photorésine contient encore une certaine quantité de solvant. Après cuisson à haute température, on peut en éliminer le maximum. Après précuisson, la teneur en solvant de la photorésine est réduite à environ 5 %.
(3) Exposition :
Autrement dit, la résine photosensible est exposée à la lumière. Une réaction photochimique se produit alors, entraînant une différence de solubilité entre la partie éclairée et la partie non éclairée.
(4) Développement et durcissement :
Le produit est immergé dans le révélateur. Lors de cette étape, les zones exposées de la résine photosensible positive et les zones non exposées de la résine photosensible négative se dissolvent. Ceci crée un motif tridimensionnel. Après le développement, la puce nécessite un traitement thermique à haute température pour former un film dur, ce qui permet principalement d'améliorer l'adhérence de la résine photosensible au substrat.
(5) Gravure :
Le matériau sous la résine photosensible est gravé. Ce procédé comprend la gravure chimique en milieu liquide et la gravure chimique en milieu gazeux. Par exemple, pour la gravure chimique du silicium, on utilise une solution aqueuse d'acide fluorhydrique ; pour la gravure chimique du cuivre, on utilise une solution acide forte comme l'acide nitrique ou l'acide sulfurique, tandis que la gravure chimique en milieu gazeux utilise souvent un plasma ou des faisceaux d'ions de haute énergie pour endommager la surface du matériau et la graver.
(6) Dégommage :
Enfin, la résine photosensible doit être retirée de la surface de la lentille. Cette étape est appelée dégommage.
La sécurité est primordiale dans toute production de semi-conducteurs. Les principaux gaz dangereux et nocifs utilisés lors de la photolithographie pour la fabrication des puces sont les suivants :
1. Peroxyde d'hydrogène
Le peroxyde d'hydrogène (H2O2) est un puissant oxydant. Le contact direct peut provoquer des inflammations et des brûlures de la peau et des yeux.
2. Xylène
Le xylène est un solvant et révélateur utilisé en lithographie négative. Inflammable, il atteint une température basse de seulement 27,3 °C (environ la température ambiante). Il est explosif lorsque sa concentration dans l'air est comprise entre 1 et 7 %. Un contact répété avec le xylène peut provoquer une inflammation cutanée. Les vapeurs de xylène ont une odeur sucrée, semblable à celle de la colle adhésive pour avions ; l'exposition au xylène peut causer une inflammation des yeux, du nez et de la gorge. L'inhalation de ces gaz peut entraîner des maux de tête, des vertiges, une perte d'appétit et de la fatigue.
3. Hexaméthyldisilazane (HMDS)
L'hexaméthyldisilazane (HMDS) est principalement utilisé comme couche d'apprêt pour améliorer l'adhérence de la résine photosensible sur la surface du produit. Inflammable, son point d'éclair est de 6,7 °C. Il est explosif à une concentration de 0,8 % à 16 % dans l'air. L'HMDS réagit fortement avec l'eau, l'alcool et les acides minéraux en libérant de l'ammoniac.
4. Hydroxyde de tétraméthylammonium
L'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) est largement utilisé comme révélateur en lithographie positive. Toxique et corrosif, il peut être mortel en cas d'ingestion ou de contact direct avec la peau. Le contact avec la poussière ou les brouillards de TMAH peut provoquer une inflammation des yeux, de la peau, du nez et de la gorge. L'inhalation de fortes concentrations de TMAH est fatale.
5. Chlore et fluor
Le chlore (Cl₂) et le fluor (F₂) sont tous deux utilisés dans les lasers excimères comme sources de lumière ultraviolette profonde et ultraviolette extrême (EUV). Ces deux gaz sont toxiques, de couleur vert clair et dégagent une forte odeur irritante. L'inhalation de fortes concentrations de ces gaz est mortelle. Le fluor peut réagir avec l'eau pour produire du fluorure d'hydrogène. Ce gaz est un acide fort irritant pour la peau, les yeux et les voies respiratoires, et peut provoquer des brûlures et des difficultés respiratoires. De fortes concentrations de fluorure peuvent entraîner une intoxication, se manifestant par des maux de tête, des vomissements, des diarrhées et un coma.
6. Argon
L'argon (Ar) est un gaz inerte qui, généralement, ne présente aucun danger direct pour le corps humain. Dans des conditions normales, l'air que nous respirons contient environ 0,93 % d'argon, une concentration sans effet notable sur l'organisme. Cependant, dans certains cas, l'argon peut s'avérer nocif.
Voici quelques situations possibles : dans un espace confiné, la concentration d’argon peut augmenter, réduisant ainsi la concentration d’oxygène dans l’air et provoquant une hypoxie. Celle-ci peut entraîner des symptômes tels que des vertiges, de la fatigue et un essoufflement. De plus, bien que l’argon soit un gaz inerte, il peut exploser sous l’effet de températures ou de pressions élevées.
7. Néon
Le néon (Ne) est un gaz stable, incolore et inodore qui ne participe pas au processus respiratoire humain. Par conséquent, l'inhalation d'une forte concentration de néon provoque une hypoxie. Un état d'hypoxie prolongé peut entraîner des symptômes tels que maux de tête, nausées et vomissements. De plus, sous l'effet de températures ou de pressions élevées, le néon peut réagir avec d'autres substances et provoquer un incendie ou une explosion.
8. Gaz xénon
Le xénon (Xe) est un gaz stable, incolore et inodore qui ne participe pas à la respiration humaine. Par conséquent, l'inhalation d'une forte concentration de xénon provoque une hypoxie. Un état d'hypoxie prolongé peut entraîner des symptômes tels que maux de tête, nausées et vomissements. De plus, le xénon peut réagir avec d'autres substances sous l'effet de températures ou de pressions élevées et provoquer un incendie ou une explosion.
9. Gaz krypton
Le krypton (Kr) est un gaz stable, incolore et inodore qui ne participe pas à la respiration humaine. Par conséquent, l'inhalation d'une forte concentration de krypton provoque une hypoxie. Une hypoxie prolongée peut entraîner des symptômes tels que maux de tête, nausées et vomissements. De plus, le xénon peut réagir avec d'autres substances sous l'effet de températures ou de pressions élevées et provoquer un incendie ou une explosion. Respirer dans un environnement pauvre en oxygène peut également provoquer une hypoxie. Une hypoxie prolongée peut entraîner des symptômes tels que maux de tête, nausées et vomissements. De plus, le krypton peut réagir avec d'autres substances sous l'effet de températures ou de pressions élevées et provoquer un incendie ou une explosion.
Solutions de détection des gaz dangereux pour l'industrie des semi-conducteurs
L'industrie des semi-conducteurs implique la production, la fabrication et le traitement de gaz inflammables, explosifs, toxiques et nocifs. En tant qu'utilisateur de gaz dans les usines de fabrication de semi-conducteurs, chaque membre du personnel doit connaître les fiches de données de sécurité des différents gaz dangereux avant leur utilisation et savoir comment réagir en cas de fuite.
Dans les processus de production, de fabrication et de stockage de l'industrie des semi-conducteurs, afin d'éviter les pertes humaines et matérielles dues aux fuites de ces gaz dangereux, il est nécessaire d'installer des instruments de détection de gaz pour détecter le gaz cible.
Les détecteurs de gaz sont devenus des instruments essentiels de surveillance environnementale dans l'industrie des semi-conducteurs actuelle, et constituent également les outils de surveillance les plus directs.
Riken Keiki a toujours accordé une grande importance au développement sûr de l'industrie de la fabrication des semi-conducteurs, avec pour mission de créer un environnement de travail sûr pour les personnes, et s'est consacrée au développement de capteurs de gaz adaptés à l'industrie des semi-conducteurs, fournissant des solutions raisonnables aux divers problèmes rencontrés par les utilisateurs, et améliorant continuellement les fonctions des produits et optimisant les systèmes.
Date de publication : 16 juillet 2024