光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟,耗時長、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上,這一過程通過光刻來實現(xiàn), 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平......
每個半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造都需要數(shù)百個工藝,我們將整個制造過程分為八個步驟:晶圓加工-氧化-光刻-刻蝕-薄膜沉積-外延生長-擴(kuò)散-離子注入。
為幫助大家了解和認(rèn)識半導(dǎo)體及相關(guān)工藝,我們將每期推送微信文章,為大家逐一介紹上述每個步驟。
在上一篇文章中提到,為了保護(hù)晶片免受各種雜質(zhì)的影響,制作了氧化膜的--氧化工藝。今天我們就來討論一下在形成氧化膜的晶片上照出半導(dǎo)體設(shè)計電路的“光刻工藝”。
01??光刻工藝
1.什么是光刻工藝
光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。
利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光,光刻膠見光后會發(fā)生性質(zhì)變化,從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上,從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用,類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上,而光刻刻的不是照片,而是電路圖和其他電子元件。
光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。
常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為 2000~4500 埃的紫外光作為圖像信息載體,以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間(圖像記錄)媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理,最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。
可以說,光刻技術(shù)是現(xiàn)代半導(dǎo)體、微電子、信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),光刻技術(shù)直接決定了這些技術(shù)的發(fā)展水平。
自1959年集成電路成功發(fā)明至今的60多年中,其圖形線寬縮小了約四個數(shù)量級,電路集成性提高了六個數(shù)量級以上。這些技術(shù)的飛速進(jìn)步主要歸功于光刻技術(shù)的發(fā)展。
(集成電路制造的各個發(fā)展階段對于光刻技術(shù)的要求)
2.光刻的基本原理
光刻材料一般特指光刻膠,又稱為光刻抗蝕劑,是光刻技術(shù)中的最關(guān)鍵的功能材料。這類材料具有光(包括可見光、紫外光、電子束等)反應(yīng)特性,經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)后,其溶解性發(fā)生顯著變化。
其中,正性光刻膠在顯影液中的溶解度增加,得到的圖案與掩膜版相同;負(fù)性光刻膠則相反,即經(jīng)顯影液后溶解度降低甚至不溶,得到的圖案與掩膜版相反。兩種光刻膠的應(yīng)用領(lǐng)域是不同的,正性光刻膠使用更為普遍,占到總量的80%以上。
以上是光刻工藝的流程示意圖
(1)涂膠:即在硅片上形成厚度均勻、附著性強(qiáng)、沒有缺陷的光刻膠薄膜。為了增強(qiáng)光刻膠薄膜與硅片之間的附著力,往往需要先用六甲基二硅氮烷(HMDS)、三甲基硅烷基二乙胺(TMSDEA)等物質(zhì)對硅片進(jìn)行表面改性。隨后以旋涂的方式制備光刻膠薄膜。
(2)前烘:經(jīng)過旋涂后的光刻膠薄膜依舊殘留有一定含量的溶劑。經(jīng)過較高溫度的烘烤,可以將溶劑盡可能低揮發(fā)除去,前烘之后,光刻膠的含量降低到5%左右。
(3)曝光:即對光刻膠進(jìn)行光照,此時光反應(yīng)發(fā)生,光照部分與非光照部分因此產(chǎn)生溶解性的差異。
(4)顯影&堅膜:即將產(chǎn)品浸沒于顯影液之中,此時正性膠的曝光區(qū)和負(fù)性膠的非曝光區(qū)則會在顯影中溶解。以此呈現(xiàn)出三維的圖形。經(jīng)過顯影后的晶片,需要一個高溫處理過程,成為堅膜,主要作用為進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠對襯底的附著力。
(5)刻蝕:受到刻蝕的是光刻膠下方的材料。包括液態(tài)的濕法刻蝕和氣態(tài)的干法刻蝕。比如對于硅的濕法刻蝕,使用的為氫氟酸的酸性水溶液;對于銅的濕法刻蝕,使用的為硝酸、硫酸等強(qiáng)酸溶液,而干法刻蝕往往使用等離子體或者高能離子束,使材料表面產(chǎn)生損傷而得到刻蝕。
(6)去膠:最后需要將光刻膠從鏡片表面除去,這一步驟稱為去膠。
安全性是所有半導(dǎo)體生產(chǎn)中最重要的問題,芯片光刻工藝過程中危險有害光刻氣體主要有以下幾種:
1.過氧化氫
過氧化氫(H2O2)是很強(qiáng)的氧化劑,直接接觸會引起皮膚和眼睛發(fā)炎及灼傷。
2.二甲苯
二甲苯是負(fù)光刻餃?zhǔn)褂玫囊豢迫芸c顯影劑.易燃且點只有27.3℃〔大約是室溫),而且在空氣中的濃度為1%-7%時就具有爆炸性。重復(fù)接觸二甲苯會引起皮膚發(fā)炎。二甲苯蒸氣是甜的,與飛機(jī)黏著削的氣味一樣;暴露在二甲苯中時會引起眼睛.鼻子和喉嚨發(fā)炎.吸入該氣體會引起頭疼、暈眩、失去食欲及疲勞。
3.六甲基二硅氮烷(HMDS)
六甲基二硅氮烷(HMDS)?最常用來增加光刻膠在品圓表面附著力的底漆層,易燃且燃點為6.7℃,當(dāng)在空氣中的濃度為0.8%-16%時具有爆炸性,HMDS會強(qiáng)烈地與水、酒精和礦物質(zhì)酸反應(yīng)釋放出氨水。
4.氫氧化四甲基氨
氫氧化四甲基氨(TMAH〕廣泛用于作為正光刻的顯影劑,有毒也具有腐沖性,吞下或與皮膚直接接觸則可能致命;與TMAH的從塵或霧氣接觸會引起眼睛、皮膚、鼻子和喉嚨發(fā)炎.吸入高濃度的TMAH將導(dǎo)致死亡。
5.氯與氟
氯(Cl2)與氟(F2)都用在準(zhǔn)分子激光器中作為深紫外線和極紫外線(EUV)光源,兩種氣體都具有毒性,皆旱現(xiàn)淺綠色,具有強(qiáng)烈的剌激性氣昧,吸入高濃度的這種氣體將導(dǎo)致死亡。氟氣可能會與水反應(yīng),產(chǎn)生氟化氫氣體。氟化氫氣體是一種強(qiáng)酸,對皮膚、眼睛和呼吸道有刺激作用,可能會導(dǎo)致燒傷、呼吸困難等癥狀。高濃度的氟化物會對人體造成中毒,引起頭痛、嘔吐、腹瀉、昏迷等癥狀。
6.氬氣
氬氣(Ar)是一種惰性氣體,通常不會對人體造成直接的危害。在正常情況下,人們呼吸的空氣中含有約0.93%的氬氣,而這個濃度對人體沒有明顯的影響。然而,在某些情況下,氬氣可能會對人體造成危害。
以下是一些可能的情況:在密閉的空間中,氬氣的濃度可能會升高,從而降低空氣中的氧氣濃度,導(dǎo)致缺氧。這可能會引起頭暈、乏力、呼吸急促等癥狀。此外,氬氣是一種惰性氣體,但在高溫或高壓下,它可能會爆炸。
7.氖氣
氖氣(Ne)是一種穩(wěn)定的、無色無味的氣體,不會參與人體的呼吸過程,因此在高濃度的氖氣環(huán)境中呼吸,會導(dǎo)致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態(tài),可能會引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。此外,氖氣在高溫或高壓下,可能會與其他物質(zhì)反應(yīng),產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。
8.氙氣
氙氣(Xe)是一種穩(wěn)定的、無色無味的氣體,不會參與人體的呼吸過程,因此在高濃度的氙氣環(huán)境中呼吸,會導(dǎo)致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態(tài),可能會引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。此外,氙氣在高溫或高壓下,可能會與其他物質(zhì)反應(yīng),產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。
9.氪氣
氪氣(Kr)是一種穩(wěn)定的、無色無味的氣體,不會參與人體的呼吸過程,因此在高濃度的氪氣環(huán)境中呼吸,會導(dǎo)致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態(tài),可能會引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。此外,氪氣在高溫或高壓下,可能會與其他物質(zhì)反應(yīng),產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。
02半導(dǎo)體行業(yè)危險氣體檢測方案
半導(dǎo)體行業(yè)在生產(chǎn)、制造、工藝等方面會涉及產(chǎn)生易燃易爆、有毒有害性的氣體。作為半導(dǎo)體制造工廠氣體的使用者,每一位工作人員都應(yīng)該在使用前對各種危險氣體的安全數(shù)據(jù)加以了解,并且應(yīng)該知道如何應(yīng)對這些氣體外泄時的緊急處理程序。
在半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)、制造及儲存等過程中,為了避免這些危險氣體的泄露導(dǎo)致的生命財產(chǎn)損失,需要安裝氣體檢測儀器,來對目標(biāo)氣體進(jìn)行檢測。
氣體檢測儀在現(xiàn)今半導(dǎo)體工業(yè)已成為必備的環(huán)境監(jiān)控儀器,也是最為直接的監(jiān)測工具。
理研計器一直關(guān)注半導(dǎo)體制造行業(yè)的安全發(fā)展,以為人們營造安全的工作環(huán)境為使命,潛心開發(fā)適用于半導(dǎo)體行業(yè)的氣體傳感器,針對用戶遇到的各種問題,提供合理的解決方案,不斷升級產(chǎn)品功能,優(yōu)化系統(tǒng)。
來源:半導(dǎo)體工藝與設(shè)備