理研計器|半導體工藝全流程之光刻工藝
發布時間：2023-06-14
每個半導體產品的制造都需要數百個工藝，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-擴散-離子注入。
為幫助大家了解和認識半導體及相關工藝，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，為了保護晶片免受各種雜質的影響，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體設計電路的“光刻工藝”。
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做出來。
利用光刻機發出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會發生性質變化，從而使光罩上得圖形復印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機照相。照相機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。
光刻技術是一種精密的微細加工技術。
常規光刻技術是采用波長為 2000～4500 埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質層上的一種工藝。
可以說，光刻技術是現代半導體、微電子、信息產業的基礎，光刻技術直接決定了這些技術的發展水平。
自1959年集成電路成功發明至今的60多年中，其圖形線寬縮小了約四個數量級，電路集成性提高了六個數量級以上。這些技術的飛速進步主要歸功于光刻技術的發展。
（集成電路制造的各個發展階段對于光刻技術的要求）
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，是光刻技術中的最關鍵的功能材料。這類材料具有光（包括可見光、紫外光、電子束等）反應特性，經過光化學反應后，其溶解性發生顯著變化。
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；負性光刻膠則相反，即經顯影液后溶解度降低甚至不溶，得到的圖案與掩膜版相反。兩種光刻膠的應用領域是不同的，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、沒有缺陷的光刻膠薄膜。為了增強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）等物質對硅片進行表面改性。隨后以旋涂的方式制備光刻膠薄膜。
（2）前烘：經過旋涂后的光刻膠薄膜依舊殘留有一定含量的溶劑。經過較高溫度的烘烤，可以將溶劑盡可能低揮發除去，前烘之后，光刻膠的含量降低到5%左右。
（3）曝光：即對光刻膠進行光照，此時光反應發生，光照部分與非光照部分因此產生溶解性的差異。
（4）顯影&堅膜：即將產品浸沒于顯影液之中，此時正性膠的曝光區和負性膠的非曝光區則會在顯影中溶解。以此呈現出三維的圖形。經過顯影后的晶片，需要一個高溫處理過程，成為堅膜，主要作用為進一步增強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。包括液態的濕法刻蝕和氣態的干法刻蝕。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。
安全性是所有半導體生產中最重要的問題，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）是很強的氧化劑，直接接觸會引起皮膚和眼睛發炎及灼傷。
2.二甲苯
二甲苯是負光刻餃使用的一科溶刊與顯影劑．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。重復接觸二甲苯會引起皮膚發炎。二甲苯蒸氣是甜的，與飛機黏著削的氣味一樣；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℃，當在空氣中的濃度為0.8%-16%時具有爆炸性，HMDS會強烈地與水、酒精和礦物質酸反應釋放出氨水。
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、鼻子和喉嚨發炎．吸入高濃度的TMAH將導致死亡。
5.氯與氟
氯（Cl2）與氟（F2）都用在準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，皆旱現淺綠色，具有強烈的剌激性氣昧，吸入高濃度的這種氣體將導致死亡。氟氣可能會與水反應，產生氟化氫氣體。氟化氫氣體是一種強酸，對皮膚、眼睛和呼吸道有刺激作用，可能會導致燒傷、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境中呼吸，會導致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態，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，可能會與其他物質反應，產生火災或爆炸。
8.氙氣
氙氣（Xe）是一種穩定的、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境中呼吸，會導致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態，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，可能會與其他物質反應，產生火災或爆炸。
9.氪氣
氪氣（Kr）是一種穩定的、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境中呼吸，會導致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態，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，可能會與其他物質反應，產生火災或爆炸。
半導體行業危險氣體檢測方案
半導體行業在生產、制造、工藝等方面會涉及產生易燃易爆、有毒有害性的氣體。作為半導體制造工廠氣體的使用者，每一位工作人員都應該在使用前對各種危險氣體的安全數據加以了解，并且應該知道如何應對這些氣體外泄時的緊急處理程序。
在半導體行業生產、制造及儲存等過程中，為了避免這些危險氣體的泄露導致的生命財產損失，需要安裝氣體檢測儀器，來對目標氣體進行檢測。
氣體檢測儀在現今半導體工業已成為必備的環境監控儀器，也是最為直接的監測工具。
理研計器一直關注半導體制造行業的安全發展，以為人們營造安全的工作環境為使命，潛心開發適用于半導體行業的氣體傳感器，針對用戶遇到的各種問題，提供合理的解決方案，不斷升級產品功能，優化系統。
6月29日-7月01日，上海新國際博覽中心舉辦的“SEMICON China 2023上海國際半導體展覽會”，理研計器將在E7423展位為大家帶來新產品新方案，屆時將更好地為半導體工廠氣體安全作出貢獻。
上海新國際博覽中心E7423展位號，
非常歡迎大家來到展位現場參觀和洽談，
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結語
半導體制造業被美國Factory Mutual System(FMS)列為”極高風險”的行業。主要是因為它在制程中要使用到極高毒性，腐蝕性及易燃性氣體，氣體檢測系統一直是半導體芯片廠廠務各系統中最重要環節之一，設計上的優劣會直接影響到整個廠的安全，同時作為使用儀器的工廠安全人員也應該具備氣體檢測的安全意識。
安全生產是關系人民群眾生命財產安全的大事，是經濟社會協調發展的標志。在生產過程中，通過安裝氣體檢測報警裝置，時刻檢測有毒有害氣體泄漏濃度，將風險隱患控制在源頭。
理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器。未來，我們仍將不斷開發新產品、研發各項新功能，使得氣體檢測儀在應用上更先進、更適合日新月異的市場環境，致力于為用戶提供一個可靠、準確、安全的氣體檢測方案。
理研計器必將在未來氣體產業的生命安全畫卷中，添上濃墨重彩的一筆，守護人們的幸福生活，為生產和生活不斷創造新價值！為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統。