книги из ГПНТБ / Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие

60

Чистота производственных помещений. К производственным помещениям, в которых изготавливают полупроводниковые прибо­ ры и интегральные схемы, предъявляют строгие требования в отно­ шении их чистоты. В зависимости от размеров пылевых частиц и их количества в воздухе производственные комнаты и пылезащитные камеры подразделяют на три класса чистоты. Максимальные коли­ чества частиц размером 0,5 и 5 мкм в 1 л воздуха не должно пре­ вышать соответственно: 1-й класс — 3500 и 25, 2-й класс — 300 и 3, 3-й класс — 4 и 0.

При проведении химической обработки пластин рекомендуются комнаты 2-го класса, финишной химической обработки и гальвани­ ческих покрытий пластин — комнаты 3-го класса. Для других тех­ нологических операций рекомендуются: 1-й класс —для резки слит­ ков, исследования физических свойств и надежности; 2-й класс — для шлифовки и полировки пластин, изготовления оригиналов фо­ тошаблонов, сборки и измерения; 3-й класс — для фотолитографии, изготовления фотошаблонов, эпитаксии, диффузии, напыления тон­ ких пленок.

По характеру воздушного потока, циркулирующего в помеще­ нии, чистые комнаты подразделяют на комнаты с ламинарным и с неламинарным потоками. В комнаты с ламинарным потоком через всю площадь потолка или стены подается очищенный кондициони­ рованный воздух, отводящийся через соответствующие площади пола или противоположную стену. В комнатах с неламинарным по­ током очищенный кондиционированный воздух подается через воз­ духораспределительное устройство в потолке, а отводится через устройство, расположенное в полу или на небольшой высоте в сте­ нах. Скорость протока воздуха лежит в пределах 0,2—0,5 м/сек.

Пылезащитные камеры (скафандры) также бывают с ламинар­ ным и неламинарным потоками. В зависимости от характера вы­ полняемой работы в камере устанавливают избыточное давление при работах, не связанных с вредными веществами, и пониженное при наличии вредных веществ.

В чистых комнатах работающему персоналу необходимо соблю­ дать ряд требований по поддержанию чистоты, например, не раз­ решается проводить производственную гимнастику, пользоваться карандашом и ластиком, применять косметику, принимать пищу.

Рабочее место. Все химические операции осуществляют в вы­ тяжных шкафах с местной вытяжной вентиляцией. Стол, сливная раковина и водяные краны этих шкафов обычно изготовлены из винипласта, а стенки — из прозрачного плексигласа. К шкафу под­ водят холодную и горячую воду, электропитание для нагреватель­ ных плиток с закрытыми спиралями и других электроприборов, на­ пример, гальванических ванн.

Для травления, промывки и осаждения гальванических покры­ тий используют посуду из фторопласта, кварца, платины, винипла­ ста, плексигласа и термостойкого стекла. Оператор, ведущий хи­ мическую обработку, работает обязательно в резиновых перчат­ ках. Пластины полупроводника загружают в приспособления для

61

травления и промывки пинцетами с фторопластовыми наконечни­ ками. В шкафах хранится дневной запас кислот, щелочей, раство­ рителей или электролитов. Деионизованную воду либо подводят непосредственно в шкаф, либо подносят в канистрах из полиэти­ лена для непосредственного употребления в течение смены. Для хранения воды стеклянная и кварцевая посуда непригодна, так как в воду переходят щелочные ионы натрия и калия. Нельзя так­ же длительное время держать воду на воздухе, потому что она поглощает углекислый газ и загрязняется.

Основные требования техники безопасности. На химических участках сосредоточиваются агрессивные и ядовитые вещества: ки­ слоты, щелочи, растворители, цианистые соединения и т. п., поэто­ му необходимо помнить о технике безопасности и мерах оказания первой помощи.

К и с л о т ы . Используются азотная, плавиковая, соляная и сер­ ная кислоты. При составлении растворов не следует забывать, что заливают кислоту в воду, а не наоборот, во избежание расплески­ вания кислоты. При попадании кислоты на кожу пораженное ме­ сто нужно немедленно промыть обильной струей воды, затем ней­ трализовать раствором двууглекислой соды. При ожоге плавико­ вой кислотой после промывки нейтрализацию осуществляют раствором нашатырного спирта или 10%-ным раствором углекис­ лого аммония.

Пролитую кислоту засыпают песком, собирают и выбрасывают или нейтрализуют водой. Концентрированная азотная кислота, яв­ ляясь сильным окислителем, огнеопасна.

Ще л о ч и : едкий натр и едкое кали. Щелочи разъедают кожу и вызывают ожоги. Если щелочь попала в глаза, то их промывают

жидкость, невоспламеняющаяся, с характерным сладковатым за­ пахом. Пораженный участок кожи необходимо обмыть спиртом.

Дихлорэтан — бесцветная жидкость со сладковатым запахом. Ядовит, вызывает общее отравление и местное поражение кожи. Большая концентрация дихлорэтана вызывает тяжелые отравле­ ния как наркотическое средство и воздействует на печень. Предель­ но допустимое содержание паров дихлорэтана в воздухе 0,05 мг/л. При попадании дихлорэтана на кожу пораженное место необходи­ мо промыть водой; увлажненную одежду — сменить.

сильные яды. Вдыхание цианистого водорода, являющегося про­ дуктом разложения цианидов, особенно опасно. Предельно допу-

62

стимая концентрация цианистого водорода в воздухе 0,0003 мг/л. Признаки легкого отравления цианидами — головная боль, тош­ нота, сердцебиение. При тяжелых отравлениях начинаются судо­ роги и человек теряет сознание. В случае отравления пострадав­ шего необходимо вынести на свежий воздух, ввести ему внутрь 30—40 см3 3%-ного водного раствора перекиси водорода или дать

вдыхать нашатырный спирт.

Все нейтрализующие вещества должны находиться рядом с ра­ бочим местом.

§ 2.6. Получение деионизованной воды

При составлении травителей, электролитов и отмывке полупро­ водниковых пластин и кристаллов используют деионизованную во­ ду. Если в воде присутствуют примеси, то они адсорбируются по­ лупроводником, что ведет к ухудшению электрических характери­ стик, стабильности параметров и надежности приборов.

В табл. 2.5 приведены данные о поверхностной плотности ато­ мов некоторых элементов, адсорбирующихся германиевыми и крем­ ниевыми пластинами после обработки в пергидроле, растворе ед­ кого кали и смеси азотной и плавиковой кислот, содержащих до­ бавки этих элементов. Промывка пластин в дистиллированной воде практически не уменьшает количество адсорбированных атомов, а иногда даже увеличивает его (табл. 2.6). Поэтому промывочную воду подвергают тщательной очистке — деионизации.

Удаление неорганических примесей. Деионизованную воду, ис­ пользуемую в полупроводниковом производстве, обозначают двумя марками. Для получения воды марки Б вода должна пройти пред­ варительную очистку дистилляцией и иметь удельное сопротивле­ ние не ниже 0,1 Мом-см. Для получения воды марки А предвари­

Для удаления неорганических примесей используют ионообмен­ ные смолы. Все неорганические примеси находятся в воде в виде ионов — катионов Fe2+, Cu+2, Na+ или анионов N 0^, СИ, SO;- и др. Существуют два типа смол: катиониты, связывающие катио­ ны, и аниониты, связывающие анионы. Их условные обозначения имеют вид: R—Н и R —ОН соответственно, где R — органический радикал. Смолы гранулированы в шарики размером 3—5 мм. Пер­ воначально вода поступает в колонку с катионнтовой смолой, где происходит связывание положительно заряженных ионов М+ путем замещения ими протонов, входящих в состав смолы:

63

( Я - Н Н - М + - Ч Я - М ) + Н+.

Затем вода поступает во вторую колонку, где происходит свя­ зывание отрицательно заряженных ионов И- путем замещения ими гидроксильной группы, входящей в состав анионита. Для двухва­ лентных ионов:

Протоны и гидроксильные радикалы соединяются в молекулу воды:

Н+ + ОН~-> Н20.

64

Измерение удельного сопротивления воды. О чистоте воды су­ дят по величине ее удельного сопротивления, которое в значитель­ ной степени зависит от температуры. Собственное сопротивление воды при температуре 20°С составляет 24 Мом-см. На рис. 2.10

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ФОТОЛИТОГРАФИЯ

§ 3.1. Основные сведения о фотолитографии

Фотолитографию широко используют в технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем; ее применяют для нанесения на поверхность обрабатываемой полупроводниковой пластины одновременно большого числа одинаковых рисунков за­ данных конфигураций элементов.

Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем. На поверхность специально обработанной пластины кремния нано­ сят тонкий слой фоточувствительного лака — фоторезиста. После подсушки на пластину помещают фотошаблон — стеклянную фото­ пластинку с предварительно нанесенным на ней рисунком, кото­ рый необходимо «перевести» на пластину. Освещение пластины с фоторезистом через фотошаблон приводит к задубливанию откры­ тых участков фоторезиста; остальная часть фоторезиста легко смы­ вается в соответствующих растворителях. Через образовавшиеся в фоторезисте окна производят химическую обработку (травление) незащищенных участков поверхности пластины полупроводника или пленок (диэлектрических, металлических, полупроводниковых), на­ несенных на нее. Так осуществляют перенесение рисунка с фото­ шаблона на поверхность пластины, причем использование лишь фотографических и химических процессов обеспечивает возмож­ ность групповой обработки.

Результаты и возможность фотолитографической обработки на­ ходятся в прямой зависимости от свойств фоторезистов, качества используемых фотошаблонов, степени отработанности всех техно­ логических операций, характеристик используемого оборудования.

§ 3.2. Фоторезисты

Ф о т о р е з и с т а м и называют светочувствительные вещества, устойчивые к воздействию кислотных и щелочных травителей.

Назначение фоторезистов заключается в образовании на по­ верхности полупроводниковой пластины тонкой защитной пленки нужной конфигурации, получающейся в результате светового воз­ действия на отдельные участки пленки. После проявления пленки фоторезиста часть ее (нужного рисунка) остается на поверхности полупроводниковой пластины и служит маской при последующих технологических процессах.

67

По способу образования рисунка на поверхности полупроводни­ ковой пластины фоторезисты подразделяют на две основные груп­ пы: негативные и позитивные.

Негативные фоторезисты под действием света образуют нера­ створимые участки рисунка на поверхности пластины и после про­ явления остаются на ее поверхности. Рисунок фоторезиста на по­ верхности пластины представляет собой негативное изображение оригинала (фотошаблона).

Позитивные фоторезисты, наоборот, под действием света обра­ зуют растворимые участки, в этом случае рисунок оригинала в точ­ ности повторяется на поверхности пластины.

В качестве негативного фоторезиста в полупроводниковой тех­ нологии применяют состав на основе сложного эфира поливинило­ вого спирта и коричной кислоты — поливинилциннамат (ПВЦ). Максимальная светочувствительность фоторезиста ПВЦ лежит в ультрафиолетовой области спектра. Готовый фоторезист ПВЦ представляет собой порошок белого или желтоватого цвета, раст­ воряющийся в органических составах — растворах толуола с хлор­ бензолом, ацетата метиленгликоля с метаксилолом.

Кислостойкость слоев фоторезиста ПВЦ по отношению к при­ меняемым в полупроводниковой технологии травителям на основе плавиковой и азотной кислот не очень высока. Так, например, на кремнии с защитным слоем фоторезиста толщиной 0,5 мкм удается вытравить рельеф на глубину не более 10 мкм, а на германии — 40 мкм. Наибольшее применение фоторезист ПВЦ находит в пла­ нарной технологии для защиты двуокиси кремния от травителя, состоящего из плавиковой кислоты, фтористого аммония и воды.

Фоторезист ФН-11 — раствор циклокаучука, фотосшивающего агента и смеси ксилола с толуолом; применяют его в процессах фотолитографии металлов: меди, стали, хрома, анодированного алюминия. В качестве фотосшивающего агента используют 2 ,6 -бис-(4 азидобензаль)-4 метилциклогексанона. По внешнему виду фоторезист ФН-11 представляет собой прозрачную жидкость светлокоричневого цвета. Вязкость его равна 7—9 сст. Разрешающая способность фоторезиста при

я содержит в качестве светочувствительной добавки 2,6-ди-(4 азидобензаль)-4

ола и 28,2 вес. % п-ксилола. Фоторезист ФН-103 является негативным и приме­ няется при фотолитографических процессах изготовления пленочных микросхем, твердых монолитных интегральных схем, печатных плат, масок, а также в каче­

фоторезиста от 11 до 15 сст. Показатель преломления 1,5. Плотность фоторези­ ста 0,85—0,89 г/см3. Разрешающая способность при толщине пленки фоторезиста

1,5 мкм равна 50 лин/мм.

В качестве позитивного фоторезиста используют состав, состоя­ щий из 1,2-нафтохинондиазида (2)-5-сульфоэфира новолака с раз­ личными полимерами. Растворителями служат спирты, кетоны, аро­

68

матические углеводороды, диоксан, ксилол. Нередко используют смеси из нескольких растворителей с различными значениями уп­ ругости паров. Это в значительной мере улучшает процесс пленкообразования, снижает количество пор и напряжение в пленке. Уль­ трафиолетовое поглощение фоторезистов на основе нафтохинондиазидов (НХДА) по сравнению с фоторезистом ПВЦ несколько сдви­ нуто в сторону длинных волн.

Позитивные фоторезисты ФП-330 и ФП-383 представляют собой растворы светочувствительных продуктов и новолачной смолы в диоксане. Применяют их в качестве светочувствительных материалов при изготовлении полупроводнико­ вых приборов и тонкопленочных интегральных схем. Внешний вид позитивных фоторезистов — вязкая прозрачная жидкость оранжевого цвета. Вязкость кинема­ тическая равна 5,9±0,5 ест. Разрешающая способность 400 лин/мм. Кислотолроницаемость пленки фоторезиста толщиной 1 мкм характеризуется плотностью дефектов двуокиси кремния. Для фоторезиста ФП-330 она составляет 0,75 мм-2,

Основой позитивных фоторезистов являются светочувствительные продукты № 330 и № 383.

Светочувствительный продукт № 330 состоит из эфира 1,2-нафтохинондиа-

и бензоле. Его используют для изготовления позитивного фоторезиста ФП-330. Светочувствительный продукт N° 383 состоит из эфира 1,2-нафтохинондиа- зид-(2)-5-сульфокислоты и бромированной новолачной смолы № 18. Этот про­ дукт растворим в диоксане, диметилформамиде; плохо растворим в ацетоне, этилацетате, нерастворим в воде, этиловом спирте, толуоле. Его используют для

изготовления позитивного фоторезиста ФП-383.

Светочувствительные продукты представляют собой порошок желтого цвета. Они содержат до 5% азота, 0,5% влаги и 1,5% нерастворимых примесей.

Для определения применимости фоторезистов в технологии из­ готовления полупроводниковых приборов используют три основных критерия: чувствительность, разрешающую способность и кислотостойкость.

Критерием чувствительности для негативных фоторезистов яв­ ляется образование после экспонирования и проявления локальных участков задубленных или полимеризованных областей пленки; для позитивных фоторезистов — полнота разрушенного локального уча­ стка пленки. Таким образом, критерием чувствительности служит четкость изображения, полученного в пленке фоторезиста после эк­ спонирования и проявления. Для получения четкого изображения необходимо, чтобы пленка фоторезиста имела резко очерченную границу между областями вымытого и оставшегося на поверхности пластины фоторезиста.

Существует зависимость между толщиной пленки фоторезиста и экспозицией. При малых экспозициях (недодержках) пленка фо­ торезиста коробится и ее свойства ухудшаются. При больших эк­ спозициях (передержках) качество края изображения ухудшается за счет рассеяния света на границах непрозрачных участков фото­ шаблона.

Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены (без

69