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Explicação detalhada da fabricação de chips. Tecnologia de fotolitografia e processo básico. Notas de estudo 4
1. Introdução
Para fazer um chip, você deve primeiro ter luz. Como o ser humano usa luz etérea e invisível para esculpir uma lasca extremamente delicada. Por que a litografia é a base de todos os processos no processo de fabricação de chips. Quanto ao processo de litografia na fab, quais são as etapas específicas?
2. Fotolitografia
Litografia : Gravação com luz.
Por que luz?
Resposta: Porque é rápido. Para uma fábrica de chips 24 horas por dia, tempo é dinheiro e a velocidade determina a produção. No universo em que vivemos, a luz é o limite da velocidade.
Então, como aproveitamos a luz para esculpir lascas?
Resposta: Através da fotomáscara (MASK) , máquina de fotolitografia e fotorresistente .
(1). Fotomáscara
Photomask : É a planta do chip, uma placa de vidro de proteção contra luz gravada com o layout do circuito integrado.
(2). Máquina de fotolitografia
Máquina de litografia : como uma impressora em nanoescala, ela projeta o padrão da fotomáscara na bolacha de silício emitindo luz.
(3). Fotorresistente
Fotorresiste : É um colóide que transforma luz e sombra em realidade, podendo ser dividido em resiste positivo e negativo.
Cola positiva: É um material que morre ao ver a luz, é forte no escuro, mas vai enfraquecendo enquanto for irradiado por luz de um determinado comprimento de onda. E então pode ser dissolvido e removido.
Cola negativa: exatamente o oposto.
Aproveitando a fotossensibilidade do fotorresistente, podemos usar a luz para gravar os chips.
(4). Escavação de túneis
Por exemplo, se quisermos fazer um chip de memória de trincheira (DRAM), temos que cavar milhares de trincheiras (Trench) em um chip plano para fazer uma matriz de capacitor.
Então, como cavar um túnel para o chip?
4.1 Resistir
Resistir : Aplique secretamente uma camada de fotorresistente ao wafer de silício.
4.2 Fina camada de resistência
Fina camada de resist: aplique uma camada fina
4.3 Máscara padronizada
Máscara padronizada : Em seguida, ilumine a fotomáscara para exposição
, permitindo que a luz passe pelos poços projetados na fotomáscara
4.4 Reação química
A parte do colóide que é irradiada torna-se fraca e é lavada pelo solvente
4.5 Desenvolvimento
O fotorresistente firme remanescente forma uma película protetora.
4.6 Solvente orgânico
Solvente orgânico : solvente orgânico, por meio de um solvente que pode corroer o silício, decapagem uma camada da área do poço que não é protegida pelo fotorresistente e, finalmente, remova a película protetora do fotorresistente.
4.7 Gravura
Gravura :
Desta forma, podemos concluir a escultura precisa de um grande número de poços profundos ao mesmo tempo. Após esse tipo de gravação, a gravação subtrativa da orientação da pastilha de silício é chamada de gravação.
4.8 Depoimento
Deposição : Deposição, ao contrário da subtração da orientação de gravação, a deposição é um processo de adição de orientação a pastilhas de silício.
Técnica de Levantamento
Técnica de levantamento : Técnica de levantamento
Além disso, também podemos fazer aditivos no wafer de silício para fazer poços, como passar por gases químicos para crescer uniformemente uma camada de material no wafer de silício. Neste momento, a espessura das partes não protegidas pelo fotorresistente aumentará, e as substâncias que crescem na película protetora do fotorresistente serão limpas juntamente com a posterior remoção do colóide, o que significa que a espessura permanece inalterada.
Este tipo de adição direcional é deposição (deposição)
3. Litografia em sentido estrito
No sentido estrito , a fotolitografia não grava pastilhas de silício, mas a camada de fotorresistente nas pastilhas de silício.
4. Implantação de íons
O fotorresiste gravado é usado como um projeto e, em seguida, combinado com a próxima etapa de corrosão ou deposição. Para gravar e processar o wafer de silício, além disso, para dar características elétricas ao silício semicondutor, também precisamos fazer implantação de íons em áreas específicas. Por esta razão, a fotolitografia deve ser realizada primeiro, e as áreas onde os íons não querem ser implantados são protegidas com um filme fotorresistente.
Cinco, o status da litografia
Justamente porque quase todas as gravuras, deposições e implantações de íons requerem fotolitografia como pré-requisito , a fotolitografia é a base de todos os processos de fabricação de chips . Muitas vezes ocupa quase metade das horas de trabalho de todo o processo. e 1/3 do custo.
6. Processo detalhado de litografia
Em resumo, o processo de fotolitografia é:
revestimento-exposição-lavagem
Em detalhes, são oito etapas e três tempos de cozimento
1. Limpeza e tratamento de superfície wafer clean e vapor prime
Limpeza de wafer de silício e pré-tratamento de superfície (limpeza com água deionizada e úmida), os requisitos de limpeza da litografia excedem em muito a sala de cirurgia de última geração.
Portanto, antes da fotolitografia, o chip deve ser banhado, limpo primeiro com água e depois limpo com água deionizada. Para remover poluentes adsorvidos na superfície de pastilhas de silício. Resíduos do processo anterior e impurezas como íons metálicos no solvente.
Depois disso, um gás chamado hexametildissilazano, conhecido como HMDS, é introduzido. Após a fumigação do gás, a superfície da pastilha de silício será totalmente desidratada, pois o grupo hidroxila hidrofílico da superfície é substituído por um grupo hidrofóbico, de modo que a pastilha de silício irá Ele pode aderir melhor ao fotorresistente, portanto, essa etapa também é chamada de tratamento de aprimoramento de adesão .
2. Revestimento giratório
Solte o fotorresiste no centro do wafer de silício, deixe o wafer de silício girar primeiro em alta velocidade, espalhe o colóide e depois gire em uma velocidade mais lenta para estabilizar a espessura do colóide. Nesse processo, a maior parte do fotorresiste será jogada fora e desperdiçada, deixando apenas uma camada uniforme de colóide, o que equivale a colar um filme sobre a pastilha de silício.
Todos nós sabemos que a colagem do filme tem medo de bolhas de ar, então o controle de velocidade e o tamanho da exaustão da máquina de colagem são muito particulares, porque uma vez que as bolhas de ar são geradas no fotorresiste, isso afetará o processo subsequente. Causa problemas como overetching.
Outro problema é que a produção de wafers de silício requer retificação (chanfragem), e o fotorresiste é fácil de acumular na borda devido à força centrífuga durante o revestimento giratório. exposição da pastilha de silício na máquina de litografia. Portanto, após a conclusão do revestimento de cola, é necessária a remoção do cordão de borda: ou seja, borrife solvente na borda do wafer de silício para remover o fotorresistente ao redor da borda.
3. Leve ao forno
Após a colagem, o wafer de silicone deve ser cozido antes da exposição.
Nesta etapa, o braço robótico retirará o wafer de silício e o assará em um forno ou chapa quente para reduzir o teor de solvente no fotorresiste. Torná-lo mais espesso e mais forte, e melhorar a estabilidade de adesão ao wafer de silício. Geralmente, a temperatura de pré-cozimento é de apenas cerca de 100 graus e é "cozido" por um minuto. O fotorresistente não é resistente a altas temperaturas .
4. Alinhamento e exposição alinhamento e exposição
Após a conclusão do pré-cozimento, a máquina de fotolitografia é colocada em campo para expor o wafer de silício.
Principalmente as seguintes coisas aconteceram:
1. A fotomáscara, o grupo de lentes (Zeiss) e o estágio wafer são precisamente alinhados e nivelados.
2. A fonte de luz emite luz ultravioleta extrema (EUV) conduzida por um laser de 40kW
3. Mova a mesa da peça de trabalho para expor os wafers de silício de maneira ordenada
Esses três processos custam 1 bilhão de yuans.
5. cozimento pós-exposição
Abreviado como PEB.
O objetivo desta etapa é completar totalmente a reação fotoquímica no fotorresiste por meio de aquecimento, o que pode compensar o problema de intensidade de exposição insuficiente e, ao mesmo tempo, reduzir o círculo de linhas causado pelo efeito de onda estacionária após o fotorresiste ser desenvolvido.
6. Revelar e enxaguar Revelar e enxaguar
Após o pós-cozimento, a parte previamente exposta é dissolvida e removida, e o padrão da fotomáscara é reproduzido no fotorresiste.
A prática usual é primeiro molhar o wafer de silício com água deionizada e, em seguida, borrifar o revelador (uma solução aquosa de hidróxido de tetrametilamônio uniformemente na superfície do fotorresistente) para dissolver totalmente a parte exposta na fotolitografia. , e finalmente enxaguar com água desionizada. Se for um processo abaixo de 45nm, porque o tamanho é muito pequeno, a área de superfície específica do resíduo dissolvido é muito grande, a adesão é forte e não pode ser sacudida ou lavada, por isso é necessário pulverizar nitrogênio para soprá-los.
7. Assar duro
Torna a película protetora mais forte e mais resistente à corrosão. Desta forma, o teor de solvente no fotorresiste é reduzido e o excesso de umidade é impedido de afetar a corrosão úmida subseqüente.
8. Inspeção de detecção de medição
Finalmente, um instrumento é usado para medir a espessura do filme do fotorresiste. Um microscópio eletrônico ou mesmo um microscópio de força atômica é geralmente usado. A resolução do fotorresiste deve atender ao padrão para garantir que a corrosão, deposição ou implantação de íons com base neste projeto possa ser realizada sem problemas.
7. Equipamento de fotolitografia
Máquina orbital integrada de colagem, cozimento e revelação
É usada em conjunto com uma máquina de fotolitografia para fornecer wafers de silício com serviços de fotolitografia completos além da exposição. O preço não é caro, apenas 1/20 da máquina de litografia.
Atualmente, é basicamente monopolizado pela SCREEN do Japão e pela Tokyo Electronics (TEL, respondendo por 90% do mercado).
Como um importante fornecedor de equipamentos para fabricação de chips, a Tokyo Electronics é muito menos conhecida do que a ASML sob os holofotes. Mas na indústria, isso importa. O equipamento está envolvido em vários processos de fabricação, como fotorresistente, limpeza, deposição e ataque a seco. Especialmente no atual processo EUV de última geração. A máquina de fotolitografia só pode ser feita pela ASML, e o revestimento fotorresistente só pode ser feito pela Tokyo Electron.
Atualmente, apenas Xinyuanwei em Shenyang tem a capacidade de substituir a máquina tudo-em-um orbital de colagem-cozimento-desenvolvimento . Atualmente, a participação de mercado é de apenas cerca de 4% e só pode ser usada no processo acima de 28 nm. Mas poder quebrar o monopólio dos fabricantes japoneses e realizar a transformação de 0 para 1 é de grande importância para nós disputarmos o direito de falar em tecnologia e aumentar a moeda de troca nas negociações.