Производство микросхем — это многоступенчатый процесс, который представляет собой строго регламентированную последовательность высокоточных операций. Производственный процесс состоит из этапов, на каждом из которых активно используются специальные газы.
Схема предприятия микроэлектроники
1. Подготовка поверхности
Процесс изготовления микросхем начинается с выращивания монокристаллов и нарезки кристалла на монокристаллические слаболегированные пластины. Пластины подвергаются очистке поверхности с целью удаления дефектов. Дефектом считается любое нарушение структуры материала, способное привести к сбою работы микросхемы:
- микротрещины;
- дислокации в кристаллической решётке;
- посторонние включения и загрязнения;
- царапины;
- разрывы или короткие замыкания в проводящих слоях и т. д.
Для очистки подложек применяются водные растворы кислот и щелочей, а также органические растворители, такие как спирты, кетоны и хлорированные углеводороды (таблица 1).
Таблица 1. Вещества, применяемые в процессах подготовки поверхности
| Процесс | Описание | Вещества |
|---|---|---|
| Кислотная очистка | Кислоты обеспечивают удаление окислов, металлических примесей и органических загрязнений, превращая их в водорастворимые соединения. |
Серная кислота (H₂SO₄) — основа пранди-смеси (H₂SO₄ + H₂O₂), удаляет органику и окислы Соляная кислота (HCl) — удаление щелочных и щелочноземельных металлов Плавиковая кислота (HF) — травление оксида кремния, удаление природных окислов Азотная кислота (HNO₃) — окислительная очистка, удаление металлических примесей Фосфорная кислота (H₃PO₄) — селективное травление алюминия и его сплавов |
| Щелочная очистка | Щелочи эффективно удаляют жировые загрязнения, фоторезисты и органические плёнки путём омыления. |
Гидроксид аммония (NH₄OH) — компонент, удаляет органику и частицы. Гидроксид калия (KOH) — анизотропное травление кремния, удаление фоторезистов Гидроксид натрия (NaOH) — очистка от органических загрязнений Тетраметиламмония гидроксид (TMAH) — селективное травление кремния (альтернатива KOH) |
| Органические растворители | Органические растворители применяются для удаления фоторезистов, восков, жиров и других гидрофобных загрязнений. |
Изопропиловый спирт — сушка подложек после очистки (метод Марангони) Метанол, этанол — обезжиривание Ацетон — удаление фоторезистов Метилэтилкетон — очистка от полимерных плёнок Трихлорэтилен — обезжиривание Хлороформ — удаление органических загрязнений N-метилпирролидон (NMP) — удаления слоёв фоторезистов Диметилсульфоксид — удаление стойких полимеров |
2. Эпитаксиальное наращивание и легирование поверхности пластины
Для повышения концентрации легирующей примеси в приповерхностном слое исходной пластины методами ионной имплантации или диффузии вводят атомы примесей (бора для p типа или фосфора/мышьяка для n типа). В результате получают сильнолегированный слой (обозначается p⁺ или n⁺) с высокой проводимостью.
На сильнолегированный слой наращивают тонкий монокристаллический слой, происходит процесс эпитаксиального наращивания. Эпитаксиальное наращивание — формирование монокристаллических слоев с заданным типом и уровнем проводимости.
Основные методы эпитаксии:
- Жидкофазная эпитаксия - выращивание монокристаллического слоя из пересыщенного расплава, контактирующего с подложкой.
- Газофазная эпитаксия - осаждение материала из газовой фазы на нагретую подложку с разложением химических соединений.
- Молекулярно-лучевая эпитаксия - направленное осаждение атомов или молекул в сверхвысоком вакууме на нагретую подложку.
- Твердофазная эпитаксия - перекристаллизация аморфного слоя на монокристаллической подложке при изотермическом отжиге.
Выбор метода эпитаксии зависит от конкретных задач:
- массовое производство микросхем — газофазная эпитаксия;
- наноэлектроника и исследования — молекулярно-лучевая эпитаксия;
- слои соединений AIIIBV — жидкофазная эпитаксия;
- низкотемпературная интеграция — твердофазная эпитаксия.
Контроль веществ и параметров в рабочей зоне при проведении процессов эпитаксии важен для обеспечения:
- высокого качества кристаллической структуры;
- точного состава и легирования слоёв;
- однородности толщины и свойств по всей площади подложки;
- безопасности персонала и оборудования.
Основные технологические газы в процессе эпитаксии приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные технологические газы в процессе эпитаксии
| Вещество | Формула | Источник в процессе | Класс опасности |
|---|---|---|---|
| Арсин | AsH₃ | Эпитаксия арсенида галлия (GaAs), легирование n-типа (мышьяк) | 1 |
| Водород | H₂ | Газ-носитель, восстановитель | 4 |
| Герман | GeH₄ | Эпитаксия кремний-германия (SiGe) | 2 |
| Диборан | B₂H₆ | Легирование p-типа (бор) | 1 |
| Диоксид кремния (пыль) | SiO₂ | Побочный продукт реакций (аэрозоль/пыль) | 1 |
| Дихлорсилан | SiH₂Cl₂ | Эпитаксия кремния | 2 |
| Оксид углерода | CO | Неполное сгорание, работа нагревателей | 4 |
| Силан | SiH₄ | Эпитаксия кремния (CVD) | 2 |
| Тетрахлорид кремния | SiCl₄ | Эпитаксия кремния | 2 |
| Триметилалюминий | (CH)₃Al (TMAl) | Эпитаксия AlGaAs (MOCVD) | 1 |
| Триметилбор | (CH₃)₃B | Легирование p-типа (бор) | 2 |
| Триметилгаллий | (CH₃)₃Ga (TMGa) | Эпитаксия GaAs, GaN (MOCVD) | 1 |
| Триметилиндий | (CH₃)₃In (TMIn) | Эпитаксия InP, InGaAs (MOCVD) | 2 |
| Трихлорсилан | SiHCl₃ | Эпитаксия кремния | 2 |
| Триэтилгаллий | (C₂H₅)₃Ga (TEGa) | Эпитаксия GaAs (MOCVD) | 2 |
| Триэтилсурьма | (C₂H₅)₃Sb (TESb) | Эпитаксия GaSb (MOCVD) | 2 |
| Фосфин | PH₃ | Эпитаксия фосфида галлия (GaP), легирование | 1 |
| Фосфин | PH₃ | Легирование n-типа (фосфор), эпитаксия GaP | 1 |
| Хлор | Cl₂ | Очистка реакторов, травление | 2 |
| Хлороводород | HCl | Побочный продукт реакций с хлорсиланами, травление | 2 |
3. Термическое оксидирование
Термическое оксидирование используется для создания высококачественных затворных диэлектриков (например, диоксида кремния) на поверхности подложки.
Слой изолятора выполняет функции:
- Пассивация поверхности — компенсация оборванных связей, предотвращение увеличения поверхностных токов.
- Изоляция элементов схемы друг от друга.
- Маскирование при ионном легировании и диффузии — защита областей, где не требуется введение примесей.
- Подзатворный диэлектрик в МДП-структурах (металл-диэлектрик-полупроводник).
- Основа для межслойной изоляции в многослойных структурах.
Процесс происходит в специальных диффузионных печах, представляющих собой горизонтальные или вертикальные кварцевые трубы, помещённые в нагревательный блок. Подложки загружаются в печь в кварцевых кассетах, после чего температура плавно повышается до рабочего значения, которое обычно находится в диапазоне от 900 до 1200 °C. Нагрев и охлаждение проводятся в атмосфере инертного газа — как правило, азота или аргона — чтобы исключить нежелательное окисление на промежуточных стадиях. Перед началом основной реакции реактор обязательно продувается инертным газом для удаления остатков воздуха и влаги.
На изображении 1 приведена схема основных этапов термического оксидирования для выращивания слоя оксида кремния SiO₂
Рис. 1 Схема термического оксидирования
Термическое оксидирование имеет разновидности по типу окислительной атмосферы. Возможна подача чистого кислорода (сухое оксидирование), паров воды (влажное оксидирование) и кислорода с добавлением хлорсодержащего газа (хлорное оксидирование).
В процессе участвует широкий набор газов (таблица 3). Основными окислителями выступают кислород и водяной пар, а водород служит сырьём для получения пара методом прямого сжигания. Азот и аргон создают инертную атмосферу на стадиях загрузки, прогрева, продувки и охлаждения. Хлороводород, хлор, трихлорэтилен и трихлорэтан применяются как добавки в хлорном оксидировании. В качестве побочных продуктов образуются аэрозоль диоксида кремния, следы угарного и углекислого газов от разложения органических примесей, а также остаточный водород.
Таблица 3. Основные технологические газы в процессе оксидирования
| Вещество | Формула | Функция в процессе | Тип оксидирования |
|---|---|---|---|
| Азот | N₂ | Инертная среда, продувка, охлаждение | Все типы |
| Аргон | Ar | Инертная среда (альтернатива N₂) | Все типы |
| Водород | H₂ | Получение водяного пара | Влажное |
| Водяной пар | H₂O | Основной окислитель | Влажное |
| Диоксид кремния (пыль) | SiO₂ | Побочный продукт (аэрозоль/пыль) | Все типы |
| Диоксид углерода | CO₂ | Продукт разложения органических примесей | Все типы |
| Кислород | O₂ | Основной окислитель | Сухое |
| Оксид углерода | CO | Неполное сгорание органических примесей | Все типы |
| Трихлорэтан | C₂H₃Cl₃ (TCA) | Источник хлора (барботаж O₂) | Хлорное |
| Трихлорэтилен | C₂HCl₃ (TCE) | Источник хлора (барботаж O₂) | Хлорное |
| Хлор | Cl₂ | Альтернативный источник хлора | Хлорное |
| Хлороводород | HCl | Связывание щелочных металлов, повышение качества оксида | Хлорное |
4. Нанесение тонких пленок
За один технологический цикл на подложку может наноситься от нескольких десятков до сотен слоёв различных материалов: диэлектриков, полупроводников, металлов, барьерных и адгезионных прослоек. Методы нанесения делятся на химические (плёнка формируется в результате химической реакции) и физические (материал переносится на подложку без изменения химического состава).
Среди химических методов распространено химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ/CVD). газообразные прекурсоры подаются в реактор, где на нагретой поверхности подложки происходит химическая реакция с образованием твёрдой плёнки и газообразных побочных продуктов. Метод CVD в зависимости от условий процесса подразделяется на осаждение при атмосферном давлении (APCVD), при пониженном давлении (LPCVD), с использованием металлогенических прекурсоров (MOCVD) и другие.
Методы физического осаждения из паровой фазы обозначаются как PVD (Physical Vapor Deposition), в данном процессе. Материал переходит из конденсированной фазы в паровую (путём испарения или распыления), а затем конденсируется на подложке.
5. Фотолитография
Фотолитография - процесс переноса топологического рисунка на пластину. Операция включает нанесение светочувствительного полимера (фоторезиста), его экспонирование через фотошаблон с использованием ультрафиолетового излучения, а также последующее проявление. Данный этап определяет минимальные проектные нормы (разрешение) будущих микросхем.
6. Травление (селективное удаление материалов)
После формирования литографического маскирующего слоя производится удаление открытых участков материала. Сухое (плазменное) травление обеспечивает высокую анизотропию (направленность) и точность переноса размеров, что критично для современных наноразмерных топологий. Мокрое химическое травление применяется в случаях, когда требуется высокая селективность и изотропное удаление материала.
7. Легирование и термическая обработка
Для изменения электрических свойств полупроводника в заданных областях применяется легирование. Процесс позволяет с высочайшей точностью дозировать внедрение ионов примесей (бора, фосфора, мышьяка) Термический отжиг используется для активации внесенных примесей и стабилизации изделия.
8. Очистка поверхности
Между технологическими этапами проводятся процедуры очистки для удаления остатков фоторезиста, побочных продуктов травления и металлических загрязнений. Применяются методы плазменной очистки (ashing), влажной химической обработки (например, стандартные процедуры RCA) и сверхкритической сушки, предотвращающей слипание микроструктур (stiction).
9. Завершение обработки
Завершающий этап производственного цикла переводит технологические пластины в категорию готовых изделий. Производится разрезание пластин: механическое или лазерное разделение пластины на отдельные кристаллы (чипы), монтаж и разводка, герметизация и комплекс параметрических и функциональных проверок готовых микросхем на соответствие заявленным электрическим характеристикам, быстродействию и энергопотреблению в различных температурных режимах.
10. Газоснабжение
Это инфраструктурная зона, обеспечивающая производство специальными газами для всех технологических процессов. В таблице 4 приведена номенклатура специальных газов.
Таблица 4. Специальные газы микроэлектроники.
| Номер | Название | Формула | Примечание / синоним |
|---|---|---|---|
| 1 | Арсин | AsH₃ | тригидрид мышьяка |
| 2 | Бромоводород | HBr | — |
| 3 | Гексафторид вольфрама | WF₆ | фторид вольфрама(VI) |
| 4 | Гексафторэтан | C₂F₆ | перфторэтан |
| 5 | Гексафторбутен | C4F6 | |
| 6 | Диборан | B₂H₆ | — |
| 7 | Диазота оксид | N₂O | оксид азота(I), закись азота |
| 8 | Дисилан | Si₂H₆ | — |
| 9 | Дифторметан | CH₂F₂ | метилен фтористый |
| 10 | Дихлорсилан | SiH₂Cl₂ | — |
| 11 | Октафторциклобутан | C₄F₈ | перфторциклобутан |
| 12 | Серооксид углерода | COS | — |
| 13 | Селеноводород | H₂Se | гидрид селена |
| 14 | Тетрагидрид германия | GeH₄ | герман |
| 15 | Тетрафторид кремния | SiF₄ | тетрафторсилан |
| 16 | Тетрафторметан | CF₄ | хладон-14, фреон-14, R14 |
| 17 | Тетрахлорид кремния | SiCl₄ | хлорид кремния, тетрахлорсилан |
| 18 | Триметилсилан | (СН3) 3SiH | — |
| 19 | Трифторид азота | NF₃ | фторид азота(III) |
| 20 | Трифторид бора | BF₃ | фторид бора(III) |
| 21 | Трифторид хлора | ClF₃ | фторид хлора(III) |
| 22 | Трифторметан | CHF₃ | фтороформ, фреон 23, хладон 23 |
| 23 | Трихлорид бора | BCl₃ | хлорид бора(III), бор треххлористый |
| 24 | Фторметан | CH₃F | метилфторид |
Данные вещества целесообразно классифицировать по классу опасности (таблица 5) и химической природе.
Таблица 5
| Класс опасности | Характеристика | Формулы веществ |
|---|---|---|
| 1 класс | Экстремально токсичные вещества с гемолитическим и системным действием | AsH₃, H₂Se, GeH₄, B₂H₆ |
| 2 класс | Высокотоксичные коррозионно-раздражающие газы, образующие кислоты | WF₆, SiF₄, SiCl₄, BCl₃, BF₃, ClF₃, HBr, NF₃, COS |
| 3 класс | Умеренно токсичные соединения с нейротоксическим действием | CH₃F, (CH₃)₃SiH, Si₂H₆ |
| 4 класс | Малотоксичные химически инертные газы, асфиксианты | CF₄, C₂F₆, C₄F₈, CHF₃, CH₂F₂, N₂O |
I. Гидриды элементов IV–VI групп (экстремально токсичные соединения)
Данная группа представляет наибольшую опасность для персонала в силу выраженного гемолитического и системного действия. Соединения относятся к первому классу опасности (чрезвычайно опасные вещества) по ГОСТ 12.1.007.
II. Галогениды и галогенсодержащие соединения (коррозионно-раздражающие газы)
Токсичность данной группы обусловлена образованием кислот (плавиковой, соляной, бромистоводородной) при контакте с влагой слизистых оболочек и дыхательных путей. Большинство соединений относятся ко второму классу опасности (высокоопасные вещества).
III. Фторуглероды и фторпроизводные углеводородов (малотоксичные, асфиксианты)
Данные соединения отличаются химической инертность, однако представляют опасность как вещества, вызывающие удушье. Относятся преимущественно к четвёртому классу опасности (малоопасные вещества).
IV. Окислители и газы специального назначения
Требования к аналитическому оборудованию
Микроэлектронная промышленность предъявляет исключительно высокие требования к оборудованию, что обусловлено спецификой наноразмерных процессов и необходимостью обеспечения прецизионного контроля на всех этапах производства. Ввиду низкой распространённости аналитического оборудования, способного осуществлять достоверный контроль газовых сред в микроэлектронной промышленности, возникает необходимость в разработке и внедрении инженерных решений, адаптированных под конкретные технологические задачи и химический состав контролируемых сред.
Газоанализаторы ГАНК-4 для контроля воздуха рабочей зоны
Промышленные газоанализаторы, разработанные для нефтегазовой или химической отраслей, оказываются неэффективны в чистых комнатах и технических помещениях микроэлектронных фабрик. Концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны строго регламентированы нормативными актами и подлежат обязательному контролю с помощью газоанализаторов.
Газоанализаторы ГАНК-4 воспроизводят функциональные возможности зарубежных аналогов Honeywell (MIDAS), RIKEN KEIKI (GD-70D) и Gastron (GTD-5000/5200).
1. Широкий спектр измеряемых веществ
Главное преимущество ГАНК-4 — способность измерять более 380 веществ, включая сложные для определения соединения. Измерения осуществляются по аттестованными методиками выполнения измерений (МВИ)
2. Выбор метода отбора пробы
Стационарные газоанализаторы оснащены встроенным насосом для принудительного отбора пробы. Это важное преимущество для производств со сложной аэродинамикой помещений (например, чистых комнат или технических подэтажей). Принудительный отбор минимизирует время отклика системы и исключает образование «застойных зон», обеспечивая мгновенное выявление утечек. По запросу заказчику отбор пробы может осуществляться диффузионным способом.
3. Интеграция в АСУ ТП и автоматизация
Газоанализаторы предназначены для непрерывного автоматического контроля и легко встраиваются в любые распределенные системы управления. Они оснащены:
- аналоговыми выходами 4–20 мА;
- цифровым интерфейсом Modbus RTU;
- встроенной светозвуковой сигнализацией и настраиваемыми порогами срабатывания.
Газоанализаторы могут передавать данные на системы верхнего уровня и напрямую управлять внешними исполнительными устройствами.
4. Прямое соответствие нормативной базе РФ
В отличие от многих зарубежных аналогов ГАНК-4 спроектирован под российские требования. Газоанализаторы выдают показания в требуемых единицах мг/м³ и автоматически сигнализируют о превышении ПДК. Все модели серии внесены в Государственный реестр средств измерений РФ, что снимает любые вопросы при прохождении проверок надзорных органов. Обслуживание, калибровка и замена сенсоров также выполняются непосредственно на заводе-изготовителе в России, что гарантирует бесперебойную работу и отсутствие проблем с логистикой запчастей.
