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控制半导体制造中HMDS使用的最佳方法

半导体是电子制造中最吸引人的领域之一。“成长”的能力几乎不能简化地小硅晶片上的集成电路元件使得难以置信的微细化成为可能。这种理论一直认为,随着芯片变得越来越小,它们的处理能力和速度将会提高。这在过去的半个世纪里一直是正确的,即使这个公理正在经历一些有趣的成长烦恼在美国,它的长寿部分要归功于光刻技术。

在硅晶片上蚀刻集成电路(IC)内部的复杂图案时,半导体的制造要求最高的精度。整个半导体制造过程是广泛的、非常复杂的,需要创建几个专业领域,以便高技能的技术人员在过程的特定方面磨炼。

这个过程从硅锭的配方开始,硅锭被切成极薄的、高度抛光的晶圆,厚度约为1/40英寸,直径通常为6-12英寸。通过一系列的抛光、化学蚀刻、加热和冲洗等步骤制备了用于光刻的硅片。这些材料用于清除硅中的微粒、水分和有机杂质,这些杂质可能会妨碍晶圆与光刻胶的结合,而光刻胶对光刻工艺至关重要。

使抗蚀剂适当地粘附是半导体制造过程的关键方面。所有后续加工,如湿化学蚀刻,干蚀刻,电镀,严重依赖于抗蚀剂从晶片上剥离。如果在任何时候都有抗蚀剂剥离,损坏可能是非常昂贵的。

尽管制造微型晶体管的成本仅为一美分,但原材料和更大程度上的加工设备的成本却很高非常昂贵的

成品微芯片可以花费数百或数千美元的消费者,但如果建造数十或数百个芯片所需的晶片有一个问题,那么它的基础层的一个问题 - 这是排水管的相当大量的钱。

控制半导体寿命中的这个早期阶段涉及确保晶片清洁并且不含丝毫的化学污染。通过漂洗和表面操作技术,例如上面提到的技术以及使用粘合促进剂,晶片表面的粘合性被突出,并且可以通过正确的过程控制可靠地重复。

附着力是光刻技术的重要组成部分

在晶片上创建复杂的特征通常需要使用称为光刻的多步骤过程,一种印刷方法,其中采用UV光将图案传递到光敏表面上。然而,硅本身不是光敏,因此称为光致抗蚀剂的材料被施加到硅的表面上。光致抗蚀剂膜的施加需要在光敏涂层和硅衬底之间具有强粘合。

在上述步骤中,由于污染物的引入或没有充分去除,有许多方法会破坏抗蚀剂的粘附性。

例如,在切片阶段期间,由金刚石锯切割成硅锭而引起的颗粒以适当的厚度。由于晶片使用丙酮,异丙醇,二水和其他清洗剂和其他清洁剂如丙酮,异丙醇,DI水和其他清洁剂清洗,所以漂洗液体可能不适合施用,或者DI水可能不像希望那样纯净。

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表面也必须尽可能不受湿气的影响,所以烤了热清洗常用于中和许多污染物和氧化物。当晶圆的表面是相当亲水的(亲水),因此可以相对容易地氧化。阻垢剂要求晶圆片具有更疏水(拒水)的表面,以便正确地粘附。烘烤过程打破了氧化晶片表面的氢氧键,增加了表面的疏水性。

在半导体制造中使用附着力促进剂

清洁晶片的目的是将表面达到其最纯净的状态;基本上,在表面上的分子仅是那些属于晶片材料的分子,并且在生产过程中没有添加的那些。

附着力促进剂的作用正好相反,因为它的目的是提供一个不同的,更有吸引力的表面,以抵抗粘接。

二氧化硅(SiO2)或沙子,晶圆通常由石英、玻璃或硅构成,由于其固有的亲水性,当暴露在大气湿度中时,含有天然的氧化物会形成极性氢键。这一特性意味着它对光刻胶的非极性或低极性分子表现出较差的亲和力。

为了使晶片表面疏水(防水性并因此光致抗蚀剂 - 吸引力),

非极性分子的粘附促进剂,如六甲基二硅氮烷(HMDS)或有机钛化合物可以化学结合在其上。

如何使用HMDS获得良好的光刻胶附着力

当硅晶圆第一次制造时,水气粒子会被困在硅中,从而造成单晶硅的缺陷。这些缺陷会导致成品器件中不需要的电气特性,使制造商损失宝贵的时间和金钱。HMDS创造了一种疏水涂层,它从表面排斥水分子,有助于降低故障风险。虽然疏水性涂层可以很好地排斥不需要的水分子,但它也有另一个目的,在这个过程中帮助制造商。

HMDS是一种底漆,用于涂层半导体之前的光刻胶剂粘附。HMDS与硅表面的OH分子形成强键,一旦沉积,它就会在表面留下甲基,这有助于与光刻胶形成强附着力。HMDS是半导体制造中的关键部件,它在硅晶片表面和光刻胶之间架起了一座有机分子到无机分子的桥梁。没有它,光刻胶就不能与晶圆形成牢固的键合。

自20世纪70年代以来以来,所有重要的HMD都已使用。HMDS的双重目的意味着实现良好的粘合性是绝对关键的,以确保光刻蚀刻完美的图案。自20世纪70年代以来,申请康普尔德的过程已经在很多次创新,它已成为半导体行业的最有影响力的过程之一,使制造商能够确保优质产品。

该工艺最初于20世纪70年代开发,以确保在HMDS涂层之前硅片进行的脱水过程是充分的。当发现硅片几乎没有足够的脱水时,就必须开发一种新的工艺。在20世纪70年代中期,半导体专家开发了一种在大型加压烤箱中烘烤晶圆的工艺,在这种工艺中,晶圆经历一系列真空和大量加热气体,以清除腔室和硅晶圆中的任何水分子。如果水分子没有充分地从晶圆中清除,HMDS就会与水分子而不是硅分子结合,水分子会带走所有重要的HMDS蒸发掉。

比尔·莫法特完善了这一过程收益率工程系统也是半导体前端加工领域的先驱工程师。Bill和他的团队在进行了一系列的蒸气注入系统和HMDS沉积实验后得出结论,30分钟的循环加压和氮气暴露以及最终的HMDS导入是创建光刻胶能够顺利粘附的表面的理想方法。

在这个图像中,由微量化学, HMDS分裂为Si(CH),显示了该过程的简化版本3.3.覆盖表面并释放氨(NH)的基团3.)。极性甲基产生了抵抗粘附所必需的疏水性。

HMDS的沉积过程可以用几种不同的技术来完成。一种常见的方法是使用一种旋涂方法,以一种非常相似的方式来沉积抗蚀剂。不建议使用此方法然而,由于HMDS厚层产生的蒸汽会给随后的涂层应用带来问题,而且不能提供可靠的抗蚀剂附着力。

另一种方法是使用真空沉积系统,如YES TA系列真空固化/蒸汽prime系统:58TA和310TA。真空吸入适量的HMDS。在是单位的侧面(如下所示)是一个大型试管,在填充有HMD的品脱体积上。是最终真空拉动是1托。然后打开向HMDS的阀门,并将特定量的清洁HMDS蒸汽拉入腔室中。室温下的HMDS蒸气压是14托,因此您可以在腔室中获得14吨HMD。这就允许在表面形成均匀的、必要的HMDS薄膜。

YES-TA-Series-Vacuum-Cure

如何验证晶圆表面预处理及预测HMDS涂层效果

HMDS有效地在晶片上创建一个疏水表面,增加了阻垢剂的润湿性(吸引力),然而,该过程只有通过清洁和处理形成的晶片表面才有效。验证晶圆表面的化学兼容性和HMDS的均匀涂层的存在,有助于制造商确保关键的光刻胶将粘附在底漆硅上。

接触角测量是测试抛光晶圆表面质量和验证HMDS涂层存在的一种相对常见的方法。进行这些测试的传统方法是在研究实验室中使用一个固定的测角仪,它虽然对收集关键数据有效和有用,但却给本已昂贵和耗时的过程增加了更多的时间和成本。

Bill Moffat通过这种方式解释了过程控制对完美粘合的临界性,“光刻工程师面向不断请求向下尺寸。如果电路较小,则可以在晶圆上获得更多电路,更高的利润或更便宜的电路。这意味着这意味着增加需要控制粘合力。

“如果由于腐烂的抗腐蚀线路有一个小的控制损失,”Moffat说:“直到您创建的临界尺寸达到相同的大小,这无关紧要。1铣床晶体管不关心亚微米变化。亚微米晶体管可以被它摧毁。当我们寻找亚微米时,我们应该寻求使用接触角的控制来控制抗蚀剂粘附。“

随着手持和自动接触角测量系统的最新进展,这些测试可以比以前更快、更有效地实现Moffat解释的微米级控制量。

该技术通过在晶片表面上沉积一滴液体,通常高纯净的水并测量液滴在表面上的程度。这可以表明它可以粘附到湿度涂层上,并且一旦涂覆涂层,就可以提供定量证据,即涂覆的表面适当地疏水以使光致抗蚀剂粘合得很好。

当液体分子与HMDS涂层接触时,液滴被排斥,因此它们限制成球形,导致非常大的接触角。抗蚀剂膜高度吸引到HMDS的疏水性,使接触角度测量是一种预测HMDS作为粘合促进剂的功能的安全方法。

HMDS涂层晶片的疏水性通常取决于HMDS蒸汽作用的时间,并与之成正比。而且由于HMDS是非常疏水的,表面涂层的数量很容易利用水接触角检测。因此,如今许多最著名的半导体制造商都要求接触角来验证晶圆上HMDS的适当数量。

在Bill Moffat的实验中,他发现在一个典型的硅片上,他设计的30分钟的周期创造了一个接触角为75°的表面,这意味着表面的疏水性足以吸引光刻胶。

HMDS涂层确保硅安全地与光刻胶结合,以实现精确的光刻。精密光刻技术对于不断增长的数字世界的集成电路制造至关重要。采用快速、准确和可靠的测量是减少制造过程中昂贵的浪费的完美方法。

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