土曜日、19月2011 20:44

シリコン半導体製造

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プロセスの概要

ディスクリート デバイス (トランジスタなどの能動デバイスを XNUMX つだけ含む半導体) または IC (少なくとも XNUMX つの電子回路機能を実行できる単一の半導体基板内の能動要素と受動要素の相互接続アレイ) のいずれかである、シリコン半導体デバイス処理の説明、高度に技術的で特定の操作が多数含まれます。 この説明の目的は、シリコン半導体デバイスの製造に使用される主要なコンポーネントのステップと、関連する環境、健康、安全 (EHS) の問題の基本的な枠組みと説明を提供することです。

IC の製造には、回路が完成するまでに何度も繰り返される一連のプロセスが含まれます。 最も一般的な IC では、パターニング プロセスを完了するために 6 枚以上のマスクが使用されます。通常は 10 ~ 24 枚のマスクが使用されます。 マイクロ回路の製造は、直径 4 ~ 12 インチの超高純度シリコン ウエハーから始まります。 完全に純粋なシリコンはほとんど絶縁体ですが、 ドーパント、 10 ~ 100 ppm の量で添加すると、シリコンは電気を伝導します。

集積回路は、ドープされたシリコンで作られた何百万ものトランジスタ (ダイオード、抵抗、コンデンサも含む) で構成され、すべてが適切な導体パターンで接続されて、コンピュータ ロジック、メモリ、またはその他の種類の回路を作成します。 XNUMX枚のウエハー上に何百ものマイクロ回路を作ることができます。

酸化、リソグラフィ、エッチング、ドーピング、化学気相堆積、およびメタライゼーションの XNUMX つの主要な製造処理ステップは、すべてのシリコン半導体デバイスに共通しています。 これらに続いて、組み立て、テスト、マーキング、梱包、および出荷が行われます。

酸化

一般に、半導体デバイス処理の最初のステップでは、ウェーハの外面を酸化して、二酸化シリコン (SiO) の薄層 (約 XNUMX ミクロン) を成長させます。2)。 これは主に表面を不純物から保護し、その後の拡散プロセスのマスクとして機能します。 シリコン上に二酸化ケイ素の化学的に安定した保護ウェーハを成長させるこの能力により、シリコンウェーハは最も広く使用されている半導体基板になります。

一般に熱酸化と呼ばれる酸化は、高温拡散炉で行われるバッチプロセスです。 二酸化ケイ素の保護層は、酸素 (O2) (乾式酸化) または水蒸気と結合した酸素 (H2O) (湿式酸化)。 炉内温度は800~1,300℃oC. 望ましくない不純物を制御するために、塩化水素 (HCl) の形態の塩素化合物を添加することもできます。

新しい製造施設では、縦型酸化炉に向かう傾向があります。 縦型炉は、より優れた汚染管理、より大きなウェーハサイズ、およびより均一な処理のニーズにより適切に対応します。 貴重なクリーンルームの床面積を節約するため、機器のフットプリントを小さくすることができます。

乾式酸化

酸化されるシリコンウェーハは、最初に洗浄剤と水溶液を使用して洗浄され、溶媒はキシレン、イソプロピルアルコールまたは他の溶媒ですすがれます。 洗浄されたウェーハは乾燥され、 ボート オペレーター側にロードされます (ロードエンド) 石英拡散炉管またはセルの。 チューブの入口端(ソースエンド) 高純度酸素または酸素/窒素混合物を供給します。 石英管への「ドライ」酸素の流れが制御され、シリコンウェーハ表面での二酸化シリコンの成長に過剰な酸素が利用できるようになります。 基本的な化学反応は次のとおりです。

はい + O2 → SiO2

ウェット酸化

水が酸化剤である場合、水蒸気を導入する XNUMX つの方法 (自然発火、高圧、バブラー、フラッシュ) が一般的に使用されます。 基本的な化学反応は次のとおりです。

自然発火性および高圧:Si + 2O2 + 2 H2 → SiO2 + 2H2O

フラッシュとバブラー: Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

自然発火酸化 水素/酸素混合ガスの導入と燃焼を伴います。 そのようなシステムは一般に呼ばれます 燃焼水素 or トーチ システム。 適切な量​​の水素と酸素がチューブの入口端に導入されて反応すると、水蒸気が生成されます。 適切な燃焼を保証し、爆発性の水素ガスの蓄積を防ぐために、混合物を正確に制御する必要があります。

高圧酸化 (HiPox) は専門的には水熱合成システムと呼ばれ、超高純度水素と酸素の反応により水蒸気を生成します。 その後、蒸気は高圧チャンバーに送り込まれ、10 気圧に加圧され、湿式酸化プロセスが加速されます。 蒸気源として脱イオン水を使用することもできます。

In バブラー酸化 脱イオン水は、と呼ばれる容器に入れられます。 バブラー 加熱マントルを使用して沸点100℃以下の一定温度に保たれます。 窒素または酸素ガスは、バブラーの入口側に入り、水中を上昇するにつれて水蒸気で飽和し、出口を通って拡散炉に出ます。 バブラーシステムは、最も広く使用されている酸化方法のようです。

In フラッシュ酸化 加熱された石英容器の底面に脱イオン水を連続的に滴下すると、水は高温の表面に当たると急速に蒸発します。 窒素または酸素キャリアガスが蒸発する水の上を流れ、水蒸気を拡散炉に運びます。

リソグラフィー

フォトリソグラフィまたは単にマスキングとしても知られるリソグラフィは、酸化されたウェーハ上にパターンを正確に形成する方法です。 超小型電子回路は層ごとに構築され、各層は回路設計で規定されたマスクからパターンを受け取ります。

印刷業界は、今日の半導体デバイスの微細加工プロセスの真の前例を開発しました。 これらの開発は、化学エッチングによる材料の除去によって表面レリーフパターンが生成される、通常は金属製の印刷版の製造に関するものです。 この同じ基本的な技術は、生産に使用されます マスターマスク デバイスの処理の各層の製造に使用されます。

回路設計者は、各層の基本回路をデジタル化します。 このコンピュータ化された回路図により、マスク回路を迅速に生成でき、必要な変更が容易になります。 この手法は、コンピューター支援設計 (CAD) として知られています。 強力なコンピュータ アルゴリズムを利用するこれらのオンライン設計システムにより、設計者はインタラクティブなグラフィック機能を備えたビデオ ディスプレイ画面上で回路を直接レイアウトおよび変更できます。

回路の各レイヤーの最終的な図面またはマスクは、コンピューター駆動のフォトプロッターまたはパターン ジェネレーターによって作成されます。 次に、これらのフォトプロットされた図面は、回路の実際のサイズに縮小されます。マスター マスクは、クロム レリーフ付きのガラス上に作成され、ウエハー上で接触またはプロジェクション プリンティングに使用されるワーク プレートに複製されます。

これらのマスクは、フォトリソグラフィによってウェーハに転写される導電領域と絶縁領域のパターンを描きます。 ほとんどの企業は独自のマスクを製造していませんが、マスク製造業者から提供されたものを使用しています。

クリーニング

微粒子や汚染のない外部ウエハー表面の必要性は、頻繁な洗浄を必要とします。 主なカテゴリは次のとおりです。

  • 脱イオン水と洗剤のスクラブ
  • 溶剤:イソプロピルアルコール(IPA)、アセトン、エタノール、テルペン
  • 酸: フッ化水素酸 (HF)、硫酸 (H2SO4)および過酸化水素(H2O2)、塩酸(HCl)、硝酸(HNO3) および混合物
  • 苛性: 水酸化アンモニウム (NH4ああ)。

 

レジスト塗布

ウェーハは、溶剤系ポリマーのレジスト材料でコーティングされ、高速で回転します。 スピナー、薄く均一な層を広げます。 次に溶媒が蒸発し、ポリマーフィルムが残ります。 すべてのレジスト材料は、選択された現像液リンス中の合成有機ポリマーの溶解度の (主に紫外線) 放射線による変化に依存します。 レジスト材料は、放射線への露光によって現像液への溶解度が減少するか (ネガティブ)、増加するか (ポジティブ) に応じて、ネガ型レジストまたはポジ型レジストのいずれかに分類されます。 表 1 は、さまざまなフォトレジスト システムの構成要素を示しています。

表 1. フォトレジスト システム

紫外線

近距離 (350 ~ 450 nm)

PB
S
D

アジド系脂肪族ゴム(イソプレン)
酢酸n-ブチル、キシレン、n-メチル-2-ピロリドン、エチルベンゼン
キシレン、脂肪族炭化水素、酢酸n-ブチル、
ストッダード溶剤(石油留分)

 

ポジティブ

PB
S


D

オルトジアゾケトン
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、乳酸エチル、メチル
プロピオン酸メトキシ、プロピオン酸エトキシエチル、酢酸n-ブチル、キシレン、
クロロトルエン
水酸化ナトリウム、ケイ酸塩、水酸化カリウム

ディープ (200 ~ 250 nm)

主に
積極的な抵抗

   

電子線(約100nm)

 

PB
S
D

コポリマー - アクリル酸エチルとメタクリル酸グリシジル (COP)
N / A
N / A

 

ポジティブ

PB

S
D

ポリメチルメタクリレート、ポリフルオロアルキルメタクリレート、ポリアルキルアルデヒド、ポリシアノエチルアクリレート
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
アルカリまたは IPA、酢酸エチル、またはメチル イソブチル ケトン (MIBK)

X線(0.5~5nm)

 

PB
S
D

コポリマー - アクリル酸エチルとメタクリル酸グリシジル (COP)
N / A
N / A

 

ポジティブ

PB

S
D

ポリメチルメタクリレート、オルトジアゾケトン、ポリ
(ヘキサフルオロブチルメタクリレート)、ポリ(ブテン-1-スルホン)
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
N / A

PB = ポリマーベース。 S = 溶媒; D = 開発者。

ほとんどのフォトレジストは紫外線 (UV) に敏感であるため、処理領域は敏感な UV 波長を欠く特別な黄色の光で照らされます (図 1 を参照)。

図 1. フォトリソグラフィ「イエロー ルーム」装置

MIC020F3

業界では主にネガおよびポジ UV レジストが使用されています。 ただし、電子ビームおよび X 線レジストは、解像度が高いため、市場シェアを獲得しています。 リソグラフィにおける健康上の懸念は、主に、業界によって現在段階的に廃止されている特定のポジ型レジスト (キャリアとしてのエチレングリコール モノエチル エーテル アセテートなど) に関連する潜在的な生殖障害によって引き起こされます。 ネガ レジスト (キシレンなど) から時折発生する悪臭も、従業員の懸念の原因となります。 これらの懸念のために、半導体産業の産業衛生士は、フォトレジスト操作のサンプリングに多くの時間を費やしています。 これはこれらの操作を特徴付けるのに役立ちますが、スピナーおよび現像操作中の日常的な暴露は、通常、プロセスで使用される溶剤の職業暴露の空気感染基準の 5% 未満です (Scarpace et al. 1989)。

スピナーシステムの操作中に、1 ppm のエチレングリコールモノエチルエーテルアセテートへの 6.3 時間の暴露が検出されました。 この被ばくは、主に保守作業中の不適切な作業が原因でした (Baldwin、Rubin、および Horowitz 1993)。

乾燥・仮焼成

レジストが適用された後、ウェーハはトラック上を移動するか、手動でスピナーから窒素雰囲気の温度制御オーブンに移動されます。 適度な温度 (70 ~ 90°C) でフォトレジストが硬化 (ソフト ベーク) し、残りの溶剤が蒸発します。

レジスト層をウエハーに確実に接着させるために、プライマー、ヘキサメチルジシリザン (HMDS) がウエハーに塗布されます。 プライマーは、ウェーハの表面に分子状の水を結び付けます。 HMDS は、浸漬またはスピンオン プロセスで直接適用されるか、他の方法よりもプロセスとコストの利点を提供する蒸気プライムを介して適用されます。

マスクの位置合わせと露光

マスクとウエハーは、精密な光学/機械装置を使用して近づけられ、マスク上のイメージは、フォトレジスト層の下のウエハーに既に存在するパターンに合わせられます。 最初のマスクでは、位置合わせは必要ありません。 古い技術では、バイスコープ (デュアル レンズ顕微鏡) と、マスクに対してウェーハを位置決めするための精密制御を使用することによって、連続する層の位置合わせが可能になりました。 新しい技術では、アライメントはウェーハ上の基準点を使用して自動的に行われます。

位置合わせが完了すると、高強度の紫外線水銀蒸気またはアークランプ光源がマスクを通して輝き、マスクの不透明領域によって保護されていない場所のレジストが露出します。

ウェーハの位置合わせと露光のさまざまな方法には、UV フラッド露光 (接触または近接)、縮小のための投影レンズを介した UV 露光 (投影)、UV ステップおよび反復縮小露光 (投影)、X 線フラッド (近接)、および電子ビーム スキャンが含まれます。露出(直書き)。 使用されている主な方法は、近接アライナーまたは投影アライナーを介した水銀蒸気およびアークランプからの UV 露光です。 UV レジストは、UV 波長の広いスペクトルに反応するように設計されているか、ランプから放射される 435 つまたは複数の主要なスペクトル線 (たとえば、405 nm の g 線、 365 nm および XNUMX nm の i 線)。

フォトマスキングで現在使用されている UV 光の主な波長は 365 nm 以上ですが、UV ランプのスペクトルには、健康上の懸念がある波長領域である 315 nm 未満の化学線領域にも大きなエネルギーが含まれています。 通常、装置から漏れる UV 放射の強度は、化学線領域の太陽光から存在するものよりも、UV への職業的暴露に対して設定された基準よりも小さいです。

メンテナンス中に、UV ランプの位置合わせを行うために、機器のキャビネットの外で、または通常の保護フィルターなしで、UV ランプに通電する必要がある場合があります。 この作業中の暴露レベルは、職業上の暴露限界を超える可能性がありますが、通常、標準的なクリーンルームの服装 (例えば、スモック、ビニール手袋、フェイスマスク、UV 阻害剤入りのポリカーボネート製安全メガネ) は、UV 光を暴露限界未満に減衰させるのに十分です (Baldwin and Stewart 1989 )。

フォトリソグラフィーで使用される紫外線ランプの主な波長は 365 nm 以上ですが、高度な IC でより小さな機能を追求するために、深紫外線や X 線などのより短い波長の露光源が使用されるようになっています。 この目的のための 248 つの新しい技術は、ステッパーで使用されるフッ化クリプトン エキシマ レーザーの使用です。 これらのステッパーは、高レーザー出力で XNUMX nm の波長を使用します。 ただし、これらのシステムの筐体には、通常の動作時にビームが含まれています。

半導体製造で使用される高出力レーザー システムを含む他の装置と同様に、主な懸念事項は、ビーム アライメント中にシステムのインターロックを無効にする必要がある場合です。 高出力レーザーは、半導体業界で最も重大な電気的危険の 1993 つでもあります。 電源を切った後でも、ツール内には重大な衝撃の可能性があります。 これらのシステムの制御と安全設計に関する考慮事項は、Escher、Weathers、および Labonville (XNUMX) によってカバーされています。

リソグラフィで使用される先端技術の露光源の 50 つに X 線があります。 X 線リソグラフィー源からの放出レベルは、機器の中心で年間 5 ミリシーベルト (1989 rem) に近い線量率になる可能性があります。 被ばくを最小限に抑えるために、遮蔽された壁の内部へのアクセスを制限することが推奨されています (Rooney and Leavey XNUMX)。

現像

現像ステップ中に、レジストの未重合領域が溶解され、除去されます。 溶剤ベースの現像剤は、浸漬、スプレー、または霧化のいずれかによって、レジストで覆われたウェーハ表面に適用されます。 表 1 に現像液を示します。n-酢酸ブチル、イソプロピル アルコール、アセトンなど) は、通常、現像液の後に塗布して残留物を除去します。 現像後に残ったレジストは、その後の処理中に個々の層を保護します。

ベーキング

レジストの位置合わせ、露光、現像の後、ウェーハは窒素雰囲気の別の温度制御オーブンに移されます。 より高い温度のオーブン (120 ~ 135°C) により、フォトレジストが硬化し、ウェーハ表面で完全に重合します (ハード ベーク)。

フォトレジスト剥離

現像されたウェーハは、湿式または乾式化学薬品を使用して選択的にエッチングされます (以下の「エッチング」を参照)。 残りのフォトレジストは、次の処理の前にウェーハから剥がさなければなりません。 これは、温度制御されたバスで湿った化学溶液を使用するか、プラズマアッシャーまたは乾燥化学薬品を使用して行われます。 表 2 は、ウェットとドライの両方の化学成分を示しています。 プラズマ アッシングと同じ装置と動作原理を使用する乾式化学プラズマ エッチングについて説明します。


表 2. フォトレジスト剥離剤

ウェットケミカル

 

硫酸 (H2SO4)およびクロム(CrO3)

硫酸 (H2SO4) および過硫酸アンモニウム ((NH4)2S2O8)

硫酸 (H2SO4)および過酸化水素(H2O2)

オーガニック

フェノール、硫酸、トリクロロベンゼン、パークロロエチレン

グリコールエーテル、エタノールアミン、トリエタノールアミン

水酸化ナトリウムおよびケイ酸塩(ポジ型レジスト)

ドライケミカル

プラズマ灰化(剥離)

RF (無線周波数) 電源 — 13.56 MHz または 2,450 MHz 周波数

酸素(O2) ソースガス

真空ポンプシステム

—液体窒素トラップで潤滑されたオイル(旧技術)
—不活性パーフルオロポリエーテル流体で潤滑 (新しい技術)
—ドライポンプ(最新技術)


エッチング

エッチングにより、二酸化ケイ素 (SiO2)、金属、ポリシリコン、およびレジストを、レジストによって描写される所望のパターンに従って。 エッチングの XNUMX つの主要なカテゴリは、湿式化学と乾式化学です。 湿式エッチングが主に使用され、除去する材料と反応する所望の強度のエッチング液 (通常は酸混合物) を含む溶液を使用します。 ドライ エッチングでは、高エネルギーのチャンバー内で真空下で反応性ガスを使用します。これにより、レジストで保護されていない必要な層も除去されます。

ウェットケミカル

湿式化学エッチング溶液は、温度制御されたポリプロピレン (poly-pro)、難燃性ポリプロピレン (FRPP)、またはポリ塩化ビニル (PVC) 製のエッチング槽に収容されます。 バスには通常、リングタイプのプレナム排気換気装置またはウェットケミカルエッチングステーションの後部にあるスロット付き排気装置が装備されています。 垂直層流フードは、均一にろ過された粒子のない空気をエッチング槽の上面に供給します。 エッチングされる表面層に関連して、一般的なウェットエッチング剤の化学溶液を表 3 に示します。

表 3. ウェット ケミカル エッチング液

エッチングする材料

エッチング剤

シリコン

多結晶シリコン(Si)

フッ化水素酸、硝酸、酢酸、ヨウ素
水酸化カリウム
エチレンジアミン・カテコール
フッ化アンモニウム、氷酢酸および硝酸

二酸化ケイ素(SiO2)

緩衝酸化物エッチング (BOE) - フッ化水素酸および
フッ化アンモニウム
BOE、エチレングリコール、モノメチルエーテル
フッ化水素酸および硝酸 (P-etch)

窒化ケイ素(Si3N4)

リン酸およびフッ化水素酸

CVD 酸化物またはパッド エッチング

フッ化アンモニウム、酢酸およびフッ化水素酸

金属

アルミニウム(Al)

リン酸、硝酸、酢酸、塩酸
水酸化ナトリウム、水酸化カリウム

クロムニッケル (Cr/Ni)

硝酸セリウムアンモニウムと硝酸
塩酸および硝酸(王水)

ゴールド(Au)

塩酸および硝酸(王水)
ヨウ化カリウム (KI)
シアン化カリウム (KCN) および過酸化水素 (H2O2)
塩化第二鉄(FeCl3)と塩酸

シルバー(Ag)

硝酸第二鉄 (FeNO3)およびエチレングリコール
硝酸

標準濃度 (%)

酢酸

CH3COOH

36

フッ化アンモニウム

NH4F

40

氷酢酸

CH3COOH

99.5

塩酸

塩酸

36

フッ化水素酸

HF

49

硝酸

HNO3  

67

リン酸

H3PO4  

85

水酸化カリウム

KOH

50 or 10

水酸化ナトリウム

NaOH

50 or 10

硫酸

H2SO4  

96

 

垂直に取り付けられたフロー供給フードは、スプラッシュ シールドおよび排気換気装置と組み合わせて使用​​すると、ウェット ケミカル エッチング ステーション内に乱気流の領域が生じる可能性があります。 その結果、使用中のエッチング槽から一時的な空気汚染物質を捕捉して経路指定する際の局所排気換気の有効性が低下する可能性があります。

ウェット エッチングの主な懸念事項は、濃酸との皮膚接触の可能性です。 エッチングに使用されるすべての酸は酸やけどを引き起こす可能性がありますが、フッ化水素酸 (HF) への曝露は特に懸念されます。 皮膚接触から痛みまでのタイムラグ (24% HF 未満の溶液の場合は最大 20 時間、1 ~ 8% の溶液の場合は 20 ~ 50 時間) により、治療が遅れ、予想よりも重度の火傷を負う可能性があります (Hathaway et al. 1991)。 .

歴史的に、酸によるやけどは業界内で特に問題となっています。 しかし、酸との皮膚接触の発生率は、近年減少しています。 この削減の一部は、ドライ エッチングへの移行、より多くのロボット工学の使用、化学薬品ディスペンス システムの設置など、エッチング プロセスにおける製品関連の改善によって引き起こされました。 酸によるやけどの発生率の低下は、取り扱い技術の改善、個人用保護具の使用の増加、ウェットデッキの設計の改善、トレーニングの改善にも起因する可能性があります。発生率がさらに低下する場合は、これらすべてに引き続き注意を払う必要があります (Baldwin and Williams 1996)。 )。

ドライケミカル

ドライ ケミカル エッチングは、エッチング プロセスをより適切に制御し、汚染レベルを低減する能力があるため、関心が高まり、使用が拡大している分野です。 乾式化学処理では、化学反応性ガスの使用または物理的衝撃により、目的の層を効果的にエッチングします。

シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、アルミニウム、タンタル、タンタル化合物、クロム、タングステン、金、およびガラスを効果的にエッチングできる化学反応性プラズマエッチングシステムが開発されている。 XNUMX 種類のプラズマ エッチング リアクター システムが使用されています。つまり、バレル (円筒) と平行プレート (平面) です。 どちらも同じ原理で動作し、主に構成のみが異なります。

プラズマは、プラズマの原子または分子の一部がイオン化され、かなりの数のフリーラジカルを含む可能性があることを除いて、ガスに似ています。 典型的なリアクターは、通常はアルミニウム、ガラス、または石英で作られたウェーハを含む真空リアクターチャンバーで構成されています。 高周波 (RF) エネルギー源 (通常は 450 kHz、13.56 MHz または 40.5 MHz) と、処理時間、反応ガスの組成、ガスの流量、および RF 電力レベルを制御するための制御モジュール。 さらに、オイル潤滑 (古い技術) または乾式 (新しい技術) の粗引きポンプの真空源が、反応室と一致しています。 ウェーハは、個別にまたはカセットでリアクターにロードされ、ポンプがチャンバーを排気し、試薬ガス (通常は四フッ化炭素) が導入されます。 ガスのイオン化によりエッチング プラズマが形成され、これがウェーハと反応して揮発性生成物を形成します。揮発性生成物は排出されます。 チャンバへの新鮮な反応ガスの導入は、エッチング活動を維持します。 表 4 は、さまざまな層のエッチングに使用される材料とプラズマ ガスを示しています。

表 4. プラズマ エッチング ガスとエッチングされる材料

材料

ガス

シリコン

ポリシリコン(polySi)とシリコン

CF+O2、CCl4 または CF3Cl、CF4 および塩酸

二酸化ケイ素(SiO2)

C2F6、C3F8、CF4、SiF4、C5F12、スイスフラン3、CCl2F2、SF6、HF

窒化ケイ素(Si3N4)

CF4 +Ar、CF4 + O2、CF4 + H2

金属

アルミニウム(Al)

CCl4 またはBCl3 +彼またはAr

クロム(Cr)

CCl4

酸化クロム (CrO3)

Cl2 + ArまたはCCl4 +Ar

ガリウム砒素(GaAs)

CCl2F2

バナジウム(V)

CF4

チタン(Ti)

CF4

タントゥルム (Ta)

CF4

モリブデン(Mo)

CF4

タングステン(W)

CF4

 

エッチングのために現在開発されている別の方法は、マイクロ波ダウンストリームです。 高電力密度のマイクロ波放電を使用して、酸に浸されているかのように材料をエッチングする長寿命の準安定原子を生成します。

物理エッチング プロセスは、エッチングする層に物理的に衝撃を与えるためにアルゴン ガス原子を使用するという点で、サンドブラストに似ています。 転位した材料を除去するために、真空ポンプ システムが使用されます。 反応性イオン エッチングには、化学ドライ エッチングと物理ドライ エッチングの組み合わせが含まれます。

スパッタリングプロセスは、イオン衝撃とエネルギー移動の 450 つです。 スパッタ エッチングにはスパッタリング システムが組み込まれており、エッチングされるウェーハは、グロー放電回路内の負の電極またはターゲットに取り付けられます。 陽イオン(通常はアルゴン)の衝撃によってウェーハから材料がスパッタされ、表面の原子が転位します。 電力は、XNUMX kHz 周波数の RF ソースによって供給されます。 圧力制御と反応物の除去には、インライン真空システムが使用されます。

イオン ビーム エッチングおよびミリングは、低エネルギー イオンのビームを使用する穏やかなエッチング プロセスです。 イオン ビーム システムは、イオン ビームを生成するソース、エッチングまたはミリングが行われるワーク チャンバー、イオン ビームでウェーハを保持するためのターゲット プレート、真空ポンプ システム、サポートする電子機器および機器で構成されます。 イオン ビームは、放電によって生成されたイオン化ガス (アルゴンまたはアルゴン/酸素) またはプラズマから抽出されます。 放電は、電子放出熱フィラメント陰極と放電領域の外径に位置する陽極シリンダとの間に電圧を印加することによって得られる。

イオン ビーム ミリングは、表面相互作用のみが発生するイオン衝撃の低エネルギー範囲で行われます。 これらのイオンは、通常 500 ~ 1,000 eV の範囲でターゲットに衝突し、 スパッタオフ 原子を隣接する原子に結合する力を壊すことにより、原子を表面化します。 イオン ビーム エッチングは、表面原子のより劇的な転位を含む、わずかに高いエネルギー範囲で行われます。

反応性イオン エッチング (RIE) は、低圧での物理的スパッタリングと化学的反応種エッチングの組み合わせです。 RIE は、イオン衝撃を使用して方向性エッチングと、化学反応性ガスである四フッ化炭素 (CF4) または四塩化炭素 (CCl4)、良好なエッチング層の選択性を維持します。 ウェーハは、約 0.1 トル (1.3 x 10-4 雰囲気)。 放電は、数百電子ボルトのエネルギーを持つ反応性の「フリーラジカル」(イオン)のプラズマを生成します。 イオンはウェーハ表面に垂直に衝突し、そこで反応して揮発性種を形成し、低圧のインライン真空システムによって除去されます。

ドライエッチャーには、反応チャンバーの内側に蓄積する堆積物を除去するために使用されるクリーニングサイクルがある場合があります。 洗浄サイクル プラズマに使用される親化合物には、三フッ化窒素 (NF) が含まれます。3)、ヘキサフルオロエタン(C2F6) およびオクタフルオロプロパン (C3F8).

洗浄プロセスで使用されるこれら 1990 つのガス、およびエッチングで使用されるガスの多くは、XNUMX 年代半ばに表面化した半導体産業が直面する環境問題の基礎となっています。 高度にフッ素化されたガスのいくつかは、重大な地球温暖化 (または温室効果) の可能性があると特定されました。 (これらのガスは、PFC、過フッ素化化合物とも呼ばれます。) 大気寿命が長く、地球温暖化の可能性が高く、NF などの PFC の使用が大幅に増加しています。3、C2F6、C3F8、CF4、トリフルオロメタン (CHF3)および六フッ化硫黄(SF)6) は、半導体業界に排出量を削減する方法に焦点を当てさせました。

半導体産業からの PFC の大気への排出は、ツールの効率の悪さ (多くのツールが使用ガスの 10 ~ 40% しか消費しない) と、不適切な大気排出削減装置によるものです。 湿式スクラバーは PFC の除去には効果的ではなく、多くの燃焼装置でのテストでは、一部のガス、特に CF の分解効率が低いことがわかりました。4. これらの燃焼ユニットの多くは C を故障させました2F6 およびC3F8 CFに4. また、これらの削減ツールの高い所有コスト、それらの電力需要、その他の地球温暖化ガスの放出、および有害な大気汚染物質の燃焼副産物は、燃焼による削減が PFC 排出を制御するための適切な方法ではないことを示していました。

プロセス ツールをより効率的にすること、これらのドライ エッチング ガスのより環境に優しい代替手段を特定して開発すること、および排気ガスの回収/リサイクルは、ドライ エッチング装置に関連する環境重視事項でした。

ドライエッチング装置の主な職業衛生上の重点は、反応生成物残留物を含む可能性のある反応チャンバー、ポンプ、およびその他の関連機器で作業するメンテナンス担当者への潜在的な暴露にありました。 プラズマ金属エッチング装置の複雑さと、メンテナンスに伴う臭気の特徴付けの難しさから、多くの調査対象となっています。

プラズマ金属エッチング装置で形成される反応生成物は、塩素化化合物とフッ素化化合物の複雑な混合物です。 金属エッチング装置のメンテナンスは、多くの場合、強い臭気を発生する短時間の操作を伴います。 ヘキサクロロエタンは、あるタイプのアルミニウム エッチング装置の臭気の主な原因であることが判明しました (Helb et al. 1983)。 別の例では、塩化シアンが主な問題でした。暴露レベルは、11 ppm の職業暴露限界の 0.3 倍でした (Baldwin 1985)。 さらに別のタイプのエッチャーでは、塩化水素が臭気と関連しています。 測定された最大暴露量は 68 ppm でした (Baldwin、Rubin、および Horowitz 1993)。 この件に関する追加情報については、Mueller と Kunesh (1989) を参照してください。

金属エッチング装置の排気ガスに含まれる化学物質の複雑さから、研究者はこれらの混合物の毒性を調査するための実験方法を開発するようになりました (Bauer et al. 1992a)。 これらの方法をげっ歯類の研究に適用すると、これらの化学混合物の特定のものは突然変異誘発物質の疑いがあり (Bauer et al. 1992b)、生殖毒素の疑いがある (Schmidt et al. 1995) ことが示される。

ドライ エッチング装置は閉鎖システムとして動作するため、通常、システムが閉鎖されている間は、装置のオペレーターが化学薬品にさらされることはありません。 これに対するまれな例外の XNUMX つは、古いバッチ エッチング装置のパージ サイクルが十分に長くなく、エッチング ガスを適切に除去できない場合です。 これらのエッチング装置のドアが開いたときに、典型的な産業衛生監視手順の検出限界を下回るフッ素化合物への短時間だが刺激的な曝露が報告されています。 通常、これは、エッチング チャンバーのドアを開く前に、パージ サイクルの長さを増やすだけで修正できます。

オペレータが RF エネルギーにさらされることに対する主な懸念は、プラズマ エッチングおよびアッシングの際に生じます (Cohen 1986; Jones 1988)。 通常、RF エネルギーの漏れは次の原因で発生する可能性があります。

  • ずれているドア
  • キャビネットの亀裂と穴
  • エッチングの不適切な接地によるアンテナとして機能する金属テーブルと電気ケーブル
  • エッチャーの表示ウィンドウに減衰スクリーンはありません (Jones 1988; Horowitz 1992)。

 

RF 曝露は、特に装置のキャビネットが取り外された場合に、エッチング装置のメンテナンス中にも発生する可能性があります。 12.9 mW/cmの露出2 古いモデルのプラズマエッチング装置の上部で、保守のためにカバーが取り外されているのが見つかりました (Horowitz 1992)。 オペレータが立っている領域での実際の RF 放射漏れは、通常 4.9 mW/cm 未満でした。2.

ドーピング

間の電気的接合または境界の形成 p および n 単結晶シリコンウェーハの領域は、すべての半導体デバイスの機能にとって不可欠な要素です。 ジャンクションにより、電流は一方向に流れやすくなります。 それらは、すべての半導体のダイオードおよびトランジスタ効果の基礎を提供します。 集積回路では、制御された数の元素不純物またはドーパントを、シリコン基板またはウェーハの選択されたエッチング領域に導入する必要があります。 これは、拡散技術またはイオン注入技術のいずれかによって行うことができます。 使用される技術に関係なく、同じ種類またはドーパントが半導体接合の製造に使用されます。 表 5 は、ドーピングに使用される主なコンポーネント、それらの物理的状態、電気的タイプ (p or n) および使用中の主要な接合技術である拡散またはイオン注入。

表 5. 拡散およびイオン注入用の接合形成ドーパント

素子

都道府県

技術

n型

アンチモン

三酸化アンチモン
三塩化アンチモン

Sb2O3
SbCl3

コールテン
液体


砒素

三酸化ヒ素
三酸化ヒ素
アルシン
五フッ化ヒ素

As2O3
As2O3
3
AsF5

コールテン
液体
ガス
ガス


拡散—スピンオン
拡散とイオン注入
イオン注入

リン

五酸化リン
五酸化リン
三臭化リン
三塩化リン
オキシ塩化リン
ホスフィン
五フッ化リン

P2O5
P2O5
PBr3
PCl3
POCl3
PH3
PF5

コールテン
液体
液体
液体
液体
ガス
ガス


拡散—スピンオン



イオン注入
イオン注入

p型

ボロン

窒化ホウ素
三臭化ホウ素
三酸化ホウ素
三酸化ホウ素
ほう酸トリエチル
四臭化ケイ素
三塩化ホウ素
三フッ化ホウ素
ジボラン

BN
BBr3
B2O3
B2O3
B(COC2H5)3
SiBr4
BCl3
BF3
B2H6

コールテン
液体
コールテン
液体
液体
液体
液体
ガス
ガス




拡散—スピンオン
拡散—スピンオン

拡散イオン注入
イオン注入
イオン注入

 

拡散炉とイオン注入装置の両方のオペレーターが日常的に化学物質にさらされることは少なく、通常、標準的な職業衛生サンプリング手順の検出限界を下回っています。 有毒ガス放出の可能性に関するプロセス中心の化学的懸念。

1970 年代には、進歩的な半導体メーカーが、可燃性ガスや有毒ガスの最初の連続ガス監視システムの設置を開始しました。 この監視の主な焦点は、職業暴露限界を超える臭気閾値を持つ最も有毒なドーパント ガス (アルシンやジボランなど) の偶発的な放出を検出することでした。

半導体業界のほとんどの産業衛生エアモニターは、可燃性ガスや有毒ガスの漏れ検出に使用されています。 ただし、一部の施設では、継続的な監視システムを使用して次のことも行っています。

  • 排気ダクト(煙突)エミッションの分析
  • 揮発性化学物質の周囲空気濃度を定量化する
  • 工場エリアの臭いを特定して定量化します。

 

半導体産業でこのタイプの監視に最も使用されている技術は、比色ガス検出 (例: MDA 連続ガス検出器)、電気化学センサー (例: sensydyne モニター)、およびフーリエ変換赤外線 (例: Telos ACM) です (Baldwin and Williams 1996)。 .

は、拡散炉のソース端の高濃度領域からシリコンウェーハ内の低濃度領域へのドーパントの移動を表すために使用される用語です。 拡散は、接合形成の最も確立された方法です。

この技術は、ウェーハを拡散炉内の加熱雰囲気にさらすことを含む。 炉には、蒸気の形で目的のドーパントが含まれており、ドープされた電気的活動の領域が作成されます。 p or n. 最も一般的に使用されるドーパントは、p 型のホウ素です。 リン (P)、ヒ素 (As) またはアンチモン (Sb) (n 型の場合) (表 5 を参照)。

通常、ウエハーは石英製のキャリアまたはボートに積み重ねられ、拡散炉に配置されます。 拡散炉には、長い石英管と正確な温度制御のための機構が含まれています。 さまざまなシリコンドーパントの拡散速度は主に温度の関数であるため、温度制御は非常に重要です。 使用温度範囲は900~1,300℃ oC、特定のドーパントとプロセスによって異なります。

シリコンウェーハを高温に加熱すると、不純物原子が結晶構造内をゆっくりと拡散します。 不純物は、シリコン自体を通過するよりも二酸化シリコンを通過する速度が遅いため、薄い酸化物を可能にします。 パターンをマスクとして機能させ、ドーパントが保護されていない場所にのみシリコンに入るのを許可します。 十分な不純物が蓄積された後、ウェーハは炉から取り出され、拡散は効果的に停止します。

最大限に制御するために、ほとんどの拡散は XNUMX つのステップで実行されます。先入観 および ドライブイン. プレデポジット、または一定のソースを使用した拡散は最初のステップであり、不純物量を最適に制御できるように温度が選択された炉内で行われます。 温度は、ドーパントの溶解度を決定します。 比較的短いプレデポジット処理の後、通常はより高い温度の第 XNUMX の炉にウェーハを物理的に移動し、そこで第 XNUMX の熱処理によりドーパントをシリコン ウェーハ格子内の所望の拡散深さまで押し込みます。

前堆積ステップで使用されるドーパント ソースは、気体、液体、固体の 5 つの異なる化学状態にあります。 表 XNUMX は、さまざまな種類の拡散源ドーパントとその物理的状態を示しています。

ガスは一般に、圧力制御または調整器、遮断弁、およびさまざまなパージ アタッチメントを備えた圧縮ガス ボンベから供給され、小径の金属管を通して供給されます。

湿式酸化のセクションで説明されているように、通常は液体ドーパント蒸気でキャリアガス流 (通常は窒素) を飽和させるバブラーから液体が分配されます。 液体分注のもう XNUMX つの形式は、 スピンオン ドーパント 装置。 これは、固体のドーパントを液体の溶媒キャリアと一緒に溶液に入れ、フォトレジストの塗布と同様の方法で、ウェーハ上に溶液を滴下し、回転させることを伴います。

固体ソースは、窒化ホウ素ウエハの形状であってもよく、それはドープされる2枚のシリコンウエハの間に挟まれ、次いで拡散炉内に配置される。 また、粉末またはビーズの形態の固体ドーパントは、 石英爆弾 拡散管のソース端に手動で投棄するか、メインの拡散炉と並んで別のソース炉に装填します。

適切な管理がない場合、0.01 mg/mXNUMX を超えるヒ素曝露3 堆積炉のクリーニング中 (Wade et al. 1981) および固体ソース イオン注入装置のソース ハウジング チャンバーのクリーニング中 (McCarthy 1985; Baldwin、King、および Scarpace 1988) で報告されています。 これらの曝露は、空気中の粉塵の量を制限するための予防措置が取られていない場合に発生しました。 しかし、洗浄中に残留物を濡らしたままにしておくと、ばく露は空気中のばく露限度をはるかに下回る値にまで減少しました。

古い拡散技術では、ファーネス チューブの取り外し、クリーニング、および取り付けの際に安全上の問題が存在します。 危険には、壊れた石英製品による潜在的な切り傷や、手動クリーニング中の酸火傷が含まれます。 新しい技術では、これらの危険は以下によって軽減されます。 現場の 手作業の多くを排除するチューブクリーニング。

拡散炉のオペレーターは、半導体製造において、非常に低周波の電磁場 (たとえば、50 ~ 60 ヘルツ) への日常的なクリーンルームでの暴露を最も多く経験します。 炉の実際の運転中に、0.5 マイクロテスラ (5 ミリガウス) を超える平均被ばくが報告された (Crawford et al. 1993)。 この研究はまた、拡散炉の近くで働くクリーンルーム作業員は、他のクリーンルーム作業員よりも著しく高い曝露量を測定していたことにも注目した。 この発見は、Rosenthal と Abdollahzadeh (1991) によって報告されたポイント測定と一致しており、拡散炉が 5 ~ 2 マイクロテスラもの高さの近接測定値 (10 cm または 15 インチ離れた場所) を生成し、周囲のフィールドが距離とともに徐々に低下することを発見しました。調査された他のクリーンルーム機器よりも。 拡散炉から 6 フィート離れた場所でも、報告されたフラックス密度は 1.2 から 2 マイクロテスラでした (Crawford et al. 1993)。 これらの排出レベルは、世界保健機関によって設定された現在の健康に基づく曝露制限および個々の国によって設定された制限を大幅に下回っています。

イオン注入

イオン注入は、接合形成のために室温で不純物元素をシリコンウェーハに導入する新しい方法です。 イオン化されたドーパント原子 (つまり、XNUMX つまたは複数の電子が取り除かれた原子) は、数万ボルトの電位差を通過することによって高エネルギーに加速されます。 パスの終わりに、それらはウェーハに衝突し、質量とエネルギーに応じてさまざまな深さに埋め込まれます。 従来の拡散と同様に、パターン化された酸化物層またはフォトレジスト パターンがイオンからウエハを選択的にマスクします。

典型的なイオン注入システムは、イオン源 (ガス状のドーパント源、通常は小さな講義用ボトルに入っています)、分析装置、加速器、集束レンズ、中性ビーム トラップ、スキャナー プロセス チャンバー、および真空システム (通常、インラインの XNUMX つの別個のセット) で構成されます。粗引きおよび油拡散ポンプ)。 電子の流れは、抵抗、アーク放電、または冷陰極電子ビームによって高温フィラメントから生成されます。

一般に、ウェーハが注入された後、高温アニール工程(900~1000℃)が、レーザービームアニールまたは電子ビーム源によるパルスアニールによって実行される。 アニーリング プロセスは、ドーパント イオンの衝撃によって引き起こされた、注入されたウェーハの外面への損傷を修復するのに役立ちます。

イオン注入装置で使用されるアルシン、ホスフィン、および三フッ化ホウ素ガスボンベの安全な供給システムの出現により、これらのガスの壊滅的な放出の可能性は大幅に減少しました。 これらの小さなガスボンベには、アルシン、ホスフィン、および三フッ化ホウ素が吸着された化合物が充填されています。 ガスは、真空を使用してシリンダーから引き出されます。

イオン注入装置は、半導体業界で最も重大な電気的危険の XNUMX つです。 電源がオフになった後でも、ツール内には重大な衝撃の可能性が存在し、注入器内で作業する前に放散する必要があります。 新しく設置されたすべての装置、特にイオン注入装置については、メンテナンス作業と電気的危険性を慎重に検討する必要があります。

水素化物 (おそらくアルシンとホスフィンの混合物) への曝露は、イオン注入装置のクライオポンプのメンテナンス中に 60 ppb にもなることがわかっています (Baldwin、Rubin、および Horowitz 1993)。 また、高濃度のアルシンとホスフィンの両方が、予防保守中に取り外された汚染された注入器部品からガスを放出する可能性があります (Flipp、Hunsaker、および Herring 1992)。

高効率微粒子減衰器 (HEPA) フィルターを備えた携帯用掃除機は、イオン注入エリアのヒ素で汚染された作業面を掃除するために使用されます。 1,000 μg/m を超える曝露3 HEPA掃除機が不適切に掃除されたときに測定されました。 HEPA 掃除機は、作業スペースに放電する際、イオン注入装置のビームラインのクリーニングに伴う特有の水素化物のような臭気を効率的に分散させることもできます (Baldwin、Rubin、および Horowitz 1993)。

懸念はあるものの、ドーパントを使用する真空ポンプのオイル交換中に重大なドーパント ガスへの暴露が報告された報告はありません。 暴露が報告されていないのは、使用済み油からの水素化物のガス放出が低レベルであることの結果である可能性もあります。

アルシンとホスフィンの両方を使用したイオン注入装置からの 700 ml の使用済み粗引きポンプ オイルを加熱したフィールド スタディの結果は、ポンプ オイルが 70oC (Baldwin、King、および Scarpace 1988)。 機械式粗引きポンプの通常の使用温度は 60 ~ 80 度です。oC、この研究は重大な曝露の可能性を示していませんでした。

イオン注入中、操作に付随して X 線が生成されます。 ほとんどの注入装置は、従業員の曝露を 2.5 時間あたり 0.25 マイクロシーベルト (1983 ミリレム) 未満に維持するために、十分なキャビネット シールド (イオン源ハウジングと隣接するアクセス ドアの周囲に戦略的に配置された鉛シートを含む) で設計されています (Maletskos と Hanley 20)。 しかし、古いモデルの注入装置では、ユニットの表面で毎時 1988 マイクロシーベルト (μSv/hr) を超える X 線漏れがあることが判明しました (Baldwin、King、および Scarpace 2.5)。 これらのレベルは、追加の鉛シールドが設置された後、15 μSv/hr 未満に減少しました。 別の古いモデルのイオン注入装置では、アクセス ドアの周囲 (最大 3 μSv/時) とビューポート (最大 1993 μSv/時) で X 線漏れがあることがわかりました。 被ばくの可能性を軽減するために、追加の鉛シールドが追加されました (Baldwin、Rubin、および Horowitz XNUMX)。

イオン注入装置からの X 線被ばくに加えて、注入装置が 8 万電子ボルト (MeV) 以上で動作するか、重水素ガスがイオン源として使用される場合、中性子形成の可能性が仮定されています (Rogers 1994)。 しかし、通常、注入装置は 8 MeV をはるかに下回る電圧で動作するように設計されており、重水素は業界では一般的に使用されていません (Baldwin and Williams 1996)。

化学蒸着

化学気相成長 (CVD) では、シリコン ウエハー表面に追加の材料を積層します。 CVD ユニットは通常、クローズド システムとして動作するため、オペレータは化学物質にほとんど、またはまったくさらされません。 しかし、特定の CVD プリスクラバーを洗浄すると、5 ppm を超える塩化水素に短時間さらされることがあります (Baldwin と Stewart 1989)。 堆積には、エピタキシャルと非エピタキシャル CVD のより一般的なカテゴリの XNUMX つの広いカテゴリが一般的に使用されています。

エピタキシャル化学蒸着

エピタキシャル成長は、既存の基板ウェーハ層と同じ結晶構造を維持する材料の薄い単結晶膜の厳密に制御された堆積です。 これは、後続の拡散プロセスで半導体コンポーネントを製造するためのマトリックスとして機能します。 ほとんどのエピタキシャル膜は、ホモエピタキシと呼ばれるプロセスで、シリコン オン シリコンなどの同じ材料の基板上に成長します。 サファイア上のシリコンなど、基板上にさまざまな材料の層を成長させることは、ヘテロエピタキシー IC デバイス処理と呼ばれます。

エピタキシャル層の成長には、主に気相、液相、分子線の XNUMX つの技術が使用されます。 液相および分子線エピタキシーは、主に III-V (たとえば GaAs) デバイスの処理に使用されます。 これらについては、記事「III-V 半導体製造」で説明しています。

気相エピタキシーは、900 ~ 1,300 の温度で分子の CVD によって膜を成長させるために使用されます。oC.キャリアガス(通常は水素)中のシリコンと制御された量のp型またはn型ドーパントを含む蒸気が、加熱されたウェーハ上を通過してシリコンのドープ層を堆積する。 この工程は一般に大気圧で行われる。

表 6 は、気相エピタキシーの XNUMX つの主要なタイプ、パラメーター、および発生する化学反応を示しています。

表 6. シリコン気相エピタキシーの主なカテゴリ

計測パラメータ

圧力

大気の

温度

900-1300°C

シリコン源

シラン(SiH4)、四塩化ケイ素(SiCl4)、トリクロロシラン(SiHCl3),
およびジクロロシラン(SiH2Cl2)

ドーパントガス

アルシン (AsH3)、ホスフィン (PH3)、ジボラン (B2H6)

ドーパントガス濃度

≒100ppm

エッチングガス

塩化水素(HCl)

エッチャントガス濃度

≒1~4%

キャリアガス

水素(H2)、窒素(N2)

熱源

無線周波数 (RF) または赤外線 (IR)

気相成長タイプ

化学反応

四塩化ケイ素の水素還元
(1,150~1,300℃)

SiCl4 + 2H2 →Si+4HCl

シランの熱分解
(1,000~1,100℃)

SiH4 →Si+2H2

トリクロロシランの水素還元

SiHCl3 + H2 →Si+3HCl

ジクロロシランの還元

SiH2Cl2 →Si+2HCl

 

エピタキシャルプロセスで通常行われる堆積シーケンスには、次のものが含まれます。

  • 基板洗浄— 物理的なスクラビング、溶剤脱脂、酸洗浄 (硫酸、硝酸、塩酸、フッ化水素が一般的な順序) および乾燥操作
  • ウエハローディング
  • ヒートアップ—窒素パージと約 500 °C への加熱、その後水素ガスが使用され、RF 発生器がウエハーを誘導加熱します。
  • 塩化水素 (HCl) エッチング—通常、1 ~ 4% の濃度の HCl が反応チャンバーに分配されます。
  • 堆積—シリコンソースとドーパントガスが計量され、ウェーハ表面に堆積されます
  • クールダウン-水素ガスは 500°C で再び窒素に切り替えられました
  • 荷降ろし.

 

非エピタキシャル化学蒸着

エピタキシャル成長は、堆積層が基板層と同じ結晶構造配向を有する CVD の非常に特殊な形態ですが、非エピタキシャル CVD は、ガス状化合物の熱反応または分解によって、加熱された基板上に安定した化合物が形成されます。

CVD は多くの材料の堆積に使用できますが、シリコン半導体プロセスでは、エピタキシャル シリコンに加えて、一般的に遭遇する材料は次のとおりです。

  • 多結晶シリコン(ポリシリコン)
  • 二酸化ケイ素 (SiO2—ドープされたものとドープされていないものの両方; pドープガラス)
  • 窒化ケイ素(Si3N4).

 

これらの材料はそれぞれ、さまざまな方法で堆積させることができ、それぞれに多くの用途があります。

表 7 は、差別化のメカニズムとして動作温度を使用して、CVD の XNUMX つの主要なカテゴリを識別します。

表 7. シリコン化学蒸着 (CVD) の主なカテゴリ

計測パラメータ

圧力

大気圧 (APCVD) または低圧 (LPCVD)

温度

500-1,100°C

シリコンおよび窒化物ソース

シラン(SiH4)、四塩化ケイ素(SiCl4)、アンモニア (NH3)、亜酸化窒素 (N20)

ドーパント源

アルシン (AsH3)、ホスフィン (PH3)、ジボラン (B2H6)

キャリアガス

窒素(N2)、水素 (H2)

熱源

コールドウォールシステム — 無線周波数 (RF) または赤外線 (IR)
ホットウォールシステム - 熱抵抗

CVDタイプ

反応

キャリアガス

温度

中温 (≈ 600–1,100 °C)

窒化ケイ素(Si3N4)

3SiH4 + 4NH3 →シ3N4 + 12H2

H2

900-1,100°C

ポリシリコン(ポリSi)

SiH4 + 熱 → Si + 2H2

H2
N2

850-1,000°C
600-700°C

二酸化ケイ素(SiO2)

SiH4 + 4CO2 → SiO2 + 4CO + 2H2O
2H2 +SiCl4 + CO2 → SiO2 + 4HCl *
SiH4 +CO→SiO2 + 2H2 *

N2
H2
H2

500-900°C
800-1,000°C
600-900°C

低温 (≈<600 C) Silox、Pyrox、Vapox、および Nitrox**

二酸化ケイ素(SiO2) または p ドープ SiO2

     

シロックス

SiH4 + 2O2 + ドーパント → SiO2 + 2H2O

N2

200-500 ℃で

パイロックス

SiH4 + 2O2 + ドーパント → SiO2 + 2H2O

N2

<600°C

蒸気

SiH4 + 2O2 + ドーパント → SiO2 + 2H2O

N2

<600°C

窒化ケイ素(Si3N4)

     

ナイトロックス

3SiH4 + 4NH3 (または N2O*) → Si3N4 + 12H2

N2

600-700°C

低温プラズマ強化 (パッシベーション) (<600°C)

無線周波数 (RF) または
反応性スパッタリング

     

二酸化ケイ素(SiO2)

SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H20

   

窒化ケイ素(Si3N4)

3SiH4 + 4NH3 (または N2O*) → Si3N4 + 12H2

   

* 注: 反応は化学量論的にバランスが取れていません。

**CVD 反応器システムの一般名、所有権または商標名

 

次のコンポーネントは、ほぼすべての種類の CVD 装置に含まれています。

  • 反応室
  • ガス制御部
  • 時間およびシーケンス制御
  • 基板用熱源
  • 排水処理。

 

基本的に、CVDプロセスは、制御された量のシリコンまたは窒化物ソースガスを、窒素および/または水素キャリアガス、および必要に応じてドーパントガスとともに、反応室内での化学反応のために供給することを必要とする。 反応器とウェーハの表面温度を制御するだけでなく、化学反応に必要なエネルギーを提供するために熱が加えられます。 反応が完了した後、未反応のソースガスとキャリアガスは、排出物処理システムを通して排出され、大気に排出されます。

パッシベーションは機能的なタイプの CVD です。 これは、一般に、非製造プロセスの前の最終製造ステップとして、シリコン ウェーハの表面に保護酸化物層を成長させることを伴います。 この層は、集積回路の表面を環境中の電気的および化学的条件から隔離することにより、電気的安定性を提供します。

メタライゼーション

デバイスがシリコン基板で製造された後、回路機能を実行するためにデバイスを接続する必要があります。 このプロセスはメタライゼーションとして知られています。 メタライゼーションは、回路内で電気エネルギーを送る導電性材料の複雑なパターンを堆積することにより、集積回路の最上層を配線または相互接続する手段を提供します。

メタライゼーションの広範なプロセスは、堆積される金属やその他の材料の層のサイズと厚さによって異なります。 これらは:

  • 薄膜— おおよその膜厚は XNUMX ミクロン以下
  • 厚膜—おおよその膜厚が 10 ミクロン以上
  • メッキ—フィルムの厚さは薄いものから厚いものまでさまざまですが、一般的には厚いフィルムです。

 

シリコン半導体メタライゼーションに使用される最も一般的な金属は、アルミニウム、ニッケル、クロム、またはニクロムと呼ばれる合金、金、ゲルマニウム、銅、銀、チタン、タングステン、プラチナ、タンタルです。

薄膜または厚膜は、さまざまなセラミックまたはガラス基板上に蒸着または蒸着することもできます。 これらの基質のいくつかの例は次のとおりです: アルミナ (96% Al203)、ベリリア (99% BeO)、ホウケイ酸ガラス、パイロセラム、石英 (SiO2).

薄膜

薄膜メタライゼーションは、多くの場合、高真空または部分真空蒸着または蒸着技術を使用して適用されます。 高真空蒸着の主なタイプは、電子ビーム、フラッシュ、および抵抗蒸着ですが、部分真空蒸着は主にスパッタリングによって行われます。

あらゆるタイプの薄膜真空メタライゼーションを実行するために、システムは通常、次の基本コンポーネントで構成されます。

  • 蒸着に十分な真空を提供するために排気できるチャンバー
  • チャンバー内の周囲ガスを減らすための真空ポンプ(またはポンプ)
  • 真空レベルおよびその他のパラメータを監視するための計装
  • 金属化材料の層を堆積または蒸発させる方法。

 

電子ビーム蒸着、頻繁に呼び出される Eビーム、電子の集束ビームを使用してメタライゼーション材料を加熱します。 電子の高強度ビームは、テレビの受像管で使用されるのと同様の方法で生成されます。 電子の流れは、通常 5 ~ 10 kV の電場で加速され、蒸発する材料に集中します。 電子の集束ビームは、炉床と呼ばれる大きなくぼみのある水冷ブロックに含まれる材料を溶かします。 次に、溶融した材料は真空チャンバー内で蒸発し、チャンバー表面全体だけでなく、冷却したウエハー上にも凝縮します。 次に、標準的なフォトレジスト、露光、現像、およびウェットまたはドライ エッチング操作を実行して、複雑なメタライズ回路の輪郭を描きます。

フラッシュ蒸発 薄い金属化フィルムの堆積のための別の技術です。 この方法は、主に XNUMX つの材料 (合金) の混合物を同時に蒸着する場合に使用されます。 XNUMX 成分膜の例としては、ニッケル/クロム (ニクロム)、クロム/一酸化ケイ素 (SiO)、およびアルミニウム/シリコンがあります。

フラッシュ蒸発では、セラミック バーが熱抵抗によって加熱され、連続的に供給されるワイヤのスプール、ペレットの流れ、または振動によって分配される粉末が、高温のフィラメントまたはバーと接触します。 次に、気化した金属がチャンバーの内部とウェーハの表面をコーティングします。

抵抗蒸着 (フィラメント蒸着とも呼ばれます) は、最も単純で安価な堆積方法です。 蒸発は、フィラメントに流れる電流を徐々に増加させて蒸発させる材料のループを最初に溶かし、それによってフィラメントを湿らせることによって達成される。 フィラメントが濡れると、蒸発が起こるまでフィラメントを流れる電流が増加します。 抵抗蒸着の主な利点は、蒸着できる材料の種類が豊富なことです。

ベルジャーと呼ばれる電子ビーム蒸発器蒸着チャンバーの内面でメンテナンス作業が行われることがあります。 保守技術者がベル ジャーの中に頭を入れていると、重大な暴露が発生する可能性があります。 ベル ジャーの内面に付着した金属残留物を除去すると、このような露出が発生する可能性があります。 例えば、銀の空気中暴露限界をはるかに超える技術者の暴露は、銀を堆積させるために使用される蒸発器から残留物を除去する際に測定された(Baldwin and Stewart 1989)。

ベルジャーの残留物を有機洗浄溶剤で洗浄すると、溶剤への露出が高くなる可能性があります。 このタイプのクリーニング中に、技術者が 250 ppm を超えるメタノールにさらされたことがあります。 この曝露は、メタノールの代わりに洗浄溶媒として水を使用することで排除できます (Baldwin and Stewart 1989)。

このアプリケーションには、XNUMXµmおよびXNUMXµm波長で最大XNUMXWの平均出力を提供する スパッタリング蒸着 このプロセスは、高エネルギー源として直流電流 (DC またはカソード スパッタリング) または RF 電圧を使用して、低圧または部分真空のガス雰囲気で行われます。 スパッタリングでは、粗引きポンプを使用して十分な真空レベルに達した後、アルゴン不活性ガスのイオンが真空チャンバーに導入されます。 電界は、反対に帯電した 5,000 つのプレート間に通常 XNUMX V の高電圧を印加することによって形成されます。 この高エネルギー放電は、アルゴンガス原子をイオン化し、ターゲットと呼ばれるチャンバー内のプレートの XNUMX つに移動して加速させます。 アルゴン イオンが堆積する材料でできたターゲットに衝突すると、これらの原子または分子が放出またはスパッタされます。 次に、メタライゼーション材料の除去された原子は、ターゲットに面するシリコン基板上に薄膜として堆積されます。

多くの古いスパッタ ユニットの側面と背面からの RF 漏れは、職業上の暴露限界を超えていることが判明しました (Baldwin と Stewart 1989)。 漏えいのほとんどは、メンテナンス パネルの取り外しを繰り返すことによって発生したキャビネットの亀裂に起因していました。 同じメーカーの新しいモデルでは、縫い目に沿ってワイヤーメッシュを備えたパネルが大幅な漏れを防ぎます. 古いスパッターはワイヤー メッシュで後付けすることができます。あるいは、銅テープを使用して継ぎ目を覆い、漏れを減らすこともできます。

厚膜

ほとんどの厚膜の構造と寸法は、主にサイズの制約により、シリコン集積回路のメタライゼーションと互換性がありません。 厚膜は主に、LCD の製造など、ハイブリッド電子構造のメタライゼーションに使用されます。

シルク スクリーン プロセスは、厚膜アプリケーションの主要な方法です。 通常使用される厚膜材料は、パラジウム、銀、二酸化チタンとガラス、金-プラチナとガラス、金-ガラスと銀-ガラスです。

抵抗性厚膜は、通常、シルクスクリーン技術を使用してセラミック基板上に堆積およびパターン化されます。 サーメット フィラーとして有機樹脂を含むセラミックマトリックス中の導電性金属粒子の懸濁液で構成される抵抗性厚膜の形態です。 典型的なサーメット構造は、一酸化ケイ素または二酸化ケイ素マトリックス内のクロム、銀、または酸化鉛で構成されています。

メッキ

半導体基板上に金属膜を形成するには、電気めっきと無電解めっきの XNUMX つの基本的なめっき技術が使用されます。

In 電気メッキ、めっきされる基板は、めっきタンクのカソード、または負に帯電した端子に配置され、電解液に浸漬されます。 めっきされる金属で作られた電極は、陽極、または正に帯電した端子として機能します。 溶液に直流電流が流れると、陽極から溶液に溶解した正電荷の金属イオンが移動し、陰極 (基板) にメッキされます。 このめっき法は、金や銅の導電膜を形成するために使用されます。

In 無電解メッキ、めっきされる金属の同時還元および酸化は、遊離金属原子または分子の形成に使用されます。 めっき工程での通電が不要なため、絶縁タイプの基板にも対応できます。 ニッケル、銅、および金は、この方法で堆積される最も一般的な金属です。

合金化/アニール

メタライズされた相互接続が堆積およびエッチングされた後、合金化およびアニーリングの最終ステップが実行され得る。 合金化は、アルミニウム金属とシリコン基板間の低抵抗接触を確保するために、通常はアルミニウムを含む金属化基板を低温拡散炉に配置することで構成されます。 最後に、合金工程中またはその直後に、ウエハーは、400 ~ 500°C の拡散炉内で水素を含むガス混合物にさらされることがよくあります。 アニーリングステップは、シリコンと二酸化シリコンの界面またはその近くで水素を拘束されていない原子と結合させることにより、デバイスの特性を最適化および安定化するように設計されています。

バックラッピングと裏面メタライゼーション

バックラッピングと呼ばれるオプションのメタライゼーション処理ステップもあります。 ウェット研磨溶液と圧力を使用して、ウェーハの裏側をラッピングまたは研磨することができます。 金などの金属は、スパッタリングによってウェーハの裏側に堆積させることができる。 これにより、最終的な組み立て時に、分離されたダイをパッケージに簡単に取り付けることができます。

組み立てとテスト

外部パッケージング、付属品、カプセル化、組み立て、およびテストを含む非加工処理は、通常、別々の生産施設で行われ、多くの場合、これらの労働集約的な仕事を行うのに費用がかからない東南アジア諸国で行われます。 さらに、プロセスおよび微粒子制御のための換気要件は、非製造プロセス領域では一般的に異なります (非クリーンルーム)。 製造プロセスのこれらの最終ステップには、はんだ付け、脱脂、化学物質と放射線源によるテスト、レーザーによるトリミングとマーキングなどの操作が含まれます。

半導体製造中のはんだ付けでは、通常、高い鉛露出は発生しません。 集積回路への熱による損傷を防ぐため、はんだ温度は、溶融鉛の煙が大量に発生する温度 (430°C) 未満に保たれます。 ただし、鉛含有残留物をこすり落としたりブラッシングしたりしてはんだ装置を洗浄すると、50 μg/mXNUMX を超える鉛暴露になる可能性があります。3 (ボールドウィンとスチュワート 1989)。 また、200 μg/m の鉛暴露3 ウェーブはんだ作業中に不適切なドロス除去技術が使用されたときに発生しました (Baldwin and Williams 1996)。

はんだ付け作業で増大している懸念の 1987 つは、はんだフラックスの熱分解生成物への暴露による呼吸器への刺激と喘息です。これは、歴史的に局所排気換気が一般的に使用されていない手はんだ付けまたはタッチアップ作業中に発生します (ウェーブはんだ付け作業とは異なり、過去数十年間、典型的には使い古されたキャビネットに閉じ込められていました) (Goh and Ng XNUMX)。 詳細については、記事「プリント回路基板とコンピューターの組み立て」を参照してください。

はんだフラックスのコロホニーは感作物質であるため、空気サンプリングの結果に関係なく、すべての曝露をできるだけ低くする必要があります。 特に、はんだ付けを長時間 (たとえば 2 時間以上) 実行する場合は、新しいはんだ付け設備に局所排気装置を設ける必要があります。

手はんだ付けによる煙は、熱流に沿って垂直に上昇し、はんだ付けポイントにかがむと、従業員の呼吸ゾーンに入ります。 制御は通常、はんだチップで効果的な高速かつ少量の局所排気換気によって実現されます。

ろ過された空気を職場に戻す装置は、ろ過効率が不十分な場合、二次汚染を引き起こし、はんだ付け以外の作業室内の人々に影響を与える可能性があります。 ろ過された空気は、はんだ付けの量が少なく、部屋全体の希釈換気が良好でない限り、作業室に戻してはなりません。

ウェーハのソートとテスト

ウェーハ製造が完了した後、本質的に仕上げられた各ウェーハは、コンピュータ制御プローブで各特定のダイ上の集積回路が電気的にテストされるウェーハソートプロセスを受けます。 個々のウェハには、テストが必要な XNUMX から数百の個別のダイまたはチップが含まれる場合があります。 テスト結果が終了した後、ダイは自動的にディスペンスされた XNUMX 液性エポキシ樹脂で物理的にマークされます。 赤と青は、必要な電気的仕様を満たさないダイを識別して分類するために使用されます。

ダイ分離

ウェーハ上のデバイスまたは回路をテストし、マークを付けて分類したら、ウェーハ上の個々のダイを物理的に分離する必要があります。 個々のダイを分離するために、ダイヤモンド スクライビング、​​レーザー スクライビング、​​ダイヤモンド ホイール ソーイングなど、さまざまな方法が設計されています。

ダイヤモンドスクライビングは、使用されている最も古い方法であり、ウエハー表面の個々のダイを分離するスクライブラインまたは「ストリート」に沿って、ウエハー全体に正確な形状のダイヤモンドが埋め込まれたチップを描画することを含みます。 スクライビングによって生じる結晶構造の欠陥により、ウェーハはこの線に沿って曲げられ、破砕されます。

レーザースクライビングは、比較的最近のダイ分割技術です。 レーザー ビームは、パルス高出力ネオジム イットリウム レーザーによって生成されます。 ビームは、スクライブ ラインに沿ってシリコン ウェーハに溝を生成します。 溝は、ウェーハがそれに沿って破断する線として機能します。

ダイ分離の方法として広く使用されているのはウェット ソーイングです。これは、高速円形ダイヤモンド ソーを使用して基板を通りに沿って切断する方法です。 ソーイングでは、シリコン基板を部分的に切断 (スクライブ) または完全に切断 (ダイス) することができます。 道路から除去された材料の湿ったスラリーは、ソーイングによって生成されます。

ダイアタッチとボンディング

個々のダイまたはチップは、キャリア パッケージおよび金属リード フレームに取り付ける必要があります。 キャリアは通常、セラミックまたはプラスチックのいずれかの絶縁材料でできています。 セラミック担体材料は通常、アルミナ (Al) でできています。2O3)、しかしおそらくベリリア (BeO) またはステアタイト (MgO-SiO) で構成されている可能性があります2)。 プラスチックキャリア材料は、熱可塑性または熱硬化性樹脂タイプのいずれかです。

個々のダイの取り付けは、通常、共晶、プリフォーム、およびエポキシの 370 つの異なるタイプの取り付けのいずれかによって行われます。 共晶ダイの取り付けには、金シリコンなどの共晶ろう付け合金の使用が含まれます。 この方法では、金の層がダイの裏側にあらかじめ堆積されます。 パッケージを共晶温度 (金シリコンの場合は XNUMX°C) 以上に加熱し、その上にダイを配置することで、ダイとパッケージの間に結合が形成されます。

プリフォーム ボンディングでは、ダイとパッケージの両方に接着する特殊な組成の材料の小片を使用します。 パッケージのダイアタッチ領域にプリフォームを置き、溶融させます。 次に、ダイが取り付けられるまでダイを領域全体でこすってから、パッケージを冷却します。

エポキシ接着では、エポキシ接着剤を使用してダイをパッケージに取り付けます。 パッケージに一滴のエポキシを塗布し、その上にダイを配置します。 エポキシを適切に硬化させるために、パッケージを高温で焼き付ける必要がある場合があります。

ダイがパッケージに物理的に取り付けられたら、集積回路とパッケージのリード間に電気接続を提供する必要があります。 これは、熱圧着、超音波、またはサーモソニック ボンディング技術を使用して、シリコン チップの接触領域とパッケージ リードの間に金またはアルミニウム ワイヤを取り付けることによって実現されます。

熱圧着は金線でよく使用され、パッケージを約 300 ℃ に加熱する必要があります。oC と熱と圧力の両方を使用してワイヤとボンディング パッドの間の結合を形成します。 XNUMX つの主要なタイプの熱圧着が使用されています。ボールボンディング および ウェッジボンディング. 金ワイヤのみに使用されるボールボンディングは、ワイヤを毛細管に通して圧縮し、水素炎でワイヤを溶かします。 さらに、これにより、次のボンディング サイクルのためにワイヤの端に新しいボールが形成されます。 ウェッジ ボンディングには、くさび形のボンディング ツールとシリコン チップとパッケージをボンディング パッド上に正確に配置するために使用される顕微鏡が含まれます。 このプロセスは、不活性雰囲気で実行されます。

超音波ボンディングでは、超音波の高周波エネルギーのパルスを使用して、ワイヤとボンディング パッドの間に結合を形成するスクラブ動作を提供します。 超音波ボンディングは、主にアルミニウム ワイヤで使用され、ボンディング操作中に回路チップを加熱する必要がないため、熱圧着ボンディングよりも好まれます。

サーモソニック ボンディングは、金ワイヤ ボンディングにおける最近の技術的変化です。 超音波と熱エネルギーの組み合わせを使用し、熱圧着よりも少ない熱で済みます。

カプセル化

カプセル化の主な目的は、集積回路のアプリケーションに関連する電気的、熱的、化学的、および物理的な要件を満たすパッケージに集積回路を入れることです。

最も広く使用されているパッケージ タイプは、ラジアル リード タイプ、フラット パック、およびデュアルインライン (DIP) パッケージです。 ラジアル リード タイプのパッケージは、ほとんどが鉄、ニッケル、コバルトの合金であるコバールでできており、硬質ガラス シールとコバール リードが付いています。 フラットパックは、通常、セラミック、ガラス、および金属部品を組み合わせたアルミニウム合金で作られた金属リード フレームを使用します。 デュアルインライン パッケージは一般的に最も一般的で、多くの場合、セラミックまたはモールド プラスチックを使用します。

成形プラスチック半導体パッケージは、主に XNUMX つの別々のプロセスで製造されます。トランスファーモールディング および 射出成形. トランスファー成形は、主要なプラスチック封止方法です。 この方法では、チップはトリミングされていないリードフレームに取り付けられ、金型にバッチロードされます。 粉末状またはペレット状の熱硬化性プラスチック成形コンパウンドを加熱したポットで溶かし、圧力を加えて充填した金型に押し込みます (移送します)。 粉末状またはペレット状のプラスチック成形コンパウンド システムは、エポキシ、シリコーン、またはシリコーン/エポキシ樹脂に使用できます。 システムは通常、次の混合物で構成されています。

  • 熱硬化性樹脂—エポキシ、シリコーンまたはシリコーン/エポキシ
  • 硬化剤—エポキシノボラックおよびエポキシ無水物
  • フィラー—シリカ溶融または結晶二酸化ケイ素(SiO2)およびアルミナ(Al2O3)、一般に重量の 50-70%
  • 難燃剤—三酸化アンチモン (Sb2O3) 一般に重量の 1-5%。

 

射出成形では、制御された温度のシリンダー内で融点まで加熱され、圧力下でノズルから金型に押し込まれる熱可塑性または熱硬化性成形コンパウンドを使用します。 樹脂が急速に凝固し、金型が開き、封止パッケージが排出されます。 射出成形には多種多様なプラスチック化合物が使用されており、エポキシおよびポリフェニレンサルファイド (PPS) 樹脂は、半導体カプセル化の最新のエントリーです。

シリコン半導体デバイスの最終的なパッケージングは​​、漏れに対する耐性、または集積回路をその環境から隔離する能力に従って分類されます。 これらは、ハーメチック (気密) または非ハーメチック シールとして区別されます。

リークテストとバーンイン

リークテスト パッケージ化されたデバイスの実際のシール能力または気密性をテストするために開発された手順です。 リークテストには、ヘリウムリーク検出と放射性トレーサーリーク検出の XNUMX つの一般的な形式が使用されています。

ヘリウム漏れ検出では、完成したパッケージをヘリウム圧の雰囲気に一定期間置きます。 ヘリウムは、欠陥を通り抜けてパッケージに浸透することができます。 ヘリウム加圧チャンバーから取り出した後、パッケージを質量分析チャンバーに移し、パッケージの欠陥からのヘリウム漏れを検査します。

85番目の方法では、ヘリウムの代わりに放射性トレーサーガス、通常はクリプトン-85 (Kr-5) を使用し、パッケージから漏れる放射性ガスを測定します。 通常の条件下では、このプロセスによる人体への曝露は年間 500 ミリシーベルト (1989 ミリレム) 未満です (Baldwin と Stewart XNUMX)。 これらのシステムの管理には、通常、次のものが含まれます。

  • 必要な人員のみがアクセスできる部屋での隔離
  • Kr-85を含む部屋のドアに放射線警告標識を掲示した
  • アラームと自動シャットダウン/隔離を備えた連続放射線モニター
  • 専用排気システムと負圧室
  • 個人線量測定による被ばくの監視(例:放射線フィルムバッジ)
  • アラームとインターロックの定期的なメンテナンス
  • 放射性物質の漏えいを定期的にチェック
  • オペレーターと技術者のための安全トレーニング
  • 放射線被ばくが合理的に達成可能な限り低く保たれるようにする(ALARA)。

 

また、Kr-85 と接触する材料 (露出した IC、使用済みのポンプ オイル、バルブ、O リングなど) は、それらが除去される前に残留ガスのために過度のレベルの放射線を放出しないことを確認するために調査されます。制御された領域。 Leach-Marshal (1991) は、Kr-85 微量漏れ検出システムからの曝露と制御に関する詳細な情報を提供しています。

バーンイン 最終的にパッケージ化されたデバイスの信頼性を決定するための温度および電気的ストレス操作です。 デバイスは、周囲雰囲気または窒素の不活性雰囲気を使用して、温度制御されたオーブンに長時間置かれます。 温度範囲は 125°C から 200°C (平均 150°C) で、時間は数時間から 1,000 時間 (平均 48 時間) です。

最終試験

パッケージ化されたシリコン半導体デバイスの性能を最終的に評価するために、最終的な電気的テストが実施されます。 必要なテストの数が多く複雑であるため、コンピュータは、デバイスの最終的な機能にとって重要な多数のパラメータのテストを実行および評価します。

印を付けて梱包する

最終的にパッケージ化されたデバイスの物理的な識別は、さまざまなマーキング システムを使用して行われます。 コンポーネント マーキングの XNUMX つの主要なカテゴリは、接触印刷と非接触印刷です。 通常、コンタクト印刷には、溶剤系インクを使用したロータリー オフセット技術が組み込まれています。 物理的な接触なしでマーキングを転写する非接触印刷には、溶剤ベースのインクまたはレーザーマーキングを使用したインクジェットヘッドまたはトナー印刷が含まれます。

印刷インクのキャリアとして、またプレクリーナーとして使用される溶剤は、通常、アルコール (エタノール) とエステル (酢酸エチル) の混合物で構成されています。 レーザー マーキング以外のコンポーネント マーキング システムのほとんどは、インクを使用しており、硬化には追加の手順が必要です。 これらの硬化方法は、空気硬化、熱硬化(熱または赤外線)および紫外線硬化です。 紫外線硬化インクには溶剤が含まれていません。

レーザーマーキングシステムは、強力な二酸化炭素 (CO2) レーザー、または高出力のネオジム: イットリウム レーザー。 これらのレーザーは通常、機器に組み込まれており、ビーム経路とビームがターゲットに接触するポイントを囲むインターロック キャビネットを備えています。 これにより、通常の操作中のレーザー光線の危険はなくなりますが、安全インターロックが無効になると懸念があります。 ビーム エンクロージャを取り外してインターロックを解除する必要がある最も一般的な操作は、レーザー ビームの位置合わせです。

これらのメンテナンス作業中は、必要なメンテナンス技術者を除いて、レーザーを含む部屋から退避し、部屋のドアをロックし、適切なレーザー安全標識を掲示することが理想的です。 ただし、半導体製造で使用される高出力レーザーは、多くの場合、大規模でオープンな製造エリアに配置されているため、メンテナンス中に非メンテナンス担当者を移動させることは現実的ではありません。 このような状況では、通常、一時的な制御域が確立されます。 通常、これらの制御領域は、レーザー ビームとの直接接触に耐えることができるレーザー カーテンまたは溶接スクリーンで構成されます。 一時的な制御エリアへの入り口は、通常、レーザーのインターロックが無効になるたびに警告サインが掲示されている迷路の入り口を通ります。 ビームアライメント中のその他の安全上の注意事項は、オープンビームの高出力レーザーの操作に必要なものと同様です (トレーニング、目の保護、書面による手順など)。

高出力レーザーは、半導体業界で最も重大な電気的危険の XNUMX つでもあります。 電源がオフになった後でも、ツール内には重大な衝撃の可能性が存在するため、キャビネット内で作業する前に放散する必要があります。

光線障害と電気障害に加えて、難燃剤である三酸化アンチモンとベリリウムによる化学汚染の可能性があるため、レーザー マーキング システムのメンテナンスを行う際にも注意が必要です (この化合物を含むセラミック パッケージにはラベルが付けられます)。 高出力レーザーによるマーキング中に煙が発生し、機器の表面や煙抽出フィルターに残留物が発生する可能性があります。

過去には、半導体に識別コードを付ける前に脱脂剤を使用して半導体を洗浄していました。 オペレーターが落とした部品を取り出そうとしたり、技術者が製品の底から残留物を掃除したりするときに発生する可能性があるように、オペレーターの頭が冷却コイルの下に置かれ、蒸気が再凝縮する場合、該当する職業上の空気中の暴露限界を超える溶媒暴露が容易に発生する可能性があります。ユニット (Baldwin and Stewart 1989)。 脱脂剤の使用は、フロンや塩素系溶剤などのオゾン層破壊物質の使用制限により、半導体業界で大幅に削減されました。

故障解析と品質保証

通常、故障解析および品質解析ラボでは、デバイスの信頼性を確保するために使用されるさまざまな操作を実行します。 これらの実験室で行われる操作の一部は、従業員が曝露する可能性を示しています。 これらには以下が含まれます:

  • 採点試験 ホットプレート上の加熱されたビーカーで、さまざまな溶媒と腐食性の混合物を利用します。 漏洩排出を制御するには、適切な面速度を備えた金属フードの形の局所排気換気 (LEV) が必要です。 モノエタノールアミン溶液は、空気中の暴露限度を超える暴露をもたらす可能性があります (Baldwin and Williams 1996)。
  • 気泡/漏れ試験 高分子量フルオロカーボン(商品名フロリナーツ)の利用
  • X線包装ユニット.

 

コバルト 60 (最大 26,000 キュリー) は、軍事および宇宙用途で IC がガンマ線への曝露に耐える能力をテストするための照射器で使用されます。 通常の条件下では、この作業による人員の被ばくは年間 5 ミリシーベルト (500 ミリレム) 未満です (Baldwin と Stewart 1989)。 このやや特殊な操作の制御は、Kr-85 の微量漏れシステムに使用されるものと似ています (例えば、隔離された部屋、連続放射線モニター、人員の被ばく監視など)。

小さな「特定のライセンス」アルファ源 (例えば、Americium-241 のマイクロおよびミリキュール) が故障解析プロセスで使用されます。 これらのソースは、ウィンドウと呼ばれる薄い保護コーティングで覆われており、アルファ粒子がソースから放出され、アルファ粒子が衝突したときに集積回路が動作する能力をテストできます。 通常、線源は、保護ウィンドウが損傷した場合に発生する可能性がある放射性物質の漏れがないか、定期的に (たとえば、半年ごとに) チェックされます。 漏出が検出されると、通常、発生源が取り除かれ、製造元に返送されます。

キャビネット X 線システムは、金属コーティングの厚さをチェックし、欠陥 (モールド コンパウンド パッケージ内の気泡など) を特定するために使用されます。 重大な漏れの原因ではありませんが、これらのユニットは通常、X 線漏れがないか携帯型サーベイ メーターで定期的に (例: 年 XNUMX 回) チェックされ、ドア インターロックが適切に動作することを確認するために検査されます。

配送

出荷は、ほとんどのシリコン半導体デバイス メーカーの関与の終着点です。 マーチャント半導体メーカーは自社製品を他の最終製品メーカーに販売しますが、キャプティブ メーカーはデバイスを自社の最終製品に使用します。

健康研究

プロセスの各ステップでは、特定の EHS の問題を引き起こす特定の化学物質とツールのセットが使用されます。 シリコン半導体デバイス処理における特定のプロセス段階に関連する懸念に加えて、疫学的研究では、半導体産業の従業員の健康への影響が調査されました (Schenker et al. 1992)。 記事「健康への影響と病気のパターン」の説明も参照してください。

この研究の主な結論は、半導体製造施設での作業は、自然流産 (SAB) の増加率と関連しているということでした。 この研究の歴史的要素では、製造業と非製造業の従業員で研究された妊娠の数はほぼ同じでしたが (それぞれ 447 と 444)、非製造業 (n=67) よりも製造業 (n=46) で自然流産が多くなりました。 . バイアスを引き起こす可能性のあるさまざまな要因 (年齢、民族性、喫煙、ストレス、社会経済的地位、妊娠歴) を調整すると、捏造と非捏造の相対リスク (RR) は 1.43 (95% 信頼区間 = 0.95-2.09) でした。 .

研究者らは、半導体製造で使用される特定のエチレンベースのグリコールエーテル (EGE) への曝露と SAB 率の増加を関連付けました。 研究に関与し、生殖への悪影響を引き起こす疑いのある特定のグリコールエーテルは次のとおりです。

  • 2-メトキシエタノール (CAS 109-86-4)
  • 酢酸2-メトキシエチル (CAS 110-49-6)
  • 酢酸 2-エトキシエチル (CAS 111-15-9)。

 

研究の一部ではありませんが、業界で使用されている他の 2 つのグリコール エーテル、110-エトキシエタノール (CAS 80-5-111) とジエチレングリコール ジメチル エーテル (CAS 96-6-XNUMX) は、同様の毒性効果があり、一部によって禁止されています。半導体メーカー。

特定のグリコールエーテルへの暴露に関連するSAB率の増加に加えて、研究は次のようにも結論付けています。

  • フッ化物暴露 (エッチング中) と SAB には一貫性のない関連性が存在しました。
  • 自己報告されたストレスは、製造エリアで働く女性の間で、SAB の強力な独立した危険因子でした。
  • 製造エリアで働く女性は、非製造エリアの女性よりも妊娠するまでに時間がかかりました。
  • 非製造業の労働者と比較して、製造業の労働者では、呼吸器症状(目、鼻、喉の炎症および喘鳴)の増加が見られました。
  • 手、手首、肘、前腕の痛みなどの上肢遠位部の筋骨格症状は、製作室での作業に関連していました。
  • 皮膚炎および脱毛症(脱毛症)は、非製造業の労働者よりも製造業の労働者の間でより頻繁に報告されました.

 

設備レビュー

半導体製造装置の複雑さと、製造プロセスの継続的な進歩により、EHS リスクを最小限に抑えるために、新しいプロセス装置の設置前のレビューが重要になります。 XNUMX つの機器レビュー プロセスは、新しい半導体プロセス機器が適切な EHS コントロールを備えていることを確認するのに役立ちます。CE マーキングと半導体機器材料国際 (SEMI) 規格です。

CE マーキングは、そのようにマークされた機器が欧州連合 (EU) の該当するすべての指令の要件に準拠していることを示す製造業者の宣言です。 半導体製造装置の場合、機械指令 (MD)、電磁適合性 (EMC) 指令、および低電圧指令 (LVD) が最も適用される指令と見なされます。

EMC 指令の場合、試験要件を定義し、試験結果を承認するために、有能な機関 (EU 加盟国によって公式に認可された組織) のサービスを保持する必要があります。 MD および LVD は、製造業者または公認機関 (EU 加盟国によって公式に認可された組織) のいずれかによって評価される場合があります。 選択した方法 (自己評価または第三者) に関係なく、輸入製品に CE マークを付ける責任を負うのは登録輸入者です。 彼らは、機器が該当する指令の要件を満たしているという信念の根拠として、第三者または自己評価情報を使用することができますが、最終的には、適合宣言を準備し、CE マーキングを自分で貼り付けます。

Semiconductor Equipment and Materials International は、半導体およびフラット パネル ディスプレイの機器および材料のサプライヤーを代表する国際貿易協会です。 その活動の中には、製品の品質と信頼性を向上させ、適正な価格と安定した供給を目的としたサプライヤーと顧客の間の協定である自主的な技術基準の開発があります。

新しい機器の EHS に特に適用される 2 つの SEMI 規格は、SEMI S8 と SEMI S2 です。 SEMI S93-XNUMX、 半導体製造装置の安全ガイドライン、半導体製造で使用される機器のパフォーマンスベースの EHS 考慮事項の最小セットとして意図されています。 SEMI S8-95、 サプライヤー 人間工学達成基準 ユーザーズ ガイド、SEMI S2 のエルゴノミクス セクションを拡張します。

多くの半導体メーカーは、新しい機器が SEMI S2 の要件を満たしていることを第三者によって認定することを要求しています。 SEMI S2-93 と SEMI S8-95 を解釈するためのガイドラインは、業界コンソーシアム SEMATECH (SEMATECH 1996) による出版物に含まれています。 SEMI に関する追加情報は、ワールドワイド ウェブ (http://www.semi.org).

ケミカルハンドリング

液体分注

自動化された化学薬品供給システムが例外ではなく一般化したことで、従業員の化学熱傷の数は減少しました。 ただし、これらの自動化学薬品分配システムには、適切な安全装置を取り付ける必要があります。 これらには以下が含まれます:

  • バルク供給源とジャンクションボックスでの漏れ検出と自動遮断
  • 化学物質が危険物とみなされる場合、ラインの二重封じ込め
  • エンドポイントの高レベルセンサー (バスまたはツール容器)
  • 時限ポンプ停止 (自動的に停止する前に、特定の量だけを特定の場所にポンプで送ることができます)。

ガス分配

ガス分配の安全性は、新しいタイプのシリンダー バルブ、シリンダーに組み込まれた流量制限オリフィス、自動化されたガス パージ パネル、高流量の検出と遮断、およびより高度な漏れ検出装置の出現により、長年にわたって大幅に改善されてきました。 自然発火性があり、原料として幅広く使用されているため、シランガスは業界で最も重大な爆発の危険性を示しています。 しかし、Factory Mutual と SEMATECH が実施した新しい研究により、シランガス事故はより予測可能になりました。 適切な減圧オリフィス (RFO)、供給圧力、および換気率により、ほとんどの爆発事故は排除されています (SEMATECH 1995)。

近年、相容れないガスの制御不能な混合により、いくつかの安全事故が発生しています。 これらの事故のため、半導体メーカーは、ガスラインの設置とツールガスボックスを見直して、ガスの不適切な混合や逆流が発生しないようにすることがよくあります。

化学的問題は通常、半導体製造における最大の懸念事項です。 しかし、業界内での怪我や死亡のほとんどは、化学物質以外の危険が原因です。

電気安全

この業界で使用される機器には、多数の電気的危険が伴います。 安全インターロックは電気の安全性において重要な役割を果たしますが、これらのインターロックは保守技術者によって無効にされることがよくあります。 通常、かなりの量のメンテナンス作業は、機器がまだ通電されているか、部分的にしか通電されていない間に実行されます。 最も重大な電気的危険は、イオン注入装置とレーザー電源に関連しています。 電源がオフになった後でも、ツール内には重大な衝撃の可能性が存在するため、ツール内で作業する前に放散する必要があります。 米国の SEMI S2 レビュー プロセスとヨーロッパの CE マークは、新しい機器の電気的安全性を向上させるのに役立ちましたが、保守作業は常に適切に考慮されているわけではありません。 新しく設置されたすべての機器について、メンテナンス作業と電気的危険性を慎重に検討する必要があります。

電気的危険リストの XNUMX 番目に挙げられるのは、エッチング、スパッタリング、およびチャンバー クリーニング プロセス中に RF エネルギーを生成する一連の機器です。 RF 火傷のリスクを最小限に抑えるには、適切なシールドと接地が必要です。

これらの電気的危険と、メンテナンス作業中に電源が切られない多くのツールにより、メンテナンス技術者は、ロックアウト/タグアウト手順など、自分自身を保護するための他の手段を採用する必要があります。 電気的危険は、ロックアウト/タグアウトで対処される唯一のエネルギー源ではありません。 他のエネルギー源には、多くが危険なガスまたは液体を含む加圧ライン、および空気圧制御が含まれます。 これらのエネルギー源を制御するための切断は、すぐに利用できる場所にある必要があります。 ファブ サブファブなどの不便な場所ではなく、従業員が作業する (製造) またはチェイス エリア。

エルゴノミクス

従業員とツールの間のインターフェースは、引き続き怪我を引き起こします。 筋肉の緊張や捻挫は、半導体業界、特に保守技術者の間ではかなり一般的です。 ポンプ、チャンバー カバーなどへのアクセスは、ツールの製造中および工場でのツールの配置中に適切に設計されていないことがよくあります。 ポンプはキャスター付きであるか、引き出し式の引き出しまたはトレイに配置する必要があります。 リフト装置は、多くの操作に組み込む必要があります。

単純なウェーハの取り扱いは、特に古い施設では人間工学的な危険を引き起こします。 新しい施設では通常、ウェーハが大きくなるため、より自動化された処理システムが必要になります。 これらのウエハー処理システムの多くはロボット装置と見なされており、これらのシステムの設計および設置時には、これらのシステムの安全性を考慮する必要があります (ANSI 1986)。

火災安全

すでに対処されているシランガスに加えて、水素ガスは重大な火災の危険性がある可能性があります。 しかし、それはよりよく理解されており、業界は水素に関連する多くの主要な問題を見ていません。

現在最も深刻な火災の危険は、 ウェットデッキ またはエッチング浴。 典型的なプラスチックの構成材料 (ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、難燃性ポリプロピレン) はすべてファブに関与しています。 発火します。 発火源は、エッチングまたはめっき浴ヒーター、電気制御装置がプラスチックまたは隣接するツールに直接取り付けられている場合があります。 これらのプラスチック製ツールのいずれかで火災が発生すると、粒子汚染と腐食性の燃焼生成物が工場全体に広がります。 エリアと設備をクリーンルームの基準に戻すまでの間、ファブでダウンタイムが発生するため、経済的損失は大きくなります。 多くの場合、一部の高価な機器は適切に除染できず、新しい機器を購入する必要があります。 したがって、適切な防火と防火の両方が重要です。

防火は、さまざまな不燃建材で対処できます。 ステンレス鋼は、これらのウェットデッキの構成材料として好まれますが、多くの場合、プロセスは金属ツールを「受け入れません」. 発火/発煙の可能性が低いプラスチックは存在しますが、半導体製造プロセスに適合するかどうかを判断するための十分なテストはまだ行われていません。

防火のために、これらのツールは、遮るもののないスプリンクラーで保護する必要があります。 ウェット ベンチの上に HEPA フィルターを配置すると、スプリンクラー ヘッドがブロックされることがよくあります。 これが発生した場合、追加のスプリンクラー ヘッドがフィルターの下に取り付けられます。 多くの企業は、多くの火災が発生するこれらのツールのプレナム キャビティ内に火災検知および抑制システムを設置することも要求しています。

 

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