Sábado, março 19 2011 20: 44

Fabricação de Semicondutores de Silício

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Visão geral do processo

A descrição do processamento de dispositivos semicondutores de silício, sejam dispositivos discretos (um semicondutor contendo apenas um dispositivo ativo, como um transistor) ou ICs (matrizes interconectadas de elementos ativos e passivos dentro de um único substrato semicondutor capaz de executar pelo menos uma função de circuito eletrônico) , envolve inúmeras operações altamente técnicas e específicas. A intenção desta descrição é fornecer uma estrutura básica e uma explicação das etapas do componente principal utilizadas na fabricação de um dispositivo semicondutor de silício e as questões ambientais, de saúde e segurança (EHS) associadas.

A fabricação de um CI envolve uma sequência de processos que podem ser repetidos muitas vezes antes que um circuito seja concluído. Os ICs mais populares usam 6 ou mais máscaras para completar os processos de padronização, sendo típico de 10 a 24 máscaras. A fabricação de um microcircuito começa com um wafer de silício de pureza ultra-alta de 4 a 12 polegadas de diâmetro. Silício perfeitamente puro é quase um isolante, mas certas impurezas, chamadas dopantes, adicionados em quantidades de 10 a 100 partes por milhão, fazem o silício conduzir eletricidade.

Um circuito integrado pode consistir em milhões de transistores (também diodos, resistores e capacitores) feitos de silício dopado, todos conectados pelo padrão apropriado de condutores para criar a lógica do computador, memória ou outro tipo de circuito. Centenas de microcircuitos podem ser feitos em um wafer.

Seis principais etapas de processamento de fabricação são universais para todos os dispositivos semicondutores de silício: oxidação, litografia, corrosão, dopagem, deposição química de vapor e metalização. Estes são seguidos pela montagem, teste, marcação, embalagem e envio.

Oxidação

Geralmente, a primeira etapa no processamento de dispositivos semicondutores envolve a oxidação da superfície externa do wafer para formar uma camada fina (cerca de um mícron) de dióxido de silício (SiO2). Isso protege principalmente a superfície de impurezas e serve como uma máscara para o processo de difusão subsequente. Essa capacidade de desenvolver um wafer protetor quimicamente estável de dióxido de silício em silício torna os wafers de silício o substrato semicondutor mais amplamente utilizado.

A oxidação, comumente chamada de oxidação térmica, é um processo descontínuo que ocorre em um forno de difusão de alta temperatura. A camada protetora de dióxido de silício é cultivada em atmosferas contendo oxigênio (O2) (oxidação seca) ou oxigênio combinado com vapor de água (H2O) (oxidação úmida). As temperaturas no forno variam de 800 a 1,300oC. Compostos de cloro na forma de cloreto de hidrogênio (HCl) também podem ser adicionados para ajudar a controlar as impurezas indesejadas.

A tendência em instalações de fabricação mais novas é para fornos de oxidação verticais. Os fornos verticais atendem melhor à necessidade de maior controle de contaminação, wafer de tamanho maior e processamento mais uniforme. Eles permitem uma pegada de equipamento menor que conserva o precioso espaço da sala limpa.

oxidação seca

Os wafers de silício a serem oxidados são primeiro limpos, usando uma solução de detergente e água, e o solvente enxaguado com xileno, álcool isopropílico ou outros solventes. Os wafers limpos são secos, carregados em um suporte de wafer de quartzo chamado barco e carregado na extremidade do operador (fim de carga) do tubo ou célula do forno de difusão de quartzo. A extremidade de entrada do tubo (final da fonte) fornece oxigênio de alta pureza ou mistura de oxigênio/nitrogênio. O fluxo de oxigênio “seco” é controlado no tubo de quartzo e garante que um excesso de oxigênio esteja disponível para o crescimento do dióxido de silício na superfície do wafer de silício. A reação química básica é:

Si + O2 → SiO2

Oxidação úmida

Quatro métodos de introdução de vapor de água são comumente usados ​​quando a água é o agente oxidante - pirofórico, alta pressão, borbulhador e flash. As reações químicas básicas são:

Pirofórico e alta pressão: Si + 2O2 + 2 H2 → SiO2 + 2H2O

Flash e borbulhador: Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

oxidação pirofórica envolve a introdução e combustão de uma mistura de gás hidrogênio/oxigênio. Esses sistemas são geralmente chamados de hidrogênio queimado or tocha sistemas. O vapor de água é produzido quando quantidades adequadas de hidrogênio e oxigênio são introduzidas na extremidade de entrada do tubo e deixadas reagir. A mistura deve ser controlada com precisão para garantir uma combustão adequada e evitar o acúmulo de gás hidrogênio explosivo.

Oxidação de alta pressão (HiPox) é tecnicamente chamado de sistema de pirossíntese de água e gera vapor de água através da reação de hidrogênio ultrapuro e oxigênio. O vapor é então bombeado para uma câmara de alta pressão e pressurizado a 10 atmosferas, o que acelera o processo de oxidação úmida. Água deionizada também pode ser usada como fonte de vapor.

In oxidação do borbulhador água deionizada é colocada em um recipiente chamado borbulhador e mantida a uma temperatura constante abaixo do seu ponto de ebulição de 100°C através da utilização de uma manta de aquecimento. O gás nitrogênio ou oxigênio entra no lado de entrada do borbulhador, torna-se saturado com vapor de água à medida que sobe pela água e sai pela saída para o forno de difusão. Os sistemas Bubbler parecem ser o método de oxidação mais amplamente utilizado.

In oxidação instantânea água deionizada é gotejada continuamente na superfície inferior aquecida de um recipiente de quartzo e a água evapora rapidamente quando atinge a superfície quente. Gás transportador de nitrogênio ou oxigênio flui sobre a água em evaporação e transporta o vapor de água para o forno de difusão.

Litografia

A litografia, também conhecida como fotolitografia ou simplesmente mascaramento, é um método de formar padrões com precisão no wafer oxidado. O circuito microeletrônico é construído camada por camada, cada camada recebendo um padrão de uma máscara prescrita no projeto do circuito.

Os negócios de impressão desenvolveram os verdadeiros antecedentes dos atuais processos de microfabricação de dispositivos semicondutores. Esses desenvolvimentos referem-se à fabricação de chapas de impressão, geralmente de metal, nas quais a remoção do material por ataque químico produz um padrão de relevo na superfície. Esta mesma técnica básica é usada na produção de máscaras de mestre utilizados na fabricação de cada camada de processamento de um dispositivo.

Os projetistas de circuitos digitalizam os circuitos básicos de cada camada. Este esquema computadorizado permite a geração rápida do circuito da máscara e facilita quaisquer alterações que possam ser necessárias. Esta técnica é conhecida como desenho assistido por computador (CAD). Utilizando poderosos algoritmos de computador, esses sistemas de design on-line permitem que o designer projete e modifique os circuitos diretamente nas telas de exibição de vídeo com recursos gráficos interativos.

O desenho final, ou máscara, para cada camada de circuito é criado por um fotoplotter ou gerador de padrão controlado por computador. Esses desenhos fotoplotados são então reduzidos ao tamanho real do circuito, uma máscara mestre produzida em vidro com relevo cromado e reproduzida em uma placa de trabalho que serve para impressão por contato ou projeção no wafer.

Essas máscaras delineiam o padrão das áreas condutoras e isolantes que são transferidas para o wafer por meio de fotolitografia. A maioria das empresas não produz suas próprias máscaras, mas utiliza as fornecidas por um produtor de máscaras.

Limpeza

A necessidade de uma superfície de wafer externa livre de partículas e contaminação requer limpeza frequente. As principais categorias são:

  • água deionizada e lavagem com detergente
  • solvente: álcool isopropílico (IPA), acetona, etanol, terpenos
  • ácido: fluorídrico (HF), sulfúrico (H2SO4) e peróxido de hidrogênio (H2O2), clorídrico (HCl), nítrico (HNO3) e misturas
  • cáustico: hidróxido de amônio (NH4OH).

 

Aplicação de resistência

Os wafers são revestidos com um material resistente de polímero à base de solvente e girados rapidamente em um fiandeiro, que espalha uma fina camada uniforme. Os solventes então evaporam, deixando um filme polimérico. Todos os materiais resistentes dependem de mudanças induzidas por radiação (principalmente ultravioleta) na solubilidade de um polímero orgânico sintético em um enxágue revelador selecionado. Os materiais resistentes são classificados como resistentes negativos ou positivos, dependendo se a solubilidade no revelador diminui (negativa) ou aumenta (positiva) após a exposição à radiação. A Tabela 1 identifica a composição dos componentes de vários sistemas fotorresistentes.

Tabela 1. Sistemas fotorresistentes

Ultravioleta

Perto (350-450 milhas náuticas)

Negativo

PB
S
D

Borracha alifática à base de azida (isopreno)
Acetato de n-butila, xileno, n-metil-2-pirrolidona, etil benzeno
Xileno, hidrocarbonetos alifáticos, acetato de n-butila,
Solvente Stoddard (destilados de petróleo)

 

Positivo

PB
S


D

Orto-diazocetona
Acetato de éter monometílico de propilenoglicol, lactato de etila, metil
propionato de metoxi, propionato de etoxi etil, acetato de n-butila, xileno,
clorotolueno
Hidróxido de sódio, silicatos, hidróxido de potássio

Profundidade (200–250 nm)

Principalmente
positivo resiste

   

Feixe de elétrons (cerca de 100 nm)

 

Negativo

PB
S
D

Copolímero-etil acrilato e glicidil metacrilato (COP)
não aplicável
não aplicável

 

Positivo

PB

S
D

Polimetilmetacrilato, polifluoralquilmetacrilato, polialquilaldeído, poli-ciano etilacrilato
Acetato de éter monometílico de propileno glicol
Alcalina ou IPA, acetato de etila ou metil isobutil cetona (MIBK)

Raio X (0.5–5 nm)

 

Negativo

PB
S
D

Copolímero-etil acrilato e glicidil metacrilato (COP)
não aplicável
não aplicável

 

Positivo

PB

S
D

Polimetilmetacrilato, ortodiazocetona, poli
(hexa-fluorobutilmetacrilato), poli (buteno-1-sulfona)
Acetato de éter monometílico de propileno glicol
não aplicável

PB = base polimérica; S = solvente; D = desenvolvedor.

Como a maioria dos fotorresistentes é sensível à luz ultravioleta (UV), a área de processamento é iluminada com luzes amarelas especiais sem comprimentos de onda UV sensíveis (consulte a figura 1).

Figura 1. Equipamento fotolitográfico “Yellow room”

MIC020F3

Resistentes UV negativos e positivos são usados ​​principalmente na indústria. No entanto, as resistências de feixe eletrônico e raio-x estão ganhando participação de mercado por causa de suas resoluções mais altas. As preocupações com a saúde na litografia são causadas principalmente por riscos reprodutivos potenciais associados a resistências positivas selecionadas (por exemplo, acetato de éter monoetílico de etilenoglicol como transportador) que atualmente estão sendo eliminados pela indústria. Odores ocasionais das resistências negativas (por exemplo, xileno) também resultam em preocupações dos funcionários. Devido a essas preocupações, muito tempo é gasto pelos higienistas industriais da indústria de semicondutores fazendo amostragem de operações fotorresistentes. Embora isso seja útil para caracterizar essas operações, as exposições de rotina durante as operações da centrífuga e do revelador são tipicamente inferiores a 5% dos padrões aerotransportados de exposição ocupacional para os solventes usados ​​no processo (Scarpace et al. 1989).

Uma exposição de 1 hora ao acetato de éter monoetílico de etileno glicol de 6.3 ppm foi encontrada durante a operação de um sistema giratório. Esta exposição foi causada principalmente por más práticas de trabalho durante a operação de manutenção (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Secagem e pré-cozimento

Após a aplicação da resistência, os wafers são movidos em uma esteira ou movidos manualmente do spinner para um forno com temperatura controlada e atmosfera de nitrogênio. Uma temperatura moderada (70 a 90°C) causa a cura do fotorresistente (cozimento suave) e a evaporação dos solventes remanescentes.

Para garantir a adesão da camada de resistência ao wafer, um primer, hexametildisilizano (HMDS), é aplicado ao wafer. O primer prende a água molecular na superfície do wafer. O HMDS é aplicado diretamente em um processo de imersão ou spin-on ou por meio de um vapor prime que oferece vantagens de custo e processo em relação aos outros métodos.

Alinhamento e exposição da máscara

A máscara e o wafer são aproximados usando uma peça precisa de equipamento ótico/mecânico, e a imagem na máscara é alinhada a qualquer padrão já existente no wafer abaixo da camada de fotorresistente. Para a primeira máscara, nenhum alinhamento é necessário. Em tecnologias mais antigas, o alinhamento de camadas sucessivas é possível pelo uso de um biscópio (microscópio de lente dupla) e controles de precisão para posicionar o wafer em relação à máscara. Nas tecnologias mais recentes, o alinhamento é feito automaticamente usando pontos de referência nos wafers.

Feito o alinhamento, uma fonte ultravioleta de vapor de mercúrio ou lâmpada de arco de alta intensidade brilha através da máscara, expondo a resistência em locais não protegidos por regiões opacas da máscara.

Os vários métodos de alinhamento e exposição do wafer incluem exposição à radiação UV (contato ou proximidade), exposição à radiação UV através de lentes de projeção para redução (projeção), etapa de UV e exposição repetida à redução (projeção), inundação de raios-x (proximidade) e varredura por feixe de elétrons exposição (escrita direta). O principal método em uso envolve a exposição aos raios UV de vapor de mercúrio e lâmpadas de arco por meio de alinhadores de proximidade ou projeção. As resistências UV são projetadas para reagir a um amplo espectro de comprimentos de onda UV ou são formuladas para reagir preferencialmente a uma ou mais das principais linhas do espectro emitidas pela lâmpada (por exemplo, linha g em 435 nm, linha h em 405 nm e linha i a 365 nm).

Os comprimentos de onda predominantes da luz UV atualmente usados ​​em fotomascaramento são 365 nm ou acima, mas os espectros das lâmpadas UV também contêm energia significativa na região de comprimento de onda de interesse para a saúde, a região actínica abaixo de 315 nm. Normalmente, a intensidade da radiação UV que escapa do equipamento é menor tanto do que a luz solar presente na região actínica quanto dos padrões estabelecidos para exposição ocupacional aos raios UV.

Ocasionalmente durante a manutenção, o alinhamento da lâmpada UV exige que ela seja energizada fora do gabinete do equipamento ou sem filtros de proteção normais. Os níveis de exposição durante esta operação podem exceder os limites de exposição ocupacional, mas o vestuário padrão de sala limpa (por exemplo, aventais, luvas de vinil, máscaras faciais e óculos de segurança de policarbonato com inibidor de UV) geralmente é adequado para atenuar a luz UV abaixo dos limites de exposição (Baldwin e Stewart 1989 ).

Enquanto os comprimentos de onda predominantes para lâmpadas ultravioleta usadas em fotolitografia são de 365 nm ou acima, a busca por recursos menores em ICs avançados está levando ao uso de fontes de exposição com comprimentos de onda menores, como UV profundo e raios x. Uma nova tecnologia para esse fim é o uso de excimer lasers de fluoreto de criptônio usados ​​em steppers. Esses steppers usam um comprimento de onda de 248 nm com saídas de alta potência de laser. No entanto, os gabinetes desses sistemas contêm o feixe durante a operação normal.

Tal como acontece com outros equipamentos que contêm sistemas de laser de alta potência usados ​​na fabricação de semicondutores, a principal preocupação é quando os intertravamentos do sistema devem ser anulados durante o alinhamento do feixe. Lasers de alta potência também são um dos perigos elétricos mais significativos na indústria de semicondutores. Mesmo depois de desligada a energia, existe um potencial de choque significativo dentro da ferramenta. Os controles e as considerações de projeto de segurança para esses sistemas são cobertos por Escher, Weathers e Labonville (1993).

Uma fonte de exposição de tecnologia avançada usada na litografia são os raios x. Os níveis de emissão de fontes de litografia de raios-x podem resultar em taxas de dose próximas a 50 milisieverts (5 rems) por ano no centro do equipamento. Restringir o acesso a áreas dentro da parede blindada é recomendado para minimizar a exposição (Rooney e Leavey 1989).

Em desenvolvimento

Durante a etapa de desenvolvimento, as áreas não polimerizadas do resiste são dissolvidas e removidas. O revelador à base de solvente é aplicado à superfície do wafer revestido com resina por imersão, pulverização ou atomização. As soluções reveladoras são identificadas na tabela 1. Um enxágue com solvente (n-acetato de butila, álcool isopropílico, acetona, etc.) geralmente é aplicado após o revelador para remover qualquer material residual. A resistência remanescente após o desenvolvimento protege as camadas individuais durante o processamento subsequente.

Cozimento

Depois de alinhar, expor e desenvolver a resistência, os wafers seguem para outro forno com temperatura controlada e atmosfera de nitrogênio. O forno de temperatura mais alta (120 a 135°C) faz com que o fotorresiste cure e polimerize totalmente na superfície do wafer (cozimento duro).

Decapagem fotorresistente

O wafer desenvolvido é então gravado seletivamente usando produtos químicos úmidos ou secos (consulte “Gravação” abaixo). O fotorresistente restante deve ser retirado do wafer antes do processamento posterior. Isso é feito usando soluções químicas úmidas em banhos com temperatura controlada ou por meio do uso de um incinerador de plasma ou pó químico seco. A Tabela 2 identifica os constituintes químicos úmidos e secos. Segue-se uma discussão sobre a corrosão por plasma químico seco, usando o mesmo equipamento e princípios de operação da incineração de plasma.


Tabela 2. Decapantes fotorresistentes

Químico úmido

 Ácido

Sulfúrico (H2SO4) e crômico (CrO3)

Sulfúrico (H2SO4) e persulfato de amônio ((NH4)2S2O8)

Sulfúrico (H2SO4) e peróxido de hidrogênio (H2O2)

Orgânico

Fenóis, ácidos sulfúricos, triclorobenzeno, percloroetileno

Éteres glicol, etanolamina, trietanolamina

Hidróxido de sódio e silicatos (resistente positivo)

Químico seco

Incineração por plasma (decapagem)

Fonte de alimentação de RF (rádio frequência) — frequência de 13.56 MHz ou 2,450 MHz

Oxigênio (O2) fonte de gás

Sistemas de bomba de vácuo

—Óleo lubrificado com armadilha de nitrogênio líquido (tecnologia antiga)
— Lubrificado com fluidos inertes de perfluoropoliéter (tecnologia mais recente)
—Bomba seca (tecnologia mais recente)


Gravura

A corrosão remove camadas de dióxido de silício (SiO2), metais e polissilício, bem como resiste, de acordo com os padrões desejados delineados pelo resist. As duas principais categorias de corrosão são químicas úmidas e secas. A corrosão úmida é predominantemente usada e envolve soluções contendo os ácidos (geralmente uma mistura de ácidos) nas forças desejadas, que reagem com os materiais a serem removidos. A corrosão seca envolve o uso de gases reativos sob vácuo em uma câmara altamente energizada, que também remove as camadas desejadas não protegidas por resistência.

Químico úmido

As soluções de ataque químico úmido são alojadas em banhos de ataque químico com temperatura controlada feitos de polipropileno (poly-pro), polipropileno resistente a chamas (FRPP) ou cloreto de polivinila (PVC). Os banhos geralmente são equipados com ventilação de exaustão tipo anel ou exaustão com fenda na parte traseira da estação de corrosão química úmida. As capelas de fluxo laminar vertical fornecem ar livre de partículas uniformemente filtrado para a superfície superior dos banhos de corrosão. Soluções químicas comuns de condicionamento úmido são apresentadas na tabela 3, em relação à camada superficial a ser atacada.

Tabela 3. Ácidos químicos úmidos

Material para gravar

Decapantes

Silício

Silício policristalino (Si)

Ácidos fluorídrico, nítrico, acético e iodo
Hidróxido de potássio
Etilenodiamina/catecol
Fluoreto de amônio, ácido acético glacial e ácido nítrico

Dióxido de silício (SiO2)

Etch de óxido tamponado (BOE) - Fluorídrico e
fluoreto de amônia
BOE, etilenoglicol, éter monometílico
Fluorídrico e nítrico (P-etch)

Nitreto de silício (Si3N4)

Ácidos fosfórico e fluorídrico

Óxido CVD ou Pad Etch

Fluoreto de amônio, ácidos acético e fluorídrico

Metais

Alumínio (Al)

Ácidos fosfórico, nítrico, acético e clorídrico
Hidróxido de sódio, hidróxido de potássio

Cromo-Níquel (Cr/Ni)

Nitrato de amônio cérico e ácido nítrico
Ácidos clorídrico e nítrico (água régia)

Ouro (Au)

Ácidos clorídrico e nítrico (água régia)
Iodeto de potássio (KI)
Cianeto de potássio (KCN) e peróxido de hidrogênio (H2O2)
Cloreto férrico (FeCl3) e ácido clorídrico

Prata (Ag)

Nitrato férrico (FeNO3) e etilenoglicol
Ácido nítrico

Compound

Fórmula

Concentração padrão (%)

Ácido acético

CH3COOH

36

Fluoreto de amônio

NH4F

40

Ácido acético glacial

CH3COOH

99.5

Ácido clorídrico

HCl

36

Acido hidrosulfurico

HF

49

Ácido nítrico

HNO3  

67

Ácido fosfórico

H3PO4  

85

Hidróxido de potássio

KOH

50 ou 10

Hidróxido de sódio

NaOH

50 ou 10

Ácido sulfúrico

H2SO4  

96

 

Coifas de fornecimento de fluxo montadas verticalmente, quando usadas em conjunto com proteções contra respingos e ventilação de exaustão, podem criar áreas de turbulência de ar dentro da estação de corrosão química úmida. Como resultado, é possível uma diminuição na eficácia da ventilação de exaustão local na captura e no encaminhamento de contaminantes do ar fugitivos dos banhos de corrosão em uso.

A principal preocupação com a corrosão úmida é a possibilidade de contato da pele com os ácidos concentrados. Embora todos os ácidos usados ​​na corrosão possam causar queimaduras por ácido, a exposição ao ácido fluorídrico (HF) é particularmente preocupante. O intervalo entre o contato com a pele e a dor (até 24 horas para soluções com menos de 20% de HF e 1 a 8 horas para soluções de 20 a 50%) pode resultar em atraso no tratamento e queimaduras mais graves do que o esperado (Hathaway et al. 1991) .

Historicamente, as queimaduras por ácido têm sido um problema particular na indústria. No entanto, a incidência de contato da pele com ácidos foi reduzida nos últimos anos. Parte dessa redução foi causada por melhorias relacionadas ao produto no processo de corrosão, como a mudança para a corrosão a seco, o uso de mais robótica e a instalação de sistemas de dosagem de produtos químicos. A redução na taxa de queimaduras de ácido também pode ser atribuída a melhores técnicas de manuseio, maior uso de equipamentos de proteção individual, conveses molhados melhor projetados e melhor treinamento - todos os quais requerem atenção contínua se a taxa diminuir ainda mais (Baldwin e Williams 1996 ).

Químico seco

A corrosão química seca é uma área de crescente interesse e uso devido à sua capacidade de controlar melhor o processo de corrosão e reduzir os níveis de contaminação. O processamento químico seco grava efetivamente as camadas desejadas por meio do uso de gases quimicamente reativos ou por meio de bombardeio físico.

Foram desenvolvidos sistemas de gravação por plasma quimicamente reativos que podem efetivamente gravar silício, dióxido de silício, nitreto de silício, alumínio, tântalo, compostos de tântalo, cromo, tungstênio, ouro e vidro. Dois tipos de sistemas de reatores de gravação a plasma estão em uso - o barril, ou cilíndrico, e a placa paralela, ou planar. Ambos operam com os mesmos princípios e variam principalmente apenas na configuração.

Um plasma é semelhante a um gás, exceto que alguns dos átomos ou moléculas do plasma são ionizados e podem conter um número substancial de radicais livres. O reator típico consiste em uma câmara de reator a vácuo contendo o wafer, geralmente feito de alumínio, vidro ou quartzo; uma fonte de energia de radiofrequência (RF) - geralmente em 450 kHz, 13.56 MHz ou 40.5 MHz e um módulo de controle para controlar o tempo de processamento, a composição do gás reagente, a taxa de fluxo do gás e o nível de potência de RF. Além disso, uma fonte de vácuo de bomba de desbaste lubrificada a óleo (tecnologia mais antiga) ou seca (tecnologia mais recente) está alinhada com a câmara do reator. Os wafers são carregados no reator, individualmente ou em cassetes, uma bomba evacua a câmara e o gás reagente (geralmente tetrafluoreto de carbono) é introduzido. A ionização do gás forma o plasma de corrosão, que reage com os wafers para formar produtos voláteis que são bombeados para longe. A introdução de gás reagente fresco na câmara mantém a atividade de corrosão. A Tabela 4 identifica os materiais e gases de plasma em uso para gravar várias camadas.

Tabela 4. Gases de condicionamento de plasma e materiais corroídos

Material

Gas

Silício

Polisilício (polySi) e Silício

CF + O2, CCl4 ou CF3Cl, CF4 e HCl

Dióxido de silício (SiO2)

C2F6C3F8, CF4, SiF4C5F12, CHF3, CCl2F2, Sf6, frequência cardíaca

Nitreto de silício (Si3N4)

CF4 + Ar, CF4 + O2, CF4 + H2

Metais

Alumínio (Al)

CCl4 ou BCl3 + Ele ou Ar

Crómio (Cr)

CCl4

Óxido de cromo (CrO3)

Cl2 + Ar ou CCl4 +Ar

Arsenieto de gálio (GaAs)

CCl2F2

Vanádio (V)

CF4

Titânio (Ti)

CF4

Tântulo (Ta)

CF4

Molibdênio (Mo)

CF4

Tungstênio (W)

CF4

 

Outro método que atualmente está sendo desenvolvido para corrosão é o micro-ondas downstream. Ele usa uma descarga de micro-ondas de alta densidade de potência para produzir átomos metaestáveis ​​com longa vida útil que gravam o material quase como se estivesse imerso em ácido.

Os processos de corrosão física são semelhantes ao jateamento de areia em que os átomos de gás argônio são usados ​​para bombardear fisicamente a camada a ser gravada. Um sistema de bomba de vácuo é usado para remover o material deslocado. A corrosão iônica reativa envolve uma combinação de corrosão seca química e física.

O processo de pulverização catódica é um processo de impacto de íons e transferência de energia. A gravação por pulverização incorpora um sistema de pulverização catódica, onde o wafer a ser gravado é conectado a um eletrodo ou alvo negativo em um circuito de descarga luminescente. O material sai do wafer por bombardeio com íons positivos, geralmente argônio, e resulta no deslocamento dos átomos da superfície. A energia é fornecida por uma fonte de RF na frequência de 450 kHz. Um sistema de vácuo em linha é usado para controle de pressão e remoção de reagente.

A corrosão e fresagem por feixe de íons é um processo de corrosão suave que usa um feixe de íons de baixa energia. O sistema de feixe de íons consiste em uma fonte para gerar o feixe de íons, uma câmara de trabalho na qual ocorre a corrosão ou fresagem, fixação com uma placa alvo para segurar os wafers no feixe de íons, um sistema de bomba de vácuo, eletrônica de apoio e instrumentos. O feixe de íons é extraído de um gás ionizado (argônio ou argônio/oxigênio) ou plasma, que é criado pela descarga elétrica. A descarga é obtida pela aplicação de uma tensão entre um cátodo de filamento quente emissor de elétrons e um cilindro anódico localizado no diâmetro externo da região de descarga.

A moagem de feixe de íons é feita na faixa de baixa energia do bombardeio de íons, onde ocorrem apenas interações de superfície. Esses íons, geralmente na faixa de 500 a 1,000 eV, atingem um alvo e cuspir fora átomos da superfície, quebrando as forças que ligam o átomo ao seu vizinho. A corrosão por feixe de íons é feita em uma faixa de energia ligeiramente mais alta, que envolve um deslocamento mais dramático dos átomos da superfície.

A corrosão iônica reativa (RIE) é uma combinação de pulverização catódica física e corrosão química de espécies reativas a baixas pressões. O RIE usa bombardeio iônico para atingir a corrosão direcional e também um gás quimicamente reativo, o tetrafluoreto de carbono (CF4) ou tetracloreto de carbono (CCl4), para manter uma boa seletividade da camada gravada. Um wafer é colocado em uma câmara com uma atmosfera de composto de gás quimicamente reativo a uma baixa pressão de cerca de 0.1 torr (1.3 x 10-4 atmosfera). Uma descarga elétrica cria um plasma de “radicais livres” reativos (íons) com uma energia de algumas centenas de elétron-volts. Os íons atingem a superfície do wafer verticalmente, onde reagem para formar espécies voláteis que são removidas por um sistema de vácuo em linha de baixa pressão.

Ácidos secos às vezes têm um ciclo de limpeza que é usado para remover depósitos que se acumulam no interior das câmaras de reação. Os compostos originais usados ​​para os plasmas do ciclo de limpeza incluem trifluoreto de nitrogênio (NF3), hexafluoretano (C2F6) e octafluoropropano (C3F8).

Esses três gases usados ​​no processo de limpeza e muitos dos gases usados ​​na corrosão são a pedra angular de uma questão ambiental enfrentada pela indústria de semicondutores que surgiu em meados da década de 1990. Vários dos gases altamente fluorados foram identificados como tendo potencial significativo de aquecimento global (ou efeito estufa). (Esses gases também são chamados de PFCs, compostos perfluorados.) O longo tempo de vida na atmosfera, o alto potencial de aquecimento global e o aumento significativo do uso de PFCs como NF3C2F6C3F8, CF4, trifluorometano (CHF3) e hexafluoreto de enxofre (SF6) fez com que a indústria de semicondutores se concentrasse em maneiras de reduzir suas emissões.

As emissões atmosféricas de PFCs da indústria de semicondutores foram devidas à baixa eficiência das ferramentas (muitas ferramentas consumiram apenas 10 a 40% do gás usado) e equipamentos inadequados de redução de emissões atmosféricas. Lavadores úmidos não são eficazes na remoção de PFCs, e testes em muitas unidades de combustão revelaram baixa eficiência de destruição de alguns gases, especialmente CF4. Muitas dessas unidades de combustão quebraram C2F6 e C3F8 em CF4. Além disso, o alto custo de propriedade dessas ferramentas de redução, sua demanda de energia, sua liberação de outros gases de aquecimento global e seus subprodutos de combustão de poluentes atmosféricos perigosos indicaram que a redução da combustão não era um método adequado para controlar as emissões de PFC.

Tornar as ferramentas de processo mais eficientes, identificar e desenvolver alternativas mais ecológicas para esses gases de ataque seco e a recuperação/reciclagem dos gases de exaustão têm sido as ênfases ambientais associadas aos agentes de ataque a seco.

A principal ênfase da higiene ocupacional para gravadores a seco tem sido a exposição potencial ao pessoal de manutenção que trabalha nas câmaras de reação, bombas e outros equipamentos associados que podem conter resíduos de produtos de reação. A complexidade dos gravadores de metal a plasma e a dificuldade em caracterizar os odores associados à sua manutenção os tornaram objeto de muitas investigações.

Os produtos de reação formados em gravadores de metal de plasma são uma mistura complexa de compostos clorados e fluorados. A manutenção de gravadores de metal geralmente envolve operações de curta duração que geram fortes odores. Verificou-se que o hexacloroetano é a principal causa de odor em um tipo de gravador de alumínio (Helb et al. 1983). Em outro, o cloreto de cianogênio era o principal problema: os níveis de exposição eram 11 vezes o limite de exposição ocupacional de 0.3 ppm (Baldwin 1985). Ainda em outros tipos de gravadores, o cloreto de hidrogênio está associado ao odor; a exposição máxima medida foi de 68 ppm (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993). Para obter informações adicionais sobre o assunto, consulte Mueller e Kunesh (1989).

A complexidade das substâncias químicas presentes nos gases de escape dos gravadores de metal levou os pesquisadores a desenvolver métodos experimentais para investigar a toxicidade dessas misturas (Bauer et al. 1992a). A aplicação desses métodos em estudos com roedores indica que algumas dessas misturas químicas são suspeitas de serem mutagênicas (Bauer et al. 1992b) e toxinas reprodutivas suspeitas (Schmidt et al. 1995).

Como os gravadores a seco operam como sistemas fechados, a exposição química aos operadores do equipamento normalmente não ocorre enquanto o sistema está fechado. Uma rara exceção a isso é quando o ciclo de purga para gravadores de batelada mais antigos não é longo o suficiente para remover adequadamente os gases corrosivos. Exposições breves, mas irritantes, a compostos de flúor que estão abaixo do limite de detecção para procedimentos típicos de monitoramento de higiene industrial foram relatadas quando as portas desses gravadores são abertas. Normalmente, isso pode ser corrigido simplesmente aumentando a duração do ciclo de purga antes de abrir a porta da câmara de corrosão.

A principal preocupação com a exposição do operador à energia de RF ocorre durante a gravação e incineração do plasma (Cohen 1986; Jones 1988). Normalmente, o vazamento de energia de RF pode ser causado por:

  • portas desalinhadas
  • rachaduras e buracos nos armários
  • mesas de metal e cabos elétricos atuando como antenas devido ao aterramento inadequado do gravador
  • nenhuma tela atenuante na janela de visualização do gravador (Jones 1988; Horowitz 1992).

 

A exposição à RF também pode ocorrer durante a manutenção dos gravadores, principalmente se o gabinete do equipamento tiver sido removido. Uma exposição de 12.9 mW/cm2 foi encontrado no topo de um gravador de plasma de modelo mais antigo com a tampa removida para manutenção (Horowitz 1992). O vazamento real de radiação de RF na área onde o operador fica foi tipicamente inferior a 4.9 mW/cm2.

doping

A formação de uma junção elétrica ou limite entre p e n regiões em um único wafer de silício cristalino é o elemento essencial para o funcionamento de todos os dispositivos semicondutores. As junções permitem que a corrente flua em uma direção com muito mais facilidade do que na outra. Eles fornecem a base para efeitos de diodo e transistor em todos os semicondutores. Em um circuito integrado, um número controlado de impurezas elementares ou dopantes deve ser introduzido em regiões gravadas selecionadas do substrato de silício, ou wafer. Isso pode ser feito por técnicas de difusão ou implantação iônica. Independentemente da técnica utilizada, os mesmos tipos ou dopantes são utilizados para a produção de junções semicondutoras. A Tabela 5 identifica os principais componentes utilizados para dopagem, seu estado físico, tipo elétrico (p or n) e a técnica de junção primária em uso — difusão ou implantação iônica.

Tabela 5. Dopantes de formação de junções para difusão e implantação de íons

Element

Compound

Fórmula

Estado

Técnica

tipo n

Antimônio

Trióxido de antimônio
Tricloreto de antimônio

Sb2O3
SbCl3

Sólido
Líquido

Distribuição
Distribuição

Arsênico

Trióxido de arsênico
Trióxido de arsênico
Arsino
pentafluoreto de arsênico

As2O3
As2O3
Cinza3
ASF5

Sólido
Líquido
Gas
Gas

Distribuição
Difusão - girar
Difusão e implantação iônica
Implantação iónica

Fósforo

Pentóxido de fósforo
Pentóxido de fósforo
Tribrometo de fósforo
Tricloreto de fósforo
Oxicloreto de fósforo
Fosfina
pentafluoreto de fósforo

P2O5
P2O5
PBr3
PCl3
POCl3
PH3
PF5

Sólido
Líquido
Líquido
Líquido
Líquido
Gas
Gas

Distribuição
Difusão - girar
Distribuição
Distribuição
Distribuição
Implantação iónica
Implantação iónica

p-type

Boro

Nitreto de boro
Tribrometo de boro
trióxido de boro
trióxido de boro
Trietilborato
tetrabrometo de silício
Tricloreto de boro
Trifluoreto de boro
Diborano

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

Sólido
Líquido
Sólido
Líquido
Líquido
Líquido
Líquido
Gas
Gas

Distribuição
Distribuição
Distribuição
Difusão - girar
Difusão - girar
Distribuição
Implantação de íons de difusão
Implantação iónica
Implantação iónica

 

As exposições químicas de rotina para operadores de fornos de difusão e implantadores de íons são baixas - normalmente menos que o limite de detecção dos procedimentos padrão de amostragem de higiene ocupacional. As preocupações químicas com o processo se concentram na possibilidade de liberação de gases tóxicos.

Já na década de 1970, os fabricantes de semicondutores progressivos começaram a instalar os primeiros sistemas de monitoramento contínuo de gases inflamáveis ​​e tóxicos. O foco principal desse monitoramento foi detectar liberações acidentais dos gases dopantes mais tóxicos com limiares de odor acima de seus limites de exposição ocupacional (por exemplo, arsina e diborano).

A maioria dos monitores de ar de higiene industrial na indústria de semicondutores é usada para detecção de vazamento de gás tóxico e inflamável. No entanto, algumas instalações também estão usando sistemas de monitoramento contínuo para:

  • analisar as emissões do duto de exaustão (chaminé)
  • quantificar as concentrações de produtos químicos voláteis no ar ambiente
  • identificar e quantificar odores nas áreas fab.

 

As tecnologias mais utilizadas na indústria de semicondutores para este tipo de monitoramento são detecção colorimétrica de gás (por exemplo, detector de gás contínuo MDA), sensores eletroquímicos (por exemplo, monitores Sensydyne) e infravermelho por transformada de Fourier (por exemplo, Telos ACM) (Baldwin e Williams 1996). .

Distribuição

Distribuição é um termo usado para descrever o movimento de dopantes de regiões de alta concentração na extremidade da fonte do forno de difusão para regiões de menor concentração dentro do wafer de silício. A difusão é o método mais estabelecido de formação de junções.

Esta técnica envolve submeter um wafer a uma atmosfera aquecida dentro do forno de difusão. A fornalha contém os dopantes desejados na forma de vapor e resulta na criação de regiões de atividade elétrica dopada, seja p or n. Os dopantes mais comumente usados ​​são boro para o tipo p; e fósforo (P), arsênico (As) ou antimônio (Sb) para o tipo n (ver tabela 5).

Normalmente, os wafers são empilhados em um transportador ou barco de quartzo e colocados no forno de difusão. O forno de difusão contém um longo tubo de quartzo e um mecanismo para controle preciso da temperatura. O controle da temperatura é extremamente importante, pois as taxas de difusão dos vários dopantes de silício são principalmente uma função da temperatura. As temperaturas em uso variam de 900 a 1,300 oC, dependendo do dopante específico e do processo.

O aquecimento do wafer de silício a uma temperatura elevada permite que os átomos de impurezas se difundam lentamente através da estrutura do cristal. As impurezas se movem mais lentamente através do dióxido de silício do que através do próprio silício, permitindo que o óxido fino padrão para servir como uma máscara e, assim, permitir que o dopante entre no silício apenas onde estiver desprotegido. Após o acúmulo de impurezas suficientes, os wafers são removidos do forno e a difusão efetivamente cessa.

Para controle máximo, a maioria das difusões é realizada em duas etapas—predeposição e conduzir em. O pré-depósito, ou difusão com fonte constante, é a primeira etapa e ocorre em um forno no qual a temperatura é selecionada para obter o melhor controle das quantidades de impurezas. A temperatura determina a solubilidade do dopante. Após um tratamento de pré-depósito comparativamente curto, o wafer é movido fisicamente para um segundo forno, geralmente a uma temperatura mais alta, onde um segundo tratamento térmico leva o dopante à profundidade desejada de difusão na rede do wafer de silício.

As fontes dopantes utilizadas na etapa de pré-depósito estão em três estados químicos distintos: gás, líquido e sólido. A Tabela 5 identifica os vários tipos de dopantes da fonte de difusão e seus estados físicos.

Os gases são geralmente fornecidos a partir de cilindros de gás comprimido com controles ou reguladores de pressão, válvulas de fechamento e vários acessórios de purga e são dispensados ​​através de tubos de metal de pequeno diâmetro.

Os líquidos são dispensados ​​normalmente de borbulhadores, que saturam uma corrente de gás de arraste, geralmente nitrogênio, com os vapores líquidos dopantes, conforme descrito na seção sobre oxidação úmida. Outra forma de distribuição de líquidos é através do uso do girar dopante aparelho. Isso envolve colocar um dopante sólido em solução com um veículo solvente líquido, depois pingar a solução no wafer e girar, de maneira semelhante à aplicação de fotorresistentes.

As fontes sólidas podem ter a forma de um wafer de nitreto de boro, que é colocado entre dois wafers de silício para ser dopado e depois colocado em um forno de difusão. Além disso, os dopantes sólidos, em forma de pó ou grânulos, podem ser colocados em um bomba de quartzo invólucro (trióxido de arsênico), despejado manualmente na extremidade da fonte de um tubo de difusão ou carregado em um forno de fonte separado em linha com o forno de difusão principal.

Na ausência de controles adequados, exposições ao arsênico acima de 0.01 mg/m3 foram relatados durante a limpeza de um forno de deposição (Wade et al. 1981) e durante a limpeza de câmaras de alojamento de fonte para implantadores de íons de fonte sólida (McCarthy 1985; Baldwin, King e Scarpace 1988). Essas exposições ocorreram quando nenhuma precaução foi tomada para limitar a quantidade de poeira no ar. No entanto, quando os resíduos foram mantidos úmidos durante a limpeza, as exposições foram reduzidas para muito abaixo do limite de exposição no ar.

Nas tecnologias de difusão mais antigas, existem riscos de segurança durante a remoção, limpeza e instalação dos tubos do forno. Os perigos incluem possíveis cortes de peças quebradas de quartzo e queimaduras de ácido durante a limpeza manual. Em tecnologias mais novas, esses perigos são reduzidos por no local limpeza do tubo que elimina grande parte do manuseio manual.

Os operadores do forno de difusão experimentam a maior exposição de rotina em salas limpas a campos eletromagnéticos de frequência extremamente baixa (por exemplo, 50 a 60 hertz) na fabricação de semicondutores. Exposições médias superiores a 0.5 microteslas (5 miligass) foram relatadas durante a operação real dos fornos (Crawford et al. 1993). Este estudo também observou que o pessoal de sala limpa que trabalha nas proximidades de fornos de difusão teve exposições médias medidas notavelmente mais altas do que as de outros trabalhadores de sala limpa. Essa descoberta foi consistente com as medições pontuais relatadas por Rosenthal e Abdollahzadeh (1991), que descobriram que os fornos de difusão produziam leituras de proximidade (5 cm ou 2 polegadas de distância) de até 10 a 15 microteslas, com os campos circundantes caindo mais gradualmente com a distância do que outros equipamentos de sala limpa estudados; mesmo a 6 pés de distância dos fornos de difusão, as densidades de fluxo relatadas foram de 1.2 a 2 microteslas (Crawford et al. 1993). Esses níveis de emissão estão bem abaixo dos atuais limites de exposição baseados na saúde estabelecidos pela Organização Mundial da Saúde e aqueles estabelecidos por países individuais.

Implantação iónica

A implantação de íons é o método mais recente de introduzir impurezas à temperatura ambiente em pastilhas de silício para a formação de junções. Átomos dopantes ionizados (ou seja, átomos despojados de um ou mais de seus elétrons) são acelerados a uma alta energia passando-os por uma diferença de potencial de dezenas de milhares de volts. Ao final de seu trajeto, eles atingem a bolacha e são inseridos em várias profundidades, dependendo de sua massa e energia. Como na difusão convencional, uma camada de óxido padronizada ou um padrão fotorresistente mascara seletivamente o wafer dos íons.

Um sistema típico de implantação de íons consiste em uma fonte de íons (fonte de dopante gasoso, geralmente em pequenos frascos de leitura), equipamento de análise, acelerador, lente de foco, armadilha de feixe neutro, câmara de processo do scanner e um sistema de vácuo (normalmente três conjuntos separados de bombas de desbaste e de difusão de óleo). O fluxo de elétrons é gerado a partir de um filamento quente por resistência, uma descarga de arco ou feixe de elétrons de cátodo frio.

Geralmente, depois que os wafers são implantados, uma etapa de recozimento de alta temperatura (900 a 1,000°C) é realizada por um recozimento de feixe de laser ou recozimento pulsado com uma fonte de feixe de elétrons. O processo de recozimento ajuda a reparar os danos na superfície externa do wafer implantado causados ​​pelo bombardeio de íons dopantes.

Com o advento de um sistema de entrega seguro para cilindros de gás trifluoreto de arsina, fosfina e boro usados ​​em implantadores de íons, o potencial de liberação catastrófica desses gases foi bastante reduzido. Esses pequenos cilindros de gás são preenchidos com um composto ao qual são adsorvidos o trifluoreto de arsina, fosfina e boro. Os gases são puxados para fora dos cilindros por meio de um vácuo.

Implantadores de íons são um dos riscos elétricos mais significativos na indústria de semicondutores. Mesmo depois de desligada a energia, existe um potencial de choque significativo dentro da ferramenta e deve ser dissipado antes de trabalhar dentro do implantador. Uma revisão cuidadosa das operações de manutenção e dos riscos elétricos é garantida para todos os equipamentos recém-instalados, mas especialmente para implantadores de íons.

Exposições a hidretos (provavelmente uma mistura de arsina e fosfina) de até 60 ppb foram encontradas durante a manutenção da criobomba do implantador de íons (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993). Além disso, altas concentrações de arsina e fosfina podem liberar gases de partes contaminadas do implantador que são removidas durante a manutenção preventiva (Flipp, Hunsaker e Herring 1992).

Aspiradores portáteis com filtros atenuadores de partículas de alta eficiência (HEPA) são usados ​​para limpar superfícies de trabalho contaminadas com arsênico em áreas de implantação de íons. Exposições acima de 1,000 μg/m3 foram medidos quando aspiradores HEPA foram inadequadamente limpos. Os aspiradores HEPA, quando descarregados para o espaço de trabalho, também podem distribuir com eficiência o odor característico de hidreto associado à limpeza da linha de feixe do implantador de íons (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Embora seja uma preocupação, não há relatos publicados de exposições significativas a gases dopantes durante as trocas de óleo de bombas de vácuo usadas com dopantes - possivelmente porque isso geralmente é feito como um sistema fechado. A falta de exposição relatada também pode ser resultado de baixos níveis de desgaseificação de hidretos do óleo usado.

O resultado de um estudo de campo em que 700 ml de óleo de bomba de desbaste usado de um implantador de íons que usava arsina e fosfina foi aquecido apenas mostrou concentrações detectáveis ​​de hidretos no ar no espaço da cabeça da bomba quando o óleo da bomba excedeu 70oC (Baldwin, King e Scarpace 1988). Como as temperaturas operacionais normais para bombas mecânicas de desbaste são de 60 a 80oC, este estudo não indicou o potencial para uma exposição significativa.

Durante a implantação iônica, os raios x são formados incidentalmente à operação. A maioria dos implantadores são projetados com blindagem de gabinete suficiente (que inclui folhas de chumbo estrategicamente colocadas ao redor do invólucro da fonte de íons e portas de acesso adjacentes) para manter a exposição do funcionário abaixo de 2.5 microsieverts (0.25 milirems) por hora (Maletskos e Hanley 1983). No entanto, um modelo mais antigo de implantadores apresentou vazamento de raios X acima de 20 microsieverts por hora (μSv/hr) na superfície da unidade (Baldwin, King e Scarpace 1988). Esses níveis foram reduzidos para menos de 2.5 μSv/hr após a instalação de blindagem de chumbo adicional. Verificou-se que outro modelo mais antigo de implantador de íons apresentava vazamento de raios-x ao redor de uma porta de acesso (até 15 μSv/h) e em uma janela de visualização (até 3 μSv/h). Blindagem de chumbo adicional foi adicionada para atenuar possíveis exposições (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Além de exposições de raios-x de implantadores de íons, a possibilidade de formação de nêutrons foi postulada se o implantador for operado acima de 8 milhões de elétron-volts (MeV) ou gás deutério for usado como fonte de íons (Rogers 1994). No entanto, normalmente os implantadores são projetados para operar bem abaixo de 8 MeV, e o deutério não é comumente usado na indústria (Baldwin e Williams, 1996).

Deposição de vapor químico

A deposição de vapor químico (CVD) envolve a camada de material adicional na superfície do wafer de silício. As unidades CVD normalmente operam como um sistema fechado, resultando em pouca ou nenhuma exposição química para os operadores. No entanto, uma breve exposição ao cloreto de hidrogênio acima de 5 ppm pode ocorrer quando certos pré-lavadores CVD são limpos (Baldwin e Stewart 1989). Duas amplas categorias de depósito são de uso comum - epitaxial e a categoria mais geral de DCV não epitaxial.

Deposição de vapor químico epitaxial

O crescimento epitaxial é a deposição rigidamente controlada de um filme fino de cristal único de um material que mantém a mesma estrutura cristalina que a camada de wafer do substrato existente. Ele serve como uma matriz para a fabricação de componentes semicondutores em processos de difusão subseqüentes. A maioria dos filmes epitaxiais é cultivada em substratos do mesmo material, como silício sobre silício, em um processo conhecido como homoepitaxia. O crescimento de camadas de diferentes materiais em um substrato, como silício em safira, é chamado de processamento de dispositivo de heteroepitaxia IC.

Três técnicas primárias são usadas para crescer camadas epitaxiais: fase de vapor, fase líquida e feixe molecular. A fase líquida e a epitaxia de feixe molecular são usadas principalmente no processamento de dispositivos III-V (por exemplo, GaAs). Estes são discutidos no artigo “Fabricação de semicondutores III-V”.

A epitaxia em fase de vapor é usada para crescer um filme pelo CVD de moléculas a uma temperatura de 900 a 1,300oC. Vapores contendo silício e quantidades controladas de dopantes do tipo p ou n em um gás de arraste (geralmente hidrogênio) são passados ​​sobre pastilhas aquecidas para depositar camadas dopadas de silício. O processo é geralmente realizado à pressão atmosférica.

A Tabela 6 identifica os quatro principais tipos de epitaxia em fase de vapor, parâmetros e reações químicas que ocorrem.

Tabela 6. Principais categorias de epitaxia de fase de vapor de silício

parâmetros

Pressão

Atmosférico

Temperatura

900 – 1300 ° C

fontes de silício

Silano (SiH4), tetracloreto de silício (SiCl4), triclorossilano (SiHCl3),
e diclorossilano (SiH2Cl2)

gases dopantes

Arsina (AsH3), fosfina (PH3), diborano (B2H6)

Concentração de gás dopante

≈100 ppm

gás de corrosão

Cloreto de hidrogênio (HCl)

Concentração de gás de corrosão

≈1–4%

gases de arraste

Hidrogênio (H2), nitrogênio (N2)

Fonte de aquecimento

Radiofrequência (RF) ou infravermelho (IR)

Tipos de epitaxia em fase de vapor

Reações químicas

Redução de hidrogênio de tetracloreto de silício
(1,150-1,300 ° C)

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl

Decomposição pirolítica do silano
(1,000-1,100 ° C)

SiH4 → Si + 2H2

Redução de hidrogênio de triclorosilano

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

Redução de diclorossilano

SiH2Cl2 → Si + 2HCl

 

A sequência de deposição normalmente seguida em um processo epitaxial envolve:

  • limpeza de substrato— lavagem física, desengorduramento com solvente, limpeza com ácido (sulfúrico, nítrico e clorídrico, e fluorídrico é uma sequência comum) e operação de secagem
  • carregamento de wafer
  • aquecer— purga de nitrogênio e aquecimento a aproximadamente 500 °C, então o gás hidrogênio é usado e os geradores de RF aquecem indutivamente os wafers
  • ácido clorídrico (HCl)—geralmente 1 a 4% de concentração de HCl é dispensado para a câmara do reator
  • deposição—fonte de silício e gases dopantes são medidos e depositados na superfície do wafer
  • esfriar-gás hidrogênio trocado para nitrogênio novamente a 500°C
  • descarga.

 

Deposição de vapor químico não epitaxial

Enquanto o crescimento epitaxial é uma forma altamente específica de CVD, onde a camada depositada tem a mesma orientação da estrutura cristalina que a camada de substrato, o CVD não epitaxial é a formação de um composto estável em um substrato aquecido pela reação térmica ou decomposição de compostos gasosos.

O CVD pode ser usado para depositar muitos materiais, mas no processamento de semicondutores de silício os materiais geralmente encontrados, além do silício epitaxial, são:

  • silício policristalino (poli Si)
  • dióxido de silício (SiO2—dopados e não dopados; vidro dopado p)
  • nitreto de silício (Si3N4).

 

Cada um desses materiais pode ser depositado de várias maneiras e cada um tem muitas aplicações.

A Tabela 7 identifica as três principais categorias de DCV usando a temperatura operacional como mecanismo de diferenciação.

Tabela 7. Principais categorias de deposição química de vapor de silício (CVD)

parâmetros

Pressão

Atmosférico (APCVD) ou de baixa pressão (LPCVD)

Temperatura

500 – 1,100 ° C

Fontes de silício e nitreto

Silano (SiH4), tetracloreto de silício (SiCl4), amônia (NH3), óxido nitroso (N20)

Fontes de dopantes

Arsina (AsH3), fosfina (PH3), diborano (B2H6)

gases de arraste

Nitrogênio (N2), hidrogênio (H2)

Fonte de aquecimento

Sistema de parede fria - frequência de rádio (RF) ou infravermelho (IR)
Sistema de parede quente - resistência térmica

tipo de CVD

Reação

Gás portador

Temperatura

Temperatura média (≈ 600–1,100 °C)

Nitreto de silício (Si3N4)

3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2

H2

900 – 1,100 ° C

Polisilício (poli Si)

SiH4 + Calor → Si + 2H2

H2
N2

850 – 1,000 ° C
600 – 700 ° C

Dióxido de silício (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

Baixa temperatura (≈<600 C) Silox, Pyrox, Vapox e Nitrox**

Dióxido de silício (SiO2) ou SiO dopado com p2

     

silox

SiH4 + 2O2 + Dopante → SiO2 + 2H2O

N2

200-500 ° C

pirox

SiH4 + 2O2 + Dopante → SiO2 + 2H2O

N2

<600 ° C

Vaporizador

SiH4 + 2O2 + Dopante → SiO2 + 2H2O

N2

<600 ° C

Nitreto de silício (Si3N4)

     

Nitrox

3SiH4 + 4NH3 (ou N2O*) → Si3N4 + 12H2

N2

600 – 700 ° C

Plasma de baixa temperatura aprimorado (passivação) (<600°C)

Utilizando radiofrequência (RF) ou
pulverização reativa

     

Dióxido de silício (SiO2)

SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H20

   

Nitreto de silício (Si3N4)

3SiH4 + 4NH3 (ou N2O*) → Si3N4 + 12H2

   

* Nota: As reações não são balanceadas estequiometricamente.

**Nomes genéricos, proprietários ou marcas registradas para sistemas de reatores CVD

 

Os seguintes componentes são encontrados em quase todos os tipos de equipamentos CVD:

  • câmara de reação
  • seção de controle de gás
  • controle de tempo e sequência
  • fonte de calor para substratos
  • tratamento de efluentes.

 

Basicamente, o processo CVD envolve o fornecimento de quantidades controladas de gases fonte de silício ou nitreto, em conjunto com gases de arraste de nitrogênio e/ou hidrogênio, e um gás dopante, se desejado, para reação química dentro da câmara do reator. O calor é aplicado para fornecer a energia necessária para a reação química, além de controlar as temperaturas da superfície do reator e dos wafers. Após a conclusão da reação, o gás de origem não reagido mais o gás de arraste são esgotados através do sistema de tratamento de efluentes e liberados para a atmosfera.

A passivação é um tipo funcional de DCV. Envolve o crescimento de uma camada protetora de óxido na superfície do wafer de silício, geralmente como a última etapa de fabricação antes do processamento de não fabricação. A camada fornece estabilidade elétrica isolando a superfície do circuito integrado das condições elétricas e químicas do ambiente.

Metalização

Após os dispositivos terem sido fabricados no substrato de silício, eles devem ser conectados entre si para realizar as funções do circuito. Este processo é conhecido como metalização. A metalização fornece um meio de fiação ou interconexão das camadas superiores de circuitos integrados, depositando padrões complexos de materiais condutores, que direcionam a energia elétrica dentro dos circuitos.

O amplo processo de metalização é diferenciado de acordo com o tamanho e a espessura das camadas de metais e outros materiais a serem depositados. Esses são:

  • filme fino-espessura aproximada do filme de um mícron ou menos
  • filme espesso—espessura aproximada do filme de 10 mícrons ou mais
  • galvanização—espessuras de filme variam de fino a grosso, mas geralmente filmes grossos.

 

Os metais mais comuns usados ​​para a metalização de semicondutores de silício são: alumínio, níquel, cromo ou uma liga chamada nicromo, ouro, germânio, cobre, prata, titânio, tungstênio, platina e tântalo.

Filmes finos ou espessos também podem ser evaporados ou depositados em vários substratos de cerâmica ou vidro. Alguns exemplos desses substratos são: alumina (96% Al203), berílio (99% BeO), vidro borosilicato, piroceram e quartzo (SiO2).

Filme fino

A metalização de filme fino é frequentemente aplicada através do uso de uma técnica de deposição ou evaporação em alto vácuo ou vácuo parcial. Os principais tipos de evaporação de alto vácuo são feixe de elétrons, flash e resistivo, enquanto a deposição de vácuo parcial é feita principalmente por pulverização catódica.

Para realizar qualquer tipo de metalização a vácuo de filme fino, um sistema geralmente consiste nos seguintes componentes básicos:

  • uma câmara que pode ser evacuada para fornecer um vácuo suficiente para deposição
  • uma bomba de vácuo (ou bombas) para reduzir os gases ambientais na câmara
  • instrumentação para monitorar o nível de vácuo e outros parâmetros
  • um método de depositar ou evaporar as camadas de material de metalização.

 

Evaporação por feixe de elétrons, freqüentemente chamado feixe E, usa um feixe focalizado de elétrons para aquecer o material de metalização. Um feixe de elétrons de alta intensidade é gerado de maneira semelhante à usada em um tubo de imagem de televisão. Um fluxo de elétrons é acelerado através de um campo elétrico de tipicamente 5 a 10 kV e focado no material a ser evaporado. O feixe focalizado de elétrons derrete o material contido em um bloco refrigerado a água com uma grande depressão chamada lareira. O material derretido então vaporiza dentro da câmara de vácuo e condensa nas bolachas resfriadas, bem como em toda a superfície da câmara. Em seguida, as operações padrão de fotorresistência, exposição, revelação e corrosão úmida ou seca são executadas para delinear o intrincado circuito metalizado.

Evaporação instantânea é outra técnica para a deposição de filmes finos metalizados. Este método é usado principalmente quando uma mistura de dois materiais (ligas) deve ser evaporada simultaneamente. Alguns exemplos de filmes de dois componentes são: níquel/cromo (Nicromo), cromo/monóxido de silício (SiO) e alumínio/silício.

Na evaporação instantânea, uma barra de cerâmica é aquecida por resistência térmica e um carretel de arame alimentado continuamente, fluxo de pastilhas ou pó dispensado vibracionalmente é colocado em contato com o filamento ou barra quente. Os metais vaporizados então revestem a câmara interna e as superfícies do wafer.

Evaporação resistiva (também conhecida como evaporação de filamentos) é a forma mais simples e menos dispendiosa de deposição. A evaporação é realizada aumentando gradualmente a corrente que flui através do filamento para primeiro derreter as alças do material a ser evaporado, molhando assim o filamento. Uma vez que o filamento é molhado, a corrente através do filamento é aumentada até que ocorra a evaporação. A principal vantagem da evaporação resistiva é a grande variedade de materiais que podem ser evaporados.

Às vezes, o trabalho de manutenção é feito na superfície interna das câmaras de deposição do evaporador E-beam chamadas de redomas. Quando os técnicos de manutenção estão com a cabeça dentro das redomas, podem ocorrer exposições significativas. A remoção dos resíduos metálicos que se depositam na superfície interna das redomas pode resultar em tais exposições. Por exemplo, exposições técnicas muito acima do limite de exposição aérea para prata foram medidas durante a remoção de resíduos de um evaporador usado para depositar prata (Baldwin e Stewart 1989).

A limpeza de resíduos de redomas de vidro com solventes de limpeza orgânicos também pode resultar em alta exposição a solventes. Exposições de técnicos a metanol acima de 250 ppm ocorreram durante esse tipo de limpeza. Essa exposição pode ser eliminada usando água como solvente de limpeza em vez de metanol (Baldwin e Stewart 1989).

A deposição pulverizada O processo ocorre em uma atmosfera de gás de baixa pressão ou vácuo parcial, usando corrente elétrica direta (CC ou pulverização catódica) ou tensões de RF como fonte de alta energia. No sputtering, íons de gás inerte de argônio são introduzidos em uma câmara de vácuo após um nível de vácuo satisfatório ter sido alcançado por meio do uso de uma bomba de desbaste. Um campo elétrico é formado pela aplicação de uma alta voltagem, tipicamente 5,000 V, entre duas placas com cargas opostas. Essa descarga de alta energia ioniza os átomos do gás argônio e faz com que eles se movam e acelerem para uma das placas da câmara chamada de alvo. Quando os íons de argônio atingem o alvo feito do material a ser depositado, eles desalojam ou pulverizam esses átomos ou moléculas. Os átomos desalojados do material de metalização são então depositados em um filme fino sobre os substratos de silício voltados para o alvo.

Verificou-se que o vazamento de RF pelas laterais e por trás de muitas unidades de sputter mais antigas excedeu o limite de exposição ocupacional (Baldwin e Stewart 1989). A maior parte do vazamento foi atribuída a rachaduras nos gabinetes causadas pela remoção repetida dos painéis de manutenção. Em modelos mais novos do mesmo fabricante, os painéis com tela de arame ao longo das costuras evitam vazamentos significativos. Os pulverizadores mais antigos podem ser adaptados com malha de arame ou, alternativamente, fita de cobre pode ser usada para cobrir as costuras para reduzir o vazamento.

Filme espesso

A estrutura e dimensão da maioria dos filmes espessos não são compatíveis com a metalização de circuitos integrados de silício, principalmente devido a restrições de tamanho. Filmes espessos são usados ​​principalmente para metalização de estruturas eletrônicas híbridas, como na fabricação de LCDs.

O processo de serigrafia é o método dominante de aplicação de filmes espessos. Os materiais de filme espesso tipicamente usados ​​são paládio, prata, dióxido de titânio e vidro, ouro-platina e vidro, ouro-vidro e prata-vidro.

Filmes espessos resistivos são normalmente depositados e modelados em um substrato cerâmico usando técnicas de serigrafia. cermet é uma forma de filme espesso resistivo composto por uma suspensão de partículas metálicas condutoras em uma matriz cerâmica com uma resina orgânica como carga. Estruturas típicas de cermet são compostas de cromo, prata ou óxido de chumbo em uma matriz de dióxido ou monóxido de silício.

Galvanização

Dois tipos básicos de técnicas de revestimento são usados ​​na formação de filmes metálicos em substratos semicondutores: galvanoplastia e galvanoplastia.

In galvanização, o substrato a ser revestido é colocado no cátodo, ou terminal carregado negativamente, do tanque de revestimento e imerso em uma solução eletrolítica. Um eletrodo feito do metal a ser revestido serve como ânodo, ou terminal carregado positivamente. Quando uma corrente direta é passada através da solução, os íons metálicos carregados positivamente, que se dissolvem na solução a partir do ânodo, migram e se acumulam no cátodo (substrato). Este método de revestimento é usado para formar filmes condutores de ouro ou cobre.

In galvanização elétrica, a redução e oxidação simultâneas do metal a ser revestido são usadas na formação de um átomo ou molécula de metal livre. Como esse método não requer condução elétrica durante o processo de revestimento, ele pode ser usado com substratos do tipo isolante. Níquel, cobre e ouro são os metais mais comuns depositados dessa maneira.

Liga/recozimento

Após as interconexões metalizadas terem sido depositadas e atacadas, uma etapa final de liga e recozimento pode ser realizada. A liga consiste em colocar os substratos metalizados, geralmente com alumínio, em um forno de difusão a baixa temperatura para assegurar um contato de baixa resistência entre o alumínio metálico e o substrato de silício. Finalmente, durante a etapa de liga ou diretamente após ela, os wafers são frequentemente expostos a uma mistura de gás contendo hidrogênio em um forno de difusão de 400 a 500°C. A etapa de recozimento é projetada para otimizar e estabilizar as características do dispositivo combinando o hidrogênio com átomos não comprometidos na interface silício-dióxido de silício ou próximo a ela.

Backlapping e metalização do verso

Há também uma etapa opcional de processamento de metalização chamada backlapping. A parte de trás do wafer pode ser lapidada ou retificada usando uma solução abrasiva úmida e pressão. Um metal como o ouro pode ser depositado na parte de trás do wafer por pulverização catódica. Isso facilita a fixação da matriz separada na embalagem na montagem final.

Montagem e teste

O processamento de não fabricação, que inclui embalagem externa, acessórios, encapsulamento, montagem e teste, normalmente é realizado em instalações de produção separadas e muitas vezes é feito em países do Sudeste Asiático, onde esses trabalhos intensivos em mão de obra são mais baratos de executar. Além disso, os requisitos de ventilação para o processo e controle de partículas são geralmente diferentes (sem sala limpa) nas áreas de processamento de não fabricação. Essas etapas finais no processo de fabricação envolvem operações que incluem soldagem, desengorduramento, testes com produtos químicos e fontes de radiação e corte e marcação com lasers.

A soldagem durante a fabricação de semicondutores normalmente não resulta em altas exposições ao chumbo. Para evitar danos térmicos ao circuito integrado, a temperatura da solda é mantida abaixo da temperatura em que pode ocorrer uma formação significativa de fumaça de chumbo derretido (430°C). No entanto, a limpeza do equipamento de solda raspando ou escovando os resíduos contendo chumbo pode resultar em exposições de chumbo acima de 50 μg/m3 (Baldwin e Stewart 1989). Além disso, exposições ao chumbo de 200 μg/m3 ocorreram quando técnicas impróprias de remoção de escória são usadas durante operações de solda por onda (Baldwin e Williams 1996).

Uma preocupação crescente com as operações de solda é a irritação respiratória e asma devido à exposição aos produtos de pirólise dos fluxos de solda, particularmente durante a soldagem manual ou operações de retoque, onde historicamente a ventilação de exaustão local não tem sido comumente usada (ao contrário das operações de solda por onda, que nas últimas décadas têm sido normalmente colocados em armários esgotados) (Goh e Ng 1987). Consulte o artigo “Placa de circuito impresso e montagem do computador” para mais detalhes.

Como a colofonia no fluxo de solda é um sensibilizador, todas as exposições devem ser reduzidas ao mínimo possível, independentemente dos resultados da amostragem de ar. As novas instalações de soldagem devem incluir ventilação de exaustão local quando a soldagem for executada por longos períodos de tempo (por exemplo, mais de 2 horas).

Os vapores da solda manual sobem verticalmente em correntes térmicas, entrando na zona de respiração do funcionário conforme a pessoa se inclina sobre o ponto de solda. O controle geralmente é obtido por meio de ventilação de exaustão local de alta velocidade e baixo volume na ponta da solda.

Dispositivos que retornam ar filtrado para o local de trabalho podem, se a eficiência da filtragem for inadequada, causar poluição secundária que pode afetar outras pessoas no local de trabalho além das que estão soldando. O ar filtrado não deve retornar à sala de trabalho, a menos que a quantidade de solda seja pequena e a sala tenha uma boa ventilação geral de diluição.

Classificação e teste de wafer

Depois que a fabricação do wafer é concluída, cada wafer intrinsecamente acabado passa por um processo de classificação de wafer, no qual os circuitos integrados em cada matriz específica são testados eletricamente com sondas controladas por computador. Um wafer individual pode conter de cem a muitas centenas de matrizes ou chips separados que devem ser testados. Depois que os resultados do teste são concluídos, as matrizes são marcadas fisicamente com uma resina epóxi de um componente dispensada automaticamente. Vermelho e azul são usados ​​para identificar e classificar matrizes que não atendem às especificações elétricas desejadas.

Separação de matriz

Com os dispositivos ou circuitos no wafer testados, marcados e classificados, as matrizes individuais no wafer devem ser separadas fisicamente. Vários métodos foram projetados para separar as matrizes individuais - gravação de diamante, gravação a laser e serragem de disco diamantado.

A gravação de diamante é o método mais antigo em uso e envolve o desenho de uma ponta embutida de diamante de formato preciso na bolacha ao longo da linha de gravação ou “rua” que separa as matrizes individuais na superfície da bolacha. A imperfeição na estrutura cristalina causada pela riscagem permite que o wafer seja dobrado e fraturado ao longo desta linha.

A gravação a laser é uma técnica relativamente recente de separação de moldes. Um feixe de laser é gerado por um laser de neodímio-ítrio pulsado de alta potência. O feixe gera um sulco na bolacha de silício ao longo das linhas riscadas. A ranhura serve como a linha ao longo da qual o wafer se quebra.

Um método amplamente utilizado de separação de moldes é a serragem úmida - corte de substratos ao longo da rua com uma serra diamantada circular de alta velocidade. A serragem pode cortar parcialmente (escrever) ou cortar completamente (cortar) através do substrato de silício. Uma pasta úmida de material removido da rua é gerada pela serragem.

Die anexar e colagem

A matriz ou chip individual deve ser anexado a uma embalagem transportadora e a uma estrutura de chumbo de metal. Os portadores são normalmente feitos de um material isolante, seja de cerâmica ou de plástico. Materiais de suporte cerâmicos são geralmente feitos de alumina (Al2O3), mas possivelmente pode consistir em berílio (BeO) ou esteatito (MgO-SiO2). Os materiais de suporte de plástico são do tipo resina termoplástica ou termoendurecível.

A fixação da matriz individual é geralmente realizada por um dos três tipos distintos de fixação: eutética, pré-forma e epóxi. A fixação da matriz eutética envolve o uso de uma liga de brasagem eutética, como ouro-silício. Neste método, uma camada de metal dourado é pré-depositada na parte de trás da matriz. Ao aquecer a embalagem acima da temperatura eutética (370°C para ouro-silício) e colocar a matriz sobre ela, forma-se uma ligação entre a matriz e a embalagem.

A colagem de pré-formas envolve o uso de um pequeno pedaço de material de composição especial que aderirá tanto à matriz quanto à embalagem. Uma pré-forma é colocada na área de fixação da matriz de uma embalagem e permite que ela derreta. A matriz é então esfregada em toda a região até que a matriz seja fixada e, em seguida, a embalagem é resfriada.

A colagem de epóxi envolve o uso de uma cola epóxi para prender a matriz à embalagem. Uma gota de epóxi é dispensada na embalagem e o molde colocado sobre ela. A embalagem pode precisar ser assada a uma temperatura elevada para curar o epóxi adequadamente.

Uma vez que a matriz esteja fisicamente conectada ao pacote, as conexões elétricas devem ser fornecidas entre o circuito integrado e os condutores do pacote. Isso é feito usando termocompressão, técnicas de colagem ultrassônicas ou termossônicas para conectar fios de ouro ou alumínio entre as áreas de contato no chip de silício e os terminais da embalagem.

A colagem por termocompressão é frequentemente usada com fio de ouro e envolve o aquecimento da embalagem a aproximadamente 300oC e formando a ligação entre o fio e as almofadas de ligação usando calor e pressão. Dois tipos principais de colagem por termocompressão estão em uso:colagem de bola e união de cunha. A ligação de esferas, que é usada apenas com fio de ouro, alimenta o fio através de um tubo capilar, comprime-o e, em seguida, uma chama de hidrogênio derrete o fio. Além disso, forma-se uma nova bola na ponta do arame para o próximo ciclo de colagem. A colagem por cunha envolve uma ferramenta de colagem em forma de cunha e um microscópio usado para posicionar o chip de silício e empacotar com precisão sobre a placa de colagem. O processo é realizado em uma atmosfera inerte.

A colagem ultrassônica usa um pulso de energia ultrassônica de alta frequência para fornecer uma ação de esfregar que forma uma ligação entre o fio e a almofada de colagem. A colagem ultrassônica é usada principalmente com fio de alumínio e geralmente é preferida à colagem por termocompressão, pois não requer que o chip do circuito seja aquecido durante a operação de colagem.

A colagem termossônica é uma mudança tecnológica recente na colagem de fios de ouro. Envolve o uso de uma combinação de energia ultrassônica e térmica e requer menos calor do que a colagem por termocompressão.

Encapsulamento

O objetivo principal do encapsulamento é colocar um circuito integrado em um pacote que atenda aos requisitos elétricos, térmicos, químicos e físicos associados à aplicação do circuito integrado.

Os tipos de pacotes mais amplamente usados ​​são o tipo radial-lead, o pacote plano e o pacote dual-in-line (DIP). As embalagens de chumbo radial são feitas principalmente de Kovar, uma liga de ferro, níquel e cobalto, com selos de vidro duro e chumbo Kovar. As embalagens planas usam armações de metal-chumbo, geralmente feitas de uma liga de alumínio combinada com componentes de cerâmica, vidro e metal. As embalagens dual-in-line são geralmente as mais comuns e geralmente usam cerâmica ou plásticos moldados.

Os pacotes semicondutores de plástico moldado são produzidos principalmente por dois processos separados -moldagem de transferência e moldagem por injeção. A moldagem por transferência é o método de encapsulamento plástico predominante. Nesse método, os cavacos são montados em estruturas de chumbo não aparadas e, em seguida, carregados em lotes em moldes. Formas em pó ou pellets de compostos de moldagem de plástico termoendurecível são derretidas em uma panela aquecida e depois forçadas (transferidas) sob pressão para os moldes carregados. Os sistemas de compostos de moldagem de plástico em forma de pó ou pellet podem ser usados ​​em resinas epóxi, silicone ou silicone/epóxi. O sistema geralmente consiste em uma mistura de:

  • resinas termoendurecíveis— epóxi, silicone ou silicone/epóxi
  • endurecedores— epóxi novolacs e epóxi anidridos
  • envasadoras—dióxido de silício cristalino ou fundido com sílica (SiO2) e alumina (Al2O3), geralmente 50-70% em peso
  • retardante de fogo-trióxido de antimônio (Sb2O3) geralmente 1-5% em peso.

 

A moldagem por injeção usa um composto de moldagem termoplástico ou termofixo que é aquecido até seu ponto de fusão em um cilindro a uma temperatura controlada e forçado sob pressão através de um bico no molde. A resina solidifica rapidamente, o molde é aberto e a embalagem de encapsulamento ejetada. Uma ampla variedade de compostos plásticos é usada na moldagem por injeção, sendo as resinas epóxi e sulfeto de polifenileno (PPS) as mais novas entradas no encapsulamento de semicondutores.

A embalagem final do dispositivo semicondutor de silício é classificada de acordo com sua resistência a vazamentos ou capacidade de isolar o circuito integrado de seu ambiente. Estes são diferenciados como sendo hermeticamente (hermeticamente) ou não hermeticamente fechados.

Teste de vazamento e queimadura

Teste de vazamento é um procedimento desenvolvido para testar a real capacidade de vedação ou hermetismo do dispositivo embalado. Duas formas comuns de teste de vazamento estão em uso: detecção de vazamento de hélio e detecção de vazamento de rastreador radioativo.

Na detecção de vazamento de hélio, os pacotes completos são colocados em uma atmosfera de pressão de hélio por um período de tempo. O hélio é capaz de penetrar nas imperfeições da embalagem. Após a remoção da câmara de pressurização de hélio, a embalagem é transferida para uma câmara de espectrômetro de massa e testada quanto ao vazamento de hélio pelas imperfeições da embalagem.

Gás marcador radioativo, geralmente criptônio-85 (Kr-85), é substituído por hélio no segundo método, e o vazamento de gás radioativo da embalagem é medido. Sob condições normais, a exposição do pessoal a este processo é inferior a 5 milisieverts (500 milirems) por ano (Baldwin e Stewart 1989). Os controles para esses sistemas geralmente incluem:

  • isolamento em quartos com acesso limitado apenas ao pessoal necessário
  • postou sinais de alerta de radiação nas portas dos quartos contendo Kr-85
  • monitores de radiação contínua com alarmes e desligamento/isolamento automático
  • sistema de exaustão dedicado e sala de pressão negativa
  • monitoramento de exposições com dosimetria pessoal (por exemplo, crachás de filme de radiação)
  • manutenção regular de alarmes e intertravamentos
  • verificações regulares de vazamento de material radioativo
  • treinamento de segurança para operadores e técnicos
  • garantir que as exposições à radiação sejam mantidas tão baixas quanto razoavelmente possível (ALARA).

 

Além disso, os materiais que entram em contato com o Kr-85 (por exemplo, ICs expostos, óleo de bomba usado, válvulas e anéis de vedação) são examinados para garantir que não emitam níveis excessivos de radiação devido ao gás residual neles antes de serem removidos do a área controlada. Leach-Marshal (1991) fornece informações detalhadas sobre exposições e controles de sistemas de detecção de vazamento fino Kr-85.

Queimar é uma operação de tensão elétrica e de temperatura para determinar a confiabilidade do dispositivo final embalado. Os dispositivos são colocados em um forno com temperatura controlada por um longo período de tempo usando a atmosfera ambiente ou uma atmosfera inerte de nitrogênio. As temperaturas variam de 125°C a 200°C (150°C é uma média) e períodos de tempo de algumas horas a 1,000 horas (48 horas é uma média).

Teste final

Para uma caracterização final do desempenho do dispositivo semicondutor de silício encapsulado, um teste elétrico final é realizado. Devido ao grande número e à complexidade dos testes necessários, um computador realiza e avalia o teste de inúmeros parâmetros importantes para o eventual funcionamento do dispositivo.

Marcar e embalar

A identificação física do dispositivo final embalado é realizada pelo uso de uma variedade de sistemas de marcação. As duas principais categorias de marcação de componentes são impressão com e sem contato. A impressão por contato normalmente incorpora uma técnica offset rotativa usando tintas à base de solvente. A impressão sem contato, que transfere marcações sem contato físico, envolve impressão com cabeçote de jato de tinta ou toner usando tintas à base de solvente ou marcação a laser.

Os solventes usados ​​como suporte para as tintas de impressão e como pré-limpeza são normalmente compostos por uma mistura de álcoois (etanol) e ésteres (acetato de etila). A maioria dos sistemas de marcação de componentes, além da marcação a laser, usa tintas que requerem uma etapa adicional para fixação ou cura. Esses métodos de cura são a cura ao ar, a cura por calor (térmica ou infravermelha) e a cura por ultravioleta. As tintas de cura ultravioleta não contêm solventes.

Os sistemas de marcação a laser utilizam dióxido de carbono (CO2) ou um laser de neodímio:ítrio de alta potência. Esses lasers são normalmente embutidos no equipamento e possuem gabinetes intertravados que encerram o caminho do feixe e o ponto onde o feixe entra em contato com o alvo. Isso elimina o perigo do feixe de laser durante as operações normais, mas há uma preocupação quando os intertravamentos de segurança são anulados. A operação mais comum em que é necessário remover os compartimentos do feixe e anular os intertravamentos é o alinhamento do feixe de laser.

Durante essas operações de manutenção, idealmente, a sala que contém o laser deve ser evacuada, exceto para os técnicos de manutenção necessários, com as portas da sala trancadas e sinalizadas com sinais de segurança de laser apropriados. No entanto, os lasers de alta potência usados ​​na fabricação de semicondutores geralmente estão localizados em áreas de fabricação grandes e abertas, tornando impraticável realocar o pessoal não responsável pela manutenção durante a manutenção. Para essas situações, normalmente é estabelecida uma área de controle temporária. Normalmente, essas áreas de controle consistem em cortinas de laser ou telas de soldagem capazes de suportar contato direto com o feixe de laser. A entrada para a área de controle temporária geralmente é feita por meio de uma entrada de labirinto que é afixada com um sinal de alerta sempre que os intertravamentos do laser são desfeitos. Outras precauções de segurança durante o alinhamento do feixe são semelhantes às exigidas para a operação de um laser de alta potência de feixe aberto (por exemplo, treinamento, proteção para os olhos, procedimentos escritos e assim por diante).

Lasers de alta potência também são um dos perigos elétricos mais significativos na indústria de semicondutores. Mesmo após o desligamento da energia, existe um potencial de choque significativo dentro da ferramenta e deve ser dissipado antes de trabalhar dentro do gabinete.

Juntamente com o perigo do feixe e o perigo elétrico, também deve-se tomar cuidado ao realizar a manutenção em sistemas de marcação a laser devido ao potencial de contaminação química do trióxido de antimônio retardador de fogo e berílio (embalagens de cerâmica contendo este composto serão rotuladas). Os vapores podem ser criados durante a marcação com os lasers de alta potência e criar resíduos nas superfícies do equipamento e nos filtros de extração de fumos.

Desengraxantes foram usados ​​no passado para limpar semicondutores antes de serem marcados com códigos de identificação. A exposição a solventes acima do limite de exposição ocupacional aplicável no ar pode ocorrer facilmente se a cabeça do operador for colocada abaixo das bobinas de resfriamento que causam a recondensação dos vapores, como pode acontecer quando um operador tenta recuperar peças caídas ou quando um técnico limpa resíduos do fundo do a unidade (Baldwin e Stewart 1989). O uso de desengordurantes foi bastante reduzido na indústria de semicondutores devido a restrições ao uso de substâncias que destroem a camada de ozônio, como clorofluorcarbonetos e solventes clorados.

Análise de falhas e garantia de qualidade

Os laboratórios de análise de falha e análise de qualidade normalmente realizam várias operações usadas para garantir a confiabilidade dos dispositivos. Algumas das operações realizadas nesses laboratórios apresentam potencial de exposição dos funcionários. Esses incluem:

  • provas de marcação utilizando vários solventes e misturas corrosivas em copos aquecidos em placas de aquecimento. Ventilação de exaustão local (LEV) na forma de uma capa de metal com velocidades faciais adequadas é necessária para controlar as emissões fugitivas. As soluções de monoetanolamina podem resultar em exposições superiores ao seu limite de exposição aérea (Baldwin e Williams 1996).
  • teste de bolhas/vazamentos utilizando fluorocarbonetos de alto peso molecular (nome comercial Fluorinerts)
  • unidades de embalagem de raios-x.

 

O cobalto-60 (até 26,000 curies) é usado em irradiadores para testar a capacidade dos ICs de resistir à exposição à radiação gama em aplicações militares e espaciais. Em condições normais, a exposição do pessoal nesta operação é inferior a 5 milisieverts (500 milirems) por ano (Baldwin e Stewart 1989). Os controles para esta operação um tanto especializada são semelhantes aos utilizados para sistemas de vazamento fino Kr-85 (por exemplo, sala isolada, monitores de radiação contínua, monitoramento de exposição pessoal e assim por diante).

Pequenas fontes alfa de “licença específica” (por exemplo, micro e milicuries de Americium-241) são usadas no processo de análise de falha. Essas fontes são cobertas por uma fina camada protetora chamada janela que permite que partículas alfa sejam emitidas da fonte para testar a capacidade do circuito integrado de operar quando bombardeado por partículas alfa. Normalmente, as fontes são verificadas periodicamente (por exemplo, semestralmente) quanto a vazamento de material radioativo que pode ocorrer se a janela de proteção for danificada. Qualquer vazamento detectável geralmente desencadeia a remoção da fonte e seu envio de volta ao fabricante.

Os sistemas de raios X de gabinete são usados ​​para verificar a espessura dos revestimentos de metal e para identificar defeitos (por exemplo, bolhas de ar em pacotes de compostos de molde). Embora não sejam uma fonte significativa de vazamento, essas unidades são normalmente verificadas periodicamente (por exemplo, anualmente) com um medidor de pesquisa portátil para vazamento de raios-x e inspecionadas para garantir que os intertravamentos da porta funcionem corretamente.

Envios

A remessa é o ponto final do envolvimento da maioria dos fabricantes de dispositivos de semicondutores de silício. Os fabricantes de semicondutores comerciais vendem seus produtos para outros produtores de produtos finais, enquanto os fabricantes cativos usam os dispositivos para seus próprios produtos finais.

Estudo de saúde

Cada etapa do processo usa um conjunto específico de produtos químicos e ferramentas que resultam em preocupações específicas de EHS. Além das preocupações associadas às etapas específicas do processo no processamento de dispositivos semicondutores de silício, um estudo epidemiológico investigou os efeitos na saúde entre funcionários da indústria de semicondutores (Schenker et al. 1992). Veja também a discussão no artigo “Efeitos na saúde e padrões de doenças”.

A principal conclusão do estudo foi que o trabalho em instalações de fabricação de semicondutores está associado a um aumento da taxa de aborto espontâneo (SAB). No componente histórico do estudo, o número de gestações estudadas em funcionários de fabricação e não fabricação foi aproximadamente igual (447 e 444, respectivamente), mas houve mais abortos espontâneos em fabricação (n=67) do que em não fabricação (n=46) . Quando ajustado para vários fatores que podem causar viés (idade, etnia, tabagismo, estresse, status socioeconômico e histórico de gravidez), o risco relativo (RR) para fabricação versus não fabricação foi de 1.43 (intervalo de confiança de 95% = 0.95-2.09) .

Os pesquisadores relacionaram o aumento da taxa de SAB com a exposição a certos éteres de glicol à base de etileno (EGE) usados ​​na fabricação de semicondutores. Os éteres de glicol específicos envolvidos no estudo e suspeitos de causar efeitos reprodutivos adversos são:

  • 2-metoxietanol (CAS 109-86-4)
  • Acetato de 2-metoxietila (CAS 110-49-6)
  • acetato de 2-etoxietil (CAS 111-15-9).

 

Embora não façam parte do estudo, dois outros glicol éteres usados ​​na indústria, 2-etoxietanol (CAS 110-80-5) e dietilenoglicol dimetil éter (CAS 111-96-6) têm efeitos tóxicos semelhantes e foram banidos por alguns fabricantes de semicondutores.

Além de uma taxa aumentada de SAB associada à exposição a certos éteres de glicol, o estudo também concluiu:

  • Existia uma associação inconsistente para a exposição ao flúor (na corrosão) e SAB.
  • O estresse autorreferido foi um forte fator de risco independente para SAB entre as mulheres que trabalham nas áreas de fabricação.
  • Levava mais tempo para as mulheres que trabalhavam na área de fabricação engravidarem em comparação com as mulheres nas áreas de não fabricação.
  • Um aumento nos sintomas respiratórios (irritação dos olhos, nariz e garganta e respiração ofegante) estava presente para os trabalhadores de fabricação em comparação com os trabalhadores de fora da fabricação.
  • Sintomas musculoesqueléticos da extremidade superior distal, como dor nas mãos, punhos, cotovelos e antebraços, foram associados ao trabalho na sala de fabricação.
  • Dermatite e queda de cabelo (alopecia) foram relatadas com mais frequência entre os trabalhadores de fabricação do que entre os trabalhadores de não fabricação.

 

Revisão do Equipamento

A complexidade do equipamento de fabricação de semicondutores, aliada aos avanços contínuos nos processos de fabricação, torna a revisão pré-instalação de novos equipamentos de processo importante para minimizar os riscos de EHS. Dois processos de revisão de equipamentos ajudam a garantir que os novos equipamentos de processo de semicondutores tenham controles EHS apropriados: marcação CE e padrões Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI).

A marcação CE é uma declaração do fabricante de que o equipamento assim marcado está em conformidade com os requisitos de todas as diretivas aplicáveis ​​da União Europeia (UE). Para equipamentos de fabricação de semicondutores, a Diretiva de Máquinas (MD), a Diretiva de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) e a Diretriz de Baixa Tensão (LVD) são consideradas as diretivas mais aplicáveis.

No caso da Diretiva EMC, os serviços de um órgão competente (organização oficialmente autorizada por um estado membro da UE) precisam ser contratados para definir os requisitos de teste e aprovar os resultados do exame. O MD e o LVD podem ser avaliados pelo fabricante ou por um organismo notificado (organização oficialmente autorizada por um estado membro da UE). Independentemente do caminho escolhido (autoavaliação ou terceiro), é o importador registrado o responsável pela marcação CE do produto importado. Eles podem usar as informações de terceiros ou de autoavaliação como base para acreditar que o equipamento atende aos requisitos das diretivas aplicáveis, mas, em última análise, eles próprios prepararão a declaração de conformidade e aporão a marcação CE.

A Semiconductor Equipment and Materials International é uma associação comercial internacional que representa fornecedores de materiais e equipamentos de tela plana e semicondutores. Entre suas atividades está o desenvolvimento de padrões técnicos voluntários que são acordos entre fornecedores e clientes visando melhorar a qualidade e confiabilidade do produto a um preço razoável e fornecimento estável.

Dois padrões SEMI que se aplicam especificamente às preocupações de EHS para novos equipamentos são SEMI S2 e SEMI S8. SEMI S2-93, Diretrizes de segurança para equipamentos de fabricação de semicondutores, destina-se a ser um conjunto mínimo de considerações de EHS baseadas em desempenho para equipamentos usados ​​na fabricação de semicondutores. SEMI S8-95, Guia do usuário dos critérios ergonômicos de sucesso do fornecedor, expande a seção de ergonomia no SEMI S2.

Muitos fabricantes de semicondutores exigem que novos equipamentos sejam certificados por terceiros como atendendo aos requisitos da SEMI S2. Diretrizes para interpretar SEMI S2-93 e SEMI S8-95 estão contidas em uma publicação do consórcio industrial SEMATECH (SEMATECH 1996). Informações adicionais sobre SEMI estão disponíveis na web mundial (http://www.semi.org).

Manipulação Química

Dispensação de líquido

Com os sistemas automatizados de distribuição de produtos químicos se tornando a regra, não a exceção, o número de queimaduras químicas em funcionários diminuiu. No entanto, proteções adequadas precisam ser instaladas nesses sistemas automatizados de distribuição de produtos químicos. Esses incluem:

  • detecção de vazamento e desligamento automático na fonte de abastecimento a granel e nas caixas de junção
  • dupla contenção de linhas se o produto químico for considerado um material perigoso
  • sensores de alto nível nos pontos finais (banho ou vaso de ferramentas)
  • desligamento cronometrado da bomba (permite que apenas uma quantidade específica seja bombeada para um local antes de desligar automaticamente).

Distribuição de gás

A segurança da distribuição de gás melhorou significativamente ao longo dos anos com o advento de novos tipos de válvulas de cilindro, orifícios de fluxo restrito incorporados ao cilindro, painéis automatizados de purga de gás, detecção e fechamento de alta vazão e equipamentos de detecção de vazamento mais sofisticados. Por causa de sua propriedade pirofórica e seu amplo uso como matéria-prima, o gás silano representa o risco de explosão mais significativo na indústria. No entanto, os incidentes com gás silano tornaram-se mais previsíveis com novas pesquisas realizadas pela Factory Mutual e SEMATECH. Com orifícios de fluxo reduzido adequados (RFOs), pressões de entrega e taxas de ventilação, a maioria dos incidentes explosivos foram eliminados (SEMATECH 1995).

Vários incidentes de segurança ocorreram nos últimos anos devido a uma mistura descontrolada de gases incompatíveis. Devido a esses incidentes, os fabricantes de semicondutores geralmente revisam as instalações da linha de gás e as caixas de gás para ferramentas para garantir que não ocorra mistura inadequada e/ou refluxo de gases.

Questões químicas geralmente geram as maiores preocupações na fabricação de semicondutores. No entanto, a maioria das lesões e mortes na indústria resultam de perigos não químicos.

Segurança elétrica

Existem inúmeros riscos elétricos associados aos equipamentos usados ​​nesta indústria. Os intertravamentos de segurança desempenham um papel importante na segurança elétrica, mas esses intertravamentos geralmente são substituídos pelos técnicos de manutenção. Uma quantidade significativa de trabalho de manutenção é normalmente realizada enquanto o equipamento ainda está energizado ou apenas parcialmente desenergizado. Os perigos elétricos mais significativos estão associados a implantadores de íons e fontes de alimentação a laser. Mesmo após o desligamento da energia, existe um potencial de choque significativo dentro da ferramenta e deve ser dissipado antes de trabalhar dentro da ferramenta. O processo de revisão SEMI S2 nos Estados Unidos e a marca CE na Europa ajudaram a melhorar a segurança elétrica de novos equipamentos, mas as operações de manutenção nem sempre são consideradas adequadamente. Uma análise cuidadosa das operações de manutenção e dos riscos elétricos é necessária para todos os equipamentos recém-instalados.

Em segundo lugar na lista de riscos elétricos está o conjunto de equipamentos que gera energia de RF durante os processos de corrosão, pulverização catódica e limpeza da câmara. Blindagem e aterramento adequados são necessários para minimizar o risco de queimaduras por RF.

Esses riscos elétricos e as muitas ferramentas que não são desligadas durante as operações de manutenção exigem que os técnicos de manutenção empreguem outros meios para se protegerem, como procedimentos de bloqueio/sinalização. Riscos elétricos não são as únicas fontes de energia tratadas com bloqueio/sinalização. Outras fontes de energia incluem linhas pressurizadas, muitas contendo gases ou líquidos perigosos e controles pneumáticos. As desconexões para controlar essas fontes de energia precisam estar em um local prontamente disponível - dentro do fab (fabricação) ou perseguir a área onde o funcionário estará trabalhando, em vez de locais inconvenientes, como subfabs.

Ergonomia

A interface entre o funcionário e a ferramenta continua causando lesões. Tensão muscular e entorses são bastante comuns na indústria de semicondutores, especialmente com o técnico de manutenção. O acesso a bombas, tampas de câmara e assim por diante geralmente não é bem projetado durante a fabricação da ferramenta e durante a colocação da ferramenta na fábrica. As bombas devem estar sobre rodas ou colocadas em gavetas ou bandejas extraíveis. Dispositivos de elevação precisam ser incorporados para muitas operações.

O simples manuseio de wafer causa riscos ergonômicos, especialmente em instalações mais antigas. As instalações mais novas geralmente têm wafers maiores e, portanto, requerem sistemas de manuseio mais automatizados. Muitos desses sistemas de manuseio de wafer são considerados dispositivos robóticos, e as preocupações de segurança com esses sistemas devem ser consideradas quando são projetados e instalados (ANSI 1986).

Segurança contra Incêndios

Além do gás silano, que já foi abordado, o gás hidrogênio tem o potencial de ser um risco de incêndio significativo. No entanto, é melhor compreendido e a indústria não viu muitos problemas importantes associados ao hidrogênio.

O risco de incêndio mais sério agora está associado a decks molhados ou banhos de ataque. Os materiais plásticos típicos de construção (cloreto de polivinila, polipropileno e polipropileno resistente a chamas) foram todos envolvidos em fab incêndios. A fonte de ignição pode ser um aquecedor de banho de decapagem ou chapeamento, os controles elétricos montados diretamente no plástico ou uma ferramenta adjacente. Se ocorrer um incêndio com uma dessas ferramentas de plástico, a contaminação por partículas e os produtos de combustão corrosivos se espalharão pela fábrica. A perda econômica é alta devido ao tempo de inatividade na fábrica enquanto a área e os equipamentos são trazidos de volta aos padrões de sala limpa. Muitas vezes, alguns equipamentos caros não podem ser adequadamente descontaminados e novos equipamentos devem ser adquiridos. Portanto, a prevenção e a proteção contra incêndios adequadas são críticas.

A prevenção de incêndios pode ser abordada com diferentes materiais de construção não combustíveis. O aço inoxidável é o material de construção preferido para esses decks úmidos, mas muitas vezes o processo não “aceita” uma ferramenta de metal. Existem plásticos com menor potencial de fogo/fumaça, mas ainda não foram adequadamente testados para determinar se serão compatíveis com os processos de fabricação de semicondutores.

Para proteção contra incêndio, essas ferramentas devem ser protegidas por sprinklers desobstruídos. A colocação de filtros HEPA acima de bancadas molhadas geralmente bloqueia os aspersores. Se isso ocorrer, aspersores adicionais serão instalados abaixo dos filtros. Muitas empresas também exigem que um sistema de detecção e supressão de incêndio seja instalado dentro das cavidades plenum dessas ferramentas, onde muitos incêndios começam.

 

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