Prozessübersicht

Die Beschreibung der Verarbeitung von Silizium-Halbleitergeräten, entweder diskrete Geräte (ein Halbleiter, der nur ein aktives Gerät enthält, wie z. B. einen Transistor) oder ICs (miteinander verbundene Arrays aktiver und passiver Elemente innerhalb eines einzelnen Halbleitersubstrats, die mindestens eine elektronische Schaltungsfunktion ausführen können) , umfasst zahlreiche hochtechnische und spezifische Operationen. Die Absicht dieser Beschreibung besteht darin, einen grundlegenden Rahmen und eine Erläuterung der Hauptkomponentenschritte bereitzustellen, die bei der Herstellung einer Silizium-Halbleitervorrichtung und der damit verbundenen Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheits(EHS)-Probleme verwendet werden.

Die Herstellung eines IC beinhaltet eine Abfolge von Prozessen, die viele Male wiederholt werden können, bevor ein Schaltkreis vollständig ist. Die gängigsten ICs verwenden 6 oder mehr Masken, um Musterungsprozesse abzuschließen, wobei 10 bis 24 Masken typisch sind. Die Herstellung einer Mikroschaltung beginnt mit einem ultrahochreinen Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 4 bis 12 Zoll. Perfekt reines Silizium ist fast ein Isolator, aber gewisse Verunreinigungen, genannt Dotierstoffe, in Mengen von 10 bis 100 Teilen pro Million zugesetzt, machen Silizium elektrisch leitfähig.

Eine integrierte Schaltung kann aus Millionen von Transistoren (auch Dioden, Widerständen und Kondensatoren) aus dotiertem Silizium bestehen, die alle durch das entsprechende Leitermuster verbunden sind, um die Computerlogik, den Speicher oder eine andere Art von Schaltung zu erzeugen. Hunderte von Mikroschaltkreisen können auf einem Wafer hergestellt werden.

Sechs Hauptherstellungsverarbeitungsschritte sind universell für alle Silizium-Halbleiterbauelemente: Oxidation, Lithographie, Ätzen, Dotieren, chemische Dampfabscheidung und Metallisierung. Es folgen Montage, Prüfung, Kennzeichnung, Verpackung und Versand.

Oxidation

Im Allgemeinen beinhaltet der erste Schritt bei der Verarbeitung von Halbleiterbauelementen die Oxidation der äußeren Oberfläche des Wafers, um eine dünne Schicht (etwa einen Mikrometer) aus Siliziumdioxid (SiO₂). Diese schützt in erster Linie die Oberfläche vor Verunreinigungen und dient als Maske für den nachfolgenden Diffusionsprozess. Diese Fähigkeit, einen chemisch stabilen Schutzwafer aus Siliziumdioxid auf Silizium zu züchten, macht Siliziumwafer zum am weitesten verbreiteten Halbleitersubstrat.

Die Oxidation, allgemein als thermische Oxidation bezeichnet, ist ein diskontinuierlicher Prozess, der in einem Hochtemperatur-Diffusionsofen stattfindet. Die schützende Siliziumdioxidschicht wird in Atmosphären aufgewachsen, die entweder Sauerstoff (O₂) (Trockenoxidation) oder Sauerstoff in Verbindung mit Wasserdampf (H₂O) (Nassoxidation). Die Temperaturen im Ofen reichen von 800 bis 1,300^oC. Chlorverbindungen in Form von Chlorwasserstoff (HCl) können ebenfalls hinzugefügt werden, um die Bekämpfung unerwünschter Verunreinigungen zu unterstützen.

Die Tendenz in neueren Fabrikationsanlagen geht zu vertikalen Oxidationsöfen. Vertikalöfen erfüllen besser die Notwendigkeit einer besseren Kontaminationskontrolle, einer größeren Wafergröße und einer gleichmäßigeren Verarbeitung. Sie ermöglichen eine kleinere Stellfläche der Ausrüstung, wodurch wertvolle Reinraumfläche eingespart wird.

Trockene Oxidation

Zu oxidierende Siliziumwafer werden zuerst unter Verwendung einer Lösung aus Detergens und Wasser gereinigt und mit Xylol, Isopropylalkohol oder anderen Lösungsmitteln gespült. Die gereinigten Wafer werden getrocknet und in einen als a bezeichneten Quarzwaferhalter geladen Boat und in das Operatorende geladen (Ende laden) der Quarzdiffusionsofenröhre oder -zelle. Das Einlassende des Rohres (Quelle Ende) liefert hochreinen Sauerstoff oder Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch. Der „trockene“ Sauerstoffstrom wird in das Quarzrohr geregelt und sorgt dafür, dass ein Überschuss an Sauerstoff für das Wachstum von Siliziumdioxid auf der Siliziumwaferoberfläche zur Verfügung steht. Die grundlegende chemische Reaktion ist:

Si + O₂ → SiO₂

Nassoxidation

Wenn Wasser das Oxidationsmittel ist, werden üblicherweise vier Methoden zum Einbringen von Wasserdampf verwendet – Pyrophor, Hochdruck, Bubbler und Flash. Die grundlegenden chemischen Reaktionen sind:

Pyrophor und Hochdruck: Si + 2O₂ 2 + H₂ → SiO₂ + 2H₂O

Blitz und Sprudler: Si + 2H₂O _→ SiO₂ + 2H₂

Pyrophore Oxidation beinhaltet die Einführung und Verbrennung eines Wasserstoff/Sauerstoff-Gasgemisches. Solche Systeme werden allgemein als verbrannter Wasserstoff or Fackel Systeme. Wasserdampf wird erzeugt, wenn geeignete Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff am Einlassende des Rohrs eingeführt und reagieren gelassen werden. Die Mischung muss genau kontrolliert werden, um eine ordnungsgemäße Verbrennung zu gewährleisten und die Ansammlung von explosivem Wasserstoffgas zu verhindern.

Hochdruckoxidation (HiPox) wird technisch als Wasserpyrosynthesesystem bezeichnet und erzeugt Wasserdampf durch die Reaktion von ultrareinem Wasserstoff und Sauerstoff. Der Dampf wird dann in eine Hochdruckkammer gepumpt und auf 10 Atmosphären unter Druck gesetzt, was den Nassoxidationsprozess beschleunigt. Als Dampfquelle kann auch entionisiertes Wasser verwendet werden.

In Bubbler-Oxidation entionisiertes Wasser wird in einen Behälter namens a gegeben Bubbler und durch die Verwendung eines Heizmantels auf einer konstanten Temperatur unterhalb seines Siedepunkts von 100°C gehalten. Stickstoff- oder Sauerstoffgas tritt an der Einlassseite des Bubblers ein, wird beim Aufsteigen durch das Wasser mit Wasserdampf gesättigt und tritt durch den Auslass in den Diffusionsofen aus. Bubbler-Systeme scheinen das am weitesten verbreitete Oxidationsverfahren zu sein.

In Flash-Oxidation entionisiertes Wasser wird kontinuierlich in die erhitzte Bodenfläche eines Quarzbehälters getropft und das Wasser verdunstet schnell, sobald es auf die heiße Oberfläche trifft. Stickstoff- oder Sauerstoffträgergas strömt über das verdampfende Wasser und trägt den Wasserdampf in den Diffusionsofen.

Lithografie

Lithographie, auch bekannt als Photolithographie oder einfach Maskieren, ist ein Verfahren zum genauen Bilden von Mustern auf dem oxidierten Wafer. Die mikroelektronische Schaltung wird Schicht für Schicht aufgebaut, wobei jede Schicht ein Muster von einer im Schaltungsdesign vorgegebenen Maske erhält.

Die Druckerberufe entwickelten die wahren Vorläufer der heutigen Mikrofertigungsprozesse für Halbleitergeräte. Diese Entwicklungen beziehen sich auf die Herstellung von Druckplatten, üblicherweise aus Metall, auf denen durch Materialabtragung durch chemisches Ätzen ein Oberflächenreliefmuster erzeugt wird. Dieselbe grundlegende Technik wird bei der Herstellung verwendet Meister Masken Wird bei der Herstellung jeder Verarbeitungsschicht eines Geräts verwendet.

Schaltungsdesigner digitalisieren die Grundschaltung jeder Schicht. Dieses computergestützte Schema ermöglicht eine schnelle Erzeugung der Maskenschaltung und erleichtert alle erforderlichen Änderungen. Diese Technik wird als Computer Aided Design (CAD) bezeichnet. Unter Verwendung leistungsstarker Computeralgorithmen ermöglichen diese Online-Designsysteme dem Designer, die Schaltung direkt auf Videoanzeigebildschirmen mit interaktiven Grafikfähigkeiten zu entwerfen und zu modifizieren.

Die endgültige Zeichnung oder Maske für jede Schaltungsschicht wird von einem computergesteuerten Fotoplotter oder Mustergenerator erstellt. Diese Fotoplotzeichnungen werden dann auf die tatsächliche Größe der Schaltung, einer auf Glas mit Chromrelief hergestellten Mastermaske, verkleinert und auf einer Arbeitsplatte reproduziert, die entweder zum Kontakt- oder Projektionsdruck auf dem Wafer dient.

Diese Masken beschreiben das Muster der leitenden und isolierenden Bereiche, die durch Photolithographie auf den Wafer übertragen werden. Die meisten Unternehmen stellen keine eigenen Masken her, sondern verwenden die von einem Maskenhersteller bereitgestellten.

Reinigung

Die Notwendigkeit einer partikel- und kontaminationsfreien äußeren Waferoberfläche erfordert eine häufige Reinigung. Die Hauptkategorien sind:

• Entionisiertes Wasser und Waschmittel

• Lösungsmittel: Isopropylalkohol (IPA), Aceton, Ethanol, Terpene

• Säure: Flusssäure (HF), Schwefelsäure (H₂SO₄) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Salzsäure (HCl), Salpetersäure (HNO₃) und Mischungen

• Ätzmittel: Ammoniumhydroxid (NH₄OH).

 

Anwendung widerstehen

Wafer werden mit einem Resistmaterial aus Polymer auf Lösungsmittelbasis beschichtet und schnell auf einem rotiert Spinner, die eine dünne gleichmäßige Schicht ausbreitet. Die Lösungsmittel verdunsten dann und hinterlassen einen Polymerfilm. Alle Resistmaterialien hängen von (hauptsächlich ultravioletten) Strahlungs-induzierten Änderungen in der Löslichkeit eines synthetischen organischen Polymers in einer ausgewählten Entwicklerspülung ab. Resistmaterialien werden in Negativ- oder Positivresists eingeteilt, je nachdem, ob die Löslichkeit im Entwickler bei Bestrahlung abnimmt (negativ) oder zunimmt (positiv). Tabelle 1 identifiziert den Komponentenaufbau verschiedener Photoresistsysteme.

Tabelle 1. Photoresistsysteme

PB = Polymerbasis; S = Lösungsmittel; D = Entwickler.

Da die meisten Fotolacke für ultraviolettes (UV) Licht empfindlich sind, wird der Verarbeitungsbereich mit speziellen gelben Lichtern beleuchtet, denen empfindliche UV-Wellenlängen fehlen (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Fotolithografische „Gelbraum“-Ausrüstung

In der Industrie werden vor allem Negativ- und Positiv-UV-Resists eingesetzt. E-Beam- und Röntgenresists gewinnen jedoch aufgrund ihrer höheren Auflösungen an Marktanteilen. Gesundheitliche Bedenken bei der Lithographie werden hauptsächlich durch potenzielle Gefahren für die Fortpflanzung verursacht, die mit ausgewählten positiven Resists (z. B. Ethylenglycolmonoethyletheracetat als Träger) verbunden sind, die derzeit von der Industrie auslaufen. Gelegentliche Gerüche von Negativlacken (z. B. Xylol) führen ebenfalls zu Bedenken der Mitarbeiter. Aufgrund dieser Bedenken verbringen die Industriehygieniker der Halbleiterindustrie viel Zeit damit, Photoresist-Operationen zu testen. Während dies zur Charakterisierung dieser Vorgänge nützlich ist, liegen die routinemäßigen Expositionen während des Schleuder- und Entwicklerbetriebs typischerweise unter 5 % der luftgetragenen Standards für die berufliche Exposition für die im Prozess verwendeten Lösungsmittel (Scarpace et al. 1989).

Während des Betriebs eines Schleudersystems wurde eine einstündige Exposition gegenüber Ethylenglycolmonoethyletheracetat von 1 ppm festgestellt. Diese Exposition wurde hauptsächlich durch schlechte Arbeitspraktiken während der Wartungsarbeiten verursacht (Baldwin, Rubin und Horowitz 6.3).

Trocknen und vorbacken

Nach dem Auftragen des Resists werden die Wafer auf einer Bahn oder manuell von der Schleuder in einen temperaturgeregelten Ofen mit Stickstoffatmosphäre bewegt. Eine moderate Temperatur (70 bis 90 °C) bewirkt, dass der Fotolack aushärtet (Soft Bake) und die restlichen Lösungsmittel verdunsten.

Um die Haftung der Resistschicht auf dem Wafer sicherzustellen, wird ein Primer, Hexamethyldisilizan (HMDS), auf den Wafer aufgetragen. Der Primer bindet molekulares Wasser auf der Waferoberfläche. HMDS wird entweder direkt in einem Tauch- oder Aufschleuderverfahren oder durch eine Dampfgrundierung aufgebracht, die Verfahrens- und Kostenvorteile gegenüber den anderen Verfahren bietet.

Maskenausrichtung und Belichtung

Die Maske und der Wafer werden unter Verwendung eines präzisen optischen/mechanischen Geräts dicht zusammengebracht, und das Bild auf der Maske wird auf ein beliebiges Muster ausgerichtet, das bereits im Wafer unter der Fotolackschicht vorhanden ist. Für die erste Maske ist keine Ausrichtung erforderlich. Bei älteren Technologien wird die Ausrichtung für aufeinanderfolgende Schichten durch die Verwendung eines Biskops (Zweilinsenmikroskop) und Präzisionssteuerungen zum Positionieren des Wafers in Bezug auf die Maske ermöglicht. Bei neueren Technologien erfolgt die Ausrichtung automatisch anhand von Referenzpunkten auf den Wafern.

Sobald die Ausrichtung erfolgt ist, scheint eine hochintensive ultraviolette Quecksilberdampf- oder Bogenlampenquelle durch die Maske, wodurch der Resist an Stellen freigelegt wird, die nicht durch undurchsichtige Bereiche der Maske geschützt sind.

Die verschiedenen Methoden der Waferausrichtung und -belichtung umfassen UV-Flutbelichtung (Kontakt oder Nähe), UV-Belichtung durch eine Projektionslinse zur Verkleinerung (Projektion), UV-Stufen- und Wiederholungsreduktionsbelichtung (Projektion), Röntgenflutung (Nähe) und Elektronenstrahlabtastung Belichtung (direktes Schreiben). Die hauptsächlich verwendete Methode umfasst die UV-Bestrahlung von Quecksilberdampf- und Bogenlampen durch Proximity- oder Projektions-Aligner. Die UV-Resists sind entweder so konzipiert, dass sie auf ein breites Spektrum von UV-Wellenlängen reagieren, oder sie sind so formuliert, dass sie bevorzugt auf eine oder mehrere der von der Lampe emittierten Hauptspektrumlinien reagieren (z. B. g-Linie bei 435 nm, h-Linie bei 405 nm und i-Linie bei 365 nm).

Die vorherrschenden Wellenlängen von UV-Licht, die derzeit bei der Photomaskierung verwendet werden, sind 365 nm oder darüber, aber die Spektren von UV-Lampen enthalten auch erhebliche Energie im gesundheitlich bedenklichen Wellenlängenbereich, dem aktinischen Bereich unter 315 nm. Normalerweise ist die Intensität der aus dem Gerät austretenden UV-Strahlung geringer als sowohl die Intensität des Sonnenlichts im aktinischen Bereich als auch die für die berufliche UV-Exposition festgelegten Standards.

Gelegentlich erfordert die Ausrichtung der UV-Lampe während der Wartung, dass sie außerhalb des Geräteschranks oder ohne normale Schutzfilter eingeschaltet wird. Die Expositionsniveaus während dieses Vorgangs können die beruflichen Expositionsgrenzwerte überschreiten, aber normale Reinraumkleidung (z. B. Kittel, Vinylhandschuhe, Gesichtsmasken und Polycarbonat-Schutzbrillen mit UV-Inhibitor) ist normalerweise ausreichend, um das UV-Licht unter die Expositionsgrenzwerte zu dämpfen (Baldwin und Stewart 1989 ).

Während die vorherrschenden Wellenlängen für UV-Lampen, die in der Photolithographie verwendet werden, 365 nm oder mehr betragen, führt die Suche nach kleineren Merkmalen in fortschrittlichen ICs zur Verwendung von Belichtungsquellen mit kleineren Wellenlängen, wie z. B. tiefes UV und Röntgenstrahlen. Eine neue Technologie für diesen Zweck ist die Verwendung von Krypton-Fluorid-Excimer-Lasern, die in Steppern verwendet werden. Diese Stepper verwenden eine Wellenlänge von 248 nm mit hoher Laserleistung. Gehäuse für diese Systeme enthalten jedoch den Strahl während des normalen Betriebs.

Wie bei anderen Geräten mit Hochleistungslasersystemen, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden, besteht die Hauptsorge darin, wenn Verriegelungen für das System während der Strahlausrichtung umgangen werden müssen. Hochleistungslaser sind auch eine der bedeutendsten elektrischen Gefahren in der Halbleiterindustrie. Auch nach dem Abschalten des Stroms besteht innerhalb des Werkzeugs ein erhebliches Schockpotential. Kontrollen und Überlegungen zum Sicherheitsdesign für diese Systeme werden von Escher, Weathers und Labonville (1993) behandelt.

Eine Belichtungsquelle mit fortschrittlicher Technologie, die in der Lithographie verwendet wird, sind Röntgenstrahlen. Emissionspegel von Röntgenlithographiequellen können zu Dosisraten führen, die sich 50 Millisievert (5 Rems) pro Jahr im Zentrum der Ausrüstung nähern. Es wird empfohlen, den Zugang zu Bereichen innerhalb der abgeschirmten Wand zu beschränken, um die Exposition zu minimieren (Rooney und Leavey 1989).

Entwicklung

Während des Entwicklungsschrittes werden die unpolymerisierten Bereiche des Resists aufgelöst und entfernt. Entwickler auf Lösungsmittelbasis wird auf die mit Resist bedeckte Waferoberfläche entweder durch Eintauchen, Sprühen oder Zerstäuben aufgebracht. Entwicklerlösungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Eine Lösungsmittelspülung (n-Butylacetat, Isopropylalkohol, Aceton usw.) wird normalerweise nach dem Entwickler aufgetragen, um jegliches Restmaterial zu entfernen. Der nach dem Entwickeln verbleibende Resist schützt die einzelnen Schichten bei der weiteren Verarbeitung.

Backen

Nach dem Ausrichten, Belichten und Entwickeln des Resists gelangen die Wafer dann in einen weiteren temperaturgesteuerten Ofen mit Stickstoffatmosphäre. Der Ofen mit höherer Temperatur (120 bis 135 °C) bewirkt, dass der Fotolack auf der Waferoberfläche aushärtet und vollständig polymerisiert (Hard Bake).

Photoresist-Stripping

Der entwickelte Wafer wird dann selektiv mit Nass- oder Trockenchemikalien geätzt (siehe „Ätzen“ unten). Der restliche Fotolack muss vor der weiteren Verarbeitung vom Wafer abgezogen werden. Dies geschieht entweder durch den Einsatz nasschemischer Lösungen in temperierten Bädern oder durch den Einsatz eines Plasma-Aschers oder einer Trockenchemikalie. Tabelle 2 identifiziert sowohl nasse als auch trockene chemische Bestandteile. Es folgt eine Erörterung des trockenchemischen Plasmaätzens – unter Verwendung der gleichen Ausrüstung und Betriebsprinzipien wie beim Plasmaveraschen.

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Tabelle 2. Photoresist-Stripper

Nasse Chemikalie

 Säure

Schwefelsäure (H₂SO₄) und Chrom (CrO₃)

Schwefelsäure (H₂SO₄) und Ammoniumpersulfat ((NH₄)₂S₂O₈)

Schwefelsäure (H₂SO₄) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂)

Organische

Phenole, Schwefelsäuren, Trichlorbenzol, Perchlorethylen

Glykolether, Ethanolamin, Triethanolamin

Natronlauge und Silikate (Positivresist)

Trockenchemikalie

Plasmaveraschung (Strippen)

HF-Stromquelle (Hochfrequenz) – Frequenz 13.56 MHz oder 2,450 MHz

Sauerstoff (O₂) Quellgas

Vakuumpumpsysteme

—Ölgeschmiert mit Flüssigstickstofffalle (alte Technologie)
—Geschmiert mit inerten Perfluorpolyether-Flüssigkeiten (neuere Technologie)
—Trockenpumpe (neueste Technologie)

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Radierung

Ätzen entfernt Schichten aus Siliziumdioxid (SiO₂), Metalle und Polysilizium sowie Resists, gemäß den gewünschten Mustern, die durch den Resist beschrieben werden. Die beiden Hauptkategorien des Ätzens sind Nass- und Trockenchemikalien. Überwiegend wird das Nassätzen verwendet, bei dem es sich um Lösungen handelt, die die Ätzmittel (meist ein Säuregemisch) in der gewünschten Stärke enthalten, die mit den zu entfernenden Materialien reagieren. Beim Trockenätzen werden reaktive Gase unter Vakuum in einer Kammer mit hoher Energie verwendet, wodurch auch die gewünschten Schichten entfernt werden, die nicht durch Resist geschützt sind.

Nasse Chemikalie

Die nasschemischen Ätzlösungen befinden sich in temperierten Ätzbädern aus Polypropylen (Poly-Pro), schwer entflammbarem Polypropylen (GFK) oder Polyvinylchlorid (PVC). Die Bäder sind im Allgemeinen entweder mit einer Ringabsaugung vom Ringtyp oder einer Schlitzabsaugung an der Rückseite der nasschemischen Ätzstation ausgestattet. Vertikale Laminarströmungshauben führen der Oberfläche der Ätzbäder gleichmäßig gefilterte, partikelfreie Luft zu. Gängige Lösungen von Nassätzchemikalien sind in Tabelle 3 in Bezug auf die zu ätzende Oberflächenschicht dargestellt.

Tabelle 3. Nasschemische Ätzmittel

 

Vertikal montierte Strömungsversorgungshauben können bei Verwendung in Verbindung mit Spritzschutz und Absaugung Bereiche mit Luftturbulenzen innerhalb der nasschemischen Ätzstation erzeugen. Infolgedessen ist eine Verringerung der Wirksamkeit der örtlichen Absaugung beim Auffangen und Ableiten von flüchtigen Luftverunreinigungen aus den verwendeten Ätzbädern möglich.

Das Hauptproblem beim Nassätzen ist die Möglichkeit des Hautkontakts mit den konzentrierten Säuren. Während alle beim Ätzen verwendeten Säuren Verätzungen verursachen können, ist der Kontakt mit Flusssäure (HF) besonders besorgniserregend. Die zeitliche Verzögerung zwischen Hautkontakt und Schmerz (bis zu 24 Stunden bei Lösungen mit weniger als 20 % HF und 1 bis 8 Stunden bei 20 bis 50 %igen Lösungen) kann zu einer verzögerten Behandlung und schwereren Verbrennungen als erwartet führen (Hathaway et al. 1991). .

In der Vergangenheit waren Verätzungen durch Säure ein besonderes Problem in der Industrie. Der Hautkontakt mit Säuren ist jedoch in den letzten Jahren zurückgegangen. Ein Teil dieser Reduzierung wurde durch produktbezogene Verbesserungen im Ätzprozess verursacht, wie z. B. die Umstellung auf Trockenätzen, den Einsatz von mehr Robotern und die Installation von Chemikaliendosiersystemen. Die Verringerung der Verätzungsrate kann auch auf bessere Handhabungstechniken, stärkere Verwendung persönlicher Schutzausrüstung, besser gestaltete Nassdecks und besseres Training zurückgeführt werden – all dies erfordert kontinuierliche Aufmerksamkeit, wenn die Rate weiter sinken soll (Baldwin und Williams 1996 ).

Trockenchemikalie

Trockenchemisches Ätzen ist aufgrund seiner Fähigkeit, den Ätzprozess besser zu kontrollieren und das Kontaminationsniveau zu reduzieren, ein Bereich von wachsendem Interesse und zunehmender Verwendung. Die trockenchemische Verarbeitung ätzt die gewünschten Schichten effektiv durch die Verwendung von chemisch reaktiven Gasen oder durch physikalischen Beschuss.

Es wurden chemisch reaktive Plasmaätzsysteme entwickelt, die Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminium, Tantal, Tantalverbindungen, Chrom, Wolfram, Gold und Glas effektiv ätzen können. Es werden zwei Arten von Plasmaätzreaktorsystemen verwendet – das Fass oder zylindrisch und die Parallelplatte oder planar. Beide arbeiten nach den gleichen Prinzipien und unterscheiden sich hauptsächlich nur in der Konfiguration.

Ein Plasma ähnelt einem Gas, außer dass einige der Atome oder Moleküle des Plasmas ionisiert sind und eine beträchtliche Anzahl freier Radikale enthalten können. Der typische Reaktor besteht aus einer Vakuumreaktorkammer, die den Wafer enthält, der normalerweise aus Aluminium, Glas oder Quarz besteht; eine Hochfrequenz(HF)-Energiequelle – normalerweise bei 450 kHz, 13.56 MHz oder 40.5 MHz und ein Steuermodul zum Steuern der Verarbeitungszeit, der Zusammensetzung des Reaktionsgases, der Gasflussrate und des HF-Leistungspegels. Zusätzlich ist eine ölgeschmierte (ältere Technologie) oder trockene (neuere Technologie) Grobpumpen-Vakuumquelle mit der Reaktorkammer in Reihe geschaltet. Wafer werden entweder einzeln oder in Kassetten in den Reaktor geladen, eine Pumpe evakuiert die Kammer und das Reagensgas (normalerweise Tetrafluorkohlenstoff) wird eingeführt. Die Ionisierung des Gases bildet das Ätzplasma, das mit den Wafern reagiert, um flüchtige Produkte zu bilden, die abgepumpt werden. Die Einführung von frischem Reaktionsgas in die Kammer hält die Ätzaktivität aufrecht. Tabelle 4 identifiziert die Materialien und Plasmagase, die zum Ätzen verschiedener Schichten verwendet werden.

Tabelle 4. Plasmaätzgase und geätzte Materialien

 

Ein weiteres Verfahren, das derzeit zum Ätzen entwickelt wird, ist das Mikrowellen-Downstream-Verfahren. Es verwendet eine Mikrowellenentladung mit hoher Leistungsdichte, um metastabile Atome mit langer Lebensdauer zu erzeugen, die Material fast so ätzen, als ob es in Säure getaucht wäre.

Physikalische Ätzverfahren ähneln dem Sandstrahlen darin, dass Argongasatome verwendet werden, um die zu ätzende Schicht physikalisch zu bombardieren. Ein Vakuumpumpsystem wird verwendet, um disloziertes Material zu entfernen. Beim reaktiven Ionenätzen handelt es sich um eine Kombination aus chemischem und physikalischem Trockenätzen.

Der Sputterprozess ist ein Prozess des Ionenaufpralls und der Energieübertragung. Das Sputterätzen beinhaltet ein Sputtersystem, bei dem der zu ätzende Wafer an einer negativen Elektrode oder einem Target in einer Glimmentladungsschaltung befestigt wird. Durch den Beschuss mit positiven Ionen, üblicherweise Argon, spritzt Material vom Wafer ab und führt zu einer Versetzung der Oberflächenatome. Die Stromversorgung erfolgt über eine HF-Quelle mit einer Frequenz von 450 kHz. Ein Inline-Vakuumsystem wird zur Drucksteuerung und Entfernung der Reaktanten verwendet.

Ionenstrahlätzen und -fräsen ist ein schonendes Ätzverfahren, bei dem ein Strahl niederenergetischer Ionen verwendet wird. Das Ionenstrahlsystem besteht aus einer Quelle zur Erzeugung des Ionenstrahls, einer Arbeitskammer, in der geätzt oder gefräst wird, einer Halterung mit einer Zielplatte zum Halten der Wafer im Ionenstrahl, einem Vakuumpumpsystem, unterstützender Elektronik und Instrumenten. Der Ionenstrahl wird aus einem ionisierten Gas (Argon oder Argon/Sauerstoff) oder Plasma gewonnen, das durch die elektrische Entladung entsteht. Die Entladung wird durch Anlegen einer Spannung zwischen einer elektronenemittierenden Glühfadenkathode und einem Anodenzylinder, der sich im Außendurchmesser des Entladungsbereichs befindet, erhalten.

Das Ionenstrahlfräsen erfolgt im niederenergetischen Bereich des Ionenbeschusses, wo nur Oberflächenwechselwirkungen auftreten. Diese Ionen, normalerweise im Bereich von 500 bis 1,000 eV, treffen auf ein Ziel und abspritzen Oberflächenatome, indem sie die Kräfte brechen, die das Atom mit seinem Nachbarn verbinden. Das Ionenstrahlätzen wird in einem etwas höheren Energiebereich durchgeführt, was eine dramatischere Verschiebung von Oberflächenatomen beinhaltet.

Reaktives Ionenätzen (RIE) ist eine Kombination aus physikalischem Sputtern und chemischem Ätzen reaktiver Spezies bei niedrigen Drücken. RIE verwendet Ionenbeschuss, um gerichtetes Ätzen zu erreichen, und auch ein chemisch reaktives Gas, Tetrafluorkohlenstoff (CF₄) oder Tetrachlorkohlenstoff (CCl₄), um eine gute Ätzschichtselektivität aufrechtzuerhalten. Ein Wafer wird in eine Kammer mit einer Atmosphäre aus einer chemisch reaktiven Gasverbindung bei einem niedrigen Druck von etwa 0.1 Torr (1.3 x 10^-4 Atmosphäre). Eine elektrische Entladung erzeugt ein Plasma aus reaktiven „freien Radikalen“ (Ionen) mit einer Energie von einigen hundert Elektronenvolt. Die Ionen treffen vertikal auf die Waferoberfläche, wo sie reagieren, um flüchtige Spezies zu bilden, die durch ein Inline-Vakuumsystem mit niedrigem Druck entfernt werden.

Trockenätzer haben manchmal einen Reinigungszyklus, der verwendet wird, um Ablagerungen zu entfernen, die sich auf der Innenseite der Reaktionskammern ansammeln. Ausgangsverbindungen, die für die Plasmen des Reinigungszyklus verwendet werden, umfassen Stickstofftrifluorid (NF₃), Hexafluorethan (C₂F₆) und Octafluorpropan (C₃F₈).

Diese drei im Reinigungsprozess verwendeten Gase und viele der beim Ätzen verwendeten Gase sind ein Eckpfeiler für ein Umweltproblem, mit dem die Halbleiterindustrie konfrontiert ist und das Mitte der 1990er Jahre auftauchte. Mehreren der hochfluorierten Gase wurde ein erhebliches Treibhauspotenzial (oder Treibhauseffekt) zugesprochen. (Diese Gase werden auch als PFCs, perfluorierte Verbindungen, bezeichnet.) Die lange atmosphärische Lebensdauer, das hohe Treibhauspotenzial und der deutlich erhöhte Einsatz von PFCs wie NF₃, C₂F₆, C₃F₈, CF.₄, Trifluormethan (CHF₃) und Schwefelhexafluorid (SF₆) veranlasste die Halbleiterindustrie, sich auf Möglichkeiten zur Reduzierung ihrer Emissionen zu konzentrieren.

Atmosphärische Emissionen von PFCs aus der Halbleiterindustrie sind auf eine schlechte Werkzeugeffizienz (viele Werkzeuge verbrauchten nur 10 bis 40 % des verwendeten Gases) und unzureichende Ausrüstung zur Verringerung der Luftemission zurückzuführen. Nasswäscher sind bei der Entfernung von PFCs nicht effektiv, und Tests an vielen Verbrennungseinheiten ergaben eine schlechte Zerstörungseffizienz für einige Gase, insbesondere CF₄. Viele dieser Verbrennungseinheiten brachen C ab₂F₆ und C₃F₈ in CF₄. Auch die hohen Betriebskosten für diese Minderungswerkzeuge, ihr Energiebedarf, ihre Freisetzung anderer Gase der globalen Erwärmung und ihre Verbrennungsnebenprodukte von gefährlichen Luftschadstoffen zeigten, dass die Verbrennungsminderung kein geeignetes Verfahren zur Kontrolle von PFC-Emissionen war.

Prozesswerkzeuge effizienter zu machen, umweltfreundlichere Alternativen zu diesen Trockenätzgasen zu identifizieren und zu entwickeln und die Abgase wiederzugewinnen/zu recyceln waren die mit Trockenätzern verbundenen Umweltschwerpunkte.

Der Hauptschwerpunkt der Arbeitshygiene bei Trockenätzern lag auf der möglichen Exposition von Wartungspersonal, das an den Reaktionskammern, Pumpen und anderen zugehörigen Geräten arbeitet, die Rückstände von Reaktionsprodukten enthalten können. Die Komplexität von Plasma-Metallätzern und die Schwierigkeit, die mit ihrer Wartung verbundenen Gerüche zu charakterisieren, hat sie zum Gegenstand vieler Untersuchungen gemacht.

Die in Plasmametallätzern gebildeten Reaktionsprodukte sind ein komplexes Gemisch aus chlorierten und fluorierten Verbindungen. Die Wartung von Metallätzern beinhaltet oft kurzzeitige Arbeiten, die starke Gerüche erzeugen. Hexachlorethan wurde bei einem Typ von Aluminiumätzern als die Hauptursache für Gerüche gefunden (Helb et al. 1983). In einem anderen Fall war Chlorcyan das Hauptproblem: Die Expositionswerte betrugen das 11-fache des Arbeitsplatzgrenzwerts von 0.3 ppm (Baldwin 1985). Bei noch anderen Arten von Ätzern ist Chlorwasserstoff mit dem Geruch verbunden; die maximal gemessene Exposition betrug 68 ppm (Baldwin, Rubin und Horowitz 1993). Für weitere Informationen zu diesem Thema siehe Mueller und Kunesh (1989).

Die Komplexität der Chemie in Metallätzabgasen hat Forscher dazu veranlasst, experimentelle Methoden zur Untersuchung der Toxizität dieser Mischungen zu entwickeln (Bauer et al. 1992a). Die Anwendung dieser Methoden in Nagetierstudien weist darauf hin, dass bestimmte dieser chemischen Mischungen mutagene Mutagene (Bauer et al. 1992b) und reproduktionstoxische (Schmidt et al. 1995) sind.

Da Trockenätzer als geschlossene Systeme arbeiten, kommt es bei geschlossenem System typischerweise nicht zu einer chemischen Belastung der Bediener der Ausrüstung. Eine seltene Ausnahme hiervon ist, wenn der Spülzyklus für ältere Batch-Ätzer nicht lang genug ist, um die Ätzgase angemessen zu entfernen. Beim Öffnen der Türen zu diesen Ätzanlagen wurden kurze, aber irritierende Expositionen gegenüber Fluorverbindungen gemeldet, die unterhalb der Nachweisgrenze für typische industrielle Hygieneüberwachungsverfahren liegen. Normalerweise kann dies korrigiert werden, indem einfach die Länge des Spülzyklus vor dem Öffnen der Ätzkammertür verlängert wird.

Die Hauptbedenken hinsichtlich der Exposition des Bedieners gegenüber HF-Energie entstehen während des Plasmaätzens und -veraschens (Cohen 1986; Jones 1988). Typischerweise kann der Verlust von HF-Energie verursacht werden durch:

• falsch ausgerichtete Türen
• Risse und Löcher in den Schränken
• Metalltische und Elektrokabel, die aufgrund unsachgemäßer Erdung des Ätzers als Antennen fungieren
• kein Dämpfungsschirm im Sichtfenster des Ätzers (Jones 1988; Horowitz 1992).

 

Hochfrequenzbelastung kann auch während der Wartung von Ätzern auftreten, insbesondere wenn der Geräteschrank entfernt wurde. Eine Belichtung von 12.9 mW/cm² wurde oben auf einem Plasmaätzer eines älteren Modells gefunden, dessen Abdeckung zur Wartung entfernt wurde (Horowitz 1992). Der tatsächliche HF-Strahlungsverlust in dem Bereich, in dem der Bediener steht, lag typischerweise unter 4.9 mW/cm².

Doping

Die Bildung einer elektrischen Verbindung oder Grenze zwischen p und n Bereichen in einem Einkristall-Siliziumwafer ist das wesentliche Element für das Funktionieren aller Halbleiterbauelemente. Übergänge lassen Strom viel leichter in eine Richtung fließen als in die andere. Sie bilden die Grundlage für Dioden- und Transistoreffekte in allen Halbleitern. In einer integrierten Schaltung muss eine kontrollierte Anzahl elementarer Verunreinigungen oder Dotierstoffe in ausgewählte geätzte Bereiche des Siliziumsubstrats oder Wafers eingeführt werden. Dies kann entweder durch Diffusions- oder Ionenimplantationstechniken erfolgen. Unabhängig von der verwendeten Technik werden für die Herstellung von Halbleiterübergängen die gleichen Typen oder Dotierstoffe verwendet. Tabelle 5 identifiziert die Hauptkomponenten, die zum Dotieren verwendet werden, ihren physikalischen Zustand, elektrischen Typ (p or n) und der verwendeten Primärübergangstechnik – Diffusion oder Ionenimplantation.

Tabelle 5. Dotierstoffe zur Sperrschichtbildung für Diffusion und Ionenimplantation

 

Die routinemäßige chemische Exposition von Bedienern sowohl von Diffusionsöfen als auch von Ionenimplantationsgeräten ist gering – typischerweise geringer als die Nachweisgrenze von standardmäßigen arbeitshygienischen Probenahmeverfahren. Chemische Bedenken mit dem Prozesszentrum bezüglich der Möglichkeit der Freisetzung giftiger Gase.

Bereits in den 1970er Jahren begannen fortschrittliche Halbleiterhersteller mit der Installation der ersten kontinuierlichen Gasüberwachungssysteme für brennbare und toxische Gase. Das Hauptaugenmerk dieser Überwachung lag auf der Erkennung unbeabsichtigter Freisetzungen der giftigsten Dotierungsgase mit Geruchsschwellenwerten oberhalb ihrer Arbeitsplatzgrenzwerte (z. B. Arsenwasserstoff und Diboran).

Die meisten Industriehygiene-Luftüberwachungsgeräte in der Halbleiterindustrie werden für die Lecksuche von brennbaren und toxischen Gasen verwendet. Einige Einrichtungen verwenden jedoch auch kontinuierliche Überwachungssysteme, um:

• Emissionen aus dem Abgaskanal (Schornstein) analysieren
• Quantifizieren Sie die Konzentrationen flüchtiger Chemikalien in der Umgebungsluft
• Gerüche in den Fab-Bereichen identifizieren und quantifizieren.

 

Die in der Halbleiterindustrie für diese Art der Überwachung am häufigsten verwendeten Technologien sind kolorimetrische Gasdetektion (z. B. MDA-Dauergasdetektor), elektrochemische Sensoren (z. B. Sensydyne-Monitore) und Fourier-Transformations-Infrarot (z. B. Telos ACM) (Baldwin und Williams 1996). .

Rundfunk

Rundfunk ist ein Begriff, der verwendet wird, um die Bewegung von Dotierungsmitteln weg von Bereichen mit hoher Konzentration am Source-Ende des Diffusionsofens zu Bereichen mit niedrigerer Konzentration innerhalb des Siliziumwafers zu beschreiben. Diffusion ist die etablierteste Methode zur Bildung von Verbindungen.

Bei dieser Technik wird ein Wafer innerhalb des Diffusionsofens einer erhitzten Atmosphäre ausgesetzt. Der Ofen enthält die gewünschten Dotierstoffe in Dampfform und führt ebenfalls zur Erzeugung von Bereichen mit dotierter elektrischer Aktivität p or n. Die am häufigsten verwendeten Dotierstoffe sind Bor für den p-Typ; und Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb) für den n-Typ (siehe Tabelle 5).

Typischerweise werden Wafer in einem Quarzträger oder Schiffchen gestapelt und in den Diffusionsofen eingebracht. Der Diffusionsofen enthält ein langes Quarzrohr und einen Mechanismus zur genauen Temperaturregelung. Die Temperaturkontrolle ist äußerst wichtig, da die Diffusionsgeschwindigkeiten der verschiedenen Siliziumdotierungsmittel hauptsächlich eine Funktion der Temperatur sind. Die Einsatztemperaturen reichen von 900 bis 1,300 ^oC, je nach spezifischem Dotierungsmittel und Verfahren.

Das Erhitzen des Siliziumwafers auf eine hohe Temperatur ermöglicht es den Fremdatomen, langsam durch die Kristallstruktur zu diffundieren. Verunreinigungen bewegen sich langsamer durch Siliziumdioxid als durch das Silizium selbst, wodurch das dünne Oxid aktiviert wird Das Muster dient als Maske und erlaubt dadurch dem Dotierstoff nur dort in das Silizium einzudringen, wo es ungeschützt ist. Nachdem sich genügend Verunreinigungen angesammelt haben, werden die Wafer aus dem Ofen entfernt und die Diffusion hört effektiv auf.

Für maximale Kontrolle werden die meisten Diffusionen in zwei Schritten durchgeführt—Vorurteil und fahren. Die Vorabscheidung oder Diffusion mit konstanter Quelle ist der erste Schritt und findet in einem Ofen statt, in dem die Temperatur so gewählt wird, dass die beste Kontrolle der Verunreinigungsmengen erreicht wird. Die Temperatur bestimmt die Löslichkeit des Dotierstoffs. Nach einer vergleichsweise kurzen Vorabscheidungsbehandlung wird der Wafer physikalisch zu einem zweiten Ofen bewegt, üblicherweise bei einer höheren Temperatur, wo eine zweite Wärmebehandlung den Dotierstoff bis zu der gewünschten Diffusionstiefe in das Siliziumwafergitter eintreibt.

Die im Vorabscheidungsschritt verwendeten Dotierstoffquellen befinden sich in drei unterschiedlichen chemischen Zuständen: gasförmig, flüssig und fest. Tabelle 5 identifiziert die verschiedenen Typen von Diffusionsquellen-Dotierungsmitteln und ihre physikalischen Zustände.

Gase werden im Allgemeinen aus Druckgasflaschen mit Druckreglern oder -reglern, Absperrventilen und verschiedenen Spülanschlüssen zugeführt und durch Metallrohre mit kleinem Durchmesser abgegeben.

Flüssigkeiten werden normalerweise aus Bubblern abgegeben, die einen Trägergasstrom, normalerweise Stickstoff, mit den flüssigen Dotiermitteldämpfen sättigen, wie es im Abschnitt über die Nassoxidation beschrieben ist. Eine andere Form der Flüssigkeitsabgabe erfolgt durch die Verwendung von Spin-on Dotiermittel Gerät. Dazu wird ein fester Dotierstoff mit einem flüssigen Lösungsmittelträger in Lösung gebracht, dann die Lösung auf den Wafer getropft und geschleudert, ähnlich wie beim Auftragen von Photoresists.

Feste Quellen können die Form eines Bornitridwafers haben, der zwischen zwei zu dotierende Siliziumwafer eingelegt und dann in einen Diffusionsofen gegeben wird. Auch die festen Dotierstoffe in Pulver- oder Perlenform können in a eingebracht werden Quarzbombe (Arsentrioxid), manuell in das Quellenende eines Diffusionsrohrs gekippt oder in einen separaten Quellenofen in Reihe mit dem Hauptdiffusionsofen geladen.

In Ermangelung geeigneter Kontrollen Arsenexposition über 0.01 mg/m³ wurden während der Reinigung eines Abscheidungsofens (Wade et al. 1981) und während der Reinigung von Quellengehäusekammern für Festquellen-Ionenimplantatoren (McCarthy 1985; Baldwin, King und Scarpace 1988) berichtet. Diese Expositionen traten auf, als keine Vorkehrungen getroffen wurden, um die Staubmenge in der Luft zu begrenzen. Wenn die Rückstände jedoch während der Reinigung feucht gehalten wurden, wurden die Expositionen weit unter den Expositionsgrenzwert für die Luft reduziert.

Bei den älteren Diffusionstechnologien bestehen Sicherheitsrisiken während des Ausbaus, der Reinigung und des Einbaus von Ofenrohren. Zu den Gefahren gehören mögliche Schnittverletzungen durch zerbrochenes Quarzgut und Säureverbrennungen während der manuellen Reinigung. In neueren Technologien werden diese Gefahren durch verringert in situ Schlauchreinigung, die einen Großteil der manuellen Handhabung überflüssig macht.

Bediener von Diffusionsöfen sind in der Halbleiterfertigung der höchsten routinemäßigen Reinraumexposition gegenüber extrem niederfrequenten elektromagnetischen Feldern (z. B. 50 bis 60 Hertz) ausgesetzt. Während des tatsächlichen Betriebs der Öfen wurden durchschnittliche Expositionen von mehr als 0.5 Mikrotesla (5 Milligauss) gemeldet (Crawford et al. 1993). Diese Studie stellte auch fest, dass Reinraumpersonal, das in der Nähe von Diffusionsöfen arbeitete, durchschnittlich gemessene Expositionen aufwies, die merklich höher waren als die anderer Reinraumarbeiter. Dieser Befund stimmte mit Punktmessungen überein, die von Rosenthal und Abdollahzadeh (1991) berichtet wurden, die herausfanden, dass Diffusionsöfen Näherungswerte (5 cm oder 2 Zoll entfernt) von bis zu 10 bis 15 Mikrotesla erzeugten, wobei die umgebenden Felder mit zunehmender Entfernung allmählich abfielen als andere untersuchte Reinraumgeräte; Selbst in 6 Fuß Entfernung von Diffusionsöfen betrugen die berichteten Flussdichten 1.2 bis 2 Mikrotesla (Crawford et al. 1993). Diese Emissionswerte liegen weit unter den aktuellen gesundheitsbasierten Expositionsgrenzwerten, die von der Weltgesundheitsorganisation und den von einzelnen Ländern festgelegten Grenzwerten festgelegt wurden.

Ionenimplantation

Ionenimplantation ist das neuere Verfahren zum Einbringen von Fremdelementen bei Raumtemperatur in Siliziumwafer zur Bildung von Übergängen. Ionisierte Dotierungsatome (dh Atome, denen eines oder mehrere ihrer Elektronen entzogen wurden) werden auf eine hohe Energie beschleunigt, indem sie durch eine Potentialdifferenz von Zehntausenden Volt geleitet werden. Am Ende ihres Weges treffen sie auf den Wafer und werden je nach Masse und Energie unterschiedlich tief eingebettet. Wie bei der herkömmlichen Diffusion maskiert eine gemusterte Oxidschicht oder ein Photoresistmuster den Wafer selektiv vor den Ionen.

Ein typisches Ionenimplantationssystem besteht aus einer Ionenquelle (gasförmige Dotierstoffquelle, normalerweise in kleinen Messflaschen), Analysegeräten, Beschleuniger, Fokussierlinse, Neutralstrahlfalle, Scanner-Prozesskammer und einem Vakuumsystem (normalerweise drei separate Sätze von Inline- Vor- und Öldiffusionspumpen). Der Elektronenstrom wird aus einem heißen Faden durch Widerstand, eine Bogenentladung oder einen Kaltkathoden-Elektronenstrahl erzeugt.

Im Allgemeinen wird nach dem Implantieren von Wafern ein Hochtemperatur-Ausheilschritt (900 bis 1,000°C) durch ein Laserstrahlausheilen oder gepulstes Ausheilen mit einer Elektronenstrahlquelle durchgeführt. Der Glühprozess hilft, den Schaden an der äußeren Oberfläche des implantierten Wafers zu reparieren, der durch das Bombardement von Dotierungsionen verursacht wird.

Mit dem Aufkommen eines sicheren Abgabesystems für Arsin-, Phosphin- und Bortrifluorid-Gasflaschen, die in Ionenimplantationsgeräten verwendet werden, wurde das Potenzial für eine katastrophale Freisetzung dieser Gase stark reduziert. Diese kleinen Gaszylinder sind mit einer Verbindung gefüllt, an der Arsenwasserstoff, Phosphin und Bortrifluorid adsorbiert sind. Die Gase werden durch Vakuum aus den Zylindern gezogen.

Ionenimplantatoren sind eine der bedeutendsten elektrischen Gefahren in der Halbleiterindustrie. Auch nach dem Abschalten des Stroms besteht innerhalb des Werkzeugs ein erhebliches Schockpotential, das vor Arbeiten im Inneren des Implantierers abgeleitet werden muss. Eine sorgfältige Überprüfung der Wartungsarbeiten und der elektrischen Gefahren ist für alle neu installierten Geräte gewährleistet, insbesondere jedoch für Ionenimplantierer.

Expositionen gegenüber Hydriden (wahrscheinlich eine Mischung aus Arsin und Phosphin) von bis zu 60 ppb wurden während der Wartung von Ionenimplantations-Kryopumpen festgestellt (Baldwin, Rubin und Horowitz 1993). Außerdem können hohe Konzentrationen sowohl von Arsin als auch von Phosphin aus kontaminierten Teilen des Implantierers entweichen, die während der vorbeugenden Wartung entfernt werden (Flipp, Hunsaker und Herring 1992).

Tragbare Staubsauger mit hocheffizienten Partikelabschwächungsfiltern (HEPA) werden verwendet, um mit Arsen kontaminierte Arbeitsflächen in Ionenimplantationsbereichen zu reinigen. Expositionen über 1,000 μg/m³ wurden gemessen, als HEPA-Staubsauger unsachgemäß gereinigt wurden. HEPA-Sauger können beim Entladen in den Arbeitsbereich auch den charakteristischen, hydridartigen Geruch, der mit der Strahllinienreinigung des Ionenimplantators verbunden ist, effizient verteilen (Baldwin, Rubin und Horowitz 1993).

Obwohl dies Anlass zur Sorge gibt, gibt es keine veröffentlichten Berichte über eine signifikante Exposition gegenüber Dotiergas während des Ölwechsels von Vakuumpumpen, die mit Dotiermitteln verwendet werden – möglicherweise, weil dies normalerweise als geschlossenes System erfolgt. Das Fehlen einer gemeldeten Exposition kann auch auf eine geringe Ausgasung von Hydriden aus dem Altöl zurückzuführen sein.

Das Ergebnis einer Feldstudie, bei der 700 ml gebrauchtes Grobpumpenöl aus einem Ionenimplantierer, der sowohl Arsin als auch Phosphin verwendete, erhitzt wurde, zeigte nur nachweisbare Konzentrationen von luftgetragenen Hydriden im Pumpenkopfraum, wenn das Pumpenöl 70 überstieg^oC (Baldwin, King und Scarpace 1988). Da die normalen Betriebstemperaturen für mechanische Vorvakuumpumpen 60 bis 80 °C betragen^oC, diese Studie zeigte kein Potenzial für eine signifikante Exposition.

Während der Ionenimplantation werden neben der Operation Röntgenstrahlen erzeugt. Die meisten Implantiergeräte sind mit einer ausreichenden Gehäuseabschirmung ausgestattet (einschließlich Bleifolie, die strategisch um das Ionenquellengehäuse und angrenzende Zugangstüren platziert ist), um die Exposition der Mitarbeiter unter 2.5 Mikrosievert (0.25 Millirem) pro Stunde zu halten (Maletskos und Hanley 1983). Bei einem älteren Modell von Implantierern wurde jedoch festgestellt, dass Röntgenstrahlen an der Oberfläche der Einheit über 20 Mikrosievert pro Stunde (μSv/h) austreten (Baldwin, King und Scarpace 1988). Diese Werte wurden auf weniger als 2.5 μSv/h reduziert, nachdem eine zusätzliche Bleiabschirmung installiert wurde. Bei einem anderen älteren Modell des Ionenimplantators wurde festgestellt, dass Röntgenstrahlen um eine Zugangstür herum (bis zu 15 μSv/h) und an einem Sichtfenster (bis zu 3 μSv/h) austreten. Eine zusätzliche Bleiabschirmung wurde hinzugefügt, um mögliche Expositionen abzuschwächen (Baldwin, Rubin und Horowitz 1993).

Neben Röntgenaufnahmen durch Ionenimplanter wurde die Möglichkeit der Neutronenbildung postuliert, wenn der Implanter über 8 Millionen Elektronenvolt (MeV) betrieben wird oder Deuteriumgas als Ionenquelle verwendet wird (Rogers 1994). Typischerweise sind Implantierer jedoch so ausgelegt, dass sie bei weit unter 8 MeV arbeiten, und Deuterium wird in der Industrie nicht allgemein verwendet (Baldwin und Williams 1996).

Chemische Gasphasenabscheidung

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird zusätzliches Material auf die Oberfläche des Siliziumwafers aufgetragen. CVD-Einheiten arbeiten normalerweise als geschlossenes System, was dazu führt, dass die Bediener nur wenig oder gar keinen Chemikalien ausgesetzt sind. Bei der Reinigung bestimmter CVD-Vorwäscher kann es jedoch zu einer kurzzeitigen Chlorwasserstoffbelastung von über 5 ppm kommen (Baldwin und Stewart 1989). Zwei breite Abscheidungskategorien werden allgemein verwendet – epitaktische und die allgemeinere Kategorie der nicht-epitaxialen CVD.

Epitaktische chemische Dampfabscheidung

Das epitaxiale Wachstum ist eine streng kontrollierte Abscheidung eines dünnen Einkristallfilms aus einem Material, das die gleiche Kristallstruktur wie die bestehende Substratwaferschicht beibehält. Es dient als Matrix zur Herstellung von Halbleiterbauelementen in nachfolgenden Diffusionsprozessen. Die meisten Epitaxialfilme werden in einem als Homoepitaxie bezeichneten Prozess auf Substraten aus dem gleichen Material, wie z. B. Silizium auf Silizium, gezüchtet. Das Aufwachsen von Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf einem Substrat, wie z. B. Silizium auf Saphir, wird als Heteroepitaxie-IC-Vorrichtungsverarbeitung bezeichnet.

Drei Haupttechniken werden verwendet, um epitaxiale Schichten zu züchten: Dampfphase, Flüssigphase und Molekularstrahl. Flüssigphasen- und Molekularstrahlepitaxie werden hauptsächlich bei der Verarbeitung von III-V- (z. B. GaAs-)Vorrichtungen verwendet. Diese werden im Artikel „III-V-Halbleiterfertigung“ diskutiert.

Dampfphasenepitaxie wird verwendet, um einen Film durch CVD von Molekülen bei einer Temperatur von 900 bis 1,300 aufwachsen zu lassen^oC. Dämpfe, die das Silizium und kontrollierte Mengen an Dotierungsmitteln vom p- oder n-Typ in einem Trägergas (normalerweise Wasserstoff) enthalten, werden über erhitzte Wafer geleitet, um dotierte Siliziumschichten abzuscheiden. Das Verfahren wird im Allgemeinen bei Atmosphärendruck durchgeführt.

Tabelle 6 identifiziert die vier Haupttypen der Dampfphasenepitaxie, Parameter und die stattfindenden chemischen Reaktionen.

Tabelle 6. Hauptkategorien der Siliziumdampfphasenepitaxie

 

Die normalerweise in einem Epitaxieprozess befolgte Abscheidungssequenz beinhaltet:

• Substratreinigung—physikalisches Schrubben, Lösungsmittelentfettung, Säurereinigung (Schwefel-, Salpeter- und Salzsäure sowie Flusssäure ist eine übliche Abfolge) und Trocknungsvorgang

• Wafer-Laden

• Aufheizen– Spülen mit Stickstoff und Erhitzen auf ungefähr 500 °C, dann wird Wasserstoffgas verwendet und HF-Generatoren erhitzen Wafer induktiv

• Chlorwasserstoff (HCl) ätzen—normalerweise wird 1 bis 4 % HCl-Konzentration in die Reaktorkammer abgegeben

• Ablage– Siliziumquellen- und Dotierungsgase werden zudosiert und auf der Waferoberfläche abgeschieden

• abkühlen-Wasserstoffgas wurde bei 500°C wieder zu Stickstoff umgeschaltet

• Entladung.

 

Nicht-epitaxiale chemische Gasphasenabscheidung

Während epitaxiales Wachstum eine hochspezifische Form von CVD ist, bei der die abgeschiedene Schicht dieselbe Kristallstrukturorientierung wie die Substratschicht aufweist, ist nicht-epitaxiales CVD die Bildung einer stabilen Verbindung auf einem erhitzten Substrat durch die thermische Reaktion oder Zersetzung gasförmiger Verbindungen.

CVD kann verwendet werden, um viele Materialien abzuscheiden, aber bei der Verarbeitung von Siliziumhalbleitern werden neben epitaxialem Silizium im Allgemeinen folgende Materialien angetroffen:

• polykristallines Silizium (Poly-Si)

• Siliziumdioxid (SiO₂– sowohl dotiert als auch undotiert; p-dotiertes Glas)

• Siliziumnitrid (Si₃N₄).

 

Jedes dieser Materialien kann auf vielfältige Weise abgeschieden werden, und jedes hat viele Anwendungen.

Tabelle 7 identifiziert die drei Hauptkategorien von CVD unter Verwendung der Betriebstemperatur als Unterscheidungsmechanismus.

Tabelle 7. Hauptkategorien der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) von Silizium

* Hinweis: Die Reaktionen sind nicht stöchiometrisch ausgeglichen.

**Allgemeine, geschützte oder Markennamen für CVD-Reaktorsysteme

 

Die folgenden Komponenten sind in fast allen Arten von CVD-Anlagen zu finden:

• Reaktionskammer
• Gasregelabschnitt
• Zeit- und Ablaufsteuerung
• Wärmequelle für Substrate
• Abwasserbehandlung.

 

Grundsätzlich beinhaltet das CVD-Verfahren das Zuführen kontrollierter Mengen von Silizium- oder Nitridquellengasen in Verbindung mit Stickstoff- und/oder Wasserstoffträgergasen und, falls gewünscht, einem Dotierungsgas für die chemische Reaktion innerhalb der Reaktorkammer. Zusätzlich zur Steuerung der Oberflächentemperaturen des Reaktors und der Wafer wird Wärme zugeführt, um die notwendige Energie für die chemische Reaktion bereitzustellen. Nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, werden das nicht umgesetzte Quellengas plus das Trägergas durch das Abwasserhandhabungssystem abgeführt und in die Atmosphäre entlüftet.

Die Passivierung ist eine funktionelle Art der CVD. Es umfasst das Aufwachsen einer schützenden Oxidschicht auf der Oberfläche des Siliziumwafers, im Allgemeinen als letzter Herstellungsschritt vor der Verarbeitung ohne Herstellung. Die Schicht sorgt für elektrische Stabilität, indem sie die Oberfläche der integrierten Schaltung von elektrischen und chemischen Bedingungen in der Umgebung isoliert.

Metallisierung

Nachdem die Vorrichtungen in dem Siliziumsubstrat hergestellt wurden, müssen sie miteinander verbunden werden, um Schaltungsfunktionen auszuführen. Dieser Vorgang wird als Metallisierung bezeichnet. Die Metallisierung stellt ein Mittel zum Verdrahten oder Verbinden der obersten Schichten integrierter Schaltungen bereit, indem komplexe Muster aus leitfähigen Materialien abgeschieden werden, die elektrische Energie innerhalb der Schaltungen leiten.

Der breite Prozess der Metallisierung unterscheidet sich nach der Größe und Dicke der abgeschiedenen Schichten aus Metallen und anderen Materialien. Diese sind:

• dünner Film– ungefähre Filmdicke von einem Mikrometer oder weniger

• dicker Film– ungefähre Filmdicke von 10 Mikron oder mehr

• Überzug– Filmdicken sind variabel von dünnen bis dicken, aber im Allgemeinen dicken Filmen.

 

Die am häufigsten verwendeten Metalle für die Metallisierung von Siliziumhalbleitern sind: Aluminium, Nickel, Chrom oder eine Legierung namens Nichrom, Gold, Germanium, Kupfer, Silber, Titan, Wolfram, Platin und Tantal.

Dünne oder dicke Filme können auch aufgedampft oder auf verschiedenen Keramik- oder Glassubstraten abgeschieden werden. Einige Beispiele für diese Substrate sind: Aluminiumoxid (96 % Al₂0₃), Berylliumoxid (99 % BeO), Borosilikatglas, Pyroceram und Quarz (SiO₂).

Dünner Film

Die Dünnfilmmetallisierung wird häufig durch die Verwendung einer Hochvakuum- oder Teilvakuumabscheidungs- oder -verdampfungstechnik aufgebracht. Die Hauptarten der Hochvakuumverdampfung sind Elektronenstrahl-, Blitz- und Widerstandsverdampfung, während die Teilvakuumabscheidung hauptsächlich durch Sputtern erfolgt.

Um jede Art von Dünnschicht-Vakuummetallisierung durchzuführen, besteht ein System normalerweise aus den folgenden Grundkomponenten:

• eine Kammer, die evakuiert werden kann, um ein ausreichendes Vakuum für die Abscheidung bereitzustellen

• eine Vakuumpumpe (oder -pumpen), um Umgebungsgase in der Kammer zu reduzieren

• Instrumentierung zur Überwachung des Vakuumniveaus und anderer Parameter

• ein Verfahren zum Abscheiden oder Verdampfen der Schichten aus Metallisierungsmaterial.

 

Elektronenstrahlverdampfung, häufig genannt E-Strahlverwendet einen fokussierten Elektronenstrahl, um das Metallisierungsmaterial zu erhitzen. Ein hochintensiver Elektronenstrahl wird ähnlich wie bei einer Fernsehbildröhre erzeugt. Ein Elektronenstrom wird durch ein elektrisches Feld von typischerweise 5 bis 10 kV beschleunigt und auf das zu verdampfende Material fokussiert. Der fokussierte Elektronenstrahl schmilzt das Material in einem wassergekühlten Block mit einer großen Vertiefung, die als Herd bezeichnet wird. Das geschmolzene Material verdampft dann innerhalb der Vakuumkammer und kondensiert auf den kühlen Wafern sowie auf der gesamten Kammeroberfläche. Dann werden standardmäßige Photoresist-, Belichtungs-, Entwicklungs- und Naß- oder Trockenätzvorgänge durchgeführt, um die komplizierte metallisierte Schaltung abzugrenzen.

Blitzverdampfung ist eine weitere Technik zur Abscheidung dünner metallisierter Filme. Dieses Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn ein Gemisch aus zwei Materialien (Legierungen) gleichzeitig verdampft werden soll. Einige Beispiele für Zweikomponentenfilme sind: Nickel/Chrom (Nichrom), Chrom/Siliziummonoxid (SiO) und Aluminium/Silizium.

Bei der Entspannungsverdampfung wird ein Keramikstab durch Wärmewiderstand erhitzt und eine kontinuierlich zugeführte Drahtspule, ein Strom von Pellets oder durch Vibration abgegebenes Pulver wird mit dem heißen Filament oder Stab in Kontakt gebracht. Die verdampften Metalle beschichten dann die Innenkammer und die Waferoberflächen.

Widerstandsverdampfung (auch Filamentverdampfung genannt) ist die einfachste und kostengünstigste Form der Abscheidung. Die Verdampfung wird erreicht, indem der durch das Filament fließende Strom allmählich erhöht wird, um zuerst die Schlaufen des zu verdampfenden Materials zu schmelzen, wodurch das Filament benetzt wird. Sobald das Filament benetzt ist, wird der Strom durch das Filament erhöht, bis eine Verdampfung auftritt. Der Hauptvorteil der Widerstandsverdampfung ist die große Vielfalt an Materialien, die verdampft werden können.

Wartungsarbeiten werden manchmal an der Innenfläche von Elektronenstrahlverdampfer-Abscheidungskammern, sogenannten Glockengläsern, durchgeführt. Wenn die Wartungstechniker ihre Köpfe in den Glasglocken haben, können erhebliche Expositionen auftreten. Das Entfernen der Metallrückstände, die sich auf der Innenfläche von Glocken ablagern, kann zu solchen Expositionen führen. Zum Beispiel wurden Expositionen von Technikern, die weit über dem luftgetragenen Expositionsgrenzwert für Silber lagen, während der Entfernung von Rückständen aus einem Verdampfer gemessen, der zur Abscheidung von Silber verwendet wurde (Baldwin und Stewart 1989).

Die Reinigung von Glasglockenrückständen mit organischen Reinigungslösungsmitteln kann ebenfalls zu einer hohen Lösungsmittelexposition führen. Während dieser Art der Reinigung sind Techniker Methanol von über 250 ppm ausgesetzt worden. Diese Exposition kann durch die Verwendung von Wasser anstelle von Methanol als Reinigungslösung eliminiert werden (Baldwin und Stewart 1989).

Das Sputterablagerung Der Prozess findet in einer Niederdruck- oder Teilvakuum-Gasatmosphäre statt, wobei entweder Gleichstrom (DC oder Kathodenzerstäubung) oder HF-Spannungen als Hochenergiequelle verwendet werden. Beim Sputtern werden Argon-Inertgasionen in eine Vakuumkammer eingeführt, nachdem ein zufriedenstellendes Vakuumniveau durch die Verwendung einer Grobpumpe erreicht wurde. Ein elektrisches Feld entsteht durch Anlegen einer Hochspannung, typischerweise 5,000 V, zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Platten. Diese hochenergetische Entladung ionisiert die Argongasatome und bewirkt, dass sie sich zu einer der Platten in der Kammer bewegen und beschleunigen, die als Target bezeichnet werden. Wenn die Argonionen auf das Target auftreffen, das aus dem abzuscheidenden Material besteht, entfernen oder zerstäuben sie diese Atome oder Moleküle. Die abgelösten Atome des Metallisierungsmaterials werden dann in einem dünnen Film auf den dem Target zugewandten Siliziumsubstraten abgeschieden.

Es wurde festgestellt, dass HF-Leckage von den Seiten und Rückseiten vieler älterer Sputter-Einheiten den Arbeitsplatzgrenzwert überschreitet (Baldwin und Stewart 1989). Der größte Teil der Leckage war auf Risse in den Schränken zurückzuführen, die durch wiederholtes Entfernen der Wartungsabdeckungen verursacht wurden. Bei neueren Modellen desselben Herstellers verhindern Paneele mit Drahtgeflecht entlang der Nähte ein erhebliches Auslaufen. Die älteren Sputterer können mit Drahtgeflecht nachgerüstet werden oder alternativ kann Kupferband verwendet werden, um die Nähte abzudecken, um die Leckage zu reduzieren.

Dicker Film

Die Struktur und Abmessung der meisten Dickfilme sind nicht mit der Metallisierung von integrierten Siliziumschaltungen kompatibel, hauptsächlich aufgrund von Größenbeschränkungen. Dickfilme werden hauptsächlich zur Metallisierung von elektronischen Hybridstrukturen verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von LCDs.

Das Siebdruckverfahren ist die dominierende Methode des Dickschichtauftrags. Typischerweise verwendete Dickschichtmaterialien sind Palladium, Silber, Titandioxid und Glas, Gold-Platin und Glas, Gold-Glas und Silber-Glas.

Widerstandsdicke Filme werden normalerweise unter Verwendung von Siebdrucktechniken auf einem Keramiksubstrat abgeschieden und gemustert. Cermet ist eine Art widerstandsfähiger Dickfilm, der aus einer Suspension leitfähiger Metallpartikel in einer Keramikmatrix mit einem organischen Harz als Füllstoff besteht. Typische Cermet-Strukturen bestehen aus Chrom-, Silber- oder Bleioxid in einer Siliziummonoxid- oder -dioxid-Matrix.

Überzug

Zwei Grundtypen von Plattierungstechniken werden beim Bilden metallischer Filme auf Halbleitersubstraten verwendet: Elektroplattieren und stromloses Plattieren.

In Galvanisierenwird das zu plattierende Substrat an der Kathode oder dem negativ geladenen Anschluss des Plattierungstanks angeordnet und in eine Elektrolytlösung eingetaucht. Als Anode oder positiv geladener Anschluss dient eine Elektrode aus dem zu plattierenden Metall. Wenn ein Gleichstrom durch die Lösung geleitet wird, wandern die positiv geladenen Metallionen, die sich von der Anode in die Lösung lösen, und lagern sich auf der Kathode (Substrat) ab. Dieses Plattierungsverfahren wird zum Bilden von leitfähigen Filmen aus Gold oder Kupfer verwendet.

In stromlose Beschichtungwird die gleichzeitige Reduktion und Oxidation des zu plattierenden Metalls zur Bildung eines freien Metallatoms oder -moleküls verwendet. Da dieses Verfahren keine elektrische Leitung während des Plattierungsprozesses erfordert, kann es mit Substraten vom isolierenden Typ verwendet werden. Nickel, Kupfer und Gold sind die am häufigsten auf diese Weise abgeschiedenen Metalle.

Legieren/Glühen

Nachdem die metallisierten Zwischenverbindungen abgeschieden und geätzt wurden, kann ein letzter Schritt des Legierens und Temperns durchgeführt werden. Das Legieren besteht darin, die metallisierten Substrate, üblicherweise mit Aluminium, in einen Niedertemperatur-Diffusionsofen zu legen, um einen niederohmigen Kontakt zwischen dem Aluminiummetall und dem Siliziumsubstrat sicherzustellen. Schließlich werden die Wafer entweder während des Legierungsschritts oder direkt danach häufig in einem Diffusionsofen bei 400 bis 500 °C einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch ausgesetzt. Der Temperschritt dient dazu, die Eigenschaften der Vorrichtung zu optimieren und zu stabilisieren, indem der Wasserstoff mit freien Atomen an oder in der Nähe der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche kombiniert wird.

Hinterlappung und Rückseitenmetallisierung

Es gibt auch einen optionalen Metallisierungsverarbeitungsschritt, der Backläppung genannt wird. Die Rückseite des Wafers kann unter Verwendung einer Nassschleiflösung und Druck geläppt oder abgeschliffen werden. Ein Metall wie Gold kann durch Sputtern auf der Rückseite des Wafers abgeschieden werden. Dies erleichtert die Befestigung des getrennten Chips am Gehäuse bei der Endmontage.

Montage und Prüfung

Die Verarbeitung außerhalb der Fertigung, die externe Verpackung, Befestigungen, Verkapselung, Montage und Prüfung umfasst, wird normalerweise in separaten Produktionsstätten durchgeführt und oft in südostasiatischen Ländern durchgeführt, wo diese arbeitsintensiven Arbeiten kostengünstiger durchzuführen sind. Darüber hinaus sind die Belüftungsanforderungen für die Prozess- und Partikelkontrolle in den Nicht-Fertigungsverarbeitungsbereichen im Allgemeinen unterschiedlich (Nicht-Reinraum). Diese letzten Schritte im Herstellungsprozess umfassen Arbeitsgänge wie Löten, Entfetten, Testen mit Chemikalien und Strahlungsquellen sowie Trimmen und Markieren mit Lasern.

Das Löten während der Halbleiterherstellung führt normalerweise nicht zu hohen Freilegungen von Blei. Um eine thermische Beschädigung der integrierten Schaltung zu verhindern, wird die Löttemperatur unter der Temperatur gehalten, bei der eine erhebliche Bildung von geschmolzenem Bleidampf auftreten kann (430 °C). Das Reinigen von Lötgeräten durch Abkratzen oder Abbürsten der bleihaltigen Rückstände kann jedoch zu Bleibelastungen von über 50 μg/m führen³ (Baldwin und Stewart 1989). Auch Bleibelastungen von 200 μg/m³ sind aufgetreten, wenn bei Wellenlötvorgängen unsachgemäße Schlackenentfernungstechniken verwendet wurden (Baldwin und Williams 1996).

Ein wachsendes Problem bei Lötvorgängen sind Atemwegsreizungen und Asthma aufgrund der Exposition gegenüber den Pyrolyseprodukten der Lötflussmittel, insbesondere beim Handlöten oder bei Ausbesserungsvorgängen, bei denen in der Vergangenheit keine lokale Absaugung verwendet wurde (im Gegensatz zu Wellenlötvorgängen, die wurden in den letzten Jahrzehnten typischerweise in erschöpften Schränken eingeschlossen) (Goh und Ng 1987). Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Leiterplatten- und Computermontage“.

Da Kolophonium im Lötflussmittel ein Sensibilisator ist, sollten alle Expositionen so gering wie möglich gehalten werden, unabhängig von den Ergebnissen der Luftprobenahme. Neue Lötanlagen sollten insbesondere eine lokale Absaugung enthalten, wenn das Löten über längere Zeiträume (z. B. länger als 2 Stunden) durchgeführt werden soll.

Dämpfe vom Handlöten steigen bei thermischen Strömen vertikal auf und gelangen in die Atemzone des Mitarbeiters, wenn sich die Person über die Lötstelle beugt. Die Kontrolle wird normalerweise durch eine effektive lokale Absaugung mit hoher Geschwindigkeit und geringem Volumen an der Lötspitze erreicht.

Geräte, die gefilterte Luft an den Arbeitsplatz zurückführen, können bei unzureichender Filterleistung eine Sekundärverschmutzung verursachen, die andere Personen im Arbeitsraum als die Lötenden beeinträchtigen kann. Gefilterte Luft sollte nicht in den Arbeitsraum zurückgeführt werden, es sei denn, es wird wenig gelötet und der Raum verfügt über eine gute allgemeine Verdünnungsbelüftung.

Wafer sortieren und testen

Nachdem die Waferherstellung abgeschlossen ist, wird jeder intrinsisch fertiggestellte Wafer einem Wafersortierungsprozess unterzogen, bei dem integrierte Schaltkreise auf jedem spezifischen Chip mit computergesteuerten Sonden elektrisch getestet werden. Ein einzelner Wafer kann einhundert bis viele hundert getrennte Dies oder Chips enthalten, die getestet werden müssen. Nach Abschluss der Testergebnisse werden die Stümpfe mit einem automatisch dosierten Einkomponenten-Epoxidharz physisch markiert. Rot und Blau werden verwendet, um Chips zu identifizieren und zu sortieren, die die gewünschten elektrischen Spezifikationen nicht erfüllen.

Die Trennung

Nachdem die Bauelemente oder Schaltungen auf dem Wafer getestet, markiert und sortiert wurden, müssen die einzelnen Chips auf dem Wafer physikalisch getrennt werden. Eine Reihe von Verfahren wurde entwickelt, um die einzelnen Chips zu trennen – Diamantritzen, Laserritzen und Sägen mit einer Diamantscheibe.

Das Diamantritzen ist die älteste verwendete Methode und beinhaltet das Ziehen einer präzise geformten, in Diamanten eingebetteten Spitze über den Wafer entlang der Ritzlinie oder „Straße“, die die einzelnen Chips auf der Waferoberfläche trennt. Die durch das Ritzen verursachte Unvollkommenheit in der Kristallstruktur ermöglicht es, dass der Wafer entlang dieser Linie gebogen und gebrochen wird.

Laserritzen ist eine relativ neue Chip-Trenntechnik. Ein Laserstrahl wird durch einen gepulsten Hochleistungs-Neodym-Yttrium-Laser erzeugt. Der Strahl erzeugt entlang der Ritzlinien eine Rille im Siliziumwafer. Die Rille dient als Linie, entlang der der Wafer bricht.

Eine weit verbreitete Methode der Chip-Trennung ist das Nasssägen – das Schneiden von Substraten entlang der Straße mit einer Hochgeschwindigkeits-Diamantkreissäge. Beim Sägen kann das Siliziumsubstrat entweder teilweise geschnitten (Scribe) oder vollständig geschnitten (Diced) werden. Durch Sägen entsteht ein nasser Schlamm aus Straßenabtrag.

Die Attach und Bonding

Der einzelne Chip oder Chip muss an einem Trägergehäuse und einem Metallleiterrahmen befestigt werden. Träger bestehen typischerweise aus einem isolierenden Material, entweder Keramik oder Kunststoff. Keramische Trägermaterialien bestehen üblicherweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), kann aber möglicherweise aus Berylliumoxid (BeO) oder Steatit (MgO-SiO) bestehen₂). Kunststoffträgermaterialien sind entweder vom thermoplastischen oder duroplastischen Harztyp.

Die Befestigung des einzelnen Chips wird im Allgemeinen durch eine von drei unterschiedlichen Befestigungsarten erreicht: eutektisch, Vorform und Epoxid. Die eutektische Formbefestigung beinhaltet die Verwendung einer eutektischen Lötlegierung, wie z. B. Gold-Silizium. Bei diesem Verfahren wird eine Schicht aus Goldmetall auf der Rückseite des Chips vorab abgeschieden. Durch Erhitzen des Gehäuses über die eutektische Temperatur (370 °C für Gold-Silizium) und Platzieren des Chips darauf wird eine Verbindung zwischen dem Chip und dem Gehäuse gebildet.

Das Preform-Bonden beinhaltet die Verwendung eines kleinen Stücks aus einem Material mit spezieller Zusammensetzung, das sowohl am Chip als auch am Gehäuse haftet. Ein Vorformling wird auf den Die-Attach-Bereich einer Verpackung gelegt und schmelzen gelassen. Der Chip wird dann über den Bereich geschrubbt, bis der Chip angebracht ist, und dann wird das Gehäuse gekühlt.

Epoxidbonden beinhaltet die Verwendung eines Epoxidklebers, um den Chip an dem Gehäuse zu befestigen. Ein Tropfen Epoxid wird auf die Verpackung gegeben und der Chip darauf platziert. Das Gehäuse muss möglicherweise bei einer erhöhten Temperatur gebrannt werden, um das Epoxid richtig auszuhärten.

Sobald der Chip physikalisch an dem Gehäuse angebracht ist, müssen elektrische Verbindungen zwischen der integrierten Schaltung und den Gehäuseanschlüssen bereitgestellt werden. Dies wird erreicht, indem entweder Thermokompressions-, Ultraschall- oder Thermoschallbondtechniken verwendet werden, um Gold- oder Aluminiumdrähte zwischen den Kontaktbereichen auf dem Siliziumchip und den Gehäuseanschlüssen anzubringen.

Thermokompressionsbonden wird häufig mit Golddraht verwendet und beinhaltet das Erhitzen des Gehäuses auf etwa 300^oC und Bilden der Verbindung zwischen dem Draht und den Verbindungspads unter Verwendung von Hitze und Druck. Es werden zwei Haupttypen des Thermokompressionsbondens verwendet:Kugelbindung und Keilbindung. Beim Kugelbonden, das nur bei Golddraht verwendet wird, wird der Draht durch ein Kapillarrohr geführt, zusammengedrückt und dann durch eine Wasserstoffflamme geschmolzen. Außerdem bildet dies eine neue Kugel am Drahtende für den nächsten Bondzyklus. Beim Keilbonden werden ein keilförmiges Bondwerkzeug und ein Mikroskop verwendet, um den Siliziumchip und das Gehäuse genau über dem Bondpad zu positionieren. Das Verfahren wird in einer inerten Atmosphäre durchgeführt.

Beim Ultraschallbonden wird ein Impuls von Ultraschall-Hochfrequenzenergie verwendet, um eine Schrubbwirkung bereitzustellen, die eine Verbindung zwischen dem Draht und dem Bondpad bildet. Ultraschallbonden wird hauptsächlich mit Aluminiumdraht verwendet und wird oft dem Thermokompressionsbonden vorgezogen, da es keine Erwärmung des Schaltungschips während des Bondvorgangs erfordert.

Das Thermosonic-Bonden ist eine neue technologische Veränderung beim Golddrahtbonden. Es beinhaltet die Verwendung einer Kombination aus Ultraschall- und Wärmeenergie und erfordert weniger Wärme als das Thermokompressionsbonden.

Kapselung

Der Hauptzweck der Einkapselung besteht darin, eine integrierte Schaltung in einem Gehäuse unterzubringen, das die elektrischen, thermischen, chemischen und physikalischen Anforderungen erfüllt, die mit der Anwendung der integrierten Schaltung verbunden sind.

Die am weitesten verbreiteten Gehäusetypen sind der Radial-Lead-Typ, das Flat-Pack und das Dual-in-Line (DIP)-Gehäuse. Die Gehäuse vom Radial-Blei-Typ bestehen hauptsächlich aus Kovar, einer Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt, mit Hartglasdichtungen und Kovar-Bleien. Flatpacks verwenden Metallleiterrahmen, die normalerweise aus einer Aluminiumlegierung in Kombination mit Keramik-, Glas- und Metallkomponenten bestehen. Dual-in-line-Gehäuse sind im Allgemeinen am gebräuchlichsten und verwenden häufig Keramik oder geformte Kunststoffe.

Geformte Halbleitergehäuse aus Kunststoff werden hauptsächlich durch zwei getrennte Prozesse hergestellt:Transferformen und Spritzgießen. Spritzpressen ist das vorherrschende Kunststoffumhüllungsverfahren. Bei diesem Verfahren werden die Chips auf unbeschnittene Leiterrahmen montiert und dann chargenweise in Formen geladen. Pulver- oder Granulatformen von duroplastischen Formmassen werden in einem beheizten Topf aufgeschmolzen und dann unter Druck in die beschickten Formen gepresst (überführt). Die pulver- oder granulatförmigen Kunststoffformmassensysteme können auf Epoxid-, Silikon- oder Silikon/Epoxidharzen verwendet werden. Das System besteht in der Regel aus einer Mischung aus:

• duroplastische Harze– Epoxid, Silikon oder Silikon/Epoxid

• Härter—Epoxynovolake und Epoxyanhydride

• Füllstoffe—Silica-geschmolzenes oder kristallines Siliciumdioxid (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃), im Allgemeinen 50–70 Gew.-%

• feuerdämmend—Antimontrioxid (Sb₂O₃) im Allgemeinen 1–5 Gew.-%.

 

Beim Spritzgießen wird entweder eine thermoplastische oder duroplastische Formmasse verwendet, die in einem Zylinder bei kontrollierter Temperatur auf ihren Schmelzpunkt erhitzt und unter Druck durch eine Düse in die Form gepresst wird. Das Harz verfestigt sich schnell, die Form wird geöffnet und das Kapselungspaket ausgeworfen. Beim Spritzgießen wird eine Vielzahl von Kunststoffverbindungen verwendet, wobei Epoxidharze und Polyphenylensulfidharze (PPS) die neuesten Einträge in der Halbleiterverkapselung sind.

Die endgültige Verpackung des Silizium-Halbleiterbauelements wird nach seiner Leckagebeständigkeit oder Fähigkeit, die integrierte Schaltung von ihrer Umgebung zu isolieren, klassifiziert. Diese werden in hermetisch (luftdicht) oder nicht hermetisch verschlossen unterschieden.

Dichtheitsprüfung und Einbrennen

Dichtigkeitsprüfung ist ein Verfahren, das entwickelt wurde, um die tatsächliche Versiegelungsfähigkeit oder Hermetik des verpackten Geräts zu testen. Zwei gängige Formen der Leckprüfung werden verwendet: Helium-Lecksuche und radioaktive Tracer-Lecksuche.

Bei der Heliumlecksuche werden die fertigen Verpackungen für eine gewisse Zeit in eine Heliumdruckatmosphäre gesetzt. Helium kann durch Unvollkommenheiten in die Verpackung eindringen. Nach dem Entfernen aus der Helium-Druckkammer wird die Verpackung in eine Massenspektrometerkammer überführt und auf Helium getestet, das aus Unvollkommenheiten in der Verpackung austritt.

Bei der zweiten Methode wird Helium durch radioaktives Spürgas, normalerweise Krypton-85 (Kr-85), ersetzt, und das aus der Verpackung austretende radioaktive Gas wird gemessen. Unter normalen Bedingungen beträgt die Belastung des Personals durch diesen Prozess weniger als 5 Millisievert (500 Millirem) pro Jahr (Baldwin und Stewart 1989). Zu den Kontrollen für diese Systeme gehören normalerweise:

• Isolierung in Räumen, deren Zugang nur auf das erforderliche Personal beschränkt ist

• an den Türen der Räume, in denen Kr-85 enthalten war, Schilder mit Strahlungswarnschildern angebracht

• Kontinuierliche Strahlungsmonitore mit Alarmen und automatischer Abschaltung/Isolation

• spezielles Abgassystem und Unterdruckraum

• Überwachung von Expositionen mit Personendosimetrie (z. B. Strahlungsfilmabzeichen)

• regelmäßige Wartung von Alarmen und Verriegelungen

• regelmäßige Kontrollen auf Austritt radioaktiver Stoffe

• Sicherheitstraining für Bediener und Techniker

• sicherzustellen, dass die Strahlenexposition so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar gehalten wird (ALARA).

 

Außerdem werden Materialien, die mit Kr-85 in Kontakt kommen (z. B. freiliegende ICs, gebrauchtes Pumpenöl, Ventile und O-Ringe), untersucht, um sicherzustellen, dass sie aufgrund von Restgas in ihnen keine übermäßige Strahlung abgeben, bevor sie entfernt werden der kontrollierte Bereich. Leach-Marshal (1991) liefert detaillierte Informationen über Expositionen und Kontrollen von Kr-85-Feinleck-Erkennungssystemen.

Verbrennen in ist eine Temperatur- und elektrische Belastungsoperation, um die Zuverlässigkeit des fertig verpackten Geräts zu bestimmen. Die Vorrichtungen werden für längere Zeit in einen temperaturgeregelten Ofen gelegt, wobei entweder Umgebungsatmosphäre oder eine inerte Stickstoffatmosphäre verwendet wird. Die Temperaturen reichen von 125 °C bis 200 °C (150 °C ist ein Durchschnitt) und Zeiträume von einigen Stunden bis 1,000 Stunden (48 Stunden ist ein Durchschnitt).

Abschlusstest

Für eine endgültige Charakterisierung der Leistung des verpackten Silizium-Halbleiterbauelements wird ein abschließender elektrischer Test durchgeführt. Aufgrund der großen Anzahl und der Komplexität der erforderlichen Tests führt ein Computer die Prüfung zahlreicher Parameter durch und wertet sie aus, die für die spätere Funktion des Geräts wichtig sind.

Markieren und verpacken

Die physische Identifizierung des fertig verpackten Geräts wird durch die Verwendung einer Vielzahl von Markierungssystemen erreicht. Die beiden Hauptkategorien der Komponentenkennzeichnung sind Kontaktdruck und berührungsloser Druck. Der Kontaktdruck umfasst typischerweise eine Rotationsoffsettechnik unter Verwendung von Tinten auf Lösungsmittelbasis. Beim berührungslosen Drucken, bei dem Markierungen ohne physischen Kontakt übertragen werden, handelt es sich um einen Tintenstrahlkopf- oder Tonerdruck mit lösungsmittelbasierten Tinten oder eine Lasermarkierung.

Die als Träger für die Druckfarben und als Vorreiniger verwendeten Lösungsmittel bestehen typischerweise aus einer Mischung von Alkoholen (Ethanol) und Estern (Ethylacetat). Die meisten anderen Komponentenmarkierungssysteme als die Lasermarkierung verwenden Tinten, die einen zusätzlichen Schritt zum Abbinden oder Aushärten erfordern. Diese Härtungsverfahren sind Lufthärtung, Wärmehärtung (thermisch oder infrarot) und UV-Härtung. UV-härtende Tinten enthalten keine Lösungsmittel.

Lasermarkiersysteme verwenden entweder ein leistungsstarkes Kohlendioxid (CO₂)-Laser oder ein Hochleistungs-Neodym:Yttrium-Laser. Diese Laser sind typischerweise in die Ausrüstung eingebettet und haben ineinandergreifende Gehäuse, die den Strahlengang und den Punkt, an dem der Strahl das Ziel berührt, umschließen. Dadurch wird die Laserstrahlgefahr während des normalen Betriebs beseitigt, aber es gibt Bedenken, wenn die Sicherheitsverriegelungen umgangen werden. Die häufigste Operation, bei der es notwendig ist, die Strahlabdeckungen zu entfernen und die Verriegelungen zu überwinden, ist die Ausrichtung des Laserstrahls.

Während dieser Wartungsarbeiten sollte der Raum, in dem sich der Laser befindet, idealerweise evakuiert werden, mit Ausnahme der notwendigen Wartungstechniker, wobei die Türen zum Raum verschlossen und mit geeigneten Lasersicherheitsschildern versehen sein sollten. Hochleistungslaser, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden, befinden sich jedoch oft in großen, offenen Fertigungsbereichen, was es unpraktisch macht, Nicht-Wartungspersonal während der Wartung zu versetzen. Für diese Situationen wird typischerweise eine temporäre Kontrollzone eingerichtet. Normalerweise bestehen diese Kontrollbereiche aus Laservorhängen oder Schweißschirmen, die dem direkten Kontakt mit dem Laserstrahl standhalten können. Der Zugang zum temporären Kontrollbereich erfolgt normalerweise durch einen Labyrintheingang, der mit einem Warnschild versehen ist, wenn die Sperren für den Laser umgangen werden. Andere Sicherheitsvorkehrungen während der Strahlausrichtung ähneln denen, die für den Betrieb eines Hochleistungslasers mit offenem Strahl erforderlich sind (z. B. Schulung, Augenschutz, schriftliche Verfahren usw.).

Hochleistungslaser sind auch eine der bedeutendsten elektrischen Gefahren in der Halbleiterindustrie. Auch nach dem Abschalten des Stroms besteht innerhalb des Werkzeugs ein erhebliches Schockpotential, das vor Arbeiten im Inneren des Schranks abgeleitet werden muss.

Neben der Strahlgefahr und der elektrischen Gefahr sollte auch bei der Wartung von Lasermarkiersystemen wegen der Möglichkeit einer chemischen Kontamination durch das feuerhemmende Antimontrioxid und Beryllium (Keramikverpackungen, die diese Verbindung enthalten, gekennzeichnet werden) Vorsicht walten. Beim Markieren mit den Hochleistungslasern können Dämpfe entstehen und Rückstände auf den Geräteoberflächen und Dunstabzugsfiltern hinterlassen.

Entfetter wurden in der Vergangenheit verwendet, um Halbleiter zu reinigen, bevor sie mit Identifikationscodes markiert wurden. Es kann leicht zu einer Lösungsmittelexposition über dem geltenden Grenzwert für die Exposition in der Luft kommen, wenn der Kopf eines Bedieners unter die Kühlschlangen gehalten wird, die eine Rekondensation der Dämpfe verursachen, wie dies passieren kann, wenn ein Bediener versucht, heruntergefallene Teile zu entfernen, oder wenn ein Techniker Rückstände vom Boden entfernt der Einheit (Baldwin und Stewart 1989). Die Verwendung von Entfettungsmitteln wurde in der Halbleiterindustrie aufgrund von Einschränkungen bei der Verwendung von ozonabbauenden Substanzen wie Chlorfluorkohlenwasserstoffen und chlorierten Lösungsmitteln stark reduziert.

Fehleranalyse und Qualitätssicherung

Fehleranalyse- und Qualitätsanalyselabors führen typischerweise verschiedene Operationen durch, die verwendet werden, um die Zuverlässigkeit der Geräte sicherzustellen. Einige der in diesen Laboratorien durchgeführten Operationen bergen das Potenzial für eine Exposition der Mitarbeiter. Diese beinhalten:

• Markierungstests Verwendung verschiedener Lösungsmittel und ätzender Gemische in beheizten Bechern auf Heizplatten. Eine lokale Absaugung (LEV) in Form einer Metallhaube mit angemessenen Anströmgeschwindigkeiten ist erforderlich, um flüchtige Emissionen zu kontrollieren. Monoethanolamin-Lösungen können zu Expositionen führen, die den Expositionsgrenzwert in der Luft überschreiten (Baldwin und Williams 1996).

• Blasen-/Leckprüfung Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffen mit hohem Molekulargewicht (Handelsname Fluorinerts)

• Röntgenverpackungseinheiten.

 

Kobalt-60 (bis zu 26,000 Curie) wird in Bestrahlungsgeräten verwendet, um die Fähigkeit von ICs zu testen, Gammastrahlung in Militär- und Weltraumanwendungen standzuhalten. Unter normalen Bedingungen beträgt die Exposition des Personals bei diesem Vorgang weniger als 5 Millisievert (500 Millirem) pro Jahr (Baldwin und Stewart 1989). Die Steuerungen für diesen etwas spezialisierten Vorgang ähneln denen, die für Kr-85-Feinlecksysteme verwendet werden (z. B. isolierter Raum, kontinuierliche Strahlungsüberwachung, Überwachung der Exposition des Personals und so weiter).

Im Fehleranalyseprozess werden kleine „spezifische Lizenz“-Alphaquellen (z. B. Mikro- und Millicurie von Americium-241) verwendet. Diese Quellen sind mit einer dünnen Schutzschicht bedeckt, die als Fenster bezeichnet wird und es ermöglicht, dass Alpha-Partikel von der Quelle emittiert werden, um die Fähigkeit der integrierten Schaltung zu testen, zu funktionieren, wenn sie von Alpha-Partikeln bombardiert wird. Typischerweise werden die Quellen periodisch (z. B. halbjährlich) auf Austritt von radioaktivem Material überprüft, das auftreten kann, wenn das Schutzfenster beschädigt wird. Jede nachweisbare Leckage löst normalerweise die Entfernung der Quelle und deren Rücksendung an den Hersteller aus.

Schrankröntgensysteme werden eingesetzt, um die Dicke von Metallschichten zu prüfen und Defekte (z. B. Luftblasen in Formmassenpaketen) zu identifizieren. Obwohl sie keine signifikante Leckagequelle darstellen, werden diese Einheiten typischerweise regelmäßig (z. B. jährlich) mit einem tragbaren Messgerät auf Röntgenstrahlenlecks überprüft und inspiziert, um sicherzustellen, dass die Türverriegelungen ordnungsgemäß funktionieren.

Versand

Der Versand ist der Endpunkt der Beteiligung der meisten Hersteller von Silizium-Halbleitergeräten. Kommerzielle Halbleiterhersteller verkaufen ihre Produkte an andere Endprodukthersteller, während firmeneigene Hersteller die Geräte für ihre eigenen Endprodukte verwenden.

Gesundheitsstudie

Jeder Prozessschritt verwendet eine bestimmte Reihe von Chemikalien und Werkzeugen, die zu spezifischen EHS-Bedenken führen. Zusätzlich zu Bedenken im Zusammenhang mit bestimmten Prozessschritten bei der Verarbeitung von Silizium-Halbleiterbauelementen untersuchte eine epidemiologische Studie gesundheitliche Auswirkungen bei Beschäftigten der Halbleiterindustrie (Schenker et al. 1992). Siehe auch die Diskussion im Artikel „Gesundheitliche Auswirkungen und Krankheitsbilder“.

Die Hauptschlussfolgerung der Studie war, dass die Arbeit in Halbleiterfabriken mit einer erhöhten Rate spontaner Abtreibungen (SAB) verbunden ist. In der historischen Komponente der Studie war die Anzahl der untersuchten Schwangerschaften bei Beschäftigten in der Fertigung und in Nicht-Fertigungsbetrieben ungefähr gleich (447 bzw. 444), aber es gab mehr spontane Abtreibungen in der Fertigung (n = 67) als in den Nicht-Fertigungsbetrieben (n = 46). . Bereinigt um verschiedene Faktoren, die zu Verzerrungen führen könnten (Alter, ethnische Zugehörigkeit, Rauchen, Stress, sozioökonomischer Status und Schwangerschaftsvorgeschichte) betrug das relative Risiko (RR) für eine Herstellung gegenüber einer Nichtherstellung 1.43 (95 % Konfidenzintervall = 0.95–2.09). .

Die Forscher verknüpften die erhöhte SAB-Rate mit der Exposition gegenüber bestimmten Glykolethern auf Ethylenbasis (EGE), die in der Halbleiterherstellung verwendet werden. Die spezifischen Glykolether, die an der Studie beteiligt waren und im Verdacht stehen, nachteilige Auswirkungen auf die Fortpflanzungsfähigkeit zu haben, sind:

• 2-Methoxyethanol (CAS 109-86-4)

• 2-Methoxyethylacetat (CAS 110-49-6)

• 2-Ethoxyethylacetat (CAS 111-15-9).

 

Obwohl nicht Teil der Studie, haben zwei andere in der Industrie verwendete Glykolether, 2-Ethoxyethanol (CAS 110-80-5) und Diethylenglykoldimethylether (CAS 111-96-6), ähnliche toxische Wirkungen und wurden von einigen verboten Halbleiterhersteller.

Zusätzlich zu einer erhöhten SAB-Rate im Zusammenhang mit der Exposition gegenüber bestimmten Glykolethern kam die Studie auch zu dem Schluss:

• Es bestand eine widersprüchliche Assoziation zwischen Fluorid-Exposition (beim Ätzen) und SAB.

• Selbstberichteter Stress war ein starker unabhängiger Risikofaktor für SAB bei Frauen, die in den Fertigungsbereichen arbeiteten.

• Es dauerte länger, bis Frauen, die im Produktionsbereich arbeiteten, schwanger wurden, verglichen mit Frauen in Nicht-Produktionsbereichen.

• Eine Zunahme von Atemwegsbeschwerden (Augen-, Nasen- und Rachenreizung und Keuchen) war bei Arbeitern in der Fabrikation im Vergleich zu Arbeitern ohne Fabrikation vorhanden.

• Muskel-Skelett-Symptome der distalen oberen Extremität, wie Hand-, Handgelenk-, Ellbogen- und Unterarmschmerzen, waren mit der Arbeit im Fertigungsraum verbunden.

• Dermatitis und Haarausfall (Alopezie) wurden häufiger bei Fertigungsarbeitern als bei Nicht-Fertigungsarbeitern berichtet.

 

Ausrüstungsüberprüfung

Die Komplexität der Halbleiterherstellungsausrüstung, gepaart mit kontinuierlichen Fortschritten in den Herstellungsprozessen, macht die Überprüfung neuer Prozessausrüstung vor der Installation wichtig, um EHS-Risiken zu minimieren. Zwei Geräteüberprüfungsprozesse tragen dazu bei sicherzustellen, dass neue Halbleiterprozessgeräte über angemessene EHS-Kontrollen verfügen: CE-Kennzeichnung und Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI)-Standards.

Die CE-Kennzeichnung ist eine Erklärung des Herstellers, dass das so gekennzeichnete Gerät den Anforderungen aller anwendbaren Richtlinien der Europäischen Union (EU) entspricht. Für Halbleiterfertigungsanlagen gelten die Maschinenrichtlinie (MD), die Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und die Niederspannungsrichtlinie (LVD) als die am besten anwendbaren Richtlinien.

Im Fall der EMV-Richtlinie müssen die Dienste einer zuständigen Stelle (von einem EU-Mitgliedstaat offiziell zugelassene Organisation) beauftragt werden, um die Prüfanforderungen zu definieren und die Ergebnisse der Prüfung zu genehmigen. MD und LVD können entweder vom Hersteller oder einer benannten Stelle (von einem EU-Mitgliedstaat offiziell zugelassene Organisation) bewertet werden. Unabhängig vom gewählten Weg (Selbsteinschätzung oder Drittpartei) ist der eingetragene Importeur dafür verantwortlich, dass das importierte Produkt mit der CE-Kennzeichnung versehen wird. Sie können die Informationen des Drittanbieters oder der Selbstbewertung als Grundlage für ihre Überzeugung verwenden, dass das Gerät die Anforderungen der anwendbaren Richtlinien erfüllt, aber letztendlich werden sie die Konformitätserklärung selbst erstellen und die CE-Kennzeichnung anbringen.

Semiconductor Equipment and Materials International ist ein internationaler Handelsverband, der Halbleiter- und Flachbildschirmgeräte und Materiallieferanten vertritt. Zu seinen Aktivitäten gehört die Entwicklung freiwilliger technischer Standards, bei denen es sich um Vereinbarungen zwischen Lieferanten und Kunden handelt, die darauf abzielen, die Produktqualität und -zuverlässigkeit zu einem angemessenen Preis und einer konstanten Versorgung zu verbessern.

Zwei SEMI-Standards, die speziell für EHS-Bedenken bei neuen Geräten gelten, sind SEMI S2 und SEMI S8. SEMI S2-93, Sicherheitsrichtlinien für Halbleiterfertigungsanlagen, ist als Mindestsatz leistungsbasierter EHS-Überlegungen für Geräte gedacht, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden. SEMI S8-95, Benutzerhandbuch für ergonomische Erfolgskriterien für Lieferanten, erweitert den Ergonomieteil in SEMI S2.

Viele Halbleiterhersteller verlangen, dass neue Geräte von einem Dritten zertifiziert werden, damit sie die Anforderungen von SEMI S2 erfüllen. Richtlinien zur Interpretation von SEMI S2-93 und SEMI S8-95 sind in einer Veröffentlichung des Industriekonsortiums SEMATECH enthalten (SEMATECH 1996). Weitere Informationen zu SEMI finden Sie im World Wide Web (http://www.semi.org).

Chemikalienbehandlung

Flüssigkeitsabgabe

Da automatische Abgabesysteme für Chemikalien zur Regel und nicht zur Ausnahme geworden sind, hat die Zahl der Verätzungen von Mitarbeitern abgenommen. Allerdings müssen in diesen automatisierten Abgabesystemen für Chemikalien geeignete Sicherheitsvorkehrungen installiert werden. Diese beinhalten:

• Lecksuche und automatische Abschaltung an der Hauptversorgungsquelle und an Anschlusskästen

• doppelte Umschließung von Leitungen, wenn die Chemikalie als Gefahrstoff gilt

• High-Level-Sensoren an Endpunkten (Bad oder Werkzeugbehälter)

• zeitgesteuerte Abschaltung der Pumpe (erlaubt, dass nur eine bestimmte Menge an einen Ort gepumpt wird, bevor sie sich automatisch abschaltet).

Gasabgabe

Die Sicherheit der Gasverteilung hat sich im Laufe der Jahre durch das Aufkommen neuer Arten von Flaschenventilen, in die Flasche integrierten Öffnungen mit eingeschränktem Durchfluss, automatisierten Gasspültafeln, Erkennung und Absperrung bei hohen Durchflussraten und ausgeklügelteren Leckerkennungsgeräten erheblich verbessert. Aufgrund seiner pyrophoren Eigenschaft und seiner breiten Verwendung als Ausgangsmaterial stellt Silangas die bedeutendste Explosionsgefahr in der Industrie dar. Silangasvorfälle sind jedoch durch neue Untersuchungen von Factory Mutual und SEMATECH vorhersehbarer geworden. Mit geeigneten Öffnungen mit reduziertem Durchfluss (RFOs), Abgabedrücken und Belüftungsraten wurden die meisten Explosionsvorfälle eliminiert (SEMATECH 1995).

In den letzten Jahren kam es zu mehreren Sicherheitsvorfällen aufgrund einer unkontrollierten Vermischung unverträglicher Gase. Aufgrund dieser Vorfälle überprüfen Halbleiterhersteller häufig Gasleitungsinstallationen und Werkzeuggaskästen, um sicherzustellen, dass kein unsachgemäßes Mischen und/oder Rückströmen von Gasen auftreten kann.

Chemische Probleme erzeugen in der Regel die größten Bedenken in der Halbleiterfertigung. Die meisten Verletzungen und Todesfälle in der Industrie resultieren jedoch aus nicht-chemischen Gefahren.

Elektrische Sicherheit

Mit Geräten, die in dieser Branche verwendet werden, sind zahlreiche elektrische Gefahren verbunden. Sicherheitsverriegelungen spielen eine wichtige Rolle in der elektrischen Sicherheit, aber diese Verriegelungen werden oft von Wartungstechnikern außer Kraft gesetzt. Eine erhebliche Menge an Wartungsarbeiten wird typischerweise durchgeführt, während die Ausrüstung noch mit Energie versorgt oder nur teilweise entregt ist. Die bedeutendsten elektrischen Gefahren sind mit Ionenimplantationsgeräten und Laserstromversorgungen verbunden. Auch nach dem Abschalten des Stroms besteht innerhalb des Werkzeugs ein erhebliches Schockpotential, das vor dem Arbeiten im Inneren des Werkzeugs abgeleitet werden muss. Der SEMI S2-Überprüfungsprozess in den Vereinigten Staaten und das CE-Zeichen in Europa haben dazu beigetragen, die elektrische Sicherheit für neue Geräte zu verbessern, aber Wartungsarbeiten werden nicht immer angemessen berücksichtigt. Für alle neu installierten Geräte ist eine sorgfältige Überprüfung der Wartungsarbeiten und der elektrischen Gefahren erforderlich.

An zweiter Stelle auf der Liste der elektrischen Gefahren steht die Ausrüstung, die während Ätz-, Sputter- und Kammerreinigungsprozessen HF-Energie erzeugt. Eine ordnungsgemäße Abschirmung und Erdung sind erforderlich, um das Risiko von HF-Verbrennungen zu minimieren.

Diese elektrischen Gefahren und die vielen Werkzeuge, die während der Wartungsarbeiten nicht abgeschaltet werden, erfordern, dass die Wartungstechniker andere Mittel anwenden, um sich selbst zu schützen, wie etwa Lockout/Tagout-Verfahren. Elektrische Gefahren sind nicht die einzigen Energiequellen, die mit Lockout/Tagout angegangen werden. Andere Energiequellen umfassen unter Druck stehende Leitungen, von denen viele gefährliche Gase oder Flüssigkeiten enthalten, und pneumatische Steuerungen. Unterbrechungen zur Steuerung dieser Energiequellen müssen sich an einem leicht zugänglichen Ort befinden – innerhalb des fab (Fertigung) oder Verfolgungsbereich, in dem der Mitarbeiter arbeiten wird, anstatt an ungünstigen Orten wie Nebenfabriken.

Ergonomie

Die Schnittstelle zwischen Mitarbeiter und Werkzeug verursacht weiterhin Verletzungen. Muskelzerrungen und Verstauchungen sind in der Halbleiterindustrie weit verbreitet, insbesondere bei Wartungstechnikern. Der Zugang zu Pumpen, Kammerabdeckungen usw. ist während der Herstellung des Werkzeugs und während der Platzierung des Werkzeugs in der Fabrik oft nicht gut gestaltet. Pumpen sollten auf Rädern stehen oder in ausziehbaren Schubladen oder Tabletts platziert werden. Für viele Arbeitsgänge müssen Hebevorrichtungen eingebaut werden.

Gerade in älteren Anlagen birgt die einfache Waferhandhabung ergonomische Gefahren. Neuere Einrichtungen haben typischerweise größere Wafer und erfordern daher stärker automatisierte Handhabungssysteme. Viele dieser Waferhandhabungssysteme gelten als Robotergeräte, und die Sicherheitsbedenken bei diesen Systemen müssen berücksichtigt werden, wenn sie entworfen und installiert werden (ANSI 1986).

Brandschutz

Neben dem bereits angesprochenen Silangas hat Wasserstoffgas das Potenzial, eine erhebliche Brandgefahr darzustellen. Es ist jedoch besser verstanden und die Industrie hat nicht viele große Probleme im Zusammenhang mit Wasserstoff gesehen.

Die größte Brandgefahr ist jetzt damit verbunden nasse Decks oder Ätzbäder. Die typischen Konstruktionskunststoffe (Polyvinylchlorid, Polypropylen und schwer entflammbares Polypropylen) wurden alle bei der Herstellung verwendet Feuer. Die Zündquelle kann eine Ätz- oder Plattierungsbadheizung sein, wobei die elektrischen Steuerungen direkt auf dem Kunststoff oder einem angrenzenden Werkzeug montiert sind. Wenn es bei einem dieser Kunststoffwerkzeuge zu einem Brand kommt, breiten sich Partikelverunreinigungen und korrosive Verbrennungsprodukte in der gesamten Fabrik aus. Der wirtschaftliche Verlust ist aufgrund der Ausfallzeit in der Fabrik hoch, während der Bereich und die Ausrüstung wieder auf Reinraumstandards gebracht werden. Oft können einige teure Geräte nicht ausreichend dekontaminiert werden, und es müssen neue Geräte angeschafft werden. Daher sind sowohl ein angemessener Brandschutz als auch ein angemessener Brandschutz von entscheidender Bedeutung.

Der Brandschutz kann mit verschiedenen nicht brennbaren Baustoffen angegangen werden. Edelstahl ist das bevorzugte Konstruktionsmaterial für diese Nassdecks, aber oft „akzeptiert“ der Prozess kein Metallwerkzeug. Es gibt Kunststoffe mit geringerem Brand-/Rauchpotential, die jedoch noch nicht ausreichend getestet wurden, um festzustellen, ob sie mit Halbleiterherstellungsprozessen kompatibel sind.

Aus brandschutztechnischen Gründen müssen diese Werkzeuge durch einen frei zugänglichen Sprinklerschutz geschützt werden. Die Platzierung von HEPA-Filtern über Nassbänken blockiert oft Sprinklerköpfe. In diesem Fall werden zusätzliche Sprinklerköpfe unterhalb der Filter installiert. Viele Unternehmen verlangen außerdem, dass ein Feuererkennungs- und -unterdrückungssystem in den Luftkammern dieser Werkzeuge installiert wird, wo viele Brände entstehen.

 

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