Panoramica del processo

La descrizione dell'elaborazione di dispositivi semiconduttori in silicio, dispositivi discreti (un semiconduttore contenente un solo dispositivo attivo, come un transistor) o circuiti integrati (matrici interconnesse di elementi attivi e passivi all'interno di un singolo substrato semiconduttore in grado di eseguire almeno una funzione del circuito elettronico) , comporta numerose operazioni altamente tecniche e specifiche. Lo scopo di questa descrizione è quello di fornire una struttura di base e una spiegazione delle fasi dei componenti primari utilizzati nella fabbricazione di un dispositivo a semiconduttore di silicio e dei problemi associati di ambiente, salute e sicurezza (EHS).

La fabbricazione di un circuito integrato comporta una sequenza di processi che possono essere ripetuti molte volte prima che un circuito sia completo. I circuiti integrati più diffusi utilizzano 6 o più maschere per completare i processi di modellazione, con un numero tipico di maschere compreso tra 10 e 24. La produzione di un microcircuito inizia con un wafer di silicio ad altissima purezza da 4 a 12 pollici di diametro. Il silicio perfettamente puro è quasi un isolante, ma alcune impurità, chiamate droganti, aggiunto in quantità da 10 a 100 parti per milione, fa sì che il silicio conduca elettricità.

Un circuito integrato può essere costituito da milioni di transistor (anche diodi, resistori e condensatori) realizzati in silicio drogato, tutti collegati dall'appropriato schema di conduttori per creare la logica del computer, la memoria o altro tipo di circuito. Su un wafer possono essere realizzati centinaia di microcircuiti.

Sei principali fasi di processo di fabbricazione sono universali per tutti i dispositivi semiconduttori di silicio: ossidazione, litografia, incisione, drogaggio, deposizione chimica da vapore e metallizzazione. Seguono l'assemblaggio, il collaudo, la marcatura, l'imballaggio e la spedizione.

Ossidazione

Generalmente, la prima fase nella lavorazione del dispositivo a semiconduttore comporta l'ossidazione della superficie esterna del wafer per far crescere uno strato sottile (circa un micron) di biossido di silicio (SiO₂). Questo protegge principalmente la superficie dalle impurità e funge da maschera per il successivo processo di diffusione. Questa capacità di far crescere un wafer protettivo chimicamente stabile di biossido di silicio su silicio rende i wafer di silicio il substrato semiconduttore più utilizzato.

L'ossidazione, comunemente chiamata ossidazione termica, è un processo discontinuo che avviene in un forno a diffusione ad alta temperatura. Lo strato protettivo di biossido di silicio viene coltivato in atmosfere contenenti ossigeno (O₂) (ossidazione a secco) o ossigeno combinato con vapore acqueo (H₂O) (ossidazione a umido). Le temperature nel forno vanno da 800 a 1,300^oC. Possono essere aggiunti anche composti di cloro sotto forma di acido cloridrico (HCl) per aiutare a controllare le impurità indesiderate.

La tendenza negli impianti di fabbricazione più recenti è verso i forni di ossidazione verticali. I forni verticali soddisfano meglio la necessità di un maggiore controllo della contaminazione, dimensioni maggiori dei wafer e una lavorazione più uniforme. Consentono un ingombro ridotto dell'apparecchiatura che consente di risparmiare spazio prezioso nella camera bianca.

Ossidazione secca

I wafer di silicio da ossidare vengono prima puliti, utilizzando una soluzione detergente e acquosa, e solvente risciacquato con xilene, alcool isopropilico o altri solventi. I wafer puliti vengono essiccati, caricati in un porta wafer di quarzo chiamato a barca e caricato nell'estremità dell'operatore (fine carico) del tubo o cella del forno a diffusione di quarzo. L'estremità di ingresso del tubo (fine sorgente) fornisce ossigeno ad alta purezza o una miscela ossigeno/azoto. Il flusso di ossigeno "secco" è controllato nel tubo di quarzo e assicura che sia disponibile un eccesso di ossigeno per la crescita del biossido di silicio sulla superficie del wafer di silicio. La reazione chimica di base è:

Si+O₂ → SiO₂

Ossidazione a umido

Quattro metodi di introduzione del vapore acqueo sono comunemente usati quando l'acqua è l'agente ossidante: piroforico, ad alta pressione, gorgogliatore e flash. Le reazioni chimiche fondamentali sono:

Piroforico e alta pressione: Si + 2O₂ + 2 H₂ → SiO₂ + 2H₂O

Flash e gorgogliatore: Si + 2H₂O _→ SiO₂ + 2H₂

Ossidazione piroforica comporta l'introduzione e la combustione di una miscela gassosa idrogeno/ossigeno. Tali sistemi sono generalmente chiamati idrogeno bruciato or torcia sistemi. Il vapore acqueo viene prodotto quando quantità adeguate di idrogeno e ossigeno vengono introdotte all'estremità di ingresso del tubo e lasciate reagire. La miscela deve essere controllata con precisione per garantire una corretta combustione ed evitare l'accumulo di gas idrogeno esplosivo.

Ossidazione ad alta pressione (HiPox) è tecnicamente chiamato sistema di pirosintesi dell'acqua e genera vapore acqueo attraverso la reazione di idrogeno e ossigeno ultra puri. Il vapore viene quindi pompato in una camera ad alta pressione e pressurizzato a 10 atmosfere, che accelera il processo di ossidazione a umido. L'acqua deionizzata può anche essere utilizzata come fonte di vapore.

In ossidazione del gorgogliatore l'acqua deionizzata viene posta in un contenitore chiamato a gorgogliatore e mantenuto ad una temperatura costante al di sotto del suo punto di ebollizione di 100°C attraverso l'uso di un mantello riscaldante. L'azoto o l'ossigeno gassoso entra nel lato di ingresso del gorgogliatore, si satura di vapore acqueo mentre sale attraverso l'acqua ed esce attraverso l'uscita nel forno di diffusione. I sistemi di gorgogliamento sembrano essere il metodo di ossidazione più utilizzato.

In ossidazione flash l'acqua deionizzata viene gocciolata continuamente nella superficie inferiore riscaldata di un contenitore di quarzo e l'acqua evapora rapidamente una volta che colpisce la superficie calda. Il gas vettore di azoto o ossigeno scorre sull'acqua in evaporazione e trasporta il vapore acqueo nel forno di diffusione.

Litografia

La litografia, nota anche come fotolitografia o semplicemente mascheratura, è un metodo per formare accuratamente modelli sul wafer ossidato. Il circuito microelettronico è costruito strato dopo strato, ogni strato riceve un modello da una maschera prescritta nella progettazione del circuito.

I mestieri della stampa hanno sviluppato i veri antecedenti degli odierni processi di microfabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Questi sviluppi riguardano la fabbricazione di lastre da stampa, solitamente in metallo, sulle quali l'asportazione di materiale mediante incisione chimica produce un motivo in rilievo superficiale. Questa stessa tecnica di base viene utilizzata nella produzione maschere maestre utilizzato nella fabbricazione di ogni strato di elaborazione di un dispositivo.

I progettisti di circuiti digitalizzano i circuiti di base di ogni livello. Questo schema computerizzato consente una rapida generazione del circuito della maschera e facilita eventuali modifiche necessarie. Questa tecnica è nota come progettazione assistita da computer (CAD). Utilizzando potenti algoritmi informatici, questi sistemi di progettazione in linea consentono al progettista di disporre e modificare i circuiti direttamente su schermi video con funzionalità grafiche interattive.

Il disegno finale, o maschera, per ogni strato di circuiti viene creato da un fotoplotter computerizzato, o generatore di pattern. Questi disegni fotoplottati vengono poi ridotti alle dimensioni reali del circuito, una maschera master prodotta su vetro con rilievo cromato, e riprodotta su una lastra di lavoro che serve per la stampa a contatto oa proiezione sulla fetta.

Queste maschere delineano lo schema delle aree conduttive e isolanti che vengono trasferite al wafer attraverso la fotolitografia. La maggior parte delle aziende non produce le proprie mascherine, ma utilizza quelle fornite da un produttore di mascherine.

Pulizia

La necessità di una superficie esterna del wafer priva di particelle e contaminazioni richiede una pulizia frequente. Le principali categorie sono:

• lavaggio con acqua deionizzata e detergente

• solvente: alcool isopropilico (IPA), acetone, etanolo, terpeni

• acido: fluoridrico (HF), solforico (H₂SO₄) e perossido di idrogeno (H₂O₂), cloridrico (HCl), nitrico (HNO₃) e miscele

• caustico: idrossido di ammonio (NH₄OH).

 

Resistere all'applicazione

I wafer sono rivestiti con un materiale resistivo di polimero a base di solvente e ruotati rapidamente su a filatore, che stende un sottile strato uniforme. I solventi poi evaporano, lasciando una pellicola polimerica. Tutti i materiali resistivi dipendono dai cambiamenti indotti dalle radiazioni (principalmente ultravioletti) nella solubilità di un polimero organico sintetico in un risciacquo di sviluppatore selezionato. I materiali resist sono classificati come resist negativi o positivi, a seconda che la solubilità nello sviluppatore diminuisca (negativa) o aumenti (positiva) in seguito all'esposizione alle radiazioni. La tabella 1 identifica la composizione dei componenti di vari sistemi di fotoresist.

Tabella 1. Sistemi di fotoresist

PB = base polimerica; S = solvente; D = sviluppatore.

Poiché la maggior parte dei fotoresist è sensibile alla luce ultravioletta (UV), l'area di lavorazione è illuminata con speciali luci gialle prive di lunghezze d'onda UV sensibili (vedere la figura 1).

Figura 1. Attrezzatura fotolitografica “Camera Gialla”.

I resist UV negativi e positivi sono utilizzati principalmente nell'industria. I resist E-beam e X-ray, tuttavia, stanno guadagnando quote di mercato grazie alle loro risoluzioni più elevate. I problemi per la salute nella litografia sono principalmente causati da potenziali rischi riproduttivi associati a resist positivi selezionati (ad esempio, glicole etilenico monoetil etere acetato come vettore) che sono attualmente in fase di eliminazione da parte dell'industria. Anche gli odori occasionali delle resistenze negative (ad es. xilene) provocano preoccupazioni nei dipendenti. A causa di queste preoccupazioni, gli igienisti industriali dell'industria dei semiconduttori dedicano molto tempo al campionamento delle operazioni di fotoresist. Sebbene ciò sia utile per caratterizzare queste operazioni, le esposizioni di routine durante le operazioni di filatura e sviluppo sono in genere inferiori al 5% degli standard nell'aria per l'esposizione professionale per i solventi utilizzati nel processo (Scarpace et al. 1989).

Un'esposizione di 1 ora a etilene glicole monoetil etere acetato di 6.3 ppm è stata riscontrata durante il funzionamento di un sistema di filatura. Questa esposizione è stata principalmente causata da cattive pratiche lavorative durante le operazioni di manutenzione (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Essiccazione e precottura

Dopo l'applicazione del resist, i wafer vengono spostati su un binario o spostati manualmente dallo spinner a un forno a temperatura controllata con atmosfera di azoto. Una temperatura moderata (da 70 a 90°C) provoca l'indurimento del fotoresist (cottura delicata) e l'evaporazione dei restanti solventi.

Per garantire l'adesione dello strato di resist al wafer, viene applicato al wafer un primer, esametildisilizano (HMDS). Il primer lega l'acqua molecolare sulla superficie del wafer. L'HMDS viene applicato direttamente in un processo ad immersione o spin-on o attraverso un primer a vapore che offre vantaggi di processo e di costo rispetto agli altri metodi.

Allineamento ed esposizione della maschera

La maschera e il wafer vengono avvicinati utilizzando un preciso equipaggiamento ottico/meccanico e l'immagine sulla maschera viene allineata a qualsiasi motivo già esistente nel wafer sotto lo strato di fotoresist. Per la prima maschera non è necessario alcun allineamento. Nelle tecnologie più vecchie, l'allineamento per strati successivi è reso possibile dall'uso di un biscopio (microscopio a doppia lente) e controlli di precisione per il posizionamento del wafer rispetto alla maschera. Nelle tecnologie più recenti l'allineamento viene eseguito automaticamente utilizzando punti di riferimento sui wafer.

Una volta eseguito l'allineamento, una sorgente di vapori di mercurio ultravioletti ad alta intensità o di una lampada ad arco risplende attraverso la maschera, esponendo il resist in punti non protetti dalle regioni opache della maschera.

I vari metodi di allineamento ed esposizione dei wafer includono l'esposizione ai raggi UV (contatto o prossimità), l'esposizione ai raggi UV attraverso la lente di proiezione per la riduzione (proiezione), la fase UV e l'esposizione ripetuta alla riduzione (proiezione), il flusso di raggi X (prossimità) e la scansione del fascio di elettroni esposizione (scrittura diretta). Il metodo principale in uso prevede l'esposizione ai raggi UV da vapori di mercurio e lampade ad arco attraverso allineatori di prossimità o di proiezione. I resist UV sono progettati per reagire a un ampio spettro di lunghezze d'onda UV, oppure sono formulati per reagire preferenzialmente a una o più delle linee dello spettro principale emesse dalla lampada (ad esempio, linea g a 435 nm, linea h a 405 nm e linea i a 365 nm).

Le lunghezze d'onda predominanti della luce UV attualmente utilizzate nel fotomascheramento sono 365 nm o superiori, ma gli spettri delle lampade UV contengono anche un'energia significativa nella regione della lunghezza d'onda che preoccupa la salute, la regione attinica al di sotto di 315 nm. Normalmente, l'intensità della radiazione UV che fuoriesce dall'apparecchiatura è inferiore sia a quella presente dalla luce solare nella regione attinica sia agli standard fissati per l'esposizione professionale ai raggi UV.

Occasionalmente durante la manutenzione, l'allineamento della lampada UV richiede che venga alimentata all'esterno dell'armadio dell'apparecchiatura o senza i normali filtri di protezione. I livelli di esposizione durante questa operazione possono superare i limiti di esposizione professionale, ma l'abbigliamento standard per camere bianche (ad es. camici, guanti in vinile, maschere facciali e occhiali di sicurezza in policarbonato con inibitore UV) è solitamente adeguato per attenuare la luce UV al di sotto dei limiti di esposizione (Baldwin e Stewart 1989 ).

Mentre le lunghezze d'onda predominanti per le lampade ultraviolette utilizzate nella fotolitografia sono 365 nm o superiori, la ricerca di caratteristiche più piccole nei circuiti integrati avanzati sta portando all'uso di sorgenti di esposizione con lunghezze d'onda più piccole, come i raggi X e UV profondi. Una nuova tecnologia per questo scopo è l'uso di laser ad eccimeri al fluoruro di krypton utilizzati negli stepper. Questi stepper utilizzano una lunghezza d'onda di 248 nm con elevate uscite di potenza laser. Tuttavia, gli involucri per questi sistemi contengono la trave durante il normale funzionamento.

Come con altre apparecchiature contenenti sistemi laser ad alta potenza utilizzati nella produzione di semiconduttori, la preoccupazione principale è quando gli interblocchi del sistema devono essere disattivati ​​durante l'allineamento del raggio. I laser ad alta potenza sono anche uno dei rischi elettrici più significativi nell'industria dei semiconduttori. Anche dopo che l'alimentazione è stata spenta, all'interno dello strumento esiste un notevole potenziale di shock. Controlli e considerazioni sulla progettazione della sicurezza per questi sistemi sono coperti da Escher, Weathers e Labonville (1993).

Una fonte di esposizione a tecnologia avanzata utilizzata nella litografia sono i raggi X. I livelli di emissione delle sorgenti di litografia a raggi X possono comportare tassi di dose che si avvicinano a 50 millisievert (5 rem) all'anno al centro dell'apparecchiatura. Si consiglia di limitare l'accesso alle aree all'interno del muro schermato per ridurre al minimo l'esposizione (Rooney e Leavey 1989).

Sviluppare

Durante la fase di sviluppo le aree non polimerizzate del resist vengono sciolte e rimosse. Lo sviluppatore a base di solvente viene applicato alla superficie del wafer ricoperta di resist mediante immersione, spruzzatura o atomizzazione. Le soluzioni di sviluppo sono identificate nella tabella 1. Un risciacquo con solvente (n-butile acetato, alcool isopropilico, acetone, ecc.) viene solitamente applicato dopo lo sviluppatore per rimuovere ogni residuo di materiale. Il resist che rimane dopo lo sviluppo protegge i singoli strati durante la successiva lavorazione.

Cottura

Dopo l'allineamento, l'esposizione e lo sviluppo del resist, i wafer passano quindi in un altro forno a temperatura controllata con atmosfera di azoto. Il forno a temperatura più elevata (da 120 a 135°C) fa sì che il fotoresist si indurisca e polimerizzi completamente sulla superficie del wafer (cottura dura).

Rimozione del fotoresist

Il wafer sviluppato viene quindi inciso selettivamente utilizzando sostanze chimiche umide o secche (vedere "Incisione" di seguito). Il fotoresist rimanente deve essere rimosso dal wafer prima dell'ulteriore elaborazione. Questo viene fatto utilizzando soluzioni chimiche umide in bagni a temperatura controllata o attraverso l'uso di un asher al plasma o di una sostanza chimica secca. La tabella 2 identifica i costituenti chimici umidi e secchi. Segue una discussione sull'incisione chimica al plasma a secco, utilizzando la stessa attrezzatura e gli stessi principi di funzionamento dell'incenerimento al plasma.

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Tabella 2. Estrattori di fotoresist

Prodotto chimico umido

 Acido

solforico (h₂SO₄) e cromico (CrO₃)

solforico (h₂SO₄) e persolfato di ammonio ((NH₄)₂S₂O₈)

solforico (h₂SO₄) e perossido di idrogeno (H₂O₂)

Organici

Fenoli, acidi solforici, triclorobenzene, percloroetilene

Eteri glicolici, etanolamina, trietanolamina

Idrossido di sodio e silicati (resist positivo)

Prodotto chimico secco

Incenerimento al plasma (stripping)

Sorgente di alimentazione RF (radiofrequenza): frequenza 13.56 MHz o 2,450 MHz

Ossigeno (O₂) fonte di gas

Sistemi di pompaggio del vuoto

—Olio lubrificato con trappola per azoto liquido (vecchia tecnologia)
—Lubrificato con fluidi perfluoropolieteri inerti (tecnologia più recente)
—Pompa a secco (tecnologia più recente)

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acquaforte

L'incisione rimuove gli strati di biossido di silicio (SiO₂), metalli e polisilicio, nonché resist, secondo gli schemi desiderati delineati dal resist. Le due principali categorie di incisione sono la chimica umida e secca. L'incisione a umido è utilizzata prevalentemente e coinvolge soluzioni contenenti i mordenzanti (di solito una miscela acida) alle forze desiderate, che reagiscono con i materiali da rimuovere. L'incisione a secco prevede l'uso di gas reattivi sotto vuoto in una camera altamente energizzata, che rimuove anche gli strati desiderati non protetti da resist.

Prodotto chimico umido

Le soluzioni di incisione chimica a umido sono alloggiate in bagni di incisione a temperatura controllata in polipropilene (poly-pro), polipropilene ignifugo (FRPP) o cloruro di polivinile (PVC). I bagni sono generalmente dotati di ventilazione di scarico plenum ad anello o di scarico scanalato nella parte posteriore della stazione di attacco chimico umido. Le cappe a flusso laminare verticale forniscono aria uniformemente filtrata e priva di particolato alla superficie superiore dei bagni di attacco. Le comuni soluzioni chimiche di mordenzante a umido sono presentate nella tabella 3, in relazione allo strato superficiale da mordenzare.

Tabella 3. Mordenzanti chimici umidi

 

Le cappe di alimentazione del flusso montate verticalmente, se utilizzate in combinazione con paraspruzzi e ventilazione di scarico, possono creare aree di turbolenza dell'aria all'interno della stazione di attacco chimico umido. Di conseguenza, è possibile una diminuzione dell'efficacia della ventilazione di scarico locale nel catturare e indirizzare i contaminanti dell'aria fuggitivi dai bagni di attacco in uso.

La preoccupazione principale con l'incisione a umido è la possibilità di contatto della pelle con gli acidi concentrati. Mentre tutti gli acidi utilizzati nell'incisione possono causare ustioni da acido, l'esposizione all'acido fluoridrico (HF) è particolarmente preoccupante. L'intervallo di tempo tra il contatto con la pelle e il dolore (fino a 24 ore per soluzioni con meno del 20% di HF e da 1 a 8 ore per soluzioni dal 20 al 50%) può comportare un trattamento ritardato e ustioni più gravi del previsto (Hathaway et al. 1991). .

Storicamente le ustioni da acido sono state un problema particolare all'interno del settore. Tuttavia, l'incidenza del contatto della pelle con gli acidi è stata ridotta negli ultimi anni. Parte di questa riduzione è stata causata da miglioramenti relativi al prodotto nel processo di incisione, come il passaggio all'incisione a secco, l'uso di più robotica e l'installazione di sistemi di erogazione di sostanze chimiche. La riduzione del tasso di ustioni da acido può anche essere attribuita a migliori tecniche di manipolazione, maggiore uso di dispositivi di protezione individuale, ponti bagnati meglio progettati e migliore addestramento, tutti elementi che richiedono un'attenzione continua se il tasso deve diminuire ulteriormente (Baldwin e Williams 1996 ).

Prodotto chimico secco

L'incisione chimica a secco è un'area di crescente interesse e utilizzo grazie alla sua capacità di controllare meglio il processo di incisione e ridurre i livelli di contaminazione. Il trattamento chimico a secco incide efficacemente gli strati desiderati attraverso l'uso di gas chimicamente reattivi o attraverso il bombardamento fisico.

Sono stati sviluppati sistemi di incisione al plasma chimicamente reattivi in ​​grado di incidere efficacemente silicio, biossido di silicio, nitruro di silicio, alluminio, tantalio, composti di tantalio, cromo, tungsteno, oro e vetro. Sono in uso due tipi di reattori di incisione al plasma: il cilindro, o cilindrico, e il piatto parallelo, o planare. Entrambi operano secondo gli stessi principi e variano principalmente solo nella configurazione.

Un plasma è simile a un gas tranne per il fatto che alcuni degli atomi o delle molecole del plasma sono ionizzati e possono contenere un numero considerevole di radicali liberi. Il reattore tipico è costituito da una camera del reattore sottovuoto contenente il wafer, solitamente in alluminio, vetro o quarzo; una sorgente di energia a radiofrequenza (RF), solitamente a 450 kHz, 13.56 MHz o 40.5 MHz e un modulo di controllo per controllare il tempo di elaborazione, la composizione del gas reagente, la portata del gas e il livello di potenza RF. Inoltre, una sorgente di vuoto della pompa per sgrossatura lubrificata ad olio (tecnologia precedente) oa secco (tecnologia più recente) è in linea con la camera del reattore. I wafer vengono caricati nel reattore, singolarmente o in cassette, una pompa evacua la camera e viene introdotto il gas reagente (solitamente tetrafluoruro di carbonio). La ionizzazione del gas forma il plasma di attacco, che reagisce con i wafer formando prodotti volatili che vengono pompati via. L'introduzione di gas reagente fresco nella camera mantiene l'attività di attacco. La tabella 4 identifica i materiali e i gas plasma in uso per l'incisione dei vari strati.

Tabella 4. Gas di attacco al plasma e materiali incisi

 

Un altro metodo attualmente in fase di sviluppo per l'incisione è il microonde downstream. Utilizza una scarica a microonde ad alta densità di potenza per produrre atomi metastabili con una lunga durata che attaccano il materiale quasi come se fosse immerso nell'acido.

I processi di incisione fisica sono simili alla sabbiatura in quanto gli atomi di gas argon vengono utilizzati per bombardare fisicamente lo strato da incidere. Un sistema di pompa a vuoto viene utilizzato per rimuovere il materiale dislocato. L'incisione con ioni reattivi comporta una combinazione di incisione chimica e fisica a secco.

Il processo di sputtering è uno di impatto ionico e trasferimento di energia. L'incisione sputter incorpora un sistema di sputtering, in cui il wafer da incidere è attaccato a un elettrodo negativo o bersaglio in un circuito di scarica a bagliore. Il materiale schizza dal wafer per bombardamento con ioni positivi, solitamente argon, e provoca la dislocazione degli atomi superficiali. L'alimentazione è fornita da una sorgente RF alla frequenza di 450 kHz. Un sistema di vuoto in linea viene utilizzato per il controllo della pressione e la rimozione dei reagenti.

L'incisione e la fresatura con raggio ionico è un processo di incisione delicato che utilizza un raggio di ioni a bassa energia. Il sistema a fascio ionico è costituito da una sorgente per generare il fascio ionico, una camera di lavoro in cui avviene l'incisione o la fresatura, fissaggio con una piastra bersaglio per trattenere i wafer nel fascio ionico, un sistema di pompa del vuoto, elettronica di supporto e strumenti. Il fascio ionico viene estratto da un gas ionizzato (argon o argon/ossigeno) o plasma, creato dalla scarica elettrica. La scarica è ottenuta applicando una tensione tra un catodo a filamento caldo emettitore di elettroni e un cilindro anodico situato nel diametro esterno della regione di scarica.

La fresatura del raggio ionico viene eseguita nella gamma a bassa energia del bombardamento ionico, dove si verificano solo interazioni superficiali. Questi ioni, solitamente nell'intervallo da 500 a 1,000 eV, colpiscono un bersaglio e scoppiettare atomi di superficie rompendo le forze che legano l'atomo al suo vicino. L'incisione con raggio ionico viene eseguita in un intervallo di energia leggermente superiore, il che comporta una dislocazione più drammatica degli atomi superficiali.

L'attacco con ioni reattivi (RIE) è una combinazione di sputtering fisico e attacco chimico di specie reattive a basse pressioni. RIE utilizza il bombardamento ionico per ottenere l'incisione direzionale e anche un gas chimicamente reattivo, il tetrafluoruro di carbonio (CF₄) o tetracloruro di carbonio (CCl₄), per mantenere una buona selettività dello strato inciso. Un wafer viene posto in una camera con un'atmosfera di composto di gas chimicamente reattivo a una bassa pressione di circa 0.1 torr (1.3 x 10^-4 atmosfera). Una scarica elettrica crea un plasma di “radicali liberi” reattivi (ioni) con un'energia di poche centinaia di elettronvolt. Gli ioni colpiscono verticalmente la superficie del wafer, dove reagiscono per formare specie volatili che vengono rimosse da un sistema di vuoto in linea a bassa pressione.

Gli incisori a secco a volte hanno un ciclo di pulizia che viene utilizzato per rimuovere i depositi che si accumulano all'interno delle camere di reazione. I composti progenitori utilizzati per i plasmi del ciclo di pulizia includono il trifluoruro di azoto (NF₃), esafluoroetano (C₂F₆) e ottafluoropropano (C₃F₈).

Questi tre gas utilizzati nel processo di pulizia e molti dei gas utilizzati nell'incisione sono una pietra angolare di un problema ambientale che l'industria dei semiconduttori deve affrontare e che è emersa a metà degli anni '1990. Molti dei gas altamente fluorurati sono stati identificati come aventi un significativo potenziale di riscaldamento globale (o effetto serra). (Questi gas sono anche indicati come PFC, composti perfluorurati.) La lunga durata atmosferica, l'elevato potenziale di riscaldamento globale e il significativo aumento dell'utilizzo di PFC come NF₃, C₂F₆, C₃F₈, Cfr₄, trifluorometano (CHF₃) ed esafluoruro di zolfo (SF₆) ha fatto sì che l'industria dei semiconduttori si concentrasse sui modi per ridurre le proprie emissioni.

Le emissioni atmosferiche di PFC dall'industria dei semiconduttori sono dovute alla scarsa efficienza degli strumenti (molti strumenti consumano solo dal 10 al 40% del gas utilizzato) e alle attrezzature inadeguate per l'abbattimento delle emissioni nell'aria. Gli scrubber a umido non sono efficaci nella rimozione dei PFC e i test su molte unità di combustione hanno riscontrato scarse efficienze di distruzione per alcuni gas, in particolare CF₄. Molte di queste unità di combustione si sono guastate C₂F₆ e C₃F₈ in CF₄. Inoltre, l'elevato costo di proprietà di questi strumenti di abbattimento, la loro richiesta di energia, il rilascio di altri gas di riscaldamento globale e i sottoprodotti della combustione di inquinanti atmosferici pericolosi indicavano che l'abbattimento della combustione non era un metodo adatto per controllare le emissioni di PFC.

Rendere gli strumenti di processo più efficienti, identificare e sviluppare alternative più rispettose dell'ambiente a questi gas di attacco a secco e recupero/riciclaggio dei gas di scarico sono stati gli aspetti ambientali associati agli incisori a secco.

La principale enfasi sull'igiene professionale per gli incisori a secco è stata sulle potenziali esposizioni del personale addetto alla manutenzione che lavora sulle camere di reazione, sulle pompe e su altre apparecchiature associate che possono contenere residui di prodotti di reazione. La complessità degli incisori di metalli al plasma e la difficoltà di caratterizzare gli odori associati alla loro manutenzione li ha resi oggetto di numerose indagini.

I prodotti di reazione che si formano negli attaccatori metallici al plasma sono una miscela complessa di composti clorurati e fluorurati. La manutenzione degli incisori metallici comporta spesso operazioni di breve durata che generano forti odori. L'esacloroetano è risultato essere la principale causa di odore in un tipo di incisore di alluminio (Helb et al. 1983). In un altro, il problema principale era il cloruro di cianogeno: i livelli di esposizione erano 11 volte superiori al limite di esposizione professionale di 0.3 ppm (Baldwin 1985). In altri tipi ancora di acquaforte, l'acido cloridrico è associato all'odore; l'esposizione massima misurata è stata di 68 ppm (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993). Per ulteriori informazioni sull'argomento vedi Mueller e Kunesh (1989).

La complessità delle sostanze chimiche presenti negli scarichi di metal etcher ha portato i ricercatori a sviluppare metodi sperimentali per studiare la tossicità di queste miscele (Bauer et al. 1992a). L'applicazione di questi metodi negli studi sui roditori indica che alcune di queste miscele chimiche sono sospette mutagene (Bauer et al. 1992b) e sospette tossine riproduttive (Schmidt et al. 1995).

Poiché gli incisori a secco funzionano come sistemi chiusi, l'esposizione chimica agli operatori dell'apparecchiatura in genere non si verifica mentre il sistema è chiuso. Una rara eccezione a ciò si verifica quando il ciclo di spurgo per gli incisori discontinui più vecchi non è sufficientemente lungo per rimuovere adeguatamente i gas di attacco. Brevi ma irritanti esposizioni a composti del fluoro che sono al di sotto del limite di rilevamento per le tipiche procedure di monitoraggio dell'igiene industriale sono state segnalate quando le porte di questi incisori vengono aperte. Normalmente questo può essere corretto semplicemente aumentando la durata del ciclo di spurgo prima di aprire lo sportello della camera di attacco.

La principale preoccupazione per l'esposizione dell'operatore all'energia RF si verifica durante l'attacco al plasma e l'incenerimento (Cohen 1986; Jones 1988). Tipicamente, la perdita di energia RF può essere causata da:

• porte disallineate
• crepe e buchi negli armadietti
• tavoli metallici e cavi elettrici che fungono da antenne a causa di un'errata messa a terra dell'incisore
• nessuno schermo attenuante nella finestra di visualizzazione dell'incisore (Jones 1988; Horowitz 1992).

 

L'esposizione RF può verificarsi anche durante la manutenzione degli incisori, in particolare se l'armadio dell'apparecchiatura è stato rimosso. Un'esposizione di 12.9 mW/cm² è stato trovato nella parte superiore di un vecchio modello di incisore al plasma con il coperchio rimosso per manutenzione (Horowitz 1992). L'effettiva perdita di radiazioni RF nell'area in cui si trova l'operatore era tipicamente inferiore a 4.9 mW/cm².

doping

La formazione di una giunzione elettrica o confine tra p ed n regioni in un singolo wafer di silicio cristallino è l'elemento essenziale per il funzionamento di tutti i dispositivi a semiconduttore. Le giunzioni consentono alla corrente di fluire in una direzione molto più facilmente che nell'altra. Forniscono la base per gli effetti di diodi e transistor in tutti i semiconduttori. In un circuito integrato, un numero controllato di impurità elementari o droganti, deve essere introdotto in regioni incise selezionate del substrato di silicio, o wafer. Questo può essere fatto mediante tecniche di diffusione o di impiantazione ionica. Indipendentemente dalla tecnica utilizzata, gli stessi tipi o droganti vengono utilizzati per la produzione di giunzioni a semiconduttore. La tabella 5 identifica i principali componenti utilizzati per il drogaggio, il loro stato fisico, il tipo elettrico (p or n) e la tecnica di giunzione primaria in uso: diffusione o impianto ionico.

Tabella 5. Droganti di formazione di giunzioni per diffusione e impiantazione ionica

 

Le esposizioni chimiche di routine agli operatori sia dei forni a diffusione che degli impiantatori di ioni sono basse, in genere inferiori al limite di rilevamento delle procedure standard di campionamento dell'igiene professionale. Le preoccupazioni chimiche relative al processo si concentrano sulla possibilità di rilasci di gas tossici.

Già negli anni '1970, i progressivi produttori di semiconduttori iniziarono a installare i primi sistemi di monitoraggio continuo dei gas infiammabili e tossici. L'obiettivo principale di questo monitoraggio era rilevare i rilasci accidentali dei gas droganti più tossici con soglie di odore superiori ai limiti di esposizione professionale (ad esempio, arsina e diborano).

La maggior parte dei monitor dell'aria per l'igiene industriale nell'industria dei semiconduttori viene utilizzata per il rilevamento di fughe di gas infiammabili e tossici. Tuttavia, alcune strutture utilizzano anche sistemi di monitoraggio continuo per:

• analizzare le emissioni del condotto di scarico (camino).
• quantificare le concentrazioni nell'aria ambiente di sostanze chimiche volatili
• identificare e quantificare gli odori nelle aree favolose.

 

Le tecnologie più utilizzate nell'industria dei semiconduttori per questo tipo di monitoraggio sono il rilevamento di gas colorimetrico (ad esempio, rilevatore di gas continuo MDA), i sensori elettrochimici (ad esempio, i monitor sensidyne) e l'infrarosso in trasformata di Fourier (ad esempio, Telos ACM) (Baldwin e Williams 1996) .

Emittente

Emittente è un termine utilizzato per descrivere il movimento dei droganti dalle regioni ad alta concentrazione all'estremità della sorgente del forno di diffusione verso le regioni a concentrazione inferiore all'interno del wafer di silicio. La diffusione è il metodo più consolidato di formazione della giunzione.

Questa tecnica prevede di sottoporre un wafer ad un'atmosfera riscaldata all'interno del forno di diffusione. La fornace contiene i droganti desiderati sotto forma di vapore e risulta anch'essa nella creazione di regioni di attività elettrica drogata p or n. I droganti più comunemente usati sono il boro per il tipo p; e fosforo (P), arsenico (As) o antimonio (Sb) per il tipo n (vedi tabella 5).

Tipicamente, i wafer vengono impilati in un supporto o barca di quarzo e posti nel forno di diffusione. Il forno di diffusione contiene un lungo tubo di quarzo e un meccanismo per un accurato controllo della temperatura. Il controllo della temperatura è estremamente importante, poiché le velocità di diffusione dei vari droganti di silicio sono principalmente una funzione della temperatura. Le temperature in uso vanno da 900 a 1,300 ^oC, a seconda del drogante e del processo specifici.

Il riscaldamento del wafer di silicio ad alta temperatura consente agli atomi di impurità di diffondersi lentamente attraverso la struttura cristallina. Le impurità si muovono più lentamente attraverso il biossido di silicio che attraverso il silicio stesso, consentendo l'ossido sottile modello per fungere da maschera e quindi consentire al drogante di entrare nel silicio solo dove non è protetto. Dopo che si sono accumulate abbastanza impurità, i wafer vengono rimossi dal forno e la diffusione cessa effettivamente.

Per il massimo controllo, la maggior parte delle diffusioni viene eseguita in due passaggi:predeposizione ed guidare in. Il predeposito, o diffusione a sorgente costante, è il primo passaggio e avviene in un forno in cui la temperatura è selezionata per ottenere il miglior controllo delle quantità di impurità. La temperatura determina la solubilità del drogante. Dopo un trattamento di predeposito relativamente breve, il wafer viene spostato fisicamente in un secondo forno, solitamente a una temperatura più elevata, dove un secondo trattamento termico porta il drogante alla profondità di diffusione desiderata nel reticolo del wafer di silicio.

Le sorgenti droganti utilizzate nella fase di predeposito si trovano in tre distinti stati chimici: gassoso, liquido e solido. La tabella 5 identifica i vari tipi di droganti della sorgente di diffusione e i loro stati fisici.

I gas sono generalmente forniti da bombole di gas compresso con controlli o regolatori di pressione, valvole di intercettazione e vari attacchi di spurgo e vengono erogati attraverso tubi metallici di piccolo diametro.

I liquidi vengono erogati normalmente da gorgogliatori, che saturano un flusso di gas di trasporto, solitamente azoto, con i vapori droganti liquidi, come descritto nella sezione sull'ossidazione a umido. Un'altra forma di erogazione di liquidi è attraverso l'uso del spin-on drogante apparato. Ciò comporta la messa in soluzione di un drogante solido con un vettore di solvente liquido, quindi il gocciolamento della soluzione sul wafer e la rotazione, in modo simile all'applicazione dei fotoresist.

Le sorgenti solide possono avere la forma di un wafer di nitruro di boro, che viene inserito tra due wafer di silicio da drogare e quindi posto in un forno a diffusione. Inoltre, i droganti solidi, in forma di polvere o di perline, possono essere posti in a bomba al quarzo involucro (triossido di arsenico), scaricato manualmente all'estremità della sorgente di un tubo di diffusione o caricato in un forno sorgente separato in linea con il forno di diffusione principale.

In assenza di controlli adeguati, esposizioni all'arsenico superiori a 0.01 mg/m³ sono stati segnalati durante la pulizia di un forno di deposizione (Wade et al. 1981) e durante la pulizia delle camere di alloggiamento della sorgente per impiantatori ionici a sorgente solida (McCarthy 1985; Baldwin, King e Scarpace 1988). Queste esposizioni si sono verificate quando non sono state prese precauzioni per limitare la quantità di polvere nell'aria. Tuttavia, quando i residui sono stati mantenuti umidi durante la pulizia, le esposizioni sono state ridotte ben al di sotto del limite di esposizione nell'aria.

Nelle vecchie tecnologie di diffusione esistono rischi per la sicurezza durante la rimozione, la pulizia e l'installazione dei tubi del forno. I pericoli includono potenziali tagli da articoli in quarzo rotti e ustioni da acido durante la pulizia manuale. Nelle tecnologie più recenti questi rischi sono ridotti da on-site pulizia del tubo che elimina gran parte della movimentazione manuale.

Gli operatori di forni a diffusione sperimentano la più alta esposizione di routine in camere bianche a campi elettromagnetici a frequenza estremamente bassa (ad esempio, da 50 a 60 hertz) nella produzione di semiconduttori. Esposizioni medie superiori a 0.5 microtesla (5 milligauss) sono state riportate durante il funzionamento effettivo dei forni (Crawford et al. 1993). Questo studio ha anche rilevato che il personale delle camere bianche che lavorava in prossimità di forni a diffusione aveva esposizioni medie misurate che erano notevolmente più alte di quelle di altri lavoratori delle camere bianche. Questa scoperta era coerente con le misurazioni puntuali riportate da Rosenthal e Abdollahzadeh (1991), che hanno scoperto che i forni a diffusione producevano letture di prossimità (5 cm o 2 pollici di distanza) fino a 10-15 microtesla, con i campi circostanti che diminuivano più gradualmente con la distanza rispetto ad altre apparecchiature per camere bianche studiate; anche a 6 piedi di distanza dai forni di diffusione, le densità di flusso riportate erano comprese tra 1.2 e 2 microtesla (Crawford et al. 1993). Questi livelli di emissione sono ben al di sotto degli attuali limiti di esposizione basati sulla salute fissati dall'Organizzazione mondiale della sanità e quelli fissati dai singoli paesi.

Impianto di ioni

L'impianto ionico è il metodo più recente per introdurre elementi di impurità a temperatura ambiente nei wafer di silicio per la formazione di giunzioni. Gli atomi droganti ionizzati (cioè gli atomi privati ​​di uno o più dei loro elettroni) vengono accelerati a un'energia elevata facendoli passare attraverso una differenza di potenziale di decine di migliaia di volt. Alla fine del loro percorso, colpiscono il wafer e vengono incassati a varie profondità, a seconda della loro massa ed energia. Come nella diffusione convenzionale, uno strato di ossido modellato o un modello di fotoresist maschera selettivamente il wafer dagli ioni.

Un tipico sistema di impiantazione ionica è costituito da una sorgente ionica (sorgente drogante gassosa, di solito in piccole bottiglie da lettura), apparecchiature di analisi, acceleratore, lente di focalizzazione, trappola del raggio neutro, camera di processo dello scanner e un sistema di vuoto (normalmente tre serie separate di pompe rotative e a diffusione d'olio). Il flusso di elettroni è generato da un filamento caldo mediante resistenza, scarica ad arco o fascio di elettroni a catodo freddo.

Generalmente, dopo che i wafer sono stati impiantati, viene eseguita una fase di ricottura ad alta temperatura (da 900 a 1,000°C) mediante una ricottura a raggio laser o una ricottura a impulsi con una sorgente a fascio di elettroni. Il processo di ricottura aiuta a riparare i danni alla superficie esterna del wafer impiantato causati dal bombardamento di ioni droganti.

Con l'avvento di un sistema di erogazione sicuro per le bombole di gas trifluoruro di arsina, fosfina e boro utilizzate negli impiantatori di ioni, il potenziale di rilascio catastrofico di questi gas è stato notevolmente ridotto. Queste piccole bombole di gas sono riempite con un composto a cui vengono adsorbiti arsina, fosfina e trifluoruro di boro. I gas vengono estratti dai cilindri mediante un vuoto.

Gli impiantatori di ioni sono uno dei rischi elettrici più significativi nell'industria dei semiconduttori. Anche dopo l'interruzione dell'alimentazione, all'interno dello strumento esiste un notevole potenziale di shock che deve essere dissipato prima di lavorare all'interno dell'impiantatore. Un'attenta revisione delle operazioni di manutenzione e dei rischi elettrici è garantita per tutte le apparecchiature di nuova installazione, ma soprattutto per gli impiantatori ionici.

Esposizioni a idruri (probabilmente una miscela di arsina e fosfina) fino a 60 ppb sono state riscontrate durante la manutenzione della criopompa dell'impiantatore ionico (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993). Inoltre, elevate concentrazioni sia di arsina che di fosfina possono rilasciare gas dalle parti contaminate dell'impianto che vengono rimosse durante la manutenzione preventiva (Flipp, Hunsaker e Herring 1992).

Gli aspirapolvere portatili con filtri HEPA (High Efficiency Particulate Attenuator) vengono utilizzati per pulire le superfici di lavoro contaminate da arsenico nelle aree di impiantazione ionica. Esposizioni superiori a 1,000 μg/m³ sono stati misurati quando i vuoti HEPA sono stati puliti in modo improprio. Gli aspiratori HEPA, quando vengono scaricati nell'area di lavoro, possono anche distribuire in modo efficiente l'odore caratteristico, simile all'idruro, associato alla pulizia della linea del raggio dell'impiantatore ionico (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Sebbene preoccupante, non sono stati pubblicati rapporti di esposizioni significative al gas drogante durante i cambi d'olio delle pompe per vuoto utilizzate con droganti, forse perché questo di solito viene fatto come un sistema chiuso. La mancanza di esposizione segnalata può anche essere il risultato di bassi livelli di fuoriuscita di gas di idruri dall'olio usato.

Il risultato di uno studio sul campo in cui sono stati riscaldati 700 ml di olio per pompa per vuoto usato proveniente da un impiantatore ionico che utilizzava sia arsina che fosfina ha mostrato concentrazioni rilevabili di idruri nell'aria nello spazio della testa della pompa solo quando l'olio della pompa superava i 70^oC (Baldwin, King e Scarpace 1988). Poiché le normali temperature di esercizio per le pompe rotative meccaniche vanno da 60 a 80^oC, questo studio non ha indicato il potenziale per un'esposizione significativa.

Durante l'impianto ionico, i raggi X si formano incidentalmente all'operazione. La maggior parte degli impiantatori è progettata con una schermatura dell'armadio sufficiente (che include fogli di piombo posizionati strategicamente attorno all'alloggiamento della sorgente ionica e alle porte di accesso adiacenti) per mantenere l'esposizione dei dipendenti al di sotto di 2.5 microsievert (0.25 millirem) all'ora (Maletskos e Hanley 1983). Tuttavia, è stato riscontrato che un vecchio modello di implanter presentava perdite di raggi X superiori a 20 microsievert all'ora (μSv/h) sulla superficie dell'unità (Baldwin, King e Scarpace 1988). Questi livelli sono stati ridotti a meno di 2.5 μSv/h dopo l'installazione di una schermatura aggiuntiva in piombo. È stato riscontrato che un altro modello più vecchio di impiantatore ionico presenta perdite di raggi X attorno a una porta di accesso (fino a 15 μSv/h) e in corrispondenza di un viewport (fino a 3 μSv/h). È stata aggiunta un'ulteriore schermatura di piombo per attenuare le possibili esposizioni (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Oltre alle esposizioni ai raggi X da impiantatori ionici, è stata postulata la possibilità di formazione di neutroni se l'impiantatore viene azionato al di sopra di 8 milioni di elettronvolt (MeV) o il gas di deuterio viene utilizzato come sorgente di ioni (Rogers 1994). Tuttavia, in genere gli implantatori sono progettati per operare ben al di sotto di 8 MeV e il deuterio non è comunemente utilizzato nell'industria (Baldwin e Williams 1996).

Deposizione chimica da vapore

La deposizione chimica da vapore (CVD) comporta la stratificazione di materiale aggiuntivo sulla superficie del wafer di silicio. Le unità CVD normalmente funzionano come un sistema chiuso con conseguente esposizione chimica minima o nulla per gli operatori. Tuttavia, una breve esposizione all'acido cloridrico superiore a 5 ppm può verificarsi quando vengono puliti alcuni prelavatori per CVD (Baldwin e Stewart 1989). Due grandi categorie di deposizione sono di uso comune: epitassiale e la categoria più generale di CVD non epitassiale.

Deposizione chimica da vapore epitassiale

La crescita epitassiale è la deposizione rigidamente controllata di un sottile film monocristallino di un materiale che mantiene la stessa struttura cristallina dello strato di wafer di substrato esistente. Serve come matrice per fabbricare componenti semiconduttori nei successivi processi di diffusione. La maggior parte dei film epitassiali viene coltivata su substrati dello stesso materiale, come silicio su silicio, in un processo denominato omoepitassia. La crescita di strati di materiali diversi su un substrato, come il silicio su zaffiro, è chiamata elaborazione del dispositivo IC eteroepitassia.

Tre tecniche principali vengono utilizzate per far crescere gli strati epitassiali: fase vapore, fase liquida e fascio molecolare. L'epitassia in fase liquida ea fascio molecolare viene utilizzata principalmente nell'elaborazione di dispositivi III-V (ad es. GaAs). Questi sono discussi nell'articolo "Produzione di semiconduttori III-V".

L'epitassia in fase vapore viene utilizzata per far crescere un film mediante CVD di molecole a una temperatura compresa tra 900 e 1,300^oC. I vapori contenenti il ​​silicio e quantità controllate di droganti di tipo p o n in un gas di trasporto (solitamente idrogeno) vengono fatti passare su wafer riscaldati per depositare strati drogati di silicio. Il processo viene generalmente eseguito a pressione atmosferica.

La tabella 6 identifica i quattro principali tipi di epitassia in fase vapore, i parametri e le reazioni chimiche in atto.

Tabella 6. Principali categorie di epitassia in fase vapore di silicio

 

La sequenza di deposizione normalmente seguita in un processo epitassiale prevede:

• pulizia del supporto—lavaggio fisico, sgrassaggio con solvente, pulizia con acido (solforico, nitrico e cloridrico e fluoridrico è una sequenza comune) e operazione di asciugatura

• caricamento delle cialde

• riscaldare- spurgo e riscaldamento dell'azoto a circa 500 °C, quindi viene utilizzato idrogeno gassoso e i generatori RF riscaldano induttivamente i wafer

• acido cloridrico (HCl) attacco—di solito nella camera del reattore viene erogata una concentrazione dall'1 al 4% di HCl

• deposizione—la sorgente di silicio e i gas droganti vengono dosati e depositati sulla superficie del wafer

• Calmati-l'idrogeno gassoso è passato nuovamente all'azoto a 500°C

• scarico.

 

Deposizione chimica da vapore non epitassiale

Mentre la crescita epitassiale è una forma altamente specifica di CVD in cui lo strato depositato ha lo stesso orientamento della struttura cristallina dello strato di substrato, la CVD non epitassiale è la formazione di un composto stabile su un substrato riscaldato mediante reazione termica o decomposizione di composti gassosi.

CVD può essere utilizzato per depositare molti materiali, ma nella lavorazione dei semiconduttori di silicio i materiali che generalmente si incontrano, oltre al silicio epitassiale, sono:

• silicio policristallino (poli Si)

• biossido di silicio (SiO₂- sia drogati che non drogati; vetro drogato p)

• nitruro di silicio (Si₃N₄).

 

Ciascuno di questi materiali può essere depositato in una varietà di modi e ognuno ha molte applicazioni.

La tabella 7 identifica le tre principali categorie di CVD utilizzando la temperatura operativa come meccanismo di differenziazione.

Tabella 7. Principali categorie di deposizione chimica da vapore di silicio (CVD)

* Nota: le reazioni non sono bilanciate stechiometricamente.

**Nomi generici, proprietari o marchi di fabbrica per sistemi di reattori CVD

 

I seguenti componenti si trovano in quasi tutti i tipi di apparecchiature CVD:

• camera di reazione
• sezione di controllo del gas
• controllo del tempo e della sequenza
• fonte di calore per i substrati
• trattamento degli effluenti.

 

Fondamentalmente, il processo CVD comporta l'alimentazione di quantità controllate di gas sorgente di silicio o nitruro, unitamente a gas di trasporto di azoto e/o idrogeno, e un gas drogante se desiderato, per la reazione chimica all'interno della camera del reattore. Il calore viene applicato per fornire l'energia necessaria per la reazione chimica oltre a controllare le temperature superficiali del reattore e dei wafer. Dopo che la reazione è completa, il gas sorgente non reagito più il gas di trasporto vengono scaricati attraverso il sistema di trattamento degli effluenti e scaricati nell'atmosfera.

La passivazione è un tipo funzionale di CVD. Comporta la crescita di uno strato di ossido protettivo sulla superficie del wafer di silicio, generalmente come ultima fase di fabbricazione prima della lavorazione non di fabbricazione. Lo strato fornisce stabilità elettrica isolando la superficie del circuito integrato dalle condizioni elettriche e chimiche dell'ambiente.

Metallizzazione

Dopo che i dispositivi sono stati fabbricati nel substrato di silicio, devono essere collegati insieme per eseguire le funzioni del circuito. Questo processo è noto come metallizzazione. La metallizzazione fornisce un mezzo per cablare o interconnettere gli strati superiori dei circuiti integrati depositando modelli complessi di materiali conduttivi, che indirizzano l'energia elettrica all'interno dei circuiti.

L'ampio processo di metallizzazione è differenziato in base alla dimensione e allo spessore degli strati di metalli e altri materiali depositati. Questi sono:

• pellicola sottile—spessore approssimativo della pellicola di un micron o inferiore

• pellicola spessa—spessore approssimativo del film di 10 micron o superiore

• placcatura- gli spessori del film sono variabili da film sottili a spessi, ma generalmente spessi.

 

I metalli più comuni utilizzati per la metallizzazione dei semiconduttori di silicio sono: alluminio, nichel, cromo o una lega chiamata nicromo, oro, germanio, rame, argento, titanio, tungsteno, platino e tantalio.

Film sottili o spessi possono anche essere evaporati o depositati su vari substrati ceramici o di vetro. Alcuni esempi di questi substrati sono: allumina (96% Al₂0₃), berillio (99% BeO), vetro borosilicato, vetroceramica e quarzo (SiO₂).

Pellicola sottile

La metallizzazione a film sottile viene spesso applicata mediante l'uso di una tecnica di deposizione o evaporazione in alto o vuoto parziale. I principali tipi di evaporazione in alto vuoto sono fascio di elettroni, flash e resistivo, mentre la deposizione in vuoto parziale viene eseguita principalmente mediante sputtering.

Per eseguire qualsiasi tipo di metallizzazione sottovuoto a film sottile, un sistema è solitamente costituito dai seguenti componenti di base:

• una camera che può essere evacuata per fornire un vuoto sufficiente per la deposizione

• una pompa a vuoto (o pompe) per ridurre i gas ambientali nella camera

• strumentazione per il monitoraggio del livello di vuoto e di altri parametri

• un metodo per depositare o evaporare gli strati di materiale metallizzante.

 

Evaporazione a fascio di elettroni, chiamato frequentemente raggio E, utilizza un fascio focalizzato di elettroni per riscaldare il materiale di metallizzazione. Un fascio di elettroni ad alta intensità viene generato in modo simile a quello utilizzato in un cinescopio televisivo. Un flusso di elettroni viene accelerato attraverso un campo elettrico tipicamente da 5 a 10 kV e focalizzato sul materiale da evaporare. Il fascio focalizzato di elettroni fonde il materiale contenuto in un blocco raffreddato ad acqua con una grande depressione chiamata focolare. Il materiale fuso evapora quindi all'interno della camera a vuoto e si condensa sui wafer freddi e sull'intera superficie della camera. Quindi vengono eseguite operazioni standard di fotoresist, esposizione, sviluppo e incisione a umido oa secco per delineare l'intricato circuito metallizzato.

Evaporazione rapida è un'altra tecnica per la deposizione di sottili film metallizzati. Questo metodo viene utilizzato principalmente quando una miscela di due materiali (leghe) deve essere evaporata contemporaneamente. Alcuni esempi di film a due componenti sono: nichel/cromo (Nichrome), cromo/ossido di silicio (SiO) e alluminio/silicio.

Nell'evaporazione flash, una barra di ceramica viene riscaldata dalla resistenza termica e una bobina di filo alimentata in continuo, un flusso di pellet o una polvere erogata a vibrazione viene portata a contatto con il filamento o la barra calda. I metalli vaporizzati rivestono quindi la camera interna e le superfici del wafer.

Evaporazione resistiva (noto anche come evaporazione del filamento) è la forma di deposizione più semplice e meno costosa. L'evaporazione si ottiene aumentando gradualmente la corrente che fluisce attraverso il filamento per fondere prima le spire di materiale da evaporare, bagnando così il filamento. Una volta che il filamento è bagnato, la corrente attraverso il filamento aumenta fino a quando si verifica l'evaporazione. Il vantaggio principale dell'evaporazione resistiva è l'ampia varietà di materiali che possono essere evaporati.

A volte i lavori di manutenzione vengono eseguiti sulla superficie interna delle camere di deposizione dell'evaporatore a fascio elettronico chiamate campane di vetro. Quando i manutentori hanno la testa dentro le campane, possono verificarsi esposizioni significative. La rimozione dei residui metallici che si depositano sulla superficie interna delle campane può provocare tali esposizioni. Ad esempio, le esposizioni dei tecnici molto al di sopra del limite di esposizione aerea per l'argento sono state misurate durante la rimozione dei residui da un evaporatore utilizzato per depositare l'argento (Baldwin e Stewart 1989).

Anche la pulizia dei residui di campana con solventi organici per la pulizia può comportare un'elevata esposizione ai solventi. Durante questo tipo di pulizia si sono verificate esposizioni dei tecnici a metanolo superiori a 250 ppm. Questa esposizione può essere eliminata utilizzando l'acqua come solvente per la pulizia invece del metanolo (Baldwin e Stewart 1989).

I deposizione sputtering Il processo avviene in un'atmosfera gassosa a bassa pressione oa vuoto parziale, utilizzando corrente elettrica continua (CC o sputtering catodico) o tensioni RF come sorgente ad alta energia. Nello sputtering, gli ioni di gas inerte di argon vengono introdotti in una camera a vuoto dopo che è stato raggiunto un livello di vuoto soddisfacente mediante l'uso di una pompa per sgrossatura. Un campo elettrico si forma applicando un'alta tensione, tipicamente 5,000 V, tra due piastre di carica opposta. Questa scarica ad alta energia ionizza gli atomi di gas argon e li fa muovere e accelerare verso una delle piastre nella camera chiamata bersaglio. Quando gli ioni di argon colpiscono il bersaglio costituito dal materiale da depositare, staccano o polverizzano questi atomi o molecole. Gli atomi dislocati del materiale di metallizzazione vengono quindi depositati in una pellicola sottile sui substrati di silicio che si affacciano sul bersaglio.

È stato riscontrato che la perdita RF dai lati e dal retro di molte vecchie unità sputter supera il limite di esposizione professionale (Baldwin e Stewart 1989). La maggior parte delle perdite era attribuibile a crepe negli armadi causate dalla ripetuta rimozione dei pannelli di manutenzione. Nei modelli più recenti dello stesso produttore, i pannelli con rete metallica lungo le cuciture impediscono perdite significative. Gli sputterer più vecchi possono essere adattati con rete metallica o, in alternativa, è possibile utilizzare nastro di rame per coprire le giunture per ridurre le perdite.

Film spesso

La struttura e le dimensioni dei film più spessi non sono compatibili con la metallizzazione dei circuiti integrati al silicio, principalmente a causa dei vincoli dimensionali. I film spessi sono utilizzati principalmente per la metallizzazione di strutture elettroniche ibride, come nella produzione di LCD.

Il processo di serigrafia è il metodo dominante per l'applicazione del film spesso. I materiali a film spesso tipicamente utilizzati sono palladio, argento, biossido di titanio e vetro, oro-platino e vetro, oro-vetro e argento-vetro.

I film spessi resistivi vengono normalmente depositati e modellati su un substrato ceramico utilizzando tecniche di serigrafia. Cermet è una forma di film spesso resistivo composto da una sospensione di particelle metalliche conduttive in una matrice ceramica con una resina organica come riempitivo. Le strutture tipiche del cermet sono composte da cromo, argento o ossido di piombo in una matrice di monossido di silicio o biossido.

Placcatura

Nella formazione di pellicole metalliche su substrati semiconduttori vengono utilizzati due tipi fondamentali di tecniche di placcatura: galvanica e placcatura chimica.

In galvanica, il substrato da placcare viene posto al catodo, o terminale caricato negativamente, della vasca di placcatura e immerso in una soluzione elettrolitica. Un elettrodo realizzato con il metallo da placcare funge da anodo o terminale caricato positivamente. Quando una corrente continua passa attraverso la soluzione, gli ioni metallici caricati positivamente, che si dissolvono nella soluzione dall'anodo, migrano e si depositano sul catodo (substrato). Questo metodo di placcatura viene utilizzato per formare pellicole conduttive di oro o rame.

In placcatura elettrolitica, la riduzione e l'ossidazione simultanee del metallo da placcare viene utilizzata per formare un atomo o una molecola di metallo libero. Poiché questo metodo non richiede conduzione elettrica durante il processo di placcatura, può essere utilizzato con substrati di tipo isolante. Nichel, rame e oro sono i metalli più comuni depositati in questo modo.

Alligazione/ricottura

Dopo che le interconnessioni metallizzate sono state depositate e attaccate, può essere eseguita una fase finale di legatura e ricottura. L'alligazione consiste nel porre i substrati metallizzati, solitamente con alluminio, in un forno a diffusione a bassa temperatura per assicurare un contatto a bassa resistenza tra il metallo di alluminio e il substrato di silicio. Infine, durante la fase di legatura o subito dopo, i wafer sono spesso esposti a una miscela di gas contenente idrogeno in un forno di diffusione a una temperatura compresa tra 400 e 500°C. La fase di ricottura è progettata per ottimizzare e stabilizzare le caratteristiche del dispositivo combinando l'idrogeno con atomi non impegnati in corrispondenza o in prossimità dell'interfaccia silicio-biossido di silicio.

Lappatura e metallizzazione sul retro

Esiste anche una fase di elaborazione della metallizzazione opzionale chiamata backlapping. La parte posteriore del wafer può essere lappata o macinata utilizzando una soluzione abrasiva bagnata e pressione. Un metallo come l'oro può essere depositato sul lato posteriore del wafer mediante sputtering. Ciò facilita il fissaggio dello stampo separato alla confezione nell'assemblaggio finale.

Assemblaggio e collaudo

L'elaborazione non di fabbricazione, che include l'imballaggio esterno, gli accessori, l'incapsulamento, l'assemblaggio e il collaudo, viene normalmente eseguita in impianti di produzione separati e molte volte viene eseguita nei paesi del sud-est asiatico, dove questi lavori ad alta intensità di manodopera sono meno costosi da eseguire. Inoltre, i requisiti di ventilazione per il controllo del processo e del particolato sono generalmente diversi (non camere bianche) nelle aree di lavorazione diverse dalla fabbricazione. Queste fasi finali del processo di produzione comportano operazioni che includono saldatura, sgrassaggio, test con sostanze chimiche e sorgenti di radiazioni e rifilatura e marcatura con laser.

La saldatura durante la produzione di semiconduttori normalmente non comporta un'elevata esposizione al piombo. Per evitare danni termici al circuito integrato, la temperatura della saldatura viene mantenuta al di sotto della temperatura alla quale può verificarsi una significativa formazione di fumi di piombo fuso (430°C). Tuttavia, la pulizia dell'attrezzatura di saldatura mediante raschiatura o spazzolatura dei residui contenenti piombo può comportare esposizioni al piombo superiori a 50 μg/m³ (Baldwin e Stewart 1989). Inoltre, esposizioni al piombo di 200 μg/m³ si sono verificati quando vengono utilizzate tecniche di rimozione della bava improprie durante le operazioni di saldatura ad onda (Baldwin e Williams 1996).

Una preoccupazione crescente per le operazioni di saldatura è l'irritazione respiratoria e l'asma dovute all'esposizione ai prodotti di pirolisi dei flussi di saldatura, in particolare durante le operazioni di saldatura manuale o di ritocco, dove storicamente la ventilazione di scarico locale non è stata comunemente utilizzata (a differenza delle operazioni di saldatura ad onda, che negli ultimi decenni sono stati tipicamente rinchiusi in armadi esauriti) (Goh e Ng 1987). Vedere l'articolo "Circuito stampato e assemblaggio di computer" per maggiori dettagli.

Poiché la colofonia nel flusso di saldatura è un sensibilizzante, tutte le esposizioni dovrebbero essere ridotte al minimo possibile, indipendentemente dai risultati del campionamento dell'aria. I nuovi impianti di saldatura dovrebbero in particolare includere un sistema di ventilazione locale quando la saldatura deve essere eseguita per periodi di tempo prolungati (ad esempio, superiori a 2 ore).

I fumi della saldatura manuale saliranno verticalmente sulle correnti termiche, entrando nella zona di respirazione del dipendente quando la persona si sporge sul punto di saldatura. Il controllo di solito si ottiene mediante un'efficace ventilazione di scarico locale ad alta velocità e basso volume sulla punta della saldatura.

I dispositivi che restituiscono aria filtrata al posto di lavoro possono, se l'efficienza di filtrazione è inadeguata, causare un inquinamento secondario che può colpire le persone nel posto di lavoro diverse da quelle che si occupano della saldatura. L'aria filtrata non deve essere restituita alla stanza di lavoro a meno che la quantità di saldatura non sia ridotta e la stanza abbia una buona ventilazione generale per la diluizione.

Ordina e prova i wafer

Dopo che la fabbricazione del wafer è stata completata, ogni wafer intrinsecamente finito viene sottoposto a un processo di selezione dei wafer in cui i circuiti integrati su ogni die specifico vengono testati elettricamente con sonde controllate da computer. Un singolo wafer può contenere da cento a molte centinaia di matrici o chip separati che devono essere testati. Al termine dei risultati del test, gli stampi vengono contrassegnati fisicamente con una resina epossidica monocomponente erogata automaticamente. Il rosso e il blu vengono utilizzati per identificare e ordinare gli stampi che non soddisfano le specifiche elettriche desiderate.

Morire la separazione

Con i dispositivi oi circuiti sul wafer testati, contrassegnati e ordinati, le singole matrici sul wafer devono essere separate fisicamente. Sono stati studiati diversi metodi per separare i singoli stampi: incisione a diamante, incisione laser e segatura con mola diamantata.

L'incisione a diamante è il metodo più antico in uso e comporta il disegno di una punta incastonata di diamante di forma precisa attraverso il wafer lungo la linea di scriba o "strada" che separa i singoli stampi sulla superficie del wafer. L'imperfezione nella struttura cristallina causata dall'incisione consente al wafer di essere piegato e fratturato lungo questa linea.

L'incisione laser è una tecnica di separazione dello stampo relativamente recente. Un raggio laser viene generato da un laser al neodimio-ittrio ad alta potenza pulsato. Il raggio genera una scanalatura nel wafer di silicio lungo le linee di scrittura. Il solco funge da linea lungo la quale il wafer si rompe.

Un metodo ampiamente utilizzato per la separazione degli stampi è il taglio a umido dei substrati lungo la strada con una sega circolare diamantata ad alta velocità. La segatura può tagliare parzialmente (scrivere) o tagliare completamente (dadi) attraverso il substrato di silicio. Un impasto umido di materiale rimosso dalla strada viene generato mediante segatura.

Die allegare e incollaggio

Il singolo die o chip deve essere attaccato a un pacchetto di supporto e a un lead frame in metallo. I supporti sono generalmente realizzati in materiale isolante, ceramica o plastica. I materiali di supporto ceramici sono generalmente realizzati in allumina (Al₂O₃), ma può eventualmente essere costituito da berillio (BeO) o steatite (MgO-SiO₂). I materiali plastici di supporto sono di tipo termoplastico o di resina termoindurente.

L'attacco del singolo stampo viene generalmente realizzato mediante uno dei tre distinti tipi di attacco: eutettico, preformato ed epossidico. L'attacco della matrice eutettica comporta l'uso di una lega di brasatura eutettica, come l'oro-silicio. In questo metodo, uno strato di metallo dorato viene predepositato sul retro dello stampo. Riscaldando la confezione al di sopra della temperatura eutettica (370°C per oro-silicio) e appoggiando su di essa la matrice, si forma un legame tra la matrice e la confezione.

L'incollaggio delle preforme comporta l'uso di un piccolo pezzo di materiale di composizione speciale che aderirà sia allo stampo che alla confezione. Una preforma viene posizionata sull'area di attacco dello stampo di una confezione e lasciata fondere. Lo stampo viene quindi strofinato attraverso la regione fino a quando lo stampo non viene attaccato, quindi la confezione viene raffreddata.

L'incollaggio epossidico prevede l'uso di una colla epossidica per fissare lo stampo alla confezione. Una goccia di resina epossidica viene erogata sulla confezione e lo stampo viene posizionato sopra di essa. Potrebbe essere necessario cuocere la confezione a una temperatura elevata per polimerizzare correttamente la resina epossidica.

Una volta che il die è fisicamente attaccato al pacchetto, devono essere forniti collegamenti elettrici tra il circuito integrato e i conduttori del pacchetto. Ciò si ottiene utilizzando tecniche di termocompressione, ultrasuoni o termosonico per collegare fili d'oro o di alluminio tra le aree di contatto sul chip di silicio e i conduttori del pacchetto.

L'incollaggio a termocompressione viene spesso utilizzato con filo d'oro e comporta il riscaldamento della confezione a circa 300^oC e formando il legame tra il filo e le piazzole di unione utilizzando sia il calore che la pressione. Sono in uso due tipi principali di incollaggio per termocompressione:incollaggio a sfera ed incollaggio a cuneo. L'incollaggio a sfera, che viene utilizzato solo con filo d'oro, alimenta il filo attraverso un tubo capillare, lo comprime e quindi una fiamma di idrogeno scioglie il filo. Inoltre, questo forma una nuova sfera all'estremità del filo per il successivo ciclo di incollaggio. L'incollaggio a cuneo comporta uno strumento di incollaggio a forma di cuneo e un microscopio utilizzato per posizionare accuratamente il chip di silicio e il pacchetto sopra il cuscinetto di incollaggio. Il processo viene eseguito in atmosfera inerte.

Il legame a ultrasuoni utilizza un impulso di energia ultrasonica ad alta frequenza per fornire un'azione di sfregamento che forma un legame tra il filo e il tampone di legame. L'incollaggio a ultrasuoni viene utilizzato principalmente con filo di alluminio ed è spesso preferito all'incollaggio a termocompressione, poiché non richiede il riscaldamento del chip del circuito durante l'operazione di incollaggio.

Il legame termosonico è un recente cambiamento tecnologico nel legame del filo d'oro. Implica l'uso di una combinazione di energie ultrasoniche e termiche e richiede meno calore rispetto all'incollaggio a termocompressione.

incapsulamento

Lo scopo principale dell'incapsulamento è inserire un circuito integrato in un pacchetto che soddisfi i requisiti elettrici, termici, chimici e fisici associati all'applicazione del circuito integrato.

I tipi di rocca più utilizzati sono il tipo a conduttore radiale, il pacco piatto e la rocca dual-in-line (DIP). I contenitori del tipo a piombo radiale sono per lo più realizzati in Kovar, una lega di ferro, nichel e cobalto, con guarnizioni in vetro duro e piombo Kovar. Gli imballaggi piatti utilizzano telai in piombo metallico, solitamente realizzati in una lega di alluminio combinata con componenti in ceramica, vetro e metallo. Le confezioni dual-in-line sono generalmente le più comuni e spesso utilizzano ceramica o plastica stampata.

I pacchetti di semiconduttori in plastica stampata sono prodotti principalmente mediante due processi separati:stampaggio a trasferimento ed stampaggio ad iniezione. Lo stampaggio a trasferimento è il metodo di incapsulamento plastico predominante. In questo metodo, i chip vengono montati su lead frame non tagliati e quindi caricati in batch negli stampi. Le forme in polvere o in pellet di composti per stampaggio di materie plastiche termoindurenti vengono fuse in una pentola riscaldata e quindi forzate (trasferite) sotto pressione negli stampi caricati. I sistemi di composti per stampaggio plastica in polvere o in granuli possono essere utilizzati su resine epossidiche, siliconiche o siliconiche/epossidiche. Il sistema di solito consiste in una miscela di:

• resine termoindurenti—epossidici, siliconici o siliconici/epossidici

• indurenti—novolacche epossidiche e anidridi epossidiche

• riempitivi— biossido di silicio cristallino o fuso in silice (SiO₂) e allumina (Al₂O₃), generalmente 50-70% in peso

• ignifugo-triossido di antimonio (Sb₂O₃) generalmente 1-5% in peso.

 

Lo stampaggio a iniezione utilizza un composto per stampaggio termoplastico o termoindurente che viene riscaldato fino al punto di fusione in un cilindro a temperatura controllata e forzato sotto pressione attraverso un ugello nello stampo. La resina solidifica rapidamente, lo stampo viene aperto e la confezione di incapsulamento viene espulsa. Un'ampia varietà di composti plastici viene utilizzata nello stampaggio a iniezione, con resine epossidiche e polifenilensolfuro (PPS) che sono le ultime entrate nell'incapsulamento dei semiconduttori.

L'imballaggio finale del dispositivo semiconduttore di silicio è classificato in base alla sua resistenza alle perdite o alla capacità di isolare il circuito integrato dal suo ambiente. Questi sono differenziati in ermeticamente (a tenuta d'aria) o non ermeticamente sigillati.

Test di tenuta e rodaggio

Test di tenuta è una procedura sviluppata per testare l'effettiva capacità di tenuta o ermetismo del dispositivo confezionato. Sono in uso due forme comuni di test di tenuta: rilevamento di perdite di elio e rilevamento di perdite di tracciante radioattivo.

Nel rilevamento delle perdite di elio, le confezioni completate vengono poste in un'atmosfera di pressione dell'elio per un periodo di tempo. L'elio è in grado di penetrare attraverso le imperfezioni nella confezione. Dopo la rimozione dalla camera di pressurizzazione dell'elio, la confezione viene trasferita in una camera con spettrometro di massa e testata per la fuoriuscita di elio dalle imperfezioni della confezione.

Il gas tracciante radioattivo, solitamente krypton-85 (Kr-85), viene sostituito all'elio nel secondo metodo e viene misurato il gas radioattivo che fuoriesce dalla confezione. In condizioni normali, l'esposizione del personale a questo processo è inferiore a 5 millisievert (500 millirem) all'anno (Baldwin e Stewart 1989). I controlli per questi sistemi di solito includono:

• isolamento in stanze con accesso limitato al solo personale necessario

• ha affisso segnali di avvertimento di radiazioni sulle porte delle stanze contenenti Kr-85

• monitor di radiazione continua con allarmi e spegnimento/isolamento automatico

• sistema di scarico dedicato e camera a pressione negativa

• monitoraggio delle esposizioni con dosimetria personale (p. es., badge con film radiante)

• regolare manutenzione degli allarmi e degli interblocchi

• controlli regolari per perdite di materiale radioattivo

• formazione sulla sicurezza per operatori e tecnici

• garantire che le esposizioni alle radiazioni siano mantenute al livello più basso ragionevolmente ottenibile (ALARA).

 

Inoltre, i materiali che entrano in contatto con Kr-85 (ad es. circuiti integrati esposti, olio della pompa usato, valvole e O-ring) vengono esaminati per garantire che non emettano livelli eccessivi di radiazioni a causa del gas residuo al loro interno prima che vengano rimossi dal la zona controllata. Leach-Marshal (1991) fornisce informazioni dettagliate sulle esposizioni e sui controlli dai sistemi di rilevamento delle perdite sottili Kr-85.

Bruciare è un'operazione di stress termico e elettrico per determinare l'affidabilità del dispositivo confezionato finale. I dispositivi vengono collocati in un forno a temperatura controllata per un lungo periodo di tempo utilizzando un'atmosfera ambiente o un'atmosfera inerte di azoto. Le temperature vanno da 125°C a 200°C (150°C è una media) e periodi di tempo da poche ore a 1,000 ore (48 ore è una media).

Test finale

Per una caratterizzazione finale delle prestazioni del dispositivo semiconduttore in silicio confezionato, viene eseguito un test elettrico finale. A causa dell'elevato numero e della complessità dei test richiesti, un computer esegue e valuta il test di numerosi parametri importanti per l'eventuale funzionamento del dispositivo.

Segna e impacchetta

L'identificazione fisica del dispositivo confezionato finale viene ottenuta mediante l'uso di una varietà di sistemi di marcatura. Le due principali categorie di marcatura dei componenti sono la stampa a contatto e senza contatto. La stampa a contatto in genere incorpora una tecnica offset rotativa che utilizza inchiostri a base di solvente. La stampa senza contatto, che trasferisce i segni senza contatto fisico, prevede la stampa con testina a getto d'inchiostro o toner utilizzando inchiostri a base di solventi o marcatura laser.

I solventi utilizzati come supporto per gli inchiostri da stampa e come pre-pulitore sono tipicamente composti da una miscela di alcoli (etanolo) ed esteri (acetato di etile). La maggior parte dei sistemi di marcatura dei componenti, diversi dalla marcatura laser, utilizza inchiostri che richiedono un passaggio aggiuntivo per l'impostazione o l'indurimento. Questi metodi di indurimento sono l'indurimento all'aria, l'indurimento a caldo (termico o infrarosso) e l'indurimento a raggi ultravioletti. Gli inchiostri a polimerizzazione ultravioletta non contengono solventi.

I sistemi di marcatura laser utilizzano un anidride carbonica ad alta potenza (CO₂) o un laser al neodimio:ittrio ad alta potenza. Questi laser sono generalmente incorporati nell'apparecchiatura e dispongono di armadi interbloccati che racchiudono il percorso del raggio e il punto in cui il raggio entra in contatto con il bersaglio. Questo elimina il pericolo del raggio laser durante le normali operazioni, ma c'è un problema quando gli interblocchi di sicurezza vengono disattivati. L'operazione più comune in cui è necessario rimuovere gli involucri del raggio e annullare gli interblocchi è l'allineamento del raggio laser.

Durante queste operazioni di manutenzione, idealmente la stanza contenente il laser dovrebbe essere evacuata, fatta eccezione per i necessari tecnici di manutenzione, con le porte della stanza chiuse a chiave e affisse con idonea segnaletica di sicurezza laser. Tuttavia, i laser ad alta potenza utilizzati nella produzione di semiconduttori si trovano spesso in grandi aree di produzione aperte, rendendo poco pratico il trasferimento del personale non addetto alla manutenzione durante la manutenzione. Per queste situazioni, viene tipicamente istituita un'area di controllo temporanea. Normalmente queste aree di controllo sono costituite da tende laser o schermi di saldatura in grado di resistere al contatto diretto con il raggio laser. L'ingresso all'area di controllo temporanea avviene solitamente attraverso un ingresso nel labirinto che viene affisso con un segnale di avvertimento ogni volta che gli interblocchi per il laser vengono disattivati. Altre precauzioni di sicurezza durante l'allineamento del raggio sono simili a quelle richieste per il funzionamento di un laser ad alta potenza a raggio aperto (ad es. addestramento, protezione degli occhi, procedure scritte e così via).

I laser ad alta potenza sono anche uno dei rischi elettrici più significativi nell'industria dei semiconduttori. Anche dopo l'interruzione dell'alimentazione, all'interno dell'utensile esiste un notevole potenziale di shock che deve essere dissipato prima di lavorare all'interno dell'armadio.

Oltre al pericolo del raggio e del pericolo elettrico, è necessario prestare attenzione anche durante l'esecuzione della manutenzione dei sistemi di marcatura laser a causa della potenziale contaminazione chimica dovuta al triossido di antimonio ritardante di fiamma e al berillio (le confezioni di ceramica contenenti questo composto saranno etichettate). I fumi si possono creare durante la marcatura con i laser ad alta potenza e creare residui sulle superfici delle apparecchiature e sui filtri di aspirazione dei fumi.

Gli sgrassatori sono stati utilizzati in passato per pulire i semiconduttori prima che fossero contrassegnati con codici di identificazione. L'esposizione ai solventi al di sopra del limite di esposizione professionale applicabile nell'aria può facilmente verificarsi se la testa di un operatore è posizionata al di sotto delle serpentine di raffreddamento che causano la ricondensazione dei vapori, come può accadere quando un operatore tenta di recuperare parti cadute o quando un tecnico pulisce i residui dal fondo di l'unità (Baldwin e Stewart 1989). L'uso di sgrassanti è stato notevolmente ridotto nell'industria dei semiconduttori a causa delle restrizioni sull'uso di sostanze che riducono lo strato di ozono come clorofluorocarburi e solventi clorurati.

Analisi dei guasti e garanzia della qualità

I laboratori di analisi dei guasti e di analisi della qualità in genere eseguono varie operazioni utilizzate per garantire l'affidabilità dei dispositivi. Alcune delle operazioni eseguite in questi laboratori presentano il potenziale per l'esposizione dei dipendenti. Questi includono:

• test di marcatura utilizzando vari solventi e miscele corrosive in bicchieri riscaldati su piastre riscaldanti. Per controllare le emissioni fuggitive è necessaria una ventilazione di scarico locale (LEV) sotto forma di una cappa metallica con velocità frontali adeguate. Le soluzioni di monoetanolamina possono provocare esposizioni superiori al limite di esposizione nell'aria (Baldwin e Williams 1996).

• test di bolle/perdite utilizzando fluorocarburi ad alto peso molecolare (nome commerciale Fluorinerts)

• unità di imballaggio a raggi X.

 

Il cobalto-60 (fino a 26,000 curie) viene utilizzato negli irradiatori per testare la capacità dei circuiti integrati di resistere all'esposizione alle radiazioni gamma nelle applicazioni militari e spaziali. In condizioni normali, l'esposizione del personale a questa operazione è inferiore a 5 millisievert (500 millirem) all'anno (Baldwin e Stewart 1989). I controlli per questa operazione in qualche modo specializzata sono simili a quelli utilizzati per i sistemi a perdite fini Kr-85 (ad esempio, stanza isolata, monitor di radiazione continua, monitoraggio dell'esposizione del personale e così via).

Nel processo di analisi dei guasti vengono utilizzate piccole fonti alfa con "licenza specifica" (ad es. micro e millicurie di americio-241). Queste sorgenti sono coperte da un sottile rivestimento protettivo chiamato finestra che consente l'emissione di particelle alfa dalla sorgente per testare la capacità del circuito integrato di funzionare quando viene bombardato da particelle alfa. In genere le sorgenti vengono controllate periodicamente (ad esempio, semestralmente) per la fuoriuscita di materiale radioattivo che può verificarsi se la finestra di protezione è danneggiata. Qualsiasi perdita rilevabile di solito fa scattare la rimozione della sorgente e la sua spedizione al produttore.

I sistemi a raggi X in cabina vengono utilizzati per controllare lo spessore dei rivestimenti metallici e per identificare i difetti (ad es. bolle d'aria nelle confezioni di composti per stampi). Sebbene non costituiscano una fonte significativa di perdite, queste unità vengono generalmente controllate periodicamente (ad es. annualmente) con un rilevatore portatile per perdite di raggi X e ispezionate per garantire che i dispositivi di blocco delle porte funzionino correttamente.

Spedizione

La spedizione è l'endpoint del coinvolgimento della maggior parte dei produttori di dispositivi a semiconduttore in silicio. I produttori commerciali di semiconduttori vendono i propri prodotti ad altri produttori di prodotti finali, mentre i produttori vincolati utilizzano i dispositivi per i propri prodotti finali.

Studio sulla salute

Ogni fase del processo utilizza un particolare insieme di prodotti chimici e strumenti che comportano specifici problemi EHS. Oltre alle preoccupazioni associate a specifiche fasi di processo nella lavorazione dei dispositivi semiconduttori in silicio, uno studio epidemiologico ha studiato gli effetti sulla salute tra i dipendenti dell'industria dei semiconduttori (Schenker et al. 1992). Si veda anche la discussione nell'articolo “Effetti sulla salute e modelli di malattia”.

La principale conclusione dello studio è stata che il lavoro nelle strutture di fabbricazione di semiconduttori è associato a un aumento del tasso di aborti spontanei (SAB). Nella componente storica dello studio, il numero di gravidanze studiate nei dipendenti della fabbricazione e non della fabbricazione era approssimativamente uguale (rispettivamente 447 e 444), ma si sono verificati più aborti spontanei nella fabbricazione (n=67) rispetto ai non-fabbricazione (n=46) . Se aggiustato per vari fattori che potrebbero causare bias (età, etnia, fumo, stress, stato socio-economico e storia di gravidanza) il rischio relativo (RR) per fabbricazione rispetto a non fabbricazione era 1.43 (intervallo di confidenza 95%=0.95-2.09) .

I ricercatori hanno collegato l'aumento del tasso di SAB con l'esposizione a determinati eteri glicolici a base di etilene (EGE) utilizzati nella produzione di semiconduttori. Gli eteri glicolici specifici coinvolti nello studio e sospettati di causare effetti avversi sulla riproduzione sono:

• 2-metossietanolo (CAS 109-86-4)

• 2-metossietil acetato (CAS 110-49-6)

• 2-etossietil acetato (CAS 111-15-9).

 

Sebbene non facciano parte dello studio, altri due glicoleteri utilizzati nell'industria, il 2-etossietanolo (CAS 110-80-5) e il dietilenglicole dimetiletere (CAS 111-96-6) hanno effetti tossici simili e sono stati vietati da alcuni produttori di semiconduttori.

Oltre a un aumento del tasso di SAB associato all'esposizione a determinati eteri glicolici, lo studio ha anche concluso:

• Esisteva un'associazione incoerente per l'esposizione al fluoruro (nell'incisione) e il SAB.

• Lo stress auto-riferito era un forte fattore di rischio indipendente per SAB tra le donne che lavoravano nelle aree di fabbricazione.

• Ci è voluto più tempo per le donne che lavorano nell'area di fabbricazione per rimanere incinte rispetto alle donne nelle aree non di fabbricazione.

• Un aumento dei sintomi respiratori (irritazione di occhi, naso e gola e respiro sibilante) era presente per i lavoratori di fabbricazione rispetto ai lavoratori non di fabbricazione.

• I sintomi muscoloscheletrici dell'estremità distale superiore, come dolore alla mano, al polso, al gomito e all'avambraccio, sono stati associati al lavoro in sala di fabbricazione.

• Dermatite e perdita di capelli (alopecia) sono state segnalate più frequentemente tra i lavoratori della fabbricazione rispetto ai lavoratori non di fabbricazione.

 

Revisione dell'attrezzatura

La complessità delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori, unita ai continui progressi nei processi di produzione, rende la revisione prima dell'installazione di nuove apparecchiature di processo importante per ridurre al minimo i rischi EHS. Due processi di revisione delle apparecchiature aiutano a garantire che le nuove apparecchiature di processo dei semiconduttori dispongano di controlli EHS appropriati: marchio CE e standard SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International).

La marcatura CE è una dichiarazione del produttore che attesta che l'apparecchiatura così contrassegnata è conforme ai requisiti di tutte le Direttive applicabili dell'Unione Europea (UE). Per le apparecchiature di produzione di semiconduttori, la direttiva macchine (MD), la direttiva sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) e la direttiva sulla bassa tensione (LVD) sono considerate le direttive più applicabili.

Nel caso della Direttiva EMC, i servizi di un organismo competente (organizzazione ufficialmente autorizzata da uno stato membro dell'UE) devono essere mantenuti per definire i requisiti di prova e approvare i risultati dell'esame. MD e LVD possono essere valutati dal fabbricante o da un organismo notificato (organizzazione ufficialmente autorizzata da uno stato membro dell'UE). Indipendentemente dal percorso scelto (autovalutazione o terze parti) è l'importatore registrato che è responsabile della marcatura CE del prodotto importato. Possono utilizzare le informazioni di terze parti o di autovalutazione come base per ritenere che l'apparecchiatura soddisfi i requisiti delle direttive applicabili, ma, alla fine, prepareranno la dichiarazione di conformità e apporranno la marcatura CE da soli.

Semiconductor Equipment and Materials International è un'associazione di categoria internazionale che rappresenta i fornitori di apparecchiature e materiali per schermi piatti e semiconduttori. Tra le sue attività c'è lo sviluppo di standard tecnici volontari che sono accordi tra fornitori e clienti volti a migliorare la qualità e l'affidabilità del prodotto a un prezzo ragionevole e una fornitura costante.

Due standard SEMI che si applicano specificamente ai problemi EHS per le nuove apparecchiature sono SEMI S2 e SEMI S8. SEMI S2-93, Linee guida sulla sicurezza per apparecchiature per la produzione di semiconduttori, è inteso come un insieme minimo di considerazioni EHS basate sulle prestazioni per le apparecchiature utilizzate nella produzione di semiconduttori. SEMI S8-95, Guida per l'utente sui criteri ergonomici di successo del fornitore, espande la sezione sull'ergonomia in SEMI S2.

Molti produttori di semiconduttori richiedono che le nuove apparecchiature siano certificate da una terza parte come conformi ai requisiti di SEMI S2. Le linee guida per l'interpretazione di SEMI S2-93 e SEMI S8-95 sono contenute in una pubblicazione del consorzio industriale SEMATECH (SEMATECH 1996). Ulteriori informazioni su SEMI sono disponibili sul web mondiale (http://www.semi.org).

Manipolazione chimica

Erogazione liquidi

Con i sistemi automatizzati di erogazione di sostanze chimiche che diventano la regola, non l'eccezione, il numero di ustioni chimiche per i dipendenti è diminuito. Tuttavia, è necessario installare adeguate protezioni in questi sistemi automatizzati di erogazione di sostanze chimiche. Questi includono:

• rilevamento delle perdite e spegnimento automatico alla fonte di alimentazione alla rinfusa e alle scatole di giunzione

• doppio contenimento delle linee se la sostanza chimica è considerata un materiale pericoloso

• sensori di alto livello agli endpoint (bagno o recipiente degli strumenti)

• spegnimento temporizzato della pompa (consente di pompare solo una quantità specifica in una posizione prima che si spenga automaticamente).

Erogazione gas

La sicurezza della distribuzione del gas è migliorata notevolmente nel corso degli anni con l'avvento di nuovi tipi di valvole per bombole, orifizi a flusso limitato incorporati nella bombola, pannelli automatizzati per lo spurgo del gas, rilevamento e intercettazione di portate elevate e attrezzature più sofisticate per il rilevamento delle perdite. A causa della sua proprietà piroforica e del suo ampio utilizzo come materia prima, il gas silano rappresenta il rischio di esplosione più significativo all'interno del settore. Tuttavia, gli incidenti dovuti al gas silano sono diventati più prevedibili grazie alle nuove ricerche condotte da Factory Mutual e SEMATECH. Con adeguati orifizi a flusso ridotto (RFO), pressioni di mandata e velocità di ventilazione, la maggior parte degli incidenti esplosivi è stata eliminata (SEMATECH 1995).

Diversi incidenti di sicurezza si sono verificati negli ultimi anni a causa di una miscelazione incontrollata di gas incompatibili. A causa di questi incidenti, i produttori di semiconduttori spesso riesaminano le installazioni delle linee del gas e le scatole del gas degli strumenti per garantire che non si verifichino miscelazioni improprie e/o riflussi di gas.

I problemi chimici in genere generano le maggiori preoccupazioni nella produzione di semiconduttori. Tuttavia, la maggior parte degli infortuni e dei decessi all'interno del settore derivano da rischi non chimici.

Sicurezza Impianti elettrici

Esistono numerosi rischi elettrici associati alle apparecchiature utilizzate in questo settore. Gli interblocchi di sicurezza svolgono un ruolo importante nella sicurezza elettrica, ma questi interblocchi sono spesso ignorati dai tecnici della manutenzione. Una quantità significativa di lavori di manutenzione viene generalmente eseguita mentre l'apparecchiatura è ancora sotto tensione o solo parzialmente diseccitata. I rischi elettrici più significativi sono associati agli impiantatori ionici e agli alimentatori laser. Anche dopo l'interruzione dell'alimentazione, all'interno dell'utensile esiste un notevole potenziale di shock che deve essere dissipato prima di lavorare all'interno dell'utensile. Il processo di revisione SEMI S2 negli Stati Uniti e il marchio CE in Europa hanno contribuito a migliorare la sicurezza elettrica per le nuove apparecchiature, ma le operazioni di manutenzione non sono sempre adeguatamente considerate. È necessaria un'attenta revisione delle operazioni di manutenzione e dei rischi elettrici per tutte le apparecchiature di nuova installazione.

Il secondo nell'elenco dei rischi elettrici è l'insieme di apparecchiature che generano energia RF durante i processi di incisione, sputtering e pulizia della camera. Sono necessarie una schermatura e una messa a terra adeguate per ridurre al minimo il rischio di ustioni RF.

Questi rischi elettrici e i numerosi strumenti che non vengono spenti durante le operazioni di manutenzione richiedono ai tecnici di manutenzione di impiegare altri mezzi per proteggersi, come le procedure di lockout/tagout. I rischi elettrici non sono le uniche fonti di energia che vengono affrontate con lockout/tagout. Altre fonti di energia includono linee pressurizzate, molte contenenti gas o liquidi pericolosi e controlli pneumatici. Le disconnessioni per il controllo di queste fonti di energia devono trovarsi in un luogo prontamente disponibile, all'interno del fab (fabbricazione) o un'area di inseguimento in cui il dipendente lavorerà, piuttosto che in luoghi scomodi come subfabs.

Ergonomia

L'interfaccia tra il dipendente e lo strumento continua a causare lesioni. Sforzi muscolari e distorsioni sono abbastanza comuni nell'industria dei semiconduttori, specialmente con il tecnico della manutenzione. L'accesso alle pompe, ai coperchi delle camere e così via spesso non è ben progettato durante la produzione dell'utensile e durante il posizionamento dell'utensile nella fabbrica. Le pompe devono essere su ruote o collocate in cassetti o vassoi estraibili. I dispositivi di sollevamento devono essere incorporati per molte operazioni.

La semplice manipolazione dei wafer causa rischi ergonomici, specialmente nelle strutture più vecchie. Le strutture più recenti in genere hanno wafer più grandi e quindi richiedono sistemi di movimentazione più automatizzati. Molti di questi sistemi di manipolazione dei wafer sono considerati dispositivi robotici e le preoccupazioni per la sicurezza di questi sistemi devono essere prese in considerazione quando vengono progettati e installati (ANSI 1986).

Sicurezza Antincendio

Oltre al gas silano, che è già stato affrontato, il gas idrogeno ha il potenziale per rappresentare un rischio di incendio significativo. Tuttavia, è meglio compreso e l'industria non ha riscontrato molti problemi importanti associati all'idrogeno.

Il pericolo di incendio più grave ora è associato a ponti bagnati o bagni di incisione. I tipici materiali plastici di costruzione (cloruro di polivinile, polipropilene e polipropilene ignifugo) sono stati tutti coinvolti nella fab incendi. La fonte di accensione può essere un riscaldatore del bagno di incisione o placcatura, i controlli elettrici montati direttamente sulla plastica o uno strumento adiacente. Se si verifica un incendio con uno di questi strumenti di plastica, la contaminazione da particelle e i prodotti di combustione corrosivi si diffondono in tutto il fab. La perdita economica è elevata a causa dei tempi di inattività della fabbrica mentre l'area e le attrezzature vengono riportate agli standard delle camere bianche. Spesso alcune attrezzature costose non possono essere adeguatamente decontaminate e devono essere acquistate nuove attrezzature. Pertanto, un'adeguata prevenzione e protezione antincendio sono entrambe fondamentali.

La prevenzione degli incendi può essere affrontata con diversi materiali da costruzione non combustibili. L'acciaio inossidabile è il materiale di costruzione preferito per questi ponti bagnati, ma spesso il processo non "accetta" uno strumento di metallo. Esistono materie plastiche con minore potenziale di fuoco/fumo, ma non sono state ancora adeguatamente testate per determinare se saranno compatibili con i processi di produzione dei semiconduttori.

Per la protezione antincendio, questi strumenti devono essere protetti da una protezione sprinkler non ostruita. Il posizionamento dei filtri HEPA sopra i banchi bagnati spesso blocca le testine degli irrigatori. In tal caso, sotto i filtri vengono installate testine sprinkler aggiuntive. Molte aziende richiedono anche l'installazione di un sistema di rilevamento e soppressione degli incendi all'interno delle cavità del plenum su questi strumenti, dove si innescano molti incendi.

 

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