|
Auf diesen Wafern werden durch eine wiederholte Folge von Strukturisierungs-, Ätz-, Dotier- und Abscheideprozessen die Bauelemente und die Struktur der Schaltung erzeugt. Dies geschieht in einem Reinraum, ein nahezu partikelfreier Raum, dessen geforderte Partikelfreiheit durch riesige Luftfilteranlagen gewährleistet wird. Die Mitarbeiter im Raum tragen Ganzkörperschutzkleidung und Mundschutz, denn schon ein einziges Partikel kann die feinen Strukturierungen auf der Reinst-Silicium-Platte zerstören. Dabei wird die Siliciumoberfläche zunächst oberflächlich oxidiert. In einem Rohrofen wird einer Strom von Sauerstoff und Wasserdampf bei ca. 1000 °C über die Scheiben geleitet, wobei eine dichte, tausendstel Millimeter dicke Siliciumdioxidschicht entsteht.
Der nächste Schritt ist nun die Lithographie: Es wird ein dünner Film einer lichtempfindlichen Masse, Photoresist, auf diese Oxidschicht aufgetragen und getrocknet. In einem Belichtungsgerät wird die Grundstruktur des integrierten Schaltkreises von einer Vorlage, der Maske, auf die Scheibe projiziert, wobei der Photoresist entsprechend der Struktur der Maske belichtet wird. Unter Photoresits versteht man strahlungsempfindliche beziehungsweise speziell lichtempfindliche Massen, die ihre Löslichkeit bei Bestrahlung verändern. Bei Positivresists wird duch Belichtung eine Erhöhung der Löslichkeit der belichteten Bereiche bewirkt, bei Negativresits verhält sich dies genau umgekehrt.
Mit einem UV-Laserstrahl werden die Strukturen der Fotomaske auf die mit Fotolack beschichtete Waferscheibe aus Silizium projiziert.15-bis 20-mal werden die einzelnen Bildfelder(=spätere Mikrochips) lackiert, belichtet, fixiertund ebenso oft gebrannt, geätzt und gesäubert -bis alle Informationen auf Millionen von Transistoren untergebracht und zu einem funktionierenden Schaltkreis verbunden sind.
e
Von den verwendeten Photoresists stellen negativ arbeitende den größten Anteil. Beispiel Diazid-Polydiensysteme: Die verwendeten Negativ-Photoresists enthalten fast ausnahmslos einen speziell behandelten synthetischen Kautschuk, eine lichtempfindliche aromatische Azidverbindung und Lösungsmittel. In den vom Licht getroffenen Bereichen spalten die Azidgruppen Stickstoff ab, wobei die sehr reaktiven Nitrene entstehen. In Folgereaktionen leiten die Nitrene eine dreidimensionale Vernetzung des Kautschuk-Polymeren ein. Der vernetzte Kautschuk ist im Gegensatz zu unvernetzten in den vom Licht ausgesparten Bereichen im Entwickler, das sind organische Lösungsmittel, unlöslich.
Ein großer Nachteil dieser negativ arbeitenden Photoresists ist jedoch deren Quellung beim Entwicklungsschritt. Die vernetzten Resistelemente werden vom Entwickler angelöst und dehnen sich aus. Hierdurch ist die erzielbare Auflösung (Verhältnis von Grabenbreite zu Schichtdicke) begrenzt.
Alle zur Herstellung integrierter Schaltungen technisch in größerem Umfang verwendeten positiv arbeitenden Photoresits enthalten in einem Lösungsmittel spezielle Diazochinone als lichtempfindliche Komponente und ein Kresol-Formaldehyd-Harz (Novolak) als Bindemittel. Bei der Belichtung des Diazochinons spaltet dieses Stickstoff ab, und das zunächst entstehende Carben lagert sich rasch in ein Keten um, das mit Feuchtigkeit in der Resistschicht zu Carbonsäure weiterreagiert. Diese ist im alkalischen Entwickler löslich. An den nicht vom Licht getroffenen Bereichen bleibt Diazochinon unverändert. Es ist im wässrigen Entwickler kaum löslich.
In der Praxis werden Abkömmlinge des oben angegebenen Grundköpers eingesetzt. Die Möglichkeit, derartige Photoresists wässrig-alkalisch zu entwickeln, ist einer der wesentlichen Gründe für den Einsatz bei der Erzeugung feinster Strukturen auf Halbleiteroberflächen. Die unbelichteten Resistbereiche sind relativ hydrophob (wasserabstoßend) und quellen daher nicht während der Entwicklung. Gräben, deren Breite gleich der Dicke der Resistschicht ist, können noch herausgelöst werden.
Nach der Photolithographie und dem damit verbundenem Nachtrocknen folgt nun der Ätzschritt. Hier wird zwischen Ätzen in wässriger Lösung (Nassätzen) und Ätzen durch reaktive und/oder geladene Teilchen in der Gasphase (Trockenätzen bzw. Plasmaätzen) unterschieden.
Die SiO2-Schicht in den freientwickelten Bereichen lässt sich beim Nassätzen mit Ammoniumfluorid-gepufferter Flusssäure (Fluorwasserstoff) entfernen. Nur in diesen Bereichen erfolgt dann die spätere Dotierung. Soll dagegen eine Siliciumschicht geätzt werden, muss neben Flusssäure noch ein Oxidationsmittel in der Ätzlösung vorhanden sein. Solche Ätzmischungen enthalten deshalb neben Fluorwasserstoff noch Salpetersäure.
Beim Trockenätzverfahren bringt man die mit Photoresist beschichteten und entwickelten Siliciumscheiben unter vermindertem Druck in ein Gasgemisch, zum Beispiel aus Kohlenstofftetrafluorid und Sauerstoff, und bewirkt durch ein hochfrequentes elektomagnetisches Feld eine elektrische Entladung (ähnlich wie im Innern einer Leichtstoffröhre). Die dabei entstehenden Fluoratome, Sauerstoff-Fluoride und deren Ionen reagieren mit der zu ätzenden Oberfläche (SiO2) unter Bedingung von gasförmigem SiF4 (reaktive Ionenätzung). Im Ätzschritt wird die Bedeutung des Photoresists erst vollständig deutlich. Er muss resistent sein gegen die verwendeten Ätzmedien, das heißt er muss während der gesamte Ätzzeit in der Lage sein, das von ihm geschützte SiO2 dem Angriff des Ätzmediums zu entziehen. Die Positivresists auf Novolak/Diazochinon-Basis sind hierfür gzt geeignet, besonders bei der Trockenätzung. Auch wegen ihrer Umweltfreundlichkeit (keine Abwasserprobleme) gewinnen Trockenätzverfahren immer mehr an Bedeutung. Um nach dem Ätzschritt den Photoresist zu entfernen, kann man ihn in einer Sauerstoffgasentladung verbrennen oder mit speziell auf den Resisttyp abgestimmten Lösungsmitteln ablösen. Gelegentlich benutzt man auch Mischungen aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid oder Ammoniumperoxodisulfat, die den Resist zu den Endprodukten CO2 und H2O oxidieren, ohne das SiO2 oder Si anzugreifen.
Der folgende Verarbeitungsschritt besteht in der ersten Diffusion. Dazu wird die Scheibe in einem Ofen bei 1000 °C bis 1200 °C mit einem Trägergas und den erwünschten Dotierstoffen in Form gasförmiger, reinster Verbindungen wie PH3 oder B2H6 behandelt. Durch das offene Fenster im Oxidfilm scheidet sich der Dotierstoff auf der Siliciumoberlfäche ab, wonach in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und Konzentration eine bestimmte Menge des Dotierstoffes gezielt tief in das Silicium eindiffundiert. Danach wird die Oxidschicht mit Flusssäure oder durch Trockenätzung entfernt. Nun wird die Scheibe wieder oxidiert, mit Photoresistlösung überschichtet, das Lösemittel verdampft und die verbleibende lichtempfindliche Schicht mit dem Bild einer verfeinerten Struktur belichtet. Wieder werden der Struktur entsprechende Fenster in die Oxidschicht geätzt und durch diese im zweiten Diffusionsschritt Dotierstoff in die Siliciumoberläche eingebracht. Für einen bipolaren (elektrische Anlagen, die zwei Pole besitzen) integrierten Schaltkreis können sich diese Schritte sieben- und mehrfach wiederholen. Die fertige Diodenstruktru muss nun noch mit anderen elektronischen Schaltelementen leitend verbunden werden. Hierzu wird zum Beispiel Aliminium im Vakuum aufgedampft, mit Photoresist überschichtet, belichtet, entwickelt, und das Aluminium in den Bereichen, wo keine Leiterbahnen erzeugt werden sollen, mit Phosphorsäure/Salpetersäure weggeätzt. Nach Entfernen des Resists resultiert ein typischer integrierter Schalkreis, bei dem die Bauelemente durch dünne, feine Aluminiumleiterbahnen verbunden sind. Dieser wird nun noch mit einer dünnen Polymerschicht aus thermostabilen Kunststoffen (zum Beispiel Polyimide (eine Gruppe hochtemperaturbeständiger Kunststoffe)) überzogen, die einen guten Schutz vor Feuchtigkeit bewirken.
An den Rändern der Passivierungsschicht werden in einem weiteren Photolithographieschritt Fenster geöffnet, um die Schaltung später kontaktierenund mit den entsprechenden Steckern verbinden zu können, mit denen die integrierte Schaltung auf die Leiterplatte aufgesteckt und verlötet wird. Die Prozesschemikalien (Photoresist, Entwickler, Ätzlösungen, Dotiergase) werden sorgfältig hergestellt, gereiningt und mit modernsten analytischen Methoden auf Verunreinigungen geprüft.
|
