高性能激光器芯片生产工艺介绍（含化学反应分析）

产品是以第二代半导体材料磷化铟的高速光芯片，具备高频、高速光电转换特性，适用于光通信和高速光芯片。受限于材料脆性和晶体生长难度，大尺寸晶圆制备技术尚不成熟，目前国际主流磷化铟晶圆的主流尺寸为2-3英寸，制造工艺复杂度高，需应对材料缺陷敏感性和异质集成挑战，目前国际上的高速光芯片良品率普遍低于40%。

从事高性能激光器芯片生产加工，先对原料衬片进行外延片加工，然后进行晶圆芯片制作，再进行芯片测试，最后包装入库。总体工艺较原环评审批，除了芯片加工后端取消了一道化学镀金工序以外，其他均未发生较大变化，主要为取消或替代使用了一些药剂，另外，溶剂清洗剂的使用量较原环评估算量有所增加，具体工艺流程详见下图。

生产工艺说明：

1、检查装片工艺流程和产排污环节对外购的衬底进行检查，合格的衬片放入金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备的反应室内，抽真空，根据外延片加工不同，将反应室内的温度用电加热至相应温度。

2、外延工作原理是用氢气将金属有机化合物和氢化物分子连续输运到反应室内加热的衬底上，在衬底表面生成外延层。H2作为运载气体携带MO源和氢化物等反应物进入到反应室里，在逐渐升温的环境下，金属有机物与非金属氢化物或有机化合物之间形成加合物，随着温度的进一步升高，MO源和氢化物及加合物的逐步热分解，甚至气相成核。气相中的反应物扩散到衬底表面，然后吸附在衬底表面，吸附的品种会在衬底表面迁移并继续发生反应，最终进入晶格形成外延层。本项目使用的金属有机化学物（MO源为三甲基铟、三乙基镓、二甲基锌、三甲基铝，氢化物分子有砷烷、磷烷、乙硅烷。外延过程反应方程式如下：

Ga(C2H5)3+AsH3→GaAs+3C2H6

In(CH3)3+PH3→InP+3CH4

Al(CH3)3+AsH3→AlAs+3CH4

Zn(CH3)2+In(CH3)3+3PH3→InZnP3+5CH4+2H2

Si2H6→2Si+3H2

外延生产用的乙硅烷等用于外延掺杂，全部进入产品。外延生产用的砷烷、磷烷，少部分参与反应进入外延层，其余形成外延废气（G1）。外延过程中的部分反应沉积物会沉积在管路和MO-CVD反应腔壁内，企业定期外送委托专业厂家进行清理（清理的反应沉积物由专业厂家负责安全处置），厂内不产生清理沉积废物。

3、清洗清洗工作是在不破坏外延片表面特性的前提下，有效的使用化学溶液清除外延片表面的各种残留污染物。将外延片按要求依次经过硫酸+双氧水（2道）、盐酸+磷酸（1道）、硝酸+氢氟酸+BOE蚀刻液（2道）等液体清洗；每步清洗液清洗后均需纯水喷淋清洗。清洗后，使用甩干机将外延片脱水干燥。

根据生产批次情况，不定期更换新槽液，槽液作为危险废物处理。喷淋废水溢流排放，分类收集（W1一般酸洗废水、W2含氟废水、W3含磷废水）进入相应生产废水处理设施处理。清洗过程产生酸雾（G2）、清洗废水（W1、W2、W3）、废酸液（S2）和含氟废液（S3）。

4、光刻

外延片表面涂胶后，在紫外光的照射下将光刻版上的图形转移至外延片上，最终加工成所需要的产品图形。光刻包括涂胶、软烤、曝光、显影、坚膜、检验。

①涂胶、软烤：

光刻胶的涂敷是用转速和旋转时间可自由设定的涂布机来进行的。首先，用真空吸引法将外延片吸在涂布机的吸盘上，具有一定粘度的光刻胶滴在基片的表面，然后以1000~5000rpm/min转速匀胶，约20~30s。由于离心力的作用，混合液在外延片表面均匀地展开，多余的混合液被甩掉并回收使用，获得一定厚度的光刻胶膜。光刻胶1~10μm的膜厚是由光刻胶的粘度和匀胶的转速来控制。光刻胶主要是由对光与能量非常敏感的高分子聚合物组成。项目所用光刻胶根据生产需要，采用外购的成品光刻胶或六甲基二硅氮烷、乙二醇单甲醚、聚酰亚胺、二丙二醇单甲醚、丙二醇甲醚醋酸酯调配而成的混合液。变动说明：厂内调配的光刻胶使用的为六甲基二硅氮烷、苯甲醚、聚酰亚胺、二丙二醇单甲醚、丙二醇甲醚醋酸酯配方，实际采用乙二醇单甲醚替代苯甲醚。光刻涂胶设备采用溶剂清洗去胶，不单独产生废光刻胶，废光刻胶随清洗剂进入废有机溶剂。为了使光刻胶附着在外延片表面，涂胶后要进行软烤，在烘箱中、惰性气体环境下烘烤一定时间，去除混合液中的溶剂，产生有机废气（G3），而混合液中的高分子聚合物作为涂层牢固地附着在基质的表面。烘烤温度约80℃，烘烤时间约15~30min

②曝光：在掩模版的遮蔽下，对光刻胶进行曝光。曝光后经过纯水清洗，然后在氮气环境下烘箱烘干。烘烤温度约100℃，烘烤时间约30~180s。曝光过程产生有机清洗废水（W4）、有机废气（G3）。

③显影：将曝光后的外延片放到显影机里，片子在机台内以500~3000rpm/min转速高速旋转，同时片子上方滴落有显影液，使光刻胶的曝光部分被溶解。显影后纯水喷淋清洗、甩干。显影在常温下进行，此过程产生的有机废气（G3）、有机废水（W4）和废显影液（S4）。喷淋废水溢流排放，分类收集进入相应生产废水处理设施处理。④坚膜：对显影后的光刻胶加热烘干，促使光刻胶与硅片粘着牢固，并且没有发生形变。烘干温度一般控制在100-120℃之间，烘烤时间约15~20min，烘烤过程在氮气环境下进行。然后进行显影检测，会产生废次品（S5）。

5、干法蚀刻通过刻蚀的方法在晶片表面制备需要的图形结构。本项目根据产品需要采用干法蚀刻和湿法蚀刻。干法蚀刻使用的设备为二氧化硅干法蚀刻机（RIE）和磷化铟干法蚀刻机（ICP-RIE）。RIE反应原理：当在平板电极之间施加一定的高频电压时，通入的含氟气体会产生F离子层，在其中放入外延片，F离子高速撞击外延片表面而完成化学反应刻蚀。使用到的气体主要有氯气、四氟化碳、六氟化硫、氧气、氮气、氩气等。ICP 反应原理：ICP设备有ICP射频源和RF射频源，ICP射频源交替的电场感应出交替的磁场，产生高密度等离子体，而且等离子体的密度与能量分布均匀；RF射频源调控离子与电子的能量，通过能量高低控制刻蚀速率和损伤。使用到的气体主要有氯气、四氟化碳、六氟化硫、四氯硅烷、三氟甲烷、溴化氢、碘化氢、氧气、氮气、氩气、氦气等。Cl2、SiCl4、CF4、SF6为主要刻蚀气体，其他为调节气体和保护气体。主要反应方程式如下：

GaAs+Cl→aA，GaClx，Ga+，GaClx+，（x=1，2，3）

干法蚀刻过程产生干法蚀刻废气（G4），被泵抽离反应腔体，有害气体为Cl2、氯化氢、氟化物等酸性物质。

6、湿法蚀刻人工将外延片放入湿法蚀刻机的溶液槽内，在室温下对基材进行腐蚀。湿法蚀

刻使用硫酸+双氧水（2道）、盐酸+磷酸（1道）、硝酸+氢氟酸+BOE蚀刻液（2道）等液体蚀刻清洗或者使用盐酸+磷酸（1道）、盐酸+水（1道）、氢溴酸（1道）等液体蚀刻清洗。每步溶液蚀刻后均需纯水喷淋清洗。蚀刻清洗会采用1道乙酸+氢溴酸/碘酸液体清洗，实际仅使用氢溴酸完成1道液体清洗，不涉及使用乙酸、碘酸。根据生产批次情况，不定期更换新槽液，作为危险废物处理。喷淋废水溢流排放，分类收集进入相应生产废水处理设施处理。湿法蚀刻过程中产生蚀刻废气（G5）、清洗废水（W1、W2、W3）、废酸液（S2）和含氟废液（S3）。

7、分选使用PL测试仪、X射线衍射仪、EL测试仪等对外延片进行检测，合格品待用，不合格外延片作为固废S5。干法蚀刻：针对合格的外延片进行再次干法蚀刻，同前文工艺，不再赘述。

8、清洗去胶此道干法蚀刻后需要使用有机溶剂进行清洗去胶操作。使用NMP浸泡清洗，去除外延片表层的光刻胶。浸泡后，需纯水喷淋清洗。生产时根据不同去胶要求，也会采用甲醇、乙醇或DMF溶剂浸泡清洗。清洗去胶使用NMP/甲醇/乙醇/DMF/丁酮溶剂浸泡清洗，实际不使用丁酮。根据生产批次情况，不定期更换新槽液，作为危险废物处理。喷淋废水溢流排放，收集进入相应生产废水处理设施处理。该过程会产生有机废气（G6）、有机废水（W4）、有机废液（S6）。

9、SiO2沉积本项目SiO2沉积和Si3N4沉积采用等离子化学气相沉积方法，使用设备为等离子化学气相沉积系统（PCVD）。等离子化学气相沉积是通过在平行电极之间引入反应气体来实现的。电极之间的电容耦合将反应气体激发成等离子体，使反应气体分子电离或激发成离子体，其引发化学反应并导致反应物沉积在基片上，得到膜层。

沉积温度约200~400℃，沉积前，腔体内部需抽真空处理，残留气体极少。本项目制备SiO2薄膜时，以硅烷、笑气为反应气体，在一定的保护气氛下反应，生成SiO2膜层。N2、O2为保护气。主要反应方程为：

SiH4+2N2O→SiO2+2N2+2H2

此工序PCVD过程产生沉积废气（G7），包括未反应完全的气体和反应生成的气体，包括SiH4、N2O、少量颗粒物（SiO2）等。SiO2沉积采用硅烷+笑气或者正硅酸乙酯两种反应体系，实际根据研发小试生产数据，采用硅烷+笑气沉积效果更佳，取消正硅酸乙酯反应体系，仅使用硅烷+笑气或者正硅酸乙酯1种反应体系。SiO2光刻、干法蚀刻、清洗去胶同前文工艺，不再赘述。

10、Si3N4沉积利用硅烷、氨气为反应气体，在一定的保护气氛下反应，生成Si3N4膜层。氮气为保护气。主要反应方程为：

3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2

此工序PCVD过程产生沉积废气（G7），包括未反应完全的气体和反应生成的气体，包括SiH4、NH3、少量烟尘颗粒物（Si3N4）等。Si3N4沉积后的干法蚀刻同前文工艺，不再赘述。

11、灰化利用氧气灰化机，将氧气及氮气的混合气体导入设备，并对氧气等离子化处理，与炭化后的光刻胶进行反应结合，灰化去除，此过程会产生灰化废气（G9），主要成分为O2、N2、CO、CO2。此类废气通过管道引至楼顶，经一般废气排气筒DA004排放。灰化后的湿法蚀刻、清洗去胶同前文工艺，不再赘述。

12、蒸镀

本项目金属蒸镀采用真空蒸发法，属于物理气相沉积的一种。此工序采用设备为电子束金属蒸镀机，利用加速电子轰击金属箔（钛、铂、金、锗、镍等），电子的动能转化成热能，使金属箔蒸发，形成具有一定能量的气态原子或原子团，气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动方式传输到基材，在基片表面沉积成膜。金属蒸镀前，腔体内部需抽真空处理，残留气体极少。此过程会产生尺度在mm-cm量级的废金属箔（S7），设备自动收集。

13、剥离金属蒸镀基片上的金属层分为两部分，一部分直接镀在基片上，另一部分镀在光刻胶上面。需要把光刻胶上面的金属连同光刻胶一起用剥离去除，留下来的金属层就是工艺需要的。将金属蒸镀后的基片放入清洗机的NMP槽浸泡，浸泡时间约30min，然后利用同时通入纯水和压缩空气的高精度刀口将浸泡过的光刻胶及其上面的金属层去掉，随后，使用纯水对制品进行喷淋清洗，然后转速旋干。根据生产批次情况，不定期更换新槽液。喷淋废水溢流排放，分类收集进入相应生产废水处理设施处理。该过程会产生有机废气（G6）、有机废水（W4）、有机废液（S6）。

14、退火

将基片放入退火炉内，在N2氛围中使用碘钨灯管为发热元件，在非常短的时间内将整个制品加热至400~600℃范围内，在高温下通过微合金熔合将基片表面的N电极和外延片结合牢固，形成欧姆接触，提高芯片的导电性能。然后自然降温。第一道蒸镀、退火后接化学镀金，实际结合研发和市场需求，蒸镀金属即可达到芯片的性能要求，取消1道化学镀金。退火后接1道纯水清洗、干法蚀刻、灰化、湿法蚀刻、清洗去胶、蒸镀、剥离、退火、光刻、清洗去胶等工艺操作，同前文工艺，不再赘述。

15、背面减薄将基片粘接在研磨盘上，放入研磨机内，用砂轮打薄衬底，将衬底减薄，使外延片易于划线解理，并降低基片的热阻，提高器件的可靠性。此过程主要产生研磨废液（S8）。

16、划片成条

将基片放入划片机进行划片，划片后在外延片的裂片机上，用适当的力量和刀具击打划痕以使基片在划痕处裂开。最后，在扩片机上将衬底张开，使基片与基片之间分开来，成条状。此过程产生废片（S5）。

17、镀透光膜本项目利用磁控溅射镀膜机或电子束蒸发镀膜机在基片表面镀透光膜，均属于物理气相沉积的一种。磁控溅射镀膜是将金属靶材（Si、SiO2、Ta2O5）作为阴极，加上一定强度的负高压，待镀膜基片为阳极。先将系统抽至高真空状态，充入工作气体（Ar2），调节真空度，工作气体在正负极间高压的作用下辉光放电产生大量的Ar离子。Ar离子在电场作用下向阴极靶加速运动轰击阴极，入射离子与靶材原子产生能量交换，使靶材原子获得相当的能力，克服原子间结合力的约束飞向阳极，达到基片表面形成膜层。磁控溅射前，腔体内部需抽真空处理，残留气体极少，不会对膜层产生影响。此过程产生废靶材（S9）。电子束蒸发镀膜原理同前文金属蒸镀。不再叙述。

18、裂片成粒镀膜后产品置于裂片机上，切割成粒，制成芯片，该步骤需要用到纯水。此过程产生切割废水（W5）。

19、测试采用光谱仪、电流电压测试仪对芯片进行光学、电学测试，测试合格即可包装入库。测试过程会用到乙二胺、铁氰化钾溶液对晶圆进行前处理。配置5%浓度的乙二胺溶液，用于晶圆掺杂浓度ECV（电化学电容电压测试）测试腐蚀电解液，ECV测试中，乙二胺电解液的高离子迁移率和低粘度特性，可提升测试分辨率（达纳米级），以达到测试晶圆掺杂浓度的目的。配置2.5%铁氰化钾碱性溶液用于晶圆SEM（扫描电子显微镜）测试界面腐蚀及染色作用，SEM测试需要清晰的界面，铁氰化钾溶液可部分破坏钝化层，暴露下层金属或半导体材料，增强SEM成像对比度，以达到测试目的。

测试过程会产生测试废液（S10）、不合格芯片（S5）。

20、治具及设备清洗芯片生产过程中需定期对使用过的治具进行清洗。主要使用丙酮，将治具浸入丙酮溶液中进行清洗，不需要用水清洗。使用后产生废液集中收集处理。治具清洗过程中会产生一定量的丙酮废气。本项目MO-CVD反应腔壁和管路外送委托专业厂家清理，不产生含砷清洗废水；其他设备零件需要使用硫酸浸泡清洗，然后使用纯水清洗，产生硫酸雾、清洗废水和废酸液。

与半导体生产工艺基本类似，方便想深入了解半导体工艺的EHS同行们查阅、学习。

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