Czyszczenie na mokro (Wet Clean) to jeden z kluczowych etapów procesów produkcji półprzewodników, mający na celu usunięcie różnych zanieczyszczeń z powierzchni płytki, aby kolejne etapy procesu można było przeprowadzić na czystej powierzchni.
W miarę zmniejszania się rozmiarów urządzeń półprzewodnikowych i rosnących wymagań dotyczących precyzji, wymagania techniczne dotyczące procesów czyszczenia płytek stają się coraz bardziej rygorystyczne. Nawet najmniejsze cząstki, materiały organiczne, jony metali lub pozostałości tlenków na powierzchni płytki mogą znacząco wpłynąć na wydajność urządzenia, wpływając w ten sposób na wydajność i niezawodność urządzeń półprzewodnikowych.
Podstawowe zasady czyszczenia płytek
Istota czyszczenia płytek polega na skutecznym usuwaniu różnych zanieczyszczeń z powierzchni płytki za pomocą metod fizycznych, chemicznych i innych, aby zapewnić czystą powierzchnię płytki nadającą się do późniejszej obróbki.
Rodzaj zanieczyszczenia
Główne czynniki wpływające na charakterystykę urządzenia
| artykuł Zanieczyszczenie | Wady wzoru
Wady implantacji jonów
Wady przebicia folii izolacyjnej
| |
| Zanieczyszczenie metaliczne | Metale alkaliczne | Niestabilność tranzystora MOS
Rozpad/degradacja błony tlenkowej bramki
|
| Metale ciężkie | Zwiększony prąd upływu wstecznego złącza PN
Defekty rozkładu warstwy tlenkowej bramki
Degradacja w czasie życia nośnika mniejszościowego
Generowanie defektów tlenkowej warstwy wzbudzenia
| |
| Zanieczyszczenie chemiczne | Materiał organiczny | Defekty rozkładu warstwy tlenkowej bramki
Odmiany folii CVD (czasy inkubacji)
Zmiany grubości termicznej warstwy tlenku (przyspieszone utlenianie)
Występowanie zamglenia (płatek, soczewka, lustro, maska, siatka)
|
| Domieszki nieorganiczne (B, P) | Tranzystor MOS V przesunie się
Podłoże Si i różnice w oporności arkusza polisilikonowego o wysokiej wytrzymałości
| |
| Zasady nieorganiczne (aminy, amoniak) i kwasy (SOx) | Pogorszenie rozdzielczości chemicznie wzmacnianych materiałów ochronnych
Występowanie zanieczyszczenia cząstkami i zamglenia w wyniku tworzenia się soli
| |
| Natywne i chemiczne filmy tlenkowe spowodowane wilgocią i powietrzem | Zwiększona rezystancja styku
Rozpad/degradacja błony tlenkowej bramki
| |
W szczególności cele procesu czyszczenia płytek obejmują:
Usuwanie cząstek: Stosowanie metod fizycznych lub chemicznych w celu usunięcia małych cząstek przyczepionych do powierzchni płytki. Mniejsze cząstki są trudniejsze do usunięcia ze względu na duże siły elektrostatyczne występujące pomiędzy nimi a powierzchnią płytki, co wymaga specjalnego traktowania.
Usuwanie materiału organicznego: Zanieczyszczenia organiczne, takie jak pozostałości tłuszczu i fotomaski, mogą przylgnąć do powierzchni płytki. Zanieczyszczenia te są zazwyczaj usuwane przy użyciu silnych środków utleniających lub rozpuszczalników.
Usuwanie jonów metali: Pozostałości jonów metali na powierzchni płytki mogą pogorszyć parametry elektryczne, a nawet wpłynąć na kolejne etapy przetwarzania. Dlatego do usuwania tych jonów stosuje się specjalne roztwory chemiczne.
Usuwanie tlenków: Niektóre procesy wymagają, aby powierzchnia płytki była wolna od warstw tlenków, takich jak tlenek krzemu. W takich przypadkach podczas niektórych etapów czyszczenia należy usunąć naturalne warstwy tlenków.
Wyzwanie stojące przed technologią czyszczenia płytek polega na skutecznym usuwaniu zanieczyszczeń bez negatywnego wpływu na powierzchnię płytki, takiego jak zapobieganie chropowatości powierzchni, korozji lub innym uszkodzeniom fizycznym.
2. Przebieg procesu czyszczenia płytek
Proces czyszczenia płytek zazwyczaj obejmuje wiele etapów, aby zapewnić całkowite usunięcie zanieczyszczeń i uzyskanie w pełni czystej powierzchni.
Rysunek: Porównanie czyszczenia wsadowego i czyszczenia pojedynczych płytek
Typowy proces czyszczenia płytek składa się z następujących głównych etapów:
1. Czyszczenie wstępne (czyszczenie wstępne)
Celem wstępnego czyszczenia jest usunięcie luźnych zanieczyszczeń i dużych cząstek z powierzchni płytki, co zwykle osiąga się poprzez płukanie wodą dejonizowaną (wodą DI) i czyszczenie ultradźwiękowe. Woda dejonizowana może początkowo usunąć cząstki i rozpuszczone zanieczyszczenia z powierzchni płytki, podczas gdy czyszczenie ultradźwiękowe wykorzystuje efekt kawitacji w celu rozerwania wiązania między cząstkami a powierzchnią płytki, ułatwiając ich usunięcie.
2. Czyszczenie chemiczne
Czyszczenie chemiczne jest jednym z głównych etapów procesu czyszczenia płytek ceramicznych i polega na wykorzystaniu roztworów chemicznych do usuwania materiałów organicznych, jonów metali i tlenków z powierzchni płytki.
Usuwanie materiałów organicznych: Zazwyczaj do rozpuszczenia i utlenienia zanieczyszczeń organicznych stosuje się aceton lub mieszaninę amoniaku i nadtlenku (SC-1). Typowy stosunek roztworu SC-1 to NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, przy temperaturze roboczej około 20°C.
Usuwanie jonów metali: Do usuwania jonów metali z powierzchni płytki stosuje się mieszaniny kwasu azotowego lub kwasu solnego i nadtlenku (SC-2). Typowym stosunkiem roztworu SC-2 jest HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, przy temperaturze utrzymywanej na poziomie około 80°C.
Usuwanie tlenków: W niektórych procesach wymagane jest usunięcie natywnej warstwy tlenku z powierzchni płytki, do czego stosuje się roztwór kwasu fluorowodorowego (HF). Typowym stosunkiem dla roztworu HF jest HF
₂O = 1:50 i można go stosować w temperaturze pokojowej.
3. Końcowe sprzątanie
Po czyszczeniu chemicznym płytki zwykle poddawane są końcowemu etapowi czyszczenia, aby mieć pewność, że na powierzchni nie pozostaną żadne pozostałości środków chemicznych. Do końcowego czyszczenia stosuje się głównie wodę dejonizowaną do dokładnego płukania. Dodatkowo stosuje się czyszczenie wodą ozonową (O₃/H₂O) w celu dalszego usunięcia wszelkich pozostałych zanieczyszczeń z powierzchni płytki.
4. Suszenie
Oczyszczone wafle należy szybko wysuszyć, aby zapobiec powstawaniu śladów wody lub ponownemu osadzeniu się zanieczyszczeń. Typowe metody suszenia obejmują suszenie wirowe i przedmuchiwanie azotem. Ten pierwszy usuwa wilgoć z powierzchni płytki poprzez wirowanie z dużą prędkością, natomiast drugi zapewnia całkowite wysuszenie poprzez przedmuchanie powierzchni płytki suchym gazowym azotem.
Zanieczyszczenie
Nazwa procedury czyszczenia
Opis mieszaniny chemicznej
Chemikalia
| Cząstki | Pirania (SPM) | Kwas siarkowy/nadtlenek wodoru/woda DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Wodorotlenek amonu/nadtlenek wodoru/woda DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metale (nie miedź) | SC-2 (HPM) | Kwas solny/nadtlenek wodoru/woda DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Pirania (SPM) | Kwas siarkowy/nadtlenek wodoru/woda DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Rozcieńczony kwas fluorowodorowy/woda DI (nie usuwa miedzi) | HF/H2O1:50 | |
| Organiczne | Pirania (SPM) | Kwas siarkowy/nadtlenek wodoru/woda DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Wodorotlenek amonu/nadtlenek wodoru/woda DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon w wodzie dejonizowanej | Mieszanki zoptymalizowane pod względem O3/H2O | |
| Natywny tlenek | DHF | Rozcieńczyć kwas fluorowodorowy/wodę DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Buforowany kwas fluorowodorowy | NH4F/HF/H2O |
3. Typowe metody czyszczenia płytek
1. Metoda czyszczenia RCA
Metoda czyszczenia RCA to jedna z najbardziej klasycznych technik czyszczenia płytek w branży półprzewodników, opracowana przez RCA Corporation ponad 40 lat temu. Metodę tę stosuje się przede wszystkim do usuwania zanieczyszczeń organicznych i jonów metali i można ją przeprowadzić w dwóch etapach: SC-1 (czyszczenie standardowe 1) i SC-2 (czyszczenie standardowe 2).
Czyszczenie SC-1: Ten etap służy głównie do usuwania zanieczyszczeń organicznych i cząstek. Roztwór jest mieszaniną amoniaku, nadtlenku wodoru i wody, która tworzy na powierzchni płytki cienką warstwę tlenku krzemu.
Czyszczenie SC-2: Ten etap służy głównie do usuwania zanieczyszczeń jonami metali przy użyciu mieszaniny kwasu solnego, nadtlenku wodoru i wody. Pozostawia cienką warstwę pasywacyjną na powierzchni płytki, która zapobiega ponownemu zanieczyszczeniu.
2. Metoda czyszczenia pirania (Piranha Etch Clean)
Metoda czyszczenia Piranha to wysoce skuteczna technika usuwania materiałów organicznych, wykorzystująca mieszaninę kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru, zwykle w stosunku 3:1 lub 4:1. Dzięki wyjątkowo silnym właściwościom utleniającym tego roztworu, jest on w stanie usunąć dużą ilość materii organicznej oraz uporczywe zanieczyszczenia. Metoda ta wymaga ścisłej kontroli warunków, szczególnie pod względem temperatury i stężenia, aby uniknąć uszkodzenia płytki.
Czyszczenie ultradźwiękowe wykorzystuje efekt kawitacji generowany przez fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości w cieczy w celu usunięcia zanieczyszczeń z powierzchni płytki. W porównaniu z tradycyjnym czyszczeniem ultradźwiękowym, czyszczenie megadźwiękowe działa z wyższą częstotliwością, umożliwiając skuteczniejsze usuwanie cząstek o wielkości poniżej mikrona bez powodowania uszkodzeń powierzchni płytki.
4. Czyszczenie ozonem
Technologia czyszczenia ozonem wykorzystuje silne właściwości utleniające ozonu do rozkładu i usuwania zanieczyszczeń organicznych z powierzchni płytki, ostatecznie przekształcając je w nieszkodliwy dwutlenek węgla i wodę. Metoda ta nie wymaga stosowania drogich odczynników chemicznych i powoduje mniejsze zanieczyszczenie środowiska, co czyni ją nową technologią w dziedzinie czyszczenia płytek.
4. Sprzęt do czyszczenia płytek
Aby zapewnić wydajność i bezpieczeństwo procesów czyszczenia płytek, w produkcji półprzewodników stosuje się różnorodne zaawansowane urządzenia czyszczące. Główne typy obejmują:
1. Sprzęt do czyszczenia na mokro
Sprzęt do czyszczenia na mokro obejmuje różne zbiorniki zanurzeniowe, ultradźwiękowe zbiorniki czyszczące i wirówki. Urządzenia te łączą siły mechaniczne i odczynniki chemiczne w celu usunięcia zanieczyszczeń z powierzchni płytki. Zbiorniki zanurzeniowe są zazwyczaj wyposażone w systemy kontroli temperatury, aby zapewnić stabilność i skuteczność roztworów chemicznych.
2. Sprzęt do czyszczenia chemicznego
Sprzęt do czyszczenia na sucho obejmuje głównie środki czyszczące plazmowe, które wykorzystują cząstki o wysokiej energii zawarte w plazmie do reagowania i usuwania pozostałości z powierzchni płytki. Czyszczenie plazmowe nadaje się szczególnie do procesów wymagających utrzymania integralności powierzchni bez wprowadzania pozostałości chemicznych.
3. Automatyczne systemy czyszczenia
Wraz z ciągłym rozwojem produkcji półprzewodników, automatyczne systemy czyszczące stały się preferowanym wyborem do czyszczenia płytek na dużą skalę. Systemy te często obejmują zautomatyzowane mechanizmy przesyłowe, wielozbiornikowe systemy czyszczące i precyzyjne systemy kontroli, aby zapewnić spójne wyniki czyszczenia każdej płytki.
5. Przyszłe trendy
W miarę kurczenia się urządzeń półprzewodnikowych technologia czyszczenia płytek ewoluuje w kierunku bardziej wydajnych i przyjaznych dla środowiska rozwiązań. Przyszłe technologie czyszczenia będą skupiać się na:
Usuwanie cząstek o wielkości poniżej nanometra: istniejące technologie czyszczenia radzą sobie z cząstkami o wielkości nanometrów, ale wraz z dalszym zmniejszaniem się rozmiarów urządzeń usuwanie cząstek o wielkości poniżej nanometrów stanie się nowym wyzwaniem.
Ekologiczne i przyjazne dla środowiska sprzątanie: Coraz ważniejsze będzie ograniczanie stosowania szkodliwych dla środowiska środków chemicznych i opracowywanie bardziej ekologicznych metod czyszczenia, takich jak czyszczenie ozonem i czyszczenie megadźwiękami.
Wyższy poziom automatyzacji i inteligencji: Inteligentne systemy umożliwią monitorowanie i regulację różnych parametrów w czasie rzeczywistym podczas procesu czyszczenia, co jeszcze bardziej poprawi skuteczność czyszczenia i wydajność produkcji.
Technologia czyszczenia płytek, jako krytyczny etap w produkcji półprzewodników, odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu czystych powierzchni płytek w kolejnych procesach. Połączenie różnych metod czyszczenia skutecznie usuwa zanieczyszczenia, zapewniając czystą powierzchnię podłoża do kolejnych etapów. W miarę postępu technologii procesy czyszczenia będą w dalszym ciągu optymalizowane, aby sprostać wymaganiom w zakresie wyższej precyzji i niższego wskaźnika defektów w produkcji półprzewodników.
Czas publikacji: 8 października 2024 r