Czyszczenie na mokro (Wet Clean) to jeden z najważniejszych etapów procesu produkcji półprzewodników, mający na celu usunięcie różnych zanieczyszczeń z powierzchni płytki, aby mieć pewność, że kolejne etapy procesu będą mogły być przeprowadzane na czystej powierzchni.
W miarę jak rozmiary urządzeń półprzewodnikowych nadal się zmniejszają, a wymagania dotyczące precyzji rosną, wymagania techniczne dotyczące procesów czyszczenia płytek stały się coraz bardziej rygorystyczne. Nawet najmniejsze cząsteczki, materiały organiczne, jony metali lub pozostałości tlenków na powierzchni płytki mogą znacząco wpłynąć na wydajność urządzenia, wpływając tym samym na wydajność i niezawodność urządzeń półprzewodnikowych.
Podstawowe zasady czyszczenia płytek
Istota czyszczenia wafli polega na skutecznym usuwaniu zanieczyszczeń z ich powierzchni za pomocą metod fizycznych, chemicznych i innych, aby zapewnić, że wafel ma czystą powierzchnię nadającą się do dalszej obróbki.
Rodzaj zanieczyszczenia
Główne czynniki wpływające na charakterystykę urządzenia
| artykuł Zanieczyszczenie | Wady wzorca
Wady implantacji jonów
Wady wynikające z uszkodzenia folii izolacyjnej
| |
| Zanieczyszczenie metaliczne | Metale alkaliczne | Niestabilność tranzystora MOS
Rozpad/degradacja warstwy tlenku bramki
|
| Metale ciężkie | Zwiększony prąd upływu wstecznego złącza PN
Wady wynikające z uszkodzenia warstwy tlenkowej bramki
Degradacja żywotności nośników mniejszościowych
Generowanie defektów warstwy wzbudzenia tlenku
| |
| Zanieczyszczenie chemiczne | Materiał organiczny | Wady wynikające z uszkodzenia warstwy tlenkowej bramki
Wariacje na temat filmów CVD (czasy inkubacji)
Zmiany grubości warstwy tlenku cieplnego (przyspieszone utlenianie)
Występowanie zamglenia (płytka, soczewka, lustro, maska, siatka)
|
| Domieszki nieorganiczne (B, P) | Przesunięcie Vth tranzystora MOS
Zmiany rezystancji podłoża Si i arkusza polikrzemu o wysokiej rezystancji
| |
| Zasady nieorganiczne (aminy, amoniak) i kwasy (SOx) | Degradacja rozdzielczości rezystów wzmacnianych chemicznie
Występowanie zanieczyszczeń cząsteczkowych i zamglenia w wyniku wytwarzania soli
| |
| Warstwy tlenków naturalnych i chemicznych powstające w wyniku wilgoci i powietrza | Zwiększona rezystancja styku
Rozpad/degradacja warstwy tlenku bramki
| |
Cele czyszczenia płytek obejmują konkretnie:
Usuwanie cząstek: Stosowanie metod fizycznych lub chemicznych w celu usunięcia małych cząstek przytwierdzonych do powierzchni wafla. Mniejsze cząstki są trudniejsze do usunięcia ze względu na silne siły elektrostatyczne między nimi a powierzchnią wafla, co wymaga specjalnego traktowania.
Usuwanie materiałów organicznych: Zanieczyszczenia organiczne, takie jak pozostałości smaru i fotorezystu, mogą przywierać do powierzchni płytki. Zanieczyszczenia te są zazwyczaj usuwane za pomocą silnych środków utleniających lub rozpuszczalników.
Usuwanie jonów metali: Pozostałości jonów metali na powierzchni wafla mogą pogorszyć parametry elektryczne, a nawet wpłynąć na kolejne etapy przetwarzania. Dlatego do usuwania tych jonów stosuje się określone roztwory chemiczne.
Usuwanie tlenków: Niektóre procesy wymagają, aby powierzchnia wafla była wolna od warstw tlenków, takich jak tlenek krzemu. W takich przypadkach naturalne warstwy tlenków muszą zostać usunięte podczas pewnych etapów czyszczenia.
Wyzwaniem w technologii czyszczenia płytek półprzewodnikowych jest skuteczne usuwanie zanieczyszczeń bez negatywnego wpływu na powierzchnię płytki, np. zapobieganie szorstkości powierzchni, korozji lub innym uszkodzeniom fizycznym.
2. Przepływ procesu czyszczenia płytek
Proces czyszczenia płytek zazwyczaj obejmuje wiele etapów, które mają na celu zapewnienie całkowitego usunięcia zanieczyszczeń i uzyskanie całkowicie czystej powierzchni.
Rysunek: Porównanie czyszczenia metodą wsadową i czyszczenia pojedynczych płytek
Typowy proces czyszczenia płytek krzemowych obejmuje następujące główne kroki:
1. Wstępne czyszczenie (Pre-Clean)
Celem wstępnego czyszczenia jest usunięcie luźnych zanieczyszczeń i dużych cząstek z powierzchni wafla, co zwykle uzyskuje się poprzez płukanie wodą dejonizowaną (DI Water) i czyszczenie ultradźwiękowe. Woda dejonizowana może początkowo usunąć cząstki i rozpuszczone zanieczyszczenia z powierzchni wafla, podczas gdy czyszczenie ultradźwiękowe wykorzystuje efekty kawitacji, aby rozerwać wiązanie między cząstkami a powierzchnią wafla, ułatwiając ich usunięcie.
2. Czyszczenie chemiczne
Czyszczenie chemiczne stanowi jeden z kluczowych etapów procesu czyszczenia płytek półprzewodnikowych. Polega na użyciu roztworów chemicznych w celu usunięcia z powierzchni płytki materiałów organicznych, jonów metali i tlenków.
Usuwanie materiałów organicznych: Zwykle do rozpuszczania i utleniania zanieczyszczeń organicznych stosuje się aceton lub mieszaninę amoniaku/nadtlenku (SC-1). Typowy stosunek dla roztworu SC-1 to NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, przy temperaturze roboczej około 20°C.
Usuwanie jonów metali: Kwas azotowy lub mieszaniny kwasu solnego/nadtlenku (SC-2) są używane do usuwania jonów metali z powierzchni płytki. Typowy stosunek dla roztworu SC-2 to HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, przy czym temperatura utrzymywana jest na poziomie około 80°C.
Usuwanie tlenku: W niektórych procesach wymagane jest usunięcie rodzimej warstwy tlenku z powierzchni płytki, do czego stosuje się roztwór kwasu fluorowodorowego (HF). Typowy stosunek dla roztworu HF wynosi HF
₂O = 1:50 i można go stosować w temperaturze pokojowej.
3. Końcowe czyszczenie
Po czyszczeniu chemicznym wafle zazwyczaj przechodzą końcowy etap czyszczenia, aby upewnić się, że na powierzchni nie pozostają żadne pozostałości chemiczne. Końcowe czyszczenie polega głównie na użyciu wody dejonizowanej do dokładnego płukania. Ponadto czyszczenie wodą ozonową (O₃/H₂O) jest stosowane w celu dalszego usunięcia wszelkich pozostałych zanieczyszczeń z powierzchni wafli.
4. Suszenie
Wyczyszczone wafle muszą być szybko wysuszone, aby zapobiec powstawaniu śladów wody lub ponownemu przywieraniu zanieczyszczeń. Typowe metody suszenia obejmują wirowanie i przedmuchiwanie azotem. Pierwsza z nich usuwa wilgoć z powierzchni wafla poprzez wirowanie z dużą prędkością, podczas gdy druga zapewnia całkowite wysuszenie poprzez przedmuchiwanie powierzchni wafla suchym gazem azotowym.
Zanieczyszczenie
Nazwa procedury czyszczenia
Opis mieszaniny chemicznej
Chemikalia
| Cząsteczki | 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 dejonizowana (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 | Zoptymalizowane mieszanki O3/H2O | |
| Tlenek rodzimy | DHF | Rozcieńczony kwas fluorowodorowy/woda DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Buforowany kwas fluorowodorowy | NH4F/HF/H2O |
3. Popularne metody czyszczenia płytek
1. Metoda czyszczenia RCA
Metoda czyszczenia RCA jest jedną z najbardziej klasycznych technik czyszczenia płytek w przemyśle półprzewodnikowym, opracowaną przez RCA Corporation ponad 40 lat temu. Ta metoda jest stosowana głównie do usuwania zanieczyszczeń organicznych i zanieczyszczeń jonami metali i może być wykonana w dwóch etapach: SC-1 (Standard Clean 1) i SC-2 (Standard Clean 2).
Czyszczenie SC-1: Ten etap jest stosowany głównie do usuwania zanieczyszczeń organicznych i cząstek. Roztwór jest mieszaniną amoniaku, nadtlenku wodoru i wody, która tworzy cienką warstwę tlenku krzemu na powierzchni wafla.
Czyszczenie SC-2: Ten etap jest stosowany głównie do usuwania zanieczyszczeń jonami metali, przy użyciu mieszanki kwasu solnego, nadtlenku wodoru i wody. Pozostawia cienką warstwę pasywacji na powierzchni płytki, aby zapobiec ponownemu zanieczyszczeniu.
2. Metoda czyszczenia Piranha (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. Ze względu na niezwykle silne właściwości utleniające tego roztworu, może on usunąć dużą ilość materii organicznej i uporczywych zanieczyszczeń. Ta metoda wymaga ścisłej kontroli warunków, szczególnie pod względem temperatury i stężenia, aby uniknąć uszkodzenia wafla.
Czyszczenie ultradźwiękowe wykorzystuje efekt kawitacji generowany przez fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości w cieczy, aby usunąć zanieczyszczenia z powierzchni wafla. W porównaniu do tradycyjnego czyszczenia ultradźwiękowego, czyszczenie megasonic działa przy wyższej częstotliwości, umożliwiając skuteczniejsze usuwanie cząstek o rozmiarach submikronowych bez powodowania uszkodzeń powierzchni wafla.
4. Czyszczenie ozonem
Technologia czyszczenia ozonem wykorzystuje silne właściwości utleniające ozonu do rozkładu i usuwania zanieczyszczeń organicznych z powierzchni wafli, ostatecznie przekształcając je w nieszkodliwy dwutlenek węgla i wodę. Ta metoda nie wymaga stosowania drogich odczynników chemicznych i powoduje mniejsze zanieczyszczenie środowiska, co czyni ją nową technologią w dziedzinie czyszczenia wafli.
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, zbiorniki do czyszczenia ultradźwiękowego i suszarki wirowe. Urządzenia te łączą siły mechaniczne i odczynniki chemiczne w celu usuwania zanieczyszczeń z powierzchni płytki. Zbiorniki zanurzeniowe są zazwyczaj wyposażone w systemy kontroli temperatury w celu zapewnienia stabilności i skuteczności roztworów chemicznych.
2. Sprzęt do czyszczenia na sucho
Sprzęt do czyszczenia na sucho obejmuje głównie urządzenia czyszczące plazmowe, które wykorzystują wysokoenergetyczne cząsteczki w plazmie do reakcji i usuwania pozostałości z powierzchni wafla. Czyszczenie plazmowe jest szczególnie odpowiednie do procesów, które wymagają zachowania integralności powierzchni bez wprowadzania pozostałości chemicznych.
3. Automatyczne systemy czyszczące
Wraz z ciągłą ekspansją produkcji półprzewodników, zautomatyzowane systemy czyszczące stały się preferowanym wyborem do czyszczenia płytek na dużą skalę. Systemy te często obejmują zautomatyzowane mechanizmy transferowe, systemy czyszczenia wielozbiornikowego i precyzyjne systemy sterowania, aby zapewnić spójne wyniki czyszczenia dla każdej płytki.
5. Przyszłe trendy
W miarę jak urządzenia półprzewodnikowe nadal się kurczą, technologia czyszczenia płytek ewoluuje w kierunku bardziej wydajnych i przyjaznych dla środowiska rozwiązań. Przyszłe technologie czyszczenia będą koncentrować się na:
Usuwanie cząstek subnanometrowych: Obecne technologie czyszczenia radzą sobie z cząstkami o wielkości nanometrowej, ale wraz z dalszym zmniejszaniem rozmiarów urządzeń usuwanie cząstek subnanometrowych stanie się nowym wyzwaniem.
Ekologiczne i przyjazne dla środowiska czyszczenie: Coraz ważniejsze będzie ograniczanie stosowania szkodliwych dla środowiska środków chemicznych i opracowywanie bardziej przyjaznych dla środowiska metod czyszczenia, takich jak czyszczenie ozonem i czyszczenie megadźwiękowe.
Wyższy poziom automatyzacji i inteligencji: Inteligentne systemy umożliwią monitorowanie w czasie rzeczywistym i dostosowywanie różnych parametrów w trakcie procesu czyszczenia, co jeszcze bardziej zwiększy skuteczność czyszczenia i wydajność produkcji.
Technologia czyszczenia wafli, jako krytyczny etap w produkcji półprzewodników, odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu czystych powierzchni wafli w kolejnych procesach. Połączenie różnych metod czyszczenia skutecznie usuwa zanieczyszczenia, zapewniając czystą powierzchnię podłoża w kolejnych etapach. W miarę postępu technologii procesy czyszczenia będą nadal optymalizowane, aby sprostać wymaganiom wyższej precyzji i niższych wskaźników defektów w produkcji półprzewodników.
Czas publikacji: 08-paź-2024