Вологе очищення (Wet Clean) є одним з найважливіших етапів у процесах виробництва напівпровідників, спрямованим на видалення різних забруднень з поверхні пластини, щоб забезпечити можливість виконання наступних етапів процесу на чистій поверхні.
Оскільки розмір напівпровідникових приладів продовжує зменшуватися, а вимоги до точності зростають, технічні вимоги до процесів очищення пластин стають дедалі суворішими. Навіть найдрібніші частинки, органічні матеріали, іони металів або залишки оксидів на поверхні пластини можуть суттєво вплинути на продуктивність приладу, тим самим впливаючи на його вихід та надійність.
Основні принципи очищення пластин
Суть очищення пластин полягає в ефективному видаленні різних забруднень з поверхні пластини за допомогою фізичних, хімічних та інших методів, щоб забезпечити чисту поверхню пластини, придатну для подальшої обробки.
Тип забруднення
Основні фактори, що впливають на характеристики пристрою
| Забруднення виробу | Дефекти візерунка
Дефекти іонної імплантації
Дефекти пробою ізоляційної плівки
| |
| Металеве забруднення | Лужні метали | Нестабільність МОП-транзистора
Пробою/деградації плівки оксиду затвора
|
| Важкі метали | Збільшений зворотний струм витоку PN-переходу
Дефекти пробою плівки оксиду затвора
Деградація часу життя неосновних носіїв заряду
Генерація дефектів шару збудження оксиду
| |
| Хімічне забруднення | Органічний матеріал | Дефекти пробою плівки оксиду затвора
Варіації плівки CVD (час інкубації)
Термічні зміни товщини оксидної плівки (прискорене окислення)
Виникнення помутніння (пластмаса, лінза, дзеркало, маска, сітка)
|
| Неорганічні добавки (B, P) | Зсуви Vth МОН-транзистора
Варіації опору кремнієвої підкладки та високоомного полікремнієвого листа
| |
| Неорганічні основи (аміни, аміак) та кислоти (SOx) | Погіршення роздільної здатності хімічно посилених резистів
Виникнення забруднення частинками та помутніння внаслідок утворення солі
| |
| Природні та хімічні оксидні плівки, що утворюються внаслідок впливу вологи та повітря | Підвищений контактний опір
Пробою/деградації плівки оксиду затвора
| |
Зокрема, цілі процесу очищення пластин включають:
Видалення частинок: Використання фізичних або хімічних методів для видалення дрібних частинок, прикріплених до поверхні пластини. Менші частинки важче видалити через сильні електростатичні сили між ними та поверхнею пластини, що вимагає спеціальної обробки.
Видалення органічних матеріалів: Органічні забруднення, такі як жир та залишки фоторезисту, можуть прилипати до поверхні пластини. Ці забруднення зазвичай видаляються за допомогою сильних окислювачів або розчинників.
Видалення іонів металів: Залишки іонів металів на поверхні пластини можуть погіршити електричні характеристики та навіть вплинути на наступні етапи обробки. Тому для видалення цих іонів використовуються спеціальні хімічні розчини.
Видалення оксиду: Деякі процеси вимагають, щоб поверхня пластини була вільною від шарів оксиду, таких як оксид кремнію. У таких випадках природні шари оксиду необхідно видалити під час певних етапів очищення.
Завдання технології очищення пластин полягає в ефективному видаленні забруднень без негативного впливу на поверхню пластини, такого як запобігання шорсткості поверхні, корозії чи іншим фізичним пошкодженням.
2. Процес очищення пластин
Процес очищення пластин зазвичай включає кілька етапів, щоб забезпечити повне видалення забруднень та досягнення повністю чистої поверхні.
Рисунок: Порівняння між очищенням пакетного типу та очищенням однієї пластини
Типовий процес очищення пластин включає такі основні етапи:
1. Попереднє очищення (Pre-Clean)
Мета попереднього очищення полягає у видаленні вільних забруднень та великих частинок з поверхні пластини, що зазвичай досягається за допомогою промивання деіонізованою водою (DI Water) та ультразвукового очищення. Деіонізована вода може спочатку видалити частинки та розчинені домішки з поверхні пластини, тоді як ультразвукове очищення використовує ефекти кавітації для розриву зв'язку між частинками та поверхнею пластини, що полегшує їх видалення.
2. Хімічне очищення
Хімічне очищення є одним з основних етапів процесу очищення пластин, в якому використовуються хімічні розчини для видалення органічних матеріалів, іонів металів та оксидів з поверхні пластини.
Видалення органічних матеріалів: Зазвичай для розчинення та окислення органічних забруднень використовується ацетон або суміш аміаку та пероксиду (SC-1). Типове співвідношення для розчину SC-1 – NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, з робочою температурою близько 20°C.
Видалення іонів металів: Для видалення іонів металів з поверхні пластини використовується азотна кислота або суміші соляної кислоти та пероксиду (SC-2). Типове співвідношення для розчину SC-2 – HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, при цьому температура підтримується приблизно на рівні 80°C.
Видалення оксиду: У деяких процесах потрібне видалення шару природного оксиду з поверхні пластини, для чого використовується розчин плавикової кислоти (HF). Типове співвідношення для розчину HF становить HF
₂O = 1:50, і його можна використовувати за кімнатної температури.
3. Фінальне прибирання
Після хімічного очищення пластини зазвичай проходять завершальний етап очищення, щоб переконатися, що на поверхні не залишилося залишків хімічних речовин. Для остаточного очищення в основному використовується деіонізована вода для ретельного промивання. Крім того, для подальшого видалення будь-яких залишкових забруднень з поверхні пластини використовується очищення озоновою водою (O₃/H₂O).
4. Сушіння
Очищені пластини необхідно швидко висушити, щоб запобігти появі водяних плям або повторному прилипанню забруднюючих речовин. Звичайні методи сушіння включають віджимання та продувку азотом. Перший метод видаляє вологу з поверхні пластини шляхом обертання на високих швидкостях, тоді як другий забезпечує повне сушіння шляхом обдування поверхні пластини сухим газоподібним азотом.
Забруднювач
Назва процедури очищення
Опис хімічної суміші
Хімічні речовини
| Частинки | Піранья (SPM) | Сірчана кислота/пероксид водню/діонізована вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| СК-1 (АПМ) | Гідроксид амонію/пероксид водню/дієта вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Метали (окрім міді) | СК-2 (ГПМ) | Соляна кислота/пероксид водню/діонізована вода | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Піранья (SPM) | Сірчана кислота/пероксид водню/діонізована вода | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| ДГФ | Розведена плавикова кислота/дієта вода (не видаляє мідь) | HF/H2O1:50 | |
| Органічні продукти | Піранья (SPM) | Сірчана кислота/пероксид водню/діонізована вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| СК-1 (АПМ) | Гідроксид амонію/пероксид водню/дієта вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Озон у деіонізованій воді | Оптимізовані суміші O3/H2O | |
| Природний оксид | ДГФ | Розведена плавикова кислота/дієта вода | HF/H2O 1:100 |
| БХФ | Буферизована плавикова кислота | NH4F/HF/H2O |
3. Поширені методи очищення пластин
1. Метод очищення RCA
Метод очищення RCA є одним із найкласичніших методів очищення пластин у напівпровідниковій промисловості, розробленим корпорацією RCA понад 40 років тому. Цей метод в основному використовується для видалення органічних забруднень та домішок іонів металів і може бути виконаний у два етапи: SC-1 (стандартне очищення 1) та SC-2 (стандартне очищення 2).
Очищення SC-1: Цей етап використовується переважно для видалення органічних забруднень та частинок. Розчин являє собою суміш аміаку, перекису водню та води, яка утворює тонкий шар оксиду кремнію на поверхні пластини.
Очищення SC-2: Цей етап в основному використовується для видалення забруднень іонами металів за допомогою суміші соляної кислоти, перекису водню та води. Він залишає на поверхні пластини тонкий пасиваційний шар, щоб запобігти повторному забрудненню.
2. Метод очищення піраньї (Piranha Etch Clean)
Метод очищення Piranha – це високоефективний метод видалення органічних матеріалів, що використовує суміш сірчаної кислоти та перекису водню, зазвичай у співвідношенні 3:1 або 4:1. Завдяки надзвичайно сильним окислювальним властивостям цього розчину, він може видалити велику кількість органічних речовин та стійких забруднень. Цей метод вимагає суворого контролю умов, зокрема щодо температури та концентрації, щоб уникнути пошкодження пластини.
Ультразвукове очищення використовує ефект кавітації, що генерується високочастотними звуковими хвилями в рідині, для видалення забруднень з поверхні пластини. Порівняно з традиційним ультразвуковим очищенням, мегазвукове очищення працює на вищій частоті, що дозволяє ефективніше видаляти частинки субмікронного розміру, не пошкоджуючи поверхню пластини.
4. Очищення озоном
Технологія очищення озоном використовує сильні окислювальні властивості озону для розкладання та видалення органічних забруднювачів з поверхні пластини, зрештою перетворюючи їх на нешкідливий вуглекислий газ та воду. Цей метод не вимагає використання дорогих хімічних реагентів та спричиняє менше забруднення навколишнього середовища, що робить його новою технологією в галузі очищення пластин.
4. Обладнання для очищення пластин
Для забезпечення ефективності та безпеки процесів очищення пластин у виробництві напівпровідників використовується різноманітне сучасне обладнання для очищення. Основні типи включають:
1. Обладнання для вологого прибирання
Обладнання для вологого очищення включає різні занурювальні резервуари, резервуари для ультразвукового очищення та центрифуги. Ці пристрої поєднують механічні сили та хімічні реагенти для видалення забруднень з поверхні пластини. Занурювальні резервуари зазвичай оснащені системами контролю температури для забезпечення стабільності та ефективності хімічних розчинів.
2. Обладнання для хімчистки
Обладнання для хімічного очищення в основному включає плазмові очищувачі, які використовують високоенергетичні частинки в плазмі для реакції з поверхнею пластини та видалення залишків з неї. Плазмове очищення особливо підходить для процесів, які потребують підтримки цілісності поверхні без внесення хімічних залишків.
3. Автоматизовані системи очищення
Зі постійним розширенням виробництва напівпровідників, автоматизовані системи очищення стали кращим вибором для великомасштабного очищення пластин. Ці системи часто включають автоматизовані механізми переміщення, багатобакові системи очищення та системи точного керування для забезпечення стабільних результатів очищення кожної пластини.
5. Майбутні тенденції
Оскільки напівпровідникові прилади продовжують скорочуватися, технологія очищення пластин розвивається в бік більш ефективних та екологічно чистих рішень. Майбутні технології очищення будуть зосереджені на:
Видалення субнанометрових частинок: Існуючі технології очищення можуть обробляти нанометрові частинки, але з подальшим зменшенням розміру пристроїв видалення субнанометрових частинок стане новим викликом.
Екологічно чисте та екологічно чисте прибирання: Зменшення використання шкідливих для навколишнього середовища хімікатів та розробка більш екологічних методів очищення, таких як озонове очищення та мегазвукове очищення, набуватиме дедалі більшого значення.
Вищі рівні автоматизації та інтелекту: Інтелектуальні системи дозволять контролювати та регулювати різні параметри в режимі реального часу під час процесу очищення, що ще більше підвищить ефективність очищення та виробничу ефективність.
Технологія очищення пластин, як критичний крок у виробництві напівпровідників, відіграє життєво важливу роль у забезпеченні чистоти поверхні пластин для наступних процесів. Поєднання різних методів очищення ефективно видаляє забруднення, забезпечуючи чисту поверхню підкладки для наступних кроків. З розвитком технологій процеси очищення будуть продовжувати оптимізуватися для задоволення вимог щодо вищої точності та зниження рівня дефектів у виробництві напівпровідників.
Час публікації: 08 жовтня 2024 р.