Влажная очистка (Wet Clean) — один из важнейших этапов в процессах производства полупроводников, направленный на удаление различных загрязнений с поверхности пластины, чтобы гарантировать возможность выполнения последующих этапов процесса на чистой поверхности.
По мере уменьшения размеров полупроводниковых приборов и повышения требований к точности технические требования к процессам очистки пластин становятся всё более строгими. Даже мельчайшие частицы, органические материалы, ионы металлов или остатки оксидов на поверхности пластины могут существенно повлиять на производительность устройства, тем самым влияя на выход годных изделий и надёжность полупроводниковых приборов.
Основные принципы очистки пластин
Суть очистки пластин заключается в эффективном удалении различных загрязнений с поверхности пластины с помощью физических, химических и других методов, чтобы гарантировать, что поверхность пластины будет чистой и пригодной для последующей обработки.
Тип загрязнения
Основные факторы, влияющие на характеристики устройства
| Статья Загрязнение | Дефекты узора
Дефекты ионной имплантации
Дефекты пробоя изоляционной пленки
| |
| Металлические загрязнения | Щелочные металлы | Нестабильность МОП-транзистора
Разрушение/деградация оксидной пленки затвора
|
| Тяжелые металлы | Увеличенный обратный ток утечки PN-перехода
Дефекты пробоя оксидной пленки затвора
Уменьшение срока службы неосновных носителей заряда
Генерация дефектов оксидного возбуждения слоя
| |
| Химическое загрязнение | Органический материал | Дефекты пробоя оксидной пленки затвора
Изменения CVD-пленки (время инкубации)
Термические изменения толщины оксидной пленки (ускоренное окисление)
Возникновение помутнения (пластина, линза, зеркало, маска, сетка)
|
| Неорганические легирующие примеси (B, P) | Сдвиги Vth МОП-транзистора
Изменения сопротивления кремниевой подложки и высокоомного поликремниевого листа
| |
| Неорганические основания (амины, аммиак) и кислоты (SOx) | Ухудшение разрешения химически усиленных резистов
Возникновение загрязнения частицами и дымки из-за образования соли
| |
| Пленки естественных и химических оксидов, образующиеся под воздействием влаги и воздуха | Повышенное контактное сопротивление
Разрушение/деградация оксидной пленки затвора
| |
В частности, цели процесса очистки пластин включают в себя:
Удаление частиц: использование физических или химических методов для удаления мелких частиц, прилипших к поверхности пластины. Более мелкие частицы сложнее удалить из-за сильных электростатических сил между ними и поверхностью пластины, что требует специальной обработки.
Удаление органических материалов: Органические загрязнения, такие как остатки жира и фоторезиста, могут прилипать к поверхности пластины. Эти загрязнения обычно удаляются с помощью сильных окислителей или растворителей.
Удаление ионов металлов: Остатки ионов металлов на поверхности пластины могут ухудшить электрические характеристики и даже повлиять на последующие этапы обработки. Поэтому для удаления этих ионов используются специальные химические растворы.
Удаление оксидов: Некоторые процессы требуют, чтобы поверхность пластины была свободна от оксидных слоёв, например, оксида кремния. В таких случаях естественные оксидные слои необходимо удалять на определённых этапах очистки.
Задача технологии очистки пластин заключается в эффективном удалении загрязнений без неблагоприятного воздействия на поверхность пластины, например, предотвращения образования шероховатости поверхности, коррозии или других физических повреждений.
2. Технологический процесс очистки пластин
Процесс очистки пластин обычно включает несколько этапов, обеспечивающих полное удаление загрязнений и получение абсолютно чистой поверхности.
Рисунок: Сравнение пакетной и послойной очистки
Типичный процесс очистки пластин включает следующие основные этапы:
1. Предварительная очистка (Pre-Clean)
Цель предварительной очистки — удаление свободных загрязнений и крупных частиц с поверхности пластины. Обычно это достигается промывкой деионизированной водой (DI-водой) и ультразвуковой очисткой. Деионизированная вода может первоначально удалить частицы и растворенные примеси с поверхности пластины, в то время как ультразвуковая очистка использует эффект кавитации для разрыва связи между частицами и поверхностью пластины, что облегчает их удаление.
2. Химическая очистка
Химическая очистка является одним из основных этапов процесса очистки пластин. При этом используются химические растворы для удаления органических материалов, ионов металлов и оксидов с поверхности пластины.
Удаление органических веществ: Обычно для растворения и окисления органических загрязнений используется ацетон или смесь аммиака и перекиси (SC-1). Типичное соотношение для раствора SC-1: NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, при рабочей температуре около 20°С.
Удаление ионов металлов: для удаления ионов металлов с поверхности пластины используется азотная кислота или смесь соляной кислоты и перекиси водорода (SC-2). Типичное соотношение для раствора SC-2: HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, при этом температура поддерживается на уровне около 80°C.
Удаление оксида: В некоторых процессах требуется удаление естественного оксидного слоя с поверхности пластины, для чего используется раствор плавиковой кислоты (HF). Типичное соотношение для раствора HF: HF
₂O = 1:50, и его можно использовать при комнатной температуре.
3. Финальная уборка
После химической очистки пластины обычно проходят этап окончательной очистки, чтобы гарантировать отсутствие остатков химикатов на поверхности. Финальная очистка обычно осуществляется деионизированной водой для тщательного ополаскивания. Кроме того, для дальнейшего удаления оставшихся загрязнений с поверхности пластины используется озонирование водой (O₃/H₂O).
4. Сушка
Очищенные пластины необходимо быстро высушить, чтобы предотвратить появление водяных пятен и повторное присоединение загрязнений. Распространенные методы сушки включают центрифугирование и продувку азотом. Первый метод удаляет влагу с поверхности пластины путём центрифугирования на высокой скорости, а второй обеспечивает полное высыхание путём продувки поверхности пластины сухим азотом.
Загрязнитель
Название процедуры очистки
Описание химической смеси
Химикаты
| Частицы | Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| СК-1 (АПМ) | Гидроксид аммония/перекись водорода/деионизированная вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Металлы (не медь) | СК-2 (ГПМ) | Соляная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| ДГФ | Разбавленная плавиковая кислота/деионизированная вода (не удаляет медь) | HF/H2O1:50 | |
| Органика | Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| СК-1 (АПМ) | Гидроксид аммония/перекись водорода/деионизированная вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| ДИО3 | Озон в деионизированной воде | Оптимизированные смеси O3/H2O | |
| Самородный оксид | ДГФ | Разбавленная плавиковая кислота/деионизированная вода | HF/H2O 1:100 |
| БХФ | Буферизованная плавиковая кислота | NH4F/HF/H2O |
3. Распространенные методы очистки пластин
1. Метод очистки RCA
Метод очистки RCA — один из самых классических методов очистки пластин в полупроводниковой промышленности, разработанный корпорацией RCA более 40 лет назад. Этот метод в основном используется для удаления органических загрязнений и примесей ионов металлов и может быть реализован в два этапа: SC-1 (стандартная очистка 1) и SC-2 (стандартная очистка 2).
Очистка SC-1: Этот этап используется в основном для удаления органических загрязнений и частиц. Раствор представляет собой смесь аммиака, перекиси водорода и воды, которая образует тонкий слой оксида кремния на поверхности пластины.
Очистка SC-2: Этот этап в основном используется для удаления загрязнений ионами металлов с помощью смеси соляной кислоты, перекиси водорода и воды. На поверхности пластины остаётся тонкий пассивирующий слой, предотвращающий повторное загрязнение.
2. Метод очистки «Пиранья» (Piranha Etch Clean)
Метод очистки «Пиранья» — высокоэффективный метод удаления органических материалов с использованием смеси серной кислоты и перекиси водорода, обычно в соотношении 3:1 или 4:1. Благодаря чрезвычайно сильным окислительным свойствам этого раствора, он способен удалять большое количество органических веществ и трудноудаляемых загрязнений. Этот метод требует строгого контроля условий, особенно температуры и концентрации, чтобы избежать повреждения пластины.
Ультразвуковая очистка использует эффект кавитации, создаваемый высокочастотными звуковыми волнами в жидкости, для удаления загрязнений с поверхности пластины. По сравнению с традиционной ультразвуковой очисткой, мегазвуковая очистка работает на более высокой частоте, что обеспечивает более эффективное удаление частиц субмикронного размера без повреждения поверхности пластины.
4. Очистка озоном
Технология озоновой очистки использует сильные окислительные свойства озона для разложения и удаления органических загрязнений с поверхности пластин, в конечном итоге превращая их в безвредный углекислый газ и воду. Этот метод не требует использования дорогостоящих химических реагентов и снижает загрязнение окружающей среды, что делает его перспективной технологией в области очистки пластин.
4. Оборудование для очистки пластин
Для обеспечения эффективности и безопасности процессов очистки пластин в производстве полупроводников используется разнообразное современное оборудование для очистки. К основным типам относятся:
1. Оборудование для влажной уборки
Оборудование для влажной очистки включает в себя различные иммерсионные ванны, ультразвуковые ванны и центрифужные сушилки. Эти устройства сочетают механическое воздействие и химические реагенты для удаления загрязнений с поверхности пластины. Иммерсионные ванны обычно оснащены системами контроля температуры для обеспечения стабильности и эффективности химических растворов.
2. Оборудование для химчистки
Оборудование для химчистки в основном включает плазменные очистители, которые используют высокоэнергетические частицы в плазме для взаимодействия с поверхностью пластины и удаления с неё остатков. Плазменная очистка особенно подходит для процессов, требующих сохранения целостности поверхности без попадания остатков химических веществ.
3. Автоматизированные системы очистки
В связи с непрерывным расширением производства полупроводников автоматизированные системы очистки стали предпочтительным выбором для крупномасштабной очистки пластин. Эти системы часто включают в себя автоматизированные механизмы передачи, многокамерные системы очистки и прецизионные системы управления, обеспечивающие стабильные результаты очистки каждой пластины.
5. Будущие тенденции
По мере того, как размеры полупроводниковых приборов продолжают уменьшаться, технология очистки пластин развивается в сторону более эффективных и экологичных решений. В будущем технологии очистки будут направлены на:
Удаление субнанометровых частиц: существующие технологии очистки позволяют справляться с частицами нанометрового размера, но с дальнейшим уменьшением размеров устройств удаление субнанометровых частиц станет новой проблемой.
Экологичная и безопасная для окружающей среды уборка: сокращение использования экологически вредных химических веществ и разработка более экологичных методов уборки, таких как озоновая очистка и мегазвуковая очистка, будут приобретать все большее значение.
Более высокий уровень автоматизации и интеллекта: интеллектуальные системы позволят осуществлять мониторинг и корректировку различных параметров в режиме реального времени в ходе процесса очистки, что еще больше повысит эффективность очистки и производительность производства.
Технология очистки пластин, являясь важнейшим этапом производства полупроводников, играет важнейшую роль в обеспечении чистоты поверхности пластин для последующих технологических процессов. Сочетание различных методов очистки эффективно удаляет загрязнения, обеспечивая чистую поверхность подложки для последующих этапов. По мере развития технологий процессы очистки будут продолжать оптимизироваться для удовлетворения требований к повышению точности и снижению уровня дефектов в производстве полупроводников.
Время публикации: 08 октября 2024 г.