Влажная очистка (Wet Clean) — один из важнейших этапов в процессах производства полупроводников, направленный на удаление различных загрязнений с поверхности пластины для обеспечения возможности выполнения последующих этапов процесса на чистой поверхности.
Поскольку размеры полупроводниковых устройств продолжают уменьшаться, а требования к точности возрастают, технические требования к процессам очистки пластин становятся все 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 производительность и надежность полупроводниковых устройств.
Основные принципы очистки пластин
Суть очистки пластин заключается в эффективном удалении различных загрязнений с поверхности пластины с помощью физических, химических и других методов, чтобы обеспечить чистую поверхность пластины, пригодную для последующей обработки.
Тип загрязнения
Основные факторы, влияющие на характеристики устройства
| Статья Загрязнение | Дефекты рисунка
Дефекты ионной имплантации
Дефекты пробоя изоляционной пленки
| |
| Металлическое загрязнение | Щелочные металлы | Нестабильность МОП-транзистора
Разрушение/деградация оксидной пленки затвора
|
| Тяжелые металлы | Повышенный ток обратной утечки PN-перехода.
Дефекты разрушения оксидной пленки затвора
Деградация срока службы второстепенных носителей
Генерация дефектов оксидного слоя возбуждения
| |
| Химическое загрязнение | Органический материал | Дефекты разрушения оксидной пленки затвора
Варианты пленки CVD (время инкубации)
Изменение толщины термооксидной пленки (ускоренное окисление)
Возникновение дымки (пластина, линза, зеркало, маска, сетка)
|
| Неорганические добавки (B, P) | V-й сдвиг МОП-транзистора
Si-подложка и вариации сопротивления листа поликремния с высоким сопротивлением
| |
| Неорганические основания (амины, аммиак) и кислоты (SOx) | Ухудшение разрешения химически усиленных резистов
Возникновение загрязнения частицами и помутнения из-за образования солей.
| |
| Нативные и химические оксидные пленки из-за влаги, 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, прикрепленных к поверхности пластины. Частицы меньшего размера труднее удалить из-за сильных электростатических сил между ними и поверхностью пластины, что требует специальной обработки.
Удаление органических материалов. Органические загрязнения, такие как жир и остатки 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 на поверхности пластины не было оксидных слоев, таких как оксид кремния. В таких случаях слои естественного оксида необходимо удалить во время определенных этапов очистки.
Задача технологии очистки пластин заключается в эффективном удалении загрязнений без негативного воздействия на поверхность пластины, например, в предотвращении шероховатости поверхности, коррозии или других физических повреждений.
2. Схема процесса очистки пластин
Процесс очистки пластин обычно включает в себя несколько этапов, обеспечивающих полное удаление загрязнений и достижение полностью чистой поверхности.
Рисунок: Сравнение периодической очистки и очистки одной пластины.
Типичный процесс очистки пластин включает в себя следующие основные этапы:
1. Предварительная очистка (Предварительная очистка)
Целью предварительной очистки является удаление с поверхности пластины незакрепленных загрязнений и крупных частиц, что обычно достигается путем промывки деионизированной водой (DI Water) и ультразвуковой очистки. Деионизированная вода может первоначально удалить частицы и растворенные примеси с поверхности пластины, в то время как ультразвуковая очистка использует эффекты кавитации, чтобы разорвать связь между частицами и поверхностью пластины, что облегчает их вытеснение.
2. Химическая очистка
Химическая очистка — один из основных этапов процесса очистки пластин, в котором используются химические растворы для удаления органических материалов, ионов металлов и оксидов с поверхности пластин.
Удаление органических материалов: Обычно для растворения и окисления органических загрязнений используется ацетон или смесь аммиака и пероксида (SC-1). Типичное соотношение для раствора SC-1 — NH₄OH.
₂О₂
₂O = 1:1:5, рабочая температура около 20°C.
Удаление ионов металлов: Азотная кислота или смеси соляной кислоты и пероксида (SC-2) используются для удаления ионов металлов с поверхности пластины. Типичное соотношение для раствора SC-2: HCl.
₂О₂
₂O = 1:1:6, при этом поддерживается температура около 80°С.
Удаление оксидов. В некоторых процессах требуется удаление слоя естественного оксида с поверхности пластины, для чего используется раствор плавиковой кислоты (HF). Типичное соотношение для раствора HF: HF
₂O = 1:50, его можно использовать при комнатной температуре.
3. Финальная уборка
После химической очистки пластины обычно подвергаются заключительному этапу очистки, чтобы гарантировать, что на поверхности не останутся химические остатки. При окончательной очистке для тщательного ополаскивания в основном используется деионизированная вода. Кроме того, для дальнейшего удаления любых оставшихся загрязнений с поверхности пластины используется очистка воды озоном (O₃/H₂O).
4. Сушка
Очищенные пластины необходимо быстро высушить, чтобы предотвратить образование водяных знаков или повторное прилипание загрязнений. Общие методы сушки включают центрифужную сушку и продувку азотом. Первый удаляет влагу с поверхности пластины путем вращения на высоких скоростях, а второй обеспечивает полное высыхание, продувая поверхность пластины сухим газообразным азотом.
Загрязнитель
Название процедуры очистки
Описание химической смеси
Химикаты
| Частицы | Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/ДИ вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°С |
| СК-1 (АПМ) | Гидроксид аммония/перекись водорода/ДИ вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°С | |
| Металлы (не медь) | СК-2 (ХПМ) | Соляная кислота/перекись водорода/ДИ вода | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°С |
| Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/ДИ вода | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°С | |
| ДХФ | Разбавьте плавиковую кислоту/ди-водой (медь не удалит). | HF/H2O1:50 | |
| Органика | Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/ДИ вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°С |
| СК-1 (АПМ) | Гидроксид аммония/перекись водорода/ДИ вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°С | |
| ДИО3 | Озон в деионизированной воде | Оптимизированные смеси O3/H2O | |
| Родной оксид | ДХФ | Разбавленная плавиковая кислота/ДИ вода | HF/H2O 1:100 |
| БХФ | Забуференная 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 выполнен в два этапа: SC-1 (Стандартная очистка 1) и SC-2 (Стандартная очистка 2).
Очистка SC-1: Этот этап в основном используется 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. Он оставляет тонкий пассивирующий слой на поверхности пластины для предотвращения повторного загрязнения.
2. Метод очистки Piranha (Piranha Etch Clean)
Метод очистки «Пиранья» — это 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 может удалить большое количество органических веществ и стойких загрязнений. Этот метод требует строгого контроля условий, особенно температуры и концентрации, чтобы не повредить пластину.
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 позволяет более эффективно удалять частицы субмикронного размера, не повреждая поверхность пластины.
4. Очистка озоном
Технология очистки озоном использует сильные окислительные свойства озона для разложения и удаления органических загрязнений с поверхности пластины, в конечном итоге превращая их в безвредный диоксид углерода и воду. Этот метод не требует использования дорогих химических реагентов и вызывает меньшее загрязнение окружающей среды, что делает его новой технологией в области очистки пластин.
4. Оборудование для очистки пластин.
Чтобы обеспечить эффективность и безопасность процессов очистки пластин, в производстве полупроводников используется разнообразное современное чистящее оборудование. К основным типам относятся:
1. Оборудование для влажной уборки
Оборудование для влажной очистки включает в себя различные погружные резервуары, резервуары для ультразвуковой очистки и центрифужные сушилки. Эти устройства объединяют механические силы и химические реагенты для удаления загрязнений с поверхности пластины. Погружные резервуары обычно оснащены системами контроля температуры для обеспечения стабильности и эффективности химических растворов.
2. Оборудование для химчистки
Оборудование для химической чистки в основном включает в себя плазменные очистители, которые используют частицы высокой энергии в плазме для взаимодействия и удаления остатков с поверхности пластины. Плазменная очистка особенно подходит для процессов, требующих сохранения целостности поверхности без попадания химических остатков.
3. Автоматизированные системы очистки.
С постоянным расширением производства полупроводников автоматизированные системы очистки стали предпочтительным выбором для крупномасштабной очистки пластин. Эти системы часто включают в себя автоматические механизмы транспортировки, системы очистки с несколькими резервуарами и системы точного контроля, обеспечивающие стабильные результаты очистки для каждой пластины.
5. Будущие тенденции
Поскольку полупроводниковые устройства продолжают сокращаться, технология очистки пластин развивается в сторону более эффективных и экологически чистых решений. Будущие технологии очистки будут сосредоточены на:
Удаление субнанометровых частиц. Существующие технологии очистки могут обрабатывать частицы нанометрового размера, но с дальнейшим уменьшением размера устройства удаление субнанометровых частиц станет новой проблемой.
Зеленая и экологически чистая очистка: сокращение использования экологически вредных химикатов и разработка более экологически чистых методов очистки, таких как очистка озоном и мегазвуковая очистка, будут становиться все более важными.
Более высокий уровень автоматизации и интеллекта: интеллектуальные системы позволят отслеживать и регулировать различные параметры в режиме реального времени в процессе очистки, что еще больше повысит эффективность очистки и производительность.
Технология очистки пластин, являющаяся важнейшим этапом в производстве полупроводников, играет жизненно важную роль в обеспечении чистоты поверхностей пластин для последующих процессов. Сочетание различных методов очистки эффективно удаляет загрязнения, обеспечивая чистую поверхность подложки для следующих этапов. По мере развития технологий процессы очистки будут продолжать оптимизироваться, чтобы удовлетворить требования к более высокой точности и снижению уровня дефектов в производстве полупроводников.
Время публикации: 08 октября 2024 г.