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.
Поскольку размер полупроводниковых приборов продолжает уменьшаться, а требования к точности растут, технические требования к процессам очистки пластин становятся все более строгими. Даже самые мелкие частицы, органические материалы, ионы металлов или остатки оксидов на поверхности пластины могут существенно повлиять на производительность устройства, тем самым влияя на выход и надежность 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 | Увеличение обратного тока утечки PN-перехода
Дефекты пробоя оксидной пленки затвора
Уменьшение срока службы неосновных носителей заряда
Образование дефектов в слое возбуждения оксида
| |
| Химическое загрязнение | Органический материал | Дефекты пробоя оксидной пленки затвора
Вариации CVD-пленки (время инкубации)
Изменение толщины термической оксидной пленки (ускоренное окисление)
Возникновение дымки (пластина, линза, зеркало, маска, сетка)
|
| Неорганические легирующие примеси (B, P) | МОП-транзистор Vth сдвигает
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, прикрепленных 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 оксида: Некоторые процессы требуют, чтобы поверхность пластины была свободна от оксидных слоев, таких как оксид кремния. В таких случаях естественные оксидные слои необходимо удалить во время определенных этапов очистки.
Задача технологии очистки пластин заключается в эффективном удалении загрязнений без неблагоприятного воздействия на поверхность пластины, например, предотвращения огрубления поверхности, коррозии или других физических повреждений.
2. Поток процесса очистки пластин
Процесс очистки пластин обычно включает несколько этапов, обеспечивающих полное удаление загрязнений и получение полностью чистой поверхности.
Рисунок: Сравнение пакетной и поэлементной очистки
Типичный процесс очистки пластин включает следующие основные этапы:
1. Предварительная очистка (Pre-Clean)
Целью предварительной очистки является удаление свободных загрязнений и крупных частиц с поверхности пластины, 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 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 котором химические растворы удаляют органические материалы, ионы металлов и оксиды с поверхности пластины.
Удаление органических материалов: Обычно для растворения и окисления органических загрязнений используется ацетон или смесь аммиака/перекиси (SC-1). Типичное соотношение для раствора SC-1 составляет NH₄OH
₂О₂
₂O = 1:1:5, при рабочей температуре около 20°C.
Удаление ионов металлов: для удаления ионов металлов с поверхности пластины используются смеси азотной кислоты или соляной кислоты/перекиси (SC-2). Типичное соотношение для раствора SC-2 — HCl
₂О₂
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 составляет HF
₂O = 1:50, его можно использовать при комнатной температуре.
3. Финальная уборка
После химической очистки пластины обычно проходят заключительный этап очистки, чтобы гарантировать отсутствие остатков химикатов на поверхности. При заключительной очистке в основном используется деионизированная вода для тщательного ополаскивания. Кроме того, для дальнейшего удаления любых оставшихся загрязнений с поверхности пластины используется очистка озоновой водой (O₃/H₂O).
4. Сушка
Очищенные пластины необходимо быстро высушить, чтобы предотвратить появление водяных знаков или повторное присоединение загрязнений. Обычные методы сушки включают в себя сушку вращением и продувку азотом. Первый способ удаляет влагу с поверхности пластины путем вращения на высоких скоростях, тогда как последний обеспечивает полную сушку путем продувки поверхности пластины сухим азотным газом.
Загрязнитель
Название процедуры очистки
Описание химической смеси
Химикаты
| Частицы | Пиранья (SPM) | 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 (SPM) | Серная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°С | |
| ДХФ | Разбавленная плавиковая кислота/деионизированная вода (не удаляет медь) | HF/H2O1:50 | |
| Органика | Пиранья (SPM) | 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 | ДХФ | 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 является одним из самых классических методов очистки пластин в полупроводниковой промышленности, разработанным 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 (Standard Clean 1) и SC-2 (Standard Clean 2).
Очистка SC-1: Этот шаг 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 шаг в основном используется для удаления загрязняющих веществ, содержащих ионы металлов, с использованием 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 Piranha — 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 удалять большое количество органических веществ и стойких 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 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 углекислый газ и воду. Этот метод не требует использования дорогостоящих химических реагентов и вызывает меньшее загрязнение окружающей среды, что делает его новой технологией в области очистки пластин.
4. Оборудование для процесса очистки пластин
Для обеспечения эффективности и безопасности процессов очистки пластин в производстве полупроводников используется разнообразное современное очистное оборудование. Основные типы включают:
1. Оборудование для влажной уборки
Оборудование для влажной очистки включает в себя различные иммерсионные ванны, ультразвуковые ванны и центробежные сушилки. Эти устройства объединяют механические силы 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 реакции с остатками и их удаления с поверхности пластины. Плазменная очистка особенно подходит для процессов, требующих поддержания целостности поверхности без введения 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 автоматизированные механизмы передачи, многобаковые системы очистки и прецизионные системы управления для обеспечения единообразных результатов очистки для каждой пластины.
5. Будущие тенденции
Поскольку полупроводниковые приборы продолжают уменьшаться, технология очистки пластин развивается в сторону более эффективных и экологически чистых решений. Будущие технологии очистки будут сосредоточены на:
Удаление субнанометровых частиц: существующие технологии очистки позволяют справляться с частицами нанометрового размера, но с дальнейшим уменьшением размера устройств удаление субнанометровых частиц станет новой проблемой.
Экологичная и безопасная для окружающей среды уборка: сокращение использования экологически вредных химикатов и разработка более экологичных методов уборки, таких как озоновая очистка и мегазвуковая очистка, будут становиться все более важными.
Более высокий уровень автоматизации и интеллекта: интеллектуальные системы позволят в режиме реального времени контролировать и корректировать различные параметры в процессе очистки, что еще больше повысит эффективность очистки и производительность производства.
Технология очистки пластин, как критический шаг в производстве полупроводников, играет важную роль в обеспечении чистых 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 для удовлетворения требований более высокой точности и более низкого уровня дефектов в производстве полупроводников.
Время публикации: 08-окт. 2024 г.