Влажная очистка (Wet Clean) — один из важнейших этапов в процессах производства полупроводников, направленный на удаление различных загрязнений с поверхности пластины, чтобы обеспечить возможность выполнения последующих технологических этапов на чистой поверхности.
По мере того как размеры полупроводниковых устройств продолжают уменьшаться, а требования к точности возрастают, технические требования к процессам очистки пластин становятся все более жесткими. Даже мельчайшие частицы, органические материалы, ионы металлов или остатки оксидов на поверхности пластины могут существенно повлиять на производительность устройства, тем самым сказався на выходе годных изделий и надежности полупроводниковых устройств.
Основные принципы очистки вафель
Суть очистки кремниевых пластин заключается в эффективном удалении различных загрязнений с поверхности пластины с помощью физических, химических и других методов, чтобы обеспечить чистоту поверхности пластины, пригодную для последующей обработки.
Тип загрязнения
Основные факторы, влияющие на характеристики устройства
| Загрязнение частиц | Дефекты рисунка
Дефекты ионной имплантации
Дефекты пробоя изоляционной пленки
| |
| Металлическое загрязнение | Щелочные металлы | нестабильность МОП-транзистора
Пробой/деградация оксидной пленки затвора
|
| Тяжелые металлы | Увеличение обратного тока утечки PN-перехода
Дефекты пробоя оксидной пленки затвора
деградация срока службы неосновных носителей заряда
Генерация дефектов в слое возбуждения оксида
| |
| Химическое загрязнение | Органический материал | Дефекты пробоя оксидной пленки затвора
Вариации пленок, полученных методом химического осаждения из газовой фазы (время инкубации).
Изменения толщины термической оксидной пленки (ускоренное окисление)
Появление дымки (на пластине, линзе, зеркале, маске, фотошаблоне)
|
| Неорганические легирующие добавки (B, P) | МОП-транзистор сдвигает пороговое напряжение Vth.
Вариации удельного сопротивления кремниевой подложки и высокоомного поликристаллического кремния
| |
| Неорганические основания (амины, аммиак) и кислоты (сульфиды) | Снижение разрешающей способности химически усиленных резистов.
Возникновение загрязнения частицами и смога вследствие образования солей.
| |
| Естественные и химические оксидные пленки, образующиеся под воздействием влаги и воздуха. | Повышенное контактное сопротивление
Пробой/деградация оксидной пленки затвора
| |
В частности, к целям процесса очистки кремниевых пластин относятся:
Удаление частиц: Использование физических или химических методов для удаления мелких частиц, прилипших к поверхности пластины. Более мелкие частицы удалить сложнее из-за сильных электростатических сил между ними и поверхностью пластины, что требует специальной обработки.
Удаление органических загрязнений: Органические загрязнения, такие как жир и остатки фоторезиста, могут прилипать к поверхности подложки. Эти загрязнения обычно удаляются с помощью сильных окислителей или растворителей.
Удаление ионов металлов: Остатки ионов металлов на поверхности пластины могут ухудшать электрические характеристики и даже влиять 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 слоев, таких как оксид кремния. В таких случаях естественные оксидные слои необходимо удалять на определенных этапах очистки.
Основная сложность технологии очистки кремниевых пластин заключается в эффективном удалении загрязнений без негативного воздействия на поверхность пластины, например, без предотвращения образования шероховатости, коррозии или других физических повреждений.
2. Технологический процесс очистки пластин
Процесс очистки кремниевых пластин обычно включает в себя несколько этапов, обеспечивающих полное удаление загрязнений и получение идеально чистой поверхности.
Рисунок: Сравнение пакетной и одноэтапной очистки пластин.
Типичный процесс очистки кремниевых пластин включает следующие основные этапы:
1. Предварительная очистка (Pre-Clean)
Целью предварительной очистки является удаление рыхлых загрязнений и крупных частиц с поверхности пластины, что обычно достигается путем промывки деионизированной водой и ультразвуковой очистки. Деионизированная вода может первоначально удалить частицы и растворенные примеси с поверхности пластины, в то время как ультразвуковая очистка использует кавитационные эффекты для разрушения связи между частицами и поверхностью пластины, что облегчает их удаление.
2. Химическая очистка
Химическая очистка — один из ключевых этапов процесса очистки кремниевых пластин, при котором с помощью химических растворов удаляются органические вещества, ионы металлов и оксиды с поверхности пластины.
Удаление органических веществ: Обычно для растворения и окисления органических загрязнений используют 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°C.
Удаление ионов металлов: Для удаления ионов металлов с поверхности пластины используются азотная кислота или смеси 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 приблизительно 80°C.
Удаление оксида: В некоторых процессах требуется удаление естественного слоя оксида с поверхности пластины, для чего используется раствор фтористоводородной кислоты (HF). Типичное соотношение для раствора HF составляет HF.
₂O = 1:50, и его можно использовать при комнатной температуре.
3. Заключительная уборка
После химической очистки пластины обычно проходят заключительный этап очистки, чтобы исключить наличие химических остатков на поверхности. Заключительная очистка в основном осуществляется с использованием деионизированной воды для тщательного ополаскивания. Кроме того, для дальнейшего удаления любых оставшихся загрязнений с поверхности пластины используется очистка озонированной водой (O₃/H₂O).
4. Сушка
Очищенные пластины необходимо быстро высушить, чтобы предотвратить появление водяных пятен или повторное прилипание загрязнений. Распространенные методы сушки включают центрифужную сушку и продувку азотом. Первый метод удаляет влагу с поверхности пластины путем вращения на высоких скоростях, а второй обеспечивает полное высыхание путем продувки поверхности пластины сухим азотом.
Загрязняющее вещество
Название процедуры очистки
Описание химической смеси
Химические вещества
| Частицы | Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Гидроксид аммония/перекись водорода/деионизированная вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Металлы (кроме меди) | SC-2 (HPM) | 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 | |
| ДХФ | Разбавленная фтороводородная кислота/деионизированная вода (не удаляет медь) | HF/H2O 1:50 | |
| Органические продукты | Пиранья (СПМ) | Серная кислота/перекись водорода/деионизированная вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Гидроксид аммония/перекись водорода/деионизированная вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Озон в деионизированной воде | Оптимизированные смеси O3/H2O | |
| Природный оксид | ДХФ | Разбавленная фтороводородная кислота/деионизированная вода | HF/H2O 1:100 |
| БХФ | Буферизованная фтороводородная кислота | NH4F/HF/H2O |
3. Распространенные методы очистки кремниевых пластин
1. Метод очистки RCA
Метод очистки RCA — одна из самых классических технологий очистки полупроводниковых пластин, разработанная 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, предотвращая повторное загрязнение.
2. Метод очистки «Пиранья» (очистка травлением «Пиранья»)
Метод очистки «Пиранья» — это высокоэффективная технология удаления органических веществ 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 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 без повреждения поверхности пластины.
4. Озоновая очистка
Технология очистки озоном использует сильные окислительные свойства озона для разложения и удаления органических загрязнений с поверхности кремниевой 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 перспективной технологией в области очистки кремниевых пластин.
4. Оборудование для процесса очистки пластин
Для обеспечения эффективности и безопасности процессов очистки полупроводниковых пластин в полупроводниковом производстве используется разнообразное современное очистное оборудование. Основные типы включают:
1. Оборудование для влажной уборки
Оборудование для влажной очистки включает в себя различные погружные ванны, ультразвуковые ванны и центрифуги. Эти устройства сочетают механические усилия и химические реагенты для удаления загрязнений с поверхности пластины. Погружные ванны, как правило, оснащены системами контроля температуры для обеспечения стабильности и эффективности химических растворов.
2. Оборудование для химчистки
Оборудование для сухой очистки в основном включает плазменные очистители, которые используют высокоэнергетические частицы в плазме для взаимодействия с поверхностью пластины и удаления с нее остатков. Плазменная очистка особенно подходит для процессов, требующих сохранения целостности поверхности без образования химических остатков.
3. Автоматизированные системы очистки
В условиях непрерывного расширения производства полупроводников автоматизированные системы очистки стали предпочтительным выбором для крупномасштабной очистки кремниевых пластин. Эти системы часто включают в себя автоматизированные механизмы переноса, многорезервуарные системы очистки и системы точного управления, обеспечивающие стабильные результаты очистки каждой пластины.
5. Будущие тенденции
По мере уменьшения размеров полупроводниковых устройств технологии очистки пластин развиваются в направлении более эффективных и экологически чистых решений. Будущие технологии очистки будут сосредоточены на:
Удаление субнанометровых частиц: Существующие технологии очистки способны справляться с частицами нанометрового масштаба, но с дальнейшим уменьшением размеров устройств удаление субнанометровых частиц станет новой проблемой.
Экологичная и безопасная уборка: сокращение использования вредных для окружающей среды химикатов и разработка более экологичных методов уборки, таких как озонирование 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 процессе очистки, что еще больше повысит эффективность очистки и производительность.
Технология очистки пластин, как важнейший этап в производстве полупроводников, играет жизненно важную роль в обеспечении чистоты поверхности 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 постоянно оптимизироваться для удовлетворения требований к более высокой точности и более низкому уровню дефектов в производстве полупроводников.
Дата публикации: 08.10.2024