Мокрото почистване (Wet Clean) е една от критичните стъпки в процесите на производство на полупроводници, насочена към отстраняване на различни замърсители от повърхността на пластината, за да се гарантира, че следващите стъпки от процеса могат да се извършват върху чиста повърхност.
Тъй като размерът на полупроводниковите устройства продължава да се свива, а изискванията за прецизност се увеличават, техническите изисквания към процесите на почистване на пластините стават все по-строги. Дори най-малките частици, органични материали, метални йони или оксидни остатъци по повърхността на пластината могат значително да повлияят на производителността на устройството, като по този начин се отразят на добива и надеждността на полупроводниковите устройства.
Основни принципи на почистване на пластини
Същността на почистването на пластините се крие в ефективното отстраняване на различни замърсители от повърхността им чрез физични, химични и други методи, за да се гарантира, че пластината има чиста повърхност, подходяща за последваща обработка.
Вид замърсяване
Основни влияния върху характеристиките на устройството
| Замърсяване на изделието | Дефекти на шарките
Дефекти при йонна имплантация
Дефекти от разрушаване на изолационното фолио
| |
| Метално замърсяване | Алкални метали | Нестабилност на MOS транзистора
Разрушаване/разграждане на оксидния филм на портата
|
| Тежки метали | Увеличен обратен ток на утечка на PN прехода
Дефекти от разрушаване на оксидния филм на портата
Деградация на живота на малцинствените носители
Генериране на дефекти в оксиден възбуждащ слой
| |
| Химическо замърсяване | Органичен материал | Дефекти от разрушаване на оксидния филм на портата
Вариации на CVD филма (времена на инкубация)
Вариации в дебелината на термичния оксиден филм (ускорено окисление)
Поява на замъгляване (пластмаса, леща, огледало, маска, решетка)
|
| Неорганични добавки (B, P) | Vth измествания на MOS транзистора
Вариации на съпротивлението на Si субстрат и високосъпротивителен полисилициев лист
| |
| Неорганични основи (амини, амоняк) и киселини (SOx) | Влошаване на разделителната способност на химически усилени резисти
Поява на замърсяване с частици и мъгла поради образуване на сол
| |
| Естествени и химични оксидни филми, дължащи се на влага, въздух | Повишено контактно съпротивление
Разрушаване/разграждане на оксидния филм на портата
| |
По-конкретно, целите на процеса на почистване на пластините включват:
Отстраняване на частици: Използване на физични или химични методи за отстраняване на малки частици, прикрепени към повърхността на пластината. По-малките частици са по-трудни за отстраняване поради силните електростатични сили между тях и повърхността на пластината, което изисква специална обработка.
Отстраняване на органични материали: Органични замърсители, като мазнини и остатъци от фоторезист, могат да полепнат по повърхността на пластината. Тези замърсители обикновено се отстраняват с помощта на силни окислители или разтворители.
Отстраняване на метални йони: Остатъците от метални йони по повърхността на пластината могат да влошат електрическите характеристики и дори да повлияят на последващите стъпки на обработка. Поради това се използват специфични химични разтвори за отстраняване на тези йони.
Отстраняване на оксиди: Някои процеси изискват повърхността на пластината да е без оксидни слоеве, като например силициев оксид. В такива случаи естествените оксидни слоеве трябва да бъдат отстранени по време на определени стъпки на почистване.
Предизвикателството на технологията за почистване на пластини се състои в ефикасното отстраняване на замърсителите, без да се засяга неблагоприятно повърхността на пластината, като например предотвратяване на награпяване на повърхността, корозия или други физически повреди.
2. Процес на почистване на пластини
Процесът на почистване на пластини обикновено включва няколко стъпки, за да се осигури пълното отстраняване на замърсителите и да се постигне напълно чиста повърхност.
Фигура: Сравнение между почистване на партиди и почистване на единични пластини
Типичният процес на почистване на пластини включва следните основни стъпки:
1. Предварително почистване (Pre-Clean)
Целта на предварителното почистване е да се отстранят свободните замърсители и големите частици от повърхността на пластината, което обикновено се постига чрез изплакване с дейонизирана вода (DI вода) и ултразвуково почистване. Дейонизираната вода може първоначално да премахне частиците и разтворените примеси от повърхността на пластината, докато ултразвуковото почистване използва кавитационни ефекти, за да разкъса връзката между частиците и повърхността на пластината, което улеснява отделянето им.
2. Химическо почистване
Химическото почистване е една от основните стъпки в процеса на почистване на пластини, като се използват химически разтвори за отстраняване на органични материали, метални йони и оксиди от повърхността на пластината.
Отстраняване на органични материали: Обикновено се използва ацетон или смес от амоняк/пероксид (SC-1) за разтваряне и окисляване на органични замърсители. Типичното съотношение за разтвора на SC-1 е NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, с работна температура около 20°C.
Отстраняване на метални йони: За отстраняване на метални йони от повърхността на пластината се използват азотна киселина или смеси от солна киселина/пероксид (SC-2). Типичното съотношение за разтвора на SC-2 е HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, като температурата се поддържа приблизително 80°C.
Отстраняване на оксиди: В някои процеси е необходимо отстраняване на естествения оксиден слой от повърхността на пластината, за което се използва разтвор на флуороводородна киселина (HF). Типичното съотношение за HF разтвор е HF
₂O = 1:50 и може да се използва при стайна температура.
3. Последно почистване
След химическо почистване, пластините обикновено преминават през последна стъпка на почистване, за да се гарантира, че по повърхността не остават химически остатъци. За окончателно почистване се използва главно дейонизирана вода за цялостно изплакване. Освен това се използва почистване с озонова вода (O₃/H₂O) за допълнително отстраняване на всички останали замърсители от повърхността на пластината.
4. Сушене
Почистените пластини трябва да се изсушат бързо, за да се предотврати образуването на водни следи или повторно замърсяване. Често срещаните методи за сушене включват центрофугиране и продухване с азот. Първият метод премахва влагата от повърхността на пластината чрез въртене с висока скорост, докато вторият осигурява пълно изсушаване чрез продухване на сух азотен газ върху повърхността на пластината.
Замърсител
Име на процедурата за почистване
Описание на химичната смес
Химикали
| Частици | Пираня (SPM) | Сярна киселина/водороден пероксид/деионизирана вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| СК-1 (АПМ) | Амониев хидроксид/водороден пероксид/деионизирана вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Метали (без мед) | СК-2 (HPM) | Солна киселина/водороден пероксид/деионизирана вода | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Пираня (SPM) | Сярна киселина/водороден пероксид/деионизирана вода | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| ДХФ | Разредена флуороводородна киселина/деионизирана вода (няма да премахне медта) | HF/H2O1:50 | |
| Органични продукти | Пираня (SPM) | Сярна киселина/водороден пероксид/деионизирана вода | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| СК-1 (АПМ) | Амониев хидроксид/водороден пероксид/деионизирана вода | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Озон в дейонизирана вода | O3/H2O оптимизирани смеси | |
| Природен оксид | ДХФ | Разредена флуороводородна киселина/деионизирана вода | HF/H2O 1:100 |
| БХФ | Буферирана флуороводородна киселина | NH4F/HF/H2O |
3. Често срещани методи за почистване на пластини
1. Метод за почистване на RCA
Методът за почистване RCA е една от най-класическите техники за почистване на пластини в полупроводниковата индустрия, разработена от RCA Corporation преди повече от 40 години. Този метод се използва предимно за отстраняване на органични замърсители и метални йонни примеси и може да се извърши на два етапа: SC-1 (Стандартно почистване 1) и SC-2 (Стандартно почистване 2).
SC-1 Почистване: Тази стъпка се използва главно за отстраняване на органични замърсители и частици. Разтворът е смес от амоняк, водороден пероксид и вода, която образува тънък слой силициев оксид върху повърхността на пластината.
SC-2 Почистване: Тази стъпка се използва предимно за отстраняване на замърсители от метални йони, като се използва смес от солна киселина, водороден пероксид и вода. Тя оставя тънък пасивационен слой върху повърхността на пластината, за да се предотврати повторно замърсяване.
2. Метод за почистване на пирани (Piranha Etch Clean)
Методът за почистване с Piranha е високоефективна техника за отстраняване на органични материали, използваща смес от сярна киселина и водороден пероксид, обикновено в съотношение 3:1 или 4:1. Поради изключително силните окислителни свойства на този разтвор, той може да премахне голямо количество органична материя и упорити замърсители. Този метод изисква строг контрол на условията, особено по отношение на температурата и концентрацията, за да се избегне повреждане на пластината.
Ултразвуковото почистване използва кавитационния ефект, генериран от високочестотни звукови вълни в течност, за отстраняване на замърсители от повърхността на пластината. В сравнение с традиционното ултразвуково почистване, мегазвуковото почистване работи на по-висока честота, което позволява по-ефективно отстраняване на частици с размер под микрона, без да се причинява увреждане на повърхността на пластината.
4. Почистване с озон
Технологията за почистване с озон използва силните окислителни свойства на озона, за да разгради и премахне органичните замърсители от повърхността на пластината, като в крайна сметка ги превърне в безвреден въглероден диоксид и вода. Този метод не изисква използването на скъпи химически реактиви и причинява по-малко замърсяване на околната среда, което го прави новаторска технология в областта на почистването на пластини.
4. Оборудване за почистване на пластини
За да се гарантира ефективността и безопасността на процесите на почистване на пластини, в производството на полупроводници се използва разнообразно усъвършенствано почистващо оборудване. Основните видове включват:
1. Оборудване за мокро почистване
Оборудването за мокро почистване включва различни потапящи резервоари, ултразвукови почистващи резервоари и центрофугиращи сушилни. Тези устройства комбинират механични сили и химични реактиви за отстраняване на замърсители от повърхността на пластината. Потапящите резервоари обикновено са оборудвани със системи за контрол на температурата, за да се гарантира стабилността и ефективността на химичните разтвори.
2. Оборудване за химическо чистене
Оборудването за химическо чистене включва главно плазмени почистващи машини, които използват високоенергийни частици в плазмата, за да реагират с повърхността на пластината и да отстраняват остатъци от нея. Плазменото почистване е особено подходящо за процеси, които изискват поддържане на целостта на повърхността без въвеждане на химически остатъци.
3. Автоматизирани системи за почистване
С непрекъснатото разширяване на производството на полупроводници, автоматизираните почистващи системи се превърнаха в предпочитан избор за почистване на пластини в голям мащаб. Тези системи често включват автоматизирани механизми за прехвърляне, системи за почистване с множество резервоари и системи за прецизен контрол, за да се осигурят постоянни резултати от почистването на всяка пластина.
5. Бъдещи тенденции
Тъй като полупроводниковите устройства продължават да се свиват, технологията за почистване на пластини се развива към по-ефективни и екологични решения. Бъдещите технологии за почистване ще се фокусират върху:
Отстраняване на субнанометрови частици: Съществуващите технологии за почистване могат да се справят с нанометрови частици, но с по-нататъшното намаляване на размера на устройствата, премахването на субнанометрови частици ще се превърне в ново предизвикателство.
Екологично почистване: Намаляването на употребата на вредни за околната среда химикали и разработването на по-екологични методи за почистване, като например озоново почистване и мегазвуково почистване, ще стават все по-важни.
По-високи нива на автоматизация и интелигентност: Интелигентните системи ще позволят наблюдение и регулиране в реално време на различни параметри по време на процеса на почистване, което допълнително ще подобри ефективността на почистването и производствената ефективност.
Технологията за почистване на пластини, като критична стъпка в производството на полупроводници, играе жизненоважна роля за осигуряване на чисти повърхности на пластините за последващите процеси. Комбинацията от различни методи за почистване ефективно премахва замърсителите, осигурявайки чиста повърхност на субстрата за следващите стъпки. С напредването на технологиите, процесите на почистване ще продължат да бъдат оптимизирани, за да отговорят на изискванията за по-висока прецизност и по-ниски нива на дефекти в производството на полупроводници.
Време на публикуване: 08.08.2024 г.