Mokré čištění (Wet Clean) je jedním z klíčových kroků v procesech výroby polovodičů, jehož cílem je odstranit různé nečistoty z povrchu destičky, aby se zajistilo, že následné kroky procesu lze provádět na čistém povrchu.
S tím, jak se velikost polovodičových součástek neustále zmenšuje a požadavky na přesnost rostou, jsou technické nároky na procesy čištění destiček stále přísnější. I ty nejmenší částice, organické materiály, kovové ionty nebo zbytky oxidů na povrchu destičky mohou významně ovlivnit výkon součástky, a tím i výtěžnost a spolehlivost polovodičových součástek.
Základní principy čištění destiček
Jádrem čištění destiček je efektivní odstranění různých kontaminantů z povrchu destiček pomocí fyzikálních, chemických a dalších metod, aby se zajistilo, že destička bude mít čistý povrch vhodný pro následné zpracování.
Typ kontaminace
Hlavní vlivy na vlastnosti zařízení
| Kontaminace výrobku | Vady vzoru
Vady iontové implantace
Vady způsobené poškozením izolační fólie
| |
| Kovová kontaminace | Alkalické kovy | Nestabilita MOS tranzistoru
Rozpad/degradace oxidového filmu brány
|
| Těžké kovy | Zvýšený zpětný svodový proud PN přechodu
Vady průrazu oxidového filmu hradla
Degradace životnosti menšinových nosičů
Generování defektů excitační vrstvy oxidu
| |
| Chemická kontaminace | Organický materiál | Vady průrazu oxidového filmu hradla
Variace CVD filmu (inkubační doby)
Změny tloušťky tepelného oxidového filmu (zrychlená oxidace)
Výskyt zákalu (oplatka, čočka, zrcadlo, maska, osnová síť)
|
| Anorganické příměsi (B, P) | Vth posuny MOS tranzistoru
Změny odporu křemíkového substrátu a vysoce odolné polykřemíkové desky
| |
| Anorganické zásady (aminy, amoniak) a kyseliny (SOx) | Degradace rozlišení chemicky zesílených rezistů
Výskyt kontaminace částicemi a zákalu v důsledku tvorby soli
| |
| Přírodní a chemické oxidové filmy v důsledku vlhkosti a vzduchu | Zvýšený kontaktní odpor
Rozpad/degradace oxidového filmu brány
| |
Konkrétně mezi cíle procesu čištění destiček patří:
Odstranění částic: Použití fyzikálních nebo chemických metod k odstranění malých částic přichycených k povrchu destičky. Menší částice se obtížněji odstraňují kvůli silným elektrostatickým silám mezi nimi a povrchem destičky a vyžadují speciální ošetření.
Odstranění organického materiálu: Na povrchu destičky mohou ulpět organické kontaminanty, jako jsou mastnota a zbytky fotorezistu. Tyto kontaminanty se obvykle odstraňují pomocí silných oxidačních činidel nebo rozpouštědel.
Odstranění kovových iontů: Zbytky kovových iontů na povrchu destičky mohou zhoršit elektrický výkon a dokonce ovlivnit následné kroky zpracování. Proto se k odstranění těchto iontů používají specifické chemické roztoky.
Odstranění oxidů: Některé procesy vyžadují, aby byl povrch destičky bez oxidových vrstev, jako je oxid křemičitý. V takových případech je nutné během určitých kroků čištění odstranit přirozené oxidové vrstvy.
Výzva technologie čištění destiček spočívá v efektivním odstraňování kontaminantů bez nepříznivého ovlivnění povrchu destičky, jako je zabránění zdrsnění povrchu, korozi nebo jinému fyzickému poškození.
2. Postup čištění destiček
Proces čištění destiček obvykle zahrnuje několik kroků, které zajišťují úplné odstranění nečistot a dosažení zcela čistého povrchu.
Obrázek: Porovnání mezi dávkovým a jednorázovým čištěním destiček
Typický proces čištění destiček zahrnuje následující hlavní kroky:
1. Předčištění (Pre-Clean)
Účelem předčištění je odstranit uvolněné nečistoty a velké částice z povrchu destičky, čehož se obvykle dosahuje oplachováním deionizovanou vodou (DI Water) a ultrazvukovým čištěním. Deionizovaná voda může zpočátku odstranit částice a rozpuštěné nečistoty z povrchu destičky, zatímco ultrazvukové čištění využívá kavitační efekty k narušení vazby mezi částicemi a povrchem destičky, což usnadňuje jejich uvolnění.
2. Chemické čištění
Chemické čištění je jedním z klíčových kroků procesu čištění destiček, při kterém se z povrchu destiček odstraňují organické materiály, kovové ionty a oxidy.
Odstraňování organických látek: K rozpouštění a oxidaci organických kontaminantů se obvykle používá aceton nebo směs amoniaku a peroxidu (SC-1). Typický poměr pro roztok SC-1 je NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, s pracovní teplotou okolo 20 °C.
Odstranění kovových iontů: K odstranění kovových iontů z povrchu destičky se používá kyselina dusičná nebo směs kyseliny chlorovodíkové a peroxidu (SC-2). Typický poměr pro roztok SC-2 je HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, přičemž teplota se udržuje na přibližně 80 °C.
Odstranění oxidu: V některých procesech je nutné odstranit nativní oxidovou vrstvu z povrchu destičky, k čemuž se používá roztok kyseliny fluorovodíkové (HF). Typický poměr pro roztok HF je HF
₂O = 1:50 a lze jej použít při pokojové teplotě.
3. Závěrečný úklid
Po chemickém čištění obvykle procházejí destičky závěrečným čištěním, aby se zajistilo, že na povrchu nezůstanou žádné chemické zbytky. Závěrečné čištění se pro důkladné opláchnutí používá hlavně deionizovaná voda. Kromě toho se k dalšímu odstranění všech zbývajících kontaminantů z povrchu destičky používá čištění ozonovou vodou (O₃/H₂O).
4. Sušení
Vyčištěné destičky musí být rychle vysušeny, aby se zabránilo vzniku vodních skvrn nebo opětovnému usazování kontaminantů. Mezi běžné metody sušení patří odstředivé sušení a proplachování dusíkem. První metoda odstraňuje vlhkost z povrchu destičky odstředěním při vysokých rychlostech, zatímco druhá metoda zajišťuje úplné vysušení foukáním suchého plynného dusíku přes povrch destičky.
Kontaminant
Název postupu čištění
Popis chemické směsi
Chemikálie
| Částice | Piranha (SPM) | Kyselina sírová/peroxid vodíku/deionizovaná voda | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hydroxid amonný/peroxid vodíku/deionizovaná voda | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| Kovy (ne měď) | SC-2 (HPM) | Kyselina chlorovodíková/peroxid vodíku/deionizovaná voda | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Kyselina sírová/peroxid vodíku/deionizovaná voda | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Zředěná kyselina fluorovodíková/deionizovaná voda (neodstraní měď) | HF/H2O1:50 | |
| Organické látky | Piranha (SPM) | Kyselina sírová/peroxid vodíku/deionizovaná voda | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hydroxid amonný/peroxid vodíku/deionizovaná voda | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Ozon v deionizované vodě | Směsi optimalizované pro O3/H2O | |
| Nativní oxid | DHF | Zředěná kyselina fluorovodíková/deionizovaná voda | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Pufrovaná kyselina fluorovodíková | NH4F/HF/H2O |
3. Běžné metody čištění destiček
1. Metoda čištění RCA
Metoda čištění RCA je jednou z nejklasičtějších technik čištění waferů v polovodičovém průmyslu, kterou vyvinula společnost RCA Corporation před více než 40 lety. Tato metoda se používá především k odstranění organických kontaminantů a nečistot z kovových iontů a lze ji provést ve dvou krocích: SC-1 (standardní čištění 1) a SC-2 (standardní čištění 2).
Čištění SC-1: Tento krok se používá hlavně k odstranění organických kontaminantů a částic. Roztok je směsí amoniaku, peroxidu vodíku a vody, která na povrchu destičky vytváří tenkou vrstvu oxidu křemičitého.
Čištění SC-2: Tento krok se primárně používá k odstranění kontaminantů kovovými ionty pomocí směsi kyseliny chlorovodíkové, peroxidu vodíku a vody. Na povrchu destičky zanechává tenkou pasivační vrstvu, která zabraňuje opětovné kontaminaci.
2. Metoda čištění piraní (Piranha Etch Clean)
Metoda čištění Piranha je vysoce účinná technika pro odstraňování organických materiálů, která používá směs kyseliny sírové a peroxidu vodíku, obvykle v poměru 3:1 nebo 4:1. Díky extrémně silným oxidačním vlastnostem tohoto roztoku dokáže odstranit velké množství organické hmoty a odolných kontaminantů. Tato metoda vyžaduje přísnou kontrolu podmínek, zejména pokud jde o teplotu a koncentraci, aby se zabránilo poškození destičky.
Ultrazvukové čištění využívá kavitační efekt generovaný vysokofrekvenčními zvukovými vlnami v kapalině k odstranění nečistot z povrchu destičky. Ve srovnání s tradičním ultrazvukovým čištěním pracuje megasonické čištění na vyšší frekvenci, což umožňuje efektivnější odstraňování částic o velikosti menší než mikron, aniž by došlo k poškození povrchu destičky.
4. Čištění ozonem
Technologie čištění ozonem využívá silné oxidační vlastnosti ozonu k rozkladu a odstraňování organických kontaminantů z povrchu destiček, které se nakonec přeměňují na neškodný oxid uhličitý a vodu. Tato metoda nevyžaduje použití drahých chemických činidel a způsobuje menší znečištění životního prostředí, což z ní činí nově vznikající technologii v oblasti čištění destiček.
4. Zařízení pro čištění destiček
Pro zajištění efektivity a bezpečnosti procesů čištění destiček se při výrobě polovodičů používá řada pokročilých čisticích zařízení. Mezi hlavní typy patří:
1. Zařízení pro mokré čištění
Zařízení pro mokré čištění zahrnují různé imerzní nádrže, ultrazvukové čisticí nádrže a odstředivky. Tato zařízení kombinují mechanické síly a chemické činidla k odstranění nečistot z povrchu destičky. Imerzní nádrže jsou obvykle vybaveny systémy regulace teploty, které zajišťují stabilitu a účinnost chemických roztoků.
2. Zařízení pro chemické čištění
Zařízení pro chemické čištění zahrnují především plazmové čističe, které využívají vysokoenergetické částice v plazmatu k reakci s povrchem destičky a odstraňování zbytků z ní. Plazmové čištění je obzvláště vhodné pro procesy, které vyžadují zachování integrity povrchu bez zanášení chemických zbytků.
3. Automatizované čisticí systémy
S neustálým rozšiřováním výroby polovodičů se automatizované čisticí systémy staly preferovanou volbou pro čištění destiček ve velkém měřítku. Tyto systémy často zahrnují automatizované přepravní mechanismy, vícenádržové čisticí systémy a systémy přesného řízení, které zajišťují konzistentní výsledky čištění pro každou destičku.
5. Budoucí trendy
Vzhledem k tomu, že se polovodičové součástky stále zmenšují, technologie čištění waferů se vyvíjí směrem k efektivnějším a ekologičtějším řešením. Budoucí technologie čištění se zaměří na:
Odstraňování subnanometrových částic: Stávající čisticí technologie si dokáží poradit s nanometrovými částicemi, ale s dalším zmenšováním velikosti zařízení se odstraňování subnanometrových částic stane novou výzvou.
Zelené a ekologické čištění: Stále důležitější bude snižování používání chemikálií škodlivých pro životní prostředí a vývoj ekologičtějších čisticích metod, jako je čištění ozonem a megasonické čištění.
Vyšší úrovně automatizace a inteligence: Inteligentní systémy umožní monitorování a úpravu různých parametrů v reálném čase během procesu čištění, což dále zlepší účinnost čištění a efektivitu výroby.
Technologie čištění destiček, jakožto klíčový krok ve výrobě polovodičů, hraje zásadní roli v zajištění čistých povrchů destiček pro následné procesy. Kombinace různých čisticích metod účinně odstraňuje kontaminanty a zajišťuje čistý povrch substrátu pro další kroky. S rozvojem technologií budou čisticí procesy i nadále optimalizovány tak, aby splňovaly požadavky na vyšší přesnost a nižší míru vad při výrobě polovodičů.
Čas zveřejnění: 8. října 2024