Våtrengöring (Wet Clean) är ett av de kritiska stegen i halvledartillverkningsprocesser, som syftar till att avlägsna olika föroreningar från waferns yta för att säkerställa att efterföljande processsteg kan utföras på en ren yta.
I takt med att storleken på halvledarkomponenter fortsätter att krympa och precisionskraven ökar, har de tekniska kraven på rengöringsprocesser för wafers blivit allt strängare. Även de minsta partiklarna, organiska materialen, metalljonerna eller oxidrester på waferns yta kan påverka komponenternas prestanda avsevärt, vilket påverkar utbytet och tillförlitligheten hos halvledarkomponenter.
Kärnprinciper för rengöring av skivor
Kärnan i rengöring av wafers ligger i att effektivt avlägsna olika föroreningar från waferytan genom fysikaliska, kemiska och andra metoder för att säkerställa att wafern har en ren yta som är lämplig för efterföljande bearbetning.
Typ av förorening
Huvudsakliga influenser på enhetens egenskaper
| Artikelkontaminering | Mönsterdefekter
Jonimplantationsdefekter
Defekter i isolerande film
| |
| Metallisk kontaminering | Alkalimetaller | MOS-transistorns instabilitet
Nedbrytning/nedbrytning av grindoxidfilmen
|
| Tungmetaller | Ökad PN-övergångs omvänd läckström
Defekter i nedbrytning av grindoxidfilmen
Minoritetsbärarens livslängdsförsämring
Generering av defekter i oxidexcitationsskiktet
| |
| Kemisk kontaminering | Organiskt material | Defekter i nedbrytning av grindoxidfilmen
Variationer i CVD-film (inkubationstider)
Variationer i termisk oxidfilmtjocklek (accelererad oxidation)
Förekomst av dis (skiva, lins, spegel, mask, riktmedel)
|
| Oorganiska dopämnen (B, P) | MOS-transistorns V:te förskjutning
Variationer i resistans hos Si-substrat och högresistenta polykiselskikt
| |
| Oorganiska baser (aminer, ammoniak) och syror (SOx) | Försämring av upplösningen hos kemiskt amplifierade resister
Förekomst av partikelkontaminering och dis på grund av saltbildning
| |
| Naturliga och kemiska oxidfilmer på grund av fukt och luft | Ökat kontaktmotstånd
Nedbrytning/nedbrytning av grindoxidfilmen
| |
Mer specifikt inkluderar målen för rengöringsprocessen av wafern:
Partikelborttagning: Användning av fysikaliska eller kemiska metoder för att avlägsna små partiklar som fästs på waferns yta. Mindre partiklar är svårare att avlägsna på grund av de starka elektrostatiska krafterna mellan dem och waferns yta, vilket kräver särskild behandling.
Borttagning av organiskt material: Organiska föroreningar som fett och fotoresistrester kan fastna på waferns yta. Dessa föroreningar avlägsnas vanligtvis med starka oxidationsmedel eller lösningsmedel.
Borttagning av metalljoner: Metalljonrester på waferns yta kan försämra den elektriska prestandan och till och med påverka efterföljande bearbetningssteg. Därför används specifika kemiska lösningar för att avlägsna dessa joner.
Oxidborttagning: Vissa processer kräver att waferns yta är fri från oxidlager, såsom kiseloxid. I sådana fall måste naturliga oxidlager avlägsnas under vissa rengöringssteg.
Utmaningen med waferrengöringsteknik ligger i att effektivt avlägsna föroreningar utan att negativt påverka waferytan, såsom att förhindra ytuppruggning, korrosion eller annan fysisk skada.
2. Flöde för rengöring av skivor
Waferrengöringsprocessen innefattar vanligtvis flera steg för att säkerställa fullständigt avlägsnande av föroreningar och uppnå en helt ren yta.
Figur: Jämförelse mellan batchrengöring och rengöring med en enda skiva
En typisk rengöringsprocess för wafers omfattar följande huvudsteg:
1. Förrengöring (Förrengöring)
Syftet med förrengöring är att avlägsna lösa föroreningar och stora partiklar från waferns yta, vilket vanligtvis uppnås genom sköljning med avjoniserat vatten (DI-vatten) och ultraljudsrengöring. Avjoniserat vatten kan initialt avlägsna partiklar och upplösta föroreningar från waferns yta, medan ultraljudsrengöring använder kavitationseffekter för att bryta bindningen mellan partiklarna och waferns yta, vilket gör dem lättare att lossna.
2. Kemisk rengöring
Kemisk rengöring är ett av kärnstegen i rengöringsprocessen för wafers, där kemiska lösningar används för att avlägsna organiskt material, metalljoner och oxider från waferns yta.
Avlägsnande av organiskt material: Vanligtvis används aceton eller en ammoniak/peroxidblandning (SC-1) för att lösa upp och oxidera organiska föroreningar. Det typiska förhållandet för SC-1-lösning är NH₄OH
₂O₂
2O = 1:1:5, med en arbetstemperatur på cirka 20°C.
Borttagning av metalljoner: Salpetersyra eller saltsyra/peroxidblandningar (SC-2) används för att avlägsna metalljoner från waferytan. Det typiska förhållandet för SC-2-lösning är HCl.
₂O₂
2O = 1:1:6, med temperaturen bibehållen vid cirka 80°C.
Oxidborttagning: I vissa processer krävs att det naturliga oxidskiktet avlägsnas från waferytan, vilket innebär att man använder en fluorvätesyralösning (HF). Det typiska förhållandet för HF-lösning är HF
₂O = 1:50, och den kan användas i rumstemperatur.
3. Slutstädning
Efter kemisk rengöring genomgår wafers vanligtvis ett slutligt rengöringssteg för att säkerställa att inga kemiska rester finns kvar på ytan. Slutrengöringen använder huvudsakligen avjoniserat vatten för noggrann sköljning. Dessutom används ozonvattenrengöring (O₃/H₂O) för att ytterligare avlägsna eventuella kvarvarande föroreningar från waferns yta.
4. Torkning
De rengjorda wafers måste torkas snabbt för att förhindra vattenfläckar eller att föroreningar fastnar igen. Vanliga torkningsmetoder inkluderar centrifugering och kvävgasrensning. Den förra metoden avlägsnar fukt från waferns yta genom att rotera med höga hastigheter, medan den senare metoden säkerställer fullständig torkning genom att blåsa torr kvävgas över waferns yta.
Förorening
Rengöringsprocedur Namn
Beskrivning av kemisk blandning
Kemikalier
| Partiklar | Piranha (SPM) | Svavelsyra/väteperoxid/avjoniserat vatten | H2SO4/H2O2/H2O 3–4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/väteperoxid/avjoniserat vatten | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metaller (ej koppar) | SC-2 (HPM) | Saltsyra/väteperoxid/avjoniserat vatten | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Svavelsyra/väteperoxid/avjoniserat vatten | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Utspädd fluorvätesyra/avjoniserat vatten (tar inte bort koppar) | HF/H2O1:50 | |
| Organiska produkter | Piranha (SPM) | Svavelsyra/väteperoxid/avjoniserat vatten | H2SO4/H2O2/H2O 3–4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/väteperoxid/avjoniserat vatten | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon i avjoniserat vatten | O3/H2O-optimerade blandningar | |
| Naturlig oxid | DHF | Utspädd fluorvätesyra/avjoniserat vatten | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Buffrad fluorvätesyra | NH4F/HF/H2O |
3. Vanliga metoder för rengöring av wafers
1. RCA-rengöringsmetod
RCA-rengöringsmetoden är en av de mest klassiska waferrengöringsteknikerna inom halvledarindustrin, utvecklad av RCA Corporation för över 40 år sedan. Denna metod används främst för att avlägsna organiska föroreningar och metalljonföroreningar och kan genomföras i två steg: SC-1 (Standard Clean 1) och SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1 Rengöring: Detta steg används huvudsakligen för att avlägsna organiska föroreningar och partiklar. Lösningen är en blandning av ammoniak, väteperoxid och vatten, som bildar ett tunt lager av kiseloxid på waferns yta.
SC-2-rengöring: Detta steg används främst för att avlägsna metalljonföroreningar med hjälp av en blandning av saltsyra, väteperoxid och vatten. Det lämnar ett tunt passiveringsskikt på waferns yta för att förhindra återkontaminering.
2. Rengöringsmetod för pirayor (Piranha Etch Clean)
Piranha-rengöringsmetoden är en mycket effektiv teknik för att avlägsna organiskt material, med hjälp av en blandning av svavelsyra och väteperoxid, vanligtvis i förhållandet 3:1 eller 4:1. På grund av lösningens extremt starka oxiderande egenskaper kan den avlägsna en stor mängd organiskt material och envisa föroreningar. Denna metod kräver strikt kontroll av förhållandena, särskilt vad gäller temperatur och koncentration, för att undvika att skada skivan.
Ultraljudsrengöring använder kavitationseffekten som genereras av högfrekventa ljudvågor i en vätska för att avlägsna föroreningar från waferns yta. Jämfört med traditionell ultraljudsrengöring arbetar megasonisk rengöring med en högre frekvens, vilket möjliggör effektivare borttagning av partiklar i mikronstorlek utan att skada waferns yta.
4. Ozonrengöring
Ozonreningstekniken utnyttjar ozonets starka oxiderande egenskaper för att bryta ner och avlägsna organiska föroreningar från waferns yta, och slutligen omvandla dem till ofarlig koldioxid och vatten. Denna metod kräver inte användning av dyra kemiska reagens och orsakar mindre miljöföroreningar, vilket gör den till en framväxande teknik inom waferrengöring.
4. Utrustning för rengöring av skivor
För att säkerställa effektiviteten och säkerheten vid rengöring av wafers används en mängd olika avancerade rengöringsutrustningar vid halvledartillverkning. De viktigaste typerna inkluderar:
1. Våtrengöringsutrustning
Utrustning för våtrengöring inkluderar olika nedsänkningstankar, ultraljudsrengöringstankar och centrifugatorer. Dessa anordningar kombinerar mekaniska krafter och kemiska reagens för att avlägsna föroreningar från waferytan. Nedsänkningstankar är vanligtvis utrustade med temperaturkontrollsystem för att säkerställa stabiliteten och effektiviteten hos kemiska lösningar.
2. Kemtvättsutrustning
Kemtvättsutrustning omfattar huvudsakligen plasmarengörare, som använder högenergipartiklar i plasma för att reagera med och avlägsna rester från waferytan. Plasmarengöring är särskilt lämplig för processer som kräver att ytan bibehålls utan att kemiska rester tillförs.
3. Automatiserade rengöringssystem
Med den kontinuerliga expansionen av halvledarproduktion har automatiserade rengöringssystem blivit det föredragna valet för storskalig rengöring av wafers. Dessa system inkluderar ofta automatiserade överföringsmekanismer, rengöringssystem med flera tankar och precisionskontrollsystem för att säkerställa konsekventa rengöringsresultat för varje wafer.
5. Framtida trender
I takt med att halvledarkomponenter fortsätter att krympa, utvecklas waferrengöringstekniken mot mer effektiva och miljövänliga lösningar. Framtida rengöringstekniker kommer att fokusera på:
Borttagning av subnanometerpartiklar: Befintliga rengöringstekniker kan hantera partiklar på nanometerskala, men med den ytterligare minskningen av enhetsstorleken kommer borttagning av subnanometerpartiklar att bli en ny utmaning.
Grön och miljövänlig städning: Att minska användningen av miljöskadliga kemikalier och utveckla mer miljövänliga städmetoder, såsom ozonrening och megasonisk rengöring, kommer att bli allt viktigare.
Högre nivåer av automatisering och intelligens: Intelligenta system möjliggör realtidsövervakning och justering av olika parametrar under rengöringsprocessen, vilket ytterligare förbättrar rengöringseffektiviteten och produktionseffektiviteten.
Waferrengöringsteknik, som ett kritiskt steg i halvledartillverkning, spelar en viktig roll för att säkerställa rena waferytor för efterföljande processer. Kombinationen av olika rengöringsmetoder avlägsnar effektivt föroreningar, vilket ger en ren substratyta för nästa steg. I takt med att tekniken utvecklas kommer rengöringsprocesserna att fortsätta optimeras för att möta kraven på högre precision och lägre defektfrekvenser inom halvledartillverkning.
Publiceringstid: 8 oktober 2024