Våtrengöring (Wet Clean) är ett av de kritiska stegen i halvledartillverkningsprocesser, som syftar till att avlägsna olika föroreningar från skivans yta för att säkerställa att efterföljande processsteg kan utföras på en ren yta.
Eftersom storleken på halvledarenheter fortsätter att krympa och precisionskraven ökar, har de tekniska kraven på processer för rengöring av skivor blivit allt strängare. Även de minsta partiklarna, organiska material, metalljoner eller oxidrester på skivans yta kan avsevärt påverka enhetens prestanda och därigenom påverka utbytet och tillförlitligheten hos halvledarenheter.
Grundprinciper för rengöring av wafer
Kärnan i waferrengöring 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 lämpar sig för efterföljande bearbetning.
Typ av förorening
Huvudsakliga influenser på enhetens egenskaper
| artikel Kontaminering | Mönsterdefekter
Jonimplantationsdefekter
Nedbrytningsdefekter i isoleringsfilmen
| |
| Metallisk förorening | Alkalimetaller | MOS-transistorinstabilitet
Nedbrytning/nedbrytning av oxidfilm
|
| Tungmetaller | Ökad PN-övergång omvänd läckström
Nedbrytningsdefekter av oxidfilm
Minoritetsbärares livstidsförsämring
Generering av defekter i oxidexcitationsskiktet
| |
| Kemisk kontaminering | Organiskt material | Nedbrytningsdefekter av oxidfilm
CVD-filmvariationer (inkubationstider)
Variationer i termisk oxidfilmtjocklek (accelererad oxidation)
Förekomst av dis (wafer, lins, spegel, mask, hårkors)
|
| Oorganiska dopningsmedel (B, P) | MOS transistor femte skift
Si-substrat och högresistans poly-kiselskivor motståndsvariationer
| |
| Oorganiska baser (aminer, ammoniak) och syror (SOx) | Nedbrytning av upplösningen av kemiskt förstärkta resister
Förekomst av partikelkontamination och dis på grund av saltbildning
| |
| Inhemska och kemiska oxidfilmer på grund av fukt, luft | Ökat kontaktmotstånd
Nedbrytning/nedbrytning av oxidfilm
| |
Specifikt inkluderar målen för waferrengöringsprocessen:
Partikelborttagning: Med hjälp av fysikaliska eller kemiska metoder för att ta bort små partiklar fästa på skivans yta. Mindre partiklar är svårare att ta bort på grund av de starka elektrostatiska krafterna mellan dem och skivans yta, vilket kräver speciell behandling.
Avlägsnande av organiskt material: Organiska föroreningar som fett och fotoresistrester kan fästa på skivans yta. Dessa föroreningar avlägsnas vanligtvis med hjälp av starka oxidationsmedel eller lösningsmedel.
Avlägsnande av metalljoner: Metalljonrester på skivans 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 skivans yta är fri från oxidlager, såsom kiseloxid. I sådana fall måste naturliga oxidskikt tas bort under vissa rengöringssteg.
Utmaningen med teknik för rengöring av skivor ligger i att effektivt ta bort föroreningar utan att negativt påverka skivans yta, såsom att förhindra uppruggning av ytan, korrosion eller andra fysiska skador.
2. Rånrengöringsprocessflöde
Rengöringsprocessen för wafer innefattar vanligtvis flera steg för att säkerställa fullständigt avlägsnande av föroreningar och uppnå en helt ren yta.
Figur: Jämförelse mellan batch-typ och single-wafer rengöring
En typisk rengöringsprocess för wafer inkluderar följande huvudsteg:
1. Förrengöring (förrengöring)
Syftet med förrengöring är att ta bort lösa föroreningar och stora partiklar från skivans yta, vilket vanligtvis uppnås genom sköljning med avjoniserat vatten (DI Water) och ultraljudsrengöring. Avjoniserat vatten kan initialt ta bort partiklar och lösta föroreningar från skivans yta, medan ultraljudsrengöring använder kavitationseffekter för att bryta bindningen mellan partiklarna och skivans yta, vilket gör dem lättare att lossna.
2. Kemisk rengöring
Kemisk rengöring är ett av kärnstegen i waferrengöringsprocessen, med kemiska lösningar för att avlägsna organiska 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.
Avlägsnande av metalljoner: Salpetersyra eller saltsyra/peroxidblandningar (SC-2) används för att avlägsna metalljoner från skivans yta. Det typiska förhållandet för SC-2-lösning är HCl
₂O₂
20 = 1:1:6, med temperaturen bibehållen vid ungefär 80°C.
Oxidborttagning: I vissa processer krävs avlägsnande av det naturliga oxidskiktet från skivans yta, för vilken fluorvätesyra (HF)-lösning används. 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 sista rengöringssteg för att säkerställa att inga kemikalierester finns kvar på ytan. Slutrengöring använder huvudsakligen avjoniserat vatten för grundlig sköljning. Dessutom används ozonvattenrening (O3/H2O) för att ytterligare avlägsna eventuella kvarvarande föroreningar från skivans yta.
4. Torkning
De rengjorda skivorna måste torkas snabbt för att förhindra vattenstämplar eller återanslutning av föroreningar. Vanliga torkningsmetoder inkluderar centrifugering och kväverening. Den förra tar bort fukt från skivans yta genom att snurra vid höga hastigheter, medan den senare säkerställer fullständig torkning genom att blåsa torr kvävgas över skivans yta.
Förorening
Rengöringsprocedurens namn
Beskrivning av kemisk blandning
Kemikalier
| Partiklar | Piranha (SPM) | Svavelsyra/väteperoxid/DI-vatten | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/väteperoxid/DI-vatten | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metaller (ej koppar) | SC-2 (HPM) | Saltsyra/väteperoxid/DI-vatten | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Svavelsyra/väteperoxid/DI-vatten | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Späd fluorvätesyra/DI-vatten (kommer inte att ta bort koppar) | HF/H2O1:50 | |
| Organiska ämnen | Piranha (SPM) | Svavelsyra/väteperoxid/DI-vatten | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/väteperoxid/DI-vatten | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon i avjoniserat vatten | O3/H2O optimerade blandningar | |
| Naturlig oxid | DHF | Späd fluorvätesyra/DI-vatten | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Bufferad fluorvätesyra | NH4F/HF/H2O |
3. Vanliga rengöringsmetoder för wafer
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 utföras i två steg: SC-1 (Standard Clean 1) och SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1 Rengöring: Detta steg används främst för att ta bort organiska föroreningar och partiklar. Lösningen är en blandning av ammoniak, väteperoxid och vatten, som bildar ett tunt kiseloxidskikt på skivans yta.
SC-2 Rengöring: Detta steg används främst för att avlägsna metalljonföroreningar, med en blandning av saltsyra, väteperoxid och vatten. Den lämnar ett tunt passiveringsskikt på skivans yta för att förhindra återkontaminering.
2. Piranha rengöringsmetod (Piranha Etch Clean)
Piranha-rengöringsmetoden är en mycket effektiv teknik för att ta bort organiskt material, med en blandning av svavelsyra och väteperoxid, vanligtvis i förhållandet 3:1 eller 4:1. På grund av de extremt starka oxidativa egenskaperna hos denna lösning kan den ta bort en stor mängd organiskt material och envisa föroreningar. Denna metod kräver strikt kontroll av förhållandena, särskilt när det 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 skivans yta. Jämfört med traditionell ultraljudsrengöring arbetar megaljudsrengöring med en högre frekvens, vilket möjliggör effektivare borttagning av partiklar i sub-mikronstorlek utan att skada skivans yta.
4. Ozonrengöring
Ozonrengöringstekniken utnyttjar ozonets starka oxiderande egenskaper för att sönderdela och ta bort organiska föroreningar från skivans yta, vilket slutligen omvandlar 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 området för rengöring av skivor.
4. Utrustning för rengöring av skivor
För att säkerställa effektiviteten och säkerheten i processer för rengöring av skivor används en mängd avancerad rengöringsutrustning vid tillverkning av halvledarprodukter. Huvudtyperna inkluderar:
1. Våtrengöringsutrustning
Utrustning för våtrengöring inkluderar olika nedsänkningstankar, ultraljudsrengöringstankar och centrifuger. Dessa enheter kombinerar mekaniska krafter och kemiska reagenser för att avlägsna föroreningar från skivans yta. Nedsänkningstankar är vanligtvis utrustade med temperaturkontrollsystem för att säkerställa stabiliteten och effektiviteten hos kemiska lösningar.
2. Kemtvättsutrustning
Kemtvättsutrustning inkluderar huvudsakligen plasmarengöringsmedel, som använder högenergipartiklar i plasma för att reagera med och ta bort rester från skivans yta. Plasmarengöring är särskilt lämplig för processer som kräver att ytintegriteten bibehålls utan att införa kemikalierester.
3. Automatiserade rengöringssystem
Med den kontinuerliga expansionen av halvledarproduktion har automatiserade rengöringssystem blivit det föredragna valet för storskalig waferrengöring. Dessa system inkluderar ofta automatiserade överföringsmekanismer, flertanksrengöringssystem och precisionskontrollsystem för att säkerställa konsekventa rengöringsresultat för varje wafer.
5. Framtida trender
I takt med att halvledarenheter fortsätter att krympa, utvecklas tekniken för rengöring av skivor mot mer effektiva och miljövänliga lösningar. Framtida rengöringstekniker kommer att fokusera på:
Avlägsnande av subnanometerpartiklar: Befintlig rengöringsteknik kan hantera partiklar i nanometerskala, men med den ytterligare minskningen av enhetsstorlek kommer att ta bort subnanometerpartiklar att bli en ny utmaning.
Grön och miljövänlig rengöring: Att minska användningen av miljöskadliga kemikalier och utveckla mer miljövänliga rengöringsmetoder, som ozonrening och megaljudsrengöring, kommer att bli allt viktigare.
Högre nivåer av automatisering och intelligens: Intelligenta system kommer att möjliggöra realtidsövervakning och justering av olika parametrar under rengöringsprocessen, vilket ytterligare förbättrar rengöringseffektiviteten och produktionseffektiviteten.
Rengöringsteknik för wafer, som ett kritiskt steg i halvledartillverkning, spelar en avgörande roll för att säkerställa rena waferytor för efterföljande processer. Kombinationen av olika rengöringsmetoder tar effektivt bort föroreningar, vilket ger en ren substratyta för nästa steg. I takt med att tekniken går framåt kommer rengöringsprocesserna att fortsätta att optimeras för att möta kraven på högre precision och lägre defektfrekvens vid halvledartillverkning.
Posttid: 2024-okt-08