Märkäpuhdistus (Wet Clean) on yksi puolijohteiden valmistusprosessien kriittisistä vaiheista, jonka tarkoituksena on poistaa erilaisia epäpuhtauksia kiekon pinnalta sen varmistamiseksi, että seuraavat prosessivaiheet voidaan suorittaa puhtaalla pinnalla.
Puolijohdelaitteiden koon pienentyessä ja tarkkuusvaatimusten kasvaessa kiekkojen puhdistusprosessien tekniset vaatimukset ovat tiukentuneet. Jopa pienimmät hiukkaset, orgaaniset materiaalit, metalli-ionit tai oksidijäämät kiekon pinnalla voivat vaikuttaa merkittävästi laitteen suorituskykyyn ja siten puolijohdelaitteiden saantoon ja luotettavuuteen.
Kiekkojen puhdistuksen ydinperiaatteet
Kiekkojen puhdistuksen ydin on poistaa tehokkaasti erilaisia epäpuhtauksia kiekkojen pinnalta fysikaalisilla, kemiallisilla ja muilla menetelmillä sen varmistamiseksi, että kiekon pinta on puhdas ja soveltuu jatkokäsittelyyn.
Saastumisen tyyppi
Tärkeimmät laitteen ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät
| artikkelin saastuminen | Kuviovirheet
Ioni-istutusviat
Eristyskalvon hajoamisvirheet
| |
| Metallinen kontaminaatio | Alkalimetallit | MOS-transistorin epävakaus
Porttioksidikalvon hajoaminen/hajoaminen
|
| Raskasmetallit | Lisääntynyt PN-liitoksen käänteinen vuotovirta
Porttioksidikalvon hajoamisvirheet
Vähemmistökantajien eliniän heikkeneminen
Oksidin virityskerroksen vikojen syntyminen
| |
| Kemiallinen saastuminen | Orgaaninen materiaali | Porttioksidikalvon hajoamisvirheet
CVD-kalvovariaatiot (inkubaatioajat)
Lämpöoksidikalvon paksuuden vaihtelut (nopeutettu hapettuminen)
Usvautumisen esiintyminen (kiekko, linssi, peili, maski, ristikko)
|
| Epäorgaaniset lisäaineet (B, P) | MOS-transistorin Vth-siirtymät
Si-substraatti ja korkean resistanssin polysilikonilevyn resistanssivaihtelut
| |
| Epäorgaaniset emäkset (amiinit, ammoniakki) ja hapot (SOx) | Kemiallisesti monistettujen resistien resoluution heikkeneminen
Suolan muodostumisesta johtuva hiukkaskontaminaation ja sameuden esiintyminen
| |
| Kosteuden ja ilman aiheuttamat natiivit ja kemialliset oksidikalvot | Lisääntynyt kosketusvastus
Porttioksidikalvon hajoaminen/hajoaminen
| |
Kiekkojen puhdistusprosessin tavoitteisiin kuuluvat erityisesti:
Hiukkasten poisto: Fysikaalisten tai kemiallisten menetelmien käyttäminen kiekon pintaan kiinnittyneiden pienten hiukkasten poistamiseen. Pienempiä hiukkasia on vaikeampi poistaa niiden ja kiekon pinnan välisten voimakkaiden sähköstaattisten voimien vuoksi, mikä vaatii erityiskäsittelyä.
Orgaanisen materiaalin poisto: Kiekon pintaan voi tarttua orgaanisia epäpuhtauksia, kuten rasvaa ja fotoresistijäämiä. Nämä epäpuhtaudet poistetaan tyypillisesti käyttämällä voimakkaita hapettimia tai liuottimia.
Metalli-ionien poisto: Kiekon pinnalla olevat metalli-ionijäämät voivat heikentää sähköistä suorituskykyä ja jopa vaikuttaa seuraaviin käsittelyvaiheisiin. Siksi näiden ionien poistamiseen käytetään erityisiä kemiallisia liuoksia.
Oksidinpoisto: Joissakin prosesseissa kiekon pinnan on oltava vapaa oksidikerroksista, kuten piioksidista. Tällaisissa tapauksissa luonnolliset oksidikerrokset on poistettava tiettyjen puhdistusvaiheiden aikana.
Kiekkojen puhdistusteknologian haasteena on epäpuhtauksien tehokas poistaminen vaikuttamatta haitallisesti kiekon pintaan, kuten pinnan karhenemisen, korroosion tai muiden fyysisten vaurioiden estämiseksi.
2. Kiekkojen puhdistusprosessin kulku
Kiekkojen puhdistusprosessi sisältää tyypillisesti useita vaiheita epäpuhtauksien täydellisen poistamisen ja täysin puhtaan pinnan saavuttamiseksi.
Kuva: Erätyyppisen ja yksittäisten kiekkojen puhdistuksen vertailu
Tyypillinen kiekkojen puhdistusprosessi sisältää seuraavat päävaiheet:
1. Esipuhdistus (esipuhdistus)
Esipuhdistuksen tarkoituksena on poistaa irtonaiset epäpuhtaudet ja suuret hiukkaset kiekon pinnalta, mikä tyypillisesti saavutetaan deionisoidulla vedellä (DI-vesi) huuhtelemalla ja ultraäänipuhdistuksella. Deionisoitu vesi voi aluksi poistaa hiukkasia ja liuenneita epäpuhtauksia kiekon pinnalta, kun taas ultraäänipuhdistuksessa hyödynnetään kavitaatiovaikutuksia hiukkasten ja kiekon pinnan välisen sidoksen rikkomiseksi, mikä helpottaa niiden irrottamista.
2. Kemiallinen puhdistus
Kemiallinen puhdistus on yksi kiekkojen puhdistusprosessin ydinvaiheista, jossa käytetään kemiallisia liuoksia orgaanisten materiaalien, metalli-ionien ja oksidien poistamiseen kiekon pinnalta.
Orgaanisen aineen poisto: Yleensä orgaanisten epäpuhtauksien liuottamiseen ja hapettamiseen käytetään asetonia tai ammoniakki/peroksidiseosta (SC-1). Tyypillinen suhde SC-1-liuokselle on NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, käyttölämpötilan ollessa noin 20 °C.
Metalli-ionien poisto: Typpihappoa tai suolahappo/peroksidiseoksia (SC-2) käytetään metalli-ionien poistamiseen kiekon pinnalta. Tyypillinen suhde SC-2-liuokselle on HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, lämpötilan pysyessä noin 80 °C:ssa.
Oksidinpoisto: Joissakin prosesseissa kiekon pinnalta on poistettava natiivioksidikerros, johon käytetään fluorivetyhappoliuosta (HF). Tyypillinen suhde HF-liuokselle on HF
₂O = 1:50, ja sitä voidaan käyttää huoneenlämmössä.
3. Loppusiivous
Kemiallisen puhdistuksen jälkeen kiekot käyvät yleensä läpi viimeisen puhdistusvaiheen sen varmistamiseksi, ettei pinnalle jää kemikaalijäämiä. Loppupuhdistuksessa käytetään pääasiassa deionisoitua vettä perusteelliseen huuhteluun. Lisäksi otsonivesipuhdistusta (O₃/H₂O) käytetään jäljellä olevien epäpuhtauksien poistamiseen kiekon pinnalta.
4. Kuivaus
Puhdistetut kiekot on kuivattava nopeasti vesitahrojen tai epäpuhtauksien uudelleenkiinnittymisen estämiseksi. Yleisiä kuivausmenetelmiä ovat linkouskuivaus ja typpipuhdistus. Ensimmäinen poistaa kosteuden kiekon pinnalta linkoamalla suurilla nopeuksilla, kun taas jälkimmäinen varmistaa täydellisen kuivumisen puhaltamalla kuivaa typpikaasua kiekon pinnan poikki.
Saastuminen
Puhdistusmenetelmän nimi
Kemiallisen seoksen kuvaus
Kemikaalit
| Hiukkaset | Piraija (SPM) | Rikkihappo/vetyperoksidi/deionisoitu vesi | H2SO4/H2O2/H2O 3–4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroksidi/vetyperoksidi/deionisoitu vesi | NH₂OH/H₂O₂/H₂O 1:4:20; 80 °C | |
| Metallit (ei kupari) | SC-2 (HPM) | Suolahappo/vetyperoksidi/deionisoitu vesi | HCl/H₂O₂/H₂O1:1:6; 85 °C |
| Piraija (SPM) | Rikkihappo/vetyperoksidi/deionisoitu vesi | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Laimennettu fluorivetyhappo/DI-vesi (ei poista kuparia) | HF/H2O1:50 | |
| Orgaaniset tuotteet | Piraija (SPM) | Rikkihappo/vetyperoksidi/deionisoitu vesi | H2SO4/H2O2/H2O 3–4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroksidi/vetyperoksidi/deionisoitu vesi | NH₂OH/H₂O₂/H₂O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Otsoni deionisoidussa vedessä | O3/H2O-optimoidut seokset | |
| Natiivioksidi | DHF | Laimennettu fluorivetyhappo/DI-vesi | HF/H2O 1:100 |
| BHF-radio | Puskuroitu fluorivetyhappo | NH4F/HF/H2O |
3. Yleiset kiekkojen puhdistusmenetelmät
1. RCA-puhdistusmenetelmä
RCA-puhdistusmenetelmä on yksi puolijohdeteollisuuden klassisimmista kiekkojen puhdistustekniikoista, jonka RCA Corporation kehitti yli 40 vuotta sitten. Tätä menetelmää käytetään pääasiassa orgaanisten epäpuhtauksien ja metalli-ioniepäpuhtauksien poistamiseen, ja se voidaan suorittaa kahdessa vaiheessa: SC-1 (Standard Clean 1) ja SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1 Puhdistus: Tätä vaihetta käytetään pääasiassa orgaanisten epäpuhtauksien ja hiukkasten poistamiseen. Liuos on ammoniakin, vetyperoksidin ja veden seos, joka muodostaa kiekon pinnalle ohuen piioksidikerroksen.
SC-2 Puhdistus: Tässä vaiheessa poistetaan ensisijaisesti metalli-ionien epäpuhtaudet suolahapon, vetyperoksidin ja veden seoksella. Se jättää kiekon pinnalle ohuen passivointikerroksen uudelleenkontaminaation estämiseksi.
2. Piraijan puhdistusmenetelmä (Piranha Etch Clean)
Piranha-puhdistusmenetelmä on erittäin tehokas tekniikka orgaanisten materiaalien poistamiseen. Siinä käytetään rikkihapon ja vetyperoksidin seosta, tyypillisesti suhteessa 3:1 tai 4:1. Tämän liuoksen erittäin voimakkaiden hapettavien ominaisuuksien ansiosta se voi poistaa suuren määrän orgaanista ainetta ja pinttyneitä epäpuhtauksia. Tämä menetelmä vaatii olosuhteiden, erityisesti lämpötilan ja pitoisuuden, tarkkaa hallintaa kiekon vahingoittumisen välttämiseksi.
Ultraäänipuhdistuksessa käytetään nesteessä olevien korkeataajuisten ääniaaltojen synnyttämää kavitaatiovaikutusta epäpuhtauksien poistamiseen kiekon pinnalta. Perinteiseen ultraäänipuhdistukseen verrattuna megasonic-puhdistus toimii korkeammalla taajuudella, mikä mahdollistaa alle mikronin kokoisten hiukkasten tehokkaamman poistamisen vahingoittamatta kiekon pintaa.
4. Otsonipuhdistus
Otsonipuhdistustekniikka hyödyntää otsonin voimakkaita hapettavia ominaisuuksia orgaanisten epäpuhtauksien hajottamiseen ja poistamiseen kiekon pinnalta, muuttaen ne lopulta vaarattomaksi hiilidioksidiksi ja vedeksi. Tämä menetelmä ei vaadi kalliiden kemiallisten reagenssien käyttöä ja aiheuttaa vähemmän ympäristön saastumista, mikä tekee siitä nousevan teknologian kiekkojen puhdistuksen alalla.
4. Kiekkojen puhdistusprosessilaitteet
Kiekkojen puhdistusprosessien tehokkuuden ja turvallisuuden varmistamiseksi puolijohdevalmistuksessa käytetään erilaisia edistyneitä puhdistuslaitteita. Tärkeimpiä tyyppejä ovat:
1. Märkäpuhdistuslaitteet
Märkäpuhdistuslaitteisiin kuuluvat erilaiset upotussäiliöt, ultraäänipuhdistussäiliöt ja linkokuivaimet. Nämä laitteet yhdistävät mekaanisia voimia ja kemiallisia reagensseja epäpuhtauksien poistamiseksi kiekon pinnalta. Upotussäiliöt on tyypillisesti varustettu lämpötilan säätöjärjestelmillä kemiallisten liuosten stabiilisuuden ja tehokkuuden varmistamiseksi.
2. Kemiallisen pesun laitteet
Kemiallisen pesun laitteisiin kuuluvat pääasiassa plasmapuhdistimet, jotka käyttävät plasman korkeaenergisiä hiukkasia reagoidakseen kiekon pinnan kanssa ja poistaakseen siitä jäämiä. Plasmapuhdistus sopii erityisesti prosesseihin, jotka vaativat pinnan eheyden säilyttämistä ilman kemiallisten jäämien lisäämistä.
3. Automaattiset puhdistusjärjestelmät
Puolijohdetuotannon jatkuvan laajentumisen myötä automaattisista puhdistusjärjestelmistä on tullut ensisijainen valinta laajamittaiseen kiekkojen puhdistukseen. Näihin järjestelmiin kuuluu usein automatisoituja siirtomekanismeja, monisäiliöisiä puhdistusjärjestelmiä ja tarkkuusohjausjärjestelmiä, jotka varmistavat yhdenmukaiset puhdistustulokset jokaiselle kiekolle.
5. Tulevaisuuden trendit
Puolijohdelaitteiden pienentyessä kiekkojen puhdistusteknologia kehittyy kohti tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä ratkaisuja. Tulevaisuuden puhdistusteknologiat keskittyvät:
Alle nanometrin kokoisten hiukkasten poisto: Olemassa olevat puhdistustekniikat pystyvät käsittelemään nanometrin kokoisia hiukkasia, mutta laitteen koon pienentyessä edelleen alle nanometrin kokoisten hiukkasten poistamisesta tulee uusi haaste.
Vihreä ja ympäristöystävällinen siivous: Ympäristölle haitallisten kemikaalien käytön vähentäminen ja ympäristöystävällisempien puhdistusmenetelmien, kuten otsonipuhdistuksen ja megasonic-puhdistuksen, kehittäminen on yhä tärkeämpää.
Korkeampi automaation ja älykkyyden taso: Älykkäät järjestelmät mahdollistavat eri parametrien reaaliaikaisen seurannan ja säätämisen puhdistusprosessin aikana, mikä parantaa entisestään puhdistustehokkuutta ja tuotantotehokkuutta.
Kiekkojen puhdistustekniikka on puolijohdevalmistuksen kriittinen vaihe, jolla on tärkeä rooli kiekkojen pintojen puhtauden varmistamisessa seuraavia prosesseja varten. Erilaisten puhdistusmenetelmien yhdistelmä poistaa tehokkaasti epäpuhtaudet ja tarjoaa puhtaan alustapinnan seuraavia vaiheita varten. Teknologian kehittyessä puhdistusprosesseja optimoidaan edelleen vastaamaan puolijohdevalmistuksen korkeamman tarkkuuden ja alhaisempien vikamäärien vaatimuksiin.
Julkaisun aika: 08.10.2024