Märkäpuhdistus (Wet Clean) on yksi puolijohteiden valmistusprosessien kriittisistä vaiheista, jonka tarkoituksena on poistaa erilaisia epäpuhtauksia kiekon pinnalta, jotta voidaan varmistaa, että seuraavat prosessivaiheet voidaan suorittaa puhtaalla pinnalla.
Puolijohdelaitteiden koon pienentyessä ja tarkkuusvaatimusten kasvaessa kiekkojen puhdistusprosessien tekniset vaatimukset ovat koventuneet. Jopa pienimmät hiukkaset, orgaaniset materiaalit, metalli-ionit tai oksidijäämät kiekon pinnalla voivat vaikuttaa merkittävästi laitteen suorituskykyyn ja siten vaikuttaa puolijohdelaitteiden tuottoon ja luotettavuuteen.
Kiekkojen puhdistuksen perusperiaatteet
Kiekon puhdistuksen ydin on erilaisten epäpuhtauksien tehokas poistaminen kiekon pinnalta fysikaalisilla, kemiallisilla ja muilla menetelmillä varmistaakseen, että kiekolla on puhdas pinta, joka soveltuu myöhempään käsittelyyn.
Likaantumisen tyyppi
Tärkeimmät vaikutukset laitteen ominaisuuksiin
| artikkeli Kontaminaatio | Kuviovirheitä
Ioni-implantaatiovirheet
Eristyskalvon rikkoutumisvirheet
| |
| Metallinen kontaminaatio | Alkalimetallit | MOS-transistorin epävakaus
Portin oksidikalvon hajoaminen/hajoaminen
|
| Raskasmetallit | Lisääntynyt PN-liitoksen käänteinen vuotovirta
Portin oksidikalvon rikkoutumisvirheitä
Vähemmistökantajan käyttöiän heikkeneminen
Oksidivirityskerroksen vikamuodostus
| |
| Kemiallinen kontaminaatio | Orgaaninen materiaali | Portin oksidikalvon rikkoutumisvirheitä
CVD-kalvon vaihtelut (inkubaatioajat)
Terminen oksidikalvon paksuuden vaihtelut (nopeutettu hapetus)
Hämärä (kiekko, linssi, peili, maski, ristikko)
|
| Epäorgaaniset lisäaineet (B, P) | MOS-transistori viides siirtyy
Si-substraatti ja korkean resistanssin poly-piilevyn vastustuskyvyn vaihtelut
| |
| Epäorgaaniset emäkset (amiinit, ammoniakki) ja hapot (SOx) | Kemiallisesti vahvistettujen resistien resoluution heikkeneminen
Hiukkaskontaminaation ja sameuden esiintyminen suolan muodostumisen vuoksi
| |
| Alkuperäiset ja kemialliset oksidikalvot kosteuden, ilman vuoksi | Lisääntynyt kosketusvastus
Portin oksidikalvon hajoaminen/hajoaminen
| |
Erityisesti kiekkojen puhdistusprosessin tavoitteita ovat:
Hiukkasten poistaminen: Fysikaalisten tai kemiallisten menetelmien käyttäminen kiekon pintaan kiinnittyneiden pienten hiukkasten poistamiseksi. Pienemmät hiukkaset on vaikeampi poistaa niiden ja kiekon pinnan välisten voimakkaiden sähköstaattisten voimien vuoksi, mikä vaatii erityiskäsittelyä.
Orgaanisen materiaalin poisto: Orgaaniset epäpuhtaudet, kuten rasva- ja fotoresistijäämät, voivat tarttua kiekon pintaan. Nämä epäpuhtaudet poistetaan tyypillisesti käyttämällä vahvoja hapettimia tai liuottimia.
Metalli-ionien poisto: Metalli-ionijäämät kiekon pinnalla voivat heikentää sähköistä suorituskykyä ja jopa vaikuttaa myöhempään käsittelyvaiheeseen. Siksi näiden ionien poistamiseen käytetään erityisiä kemiallisia liuoksia.
Oksidinpoisto: Jotkut prosessit edellyttävät, että kiekon pinnalla ei ole oksidikerroksia, kuten piioksidia. Tällaisissa tapauksissa luonnolliset oksidikerrokset on poistettava tiettyjen puhdistusvaiheiden aikana.
Kiekkojen puhdistusteknologian haasteena on poistaa tehokkaasti epäpuhtaudet vaikuttamatta haitallisesti kiekon pintaan, kuten estämään pinnan karheutumista, korroosiota tai muita fyysisiä vaurioita.
2. Kiekkojen puhdistusprosessin virtaus
Kiekkojen puhdistusprosessi sisältää tyypillisesti useita vaiheita epäpuhtauksien täydellisen poistamisen varmistamiseksi ja täysin puhtaan pinnan saavuttamiseksi.
Kuva: Erätyypin ja yhden kiekon puhdistuksen vertailu
Tyypillinen kiekkojen puhdistusprosessi sisältää seuraavat päävaiheet:
1. Esipuhdistus (esipuhdistus)
Esipuhdistuksen tarkoituksena on poistaa irtonaiset epäpuhtaudet ja suuret hiukkaset kiekon pinnalta, mikä saavutetaan tyypillisesti deionisoidulla vedellä (DI Water) huuhtelulla ja ultraäänipuhdistuksella. Deionisoitu vesi voi aluksi poistaa hiukkaset ja liuenneet epäpuhtaudet kiekon pinnalta, kun taas ultraäänipuhdistus hyödyntää kavitaatiovaikutuksia hiukkasten ja kiekon pinnan välisen sidoksen katkaisemiseksi, 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.
Orgaanisten aineiden poisto: Tyypillisesti asetonia tai ammoniakki/peroksidiseosta (SC-1) käytetään orgaanisten epäpuhtauksien liuottamiseen ja hapettamiseen. Tyypillinen suhde SC-1-liuokselle on NH4OH
2O2
₂O = 1:1:5, käyttölämpötila noin 20°C.
Metalli-ionien poisto: Typpihappoa tai kloorivetyhappo/peroksidiseoksia (SC-2) käytetään metalli-ionien poistamiseen kiekon pinnalta. Tyypillinen suhde SC-2-liuokselle on HCl
2O2
2O = 1:1:6 lämpötilan ollessa noin 80 °C.
Oksidinpoisto: Joissakin prosesseissa vaaditaan natiivioksidikerroksen poistaminen kiekon pinnalta, johon käytetään fluorivetyhappoliuosta (HF). Tyypillinen suhde HF-liuokselle on HF
₂O = 1:50, ja sitä voidaan käyttää huoneenlämpötilassa.
3. Lopullinen puhdistus
Kemiallisen puhdistuksen jälkeen kiekot käyvät yleensä läpi viimeisen puhdistusvaiheen, jotta pinnalle ei jää kemikaalijäämiä. Loppupuhdistuksessa käytetään pääasiassa deionisoitua vettä perusteelliseen huuhteluun. Lisäksi otsonivesipuhdistusta (O3/H2O) käytetään edelleen poistamaan jäljellä olevat epäpuhtaudet kiekon pinnalta.
4. Kuivaus
Puhdistetut kiekot on kuivattava nopeasti vesileimojen tai epäpuhtauksien kiinnittymisen estämiseksi. Yleisiä kuivausmenetelmiä ovat linkouskuivaus ja typpihuuhtelu. Ensimmäinen poistaa kosteuden kiekon pinnalta pyörittämällä suurilla nopeuksilla, kun taas jälkimmäinen varmistaa täydellisen kuivumisen puhaltamalla kuivaa typpikaasua kiekon pinnan poikki.
Epäpuhtaus
Puhdistustoimenpiteen nimi
Kemiallisen seoksen kuvaus
Kemikaalit
| Hiukkaset | Piranha (SPM) | Rikkihappo/vetyperoksidi/DI vesi | H2S04/H202/H20 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroksidi/vetyperoksidi/DI vesi | NH4OH/H202/H20 1:4:20; 80 °C | |
| Metallit (ei kuparia) | SC-2 (HPM) | Kloorivetyhappo/vetyperoksidi/DI vesi | HCl/H202/H201:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Rikkihappo/vetyperoksidi/DI vesi | H2S04/H202/H203-4:1; 90°C | |
| DHF | Laimennettu fluorivetyhappo/DI-vesi (ei poista kuparia) | HF/H201:50 | |
| Orgaaniset | Piranha (SPM) | Rikkihappo/vetyperoksidi/DI vesi | H2S04/H202/H20 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroksidi/vetyperoksidi/DI vesi | NH4OH/H202/H20 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Otsoni deionisoidussa vedessä | Optimoidut O3/H2O-seokset | |
| Alkuperäinen oksidi | DHF | Laimenna fluorivetyhappo/DI-vesi | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Puskuroitu fluorivetyhappo | NH4F/HF/H2O |
3. Yleiset kiekkojen puhdistusmenetelmät
1. RCA-puhdistusmenetelmä
RCA-puhdistusmenetelmä on yksi klassisimmista kiekkojen puhdistustekniikoista puolijohdeteollisuudessa, jonka RCA Corporation on kehittänyt yli 40 vuotta sitten. Tätä menetelmää käytetään ensisijaisesti orgaanisten epäpuhtauksien ja metalli-ionien epäpuhtauksien 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 ohuen piioksidikerroksen kiekon pinnalle.
SC-2-puhdistus: Tätä vaihetta käytetään ensisijaisesti metalli-ionien epäpuhtauksien poistamiseen käyttämällä suolahapon, vetyperoksidin ja veden seosta. Se jättää ohuen passivoivan kerroksen kiekon pintaan estämään uudelleensaastumisen.
2. Piranha Cleaning Method (Piranha Etch Clean)
Piranha-puhdistusmenetelmä on erittäin tehokas tekniikka orgaanisten materiaalien poistamiseen käyttämällä rikkihapon ja vetyperoksidin seosta, tyypillisesti suhteessa 3:1 tai 4:1. Tämän liuoksen erittäin voimakkaiden oksidatiivisten ominaisuuksien ansiosta se voi poistaa suuren määrän orgaanista ainesta ja pinttyneitä epäpuhtauksia. Tämä menetelmä vaatii tiukkaa olosuhteiden valvontaa, erityisesti lämpötilan ja pitoisuuden suhteen, jotta kiekko ei vahingoitu.
Ultraäänipuhdistus käyttää 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 hajottaakseen ja poistaakseen orgaaniset epäpuhtaudet kiekon pinnalta ja muuttaa 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 puolijohteiden valmistuksessa käytetään erilaisia edistyksellisiä puhdistuslaitteita. Päätyyppejä ovat:
1. Märkäpuhdistuslaitteet
Märkäpuhdistusvälineisiin kuuluvat erilaiset upotussäiliöt, ultraäänipuhdistussäiliöt ja linkouskuivaimet. Nämä laitteet yhdistävät mekaaniset voimat ja kemialliset reagenssit epäpuhtauksien poistamiseksi kiekon pinnalta. Upotussäiliöt on tyypillisesti varustettu lämpötilansäätöjärjestelmillä kemiallisten liuosten vakauden ja tehokkuuden varmistamiseksi.
2. Kuivapesulaitteet
Kuivapesulaitteet sisältävät pääasiassa plasmapuhdistimia, jotka käyttävät plasmassa olevia korkeaenergisiä hiukkasia reagoidakseen kiekon pinnan kanssa ja poistaakseen jäämiä siitä. Plasmapuhdistus soveltuu erityisen hyvin prosesseihin, jotka edellyttävät pinnan eheyden säilyttämistä ilman kemikaalijäämiä.
3. Automatisoidut puhdistusjärjestelmät
Puolijohteiden tuotannon jatkuvan laajentumisen myötä automaattisista puhdistusjärjestelmistä on tullut suosituin valinta laajamittaiseen kiekkojen puhdistukseen. Näissä järjestelmissä on usein automatisoituja siirtomekanismeja, usean säiliön puhdistusjärjestelmiä ja tarkkuusohjausjärjestelmiä, joilla varmistetaan tasaiset puhdistustulokset jokaiselle kiekolle.
5. Tulevaisuuden trendit
Puolijohdelaitteiden kutistuessa edelleen kiekkojen puhdistustekniikka kehittyy kohti tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä ratkaisuja. Tulevaisuuden puhdistusteknologiat keskittyvät:
Subnanometrin hiukkasten poisto: Nykyiset puhdistustekniikat voivat käsitellä nanometrin mittakaavan hiukkasia, mutta laitteen koon pienentyessä entisestään nanometrin alihiukkasten poistaminen tulee uusi haaste.
Vihreä ja ympäristöystävällinen puhdistus: Ympäristölle haitallisten kemikaalien käytön vähentäminen ja ympäristöystävällisempien puhdistusmenetelmien, kuten otsonipuhdistuksen ja megasonic-puhdistuksen, kehittäminen tulee entistä tärkeämmäksi.
Korkeammat automaation ja älykkyyden tasot: Älykkäät järjestelmät mahdollistavat erilaisten parametrien reaaliaikaisen seurannan ja säätämisen puhdistusprosessin aikana, mikä parantaa entisestään puhdistuksen ja tuotannon tehokkuutta.
Kiekkojen puhdistusteknologialla, joka on kriittinen vaihe puolijohteiden valmistuksessa, on keskeinen rooli puhtaiden kiekkojen pintojen varmistamisessa myöhempiä prosesseja varten. Erilaisten puhdistusmenetelmien yhdistelmä poistaa tehokkaasti epäpuhtaudet ja tarjoaa puhtaan alustapinnan seuraavia vaiheita varten. Teknologian kehittyessä puhdistusprosesseja optimoidaan jatkossakin vastaamaan puolijohteiden valmistuksen korkeamman tarkkuuden ja pienempien vikojen määrään liittyviä vaatimuksia.
Postitusaika: 08.10.2024