Våtrengjøring (Wet Clean) er et av de kritiske trinnene i halvlederproduksjonsprosesser, og har som mål å fjerne ulike forurensninger fra overflaten av waferen for å sikre at påfølgende prosesstrinn kan utføres på en ren overflate.
Etter hvert som størrelsen på halvlederkomponenter fortsetter å krympe og presisjonskravene øker, har de tekniske kravene til renseprosesser for wafere blitt stadig strengere. Selv de minste partiklene, organiske materialer, metallioner eller oksidrester på waferoverflaten kan påvirke enhetens ytelse betydelig, og dermed påvirke utbyttet og påliteligheten til halvlederkomponenter.
Kjerneprinsipper for rengjøring av skiver
Kjernen i rengjøring av wafere ligger i å effektivt fjerne ulike forurensninger fra waferoverflaten gjennom fysiske, kjemiske og andre metoder for å sikre at waferen har en ren overflate som er egnet for senere prosessering.
Type forurensning
Hovedpåvirkninger på enhetsegenskaper
| Artikkelforurensning | Mønsterfeil
Ionimplantasjonsdefekter
Defekter i isolasjonsfilm
| |
| Metallisk forurensning | Alkalimetaller | MOS-transistor ustabilitet
Nedbrytning/nedbrytning av gateoksidfilm
|
| Tungmetaller | Økt PN-kryss revers lekkasjestrøm
Defekter i nedbrytning av portoksidfilm
Forringelse av minoritetsbærerens levetid
Generering av defekter i oksideksitasjonslaget
| |
| Kjemisk forurensning | Organisk materiale | Defekter i nedbrytning av portoksidfilm
CVD-filmvariasjoner (inkubasjonstider)
Variasjoner i termisk oksidfilmtykkelse (akselerert oksidasjon)
Forekomst av dis (wafer, linse, speil, maske, retikkel)
|
| Uorganiske dopanter (B, P) | MOS-transistor V-te forskyvninger
Variasjoner i motstand i Si-substrat og polysilisiumplater med høy motstand
| |
| Uorganiske baser (aminer, ammoniakk) og syrer (SOx) | Nedbrytning av oppløsningen til kjemisk forsterkede resistmaterialer
Forekomst av partikkelforurensning og dis på grunn av saltproduksjon
| |
| Naturlige og kjemiske oksidfilmer på grunn av fuktighet og luft | Økt kontaktmotstand
Nedbrytning/nedbrytning av gateoksidfilm
| |
Mer spesifikt inkluderer målene med waferrengjøringsprosessen:
Partikkelfjerning: Bruk av fysiske eller kjemiske metoder for å fjerne små partikler som er festet til waferoverflaten. Mindre partikler er vanskeligere å fjerne på grunn av de sterke elektrostatiske kreftene mellom dem og waferoverflaten, og krever spesiell behandling.
Fjerning av organisk materiale: Organiske forurensninger som fett og fotoresistrester kan feste seg til waferoverflaten. Disse forurensningene fjernes vanligvis ved hjelp av sterke oksidasjonsmidler eller løsemidler.
Fjerning av metallioner: Metallionerester på waferoverflaten kan forringe den elektriske ytelsen og til og med påvirke påfølgende prosesstrinn. Derfor brukes spesifikke kjemiske løsninger for å fjerne disse ionene.
Fjerning av oksid: Noen prosesser krever at waferoverflaten er fri for oksidlag, som for eksempel silisiumoksid. I slike tilfeller må naturlige oksidlag fjernes under visse rengjøringstrinn.
Utfordringen med waferrengjøringsteknologi ligger i å effektivt fjerne forurensninger uten å påvirke waferoverflaten negativt, for eksempel å forhindre overflateruhet, korrosjon eller annen fysisk skade.
2. Prosessen med rengjøring av skiver
Waferrengjøringsprosessen involverer vanligvis flere trinn for å sikre fullstendig fjerning av forurensninger og oppnå en helt ren overflate.
Figur: Sammenligning mellom batch- og enkeltwaferrengjøring
En typisk rengjøringsprosess for wafere inkluderer følgende hovedtrinn:
1. Forhåndsrengjøring (Forhåndsrengjøring)
Formålet med forrensing er å fjerne løse forurensninger og store partikler fra waferoverflaten, noe som vanligvis oppnås gjennom skylling med avionisert vann (DI-vann) og ultralydrengjøring. Avionisert vann kan i utgangspunktet fjerne partikler og oppløste urenheter fra waferoverflaten, mens ultralydrengjøring bruker kavitasjonseffekter for å bryte bindingen mellom partiklene og waferoverflaten, noe som gjør dem lettere å løsne.
2. Kjemisk rengjøring
Kjemisk rengjøring er et av kjernetrinnene i waferrengjøringsprosessen, der kjemiske løsninger brukes til å fjerne organisk materiale, metallioner og oksider fra waferoverflaten.
Fjerning av organisk materiale: Vanligvis brukes aceton eller en ammoniakk/peroksidblanding (SC-1) til å løse opp og oksidere organiske forurensninger. Det typiske forholdet for SC-1-løsning er NH₄OH
₂O₂
2O = 1:1:5, med en arbeidstemperatur på rundt 20 °C.
Fjerning av metallioner: Salpetersyre eller saltsyre/peroksidblandinger (SC-2) brukes til å fjerne metallioner fra waferoverflaten. Det typiske forholdet for SC-2-løsning er HCl
₂O₂
2O = 1:1:6, med temperaturen holdt på omtrent 80 °C.
Fjerning av oksid: I noen prosesser kreves det at det naturlige oksidlaget fjernes fra waferoverflaten, og til dette brukes en flussyreløsning (HF). Det typiske forholdet for HF-løsning er HF
₂O = 1:50, og den kan brukes ved romtemperatur.
3. Sluttrengjøring
Etter kjemisk rengjøring gjennomgår wafere vanligvis et siste rengjøringstrinn for å sikre at det ikke blir igjen kjemiske rester på overflaten. Sluttrengjøring bruker hovedsakelig avionisert vann for grundig skylling. I tillegg brukes ozonvannrensing (O₃/H₂O) for å fjerne eventuelle gjenværende forurensninger fra waferoverflaten ytterligere.
4. Tørking
De rengjorte waferene må tørkes raskt for å forhindre vannmerker eller at forurensninger fester seg igjen. Vanlige tørkemetoder inkluderer sentrifugering og nitrogenrensing. Førstnevnte fjerner fuktighet fra waferoverflaten ved å spinne i høye hastigheter, mens sistnevnte sikrer fullstendig tørking ved å blåse tørr nitrogengass over waferoverflaten.
Forurensning
Navn på rengjøringsprosedyre
Beskrivelse av kjemisk blanding
Kjemikalier
| Partikler | Piranha (SPM) | Svovelsyre/hydrogenperoksid/avjonisert vann | H2SO4/H2O2/H2O 3–4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroksid/hydrogenperoksid/avjonisert vann | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| Metaller (ikke kobber) | SC-2 (HPM) | Saltsyre/hydrogenperoksid/avjonisert vann | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Svovelsyre/hydrogenperoksid/avjonisert vann | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Fortynnet flussyre/avjonisert vann (vil ikke fjerne kobber) | HF/H2O1:50 | |
| Økologiske produkter | Piranha (SPM) | Svovelsyre/hydrogenperoksid/avjonisert vann | H2SO4/H2O2/H2O 3–4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroksid/hydrogenperoksid/avjonisert vann | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Ozon i avionisert vann | O3/H2O-optimaliserte blandinger | |
| Naturlig oksid | DHF | Fortynnet flussyre/avjonisert vann | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Bufret flussyre | NH4F/HF/H2O |
3. Vanlige rengjøringsmetoder for wafere
1. RCA-rengjøringsmetode
RCA-rengjøringsmetoden er en av de mest klassiske waferrengjøringsteknikkene i halvlederindustrien, utviklet av RCA Corporation for over 40 år siden. Denne metoden brukes primært til å fjerne organiske forurensninger og metallionforurensninger, og kan utføres i to trinn: SC-1 (Standard Clean 1) og SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1-rengjøring: Dette trinnet brukes hovedsakelig til å fjerne organiske forurensninger og partikler. Løsningen er en blanding av ammoniakk, hydrogenperoksid og vann, som danner et tynt silisiumoksidlag på waferoverflaten.
SC-2-rengjøring: Dette trinnet brukes primært til å fjerne metallioner som forurensninger, ved hjelp av en blanding av saltsyre, hydrogenperoksid og vann. Det etterlater et tynt passiveringslag på waferoverflaten for å forhindre rekontaminering.
2. Rengjøringsmetode for piranhaer (Piranha Etch Clean)
Piranha-rengjøringsmetoden er en svært effektiv teknikk for å fjerne organisk materiale, ved bruk av en blanding av svovelsyre og hydrogenperoksid, vanligvis i forholdet 3:1 eller 4:1. På grunn av de ekstremt sterke oksidative egenskapene til denne løsningen, kan den fjerne en stor mengde organisk materiale og gjenstridige forurensninger. Denne metoden krever streng kontroll av forholdene, spesielt når det gjelder temperatur og konsentrasjon, for å unngå å skade waferen.
Ultralydrengjøring bruker kavitasjonseffekten generert av høyfrekvente lydbølger i en væske for å fjerne forurensninger fra waferoverflaten. Sammenlignet med tradisjonell ultralydrengjøring opererer megasonisk rengjøring med en høyere frekvens, noe som muliggjør mer effektiv fjerning av partikler på submikronstørrelse uten å forårsake skade på waferoverflaten.
4. Ozonrengjøring
Ozonrensingsteknologi utnytter ozonets sterke oksiderende egenskaper for å dekomponere og fjerne organiske forurensninger fra waferoverflaten, og omdanne dem til ufarlig karbondioksid og vann. Denne metoden krever ikke bruk av dyre kjemiske reagenser og forårsaker mindre miljøforurensning, noe som gjør den til en fremadstormende teknologi innen waferrensing.
4. Utstyr for rengjøring av skiver
For å sikre effektiviteten og sikkerheten til renseprosessene for wafere, brukes en rekke avanserte rengjøringsutstyr i halvlederproduksjon. Hovedtypene inkluderer:
1. Våtrengjøringsutstyr
Våtrengjøringsutstyr inkluderer forskjellige nedsenkingstanker, ultralydrengjøringstanker og sentrifuger. Disse enhetene kombinerer mekaniske krefter og kjemiske reagenser for å fjerne forurensninger fra waferoverflaten. Nedsenkingstanker er vanligvis utstyrt med temperaturkontrollsystemer for å sikre stabiliteten og effektiviteten til kjemiske løsninger.
2. Renseriutstyr
Renseriutstyr omfatter hovedsakelig plasmarensere, som bruker høyenergipartikler i plasma til å reagere med og fjerne rester fra waferoverflaten. Plasmarensing er spesielt egnet for prosesser som krever opprettholdelse av overflateintegritet uten å introdusere kjemiske rester.
3. Automatiserte rengjøringssystemer
Med den kontinuerlige utvidelsen av halvlederproduksjon har automatiserte rengjøringssystemer blitt det foretrukne valget for storskala rengjøring av wafere. Disse systemene inkluderer ofte automatiserte overføringsmekanismer, rengjøringssystemer med flere tanker og presisjonskontrollsystemer for å sikre konsistente rengjøringsresultater for hver wafer.
5. Fremtidige trender
Etter hvert som halvlederkomponenter fortsetter å krympe, utvikler teknologien for rengjøring av wafere seg mot mer effektive og miljøvennlige løsninger. Fremtidige rengjøringsteknologier vil fokusere på:
Fjerning av partikler på subnanometernivå: Eksisterende rengjøringsteknologier kan håndtere partikler på nanometernivå, men med den ytterligere reduksjonen i enhetsstørrelsen vil fjerning av partikler på subnanometernivå bli en ny utfordring.
Grønn og miljøvennlig rengjøring: Å redusere bruken av miljøskadelige kjemikalier og utvikle mer miljøvennlige rengjøringsmetoder, som ozonrensing og megasonisk rengjøring, vil bli stadig viktigere.
Høyere nivåer av automatisering og intelligens: Intelligente systemer vil muliggjøre sanntidsovervåking og justering av ulike parametere under rengjøringsprosessen, noe som ytterligere forbedrer rengjøringseffektiviteten og produksjonseffektiviteten.
Waferrengjøringsteknologi, som et kritisk trinn i halvlederproduksjon, spiller en viktig rolle i å sikre rene waferoverflater for påfølgende prosesser. Kombinasjonen av ulike rengjøringsmetoder fjerner effektivt forurensninger, noe som gir en ren substratoverflate for de neste trinnene. Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil rengjøringsprosessene fortsette å optimaliseres for å møte kravene til høyere presisjon og lavere defektrater i halvlederproduksjon.
Publisert: 08. oktober 2024