Ο υγρός καθαρισμός (Wet Clean) είναι ένα από τα κρίσιμα βήματα στις διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών, που στοχεύει στην απομάκρυνση διαφόρων ρύπων από την επιφάνεια του πλακιδίου, ώστε να διασφαλιστεί ότι τα επόμενα βήματα της διαδικασίας μπορούν να εκτελεστούν σε καθαρή επιφάνεια.
Καθώς το μέγεθος των ημιαγωγικών συσκευών συνεχίζει να συρρικνώνεται και οι απαιτήσεις ακρίβειας αυξάνονται, οι τεχνικές απαιτήσεις των διεργασιών καθαρισμού πλακιδίων (wafer) γίνονται ολοένα και πιο αυστηρές. Ακόμα και τα μικρότερα σωματίδια, οργανικά υλικά, μεταλλικά ιόντα ή υπολείμματα οξειδίων στην επιφάνεια των πλακιδίων μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απόδοση της συσκευής, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση και την αξιοπιστία των ημιαγωγικών συσκευών.
Βασικές αρχές καθαρισμού πλακιδίων
Ο πυρήνας του καθαρισμού των πλακιδίων έγκειται στην αποτελεσματική απομάκρυνση διαφόρων ρύπων από την επιφάνεια τους μέσω φυσικών, χημικών και άλλων μεθόδων, ώστε να διασφαλιστεί ότι το πλακίδιο έχει μια καθαρή επιφάνεια κατάλληλη για επακόλουθη επεξεργασία.
Τύπος μόλυνσης
Κύριες επιρροές στα χαρακτηριστικά της συσκευής
| Μόλυνση άρθρου | Ελαττώματα μοτίβου
Ελαττώματα εμφύτευσης ιόντων
Ελαττώματα διάσπασης μονωτικής μεμβράνης
| |
| Μεταλλική μόλυνση | Αλκαλικά μέταλλα | Αστάθεια τρανζίστορ MOS
Διάσπαση/υποβάθμιση της μεμβράνης οξειδίου της πύλης
|
| Βαρέα Μέταλλα | Αυξημένο ρεύμα διαρροής αντίστροφης σύνδεσης PN
Ελαττώματα διάσπασης μεμβράνης οξειδίου πύλης
Υποβάθμιση διάρκειας ζωής μειονοτικών φορέων
Δημιουργία ελαττωμάτων στρώματος διέγερσης οξειδίου
| |
| Χημική μόλυνση | Οργανικό Υλικό | Ελαττώματα διάσπασης μεμβράνης οξειδίου πύλης
Παραλλαγές μεμβράνης CVD (χρόνοι επώασης)
Θερμικές μεταβολές πάχους μεμβράνης οξειδίου (επιταχυνόμενη οξείδωση)
Εμφάνιση θολώματος (δισκίο, φακός, καθρέφτης, μάσκα, σταυρόνημα)
|
| Ανόργανα πρόσθετα (B, P) | Μετατοπίσεις V-οστού τρανζίστορ MOS
Παραλλαγές αντοχής υποστρώματος Si και φύλλων πολυπυριτίου υψηλής αντοχής
| |
| Ανόργανες Βάσεις (αμίνες, αμμωνία) & Οξέα (SOx) | Υποβάθμιση της διακριτικής ικανότητας των χημικά ενισχυμένων φωτοευαίσθητων υλικών
Εμφάνιση σωματιδιακής μόλυνσης και θολώματος λόγω της παραγωγής αλατιού
| |
| Φυσικές και χημικές μεμβράνες οξειδίου λόγω υγρασίας, αέρα | Αυξημένη αντίσταση επαφής
Διάσπαση/υποβάθμιση της μεμβράνης οξειδίου της πύλης
| |
Συγκεκριμένα, οι στόχοι της διαδικασίας καθαρισμού πλακιδίων περιλαμβάνουν:
Αφαίρεση σωματιδίων: Χρήση φυσικών ή χημικών μεθόδων για την αφαίρεση μικρών σωματιδίων που είναι προσκολλημένα στην επιφάνεια της γκοφρέτας. Τα μικρότερα σωματίδια είναι πιο δύσκολο να αφαιρεθούν λόγω των ισχυρών ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ αυτών και της επιφάνειας της γκοφρέτας, οι οποίες απαιτούν ειδική επεξεργασία.
Αφαίρεση οργανικών υλικών: Οργανικοί ρύποι, όπως γράσο και υπολείμματα φωτοευαίσθητου υλικού, ενδέχεται να προσκολληθούν στην επιφάνεια της πλακέτας. Αυτοί οι ρύποι συνήθως απομακρύνονται χρησιμοποιώντας ισχυρά οξειδωτικά μέσα ή διαλύτες.
Αφαίρεση μεταλλικών ιόντων: Τα υπολείμματα μεταλλικών ιόντων στην επιφάνεια του πλακιδίου μπορούν να υποβαθμίσουν την ηλεκτρική απόδοση και ακόμη και να επηρεάσουν τα επόμενα βήματα επεξεργασίας. Επομένως, χρησιμοποιούνται ειδικά χημικά διαλύματα για την απομάκρυνση αυτών των ιόντων.
Αφαίρεση οξειδίων: Ορισμένες διεργασίες απαιτούν η επιφάνεια της γκοφρέτας να είναι απαλλαγμένη από στρώματα οξειδίου, όπως το οξείδιο του πυριτίου. Σε τέτοιες περιπτώσεις, τα φυσικά στρώματα οξειδίου πρέπει να αφαιρεθούν κατά τη διάρκεια ορισμένων βημάτων καθαρισμού.
Η πρόκληση της τεχνολογίας καθαρισμού πλακιδίων έγκειται στην αποτελεσματική απομάκρυνση των ρύπων χωρίς να επηρεάζεται αρνητικά η επιφάνεια της πλακέτας, όπως η πρόληψη της τραχύτητας της επιφάνειας, της διάβρωσης ή άλλων φυσικών ζημιών.
2. Ροή Διαδικασίας Καθαρισμού Γκοφρέτας
Η διαδικασία καθαρισμού των πλακιδίων συνήθως περιλαμβάνει πολλά βήματα για να διασφαλιστεί η πλήρης απομάκρυνση των ρύπων και να επιτευχθεί μια πλήρως καθαρή επιφάνεια.
Σχήμα: Σύγκριση μεταξύ καθαρισμού τύπου παρτίδας και καθαρισμού μεμονωμένης γκοφρέτας
Μια τυπική διαδικασία καθαρισμού πλακιδίων περιλαμβάνει τα ακόλουθα κύρια βήματα:
1. Προκαθαρισμός (Προκαθαρισμός)
Ο σκοπός του προκαθαρισμού είναι η απομάκρυνση χαλαρών ρύπων και μεγάλων σωματιδίων από την επιφάνεια της γκοφρέτας, κάτι που συνήθως επιτυγχάνεται μέσω έκπλυσης με απιονισμένο νερό (DI Water) και υπερηχητικού καθαρισμού. Το απιονισμένο νερό μπορεί αρχικά να απομακρύνει σωματίδια και διαλυμένες ακαθαρσίες από την επιφάνεια της γκοφρέτας, ενώ ο υπερηχητικός καθαρισμός χρησιμοποιεί φαινόμενα σπηλαίωσης για να σπάσει τον δεσμό μεταξύ των σωματιδίων και της επιφάνειας της γκοφρέτας, καθιστώντας ευκολότερη την απομάκρυνσή τους.
2. Χημικός καθαρισμός
Ο χημικός καθαρισμός είναι ένα από τα βασικά βήματα στη διαδικασία καθαρισμού των πλακιδίων, χρησιμοποιώντας χημικά διαλύματα για την απομάκρυνση οργανικών υλικών, μεταλλικών ιόντων και οξειδίων από την επιφάνεια των πλακιδίων.
Αφαίρεση Οργανικών Υλικών: Συνήθως, χρησιμοποιείται ακετόνη ή μείγμα αμμωνίας/υπεροξειδίου (SC-1) για τη διάλυση και οξείδωση οργανικών ρύπων. Η τυπική αναλογία για το διάλυμα SC-1 είναι NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, με θερμοκρασία λειτουργίας περίπου 20°C.
Αφαίρεση μεταλλικών ιόντων: Χρησιμοποιούνται νιτρικό οξύ ή μείγματα υδροχλωρικού οξέος/υπεροξειδίου (SC-2) για την απομάκρυνση μεταλλικών ιόντων από την επιφάνεια του πλακιδίου. Η τυπική αναλογία για το διάλυμα SC-2 είναι HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, με τη θερμοκρασία να διατηρείται στους περίπου 80°C.
Αφαίρεση Οξειδίων: Σε ορισμένες διεργασίες, απαιτείται η αφαίρεση του φυσικού στρώματος οξειδίου από την επιφάνεια του πλακιδίου, για την οποία χρησιμοποιείται διάλυμα υδροφθορικού οξέος (HF). Η τυπική αναλογία για το διάλυμα HF είναι HF.
₂O = 1:50 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοκρασία δωματίου.
3. Τελικός καθαρισμός
Μετά τον χημικό καθαρισμό, οι γκοφρέτες συνήθως υποβάλλονται σε ένα τελικό βήμα καθαρισμού για να διασφαλιστεί ότι δεν θα παραμείνουν χημικά υπολείμματα στην επιφάνεια. Ο τελικός καθαρισμός χρησιμοποιεί κυρίως απιονισμένο νερό για σχολαστικό ξέπλυμα. Επιπλέον, ο καθαρισμός με όζον (O₃/H₂O) χρησιμοποιείται για την περαιτέρω απομάκρυνση τυχόν υπολειμματικών ρύπων από την επιφάνεια της γκοφρέτας.
4. Ξήρανση
Οι καθαρισμένες γκοφρέτες πρέπει να στεγνώνουν γρήγορα για να αποφευχθούν τα υδατογράμματα ή η επανασύνδεση ρύπων. Οι συνήθεις μέθοδοι ξήρανσης περιλαμβάνουν την ξήρανση με περιστροφή και την έκπλυση με άζωτο. Η πρώτη απομακρύνει την υγρασία από την επιφάνεια της γκοφρέτας περιστρέφοντας σε υψηλές ταχύτητες, ενώ η δεύτερη εξασφαλίζει πλήρη ξήρανση φυσώντας ξηρό αέριο άζωτο κατά μήκος της επιφάνειας της γκοφρέτας.
Ρύπος
Όνομα Διαδικασίας Καθαρισμού
Περιγραφή Χημικού Μείγματος
Χημικά
| Σωματίδια | Πιράνχα (SPM) | Θειικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/απιονισμένο νερό | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Υδροξείδιο του αμμωνίου/υπεροξείδιο του υδρογόνου/απιονισμένο νερό | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Μέταλλα (όχι χαλκός) | SC-2 (HPM) | Υδροχλωρικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/απιονισμένο νερό | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Πιράνχα (SPM) | Θειικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/απιονισμένο νερό | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Αραιό υδροφθορικό οξύ/απιονισμένο νερό (δεν θα αφαιρέσει τον χαλκό) | HF/H2O1:50 | |
| Βιολογικά | Πιράνχα (SPM) | Θειικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/απιονισμένο νερό | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Υδροξείδιο του αμμωνίου/υπεροξείδιο του υδρογόνου/απιονισμένο νερό | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| ΔΙΟ3 | Όζον σε απιονισμένο νερό | Βελτιστοποιημένα μείγματα O3/H2O | |
| Φυσικό Οξείδιο | DHF | Αραιό υδροφθορικό οξύ/απιονισμένο νερό | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Ρυθμισμένο υδροφθορικό οξύ | NH4F/HF/H2O |
3. Συνήθεις μέθοδοι καθαρισμού πλακιδίων
1. Μέθοδος καθαρισμού RCA
Η μέθοδος καθαρισμού RCA είναι μια από τις πιο κλασικές τεχνικές καθαρισμού πλακιδίων στη βιομηχανία ημιαγωγών, η οποία αναπτύχθηκε από την RCA Corporation πριν από 40 χρόνια. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για την απομάκρυνση οργανικών ρύπων και ακαθαρσιών μεταλλικών ιόντων και μπορεί να ολοκληρωθεί σε δύο βήματα: SC-1 (Standard Clean 1) και SC-2 (Standard Clean 2).
Καθαρισμός SC-1: Αυτό το βήμα χρησιμοποιείται κυρίως για την απομάκρυνση οργανικών ρύπων και σωματιδίων. Το διάλυμα είναι ένα μείγμα αμμωνίας, υπεροξειδίου του υδρογόνου και νερού, το οποίο σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του πυριτίου στην επιφάνεια της γκοφρέτας.
Καθαρισμός SC-2: Αυτό το βήμα χρησιμοποιείται κυρίως για την απομάκρυνση ρύπων από μεταλλικά ιόντα, χρησιμοποιώντας ένα μείγμα υδροχλωρικού οξέος, υπεροξειδίου του υδρογόνου και νερού. Αφήνει ένα λεπτό στρώμα παθητικοποίησης στην επιφάνεια της γκοφρέτας για την αποφυγή επαναμόλυνσης.
2. Μέθοδος καθαρισμού Piranha (Piranha Etch Clean)
Η μέθοδος καθαρισμού Piranha είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική τεχνική για την αφαίρεση οργανικών υλικών, χρησιμοποιώντας ένα μείγμα θειικού οξέος και υπεροξειδίου του υδρογόνου, συνήθως σε αναλογία 3:1 ή 4:1. Λόγω των εξαιρετικά ισχυρών οξειδωτικών ιδιοτήτων αυτού του διαλύματος, μπορεί να αφαιρέσει μεγάλη ποσότητα οργανικής ύλης και επίμονων ρύπων. Αυτή η μέθοδος απαιτεί αυστηρό έλεγχο των συνθηκών, ιδιαίτερα όσον αφορά τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση, για να αποφευχθεί η πρόκληση ζημιάς στο πλακίδιο.
Ο υπερηχητικός καθαρισμός χρησιμοποιεί το φαινόμενο σπηλαίωσης που παράγεται από ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας σε ένα υγρό για την απομάκρυνση ρύπων από την επιφάνεια της πλακέτας. Σε σύγκριση με τον παραδοσιακό υπερηχητικό καθαρισμό, ο μεγαηχητικός καθαρισμός λειτουργεί σε υψηλότερη συχνότητα, επιτρέποντας την πιο αποτελεσματική αφαίρεση σωματιδίων μεγέθους υπομικρού χωρίς να προκαλείται ζημιά στην επιφάνεια της πλακέτας.
4. Καθαρισμός με όζον
Η τεχνολογία καθαρισμού με όζον αξιοποιεί τις ισχυρές οξειδωτικές ιδιότητες του όζοντος για την αποσύνθεση και την απομάκρυνση οργανικών ρύπων από την επιφάνεια των πλακιδίων, μετατρέποντάς τους τελικά σε ακίνδυνο διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτή η μέθοδος δεν απαιτεί τη χρήση ακριβών χημικών αντιδραστηρίων και προκαλεί λιγότερη περιβαλλοντική ρύπανση, καθιστώντας την μια αναδυόμενη τεχνολογία στον τομέα του καθαρισμού πλακιδίων.
4. Εξοπλισμός διεργασίας καθαρισμού πλακιδίων
Για να διασφαλιστεί η αποτελεσματικότητα και η ασφάλεια των διαδικασιών καθαρισμού πλακιδίων, στην κατασκευή ημιαγωγών χρησιμοποιείται μια ποικιλία προηγμένου εξοπλισμού καθαρισμού. Οι κύριοι τύποι περιλαμβάνουν:
1. Εξοπλισμός υγρού καθαρισμού
Ο εξοπλισμός υγρού καθαρισμού περιλαμβάνει διάφορες δεξαμενές εμβάπτισης, δεξαμενές καθαρισμού με υπερήχους και στεγνωτήρια με περιστροφή. Αυτές οι συσκευές συνδυάζουν μηχανικές δυνάμεις και χημικά αντιδραστήρια για την απομάκρυνση ρύπων από την επιφάνεια των πλακιδίων. Οι δεξαμενές εμβάπτισης είναι συνήθως εξοπλισμένες με συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας για να διασφαλίζεται η σταθερότητα και η αποτελεσματικότητα των χημικών διαλυμάτων.
2. Εξοπλισμός στεγνού καθαρισμού
Ο εξοπλισμός στεγνού καθαρισμού περιλαμβάνει κυρίως καθαριστικά πλάσματος, τα οποία χρησιμοποιούν σωματίδια υψηλής ενέργειας σε πλάσμα για να αντιδράσουν με την επιφάνεια των πλακιδίων και να τα απομακρύνουν. Ο καθαρισμός με πλάσμα είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για διεργασίες που απαιτούν τη διατήρηση της ακεραιότητας της επιφάνειας χωρίς την εισαγωγή χημικών υπολειμμάτων.
3. Αυτοματοποιημένα Συστήματα Καθαρισμού
Με τη συνεχή επέκταση της παραγωγής ημιαγωγών, τα αυτοματοποιημένα συστήματα καθαρισμού έχουν γίνει η προτιμώμενη επιλογή για τον καθαρισμό πλακιδίων μεγάλης κλίμακας. Αυτά τα συστήματα συχνά περιλαμβάνουν αυτοματοποιημένους μηχανισμούς μεταφοράς, συστήματα καθαρισμού πολλαπλών δεξαμενών και συστήματα ελέγχου ακριβείας για να διασφαλίζουν συνεπή αποτελέσματα καθαρισμού για κάθε πλακίδιο.
5. Μελλοντικές τάσεις
Καθώς οι ημιαγωγικές συσκευές συνεχίζουν να συρρικνώνονται, η τεχνολογία καθαρισμού πλακιδίων εξελίσσεται προς πιο αποτελεσματικές και φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις. Οι μελλοντικές τεχνολογίες καθαρισμού θα επικεντρωθούν στα εξής:
Αφαίρεση σωματιδίων υπονανομέτρου: Οι υπάρχουσες τεχνολογίες καθαρισμού μπορούν να διαχειριστούν σωματίδια νανομετρικής κλίμακας, αλλά με την περαιτέρω μείωση του μεγέθους της συσκευής, η αφαίρεση σωματιδίων υπονανομέτρου θα αποτελέσει μια νέα πρόκληση.
Οικολογικός και Πράσινος Καθαρισμός: Η μείωση της χρήσης περιβαλλοντικά επιβλαβών χημικών ουσιών και η ανάπτυξη πιο φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδων καθαρισμού, όπως ο καθαρισμός με όζον και ο καθαρισμός μεγαηχητικά, θα αποκτήσουν ολοένα και μεγαλύτερη σημασία.
Υψηλότερα Επίπεδα Αυτοματισμού και Νοημοσύνης: Τα έξυπνα συστήματα θα επιτρέπουν την παρακολούθηση και την προσαρμογή σε πραγματικό χρόνο διαφόρων παραμέτρων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας καθαρισμού, βελτιώνοντας περαιτέρω την αποτελεσματικότητα του καθαρισμού και την αποδοτικότητα της παραγωγής.
Η τεχνολογία καθαρισμού πλακιδίων (wafer), ως κρίσιμο βήμα στην κατασκευή ημιαγωγών, παίζει ζωτικό ρόλο στη διασφάλιση καθαρών επιφανειών πλακιδίων για τις επόμενες διαδικασίες. Ο συνδυασμός διαφόρων μεθόδων καθαρισμού απομακρύνει αποτελεσματικά τους ρύπους, παρέχοντας μια καθαρή επιφάνεια υποστρώματος για τα επόμενα βήματα. Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, οι διαδικασίες καθαρισμού θα συνεχίσουν να βελτιστοποιούνται για να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις για υψηλότερη ακρίβεια και χαμηλότερα ποσοστά ελαττωμάτων στην κατασκευή ημιαγωγών.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Οκτωβρίου 2024