Ο υγρός καθαρισμός (Wet Clean) είναι ένα από τα κρίσιμα βήματα στις διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών, με στόχο την αφαίρεση διαφόρων ρύπων από την επιφάνεια της γκοφρέτας για να διασφαλιστεί ότι τα επόμενα στάδια της διαδικασίας μπορούν να εκτελεστούν σε καθαρή επιφάνεια.
Καθώς το μέγεθος των συσκευών ημιαγωγών συνεχίζει να συρρικνώνεται και οι απαιτήσεις ακρίβειας αυξάνονται, οι τεχνικές απαιτήσεις των διαδικασιών καθαρισμού πλακιδίων γίνονται όλο και πιο αυστηρές. Ακόμη και τα μικρότερα σωματίδια, οργανικά υλικά, ιόντα μετάλλων ή υπολείμματα οξειδίων στην επιφάνεια του πλακιδίου μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απόδοση της συσκευής, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση και την αξιοπιστία των συσκευών ημιαγωγών.
Βασικές Αρχές Καθαρισμού Γκοφρέτας
Ο πυρήνας του καθαρισμού της γκοφρέτας έγκειται στην αποτελεσματική απομάκρυνση διαφόρων ρύπων από την επιφάνεια της γκοφρέτας μέσω φυσικών, χημικών και άλλων μεθόδων για να διασφαλιστεί ότι η γκοφρέτα έχει μια καθαρή επιφάνεια κατάλληλη για μεταγενέστερη επεξεργασία.
Τύπος μόλυνσης
Κύριες επιρροές στα χαρακτηριστικά της συσκευής
| άρθρο Μόλυνση | Ελαττώματα μοτίβου
Ελαττώματα εμφύτευσης ιόντων
Ελαττώματα διάσπασης μονωτικού φιλμ
| |
| Μεταλλική Μόλυνση | Αλκαλικά Μέταλλα | Αστάθεια τρανζίστορ MOS
Διάσπαση/αποδόμηση φιλμ οξειδίου πύλης
|
| Heavy Metals | Αυξημένο ρεύμα αντίστροφης διαρροής σύνδεσης PN
Ελαττώματα διάσπασης μεμβράνης οξειδίου πύλης
Υποβάθμιση διάρκειας ζωής του φορέα μειοψηφίας
Δημιουργία ελαττώματος στο στρώμα διέγερσης οξειδίου
| |
| Χημική μόλυνση | Οργανικό Υλικό | Ελαττώματα διάσπασης μεμβράνης οξειδίου πύλης
Παραλλαγές φιλμ CVD (χρόνοι επώασης)
Διακυμάνσεις πάχους μεμβράνης θερμικού οξειδίου (επιταχυνόμενη οξείδωση)
Εμφάνιση θολότητας (γκοφρέτα, φακός, καθρέφτης, μάσκα, σταυρό)
|
| Ανόργανες προσμίξεις (B, P) | Μετατοπίσεις Vth τρανζίστορ MOS
Παραλλαγές αντίστασης υποστρώματος Si και υψηλής αντοχής φύλλου πυριτίου
| |
| Ανόργανες βάσεις (αμίνες, αμμωνία) & Οξέα (SOx) | Υποβάθμιση της ανάλυσης των χημικά ενισχυμένων ανθεκτικών
Εμφάνιση σωματιδιακής μόλυνσης και θολότητας λόγω παραγωγής αλατιού
| |
| Εγγενείς και χημικές μεμβράνες οξειδίου λόγω υγρασίας, αέρα | Αυξημένη αντίσταση επαφής
Διάσπαση/αποδόμηση φιλμ οξειδίου πύλης
| |
Συγκεκριμένα, οι στόχοι της διαδικασίας καθαρισμού γκοφρέτας περιλαμβάνουν:
Αφαίρεση σωματιδίων: Χρήση φυσικών ή χημικών μεθόδων για την αφαίρεση μικρών σωματιδίων που είναι προσκολλημένα στην επιφάνεια του πλακιδίου. Τα μικρότερα σωματίδια είναι πιο δύσκολο να αφαιρεθούν λόγω των ισχυρών ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ τους και της επιφάνειας του πλακιδίου, που απαιτούν ειδική επεξεργασία.
Αφαίρεση οργανικού υλικού: Οργανικοί ρύποι όπως λίπος και φωτοανθεκτικά υπολείμματα μπορεί να προσκολληθούν στην επιφάνεια του πλακιδίου. Αυτοί οι ρύποι συνήθως απομακρύνονται χρησιμοποιώντας ισχυρά οξειδωτικά μέσα ή διαλύτες.
Αφαίρεση ιόντων μετάλλου: Τα υπολείμματα μεταλλικών ιόντων στην επιφάνεια του πλακιδίου μπορεί να υποβαθμίσουν την ηλεκτρική απόδοση και ακόμη και να επηρεάσουν τα επόμενα στάδια επεξεργασίας. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται ειδικά χημικά διαλύματα για την απομάκρυνση αυτών των ιόντων.
Αφαίρεση οξειδίου: Ορισμένες διεργασίες απαιτούν η επιφάνεια του πλακιδίου να είναι απαλλαγμένη από στρώματα οξειδίου, όπως οξείδιο του πυριτίου. Σε τέτοιες περιπτώσεις, τα φυσικά στρώματα οξειδίου πρέπει να αφαιρούνται κατά τη διάρκεια ορισμένων βημάτων καθαρισμού.
Η πρόκληση της τεχνολογίας καθαρισμού πλακιδίων έγκειται στην αποτελεσματική απομάκρυνση των ρύπων χωρίς να επηρεάζεται αρνητικά η επιφάνεια του πλακιδίου, όπως η πρόληψη της τραχύτητας της επιφάνειας, της διάβρωσης ή άλλης φυσικής ζημιάς.
2. Ροή διαδικασίας καθαρισμού γκοφρέτας
Η διαδικασία καθαρισμού γκοφρέτας συνήθως περιλαμβάνει πολλαπλά βήματα για να διασφαλιστεί η πλήρης απομάκρυνση των ρύπων και να επιτευχθεί μια πλήρως καθαρή επιφάνεια.
Σχήμα: Σύγκριση μεταξύ τύπου παρτίδας και καθαρισμού μονής γκοφρέτας
Μια τυπική διαδικασία καθαρισμού γκοφρέτας 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 της έκπλυσης με απιονισμένο νερό (DI Water) και του καθαρισμού με υπερήχους. Το απιονισμένο νερό μπορεί αρχικά να αφαιρέσει σωματίδια και διαλυμένες ακαθαρσίες από την επιφάνεια του πλακιδίου, ενώ ο καθαρισμός με υπερήχους χρησιμοποιεί φαινόμενα σπηλαίωσης για να σπάσει τον δεσμό μεταξύ των σωματιδίων και της επιφάνειας του πλακιδίου, καθιστώντας ευκολότερη την απομάκρυνσή τους.
2. Χημικός Καθαρισμός
Ο χημικός καθαρισμός είναι ένα από τα βασικά βήματα στη διαδικασία καθαρισμού του πλακιδίου, χρησιμοποιώντας χημικά διαλύματα για την αφαίρεση οργανικών υλικών, ιόντων μετάλλων και οξειδίων από την επιφάνεια του πλακιδίου.
Αφαίρεση οργανικού υλικού: Συνήθως, χρησιμοποιείται ακετόνη ή μίγμα αμμωνίας/υπεροξειδίου (SC-1) για τη διάλυση και την οξείδωση οργανικών ρύπων. Η τυπική αναλογία για το διάλυμα SC-1 είναι NH4OH
₂O2
₂O = 1:1:5, με θερμοκρασία εργασίας περίπου 20°C.
Αφαίρεση ιόντων μετάλλου: Μείγματα νιτρικού οξέος ή υδροχλωρικού οξέος/υπεροξειδίου (SC-2) χρησιμοποιούνται για την αφαίρεση 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 περίπου στους 80°C.
Αφαίρεση οξειδίου: 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 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 στάδιο καθαρισμού για να διασφαλιστεί ότι δεν παραμένουν χημικά κατάλοιπα στην επιφάνεια. Ο τελικός καθαρισμός χρησιμοποιεί κυρίως απιονισμένο νερό για σχολαστικό ξέπλυμα. Επιπλέον, χρησιμοποιείται καθαρισμός με νερό με όζον (O3/H2O) για την περαιτέρω απομάκρυνση τυχόν υπολειπόμενων ρύπων από την επιφάνεια του πλακιδίου.
4. Ξήρανση
Οι καθαρισμένες γκοφρέτες πρέπει να στεγνώσουν γρήγορα για να αποφευχθεί η δημιουργία υδατογραφημάτων ή η εκ νέου προσκόλληση ρύπων. Οι συνήθεις μέθοδοι ξήρανσης περιλαμβάνουν ξήρανση με περιδίνηση και καθαρισμό με άζωτο. Το πρώτο αφαιρεί την υγρασία από την επιφάνεια του πλακιδίου περιστρέφοντας σε υψηλές ταχύτητες, ενώ το δεύτερο εξασφαλίζει πλήρες στέγνωμα διοχετεύοντας ξηρό αέριο αζώτου σε όλη την επιφάνεια του πλακιδίου.
Μολυσματικό
Όνομα διαδικασίας καθαρισμού
Περιγραφή Χημικού Μείγματος
Χημικά
| Σωματίδια | Piranha (SPM) | Θειικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/Νερό DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Υδροξείδιο του αμμωνίου/υπεροξείδιο του υδρογόνου/Νερό DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Μέταλλα (όχι χαλκός) | SC-2 (HPM) | Υδροχλωρικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/Νερό DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Θειικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/Νερό DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Αραιό υδροφθορικό οξύ/Νερό DI (δεν αφαιρεί τον χαλκό) | HF/H2O1:50 | |
| Βιολογικά | Piranha (SPM) | Θειικό οξύ/υπεροξείδιο του υδρογόνου/Νερό DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Υδροξείδιο του αμμωνίου/υπεροξείδιο του υδρογόνου/Νερό DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| ΔΙΟ3 | Όζον σε απιονισμένο νερό | Βελτιστοποιημένα Μείγματα O3/H2O | |
| Native Oxide | DHF | Αραιώστε υδροφθορικό οξύ/νερό DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Ρυθμισμένο υδροφθορικό οξύ | NH4F/HF/H2O |
3. Κοινές μέθοδοι καθαρισμού γκοφρέτας
1. Μέθοδος καθαρισμού RCA
Η μέθοδος καθαρισμού RCA είναι μια από τις πιο κλασικές τεχνικές καθαρισμού γκοφρετών στη βιομηχανία ημιαγωγών, που αναπτύχθηκε από την RCA Corporation πριν από περισσότερα από 40 χρόνια. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για την αφαίρεση 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 αφαίρεση 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 του πλακιδίου.
Καθαρισμός SC-2: Αυτό το βήμα χρησιμοποιείται κυρίως για την αφαίρεση ρύπων από μεταλλικά ιόντα, χρησιμοποιώντας ένα μείγμα υδροχλωρικού οξέος, υπεροξειδίου του υδρογόνου και νερού. Αφήνει ένα λεπτό στρώμα παθητικοποίησης στην επιφάνεια της γκοφρέτας για να αποτρέψει την επαναμόλυνση.
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 καταστροφή της γκοφρέτας.
Ο καθαρισμός με υπερήχους χρησιμοποιεί το φαινόμενο σπηλαίωσης που δημιουργείται από ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας σε ένα υγρό για την απομάκρυνση των ρύπων από την επιφάνεια του πλακιδίου. Σε σύγκριση με τον παραδοσιακό καθαρισμό με υπερήχους, ο μεγαηχητικός καθαρισμός λειτουργεί σε υψηλότερη συχνότητα, επιτρέποντας την αποτελεσματικότερη αφαίρεση σωματιδίων μικρού μεγέθους χωρίς να προκαλείται ζημιά στην επιφάνεια του πλακιδίου.
4. Καθαρισμός με Όζον
Η τεχνολογία καθαρισμού με όζον χρησιμοποιεί τις ισχυρές οξειδωτικές ιδιότητες του όζοντος για την αποσύνθεση και την αφαίρεση οργανικών ρύπων από την επιφάνεια του πλακιδίου, μετατρέποντάς τους τελικά σε αβλαβές διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτή η μέθοδος δεν απαιτεί τη χρήση ακριβών χημικών αντιδραστηρίων και προκαλεί λιγότερη ρύπανση του περιβάλλοντος, καθιστώντας την μια αναδυόμενη τεχνολογία στον τομέα του καθαρισμού γκοφρετών.
4. Εξοπλισμός διαδικασίας καθαρισμού γκοφρέτας
Για να εξασφαλιστεί η αποτελεσματικότητα και η ασφάλεια των διαδικασιών καθαρισμού γκοφρετών, χρησιμοποιείται μια ποικιλία προηγμένου εξοπλισμού καθαρισμού στην κατασκευή ημιαγωγών. Οι κύριοι τύποι περιλαμβάνουν:
1. Εξοπλισμός υγρού καθαρισμού
Ο εξοπλισμός υγρού καθαρισμού περιλαμβάνει διάφορες δεξαμενές εμβάπτισης, δεξαμενές καθαρισμού με υπερήχους και στεγνωτήρες περιστροφής. Αυτές οι συσκευές συνδυάζουν μηχανικές δυνάμεις και χημικά αντιδραστήρια για την αφαίρεση ρύπων από την επιφάνεια του πλακιδίου. Οι δεξαμενές εμβάπτισης είναι συνήθως εξοπλισμένες με συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας για τη διασφάλιση της σταθερότητας και της αποτελεσματικότητας των χημικών διαλυμάτων.
2. Εξοπλισμός στεγνού καθαρισμού
Ο εξοπλισμός στεγνού καθαρισμού περιλαμβάνει κυρίως καθαριστικά πλάσματος, τα οποία χρησιμοποιούν σωματίδια υψηλής ενέργειας στο πλάσμα για να αντιδράσουν και να αφαιρέσουν υπολείμματα από την επιφάνεια του πλάσματος. Ο καθαρισμός με πλάσμα είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για διαδικασίες που απαιτούν 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 καθαρισμό γκοφρέτας μεγάλης κλίμακας. Αυτά τα συστήματα περιλαμβάνουν συχνά αυτοματοποιημένους μηχανισμούς μεταφοράς, συστήματα καθαρισμού πολλαπλών δεξαμενών και συστήματα ελέγχου ακριβείας για την εξασφάλιση σταθερών αποτελεσμάτων καθαρισμού για κάθε γκοφρέτα.
5. Μελλοντικές τάσεις
Καθώς οι συσκευές ημιαγωγών συνεχίζουν να συρρικνώνονται, η τεχνολογία καθαρισμού γκοφρέτας εξελίσσεται προς πιο αποτελεσματικές και φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις. Οι μελλοντικές τεχνολογίες καθαρισμού θα επικεντρωθούν σε:
Αφαίρεση σωματιδίων υπό νανομέτρων: Οι υπάρχουσες τεχνολογίες καθαρισμού μπορούν να χειριστούν σωματίδια κλίμακας νανομέτρων, αλλά με την περαιτέρω μείωση του μεγέθους της συσκευής, η αφαίρεση σωματιδίων κάτω των νανομέτρων θα γίνει μια νέα πρόκληση.
Πράσινος και φιλικός προς το περιβάλλον καθαρισμός: Η μείωση της χρήσης επιβλαβών για το περιβάλλον χημικών ουσιών και η ανάπτυξη πιο φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδων καθαρισμού, όπως ο καθαρισμός με όζον και ο μεγαηχητικός καθαρισμός, θα γίνεται όλο και πιο σημαντική.
Υψηλότερα επίπεδα αυτοματισμού και ευφυΐας: Τα ευφυή συστήματα θα επιτρέψουν την παρακολούθηση και προσαρμογή διαφόρων παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο κατά τη διαδικασία καθαρισμού, βελτιώνοντας περαιτέρω την αποτελεσματικότητα καθαρισμού και την αποδοτικότητα παραγωγής.
Η τεχνολογία καθαρισμού γκοφρέτας, ως κρίσιμο βήμα στην κατασκευή ημιαγωγών, διαδραματίζει ζωτικό ρόλο στη διασφάλιση καθαρών επιφανειών γκοφρέτας για τις επόμενες διεργασίες. Ο συνδυασμός διαφόρων μεθόδων καθαρισμού απομακρύνει αποτελεσματικά τους ρύπους, παρέχοντας μια καθαρή επιφάνεια υποστρώματος για τα επόμενα βήματα. Καθώς η τεχνολογία προχωρά, οι διαδικασίες καθαρισμού θα συνεχίσουν να βελτιστοποιούνται για να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις για μεγαλύτερη ακρίβεια και χαμηλότερα ποσοστά ελαττωμάτων στην κατασκευή ημιαγωγών.
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-08-2024