Mokré čistenie (Wet Clean) je jedným z kľúčových krokov v procesoch výroby polovodičov, ktorého cieľom je odstrániť rôzne nečistoty z povrchu doštičky, aby sa zabezpečilo, že následné kroky procesu sa môžu vykonávať na čistom povrchu.
S neustále sa zmenšujúcou veľkosťou polovodičových súčiastok a rastúcimi požiadavkami na presnosť sa technické nároky na procesy čistenia doštičiek stávajú čoraz prísnejšími. Aj tie najmenšie častice, organické materiály, kovové ióny alebo zvyšky oxidov na povrchu doštičky môžu významne ovplyvniť výkon zariadenia, a tým aj výťažnosť a spoľahlivosť polovodičových súčiastok.
Základné princípy čistenia doštičiek
Podstata čistenia doštičiek spočíva v účinnom odstraňovaní rôznych nečistôt z povrchu doštičiek fyzikálnymi, chemickými a inými metódami, aby sa zabezpečilo, že doštička má čistý povrch vhodný na následné spracovanie.
Typ kontaminácie
Hlavné vplyvy na charakteristiky zariadenia
| Kontaminácia výrobku | Chyby vzoru
Poruchy implantácie iónov
Vady spôsobené poškodením izolačnej fólie
| |
| Kovová kontaminácia | Alkalické kovy | Nestabilita MOS tranzistora
Rozpad/degradácia hradlového oxidového filmu
|
| Ťažké kovy | Zvýšený spätný zvodový prúd PN prechodu
Defekty prierazenia oxidového filmu brány
Degradácia životnosti menšinových nosičov
Generovanie defektov excitačnej vrstvy oxidu
| |
| Chemická kontaminácia | Organický materiál | Defekty prierazenia oxidového filmu brány
Variácie CVD filmu (inkubačné časy)
Zmeny hrúbky tepelného oxidového filmu (zrýchlená oxidácia)
Výskyt zákalu (doštička, šošovka, zrkadlo, maska, kríž)
|
| Anorganické prísady (B, P) | Vth posuny MOS tranzistora
Zmeny odporu Si substrátu a vysokoodolnej polysilikónovej fólie
| |
| Anorganické zásady (amíny, amoniak) a kyseliny (SOx) | Zhoršenie rozlíšenia chemicky zosilnených rezistov
Výskyt kontaminácie časticami a zákalu v dôsledku tvorby soli
| |
| Prírodné a chemické oxidové filmy v dôsledku vlhkosti a vzduchu | Zvýšený kontaktný odpor
Rozpad/degradácia hradlového oxidového filmu
| |
Medzi ciele procesu čistenia doštičiek patrí konkrétne:
Odstraňovanie častíc: Použitie fyzikálnych alebo chemických metód na odstránenie malých častíc prichytených na povrchu doštičky. Menšie častice sa odstraňujú ťažšie kvôli silným elektrostatickým silám medzi nimi a povrchom doštičky, čo si vyžaduje špeciálne ošetrenie.
Odstraňovanie organických materiálov: Na povrchu doštičky sa môžu usadiť organické kontaminanty, ako sú mastnota a zvyšky fotorezistu. Tieto kontaminanty sa zvyčajne odstraňujú pomocou silných oxidačných činidiel alebo rozpúšťadiel.
Odstránenie kovových iónov: Zvyšky kovových iónov na povrchu doštičky môžu zhoršiť elektrický výkon a dokonca ovplyvniť následné kroky spracovania. Preto sa na odstránenie týchto iónov používajú špecifické chemické roztoky.
Odstraňovanie oxidov: Niektoré procesy vyžadujú, aby bol povrch doštičky bez oxidových vrstiev, ako je napríklad oxid kremičitý. V takýchto prípadoch je potrebné počas určitých krokov čistenia odstrániť prirodzené oxidové vrstvy.
Výzvou technológie čistenia doštičiek je efektívne odstránenie nečistôt bez nepriaznivého ovplyvnenia povrchu doštičky, ako je zabránenie zdrsneniu povrchu, korózii alebo inému fyzickému poškodeniu.
2. Postup čistenia oblátok
Proces čistenia doštičiek zvyčajne zahŕňa niekoľko krokov, aby sa zabezpečilo úplné odstránenie nečistôt a dosiahnutie úplne čistého povrchu.
Obrázok: Porovnanie medzi dávkovým a jednorazovým čistením doštičiek
Typický proces čistenia doštičiek zahŕňa nasledujúce hlavné kroky:
1. Predčistenie (Pre-Clean)
Účelom predčistenia je odstrániť uvoľnené nečistoty a veľké častice z povrchu doštičky, čo sa zvyčajne dosahuje oplachovaním deionizovanou vodou (DI Water) a ultrazvukovým čistením. Deionizovaná voda môže spočiatku odstrániť častice a rozpustené nečistoty z povrchu doštičky, zatiaľ čo ultrazvukové čistenie využíva kavitačné efekty na prerušenie väzby medzi časticami a povrchom doštičky, čo uľahčuje ich uvoľnenie.
2. Chemické čistenie
Chemické čistenie je jedným z hlavných krokov v procese čistenia doštičiek, pričom sa z povrchu doštičiek odstraňujú organické materiály, kovové ióny a oxidy.
Odstraňovanie organických materiálov: Na rozpúšťanie a oxidáciu organických nečistôt sa zvyčajne používa acetón alebo zmes amoniaku a peroxidu (SC-1). Typický pomer pre roztok SC-1 je NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, s pracovnou teplotou okolo 20 °C.
Odstraňovanie kovových iónov: Na odstránenie kovových iónov z povrchu doštičky sa používa kyselina dusičná alebo zmes kyseliny chlorovodíkovej a peroxidu (SC-2). Typický pomer pre roztok SC-2 je HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, pričom teplota sa udržiava na približne 80 °C.
Odstraňovanie oxidov: V niektorých procesoch je potrebné odstrániť vrstvu pôvodného oxidu z povrchu doštičky, na čo sa používa roztok kyseliny fluorovodíkovej (HF). Typický pomer pre roztok HF je HF
₂O = 1:50 a môže sa používať pri izbovej teplote.
3. Záverečné upratovanie
Po chemickom čistení sa doštičky zvyčajne podrobujú záverečnému čisteniu, aby sa zabezpečilo, že na povrchu nezostanú žiadne chemické zvyšky. Záverečné čistenie sa vykonáva prevažne pomocou deionizovanej vody na dôkladné opláchnutie. Okrem toho sa na ďalšie odstránenie akýchkoľvek zostávajúcich nečistôt z povrchu doštičky používa čistenie ozónovou vodou (O₃/H₂O).
4. Sušenie
Vyčistené doštičky sa musia rýchlo vysušiť, aby sa zabránilo vzniku vodných škvŕn alebo opätovnému prichyteniu nečistôt. Medzi bežné metódy sušenia patrí odstreďovanie a preplachovanie dusíkom. Prvý spôsob odstraňuje vlhkosť z povrchu doštičky odstreďovaním pri vysokých rýchlostiach, zatiaľ čo druhý spôsob zabezpečuje úplné vysušenie fúkaním suchého plynného dusíka cez povrch doštičky.
Kontaminant
Názov postupu čistenia
Popis chemickej zmesi
Chemikálie
| Častice | Piranha (SPM) | Kyselina sírová/peroxid vodíka/deionizovaná voda | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hydroxid amónny/peroxid vodíka/deionizovaná voda | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| Kovy (okrem medi) | SC-2 (HPM) | Kyselina chlorovodíková/peroxid vodíka/deionizovaná voda | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piranha (SPM) | Kyselina sírová/peroxid vodíka/deionizovaná voda | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Zriedená kyselina fluorovodíková/deionizovaná voda (neodstraňuje meď) | HF/H2O1:50 | |
| Organické látky | Piranha (SPM) | Kyselina sírová/peroxid vodíka/deionizovaná voda | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hydroxid amónny/peroxid vodíka/deionizovaná voda | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Ozón v deionizovanej vode | Optimalizované zmesi O3/H2O | |
| Prírodný oxid | DHF | Zriedená kyselina fluorovodíková/deionizovaná voda | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Pufrovaná kyselina fluorovodíková | NH4F/HF/H2O |
3. Bežné metódy čistenia oblátok
1. Metóda čistenia RCA
Metóda čistenia RCA je jednou z najklasickejších techník čistenia doštičiek v polovodičovom priemysle, ktorú vyvinula spoločnosť RCA Corporation pred viac ako 40 rokmi. Táto metóda sa používa predovšetkým na odstránenie organických nečistôt a nečistôt kovových iónov a možno ju vykonať v dvoch krokoch: SC-1 (štandardné čistenie 1) a SC-2 (štandardné čistenie 2).
Čistenie SC-1: Tento krok sa používa hlavne na odstránenie organických nečistôt a častíc. Roztok je zmesou amoniaku, peroxidu vodíka a vody, ktorá na povrchu doštičky vytvára tenkú vrstvu oxidu kremičitého.
Čistenie SC-2: Tento krok sa používa predovšetkým na odstránenie kontaminantov kovovými iónmi pomocou zmesi kyseliny chlorovodíkovej, peroxidu vodíka a vody. Na povrchu doštičky zanecháva tenkú pasivačnú vrstvu, ktorá zabraňuje opätovnej kontaminácii.
2. Metóda čistenia pirani (Piranha Etch Clean)
Metóda čistenia Piranha je vysoko účinná technika na odstraňovanie organických materiálov, ktorá využíva zmes kyseliny sírovej a peroxidu vodíka, zvyčajne v pomere 3:1 alebo 4:1. Vďaka extrémne silným oxidačným vlastnostiam tohto roztoku dokáže odstrániť veľké množstvo organických látok a odolných nečistôt. Táto metóda vyžaduje prísnu kontrolu podmienok, najmä pokiaľ ide o teplotu a koncentráciu, aby sa predišlo poškodeniu doštičky.
Ultrazvukové čistenie využíva kavitačný efekt generovaný vysokofrekvenčnými zvukovými vlnami v kvapaline na odstránenie nečistôt z povrchu doštičky. V porovnaní s tradičným ultrazvukovým čistením pracuje megasonické čistenie s vyššou frekvenciou, čo umožňuje efektívnejšie odstraňovanie častíc s veľkosťou menšou ako mikrón bez poškodenia povrchu doštičky.
4. Čistenie ozónom
Technológia čistenia ozónom využíva silné oxidačné vlastnosti ozónu na rozklad a odstránenie organických nečistôt z povrchu doštičiek, pričom ich nakoniec premieňa na neškodný oxid uhličitý a vodu. Táto metóda nevyžaduje použitie drahých chemických činidiel a spôsobuje menšie znečistenie životného prostredia, čo z nej robí novú technológiu v oblasti čistenia doštičiek.
4. Zariadenia na čistenie doštičiek
Na zaistenie účinnosti a bezpečnosti procesov čistenia doštičiek sa pri výrobe polovodičov používa množstvo pokročilých čistiacich zariadení. Medzi hlavné typy patria:
1. Zariadenia na mokré čistenie
Zariadenia na mokré čistenie zahŕňajú rôzne ponorné nádrže, ultrazvukové čistiace nádrže a odstreďovacie sušičky. Tieto zariadenia kombinujú mechanické sily a chemické činidlá na odstránenie nečistôt z povrchu doštičky. Ponorné nádrže sú zvyčajne vybavené systémami regulácie teploty, aby sa zabezpečila stabilita a účinnosť chemických roztokov.
2. Zariadenia na chemické čistenie
Zariadenia na chemické čistenie zahŕňajú najmä plazmové čističe, ktoré využívajú vysokoenergetické častice v plazme na reakciu s povrchom doštičky a odstránenie zvyškov z neho. Plazmové čistenie je vhodné najmä pre procesy, ktoré vyžadujú zachovanie integrity povrchu bez zavádzania chemických zvyškov.
3. Automatizované čistiace systémy
S neustálym rozširovaním výroby polovodičov sa automatizované čistiace systémy stali preferovanou voľbou pre čistenie doštičiek vo veľkom meradle. Tieto systémy často zahŕňajú automatizované prenosové mechanizmy, viacnádržové čistiace systémy a presné riadiace systémy, ktoré zabezpečujú konzistentné výsledky čistenia pre každú doštičku.
5. Budúce trendy
Keďže sa polovodičové súčiastky neustále zmenšujú, technológia čistenia doštičiek sa vyvíja smerom k efektívnejším a ekologickejším riešeniam. Budúce čistiace technológie sa zamerajú na:
Odstraňovanie subnanometrových častíc: Existujúce čistiace technológie dokážu spracovať nanometrové častice, ale s ďalším zmenšovaním veľkosti zariadení sa odstraňovanie subnanometrových častíc stane novou výzvou.
Zelené a ekologické čistenie: Znižovanie používania chemikálií škodlivých pre životné prostredie a vývoj ekologickejších metód čistenia, ako je čistenie ozónom a megasonické čistenie, budú čoraz dôležitejšie.
Vyššia úroveň automatizácie a inteligencie: Inteligentné systémy umožnia monitorovanie a úpravu rôznych parametrov v reálnom čase počas procesu čistenia, čím sa ďalej zlepší účinnosť čistenia a efektivita výroby.
Technológia čistenia doštičiek, ako kľúčový krok vo výrobe polovodičov, zohráva dôležitú úlohu pri zabezpečovaní čistých povrchov doštičiek pre následné procesy. Kombinácia rôznych metód čistenia účinne odstraňuje nečistoty a poskytuje čistý povrch substrátu pre ďalšie kroky. S pokrokom technológií sa čistiace procesy budú naďalej optimalizovať, aby spĺňali požiadavky na vyššiu presnosť a nižšiu mieru chybovosti pri výrobe polovodičov.
Čas uverejnenia: 8. októbra 2024