Abstrakt: Ako sa veľkosť tranzistorov neustále zmenšuje, proces výroby doštičiek sa stáva čoraz zložitejším a požiadavky na technológiu mokrého čistenia polovodičov sú stále vyššie a vyššie. Tento článok je založený na tradičnej technológii čistenia polovodičov a predstavuje technológiu čistenia doštičiek v pokročilej výrobe polovodičov a princípy čistenia rôznych čistiacich procesov. Z hľadiska ekonomiky a ochrany životného prostredia môže zlepšenie technológie procesu čistenia doštičiek lepšie spĺňať potreby pokročilej výroby doštičiek.
0 Úvod Proces čistenia je dôležitým článkom v celom procese výroby polovodičov a je jedným z dôležitých faktorov ovplyvňujúcich výkon a výťažnosť polovodičových zariadení. V procese výroby čipu môže akákoľvek kontaminácia ovplyvniť výkon polovodičových zariadení a dokonca spôsobiť zlyhanie [1-2]. Preto je takmer pred každým procesom výroby čipov a po ňom potrebný čistiaci proces, aby sa odstránili povrchové nečistoty a zabezpečila sa čistota povrchu plátku, ako je znázornené na obrázku 1. Proces čistenia je proces s najvyšším podielom v procese výroby čipov. , čo predstavuje približne 30 % všetkých procesov výroby čipov.
S vývojom ultra-veľkých integrovaných obvodov, uzly čipových procesov vstúpili do 28nm, 14nm a ešte pokročilejších uzlov, integrácia sa naďalej zväčšovala, šírka čiary sa naďalej zmenšovala a procesný tok sa stal zložitejším [ 3]. Pokročilá výroba čipov uzlov je citlivejšia na kontamináciu a čistenie kontaminácie v podmienkach malej veľkosti je zložitejšie, čo vedie k zvýšeniu počtu krokov procesu čistenia, čím sa proces čistenia stáva zložitejším, dôležitejším a náročnejším [4-5] . Proces čistenia 90nm čipov má približne 90 krokov a čistiaci proces 20nm čipov dosiahol 215 krokov. Keď výroba čipov vstupuje do 14nm, 10nm a ešte vyšších uzlov, počet čistiacich procesov sa bude naďalej zvyšovať, ako je znázornené na obrázku 2.
1 Úvod do procesu čistenia polovodičov
Proces čistenia sa vzťahuje na proces odstraňovania nečistôt z povrchu plátku chemickým spracovaním, plynom a fyzikálnymi metódami. V procese výroby polovodičov môžu nečistoty, ako sú častice, kovy, organická hmota a prírodná oxidová vrstva na povrchu doštičky, ovplyvniť výkon, spoľahlivosť a dokonca aj výťažnosť polovodičového zariadenia [6-8].
O čistiacom procese možno povedať, že je mostom medzi rôznymi výrobnými procesmi oblátok. Napríklad proces čistenia sa používa pred procesom poťahovania, pred procesom fotolitografie, po procese leptania, po procese mechanického brúsenia a dokonca aj po procese implantácie iónov. Proces čistenia možno zhruba rozdeliť na dva typy, a to mokré čistenie a suché čistenie.
1.1 Mokré čistenie
Mokré čistenie znamená použitie chemických rozpúšťadiel alebo deionizovanej vody na čistenie plátku. Podľa metódy procesu možno mokré čistenie rozdeliť na dva typy: metóda ponorenia a metóda rozprašovania, ako je znázornené na obrázku 3. Metóda ponorenia spočíva v ponorení plátku do nádoby naplnenej chemickými rozpúšťadlami alebo deionizovanou vodou. Metóda ponorenia je široko používaná metóda, najmä pre niektoré relatívne zrelé uzly. Metóda striekania spočíva v striekaní chemických rozpúšťadiel alebo deionizovanej vody na rotujúci plátok, aby sa odstránili nečistoty. Metóda ponorenia môže spracovať viacero plátkov súčasne, zatiaľ čo metóda striekania môže spracovať iba jeden plátok naraz v jednej prevádzkovej komore. S rozvojom techniky sú požiadavky na čistiacu techniku čoraz vyššie a čoraz rozšírenejšie je používanie metódy nástreku.
1.2 Chemické čistenie
Ako už názov napovedá, chemické čistenie je proces, pri ktorom sa nepoužívajú chemické rozpúšťadlá ani deionizovaná voda, ale na čistenie sa používa plyn alebo plazma. S neustálym pokrokom technologických uzlov sú požiadavky na čistiace procesy stále vyššie a vyššie [9-10] a zvyšuje sa aj podiel používania. Zvyšuje sa aj odpadová kvapalina vznikajúca pri mokrom čistení. V porovnaní s mokrým čistením má suché čistenie vysoké investičné náklady, zložitú prevádzku zariadenia a prísnejšie podmienky čistenia. Avšak na odstránenie niektorých organických látok a nitridov a oxidov má chemické čistenie vyššiu presnosť a vynikajúce výsledky.
2 Technológia mokrého čistenia pri výrobe polovodičov Podľa rôznych zložiek čistiacej kvapaliny je bežne používaná technológia mokrého čistenia pri výrobe polovodičov uvedená v tabuľke 1.
2.1 Technológia čistenia DIW
V procese mokrého čistenia pri výrobe polovodičov je najbežnejšie používanou čistiacou kvapalinou deionizovaná voda (DIW). Voda obsahuje vodivé anióny a katióny. Deionizovaná voda odstraňuje vodivé ióny vo vode, čím sa voda stáva v podstate nevodivou. Pri výrobe polovodičov je absolútne zakázané priamo používať surovú vodu. Na jednej strane katióny a ióny v surovej vode kontaminujú štruktúru oblátky zariadenia a na druhej strane môžu spôsobiť odchýlku výkonu zariadenia. Napríklad surová voda môže reagovať s materiálom na povrchu plátku a korodovať, alebo môže spôsobiť koróziu batérie s niektorými kovmi na plátku a môže tiež spôsobiť priamu zmenu povrchového odporu plátku, čo vedie k významnému zníženie výťažnosti oblátky alebo dokonca priame zošrotovanie. V procese mokrého čistenia pri výrobe polovodičov existujú dve hlavné aplikácie DIW.
(1) Na čistenie povrchu plátku používajte iba DIW. Existujú rôzne formy, ako sú valčeky, kefy alebo trysky, a hlavným účelom je vyčistiť niektoré nečistoty na povrchu plátku. V pokročilom procese výroby polovodičov je metóda čistenia takmer vždy metódou jediného plátku, to znamená, že v komore možno súčasne čistiť iba jeden plátok. Spôsob čistenia jednej oblátky je tiež uvedený vyššie. Použitá metóda čistenia je metóda odstreďovania. Počas otáčania plátku sa povrch plátku čistí pomocou valčekov, kefiek, trysiek atď. Pri tomto procese sa plátok bude trieť o vzduch, čím sa vytvorí statická elektrina. Statická elektrina môže spôsobiť chyby na povrchu plátku alebo priamo spôsobiť poruchu zariadenia. Čím vyšší je uzol polovodičovej technológie, tým vyššie sú požiadavky na manipuláciu s defektmi. Preto v procese mokrého čistenia DIW pokročilej výroby polovodičov sú jeho procesné požiadavky vyššie. DIW je v podstate nevodivý a statická elektrina vznikajúca počas procesu čistenia sa nedá dobre uvoľniť. Preto sa v uzloch pokročilého procesu výroby polovodičov, aby sa zvýšila vodivosť bez kontaminácie plátku, zvyčajne do DIW primiešava plynný oxid uhličitý (CO2). Kvôli rôznym procesným požiadavkám sa v niekoľkých prípadoch primiešava plynný amoniak (NH3) do DIW.
(2) Vyčistite zvyšky čistiacej kvapaliny na povrchu plátku. Pri použití iných čistiacich kvapalín na čistenie povrchu doštičky, po použití čistiacej kvapaliny, keď sa doštička otáča, hoci väčšina čistiacej kvapaliny bola vyhodená, na povrchu doštičky stále zostane malé množstvo čistiacej kvapaliny, a DIW je potrebné na čistenie povrchu plátku. Hlavnou funkciou DIW je čistenie zvyškov čistiacej kvapaliny na povrchu plátku. Použitie čistiacej kvapaliny na čistenie povrchu plátku neznamená, že tieto čistiace kvapaliny nikdy nekorodujú plátok, ale rýchlosť ich leptania je pomerne nízka a krátkodobé čistenie plátok neovplyvní. Ak sa však zvyšková čistiaca kvapalina nedá účinne odstrániť a zvyšková čistiaca kvapalina zostane na povrchu doštičky dlhší čas, bude aj tak korodovať povrch doštičky. Navyše, aj keď čistiaci roztok koroduje veľmi málo, zvyškový čistiaci roztok v oblátke je stále nadbytočný, čo pravdepodobne ovplyvní konečný výkon zariadenia. Preto po vyčistení doštičky čistiacim roztokom nezabudnite použiť DIW na včasné vyčistenie zvyškov čistiaceho roztoku.
2.2 HF technológia čistenia
Ako všetci vieme, piesok sa rafinuje na jadro. Čip je tvorený nespočetnými rezbami na jednokryštálovej kremíkovej doštičke. Hlavnou súčasťou čipu je monokryštálový kremík. Najpriamejším a najúčinnejším spôsobom čistenia prirodzenej oxidovej vrstvy (SiO2) vytvorenej na povrchu monokryštálového kremíka je použiť na čistenie HF (kyselinu fluorovodíkovú). Dá sa teda povedať, že HF čistenie je technológia čistenia hneď po DIW. HF čistenie môže účinne odstrániť prirodzenú oxidovú vrstvu na povrchu monokryštálového kremíka a kov pripojený k povrchu prirodzenej oxidovej vrstvy sa tiež rozpustí v čistiacom roztoku. Súčasne môže HF tiež účinne inhibovať tvorbu prirodzeného oxidového filmu. Preto technológia HF čistenia môže odstrániť niektoré kovové ióny, prirodzenú vrstvu oxidu a niektoré častice nečistôt. Technológia vysokofrekvenčného čistenia má však aj určité problémy, ktorým sa nedá vyhnúť. Napríklad pri odstraňovaní prirodzenej oxidovej vrstvy na povrchu kremíkového plátku zostanú na povrchu kremíkového plátku po korózii malé jamky, čo priamo ovplyvňuje drsnosť povrchu plátku. Okrem toho pri odstraňovaní povrchového oxidového filmu HF odstráni aj niektoré kovy, ale niektoré kovy nechcú byť korodované HF. S neustálym pokrokom uzlov polovodičovej technológie sú požiadavky na to, aby tieto kovy nepodliehali korózii HF, stále vyššie a vyššie, čo vedie k tomu, že HF čistiacu technológiu nemožno použiť na miestach, kde by sa dala použiť. Súčasne niektoré kovy, ktoré vstupujú do čistiaceho roztoku a priľnú na povrch kremíkového plátku, keď sa prirodzený oxidový film rozpúšťa, nie je možné ľahko odstrániť pomocou HF, čo vedie k tomu, že zostávajú na povrchu kremíkového plátku. V reakcii na vyššie uvedené problémy boli navrhnuté niektoré zlepšené metódy. Napríklad zrieďte HF čo najviac, aby ste znížili koncentráciu HF; pridajte oxidant do HF, táto metóda môže účinne odstrániť kov pripojený k povrchu prirodzenej oxidovej vrstvy a oxidant oxiduje kov na povrchu za vzniku oxidov, ktoré sa ľahšie odstraňujú v kyslých podmienkach. Súčasne HF odstráni predchádzajúcu vrstvu prirodzeného oxidu a oxidant oxiduje monokryštál kremíka na povrchu, aby vytvoril novú vrstvu oxidu, aby sa zabránilo prichyteniu kovu k povrchu monokryštálu kremíka; pridajte aniónovú povrchovo aktívnu látku do HF, takže povrch monokryštálového kremíka v čistiacom roztoku HF má negatívny potenciál a povrch častice má pozitívny potenciál. Pridanie aniónovej povrchovo aktívnej látky môže spôsobiť, že potenciál povrchu kremíka a povrchu častice bude mať rovnaké znamienko, to znamená, že povrchový potenciál častice sa zmení z pozitívneho na negatívny, čo je rovnaké znamienko ako negatívny potenciál povrchu kremíkového plátku, takže elektrické odpudzovanie sa vytvára medzi povrchom kremíkového plátku a povrchom častíc, čím sa bráni prichyteniu častíc; do HF čistiaceho roztoku pridajte komplexotvorné činidlo, aby sa vytvoril komplex s nečistotami, ktorý je priamo rozpustený v čistiacom roztoku a neprichytí sa na povrch kremíkovej doštičky.
2.3 Technológia čistenia SC1
Technológia čistenia SC1 je najbežnejšia, lacná a vysoko účinná metóda čistenia na odstránenie kontaminácie z povrchu plátku. Technológia čistenia SC1 dokáže súčasne odstrániť organické látky, niektoré kovové ióny a niektoré povrchové častice. Princípom SC1 na odstraňovanie organických látok je využitie oxidačného účinku peroxidu vodíka a rozpúšťacieho účinku NH4OH na premenu organickej kontaminácie na vo vode rozpustné zlúčeniny a ich následné vypustenie s roztokom. Vďaka svojim oxidačným a komplexotvorným vlastnostiam môže roztok SC1 oxidovať niektoré kovové ióny, pričom tieto kovové ióny premieňa na vysokomocné ióny a potom ďalej reaguje s alkáliami za vzniku rozpustných komplexov, ktoré sa vypúšťajú s roztokom. Niektoré kovy však majú vysokú voľnú energiu oxidov generovaných po oxidácii, ktoré ľahko priľnú k oxidovému filmu na povrchu plátku (pretože roztok SC1 má určité oxidačné vlastnosti a vytvorí na povrchu plátku oxidový film), takže sú nie je ľahké odstrániť, ako sú kovy ako Al a Fe. Pri odstraňovaní kovových iónov sa rýchlosť adsorpcie a desorpcie kovu na povrchu plátku nakoniec vyrovná. Preto sa v pokročilých výrobných procesoch čistiaca kvapalina používa raz pre procesy, ktoré majú vysoké požiadavky na ióny kovov. Po použití sa priamo vybije a už sa nebude používať. Účelom je znížiť obsah kovu v čistiacej kvapaline, aby sa kov z povrchu plátku čo najviac zmyl. Čistiacia technológia SC1 môže tiež účinne odstrániť kontamináciu povrchovými časticami a hlavným mechanizmom je elektrické odpudzovanie. V tomto procese je možné vykonávať ultrazvukové a megasonické čistenie, aby sa dosiahli lepšie čistiace účinky. Technológia čistenia SC1 bude mať významný vplyv na drsnosť povrchu plátku. Aby sa znížil vplyv čistiacej technológie SC1 na drsnosť povrchu plátku, je potrebné formulovať vhodný pomer zložiek čistiacej kvapaliny. Súčasne použitie čistiacej kvapaliny s nízkym povrchovým napätím môže stabilizovať rýchlosť odstraňovania častíc, udržiavať vysokú účinnosť odstraňovania a znižovať vplyv na drsnosť povrchu plátku. Pridanie povrchovo aktívnych látok do čistiacej kvapaliny SC1 môže znížiť povrchové napätie čistiacej kvapaliny. Okrem toho pridanie chelatačných činidiel do čistiacej kvapaliny SC1 môže spôsobiť, že kov v čistiacej kvapaline bude nepretržite vytvárať cheláty, čo je prospešné na inhibíciu povrchovej adhézie kovov.
2.4 Technológia čistenia SC2
Technológia čistenia SC2 je tiež lacná technológia mokrého čistenia s dobrou schopnosťou odstraňovať nečistoty. SC2 má extrémne silné komplexotvorné vlastnosti a môže reagovať s kovmi pred oxidáciou za vzniku solí, ktoré sa odstránia čistiacim roztokom. Čistiacim roztokom sa odstránia aj rozpustné komplexy vytvorené reakciou oxidovaných kovových iónov s chloridovými iónmi. Dá sa povedať, že pod podmienkou neovplyvňovania oblátky sa technológia čistenia SC1 a technológia čistenia SC2 navzájom dopĺňajú. Fenomén adhézie kovov v čistiacom roztoku sa ľahko vyskytuje v alkalickom čistiacom roztoku (tj čistiacom roztoku SC1) a nie je ľahké ho nastať v kyslom roztoku (čistiaci roztok SC2) a má silnú schopnosť odstraňovať kovy. na povrchu oblátky. Avšak aj keď kovy, ako je Cu, môžu byť odstránené po čistení SC1, niektoré problémy s priľnavosťou kovov na filme prírodného oxidu vytvoreného na povrchu plátku neboli vyriešené a nie je vhodný pre technológiu čistenia SC2.
2.5 Technológia čistenia O3
V procese výroby čipov sa technológia čistenia O3 používa hlavne na odstránenie organických látok a dezinfekciu DIW. Čistenie O3 vždy zahŕňa oxidáciu. Vo všeobecnosti možno O3 použiť na odstránenie niektorých organických látok, ale v dôsledku oxidácie O3 dôjde k opätovnému usadzovaniu na povrchu plátku. Preto sa HF všeobecne používa v procese použitia O3. Okrem toho proces použitia HF s O3 môže tiež odstrániť niektoré kovové ióny. Treba poznamenať, že vo všeobecnosti sú vyššie teploty prospešné na odstránenie organických látok, častíc a dokonca aj kovových iónov. Pri použití technológie čistenia O3 sa však množstvo O3 rozpusteného v DIW bude s rastúcou teplotou znižovať. Inými slovami, koncentrácia O3 rozpusteného v DIW sa bude znižovať so zvyšujúcou sa teplotou. Preto je potrebné optimalizovať detaily procesu O3, aby sa maximalizovala účinnosť čistenia. Pri výrobe polovodičov možno O3 použiť aj na dezinfekciu DIW, hlavne preto, že látky používané na čistenie pitnej vody vo všeobecnosti obsahujú chlór, čo je v oblasti výroby čipov neprijateľné. Ďalším dôvodom je, že O3 sa rozloží na kyslík a neznečisťuje systém DIW. Je však potrebné kontrolovať obsah kyslíka v DIW, ktorý nemôže byť vyšší ako požiadavky na použitie pri výrobe polovodičov. 2.6 Technológia čistenia organických rozpúšťadiel V procese výroby polovodičov sa často používajú niektoré špeciálne procesy. V mnohých prípadoch sa vyššie uvedené metódy nedajú použiť, pretože účinnosť čistenia nie je dostatočná, niektoré zložky, ktoré sa nedajú zmyť, sú vyleptané a nedajú sa vytvárať oxidové filmy. Preto sa na dosiahnutie účelu čistenia používajú aj niektoré organické rozpúšťadlá.
3 Záver
V procese výroby polovodičov je proces čistenia procesom s najväčším počtom opakovaní. Použitie vhodnej technológie čistenia môže výrazne zlepšiť výťažnosť výroby čipov. S veľkou veľkosťou kremíkových plátkov a miniaturizáciou štruktúr zariadení sa zvyšuje index hustoty stohovania a požiadavky na technológiu čistenia plátkov sú stále vyššie a vyššie. Existujú prísnejšie požiadavky na čistotu povrchu plátku, chemický stav povrchu, drsnosť a hrúbku oxidového filmu. Tento článok je založený na vyspelej procesnej technológii a predstavuje technológiu čistenia doštičiek v pokročilej výrobe doštičiek a princípy čistenia rôznych čistiacich procesov. Z hľadiska ekonomiky a ochrany životného prostredia môže zlepšenie technológie procesu čistenia doštičiek lepšie spĺňať potreby pokročilej výroby doštičiek.
