Процесс очистки пластин: Ключевые методы контроля загрязнений в производстве полупроводников

процесс очистки пластин является критически важной частью производства полупроводников и MEMS. На каждом этапе изготовления кремниевые пластины должны быть свободны от частиц, органических остатков, металлических загрязнений и других нежелательных веществ, которые могут поставить под угрозу производительность и выход годных устройств.

Задача состоит не просто в удалении загрязнений. Процесс очистки должен делать это без повреждения или изменения поверхности пластины или подложки.

Цель очистки пластин

Основная цель очистки пластин — удалить химические загрязнители и твердые частицы, сохраняя при этом целостность поверхности пластины.

Поверхность должна оставаться свободной от нежелательного шероховатости, коррозии и питтинга. Даже незначительное повреждение поверхности может поставить под угрозу последующие этапы процесса и снизить эффективность самого процесса очистки.

Выход годных пластин тесно связан с плотностью дефектов, включая поверхностное загрязнение и количество частиц. Один из наиболее эффективных способов снижения дефектов и повышения выхода годных — внедрение эффективных процессов очистки пластин, способных последовательно удалять загрязнители.

По мере того как полупроводниковые устройства продолжают уменьшаться, удаление все более мелких частиц становится более сложной и более важной задачей. Субмикронные частицы могут быть особенно трудны для удаления, поскольку между частицами и поверхностью пластины могут существовать сильные электростатические силы.

Это делает точную обработку поверхности и контроль загрязнений необходимыми на протяжении всего производственного процесса.

Методы очистки пластин

Многие из основных химических веществ, используемых при очистке пластин, оставались в основном неизменными на протяжении последних нескольких десятилетий. Процесс очистки RCA, который основан на комбинациях перекиси водорода, гидроксида аммония, соляной кислоты и деионизированной воды, остается широко используемым подходом.

Значительно развился способ применения этих химических веществ и их сочетания с новыми технологиями очистки, включая озоновую и мегазвуковую очистку.

Современное производство интегральных схем включает большое количество высококонтролируемых этапов процесса, зависящих от архитектуры устройства и области применения. Большинство процессов выполняется на всей пластине перед ее разрезанием на отдельные чипы.

Этапы очистки и кондиционирования поверхности составляют значительную часть общего производственного потока — примерно 20% этапов процесса в некоторых производственных схемах — подчеркивая важность очистки пластин как для стабильности процесса, так и для конечного выхода годных устройств.

Очистка RCA

Изначально разработанный RCA Corporation, процесс очистки RCA был предназначен для удаления загрязнителей с поверхностей кремниевых пластин, особенно органических остатков и частиц.

Типичная рецептура RCA использует комбинацию деионизированной воды, перекиси водорода и гидроксида аммония. Химическое вещество для очистки очень эффективно удаляет органические загрязнения, одновременно создавая тонкий оксидный слой на поверхности кремния.

В современном производстве полупроводников процесс RCA обычно делится на два основных этапа очистки: Стандартная очистка 1 (SC1) и Стандартная очистка 2 (SC2).

Стандартная очистка 1 и 2 (SC1 и SC2)

SC1 использует раствор APM — обычно смесь гидроксида аммония, перекиси водорода и воды. Его основные функции — удаление органических остатков и твердых частиц с поверхности пластины.

Во время очистки SC1 на поверхности пластины может образовываться тонкий слой диоксида кремния. Некоторые металлические загрязнители могут оставаться и впоследствии устраняются на следующем этапе очистки.

SC2 использует раствор HPM, обычно состоящий из соляной кислоты, перекиси водорода и деионизированной воды. Этот этап особенно эффективен для удаления остаточных ионных и металлических загрязнителей, включая загрязнения, которые могли быть внесены или обнаружены во время процесса SC1.

SC2 также может оставлять поверхность пластины в химически пассивированном состоянии, помогая снизить риск последующего загрязнения.

Вместе SC1 и SC2 обеспечивают хорошо зарекомендовавшую себя последовательность очистки, которая подготавливает кремниевую пластину к последующим этапам изготовления.

Очистка пираньей

Очистка пираньей, также известная как очистка пираньим раствором, широко используется, когда требуется агрессивное удаление органических загрязнений.

Процесс особенно эффективен для удаления фоторезиста и других стойких органических остатков с поверхностей пластин.

Обычно используемая рецептура состоит из трех частей серной кислоты и одной части 30% перекиси водорода, хотя некоторые рецептуры процесса используют более высокие соотношения серной кислоты, такие как 4:1 или даже 7:1.

Смесь действует как мощный окислитель. Она удаляет большинство органических материалов и может гидроксилировать многие поверхности пластин, делая их более гидрофильными и совместимыми с последующей водной обработкой.

Однако химия пираньи является высококоррозионной и экзотермической, поэтому раствор должен готовиться и обрабатываться в строго контролируемых условиях процесса.

Очистка пираньей также может проводиться в нагреваемых кварцевых ваннах, где температура и концентрация химических веществ напрямую влияют на процесс очистки и травления.

По этой причине точный контроль концентрации химических веществ, температуры, времени экспозиции и состояния оборудования необходим для поддержания однородности процесса.

Преддиффузионная очистка

Преддиффузионная очистка является одним из наиболее критических этапов очистки в производстве кремниевых пластин.

Этот этап очистки может повторяться несколько раз во время изготовления и поэтому требует значительных мощностей оборудования и контроля процесса. Обычно он выполняется непосредственно перед тем, как пластины поступают в диффузионную печь.

Основные цели — минимизировать загрязнение частицами и металлами, одновременно поддерживая высокую производительность и достигая отличной однородности травления.

В зависимости от типа и концентрации загрязнения может использоваться комбинация агрессивных чистящих химикатов, включая растворы, связанные с описанными выше методами очистки.

Преддиффузионная очистка особенно важна, поскольку загрязнители, оставшиеся на поверхности пластины, могут быть внедрены в кремний во время высокотемпературной диффузии.

Такое загрязнение может привести к непредсказуемым электрическим характеристикам, дефектам устройства и снижению качества или выхода полупроводника.

Другими словами, пластина должна быть исключительно чистой перед поступлением в высокотемпературный диффузионный процесс, поскольку загрязнение, пережившее этап очистки, может стать гораздо более серьезной проблемой позже.

Мегазвуковая очистка

Предприятия по производству полупроводников и исследовательские лаборатории требуют чрезвычайно строгих процедур контроля загрязнений. Для достижения требуемой чистоты поверхности производители обычно сочетают механическую очистку, влажные химические процессы и высокочастотную мегазвуковую очистку.

Мегазвуковая очистка использует высокочастотную акустическую энергию для создания механических эффектов и контролируемой кавитации в чистящей ванне.

Эти механизмы создают микроскопические силы, способные удалять загрязнители с поверхности пластины без опоры исключительно на агрессивный механический контакт.

Одним из основных преимуществ мегазвуковой очистки является ее способность удалять как пленки загрязнителей, так и субмикронные частицы, потенциально снижая зависимость от дорогостоящих или высокоагрессивных химических обработок.

По мере того как размеры устройств продолжают уменьшаться, мегазвуковая технология становится все более ценной для удаления очень мелких частиц при сохранении целостности поверхности пластины.

Озоновая очистка

Озоновая очистка — еще один передовой подход к подготовке поверхности пластин и удалению органических загрязнений.

По сравнению с некоторыми традиционными методами очистки, процессы на основе озона могут обеспечить более быстрый и потенциально более экономичный способ очистки или удаления слоев с поверхностей пластин.

Современные системы озоновой очистки могут сократить использование дорогостоящих химических реагентов, одновременно повышая эффективность процесса и уменьшая экологически нежелательные потоки отходов.

В типичном процессе деионизированная (DI) вода используется при ополаскивании и сушке пластин для удаления неорганических загрязнителей перед тем, как пластина поступает в камеру озоновой обработки.

Затем озон реагирует с остаточными органическими материалами и окисляет их до более простых продуктов, в основном углекислого газа и воды.

В результате получается поверхность пластины со значительно сниженным уровнем частиц, следовых органических загрязнений и остаточной влаги, при сохранении стабильного гидрофильного состояния поверхности.

Это сочетание эффективного удаления органики, сниженного потребления химикатов и улучшенных экологических показателей делает озоновую очистку все более привлекательным вариантом для передовых применений в обработке пластин.

Почему очистка пластин важна

Очистка пластин часто рассматривается как вспомогательный процесс, но ее влияние распространяется на весь цикл производства полупроводников.

Плохо контролируемый этап очистки может привести к дефектам поверхности, оставить частицы или металлы, изменить химию поверхности или повлиять на однородность последующих процессов. По мере уменьшения размеров устройств допуск на эти дефекты становится все более ограниченным.

Именно поэтому современная очистка пластин больше не сводится просто к тому, чтобы сделать пластину «чистой».

Речь идет о достижении точного контроля загрязнений при сохранении целостности поверхности, однородности процесса и повторяемости.

От традиционных RCA и пираньей до SC1/SC2, преддиффузионной очистки, мегазвуковых систем и процессов на основе озона — каждый метод решает свою задачу по борьбе с загрязнением.

Наиболее эффективная стратегия очистки пластин в конечном итоге зависит от типа загрязнителя, материала пластины, этапа процесса, состояния поверхности, химической совместимости, температуры и требуемого уровня чистоты.

Для производителей полупроводников и MEMS выбор правильной технологии очистки и контроль каждого параметра этого процесса имеют решающее значение для поддержания качества пластин и достижения стабильного выхода продукции.