Streszczenie: W miarę jak rozmiary tranzystorów nadal się zmniejszają, proces produkcji płytek staje się coraz bardziej złożony, a wymagania dotyczące technologii czyszczenia półprzewodników na mokro są coraz wyższe. W oparciu o tradycyjną technologię czyszczenia półprzewodników, niniejszy artykuł przedstawia technologię czyszczenia płytek w zaawansowanej produkcji półprzewodników oraz zasady czyszczenia różnych procesów czyszczenia. Z perspektywy ekonomii i ochrony środowiska, udoskonalenie technologii procesu czyszczenia płytek może lepiej sprostać potrzebom zaawansowanej produkcji płytek.
0 Wprowadzenie Proces czyszczenia jest ważnym ogniwem w całym procesie produkcji półprzewodników i jest jednym z ważnych czynników wpływających na wydajność i wydajność układów półprzewodnikowych. W procesie produkcji układów scalonych wszelkie zanieczyszczenia mogą wpłynąć na wydajność układów półprzewodnikowych, a nawet spowodować awarię [1-2]. Dlatego proces czyszczenia jest wymagany przed i po prawie każdym procesie produkcji układów scalonych w celu usunięcia zanieczyszczeń powierzchniowych i zapewnienia czystości powierzchni płytki, jak pokazano na rysunku 1. Proces czyszczenia jest procesem o największym udziale w procesie produkcji układów scalonych, stanowiącym około 30% wszystkich procesów produkcji układów scalonych.
Wraz z rozwojem układów scalonych o bardzo dużej skali, węzły procesu chipowego weszły w węzły 28 nm, 14 nm, a nawet bardziej zaawansowane, integracja nadal rosła, szerokość linii nadal się zmniejszała, a przepływ procesu stał się bardziej złożony [3]. Produkcja zaawansowanych węzłów chipowych jest bardziej wrażliwa na zanieczyszczenia, a czyszczenie zanieczyszczeń w warunkach małych rozmiarów jest trudniejsze, co prowadzi do zwiększenia liczby kroków procesu czyszczenia, czyniąc proces czyszczenia bardziej złożonym, ważniejszym i trudniejszym [4-5]. Proces czyszczenia chipów 90 nm obejmuje około 90 kroków, a proces czyszczenia chipów 20 nm osiągnął 215 kroków. W miarę jak produkcja chipów wchodzi w węzły 14 nm, 10 nm, a nawet wyższe, liczba procesów czyszczenia będzie nadal wzrastać, jak pokazano na rysunku 2.
1 Wprowadzenie do procesu czyszczenia półprzewodników
Proces czyszczenia odnosi się do procesu usuwania zanieczyszczeń z powierzchni wafla poprzez obróbkę chemiczną, gazową i fizyczną. W procesie produkcji półprzewodników zanieczyszczenia, takie jak cząstki, metale, materia organiczna i naturalna warstwa tlenkowa na powierzchni wafla, mogą wpływać na wydajność, niezawodność, a nawet wydajność urządzenia półprzewodnikowego [6-8].
Proces czyszczenia można określić jako pomost między różnymi procesami produkcji płytek. Na przykład proces czyszczenia jest stosowany przed procesem powlekania, przed procesem fotolitografii, po procesie trawienia, po procesie szlifowania mechanicznego, a nawet po procesie implantacji jonów. Proces czyszczenia można z grubsza podzielić na dwa typy, mianowicie czyszczenie na mokro i czyszczenie na sucho.
1.1 Czyszczenie na mokro
Czyszczenie na mokro polega na użyciu rozpuszczalników chemicznych lub wody dejonizowanej do czyszczenia wafli. Zgodnie z metodą procesu czyszczenie na mokro można podzielić na dwa typy: metodę zanurzeniową i metodę natryskową, jak pokazano na rysunku 3. Metoda zanurzeniowa polega na zanurzeniu wafla w zbiorniku pojemnikowym wypełnionym rozpuszczalnikami chemicznymi lub wodą dejonizowaną. Metoda zanurzeniowa jest szeroko stosowaną metodą, szczególnie w przypadku niektórych stosunkowo dojrzałych węzłów. Metoda natryskowa polega na natryskiwaniu rozpuszczalników chemicznych lub wody dejonizowanej na obracający się wafel w celu usunięcia zanieczyszczeń. Metoda zanurzeniowa może przetwarzać wiele wafli jednocześnie, podczas gdy metoda natryskowa może przetwarzać tylko jeden wafel na raz w jednej komorze roboczej. Wraz z rozwojem technologii wymagania dotyczące technologii czyszczenia stają się coraz wyższe, a stosowanie metody natryskowej staje się coraz bardziej powszechne.
1.2 Czyszczenie chemiczne
Jak sama nazwa wskazuje, czyszczenie na sucho to proces, który nie wykorzystuje rozpuszczalników chemicznych ani wody dejonizowanej, ale wykorzystuje gaz lub plazmę do czyszczenia. Wraz z ciągłym rozwojem węzłów technologicznych wymagania dotyczące procesów czyszczenia są coraz wyższe [9-10], a proporcja wykorzystania również wzrasta. Ilość ścieków generowanych przez czyszczenie na mokro również wzrasta. W porównaniu z czyszczeniem na mokro czyszczenie na sucho wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi, skomplikowaną obsługą sprzętu i bardziej rygorystycznymi warunkami czyszczenia. Jednak w przypadku usuwania niektórych substancji organicznych oraz azotków i tlenków czyszczenie na sucho charakteryzuje się większą precyzją i doskonałymi wynikami.
2 Technologia czyszczenia na mokro w produkcji półprzewodników W zależności od składników płynu czyszczącego, powszechnie stosowana technologia czyszczenia na mokro w produkcji półprzewodników została przedstawiona w tabeli 1.
2.1 Technologia czyszczenia DIW
W procesie czyszczenia na mokro w produkcji półprzewodników najczęściej stosowanym płynem czyszczącym jest woda dejonizowana (DIW). Woda zawiera przewodzące aniony i kationy. Woda dejonizowana usuwa przewodzące jony z wody, sprawiając, że woda jest zasadniczo nieprzewodząca. W procesie czyszczenia na mokro w produkcji półprzewodników absolutnie nie wolno używać bezpośrednio surowej wody. Z jednej strony kationy i jony w surowej wodzie zanieczyszczą strukturę urządzenia wafla, a z drugiej strony mogą spowodować odchylenie wydajności urządzenia. Na przykład surowa woda może reagować z materiałem na powierzchni wafla, powodując korozję lub korozję baterii z niektórymi metalami na waflu, a także może powodować bezpośrednią zmianę rezystywności powierzchni wafla, co skutkuje znacznym spadkiem wydajności wafla lub nawet bezpośrednim złomowaniem. W procesie czyszczenia na mokro w produkcji półprzewodników istnieją dwa główne zastosowania DIW.
(1) Do czyszczenia powierzchni wafla należy używać wyłącznie DIW. Istnieją różne formy, takie jak wałki, szczotki lub dysze, a głównym celem jest czyszczenie niektórych zanieczyszczeń na powierzchni wafla. W procesie produkcji zaawansowanych półprzewodników metoda czyszczenia jest prawie zawsze metodą pojedynczego wafla, to znaczy, że w komorze można czyścić tylko jeden wafel w tym samym czasie. Metodę czyszczenia pojedynczego wafla przedstawiono również powyżej. Stosowaną metodą czyszczenia jest metoda natrysku wirowego. Podczas obracania wafla powierzchnia wafla jest czyszczona za pomocą wałków, szczotek, dysz itp. W tym procesie wafel będzie ocierał się o powietrze, generując w ten sposób elektryczność statyczną. Elektryczność statyczna może powodować defekty na powierzchni wafla lub bezpośrednio powodować awarię urządzenia. Im wyższy węzeł technologii półprzewodnikowej, tym wyższe wymagania dotyczące obsługi defektów. Dlatego w procesie czyszczenia na mokro DIW zaawansowanej produkcji półprzewodników wymagania procesowe są wyższe. DIW jest zasadniczo nieprzewodzący, a elektryczność statyczna generowana podczas procesu czyszczenia nie może być dobrze uwolniona. Dlatego w zaawansowanych węzłach procesu produkcji półprzewodników, aby zwiększyć przewodność bez zanieczyszczania wafla, dwutlenek węgla (CO2) jest zwykle mieszany z DIW. Ze względu na różne wymagania procesowe, w kilku przypadkach do DIW jest mieszany gaz amoniakalny (NH3).
(2) Wyczyść resztki płynu czyszczącego na powierzchni wafla. Podczas używania innych płynów czyszczących do czyszczenia powierzchni wafla, po użyciu płynu czyszczącego, gdy wafel się obraca, chociaż większość płynu czyszczącego została wyrzucona, na powierzchni wafla nadal pozostanie niewielka ilość płynu czyszczącego, a do wyczyszczenia powierzchni wafla potrzebny jest DIW. Główną funkcją DIW jest tutaj wyczyszczenie resztek płynu czyszczącego na powierzchni wafla. Użycie płynu czyszczącego do czyszczenia powierzchni wafla nie oznacza, że te płyny czyszczące nigdy nie spowodują korozji wafla, ale ich szybkość trawienia jest dość niska, a krótkotrwałe czyszczenie nie wpłynie na wafel. Jednak jeśli resztek płynu czyszczącego nie można skutecznie usunąć, a resztkowy płyn czyszczący pozostanie na powierzchni wafla przez długi czas, nadal będzie on korodował powierzchnię wafla. Ponadto, nawet jeśli roztwór czyszczący koroduje bardzo mało, resztkowy roztwór czyszczący w waflu jest nadal zbędny, co prawdopodobnie wpłynie na końcową wydajność urządzenia. Dlatego po wyczyszczeniu płytki roztworem czyszczącym należy pamiętać o użyciu wody dejonizowanej (DIW) w celu usunięcia resztek roztworu czyszczącego.
2.2 Technologia czyszczenia HF
Jak wszyscy wiemy, piasek jest rafinowany w rdzeń. Chip jest formowany przez niezliczone rzeźbienia na monokrystalicznym krzemowym waflu. Głównym składnikiem chipa jest monokrystaliczny krzem. Najbardziej bezpośrednim i skutecznym sposobem czyszczenia naturalnej warstwy tlenku (SiO2) utworzonej na powierzchni monokrystalicznego krzemu jest użycie HF (kwasu fluorowodorowego) do czyszczenia. Dlatego można powiedzieć, że czyszczenie HF jest technologią czyszczenia drugą po DIW. Czyszczenie HF może skutecznie usunąć naturalną warstwę tlenku na powierzchni monokrystalicznego krzemu, a metal przyłączony do powierzchni naturalnej warstwy tlenku również rozpuści się w roztworze czyszczącym. Jednocześnie HF może również skutecznie hamować tworzenie się naturalnej warstwy tlenku. Dlatego technologia czyszczenia HF może usunąć niektóre jony metali, naturalną warstwę tlenku i niektóre cząstki zanieczyszczeń. Jednak technologia czyszczenia HF ma również pewne nieuniknione problemy. Na przykład podczas usuwania naturalnej warstwy tlenku z powierzchni płytki krzemowej, na powierzchni płytki krzemowej pozostaną małe wżery po skorodowaniu, co bezpośrednio wpłynie na chropowatość powierzchni płytki. Ponadto podczas usuwania warstwy tlenku powierzchniowego HF usunie również niektóre metale, ale niektóre metale nie chcą być korodowane przez HF. Wraz z ciągłym postępem technologii półprzewodnikowych, wymagania dotyczące tych metali, aby nie korodowały pod wpływem HF, stają się coraz wyższe, co powoduje, że technologia czyszczenia HF nie może być stosowana w miejscach, w których mogłaby być stosowana. Jednocześnie niektóre metale, które dostają się do roztworu czyszczącego i przylegają do powierzchni płytki krzemowej, gdy naturalna warstwa tlenku rozpuszcza się, nie są łatwo usuwane przez HF, co powoduje, że pozostają na powierzchni płytki krzemowej. W odpowiedzi na powyższe problemy zaproponowano kilka ulepszonych metod. Na przykład rozcieńcz HF tak bardzo, jak to możliwe, aby zmniejszyć stężenie HF; dodaj utleniacz do HF, ta metoda może skutecznie usunąć metal przyłączony do powierzchni naturalnej warstwy tlenku, a utleniacz utleni metal na powierzchni, tworząc tlenki, które są łatwiejsze do usunięcia w warunkach kwaśnych. W tym samym czasie HF usunie poprzednią naturalną warstwę tlenku, a utleniacz utleni monokrystaliczny krzem na powierzchni, tworząc nową warstwę tlenku, aby zapobiec przywieraniu metalu do powierzchni monokrystalicznego krzemu; dodaj anionowy środek powierzchniowo czynny do HF, tak aby powierzchnia monokrystalicznego krzemu w roztworze czyszczącym HF miała potencjał ujemny, a powierzchnia cząstki miała potencjał dodatni. Dodanie anionowego środka powierzchniowo czynnego może sprawić, że potencjał powierzchni krzemu i powierzchni cząstki będą miały ten sam znak, to znaczy, że potencjał powierzchni cząstki zmieni się z dodatniego na ujemny, co jest tym samym znakiem, co potencjał ujemny powierzchni płytki krzemowej, tak że odpychanie elektryczne jest generowane między powierzchnią płytki krzemowej a powierzchnią cząstki, zapobiegając w ten sposób przywieraniu cząstek; dodać środek kompleksujący do roztworu czyszczącego HF, aby utworzyć kompleks z zanieczyszczeniami, który rozpuszcza się bezpośrednio w roztworze czyszczącym i nie będzie się wiązał z powierzchnią płytki krzemowej.
2.3 Technologia czyszczenia SC1
Technologia czyszczenia SC1 jest najpowszechniejszą, niedrogą i wysoce wydajną metodą czyszczenia służącą do usuwania zanieczyszczeń z powierzchni wafla. Technologia czyszczenia SC1 może usuwać materię organiczną, niektóre jony metali i niektóre cząstki powierzchniowe w tym samym czasie. Zasada SC1 do usuwania materii organicznej polega na wykorzystaniu utleniającego efektu nadtlenku wodoru i rozpuszczającego efektu NH4OH w celu przekształcenia zanieczyszczeń organicznych w związki rozpuszczalne w wodzie, a następnie ich usunięcia wraz z roztworem. Ze względu na swoje właściwości utleniające i kompleksujące, roztwór SC1 może utleniać niektóre jony metali, przekształcając te jony metali w jony o wysokiej wartościowości, a następnie dalej reagować z alkaliami, tworząc rozpuszczalne kompleksy, które są usuwane wraz z roztworem. Jednak niektóre metale mają wysoką energię swobodną tlenków wytwarzanych po utlenieniu, które łatwo przylegają do warstwy tlenkowej na powierzchni wafla (ponieważ roztwór SC1 ma pewne właściwości utleniające i utworzy warstwę tlenkową na powierzchni wafla), więc nie są łatwe do usunięcia, takie jak metale takie jak Al i Fe. Podczas usuwania jonów metali szybkość adsorpcji i desorpcji metalu na powierzchni wafla ostatecznie osiągnie równowagę. Dlatego w zaawansowanych procesach produkcyjnych płyn czyszczący jest używany jednorazowo w procesach, które mają wysokie wymagania dotyczące jonów metali. Jest on bezpośrednio odprowadzany po użyciu i nie będzie ponownie używany. Celem jest zmniejszenie zawartości metalu w płynie czyszczącym, aby zmyć metal z powierzchni wafla tak bardzo, jak to możliwe. Technologia czyszczenia SC1 może również skutecznie usuwać zanieczyszczenia cząsteczkami powierzchniowymi, a głównym mechanizmem jest odpychanie elektryczne. W tym procesie można przeprowadzić czyszczenie ultradźwiękowe i megadźwiękowe, aby uzyskać lepsze efekty czyszczenia. Technologia czyszczenia SC1 będzie miała znaczący wpływ na chropowatość powierzchni wafla. Aby zmniejszyć wpływ technologii czyszczenia SC1 na chropowatość powierzchni wafla, konieczne jest sformułowanie odpowiedniego stosunku składników płynu czyszczącego. Jednocześnie użycie płynu czyszczącego o niskim napięciu powierzchniowym może ustabilizować szybkość usuwania cząstek, utrzymać wysoką wydajność usuwania i zmniejszyć wpływ na chropowatość powierzchni wafla. Dodanie surfaktantów do płynu czyszczącego SC1 może zmniejszyć napięcie powierzchniowe płynu czyszczącego. Ponadto dodanie środków chelatujących do płynu czyszczącego SC1 może spowodować, że metal w płynie czyszczącym będzie stale tworzył chelaty, co jest korzystne w hamowaniu przylegania powierzchni metali.
2.4 Technologia czyszczenia SC2
Technologia czyszczenia SC2 jest również niedrogą technologią czyszczenia na mokro z dobrą zdolnością usuwania zanieczyszczeń. SC2 ma niezwykle silne właściwości kompleksujące i może reagować z metalami przed utlenieniem, tworząc sole, które są usuwane za pomocą roztworu czyszczącego. Rozpuszczalne kompleksy utworzone w reakcji utlenionych jonów metali z jonami chlorkowymi zostaną również usunięte za pomocą roztworu czyszczącego. Można powiedzieć, że pod warunkiem braku wpływu na wafel, technologia czyszczenia SC1 i technologia czyszczenia SC2 uzupełniają się wzajemnie. Zjawisko przyczepności metalu w roztworze czyszczącym łatwo występuje w alkalicznym roztworze czyszczącym (tj. roztworze czyszczącym SC1), a nie jest łatwe w roztworze kwaśnym (roztworze czyszczącym SC2) i ma silną zdolność usuwania metali z powierzchni wafla. Jednak chociaż metale takie jak Cu można usunąć po czyszczeniu SC1, niektóre problemy z przyczepnością metalu do naturalnej warstwy tlenkowej utworzonej na powierzchni wafla nie zostały rozwiązane i nie nadaje się ona do technologii czyszczenia SC2.
2.5 Technologia czyszczenia O3
W procesie produkcji chipów technologia czyszczenia O3 jest głównie stosowana do usuwania materii organicznej i dezynfekcji DIW. Czyszczenie O3 zawsze wiąże się z utlenianiem. Mówiąc ogólnie, O3 może być stosowany do usuwania pewnej ilości materii organicznej, ale ze względu na utlenianie O3, na powierzchni płytki nastąpi redepozycja. Dlatego w procesie stosowania O3 jest powszechnie stosowany HF. Ponadto proces stosowania HF z O3 może również usuwać niektóre jony metali. Należy zauważyć, że ogólnie rzecz biorąc, wyższe temperatury są korzystne dla usuwania materii organicznej, cząstek, a nawet jonów metali. Jednak w przypadku stosowania technologii czyszczenia O3 ilość O3 rozpuszczonego w DIW zmniejszy się wraz ze wzrostem temperatury. Innymi słowy, stężenie O3 rozpuszczonego w DIW zmniejszy się wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego konieczna jest optymalizacja szczegółów procesu O3 w celu zmaksymalizowania wydajności czyszczenia. W produkcji półprzewodników O3 może być również stosowany do dezynfekcji DIW, głównie dlatego, że substancje stosowane do oczyszczania wody pitnej zazwyczaj zawierają chlor, co jest niedopuszczalne w dziedzinie produkcji chipów. Innym powodem jest to, że O3 rozłoży się na tlen i nie zanieczyści systemu DIW. Należy jednak kontrolować zawartość tlenu w DIW, która nie może być wyższa niż wymagania dotyczące stosowania w produkcji półprzewodników. 2.6 Technologia czyszczenia rozpuszczalnikami organicznymi W procesie produkcji półprzewodników często stosuje się pewne specjalne procesy. W wielu przypadkach nie można stosować metod przedstawionych powyżej, ponieważ wydajność czyszczenia jest niewystarczająca, niektóre komponenty, których nie można zmyć, są trawione, a warstwy tlenkowe nie mogą być generowane. Dlatego też w celu osiągnięcia celu czyszczenia stosuje się również niektóre rozpuszczalniki organiczne.
3. Wnioski
W procesie produkcji półprzewodników proces czyszczenia jest procesem o największej liczbie powtórzeń. Zastosowanie odpowiedniej technologii czyszczenia może znacznie poprawić wydajność produkcji układów scalonych. Wraz z dużym rozmiarem płytek krzemowych i miniaturyzacją struktur urządzeń, wskaźnik gęstości układania wzrasta, a wymagania dotyczące technologii czyszczenia płytek są coraz wyższe. Istnieją bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące czystości powierzchni płytki, stanu chemicznego powierzchni, chropowatości i grubości warstwy tlenku. W oparciu o dojrzałą technologię procesową, niniejszy artykuł przedstawia technologię czyszczenia płytek w zaawansowanej produkcji płytek oraz zasady czyszczenia różnych procesów czyszczenia. Z perspektywy ekonomii i ochrony środowiska, ulepszenie technologii procesu czyszczenia płytek może lepiej sprostać potrzebom zaawansowanej produkcji płytek.