A limpeza húmida (Wet Clean) é un dos pasos críticos nos procesos de fabricación de semicondutores, destinado a eliminar varios contaminantes da superficie da oblea para garantir que as etapas posteriores do proceso se poidan realizar nunha superficie limpa.
A medida que o tamaño dos dispositivos semicondutores segue a diminuír e os requisitos de precisión aumentan, as esixencias técnicas dos procesos de limpeza de obleas son cada vez máis estritas. Incluso as partículas máis pequenas, os materiais orgánicos, os ións metálicos ou os residuos de óxido na superficie da oblea poden afectar significativamente o rendemento do dispositivo, afectando así o rendemento e a fiabilidade dos dispositivos semicondutores.
Principios fundamentais da limpeza de obleas
O núcleo da limpeza das obleas reside na eliminación eficaz de varios contaminantes da superficie da oblea mediante métodos físicos, químicos e outros para garantir que a oblea teña unha superficie limpa e adecuada para o seu procesamento posterior.
Tipo de contaminación
Principais influencias nas características do dispositivo
| artigo Contaminación | Defectos do patrón
Defectos de implantación iónica
Defectos de rotura da película illante
| |
| Contaminación metálica | Metais alcalinos | Inestabilidade do transistor MOS
Rotura/degradación da película de óxido de porta
|
| Metais pesados | Aumento da corrente de fuga inversa da unión PN
Defectos de ruptura da película de óxido de porta
Degradación da vida útil do portador minoritario
Xeración de defectos na capa de excitación de óxidos
| |
| Contaminación química | Material Orgánico | Defectos de ruptura da película de óxido de porta
Variacións da película CVD (tempos de incubación)
Variacións de espesor da película de óxido térmico (oxidación acelerada)
Aparición de bruma (oblea, lente, espello, máscara, retícula)
|
| Dopantes inorgánicos (B, P) | Transistores MOS V-ésimos desprazamentos
Substrato Si e variacións de resistencia da folla de polisilicio de alta resistencia
| |
| Bases inorgánicas (aminas, amoníaco) e ácidos (SOx) | Degradación da resolución de resists amplificados químicamente
Aparición de contaminación por partículas e néboa debido á xeración de sal
| |
| Películas de óxidos nativos e químicos debido á humidade, ao aire | Aumento da resistencia de contacto
Rotura/degradación da película de óxido de porta
| |
En concreto, os obxectivos do proceso de limpeza de obleas inclúen:
Eliminación de partículas: mediante métodos físicos ou químicos para eliminar pequenas partículas adheridas á superficie da oblea. As partículas máis pequenas son máis difíciles de eliminar debido ás fortes forzas electrostáticas entre elas e a superficie da oblea, que requiren un tratamento especial.
Eliminación de material orgánico: os contaminantes orgánicos como a graxa e os residuos de fotorresistentes poden adherirse á superficie da oblea. Estes contaminantes son normalmente eliminados mediante axentes oxidantes fortes ou disolventes.
Eliminación de ións metálicos: os residuos de ións metálicos na superficie da oblea poden degradar o rendemento eléctrico e mesmo afectar os pasos de procesamento posteriores. Polo tanto, utilízanse solucións químicas específicas para eliminar estes ións.
Eliminación de óxidos: algúns procesos requiren que a superficie da oblea estea libre de capas de óxido, como o óxido de silicio. Nestes casos, as capas de óxido natural deben ser eliminadas durante certos pasos de limpeza.
O reto da tecnoloxía de limpeza das obleas reside na eliminación eficiente dos contaminantes sen afectar negativamente á superficie da oblea, como evitar a rugosidade da superficie, a corrosión ou outros danos físicos.
2. Fluxo do proceso de limpeza de obleas
O proceso de limpeza das obleas normalmente implica varios pasos para garantir a eliminación completa dos contaminantes e conseguir unha superficie totalmente limpa.
Figura: comparación entre o tipo de lote e a limpeza dunha única oblea
Un proceso típico de limpeza de obleas inclúe os seguintes pasos principais:
1. Pre-limpeza (Pre-limpeza)
O propósito da pre-limpeza é eliminar contaminantes soltos e partículas grandes da superficie da oblea, que normalmente se consegue mediante aclarado con auga desionizada (auga DI) e limpeza por ultrasóns. A auga desionizada pode eliminar inicialmente as partículas e as impurezas disoltas da superficie da oblea, mentres que a limpeza por ultrasóns utiliza efectos de cavitación para romper a unión entre as partículas e a superficie da oblea, facilitando a súa eliminación.
2. Limpeza Química
A limpeza química é un dos pasos fundamentais do proceso de limpeza da oblea, utilizando solucións químicas para eliminar materiais orgánicos, ións metálicos e óxidos da superficie da oblea.
Eliminación de material orgánico: normalmente úsase acetona ou unha mestura de amoníaco/peróxido (SC-1) para disolver e oxidar contaminantes orgánicos. A proporción típica da solución SC-1 é NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, cunha temperatura de traballo duns 20 °C.
Eliminación de ións metálicos: utilízanse ácido nítrico ou mesturas de ácido clorhídrico/peróxido (SC-2) para eliminar ións metálicos da superficie da oblea. A proporción típica para a solución SC-2 é HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, mantendo a temperatura en aproximadamente 80 °C.
Eliminación de óxidos: nalgúns procesos, é necesaria a eliminación da capa de óxido nativo da superficie da oblea, para o que se usa solución de ácido fluorhídrico (HF). A relación típica para a solución de HF é HF
₂O = 1:50, e pódese usar a temperatura ambiente.
3. Limpeza final
Despois da limpeza química, as obleas adoitan someterse a un paso de limpeza final para garantir que non queden residuos químicos na superficie. A limpeza final utiliza principalmente auga desionizada para un aclarado completo. Ademais, a limpeza con auga de ozono (O₃/H₂O) úsase para eliminar aínda máis os contaminantes restantes da superficie da oblea.
4. Secado
As obleas limpas deben secarse rapidamente para evitar marcas de auga ou a reincorporación de contaminantes. Os métodos de secado comúns inclúen o secado por centrifugado e a purga de nitróxeno. O primeiro elimina a humidade da superficie da oblea xirando a altas velocidades, mentres que o segundo asegura o secado completo ao soplar gas nitróxeno seco pola superficie da oblea.
Contaminante
Nome do procedemento de limpeza
Descrición da mestura química
Químicos
| Partículas | Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidróxeno/auga DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amonio/peróxido de hidróxeno/auga DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metais (non cobre) | SC-2 (HPM) | Ácido clorhídrico/peróxido de hidróxeno/auga DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidróxeno/auga DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Diluír ácido fluorhídrico/auga DI (non eliminará o cobre) | HF/H2O1:50 | |
| Orgánicos | Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidróxeno/auga DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amonio/peróxido de hidróxeno/auga DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozono en auga desionizada | Mesturas optimizadas O3/H2O | |
| Óxido nativo | DHF | Diluír ácido fluorhídrico/auga DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Ácido fluorhídrico tamponado | NH4F/HF/H2O |
3. Métodos comúns de limpeza de obleas
1. Método de limpeza RCA
O método de limpeza RCA é unha das técnicas de limpeza de obleas máis clásicas na industria de semicondutores, desenvolvida por RCA Corporation hai máis de 40 anos. Este método úsase principalmente para eliminar contaminantes orgánicos e impurezas de ións metálicos e pódese completar en dous pasos: SC-1 (Standard Clean 1) e SC-2 (Standard Clean 2).
Limpeza SC-1: este paso utilízase principalmente para eliminar contaminantes orgánicos e partículas. A solución é unha mestura de amoníaco, peróxido de hidróxeno e auga, que forma unha fina capa de óxido de silicio na superficie da oblea.
Limpeza SC-2: este paso utilízase principalmente para eliminar contaminantes de ións metálicos, utilizando unha mestura de ácido clorhídrico, peróxido de hidróxeno e auga. Deixa unha fina capa de pasivación na superficie da oblea para evitar a recontaminación.
2. Método de limpeza Piranha (Piranha Etch Clean)
O método de limpeza Piranha é unha técnica moi eficaz para eliminar materiais orgánicos, utilizando unha mestura de ácido sulfúrico e peróxido de hidróxeno, normalmente nunha proporción de 3:1 ou 4:1. Debido ás propiedades oxidativas extremadamente fortes desta solución, pode eliminar unha gran cantidade de materia orgánica e contaminantes persistentes. Este método require un control estrito das condicións, especialmente en termos de temperatura e concentración, para evitar danar a oblea.
A limpeza por ultrasóns utiliza o efecto de cavitación xerado polas ondas sonoras de alta frecuencia nun líquido para eliminar os contaminantes da superficie da oblea. En comparación coa limpeza por ultrasóns tradicional, a limpeza megasónica funciona a unha frecuencia máis alta, o que permite a eliminación máis eficiente de partículas de tamaño inferior ao micrómetro sen causar danos á superficie da oblea.
4. Limpeza por ozono
A tecnoloxía de limpeza do ozono utiliza as fortes propiedades oxidantes do ozono para descompoñer e eliminar os contaminantes orgánicos da superficie da oblea, converténdoos finalmente en dióxido de carbono e auga inofensivos. Este método non require o uso de reactivos químicos caros e provoca unha menor contaminación ambiental, polo que é unha tecnoloxía emerxente no campo da limpeza de obleas.
4. Equipos de proceso de limpeza de obleas
Para garantir a eficiencia e seguridade dos procesos de limpeza de obleas, utilízase unha variedade de equipos de limpeza avanzados na fabricación de semicondutores. Os principais tipos inclúen:
1. Equipos de limpeza húmida
Os equipos de limpeza en húmido inclúen varios tanques de inmersión, tanques de limpeza por ultrasóns e secadores centrifugados. Estes dispositivos combinan forzas mecánicas e reactivos químicos para eliminar os contaminantes da superficie da oblea. Os tanques de inmersión normalmente están equipados con sistemas de control de temperatura para garantir a estabilidade e eficacia das solucións químicas.
2. Equipos de limpeza en seco
Os equipos de limpeza en seco inclúen principalmente produtos de limpeza de plasma, que utilizan partículas de alta enerxía no plasma para reaccionar e eliminar os residuos da superficie da oblea. A limpeza con plasma é especialmente indicada para procesos que requiren manter a integridade da superficie sen introducir residuos químicos.
3. Sistemas automatizados de limpeza
Coa expansión continua da produción de semicondutores, os sistemas de limpeza automatizados convertéronse na opción preferida para a limpeza de obleas a gran escala. Estes sistemas adoitan incluír mecanismos de transferencia automatizados, sistemas de limpeza de varios tanques e sistemas de control de precisión para garantir resultados de limpeza consistentes para cada oblea.
5. Tendencias futuras
A medida que os dispositivos semicondutores seguen a diminuír, a tecnoloxía de limpeza de obleas está a evolucionar cara a solucións máis eficientes e respectuosas co medio ambiente. As futuras tecnoloxías de limpeza centraranse en:
Eliminación de partículas subnanométricas: as tecnoloxías de limpeza existentes poden manexar partículas a escala nanométrica, pero coa maior redución do tamaño do dispositivo, a eliminación de partículas subnanométricas converterase nun novo desafío.
Limpeza ecolóxica e ecolóxica: a redución do uso de produtos químicos nocivos para o medio ambiente e o desenvolvemento de métodos de limpeza máis ecolóxicos, como a limpeza con ozono e a limpeza megasónica, cobrarán cada vez máis importancia.
Niveis máis altos de automatización e intelixencia: os sistemas intelixentes permitirán o seguimento e axuste en tempo real de varios parámetros durante o proceso de limpeza, mellorando aínda máis a eficacia da limpeza e a eficiencia da produción.
A tecnoloxía de limpeza de obleas, como un paso crítico na fabricación de semicondutores, xoga un papel vital para garantir as superficies de obleas limpas para os procesos posteriores. A combinación de varios métodos de limpeza elimina eficazmente os contaminantes, proporcionando unha superficie de substrato limpa para os seguintes pasos. A medida que avanza a tecnoloxía, os procesos de limpeza seguirán optimizándose para satisfacer as demandas de maior precisión e menores taxas de defectos na fabricación de semicondutores.
Hora de publicación: 08-08-2024