A limpeza húmida (Wet Clean) é un dos pasos críticos nos procesos de fabricación de semicondutores, cuxo obxectivo é eliminar diversos contaminantes da superficie da oblea para garantir que os pasos posteriores do proceso se poidan realizar sobre unha superficie limpa.
A medida que o tamaño dos dispositivos semicondutores continúa a reducirse e os requisitos de precisión aumentan, as esixencias técnicas dos procesos de limpeza de obleas volvéronse cada vez máis estritas. Mesmo 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 básicos da limpeza de obleas
A esencia da limpeza das obleas reside na eliminación eficaz de diversos contaminantes da superficie das obleas mediante métodos físicos, químicos e doutro tipo para garantir que a oblea teña unha superficie limpa e axeitada para o seu posterior procesamento.
Tipo de contaminación
Principais influencias nas características do dispositivo
| Contaminación de artigos | Defectos de 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 rotura da película de óxido de porta
Degradación da vida útil dos portadores minoritarios
Xeración de defectos na capa de excitación de óxido
| |
| Contaminación química | Materia orgánica | Defectos de rotura da película de óxido de porta
Variacións da película de CVD (tempos de incubación)
Variacións do grosor da película de óxido térmico (oxidación acelerada)
Aparición de néboa (oblea, lente, espello, máscara, retícula)
|
| Dopantes inorgánicos (B, P) | Desprazamentos Vth do transistor MOS
Variacións de resistencia do substrato de Si e das láminas de polisilicio de alta resistencia
| |
| Bases inorgánicas (aminas, amoníaco) e ácidos (SOx) | Degradación da resolución das resistencias amplificadas quimicamente
Aparición de contaminación por partículas e néboa debido á xeración de sal
| |
| Películas de óxido nativo e químico debido á humidade e ao aire | Maior resistencia ao contacto
Rotura/degradación da película de óxido de porta
| |
Especificamente, os obxectivos do proceso de limpeza de obleas inclúen:
Eliminación de partículas: Emprego de 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, o que require un tratamento especial.
Eliminación de materiais orgánicos: Os contaminantes orgánicos, como a graxa e os residuos de fotorresina, poden adherirse á superficie da oblea. Estes contaminantes elimínanse normalmente con axentes oxidantes ou solventes fortes.
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 óxido: Algúns procesos requiren que a superficie da oblea estea libre de capas de óxido, como o óxido de silicio. Nestes casos, é necesario eliminar as capas de óxido naturais durante certos pasos de limpeza.
O desafío da tecnoloxía de limpeza de obleas reside en eliminar de forma eficiente os contaminantes sen afectar negativamente a 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 de obleas adoita implicar varios pasos para garantir a eliminación completa de contaminantes e conseguir unha superficie totalmente limpa.
Figura: Comparación entre a limpeza por lotes e a limpeza dunha soa oblea
Un proceso típico de limpeza de obleas inclúe os seguintes pasos principais:
1. Limpeza previa (Prelimpeza)
O propósito da limpeza previa é eliminar contaminantes soltos e partículas grandes da superficie da oblea, o que se consegue normalmente mediante enxague con auga desionizada (auga DI) e limpeza por ultrasóns. A auga desionizada pode eliminar inicialmente partículas e 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 o seu desprazamento.
2. Limpeza química
A limpeza química é un dos pasos principais no proceso de limpeza de obleas, empregando solucións químicas para eliminar materiais orgánicos, ións metálicos e óxidos da superficie da oblea.
Eliminación de materiais orgánicos: Normalmente, úsase acetona ou unha mestura de amoníaco/peróxido (SC-1) para disolver e oxidar contaminantes orgánicos. A proporción típica para a solución SC-1 é NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, cunha temperatura de traballo duns 20 °C.
Eliminación de ións metálicos: Úsanse mesturas de ácido nítrico ou 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, coa temperatura mantida a aproximadamente 80 °C.
Eliminación de óxido: Nalgúns procesos, é necesaria a eliminación da capa de óxido nativa da superficie da oblea, para o que se emprega unha solución de ácido fluorhídrico (HF). A proporción 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 emprega principalmente auga desionizada para un enxague completo. Ademais, utilízase a limpeza con auga e ozono (O₃/H₂O) para eliminar aínda máis calquera contaminante restante 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 habituais inclúen a centrifugación e a purga con nitróxeno. O primeiro elimina a humidade da superficie da oblea xirando a altas velocidades, mentres que o segundo garante o secado completo soprando gas nitróxeno seco a través da superficie da oblea.
Contaminante
Nome do procedemento de limpeza
Descrición da mestura química
produtos químicos
| Partículas | Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidróxeno/auga desionizada | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amonio/peróxido de hidróxeno/auga desionizada | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| Metais (non cobre) | SC-2 (HPM) | Ácido clorhídrico/peróxido de hidróxeno/auga desionizada | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidróxeno/auga desionizada | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Ácido fluorhídrico diluído/auga desionizada (non eliminará o cobre) | HF/H2O1:50 | |
| Orgánicos | Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidróxeno/auga desionizada | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amonio/peróxido de hidróxeno/auga desionizada | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Ozono en auga desionizada | Mesturas optimizadas para O3/H2O | |
| Óxido nativo | DHF | Ácido fluorhídrico diluído/auga desionizada | 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 dos 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 (Limpeza estándar 1) e SC-2 (Limpeza estándar 2).
Limpeza SC-1: Este paso úsase principalmente para eliminar contaminantes e partículas orgánicas. 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 úsase principalmente para eliminar contaminantes de ións metálicos, usando 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 de pirañas (Piranha Etch Clean)
O método de limpeza Piranha é unha técnica moi eficaz para eliminar materiais orgánicos, que emprega 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 ultrasónica emprega o efecto de cavitación xerado polas ondas sonoras de alta frecuencia nun líquido para eliminar contaminantes da superficie da oblea. En comparación coa limpeza ultrasónica tradicional, a limpeza megasónica funciona a unha frecuencia máis alta, o que permite unha eliminación máis eficiente de partículas de tamaño submicrónico sen causar danos na superficie da oblea.
4. Limpeza con ozono
A tecnoloxía de limpeza con 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 causa menos contaminación ambiental, o que o converte nunha tecnoloxía emerxente no campo da limpeza de obleas.
4. Equipos de proceso de limpeza de obleas
Para garantir a eficiencia e a 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 húmida inclúen varios tanques de inmersión, tanques de limpeza por ultrasóns e secadores centrifugados. Estes dispositivos combinan forzas mecánicas e reactivos químicos para eliminar contaminantes da superficie da oblea. Os tanques de inmersión adoitan estar equipados con sistemas de control de temperatura para garantir a estabilidade e a eficacia das solucións químicas.
2. Equipos de limpeza en seco
Os equipos de limpeza en seco inclúen principalmente limpadores de plasma, que empregan partículas de alta enerxía no plasma para reaccionar coa superficie da oblea e eliminalos dos residuos dela. A limpeza por plasma é especialmente axeitada para procesos que requiren manter a integridade da superficie sen introducir residuos químicos.
3. Sistemas de limpeza automatizados
Coa expansión continua da produción de semicondutores, os sistemas de limpeza automatizados convertéronse na opción preferida para a limpeza de obleas a grande 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 redución adicional do tamaño do dispositivo, a eliminación de partículas subnanométricas converterase nun novo desafío.
Limpeza ecolóxica e respectuosa co medio ambiente: a redución do uso de produtos químicos nocivos para o medio ambiente e o desenvolvemento de métodos de limpeza máis respectuosos co medio ambiente, como a limpeza con ozono e a limpeza megasónica, serán cada vez máis importantes.
Maiores niveis de automatización e intelixencia: os sistemas intelixentes permitirán a monitorización e o 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 paso fundamental na fabricación de semicondutores, desempeña un papel vital para garantir superficies de obleas limpas para 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 a tecnoloxía avanza, os procesos de limpeza seguirán optimizándose para satisfacer as demandas de maior precisión e menores taxas de defectos na fabricación de semicondutores.
Data de publicación: 08-09-2024