Nat reinigen (Wet Clean) is een van de cruciale stappen in het halfgeleiderproductieproces. Het is gericht op het verwijderen van diverse verontreinigingen van het oppervlak van de wafer, zodat daaropvolgende processtappen op een schoon oppervlak kunnen worden uitgevoerd.
Naarmate de omvang van halfgeleiderapparaten blijft krimpen en de precisie-eisen toenemen, worden de technische eisen voor waferreinigingsprocessen steeds strenger. Zelfs de kleinste deeltjes, organische materialen, metaalionen of oxideresten op het waferoppervlak kunnen de prestaties van het apparaat aanzienlijk beïnvloeden, wat de opbrengst en betrouwbaarheid van halfgeleiderapparaten beïnvloedt.
Kernprincipes van waferreiniging
De kern van het reinigen van wafers ligt in het effectief verwijderen van diverse verontreinigingen van het waferoppervlak door middel van fysieke, chemische en andere methoden. Zo wordt gegarandeerd dat het waferoppervlak schoon is en geschikt is voor verdere verwerking.
Type verontreiniging
Belangrijkste invloeden op apparaatkenmerken
| Artikelverontreiniging | Patroondefecten
Ionenimplantatiedefecten
Isolatiefilm-breukdefecten
| |
| Metaalverontreiniging | Alkalimetalen | Instabiliteit van MOS-transistors
Afbraak/degradatie van de gate-oxidefilm
|
| Zware metalen | Verhoogde PN-overgangs-omgekeerde lekstroom
Doorslagdefecten in de poortoxidefilm
Levensduurvermindering van minderheidsdragers
Genereren van defecten in de oxide-excitatielaag
| |
| Chemische verontreiniging | Organisch materiaal | Doorslagdefecten in de poortoxidefilm
Variaties in CVD-film (incubatietijden)
Variaties in de dikte van de thermische oxidefilm (versnelde oxidatie)
Waasvorming (wafer, lens, spiegel, masker, dradenkruis)
|
| Anorganische doteerstoffen (B, P) | MOS-transistor Vth verschuift
Si-substraat en hoge weerstand polysilicium plaatweerstand variaties
| |
| Anorganische basen (aminen, ammoniak) en zuren (SOx) | Degradatie van de resolutie van chemisch versterkte resists
Het optreden van deeltjesverontreiniging en -nevel als gevolg van zoutvorming
| |
| Natuurlijke en chemische oxidefilms door vocht, lucht | Verhoogde contactweerstand
Afbraak/degradatie van de gate-oxidefilm
| |
De doelstellingen van het waferreinigingsproces omvatten met name:
Deeltjesverwijdering: Met behulp van fysische of chemische methoden worden kleine deeltjes die aan het waferoppervlak vastzitten, verwijderd. Kleinere deeltjes zijn moeilijker te verwijderen vanwege de sterke elektrostatische krachten tussen de deeltjes en het waferoppervlak, waardoor een speciale behandeling vereist is.
Verwijdering van organisch materiaal: Organische verontreinigingen zoals vet en resten van fotoresist kunnen zich aan het waferoppervlak hechten. Deze verontreinigingen worden doorgaans verwijderd met sterke oxidatiemiddelen of oplosmiddelen.
Verwijdering van metaalionen: Metaalionresten op het waferoppervlak kunnen de elektrische prestaties verslechteren en zelfs de daaropvolgende verwerkingsstappen beïnvloeden. Daarom worden specifieke chemische oplossingen gebruikt om deze ionen te verwijderen.
Oxideverwijdering: Sommige processen vereisen dat het waferoppervlak vrij is van oxidelagen, zoals siliciumoxide. In dergelijke gevallen moeten natuurlijke oxidelagen tijdens bepaalde reinigingsstappen worden verwijderd.
De uitdaging van wafer-reinigingstechnologie ligt in het efficiënt verwijderen van verontreinigingen zonder het waferoppervlak aan te tasten. Hierbij moet bijvoorbeeld worden voorkomen dat het oppervlak ruw wordt, dat corrosie optreedt of dat andere fysieke schade optreedt.
2. Waferreinigingsprocesstroom
Het reinigingsproces van wafers bestaat doorgaans uit meerdere stappen om ervoor te zorgen dat alle verontreinigingen worden verwijderd en een volledig schoon oppervlak wordt verkregen.
Figuur: Vergelijking tussen batch-type en single-wafer reiniging
Een typisch waferreinigingsproces omvat de volgende hoofdstappen:
1. Voorreiniging (Pre-Clean)
Het doel van voorreiniging is het verwijderen van losse verontreinigingen en grote deeltjes van het waferoppervlak. Dit wordt meestal bereikt door te spoelen met gedeïoniseerd water (DI-water) en ultrasoon te reinigen. Gedeïoniseerd water verwijdert eerst deeltjes en opgeloste onzuiverheden van het waferoppervlak, terwijl ultrasoon reinigen gebruikmaakt van cavitatie om de binding tussen de deeltjes en het waferoppervlak te verbreken, waardoor ze gemakkelijker loskomen.
2. Chemische reiniging
Chemisch reinigen is een van de belangrijkste stappen in het waferreinigingsproces, waarbij chemische oplossingen worden gebruikt om organische materialen, metaalionen en oxiden van het waferoppervlak te verwijderen.
Verwijdering van organisch materiaal: Meestal wordt aceton of een ammoniak/peroxidemengsel (SC-1) gebruikt om organische verontreinigingen op te lossen en te oxideren. De typische verhouding voor een SC-1-oplossing is NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, met een werktemperatuur van ongeveer 20°C.
Verwijdering van metaalionen: Salpeterzuur of zoutzuur/peroxidemengsels (SC-2) worden gebruikt om metaalionen van het waferoppervlak te verwijderen. De typische verhouding voor een SC-2-oplossing is HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, waarbij de temperatuur op ongeveer 80°C wordt gehouden.
Oxideverwijdering: In sommige processen is het verwijderen van de oorspronkelijke oxidelaag van het waferoppervlak vereist, waarvoor een waterstoffluorideoplossing (HF) wordt gebruikt. De typische verhouding voor HF-oplossingen is HF
₂O = 1:50 en kan bij kamertemperatuur gebruikt worden.
3. Eindschoonmaak
Na chemische reiniging ondergaan wafers meestal een laatste reinigingsstap om ervoor te zorgen dat er geen chemische resten op het oppervlak achterblijven. De laatste reiniging gebeurt voornamelijk met gedemineraliseerd water voor een grondige spoeling. Daarnaast wordt ozonwaterreiniging (O₃/H₂O) gebruikt om eventuele resterende verontreinigingen van het waferoppervlak te verwijderen.
4. Drogen
De gereinigde wafers moeten snel worden gedroogd om watervlekken of nieuwe aanhechting van verontreinigingen te voorkomen. Veelgebruikte droogmethoden zijn onder andere centrifugatie en stikstofreiniging. De eerste methode verwijdert vocht van het waferoppervlak door op hoge snelheid te roteren, terwijl de tweede methode zorgt voor volledige droging door droog stikstofgas over het waferoppervlak te blazen.
Verontreinigende stof
Naam van de reinigingsprocedure
Beschrijving van het chemische mengsel
Chemicaliën
| Deeltjes | Piranha (SPM) | Zwavelzuur/waterstofperoxide/DI-water | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxide/waterstofperoxide/DI-water | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metalen (geen koper) | SC-2 (HPM) | Zoutzuur/waterstofperoxide/DI-water | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Zwavelzuur/waterstofperoxide/DI-water | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Verdund waterstoffluoride/DI-water (verwijdert geen koper) | HF/H2O1:50 | |
| Organische stoffen | Piranha (SPM) | Zwavelzuur/waterstofperoxide/DI-water | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxide/waterstofperoxide/DI-water | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon in gedeïoniseerd water | O3/H2O geoptimaliseerde mengsels | |
| natuurlijk oxide | DHF | Verdund waterstoffluoride/DI-water | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Gebufferd waterstoffluoride | NH4F/HF/H2O |
3. Veelvoorkomende waferreinigingsmethoden
1. RCA-reinigingsmethode
De RCA-reinigingsmethode is een van de meest klassieke waferreinigingstechnieken in de halfgeleiderindustrie, meer dan 40 jaar geleden ontwikkeld door RCA Corporation. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt om organische verontreinigingen en metaalionen te verwijderen en kan in twee stappen worden uitgevoerd: SC-1 (Standard Clean 1) en SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1 Reiniging: Deze stap wordt voornamelijk gebruikt om organische verontreinigingen en deeltjes te verwijderen. De oplossing bestaat uit een mengsel van ammoniak, waterstofperoxide en water, dat een dunne laag siliciumoxide op het waferoppervlak vormt.
SC-2 Reiniging: Deze stap wordt voornamelijk gebruikt om metaalionverontreinigingen te verwijderen met een mengsel van zoutzuur, waterstofperoxide en water. Het laat een dunne passiveringslaag achter op het waferoppervlak om herbesmetting te voorkomen.
2. Piranha-reinigingsmethode (Piranha Etch Clean)
De piranha-reinigingsmethode is een zeer effectieve techniek voor het verwijderen van organische materialen. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een mengsel van zwavelzuur en waterstofperoxide, doorgaans in een verhouding van 3:1 of 4:1. Dankzij de extreem sterke oxiderende eigenschappen van deze oplossing kan een grote hoeveelheid organisch materiaal en hardnekkige verontreinigingen worden verwijderd. Deze methode vereist strikte controle van de omstandigheden, met name wat betreft temperatuur en concentratie, om beschadiging van de wafer te voorkomen.
Ultrasoon reinigen maakt gebruik van het cavitatie-effect dat wordt gegenereerd door hoogfrequente geluidsgolven in een vloeistof om verontreinigingen van het waferoppervlak te verwijderen. Vergeleken met traditionele ultrasoon reinigen werkt megasoon reinigen op een hogere frequentie, waardoor deeltjes van submicronformaat efficiënter kunnen worden verwijderd zonder het waferoppervlak te beschadigen.
4. Ozonreiniging
Ozonreinigingstechnologie maakt gebruik van de sterk oxiderende eigenschappen van ozon om organische verontreinigingen van het waferoppervlak af te breken en te verwijderen, en deze uiteindelijk om te zetten in onschadelijke koolstofdioxide en water. Deze methode vereist geen dure chemische reagentia en veroorzaakt minder milieuvervuiling, waardoor het een opkomende technologie is op het gebied van waferreiniging.
4. Waferreinigingsprocesapparatuur
Om de efficiëntie en veiligheid van waferreinigingsprocessen te garanderen, wordt in de halfgeleiderproductie gebruikgemaakt van diverse geavanceerde reinigingsapparatuur. De belangrijkste typen zijn:
1. Natte reinigingsapparatuur
Apparatuur voor natte reiniging omvat diverse dompelbaden, ultrasone reinigingsbaden en centrifuges. Deze apparaten combineren mechanische krachten en chemische reagentia om verontreinigingen van het waferoppervlak te verwijderen. Dompelbaden zijn doorgaans uitgerust met temperatuurregelsystemen om de stabiliteit en effectiviteit van chemische oplossingen te garanderen.
2. Stomerijapparatuur
Apparatuur voor chemische reiniging omvat voornamelijk plasmareinigers, die hoogenergetische deeltjes in plasma gebruiken om te reageren met en resten van het waferoppervlak te verwijderen. Plasmareiniging is met name geschikt voor processen waarbij de oppervlakte-integriteit behouden moet blijven zonder chemische resten toe te voegen.
3. Geautomatiseerde reinigingssystemen
Met de voortdurende uitbreiding van de halfgeleiderproductie zijn geautomatiseerde reinigingssystemen de voorkeurskeuze geworden voor grootschalige waferreiniging. Deze systemen omvatten vaak geautomatiseerde overdrachtsmechanismen, multi-tank reinigingssystemen en precisiecontrolesystemen om consistente reinigingsresultaten voor elke wafer te garanderen.
5. Toekomstige trends
Naarmate halfgeleiderapparaten steeds kleiner worden, evolueert de technologie voor het reinigen van wafers naar efficiëntere en milieuvriendelijkere oplossingen. Toekomstige reinigingstechnologieën zullen zich richten op:
Verwijdering van subnanometerdeeltjes: bestaande reinigingstechnologieën kunnen nanometerdeeltjes aan, maar naarmate de apparaten kleiner worden, wordt het verwijderen van subnanometerdeeltjes een nieuwe uitdaging.
Groen en milieuvriendelijk schoonmaken: het verminderen van het gebruik van chemicaliën die schadelijk zijn voor het milieu en het ontwikkelen van milieuvriendelijkere schoonmaakmethoden, zoals ozonreiniging en megasoonreiniging, wordt steeds belangrijker.
Hogere niveaus van automatisering en intelligentie: intelligente systemen maken realtime monitoring en aanpassing van verschillende parameters tijdens het reinigingsproces mogelijk, waardoor de reinigingseffectiviteit en productie-efficiëntie verder worden verbeterd.
Waferreinigingstechnologie speelt, als cruciale stap in de halfgeleiderproductie, een cruciale rol bij het garanderen van schone waferoppervlakken voor de volgende processen. De combinatie van verschillende reinigingsmethoden verwijdert effectief verontreinigingen en zorgt voor een schoon substraatoppervlak voor de volgende stappen. Naarmate de technologie vordert, zullen reinigingsprocessen verder worden geoptimaliseerd om te voldoen aan de vraag naar hogere precisie en lagere defectpercentages in de halfgeleiderproductie.
Plaatsingstijd: 08-10-2024