Nat reinigen (Wet Clean) is een van de cruciale stappen in de productieprocessen van halfgeleiders, gericht op het verwijderen van verschillende verontreinigingen van het oppervlak van de wafer om ervoor te zorgen dat daaropvolgende processtappen op een schoon oppervlak kunnen worden uitgevoerd.
Naarmate de omvang van halfgeleiderapparaten blijft krimpen en de nauwkeurigheidseisen toenemen, zijn de technische eisen van waferreinigingsprocessen steeds strenger geworden. Zelfs de kleinste deeltjes, organische materialen, metaalionen of oxideresiduen op het wafeloppervlak kunnen de prestaties van apparaten aanzienlijk beïnvloeden, waardoor de opbrengst en betrouwbaarheid van halfgeleiderapparaten worden beïnvloed.
Kernprincipes van wafelreiniging
De kern van het reinigen van wafels ligt in het effectief verwijderen van verschillende verontreinigingen van het wafeloppervlak door middel van fysische, chemische en andere methoden om ervoor te zorgen dat de wafel een schoon oppervlak heeft dat geschikt is voor daaropvolgende verwerking.
Soort besmetting
Belangrijkste invloeden op apparaatkenmerken
| rticle besmetting | Patroonfouten
Ionenimplantatiedefecten
Defecten in de isolatiefilm
| |
| Metaalverontreiniging | Alkalimetalen | MOS-transistorinstabiliteit
Afbraak/degradatie van de poortoxidefilm
|
| Zware metalen | Verhoogde omgekeerde lekstroom van de PN-overgang
Poortoxidefilmdefecten
Verslechtering van de levensduur van minderheidsvervoerders
Genereren van defecten in de oxide-excitatielaag
| |
| Chemische besmetting | Organisch materiaal | Poortoxidefilmdefecten
CVD-filmvariaties (incubatietijden)
Variaties in de dikte van de thermische oxidefilm (versnelde oxidatie)
Haze-voorkomen (wafel, lens, spiegel, masker, dradenkruis)
|
| Anorganische doteermiddelen (B, P) | MOS-transistor Vth verschuift
Si-substraat en poly-siliciumplaatweerstandsvariaties met hoge weerstand
| |
| Anorganische basen (aminen, ammoniak) en zuren (SOx) | Verslechtering van de resolutie van chemisch versterkte resists
Het optreden van deeltjesverontreiniging en waas als gevolg van zoutvorming
| |
| Native en chemische oxidefilms als gevolg van vocht, lucht | Verhoogde contactweerstand
Afbraak/degradatie van de poortoxidefilm
| |
Concreet omvatten de doelstellingen van het waferreinigingsproces:
Deeltjesverwijdering: Het gebruik van fysische of chemische methoden om kleine deeltjes te verwijderen die aan het wafeloppervlak zijn bevestigd. Kleinere deeltjes zijn moeilijker te verwijderen vanwege de sterke elektrostatische krachten tussen hen en het waferoppervlak, waardoor een speciale behandeling vereist is.
Verwijdering van organisch materiaal: Organische verontreinigingen zoals vet en fotoresistresten kunnen zich aan het wafeloppervlak hechten. Deze verontreinigingen worden doorgaans verwijderd met behulp van sterke oxidatiemiddelen of oplosmiddelen.
Verwijdering van metaalionen: Metaalionenresiduen 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 wafeloppervlak vrij is van oxidelagen, zoals siliciumoxide. In dergelijke gevallen moeten tijdens bepaalde reinigingsstappen natuurlijke oxidelagen worden verwijderd.
De uitdaging van de wafelreinigingstechnologie ligt in het efficiënt verwijderen van verontreinigingen zonder het wafeloppervlak nadelig te beïnvloeden, zoals het voorkomen van opruwing van het oppervlak, corrosie of andere fysieke schade.
2. Processtroom voor wafelreiniging
Het wafelreinigingsproces omvat doorgaans meerdere stappen om de volledige verwijdering van verontreinigingen te garanderen en een volledig schoon oppervlak te bereiken.
Afbeelding: vergelijking tussen batch-type en single-wafer-reiniging
Een typisch waferreinigingsproces omvat de volgende hoofdstappen:
1. Voorreiniging (Pre-Clean)
Het doel van de voorreiniging is het verwijderen van losse verontreinigingen en grote deeltjes van het wafeloppervlak, wat doorgaans wordt bereikt door spoelen met gedeïoniseerd water (DI Water) en ultrasoon reinigen. Gedeïoniseerd water kan in eerste instantie deeltjes en opgeloste onzuiverheden van het wafeloppervlak verwijderen, terwijl ultrasoon reinigen gebruik maakt van cavitatie-effecten om de binding tussen de deeltjes en het wafeloppervlak te verbreken, waardoor ze gemakkelijker los te maken zijn.
2. Chemische reiniging
Chemisch reinigen is een van de kernstappen in het wafelreinigingsproces, waarbij chemische oplossingen worden gebruikt om organische materialen, metaalionen en oxiden van het wafeloppervlak te verwijderen.
Verwijdering van organisch materiaal: Meestal wordt aceton of een mengsel van ammoniak en peroxide (SC-1) gebruikt om organische verontreinigingen op te lossen en te oxideren. De typische verhouding voor 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 wafeloppervlak te verwijderen. De typische verhouding voor SC-2-oplossing is HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, waarbij de temperatuur op ongeveer 80°C wordt gehouden.
Oxideverwijdering: Bij sommige processen is de verwijdering van de natieve oxidelaag van het wafeloppervlak vereist, waarvoor fluorwaterstofzuur (HF) -oplossing wordt gebruikt. De typische verhouding voor HF-oplossing is HF
₂O = 1:50 en kan bij kamertemperatuur worden gebruikt.
3. Eindschoonmaak
Na de chemische reiniging ondergaan wafers meestal een laatste reinigingsstap om ervoor te zorgen dat er geen chemische resten op het oppervlak achterblijven. Bij de eindschoonmaak wordt voornamelijk gebruik gemaakt van gedeïoniseerd water voor een grondige spoeling. Bovendien wordt ozonwaterreiniging (O₃/H₂O) gebruikt om eventuele resterende verontreinigingen verder van het wafeloppervlak te verwijderen.
4. Drogen
De gereinigde wafels moeten snel worden gedroogd om watervlekken of het opnieuw hechten van verontreinigingen te voorkomen. Gebruikelijke droogmethoden zijn onder meer centrifugeren en spoelen met stikstof. De eerste verwijdert vocht van het wafeloppervlak door met hoge snelheid te draaien, terwijl de laatste zorgt voor volledige droging door droog stikstofgas over het wafeloppervlak te blazen.
Verontreiniging
Naam van 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 fluorwaterstofzuur/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 | |
| Inheems oxide | DHF | Verdun fluorwaterstofzuur/DI-water | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Gebufferd fluorwaterstofzuur | NH4F/HF/H2O |
3. Algemene methoden voor het reinigen van wafels
1. RCA-reinigingsmethode
De RCA-reinigingsmethode is een van de meest klassieke wafelreinigingstechnieken in de halfgeleiderindustrie, meer dan 40 jaar geleden ontwikkeld door RCA Corporation. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt om organische verontreinigingen en metaaliononzuiverheden 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 is een mengsel van ammoniak, waterstofperoxide en water, dat een dunne siliciumoxidelaag op het wafeloppervlak vormt.
SC-2 Reiniging: Deze stap wordt voornamelijk gebruikt om verontreinigingen met metaalionen te verwijderen, met behulp van een mengsel van zoutzuur, waterstofperoxide en water. Het laat een dunne passivatielaag 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, waarbij gebruik wordt gemaakt van een mengsel van zwavelzuur en waterstofperoxide, doorgaans in een verhouding van 3:1 of 4:1. Door de extreem sterke oxidatieve eigenschappen van deze oplossing kan het een grote hoeveelheid organisch materiaal en hardnekkige verontreinigingen verwijderen. Deze methode vereist strikte controle van de omstandigheden, vooral 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 wafeloppervlak te verwijderen. Vergeleken met traditioneel ultrasoon reinigen werkt megasoon reinigen met een hogere frequentie, waardoor een efficiëntere verwijdering van deeltjes van submicrongrootte mogelijk is zonder schade aan het waferoppervlak te veroorzaken.
4. Ozonreiniging
De ozonreinigingstechnologie maakt gebruik van de sterk oxiderende eigenschappen van ozon om organische verontreinigingen van het wafeloppervlak af te breken en te verwijderen, en deze uiteindelijk om te zetten in onschadelijk kooldioxide en water. Deze methode vereist geen gebruik van dure chemische reagentia en veroorzaakt minder milieuvervuiling, waardoor het een opkomende technologie is op het gebied van waferreiniging.
4. Apparatuur voor wafelreinigingsproces
Om de efficiëntie en veiligheid van waferreinigingsprocessen te garanderen, wordt bij de productie van halfgeleiders een verscheidenheid aan geavanceerde reinigingsapparatuur gebruikt. De belangrijkste typen zijn onder meer:
1. Natte reinigingsapparatuur
Natreinigingsapparatuur omvat verschillende dompeltanks, ultrasone reinigingstanks en centrifugeerdrogers. Deze apparaten combineren mechanische krachten en chemische reagentia om verontreinigingen van het wafeloppervlak te verwijderen. Dompeltanks zijn doorgaans uitgerust met temperatuurcontrolesystemen om de stabiliteit en effectiviteit van chemische oplossingen te garanderen.
2. Stomerijapparatuur
Stomerijapparatuur omvat hoofdzakelijk plasmareinigers, die gebruik maken van hoogenergetische deeltjes in plasma om te reageren met en resten van het wafeloppervlak te verwijderen. Plasmareiniging is vooral geschikt voor processen waarbij de integriteit van het oppervlak behouden moet blijven zonder dat er chemische resten ontstaan.
3. Geautomatiseerde reinigingssystemen
Met de voortdurende uitbreiding van de productie van halfgeleiders zijn geautomatiseerde reinigingssystemen de voorkeurskeuze geworden voor grootschalige waferreiniging. Deze systemen omvatten vaak geautomatiseerde overdrachtsmechanismen, reinigingssystemen met meerdere tanks en precisiecontrolesystemen om consistente reinigingsresultaten voor elke wafel te garanderen.
5. Toekomstige trends
Terwijl halfgeleiderapparaten steeds kleiner worden, evolueert de waferreinigingstechnologie naar efficiëntere en milieuvriendelijkere oplossingen. Toekomstige schoonmaaktechnologieën zullen zich richten op:
Verwijdering van subnanometerdeeltjes: Bestaande reinigingstechnologieën kunnen deeltjes op nanometerschaal verwerken, maar met de verdere verkleining van de apparaatgrootte zal het verwijderen van subnanometerdeeltjes een nieuwe uitdaging worden.
Groen en milieuvriendelijk schoonmaken: Het terugdringen van het gebruik van milieubelastende chemicaliën en het ontwikkelen van milieuvriendelijkere schoonmaakmethoden, zoals ozonreiniging en megasonische reiniging, zullen steeds belangrijker worden.
Hogere niveaus van automatisering en intelligentie: Intelligente systemen zullen real-time monitoring en aanpassing van verschillende parameters tijdens het reinigingsproces mogelijk maken, waardoor de reinigingseffectiviteit en productie-efficiëntie verder worden verbeterd.
Waferreinigingstechnologie speelt, als een cruciale stap in de productie van halfgeleiders, een cruciale rol bij het garanderen van schone waferoppervlakken voor daaropvolgende processen. De combinatie van verschillende reinigingsmethoden verwijdert effectief verontreinigingen, waardoor een schoon substraatoppervlak ontstaat voor de volgende stappen. Naarmate de technologie vordert, zullen reinigingsprocessen verder worden geoptimaliseerd om te voldoen aan de vraag naar hogere precisie en minder defectpercentages bij de productie van halfgeleiders.
Posttijd: 08-okt-2024