Natte reiniging (Wet Clean) is een van de cruciale stappen in de halfgeleiderproductieprocessen. Het doel is om diverse verontreinigingen van het oppervlak van de wafer te verwijderen, zodat de daaropvolgende processtappen op een schoon oppervlak kunnen worden uitgevoerd.
Naarmate de afmetingen van halfgeleidercomponenten steeds kleiner worden en de precisie-eisen toenemen, worden de technische eisen aan waferreinigingsprocessen steeds strenger. Zelfs de kleinste deeltjes, organische materialen, metaalionen of oxideresten op het waferoppervlak kunnen de prestaties van de component aanzienlijk beïnvloeden, en daarmee de opbrengst en betrouwbaarheid van halfgeleidercomponenten.
Kernprincipes van waferreiniging
De kern van waferreiniging ligt in het effectief verwijderen van diverse verontreinigingen van het waferoppervlak door middel van fysieke, chemische en andere methoden, om ervoor te zorgen dat de wafer een schoon oppervlak heeft dat geschikt is voor verdere verwerking.
Soort verontreiniging
Belangrijkste invloeden op apparaatkenmerken
| Artikelverontreiniging | Patroondefecten
Ionimplantatiedefecten
Defecten in de isolatiefilm
| |
| Metaalverontreiniging | Alkalimetalen | MOS-transistor instabiliteit
afbraak/degradatie van de poortoxidefilm
|
| Zware metalen | Verhoogde lekstroom in omgekeerde richting van de PN-overgang
Doorslagdefecten in de poortoxidefilm
degradatie van de levensduur van minderheidsdragers
generatie van defecten in de oxide-excitatielaag
| |
| Chemische verontreiniging | Organisch materiaal | Doorslagdefecten in de poortoxidefilm
Variaties in CVD-films (incubatietijden)
Variaties in de dikte van de thermische oxidefilm (versnelde oxidatie)
Waasvorming (op wafer, lens, spiegel, masker, dradenkruis)
|
| Anorganische doteringsmiddelen (B, P) | MOS-transistor Vth-verschuivingen
Si-substraat en variaties in de weerstand van polysiliciumplaten met hoge weerstand
| |
| Anorganische basen (aminen, ammoniak) en zuren (SOx) | Verslechtering van de resolutie van chemisch versterkte resisten
Het ontstaan van deeltjesverontreiniging en waas als gevolg van zoutvorming.
| |
| Natuurlijke en chemische oxidefilms als gevolg van vocht en lucht | Verhoogde contactweerstand
afbraak/degradatie van de poortoxidefilm
| |
De doelstellingen van het waferreinigingsproces omvatten specifiek:
Deeltjesverwijdering: Het verwijderen van kleine deeltjes die aan het waferoppervlak vastzitten met behulp van fysische of chemische methoden. Kleinere deeltjes zijn moeilijker te verwijderen vanwege de sterke elektrostatische krachten tussen hen en het waferoppervlak, waardoor een speciale behandeling nodig is.
Verwijdering van organisch materiaal: Organische verontreinigingen zoals vet en fotolakresten kunnen aan het waferoppervlak hechten. Deze verontreinigingen worden doorgaans verwijderd met behulp van sterke oxidatiemiddelen of oplosmiddelen.
Verwijdering van metaalionen: Metaalionresten op het waferoppervlak kunnen de elektrische prestaties verminderen en zelfs latere verwerkingsstappen beïnvloeden. Daarom worden specifieke chemische oplossingen gebruikt om deze ionen te verwijderen.
Oxidatie verwijderen: 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 bij waferreinigingstechnologie ligt in het efficiënt verwijderen van verontreinigingen zonder het waferoppervlak nadelig te beïnvloeden, zoals het voorkomen van oppervlakteverruwing, corrosie of andere fysieke schade.
2. Processtroom voor het reinigen van wafers
Het reinigingsproces van wafers omvat doorgaans meerdere stappen om ervoor te zorgen dat alle verontreinigingen volledig worden verwijderd en een volkomen schoon oppervlak wordt verkregen.
Afbeelding: Vergelijking tussen reiniging in batches en reiniging van individuele wafers
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 gebeurt doorgaans door te spoelen met gedemineraliseerd water (DI-water) en ultrasoon te reinigen. Gedemineraliseerd water verwijdert in eerste instantie deeltjes en opgeloste onzuiverheden van het waferoppervlak, terwijl ultrasoon reinigen gebruikmaakt van cavitatie-effecten om de binding tussen de deeltjes en het waferoppervlak te verbreken, waardoor ze gemakkelijker te verwijderen zijn.
2. Chemische reiniging
Chemische reiniging is een van de kernstappen 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/peroxide-mengsel (SC-1) gebruikt om organische verontreinigingen op te lossen en te oxideren. De gebruikelijke 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 mengsels van zoutzuur en waterstofperoxide (SC-2) worden gebruikt om metaalionen van het waferoppervlak te verwijderen. De gebruikelijke verhouding voor een SC-2-oplossing is HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, waarbij de temperatuur op ongeveer 80°C wordt gehouden.
Oxidatieverwijdering: Bij sommige processen is het nodig om de natuurlijke oxidelaag van het waferoppervlak te verwijderen. Hiervoor wordt een oplossing van fluorwaterstofzuur (HF) gebruikt. De gebruikelijke verhouding voor een HF-oplossing is HF/HF.
₂O = 1:50, en het kan op kamertemperatuur gebruikt worden.
3. Eindschoonmaak
Na chemische reiniging ondergaan wafers doorgaans een laatste reinigingsstap om ervoor te zorgen dat er geen chemische resten op het oppervlak achterblijven. Bij deze laatste reiniging wordt hoofdzakelijk gedemineraliseerd water gebruikt voor een grondige spoeling. Daarnaast wordt ozonwaterreiniging (O₃/H₂O) toegepast om eventuele resterende verontreinigingen verder van het waferoppervlak te verwijderen.
4. Drogen
De gereinigde wafers moeten snel worden gedroogd om watervlekken of heraanhechting van verontreinigingen te voorkomen. Gangbare droogmethoden zijn centrifugeren en stikstofspoelen. Bij centrifugeren wordt vocht van het waferoppervlak verwijderd door de wafer met hoge snelheid te laten draaien, terwijl bij stikstofspoelen een volledige droging wordt gegarandeerd door droog stikstofgas over het waferoppervlak te blazen.
Verontreiniging
Naam van de reinigingsprocedure
Beschrijving van het chemische mengsel
Chemicaliën
| Deeltjes | Piranha (SPM) | Zwavelzuur/waterstofperoxide/gedemineraliseerd water | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxide/waterstofperoxide/gedemineraliseerd water | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metalen (niet koper) | SC-2 (HPM) | Zoutzuur/waterstofperoxide/gedemineraliseerd water | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Zwavelzuur/waterstofperoxide/gedemineraliseerd water | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Verdund fluorwaterstofzuur/gedemineraliseerd water (verwijdert geen koper) | HF/H2O1:50 | |
| Biologische | Piranha (SPM) | Zwavelzuur/waterstofperoxide/gedemineraliseerd water | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxide/waterstofperoxide/gedemineraliseerd water | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon in gedemineraliseerd water | O3/H2O-geoptimaliseerde mengsels | |
| Natuurlijke oxide | DHF | Verdund fluorwaterstofzuur/gedemineraliseerd water | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Gebufferd fluorwaterstofzuur | NH4F/HF/H2O |
3. Gangbare waferreinigingsmethoden
1. RCA-reinigingsmethode
De RCA-reinigingsmethode is een van de meest klassieke waferreinigingstechnieken in de halfgeleiderindustrie, ontwikkeld door RCA Corporation meer dan 40 jaar geleden. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt om organische verontreinigingen en metaalionverontreinigingen 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 waferoppervlak vormt.
SC-2 Reiniging: Deze stap wordt voornamelijk gebruikt om metaalionverontreinigingen te verwijderen met behulp van een mengsel van zoutzuur, waterstofperoxide en water. Het laat een dunne passiveringslaag achter op het waferoppervlak om herverontreiniging te voorkomen.
2. Piranha-reinigingsmethode (Piranha Etch Clean)
De Piranha-reinigingsmethode is een zeer effectieve techniek voor het verwijderen van organisch materiaal, waarbij gebruik wordt gemaakt 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. In vergelijking met traditioneel ultrasoon reinigen werkt megasonisch reinigen op een hogere frequentie, waardoor submicron-deeltjes efficiënter kunnen worden verwijderd zonder het waferoppervlak te beschadigen.
4. Ozonreiniging
De ozonreinigingstechnologie maakt gebruik van de sterke oxiderende eigenschappen van ozon om organische verontreinigingen van het waferoppervlak af te breken en te verwijderen, waarbij deze uiteindelijk worden omgezet in onschadelijk koolstofdioxide 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 het waferreinigingsproces
Om de efficiëntie en veiligheid van waferreinigingsprocessen te garanderen, wordt in de halfgeleiderproductie een verscheidenheid aan geavanceerde reinigingsapparatuur gebruikt. De belangrijkste typen zijn:
1. Natte reinigingsapparatuur
Natte reinigingsapparatuur omvat diverse dompelbaden, ultrasone reinigingsbaden en centrifugeerdrogers. Deze apparaten combineren mechanische krachten met chemische reagentia om verontreinigingen van het waferoppervlak te verwijderen. Dompelbaden zijn doorgaans uitgerust met temperatuurregelsystemen om de stabiliteit en effectiviteit van de chemische oplossingen te garanderen.
2. Stomerijapparatuur
Droogreinigingsapparatuur omvat hoofdzakelijk plasmareinigers, die gebruikmaken van hoogenergetische deeltjes in plasma om te reageren met en resten te verwijderen van het waferoppervlak. Plasmareiniging is met name geschikt voor processen waarbij de oppervlakte-integriteit behouden moet blijven zonder chemische resten achter te laten.
3. Geautomatiseerde reinigingssystemen
Door de voortdurende groei van de halfgeleiderproductie zijn geautomatiseerde reinigingssystemen de voorkeurskeuze geworden voor het reinigen van wafers op grote schaal. Deze systemen omvatten vaak geautomatiseerde transportmechanismen, reinigingssystemen met meerdere tanks en precisiebesturingssystemen om consistente reinigingsresultaten voor elke wafer te garanderen.
5. Toekomstige trends
Naarmate halfgeleidercomponenten steeds kleiner worden, evolueert de technologie voor het reinigen van wafers naar efficiëntere en milieuvriendelijkere oplossingen. Toekomstige reinigingstechnologieën zullen zich richten op:
Verwijdering van deeltjes kleiner dan een nanometer: Bestaande reinigingstechnologieën kunnen deeltjes op nanometerschaal verwerken, maar met de verdere verkleining van apparaten zal het verwijderen van deeltjes kleiner dan een nanometer een nieuwe uitdaging vormen.
Groene en milieuvriendelijke reiniging: Het verminderen van het gebruik van milieuschadelijke chemicaliën en het ontwikkelen van milieuvriendelijkere reinigingsmethoden, zoals ozonreiniging en ultrasone reiniging, zal steeds belangrijker worden.
Hogere niveaus van automatisering en intelligentie: Intelligente systemen maken realtime monitoring en aanpassing van diverse parameters tijdens het reinigingsproces mogelijk, waardoor de reinigingseffectiviteit en de productie-efficiëntie verder worden verbeterd.
Waferreinigingstechnologie, een cruciale stap in de halfgeleiderproductie, speelt een essentiële rol bij het garanderen van schone waferoppervlakken voor de daaropvolgende processen. De combinatie van verschillende reinigingsmethoden verwijdert effectief verontreinigingen en zorgt voor een schoon substraatoppervlak voor de volgende stappen. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, zullen reinigingsprocessen steeds verder worden geoptimaliseerd om te voldoen aan de eisen voor hogere precisie en lagere defectpercentages in de halfgeleiderproductie.
Geplaatst op: 8 oktober 2024