Vådrensning (Wet Clean) er et af de kritiske trin i halvlederfremstillingsprocesser, der har til formål at fjerne forskellige forurenende stoffer fra waferens overflade for at sikre, at efterfølgende procestrin kan udføres på en ren overflade.
Efterhånden som størrelsen på halvlederkomponenter fortsætter med at krympe, og præcisionskravene stiger, er de tekniske krav til waferrensningsprocesser blevet stadig strengere. Selv de mindste partikler, organiske materialer, metalioner eller oxidrester på waferoverfladen kan påvirke komponentens ydeevne betydeligt og dermed påvirke udbyttet og pålideligheden af halvlederkomponenter.
Kerneprincipper for rengøring af vafler
Kernen i waferrensning ligger i effektivt at fjerne forskellige forurenende stoffer fra waferoverfladen gennem fysiske, kemiske og andre metoder for at sikre, at waferen har en ren overflade, der er egnet til efterfølgende bearbejdning.
Type af forurening
Vigtigste påvirkninger af enhedens egenskaber
| Artikelkontaminering | Mønsterfejl
Ionimplantationsdefekter
Defekter i nedbrydning af isolerende film
| |
| Metallisk forurening | Alkalimetaller | MOS-transistor ustabilitet
Nedbrydning/nedbrydning af gateoxidfilmen
|
| Tungmetaller | Øget PN-forbindelses omvendt lækstrøm
Defekter i nedbrydning af gateoxidfilmen
Forringelse af minoritetsbærerlevetid
Generering af defekter i oxidexcitationslaget
| |
| Kemisk forurening | Organisk materiale | Defekter i nedbrydning af gateoxidfilmen
CVD-filmvariationer (inkubationstider)
Variationer i termisk oxidfilmtykkelse (accelereret oxidation)
Forekomst af dis (wafer, linse, spejl, maske, sigtemiddel)
|
| Uorganiske dopanter (B, P) | MOS-transistor V-te forskydning
Variationer i Si-substrat og modstand i polysiliciumplader med høj modstand
| |
| Uorganiske baser (aminer, ammoniak) og syrer (SOx) | Nedbrydning af opløsningen af kemisk amplificerede resistmaterialer
Forekomst af partikelforurening og dis på grund af saltdannelse
| |
| Naturlige og kemiske oxidfilm på grund af fugt og luft | Øget kontaktmodstand
Nedbrydning/nedbrydning af gateoxidfilmen
| |
Specifikt omfatter målene med waferrensningsprocessen:
Partikelfjernelse: Brug af fysiske eller kemiske metoder til at fjerne små partikler, der er fastgjort til waferoverfladen. Mindre partikler er vanskeligere at fjerne på grund af de stærke elektrostatiske kræfter mellem dem og waferoverfladen, hvilket kræver særlig behandling.
Fjernelse af organisk materiale: Organiske forurenende stoffer såsom fedt og fotoresistrester kan klæbe til waferoverfladen. Disse forurenende stoffer fjernes typisk ved hjælp af stærke oxidationsmidler eller opløsningsmidler.
Fjernelse af metalioner: Metalionerester på waferoverfladen kan forringe den elektriske ydeevne og endda påvirke efterfølgende behandlingstrin. Derfor anvendes specifikke kemiske opløsninger til at fjerne disse ioner.
Fjernelse af oxid: Nogle processer kræver, at waferoverfladen er fri for oxidlag, såsom siliciumoxid. I sådanne tilfælde skal naturlige oxidlag fjernes under visse rengøringstrin.
Udfordringen ved waferrengøringsteknologi ligger i effektivt at fjerne forurenende stoffer uden at påvirke waferoverfladen negativt, såsom at forhindre overfladeruhed, korrosion eller anden fysisk skade.
2. Waferrensningsprocesflow
Waferrengøringsprocessen involverer typisk flere trin for at sikre fuldstændig fjernelse af forurenende stoffer og opnå en helt ren overflade.
Figur: Sammenligning mellem batch- og enkeltwaferrensning
En typisk waferrensningsproces omfatter følgende hovedtrin:
1. Forrensning (Forrensning)
Formålet med forrensning er at fjerne løse forurenende stoffer og store partikler fra waferoverfladen, hvilket typisk opnås ved skylning med deioniseret vand (DI-vand) og ultralydsrensning. Deioniseret vand kan i første omgang fjerne partikler og opløste urenheder fra waferoverfladen, mens ultralydsrensning udnytter kavitationseffekter til at bryde bindingen mellem partiklerne og waferoverfladen, hvilket gør dem lettere at løsne.
2. Kemisk rengøring
Kemisk rengøring er et af kernetrinene i waferrengøringsprocessen, hvor kemiske opløsninger bruges til at fjerne organiske materialer, metalioner og oxider fra waferoverfladen.
Fjernelse af organisk materiale: Typisk anvendes acetone eller en ammoniak/peroxidblanding (SC-1) til at opløse og oxidere organiske forurenende stoffer. Det typiske forhold for SC-1-opløsning er NH₄OH
₂O₂
2O = 1:1:5, med en driftstemperatur på omkring 20°C.
Fjernelse af metalioner: Salpetersyre eller saltsyre/peroxidblandinger (SC-2) bruges til at fjerne metalioner fra waferoverfladen. Det typiske forhold for SC-2-opløsning er HCl.
₂O₂
2O = 1:1:6, med en temperatur på cirka 80°C.
Fjernelse af oxid: I nogle processer kræves fjernelse af det native oxidlag fra waferoverfladen, hvilket er tilfældet med en opløsning af flussyre (HF). Det typiske forhold for HF-opløsningen er HF
₂O = 1:50, og den kan bruges ved stuetemperatur.
3. Slutrengøring
Efter kemisk rengøring gennemgår wafere normalt et afsluttende rengøringstrin for at sikre, at der ikke er kemiske rester tilbage på overfladen. Slutrengøring bruger primært deioniseret vand til grundig skylning. Derudover bruges ozonvandrensning (O₃/H₂O) til yderligere at fjerne eventuelle resterende forurenende stoffer fra waferoverfladen.
4. Tørring
De rensede wafere skal tørres hurtigt for at forhindre vandmærker eller gendannelse af forurenende stoffer. Almindelige tørremetoder omfatter centrifugeringstørring og nitrogenrensning. Førstnævnte fjerner fugt fra waferoverfladen ved at rotere ved høje hastigheder, mens sidstnævnte sikrer fuldstændig tørring ved at blæse tør nitrogengas hen over waferoverfladen.
Forurenende stoffer
Rengøringsprocedurens navn
Beskrivelse af kemisk blanding
Kemikalier
| Partikler | Piranha (SPM) | Svovlsyre/hydrogenperoxid/DI-vand | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/hydrogenperoxid/DI-vand | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metaller (ikke kobber) | SC-2 (HPM) | Saltsyre/hydrogenperoxid/DI-vand | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Svovlsyre/hydrogenperoxid/DI-vand | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Fortyndet flussyre/DI-vand (fjerner ikke kobber) | HF/H2O1:50 | |
| Økologiske produkter | Piranha (SPM) | Svovlsyre/hydrogenperoxid/DI-vand | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/hydrogenperoxid/DI-vand | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon i deioniseret vand | O3/H2O-optimerede blandinger | |
| Naturligt oxid | DHF | Fortyndet flussyre/DI vand | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Bufret flussyre | NH4F/HF/H2O |
3. Almindelige metoder til rengøring af vafler
1. RCA-rengøringsmetode
RCA-rensningsmetoden er en af de mest klassiske waferrensningsteknikker i halvlederindustrien, udviklet af RCA Corporation for over 40 år siden. Denne metode bruges primært til at fjerne organiske forurenende stoffer og metalionurenheder og kan udføres i to trin: SC-1 (Standard Clean 1) og SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1 Rengøring: Dette trin bruges primært til at fjerne organiske forurenende stoffer og partikler. Opløsningen er en blanding af ammoniak, hydrogenperoxid og vand, som danner et tyndt siliciumoxidlag på waferoverfladen.
SC-2 Rengøring: Dette trin bruges primært til at fjerne metalionforurenende stoffer ved hjælp af en blanding af saltsyre, hydrogenperoxid og vand. Det efterlader et tyndt passiveringslag på waferoverfladen for at forhindre rekontaminering.
2. Piranha-rensemetode (Piranha Etch Clean)
Piranha-rengøringsmetoden er en yderst effektiv teknik til fjernelse af organisk materiale ved hjælp af en blanding af svovlsyre og hydrogenperoxid, typisk i forholdet 3:1 eller 4:1. På grund af denne opløsnings ekstremt stærke oxidative egenskaber kan den fjerne en stor mængde organisk materiale og genstridige forurenende stoffer. Denne metode kræver streng kontrol af forholdene, især med hensyn til temperatur og koncentration, for at undgå at beskadige waferen.
Ultralydsrensning bruger kavitationseffekten genereret af højfrekvente lydbølger i en væske til at fjerne forurenende stoffer fra waferoverfladen. Sammenlignet med traditionel ultralydsrensning fungerer megasonisk rensning ved en højere frekvens, hvilket muliggør mere effektiv fjernelse af partikler på submikronstørrelse uden at beskadige waferoverfladen.
4. Ozonrensning
Ozonrensningsteknologi udnytter ozons stærke oxiderende egenskaber til at nedbryde og fjerne organiske forurenende stoffer fra waferoverfladen og i sidste ende omdanne dem til harmløst kuldioxid og vand. Denne metode kræver ikke brug af dyre kemiske reagenser og forårsager mindre miljøforurening, hvilket gør den til en ny teknologi inden for waferrensning.
4. Udstyr til rengøring af vafler
For at sikre effektiviteten og sikkerheden i waferrensningsprocesserne anvendes en række avancerede rengøringsudstyr i halvlederfremstilling. Hovedtyperne omfatter:
1. Vådrengøringsudstyr
Vådrensningsudstyr omfatter forskellige nedsænkningstanke, ultralydsrensningstanke og centrifuger. Disse enheder kombinerer mekaniske kræfter og kemiske reagenser for at fjerne forurenende stoffer fra waferoverfladen. Nedsænkningstanke er typisk udstyret med temperaturkontrolsystemer for at sikre stabiliteten og effektiviteten af kemiske opløsninger.
2. Renseriudstyr
Renseriudstyr omfatter primært plasmarensere, som bruger højenergipartikler i plasma til at reagere med og fjerne rester fra waferoverfladen. Plasmarensning er især velegnet til processer, der kræver opretholdelse af overfladeintegritet uden at introducere kemiske rester.
3. Automatiserede rengøringssystemer
Med den kontinuerlige udvidelse af halvlederproduktion er automatiserede rengøringssystemer blevet det foretrukne valg til storskala waferrensning. Disse systemer omfatter ofte automatiserede overførselsmekanismer, flertanksrensningssystemer og præcisionsstyringssystemer for at sikre ensartede rengøringsresultater for hver wafer.
5. Fremtidige tendenser
I takt med at antallet af halvlederkomponenter fortsætter med at krympe, udvikler teknologien til rengøring af wafers sig mod mere effektive og miljøvenlige løsninger. Fremtidens rengøringsteknologier vil fokusere på:
Fjernelse af partikler på subnanometerniveau: Eksisterende rengøringsteknologier kan håndtere partikler på nanometerniveau, men med den yderligere reduktion i enhedens størrelse vil fjernelse af partikler på subnanometerniveau blive en ny udfordring.
Grøn og miljøvenlig rengøring: Det vil blive stadig vigtigere at reducere brugen af miljøskadelige kemikalier og udvikle mere miljøvenlige rengøringsmetoder, såsom ozonrensning og megasonisk rengøring.
Højere niveauer af automatisering og intelligens: Intelligente systemer muliggør realtidsovervågning og justering af forskellige parametre under rengøringsprocessen, hvilket yderligere forbedrer rengøringseffektiviteten og produktionseffektiviteten.
Waferrensningsteknologi, som et kritisk trin i halvlederfremstilling, spiller en afgørende rolle i at sikre rene waferoverflader til efterfølgende processer. Kombinationen af forskellige rengøringsmetoder fjerner effektivt forurenende stoffer og giver en ren substratoverflade til de næste trin. Efterhånden som teknologien udvikler sig, vil rengøringsprocesserne fortsat blive optimeret for at imødekomme kravene om højere præcision og lavere defektrater i halvlederfremstilling.
Opslagstidspunkt: 8. oktober 2024