Vådrensning (Wet Clean) er et af de kritiske trin i halvlederfremstillingsprocesser, rettet mod at fjerne forskellige forurenende stoffer fra overfladen af waferen for at sikre, at efterfølgende procestrin kan udføres på en ren overflade.
Efterhånden som størrelsen af halvlederenheder 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 enhedens ydeevne betydeligt og derved påvirke udbyttet og pålideligheden af halvlederenheder.
Kerneprincipper for waferrensning
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 behandling.
Type forurening
Vigtigste påvirkninger på enhedens karakteristika
| artikel Forurening | Mønsterfejl
Ionimplantationsdefekter
Nedbrydningsfejl i isoleringsfilm
| |
| Metallisk forurening | Alkalimetaller | MOS transistor ustabilitet
Nedbrydning/nedbrydning af oxidfilm
|
| Tungmetaller | Øget PN-junction omvendt lækstrøm
Fejl ved nedbrydning af oxidfilm
Nedbrydning af minoritetstransportørs levetid
Generering af defekter i oxidexcitationslag
| |
| Kemisk forurening | Økologisk materiale | Fejl ved nedbrydning af oxidfilm
CVD-filmvariationer (inkubationstider)
Variationer i termisk oxidfilmtykkelse (accelereret oxidation)
Forekomst af uklarhed (wafer, linse, spejl, maske, sigtemiddel)
|
| Uorganiske dopingmidler (B, P) | MOS transistor femte skift
Si substrat og høj modstand poly-silicium plade modstand variationer
| |
| Uorganiske baser (aminer, ammoniak) og syrer (SOx) | Nedbrydning af opløsningen af kemisk forstærkede resists
Forekomst af partikelforurening og uklarhed på grund af saltdannelse
| |
| Native og kemiske oxidfilm på grund af fugt, luft | Øget kontaktmodstand
Nedbrydning/nedbrydning af oxidfilm
| |
Specifikt omfatter målene for waferrensningsprocessen:
Partikelfjernelse: Brug af fysiske eller kemiske metoder til at fjerne små partikler, der er fastgjort til waferoverfladen. Mindre partikler er sværere 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.
Metalionfjernelse: Metalionrester på waferoverfladen kan forringe den elektriske ydeevne og endda påvirke efterfølgende behandlingstrin. Derfor bruges specifikke kemiske opløsninger til at fjerne disse ioner.
Oxidfjernelse: Nogle processer kræver, at waferoverfladen er fri for oxidlag, såsom siliciumoxid. I sådanne tilfælde skal naturlige oxidlag fjernes under visse rengøringstrin.
Udfordringen ved waferrensningsteknologi ligger i effektiv fjernelse af forurenende stoffer uden at påvirke waferoverfladen negativt, såsom at forhindre ru runing, korrosion eller anden fysisk skade.
2. Wafer Cleaning Process Flow
Waferrensningsprocessen involverer typisk flere trin for at sikre fuldstændig fjernelse af forurenende stoffer og opnå en fuldstændig ren overflade.
Figur: Sammenligning mellem batch-type og enkelt-wafer rengøring
En typisk waferrensningsproces omfatter følgende hovedtrin:
1. For-rengøring (for-rengøring)
Formålet med forrensning er at fjerne løse urenheder og store partikler fra waferoverfladen, hvilket typisk opnås gennem deioniseret vand (DI Water) skylning og ultralydsrensning. Deioniseret vand kan i starten fjerne partikler og opløste urenheder fra waferoverfladen, mens ultralydsrensning bruger kavitationseffekter til at bryde bindingen mellem partiklerne og waferoverfladen, hvilket gør dem nemmere at løsne.
2. Kemisk rengøring
Kemisk rensning er et af kernetrinene i waferrensningsprocessen ved at bruge kemiske opløsninger til at fjerne organiske materialer, metalioner og oxider fra waferoverfladen.
Organisk materialefjernelse: Typisk bruges 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 arbejdstemperatur på omkring 20°C.
Metalionfjernelse: Salpetersyre eller saltsyre/peroxidblandinger (SC-2) bruges til at fjerne metalioner fra waferoverfladen. Det typiske forhold for SC-2 opløsning er HCl
₂O₂
20 = 1:1:6, med temperaturen holdt på ca. 80°C.
Oxidfjernelse: I nogle processer kræves fjernelse af det native oxidlag fra waferoverfladen, hvortil der anvendes flussyreopløsning (HF). Det typiske forhold for HF-opløsning er HF
₂O = 1:50, og den kan bruges ved stuetemperatur.
3. Slutrengøring
Efter kemisk rensning gennemgår wafere normalt et sidste rensningstrin for at sikre, at der ikke forbliver kemikalierester på overfladen. Slutrengøring bruger hovedsageligt deioniseret vand til grundig skylning. Derudover bruges ozonvandrensning (O₃/H2O) til yderligere at fjerne eventuelle resterende forurenende stoffer fra waferoverfladen.
4. Tørring
De rensede wafers skal tørres hurtigt for at forhindre vandmærker eller genhæftning af forurenende stoffer. Almindelige tørremetoder omfatter centrifugering og nitrogenrensning. Førstnævnte fjerner fugt fra waferoverfladen ved at spinde ved høje hastigheder, mens sidstnævnte sikrer fuldstændig tørring ved at blæse tør nitrogengas hen over waferoverfladen.
Forurenende stof
Rengøringsprocedurens navn
Beskrivelse af kemisk blanding
Kemikalier
| Partikler | Piranha (SPM) | Svovlsyre/brintoverilte/DI-vand | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/hydrogenperoxid/DI-vand | NH4OH/H2O2/H20 1:4:20; 80°C | |
| Metaller (ikke kobber) | SC-2 (HPM) | Saltsyre/brintoverilte/DI-vand | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Svovlsyre/brintoverilte/DI-vand | H2SO4/H2O2/H203-4:1; 90°C | |
| DHF | Fortyndet flussyre/DI-vand (fjerner ikke kobber) | HF/H2O1:50 | |
| Økologisk | Piranha (SPM) | Svovlsyre/brintoverilte/DI-vand | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Ammoniumhydroxid/hydrogenperoxid/DI-vand | NH4OH/H2O2/H20 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozon i deioniseret vand | O3/H2O optimerede blandinger | |
| Native Oxide | DHF | Fortynd flussyre/DI-vand | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Bufret flussyre | NH4F/HF/H2O |
3. Almindelige wafer rengøringsmetoder
1. RCA rengøringsmetode
RCA-rensningsmetoden er en af de mest klassiske wafer-rensningsteknikker i halvlederindustrien, udviklet af RCA Corporation for over 40 år siden. Denne metode bruges primært til at fjerne organiske kontaminanter 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 hovedsageligt 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 genkontaminering.
2. Piranha rengøringsmetode (Piranha Etch Clean)
Piranha-rengøringsmetoden er en yderst effektiv teknik til at fjerne organiske materialer ved at bruge 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 megalydsrensning med en højere frekvens, hvilket muliggør mere effektiv fjernelse af partikler på undermikronstørrelse uden at forårsage skade på waferoverfladen.
4. Ozonrensning
Ozonrensningsteknologi udnytter ozonens stærke oxiderende egenskaber til at nedbryde og fjerne organiske forurenende stoffer fra waferoverfladen og i sidste ende omdanner dem til harmløs 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 rensning af wafers
For at sikre effektiviteten og sikkerheden af waferrensningsprocesser bruges en række avanceret renseudstyr i halvlederfremstilling. Hovedtyperne omfatter:
1. Vådrensningsudstyr
Vådrensningsudstyr omfatter forskellige nedsænkningstanke, ultralydsrensningstanke og centrifugetørrere. Disse enheder kombinerer mekaniske kræfter og kemiske reagenser for at fjerne forurenende stoffer fra waferoverfladen. Dyktanke er typisk udstyret med temperaturkontrolsystemer for at sikre stabiliteten og effektiviteten af kemiske opløsninger.
2. Renseudstyr
Renseudstyr omfatter hovedsageligt plasmarensere, som bruger højenergipartikler i plasma til at reagere med og fjerne rester fra waferoverfladen. Plasmarensning er især velegnet til processer, der kræver at bevare overfladens integritet uden at indføre kemikalierester.
3. Automatiserede rengøringssystemer
Med den kontinuerlige udvidelse af halvlederproduktion er automatiserede rensesystemer blevet det foretrukne valg til storskala waferrensning. Disse systemer inkluderer ofte automatiserede overførselsmekanismer, multi-tank rengøringssystemer og præcisionskontrolsystemer for at sikre ensartede rengøringsresultater for hver wafer.
5. Fremtidige tendenser
I takt med at halvlederenheder fortsætter med at krympe, udvikler teknologien til waferrensning sig mod mere effektive og miljøvenlige løsninger. Fremtidige rengøringsteknologier vil fokusere på:
Subnanometer-partikelfjernelse: Eksisterende renseteknologier kan håndtere partikler i nanometerskala, men med den yderligere reduktion i enhedsstørrelse vil fjernelse af subnanometer-partikler blive en ny udfordring.
Grøn og miljøvenlig rengøring: Reduktion af brugen af miljøskadelige kemikalier og udvikling af mere miljøvenlige rengøringsmetoder, såsom ozonrensning og megasonisk rengøring, bliver stadig vigtigere.
Højere niveauer af automatisering og intelligens: Intelligente systemer vil muliggøre overvågning og justering i realtid af forskellige parametre under rengøringsprocessen, hvilket yderligere forbedrer rengøringseffektiviteten og produktionseffektiviteten.
Waferrensningsteknologi, som et kritisk trin i halvlederfremstilling, spiller en afgørende rolle for at sikre rene waferoverflader til efterfølgende processer. Kombinationen af forskellige rengøringsmetoder fjerner effektivt forurenende stoffer, hvilket giver en ren substratoverflade til de næste trin. Efterhånden som teknologien udvikler sig, vil rengøringsprocesser fortsat blive optimeret for at imødekomme kravene om højere præcision og lavere defektrater i halvlederfremstilling.
Indlægstid: Okt-08-2024