Sažetak: Kako se veličina tranzistora i dalje smanjuje, proces proizvodnje pločica postaje sve složeniji, a zahtjevi za tehnologijom mokrog čišćenja poluvodiča postaju sve veći i veći. Na temelju tradicionalne tehnologije čišćenja poluvodiča, ovaj rad predstavlja tehnologiju čišćenja pločica u naprednoj proizvodnji poluvodiča i principe čišćenja različitih procesa čišćenja. Iz perspektive gospodarstva i zaštite okoliša, poboljšanje tehnologije procesa čišćenja pločica može bolje zadovoljiti potrebe napredne proizvodnje pločica.
0 Uvod Proces čišćenja važna je karika u cijelom procesu proizvodnje poluvodiča i jedan je od važnih čimbenika koji utječu na performanse i učinak poluvodičkih uređaja. U procesu proizvodnje čipa, svaka kontaminacija može utjecati na performanse poluvodičkih uređaja i čak uzrokovati kvar [1-2]. Stoga je prije i nakon gotovo svakog procesa u proizvodnji čipova potreban postupak čišćenja kako bi se uklonile onečišćenja s površine i osigurala čistoća površine ploče, kao što je prikazano na slici 1. Proces čišćenja je proces s najvećim udjelom u procesu proizvodnje čipova , što čini oko 30% svih procesa proizvodnje čipova.
S razvojem integriranih sklopova iznimno velikih razmjera, procesni čvorovi čipova ušli su u 28nm, 14nm i još naprednije čvorove, integracija se nastavila povećavati, širina linije nastavila se smanjivati, a tijek procesa postao je složeniji [ 3]. Napredna proizvodnja čipova čvorova je osjetljivija na kontaminaciju, a čišćenje kontaminacije u uvjetima male veličine je teže, što dovodi do povećanja broja koraka procesa čišćenja, čineći proces čišćenja složenijim, važnijim i izazovnijim [4-5] . Proces čišćenja za 90nm čipove sastoji se od oko 90 koraka, a proces čišćenja za 20nm čipove dosegnuo je 215 koraka. Kako proizvodnja čipova ulazi u 14nm, 10nm i čak više čvorove, broj procesa čišćenja će se nastaviti povećavati, kao što je prikazano na slici 2.
1 Uvod u proces čišćenja poluvodiča
Proces čišćenja odnosi se na proces uklanjanja nečistoća s površine pločice kemijskom obradom, plinom i fizikalnim metodama. U procesu proizvodnje poluvodiča, nečistoće kao što su čestice, metali, organske tvari i sloj prirodnog oksida na površini pločice mogu utjecati na performanse, pouzdanost pa čak i učinak poluvodičkog uređaja [6-8].
Može se reći da je proces čišćenja most između različitih procesa proizvodnje vafla. Na primjer, postupak čišćenja koristi se prije procesa presvlačenja, prije procesa fotolitografije, nakon procesa jetkanja, nakon procesa mehaničkog brušenja, pa čak i nakon procesa ionske implantacije. Proces čišćenja može se grubo podijeliti u dvije vrste, a to su mokro čišćenje i suho čišćenje.
1.1 Mokro čišćenje
Mokro čišćenje je korištenje kemijskih otapala ili deionizirane vode za čišćenje vafla. Prema metodi procesa, mokro čišćenje može se podijeliti u dvije vrste: metoda uranjanja i metoda raspršivanja, kao što je prikazano na slici 3. Metoda uranjanja je uranjanje pločice u spremnik spremnika napunjen kemijskim otapalima ili deioniziranom vodom. Metoda uranjanja široko je korištena metoda, posebno za neke relativno zrele čvorove. Metoda prskanja je raspršivanje kemijskih otapala ili deionizirane vode na rotirajuću pločicu kako bi se uklonile nečistoće. Metoda uranjanja može obrađivati više pločica u isto vrijeme, dok metoda prskanja može obrađivati samo jednu pločicu odjednom u jednoj radnoj komori. Razvojem tehnologije zahtjevi za tehnologijom čišćenja su sve veći, a primjena metode prskanja sve je raširenija.
1.2 Kemijsko čišćenje
Kao što naziv govori, kemijsko čišćenje je proces koji ne koristi kemijska otapala ili deioniziranu vodu, već se za čišćenje koristi plin ili plazma. Sa stalnim napretkom tehnoloških čvorova, zahtjevi za procesima čišćenja postaju sve veći [9-10], a udio upotrebe također raste. Također se povećava količina otpadne tekućine koja nastaje mokrim čišćenjem. U usporedbi s mokrim čišćenjem, suho čišćenje ima visoke investicijske troškove, složen rad opreme i strože uvjete čišćenja. Međutim, za uklanjanje nekih organskih tvari te nitrida i oksida, kemijsko čišćenje ima veću preciznost i izvrsne rezultate.
2 Tehnologija mokrog čišćenja u proizvodnji poluvodiča Prema različitim komponentama tekućine za čišćenje, uobičajeno korištena tehnologija mokrog čišćenja u proizvodnji poluvodiča prikazana je u tablici 1.
2.1 DIW tehnologija čišćenja
U procesu mokrog čišćenja u proizvodnji poluvodiča, najčešće korištena tekućina za čišćenje je deionizirana voda (DIW). Voda sadrži vodljive anione i katione. Deionizirana voda uklanja vodljive ione u vodi, čineći vodu u osnovi nevodljivom. U proizvodnji poluvodiča apsolutno nije dopušteno izravno koristiti sirovu vodu. S jedne strane, kationi i ioni u sirovoj vodi zagadit će strukturu uređaja pločice, a s druge strane, mogu uzrokovati odstupanje u radu uređaja. Na primjer, sirova voda može reagirati s materijalom na površini pločice do korozije ili stvoriti koroziju baterije s nekim metalima na pločici, a također može uzrokovati izravnu promjenu površinskog otpora pločice, što rezultira značajnim smanjenje iskorištenja pločice ili čak izravno odstranjivanje. U procesu mokrog čišćenja u proizvodnji poluvodiča postoje dvije glavne primjene DIW-a.
(1) Koristite samo DIW za čišćenje površine ploče. Postoje različiti oblici kao što su valjci, četke ili mlaznice, a glavna namjena je čišćenje nekih nečistoća na površini vafla. U naprednom procesu proizvodnje poluvodiča, metoda čišćenja je gotovo uvijek metoda s jednom pločicom, to jest, samo se jedna pločica može čistiti u komori u isto vrijeme. Metoda čišćenja jedne vafle također je predstavljena gore. Korištena metoda čišćenja je metoda raspršivanja. Tijekom rotacije pločice, površinu pločice čiste valjci, četke, mlaznice itd. U tom procesu pločica će se trljati o zrak, stvarajući tako statički elektricitet. Statički elektricitet može uzrokovati oštećenja na površini ploče ili izravno uzrokovati kvar uređaja. Što je viši čvor poluvodičke tehnologije, to su veći zahtjevi za rukovanje nedostacima. Stoga su u DIW procesu mokrog čišćenja napredne proizvodnje poluvodiča zahtjevi procesa viši. DIW je u osnovi neprovodljiv, a statički elektricitet nastao tijekom procesa čišćenja ne može se dobro osloboditi. Stoga se u naprednim čvorovima procesa proizvodnje poluvodiča, kako bi se povećala vodljivost bez kontaminacije ploče, plin ugljični dioksid (CO2) obično miješa u DIW. Zbog različitih zahtjeva procesa, plin amonijak (NH3) se miješa u DIW u nekoliko slučajeva.
(2) Očistite zaostalu tekućinu za čišćenje na površini ploče. Kada koristite druge tekućine za čišćenje za čišćenje površine oblatne, nakon upotrebe tekućine za čišćenje, dok se oblatna okreće, iako je većina tekućine za čišćenje izbačena, još uvijek će na površini oblatne ostati mala količina tekućine za čišćenje, a DIW je potreban za čišćenje površine vafla. Glavna funkcija DIW-a ovdje je čišćenje zaostale tekućine za čišćenje na površini ploče. Korištenje tekućine za čišćenje za čišćenje površine pločice ne znači da te tekućine za čišćenje nikada neće nagrizati pločicu, ali njihova stopa jetkanja je prilično niska, a kratkotrajno čišćenje neće utjecati na pločicu. Međutim, ako se zaostala tekućina za čišćenje ne može učinkovito ukloniti i zaostala tekućina za čišćenje se ostavi na površini ploče duže vrijeme, ona će i dalje nagrizati površinu ploče. Osim toga, čak i ako otopina za čišćenje vrlo malo korodira, zaostala otopina za čišćenje u ploči je i dalje suvišna, što će vjerojatno utjecati na konačnu izvedbu uređaja. Stoga, nakon čišćenja pločice s otopinom za čišćenje, svakako koristite DIW kako biste na vrijeme očistili zaostalu otopinu za čišćenje.
2.2 HF tehnologija čišćenja
Kao što svi znamo, pijesak se pročišćava u jezgru. Čip je formiran bezbrojnim rezbarijama na jednoj kristalnoj silikonskoj pločici. Glavna komponenta na čipu je monokristalni silicij. Najizravniji i najučinkovitiji način čišćenja sloja prirodnog oksida (SiO2) formiranog na površini monokristalnog silicija je korištenje HF (fluorovodične kiseline) za čišćenje. Stoga se može reći da je HF čišćenje druga tehnologija čišćenja iza DIW-a. HF čišćenje može učinkovito ukloniti sloj prirodnog oksida na površini monokristalnog silicija, a metal pričvršćen na površinu sloja prirodnog oksida također će se otopiti u otopini za čišćenje. U isto vrijeme, HF također može učinkovito spriječiti stvaranje prirodnog oksidnog filma. Stoga HF tehnologija čišćenja može ukloniti neke metalne ione, sloj prirodnog oksida i neke čestice nečistoće. Međutim, HF tehnologija čišćenja također ima neke neizbježne probleme. Na primjer, prilikom uklanjanja sloja prirodnog oksida na površini silicijske pločice, nakon korozije na površini silicijske pločice ostat će male rupe, što izravno utječe na hrapavost površine pločice. Osim toga, tijekom uklanjanja površinskog oksidnog filma, HF će također ukloniti neke metale, ali neki metali ne žele biti korodirani HF-om. Sa stalnim napretkom čvorova poluvodičke tehnologije, zahtjevi da ti metali ne budu korodirani HF-om postaju sve veći i viši, što rezultira time da se HF tehnologija čišćenja ne može koristiti na mjestima gdje se mogla koristiti. U isto vrijeme, neki metali koji ulaze u otopinu za čišćenje i prianjaju na površinu silicijske pločice dok se prirodni oksidni film otapa, nisu lako uklonjeni HF-om, što dovodi do toga da ostanu na površini silicijske pločice. Kao odgovor na gore navedene probleme, predložene su neke poboljšane metode. Na primjer, razrijedite HF što je više moguće kako biste smanjili koncentraciju HF; Dodavanje oksidansa u HF, ova metoda može učinkovito ukloniti metal vezan za površinu prirodnog oksidnog sloja, a oksidans će oksidirati metal na površini da bi se formirali oksidi, koji se lakše uklanjaju u kiselim uvjetima. U isto vrijeme, HF će ukloniti prethodni sloj prirodnog oksida, a oksidans će oksidirati monokristalni silicij na površini kako bi se formirao novi oksidni sloj kako bi se spriječilo pričvršćivanje metala na površinu monokristalnog silicija; dodati anionski surfaktant u HF, tako da je površina monokristala silicija u HF otopini za čišćenje negativnog potencijala, a površina čestice pozitivnog potencijala. Dodavanje anionskog surfaktanta može dovesti do toga da potencijal površine silicija i površine čestice imaju isti predznak, to jest, površinski potencijal čestice se mijenja iz pozitivnog u negativan, što je isti predznak kao negativni potencijal površine silicijske pločice, tako da se generira električno odbijanje između površine silicijske pločice i površine čestice, čime se sprječava pričvršćivanje čestica; dodajte sredstvo za kompleksiranje u HF otopinu za čišćenje kako biste formirali kompleks s nečistoćama, koji je izravno otopljen u otopini za čišćenje i neće se pričvrstiti na površinu silicijske ploče.
2.3 Tehnologija čišćenja SC1
SC1 tehnologija čišćenja najčešća je, jeftina i visoko učinkovita metoda čišćenja za uklanjanje onečišćenja s površine ploče. SC1 tehnologija čišćenja može istovremeno ukloniti organske tvari, neke metalne ione i neke površinske čestice. Načelo SC1 za uklanjanje organske tvari je korištenje oksidirajućeg učinka vodikovog peroksida i učinka otapanja NH4OH za pretvaranje organske kontaminacije u spojeve topive u vodi, a zatim ih isprazniti s otopinom. Zbog svojih oksidacijskih i kompleksirajućih svojstava, otopina SC1 može oksidirati neke metalne ione, pretvarajući te metalne ione u visokovalentne ione, a zatim dalje reagirati s alkalijama u obliku topljivih kompleksa koji se ispuštaju s otopinom. Međutim, neki metali imaju visoku slobodnu energiju oksida nastalih nakon oksidacije, koji se lako lijepe za oksidni film na površini ploče (jer otopina SC1 ima određena oksidacijska svojstva i formirat će oksidni film na površini ploče), pa su nije lako ukloniti, kao što su metali kao što su Al i Fe. Prilikom uklanjanja metalnih iona, brzina adsorpcije i desorpcije metala na površini pločice će na kraju postići ravnotežu. Stoga se u naprednim proizvodnim procesima tekućina za čišćenje koristi jednom za procese koji imaju visoke zahtjeve za metalnim ionima. Nakon upotrebe se izravno prazni i neće se ponovno koristiti. Svrha je smanjiti sadržaj metala u tekućini za čišćenje kako bi se što je više moguće isprao metal s površine ploče. SC1 tehnologija čišćenja također može učinkovito ukloniti onečišćenje površinskih čestica, a glavni mehanizam je električno odbijanje. U ovom procesu može se provesti ultrazvučno i megasonično čišćenje kako bi se postigli bolji učinci čišćenja. SC1 tehnologija čišćenja imat će značajan utjecaj na hrapavost površine pločice. Kako bi se smanjio utjecaj SC1 tehnologije čišćenja na hrapavost površine pločice, potrebno je formulirati odgovarajući omjer komponenti tekućine za čišćenje. U isto vrijeme, korištenje tekućine za čišćenje s niskom površinskom napetosti može stabilizirati brzinu uklanjanja čestica, održati visoku učinkovitost uklanjanja i smanjiti utjecaj na hrapavost površine ploče. Dodavanje surfaktanata SC1 tekućini za čišćenje može smanjiti površinsku napetost tekućine za čišćenje. Osim toga, dodavanje kelatnih sredstava u SC1 tekućinu za čišćenje može uzrokovati kontinuirano stvaranje kelata od metala u tekućini za čišćenje, što je korisno za inhibiciju površinskog prianjanja metala.
2.4 SC2 tehnologija čišćenja
SC2 tehnologija čišćenja također je jeftina tehnologija mokrog čišćenja s dobrom sposobnošću uklanjanja onečišćenja. SC2 ima izuzetno jaka svojstva kompleksiranja i može reagirati s metalima prije oksidacije u obliku soli, koje se uklanjaju otopinom za čišćenje. Topivi kompleksi nastali reakcijom oksidiranih metalnih iona s kloridnim ionima također će biti uklonjeni s otopinom za čišćenje. Može se reći da se pod uvjetom da ne utječe na pločicu, SC1 tehnologija čišćenja i SC2 tehnologija čišćenja međusobno nadopunjuju. Fenomen prianjanja metala u otopini za čišćenje lako se javlja u alkalnoj otopini za čišćenje (to jest, SC1 otopina za čišćenje), a nije se lako pojaviti u kiseloj otopini (SC2 otopina za čišćenje), a ima snažnu sposobnost uklanjanja metala na površini vafla. Međutim, iako se metali kao što je Cu mogu ukloniti nakon SC1 čišćenja, neki problemi prianjanja metala prirodnog oksidnog filma formiranog na površini pločice nisu riješeni i nije prikladan za SC2 tehnologiju čišćenja.
2.5 O3 tehnologija čišćenja
U procesu proizvodnje čipova, O3 tehnologija čišćenja uglavnom se koristi za uklanjanje organskih tvari i dezinfekciju DIW-a. O3 čišćenje uvijek uključuje oksidaciju. Općenito govoreći, O3 se može koristiti za uklanjanje nekih organskih tvari, ali zbog oksidacije O3 doći će do ponovnog taloženja na površini ploče. Stoga se HF općenito koristi u procesu korištenja O3. Osim toga, proces korištenja HF s O3 također može ukloniti neke metalne ione. Treba napomenuti da su općenito više temperature korisne za uklanjanje organske tvari, čestica pa čak i metalnih iona. Međutim, kada koristite tehnologiju čišćenja O3, količina O3 otopljenog u DIW smanjit će se s porastom temperature. Drugim riječima, koncentracija O3 otopljenog u DIW smanjit će se s porastom temperature. Stoga je potrebno optimizirati detalje procesa O3 kako bi se povećala učinkovitost čišćenja. U proizvodnji poluvodiča, O3 se također može koristiti za dezinfekciju DIW-a, uglavnom zato što tvari koje se koriste za pročišćavanje vode za piće uglavnom sadrže klor, što je nedopustivo u području proizvodnje čipova. Drugi razlog je taj što će se O3 razgraditi u kisik i neće zagađivati DIW sustav. Međutim, potrebno je kontrolirati sadržaj kisika u DIW, koji ne može biti veći od zahtjeva za upotrebu u proizvodnji poluvodiča. 2.6 Tehnologija čišćenja organskim otapalima U procesu proizvodnje poluvodiča često su uključeni neki posebni procesi. U mnogim slučajevima gore navedene metode ne mogu se koristiti jer učinkovitost čišćenja nije dovoljna, neke komponente koje se ne mogu isprati su urezane i ne mogu se stvoriti oksidni filmovi. Stoga se neka organska otapala također koriste za postizanje svrhe čišćenja.
3 Zaključak
U procesu proizvodnje poluvodiča, proces čišćenja je proces s najviše ponavljanja. Korištenje odgovarajuće tehnologije čišćenja može uvelike poboljšati učinak proizvodnje čipova. S velikom veličinom silicijskih pločica i minijaturizacijom struktura uređaja, indeks gustoće slaganja raste, a zahtjevi za tehnologijom čišćenja pločica postaju sve veći i veći. Postoje stroži zahtjevi za čistoću površine pločice, kemijsko stanje površine, hrapavost i debljinu oksidnog filma. Na temelju zrele procesne tehnologije, ovaj članak predstavlja tehnologiju čišćenja pločica u naprednoj proizvodnji pločica i načela čišćenja različitih procesa čišćenja. Iz perspektive gospodarstva i zaštite okoliša, poboljšanje tehnologije procesa čišćenja pločica može bolje zadovoljiti potrebe napredne proizvodnje pločica.
