Povzetek: Ker se velikost tranzistorjev še naprej zmanjšuje, postaja postopek izdelave rezin vse bolj zapleten, zahteve za tehnologijo mokrega čiščenja polprevodnikov pa vse višje. Ta dokument, ki temelji na tradicionalni tehnologiji čiščenja polprevodnikov, predstavlja tehnologijo čiščenja rezin v napredni proizvodnji polprevodnikov in načela čiščenja različnih procesov čiščenja. Z vidika gospodarstva in varstva okolja lahko izboljšanje tehnologije postopka čiščenja rezin bolje zadosti potrebam napredne proizvodnje rezin.
0 Uvod Postopek čiščenja je pomemben člen v celotnem procesu izdelave polprevodnikov in je eden od pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na zmogljivost in izkoristek polprevodniških naprav. V procesu izdelave čipov lahko vsaka kontaminacija vpliva na delovanje polprevodniških naprav in celo povzroči okvaro [1-2]. Zato je pred in po skoraj vsakem postopku v proizvodnji čipov potreben postopek čiščenja, da odstranimo površinske onesnaževalce in zagotovimo čistočo površine rezin, kot je prikazano na sliki 1. Postopek čiščenja je postopek z največjim deležem v procesu izdelave čipov , ki predstavlja približno 30 % vseh procesov izdelave čipov.
Z razvojem ultra velikih integriranih vezij so procesna vozlišča čipov vstopila v 28nm, 14nm in še bolj napredna vozlišča, integracija se je še naprej povečevala, širina črte se je še naprej zmanjševala in tok procesa je postal bolj zapleten [ 3]. Napredna izdelava čipov vozlišč je bolj občutljiva na kontaminacijo, čiščenje kontaminacije v pogojih majhne velikosti pa je težje, kar vodi do povečanja števila korakov postopka čiščenja, zaradi česar je postopek čiščenja bolj zapleten, pomembnejši in zahtevnejši [4-5] . Postopek čiščenja za 90nm čipe je približno 90 korakov, postopek čiščenja za 20nm čipe pa je dosegel 215 korakov. Ko proizvodnja čipov vstopa v 14nm, 10nm in celo višja vozlišča, se bo število procesov čiščenja še naprej povečevalo, kot je prikazano na sliki 2.
1 Uvod v postopek čiščenja polprevodnikov
Postopek čiščenja se nanaša na postopek odstranjevanja nečistoč s površine rezine s kemično obdelavo, plinom in fizikalnimi metodami. V procesu izdelave polprevodnikov lahko nečistoče, kot so delci, kovine, organske snovi in plast naravnega oksida na površini rezin, vplivajo na delovanje, zanesljivost in celo izkoristek polprevodniške naprave [6-8].
Za proces čiščenja lahko rečemo, da je most med različnimi postopki izdelave rezin. Na primer, postopek čiščenja se uporablja pred postopkom premazovanja, pred postopkom fotolitografije, po postopku jedkanja, po postopku mehanskega brušenja in celo po postopku ionske implantacije. Postopek čiščenja lahko v grobem razdelimo na dve vrsti, in sicer na mokro čiščenje in suho čiščenje.
1.1 Mokro čiščenje
Mokro čiščenje je uporaba kemičnih topil ali deionizirane vode za čiščenje rezin. Glede na procesno metodo lahko mokro čiščenje razdelimo na dve vrsti: potopno metodo in razpršilno metodo, kot je prikazano na sliki 3. Potopna metoda je potopitev rezin v posodo, napolnjeno s kemičnimi topili ali deionizirano vodo. Metoda potopitve je široko uporabljena metoda, zlasti za nekatera relativno zrela vozlišča. Metoda pršenja je razprševanje kemičnih topil ali deionizirane vode na vrtečo se rezino, da se odstranijo nečistoče. Metoda potapljanja lahko obdeluje več rezin hkrati, metoda pršenja pa lahko obdeluje samo eno rezino naenkrat v eni delovni komori. Z razvojem tehnologije postajajo zahteve po tehnologiji čiščenja čedalje višje, uporaba metode brizganja pa vse bolj razširjena.
1.2 Kemično čiščenje
Kot že ime pove, je kemično čiščenje proces, pri katerem ne uporabljamo kemičnih topil ali deionizirane vode, ampak za čiščenje uporabljamo plin ali plazmo. Z nenehnim napredkom tehnoloških vozlišč postajajo zahteve po postopkih čiščenja vedno višje [9-10], povečuje pa se tudi delež uporabe. Povečuje se tudi količina odpadne tekočine, ki nastane pri mokrem čiščenju. V primerjavi z mokrim čiščenjem ima suho čiščenje visoke investicijske stroške, zapleteno delovanje opreme in strožje pogoje čiščenja. Pri odstranjevanju nekaterih organskih snovi ter nitridov in oksidov pa ima suho čiščenje večjo natančnost in odlične rezultate.
2 Tehnologija mokrega čiščenja v proizvodnji polprevodnikov Glede na različne sestavine čistilne tekočine je v tabeli 1 prikazana običajno uporabljena tehnologija mokrega čiščenja v proizvodnji polprevodnikov.
2.1 Tehnologija čiščenja DIW
V procesu mokrega čiščenja pri proizvodnji polprevodnikov je najpogosteje uporabljena čistilna tekočina deionizirana voda (DIW). Voda vsebuje prevodne anione in katione. Deionizirana voda odstrani prevodne ione v vodi, zaradi česar je voda v osnovi neprevodna. V proizvodnji polprevodnikov absolutno ni dovoljeno neposredno uporabljati surove vode. Po eni strani bodo kationi in ioni v surovi vodi onesnažili strukturo naprave rezine, po drugi strani pa lahko povzročijo odstopanje v delovanju naprave. Na primer, surova voda lahko reagira z materialom na površini rezine in povzroči korozijo ali povzroči korozijo baterije z nekaterimi kovinami na rezini in lahko povzroči tudi neposredno spremembo površinske upornosti rezine, kar povzroči znatno zmanjšanje izkoristka rezine ali celo neposreden razrez. V procesu mokrega čiščenja pri proizvodnji polprevodnikov obstajata dve glavni uporabi DIW.
(1) Za čiščenje površine rezin uporabite samo DIW. Obstajajo različne oblike kot so valjčki, krtače ali šobe, glavni namen pa je čiščenje nekaterih nečistoč na površini rezin. V naprednem procesu izdelave polprevodnikov je metoda čiščenja skoraj vedno metoda ene rezine, kar pomeni, da je v komori mogoče hkrati očistiti samo eno rezino. Zgoraj je predstavljen tudi način čiščenja posamezne rezine. Uporabljena metoda čiščenja je metoda centrifugiranja. Med vrtenjem rezine se površina rezine čisti z valji, ščetkami, šobami itd. V tem procesu se rezina drgne ob zrak in pri tem ustvarja statično elektriko. Statična elektrika lahko povzroči napake na površini rezin ali neposredno povzroči okvaro naprave. Višje kot je vozlišče polprevodniške tehnologije, višje so zahteve za ravnanje z napakami. Zato so v procesu mokrega čiščenja DIW napredne proizvodnje polprevodnikov njegove procesne zahteve višje. DIW je načeloma neprevoden in statične elektrike, ki nastane med postopkom čiščenja, ni mogoče dobro sprostiti. Zato se v naprednih procesnih vozliščih polprevodnikov, da se poveča prevodnost brez onesnaženja rezin, plin ogljikov dioksid (CO2) običajno vmeša v DIW. Zaradi različnih procesnih zahtev se v nekaj primerih v DIW vmeša plin amoniak (NH3).
(2) Očistite ostanke čistilne tekočine na površini rezin. Pri uporabi drugih čistilnih tekočin za čiščenje površine rezin bo po uporabi čistilne tekočine, ko se rezina vrti, čeprav je bila večina čistilne tekočine vržena ven, na površini rezin še vedno ostala majhna količina čistilne tekočine, in DIW je potreben za čiščenje površine rezin. Glavna funkcija DIW je čiščenje ostankov čistilne tekočine na površini rezin. Uporaba čistilne tekočine za čiščenje površine rezine ne pomeni, da te čistilne tekočine ne bodo nikoli razjedale rezine, vendar je njihova stopnja jedkanja precej nizka in kratkotrajno čiščenje ne bo vplivalo na rezino. Če pa ostanka čistilne tekočine ni mogoče učinkovito odstraniti in pustimo, da ostane čistilna tekočina dolgo časa na površini rezin, bo še vedno korodirala površino rezin. Poleg tega, tudi če čistilna raztopina zelo malo korodira, je preostala čistilna raztopina v rezini še vedno odveč, kar bo verjetno vplivalo na končno delovanje naprave. Zato po čiščenju rezine s čistilno raztopino pravočasno uporabite DIW, da očistite ostanke čistilne raztopine.
2.2 VF tehnologija čiščenja
Kot vsi vemo, je pesek prečiščen v jedro. Čip je sestavljen iz neštetih rezbarij na eni kristalni silicijevi rezini. Glavna komponenta na čipu je monokristalni silicij. Najbolj neposreden in učinkovit način za čiščenje naravnega oksidnega sloja (SiO2), ki nastane na površini monokristalnega silicija, je uporaba HF (fluorovodikove kisline). Zato lahko rečemo, da je HF čiščenje druga tehnologija čiščenja takoj za DIW. HF čiščenje lahko učinkovito odstrani naravno oksidno plast na površini monokristalnega silicija, kovina, pritrjena na površino naravne oksidne plasti, pa se prav tako raztopi v čistilni raztopini. Hkrati lahko HF tudi učinkovito zavira nastanek naravnega oksidnega filma. Zato lahko tehnologija HF čiščenja odstrani nekatere kovinske ione, plast naravnega oksida in nekatere delce nečistoč. Vendar pa ima tehnologija HF čiščenja tudi nekaj neizogibnih težav. Na primer, med odstranjevanjem naravnega oksidnega sloja na površini silicijeve rezine bo na površini silicijeve rezine po korodiranju ostalo nekaj majhnih jamic, kar neposredno vpliva na hrapavost površine rezine. Poleg tega HF med odstranjevanjem površinskega oksidnega filma odstrani tudi nekatere kovine, vendar nekatere kovine ne želijo, da bi jih HF razjedel. Z nenehnim napredkom vozlišč polprevodniške tehnologije postajajo zahteve, da te kovine ne smejo korodirati zaradi HF, vedno višje, zaradi česar tehnologije čiščenja HF ni mogoče uporabiti na mestih, kjer bi jo lahko uporabili. Obenem HF ne odstrani zlahka nekaterih kovin, ki vstopijo v čistilno raztopino in se oprimejo površine silicijeve rezine, ko se naravni oksidni film raztopi, zaradi česar ostanejo na površini silicijeve rezine. Kot odgovor na zgornje težave so bile predlagane nekatere izboljšane metode. Na primer, čim bolj razredčite HF, da zmanjšate koncentracijo HF; Če HF dodate oksidant, lahko ta metoda učinkovito odstrani kovino, pritrjeno na površino plasti naravnega oksida, oksidant pa bo oksidiral kovino na površini, da nastanejo oksidi, ki jih je lažje odstraniti v kislih pogojih. Hkrati bo HF odstranil prejšnjo naravno oksidno plast, oksidant pa bo oksidiral monokristalni silicij na površini, da bo tvoril novo oksidno plast, ki bo preprečila, da bi se kovina pritrdila na površino monokristalnega silicija; dodajte anionsko površinsko aktivno snov HF, tako da ima površina monokristalnega silicija v čistilni raztopini HF negativen potencial, površina delcev pa pozitiven potencial. Dodajanje anionske površinsko aktivne snovi lahko povzroči, da imata potencial površine silicija in površine delcev enak predznak, to je, da se površinski potencial delcev spremeni iz pozitivnega v negativnega, kar je enak predznaku kot negativni potencial površine silicijeve rezine, tako da se ustvari električni odboj med površino silicijeve rezine in površino delcev, s čimer se prepreči pritrditev delcev; čistilni raztopini HF dodajte sredstvo za kompleksiranje, da tvorite kompleks z nečistočami, ki je neposredno raztopljen v čistilni raztopini in se ne bo pritrdil na površino silicijeve rezine.
2.3 Tehnologija čiščenja SC1
Tehnologija čiščenja SC1 je najpogostejša, poceni in visoko učinkovita metoda čiščenja za odstranjevanje kontaminacije s površine rezin. Čistilna tehnologija SC1 lahko hkrati odstrani organske snovi, nekatere kovinske ione in nekatere površinske delce. Načelo SC1 za odstranjevanje organskih snovi je uporaba oksidacijskega učinka vodikovega peroksida in učinka raztapljanja NH4OH za pretvorbo organske kontaminacije v vodotopne spojine, nato pa jih izpraznite z raztopino. Zaradi svojih oksidacijskih in kompleksnih lastnosti lahko raztopina SC1 oksidira nekatere kovinske ione in te kovinske ione spremeni v visokovalentne ione, nato pa nadalje reagira z alkalijami, da tvori topne komplekse, ki se odvajajo z raztopino. Vendar pa imajo nekatere kovine visoko prosto energijo oksidov, ki nastanejo po oksidaciji, ki jih je enostavno oprijeti na oksidni film na površini rezin (ker ima raztopina SC1 določene oksidacijske lastnosti in bo tvorila oksidni film na površini rezin), zato so ni enostavno odstraniti, kot so kovine, kot sta Al in Fe. Pri odstranjevanju kovinskih ionov bo stopnja adsorpcije in desorpcije kovine na površini rezine sčasoma dosegla ravnovesje. Zato se v naprednih proizvodnih procesih čistilna tekočina uporablja enkrat za procese, ki imajo visoke zahteve po kovinskih ionih. Po uporabi se neposredno izprazni in ne bo več uporabljen. Namen je zmanjšati vsebnost kovine v čistilni tekočini, da čim bolj spere kovino s površine rezin. Tehnologija čiščenja SC1 lahko tudi učinkovito odstrani kontaminacijo površinskih delcev, glavni mehanizem pa je električno odbijanje. V tem procesu je mogoče izvesti ultrazvočno in megasonično čiščenje za doseganje boljših čistilnih učinkov. Tehnologija čiščenja SC1 bo pomembno vplivala na hrapavost površine rezine. Da bi zmanjšali vpliv čistilne tehnologije SC1 na hrapavost površine rezine, je treba oblikovati primerno razmerje komponent čistilne tekočine. Hkrati lahko uporaba čistilne tekočine z nizko površinsko napetostjo stabilizira hitrost odstranjevanja delcev, ohrani visoko učinkovitost odstranjevanja in zmanjša vpliv na hrapavost površine rezine. Dodajanje površinsko aktivnih snovi v čistilno tekočino SC1 lahko zmanjša površinsko napetost čistilne tekočine. Poleg tega lahko dodajanje kelatnih sredstev v čistilno tekočino SC1 povzroči, da kovina v čistilni tekočini nenehno tvori kelate, kar je koristno za zaviranje površinskega oprijema kovin.
2.4 Tehnologija čiščenja SC2
Tehnologija čiščenja SC2 je tudi poceni tehnologija mokrega čiščenja z dobro sposobnostjo odstranjevanja umazanije. SC2 ima izjemno močne lastnosti kompleksiranja in lahko pred oksidacijo reagira s kovinami, da tvori soli, ki se odstranijo s čistilno raztopino. S čistilno raztopino bodo odstranjeni tudi topni kompleksi, ki nastanejo pri reakciji oksidiranih kovinskih ionov s kloridnimi ioni. Lahko rečemo, da se pod pogojem, da ne vpliva na rezino, tehnologija čiščenja SC1 in tehnologija čiščenja SC2 dopolnjujeta. Do pojava adhezije kovine v čistilni raztopini lahko pride v alkalni čistilni raztopini (to je čistilna raztopina SC1), v kisli raztopini (čistilna raztopina SC2) pa ni enostavno in ima močno sposobnost odstranjevanja kovin na površini oblatov. Kljub temu, da je kovine, kot je Cu, mogoče odstraniti po čiščenju SC1, nekatere težave s kovinskim oprijemom naravnega oksidnega filma, ki nastane na površini rezin, niso bile rešene in ni primeren za tehnologijo čiščenja SC2.
2.5 O3 čistilna tehnologija
V procesu izdelave čipov se tehnologija čiščenja O3 uporablja predvsem za odstranjevanje organskih snovi in dezinfekcijo DIW. Čiščenje O3 vedno vključuje oksidacijo. Na splošno lahko O3 uporabimo za odstranitev nekaterih organskih snovi, vendar bo zaradi oksidacije O3 prišlo do ponovnega odlaganja na površini rezin. Zato se HF na splošno uporablja v procesu uporabe O3. Poleg tega lahko postopek uporabe HF z O3 odstrani tudi nekatere kovinske ione. Upoštevati je treba, da so na splošno višje temperature koristne za odstranjevanje organskih snovi, delcev in celo kovinskih ionov. Vendar pa se bo pri uporabi tehnologije čiščenja O3 količina O3, raztopljenega v DIW, z zvišanjem temperature zmanjšala. Z drugimi besedami, koncentracija O3, raztopljenega v DIW, se bo z zvišanjem temperature zmanjšala. Zato je treba optimizirati podrobnosti postopka O3, da bi povečali učinkovitost čiščenja. V proizvodnji polprevodnikov se O3 lahko uporablja tudi za dezinfekcijo DIW, predvsem zato, ker snovi, ki se uporabljajo za čiščenje pitne vode, praviloma vsebujejo klor, kar je na področju proizvodnje čipov nesprejemljivo. Drugi razlog je, da bo O3 razpadel v kisik in ne bo onesnažil sistema DIW. Vendar pa je treba nadzorovati vsebnost kisika v DIW, ki ne sme biti višja od zahtev za uporabo v proizvodnji polprevodnikov. 2.6 Tehnologija čiščenja z organskimi topili V procesu izdelave polprevodnikov so pogosto vključeni nekateri posebni postopki. V mnogih primerih zgoraj navedenih metod ni mogoče uporabiti, ker učinkovitost čiščenja ni zadostna, nekatere komponente, ki jih ni mogoče sprati, so jedkane in ni mogoče ustvariti oksidnih filmov. Zato se za doseganje namena čiščenja uporabljajo tudi nekatera organska topila.
3 Zaključek
V procesu izdelave polprevodnikov je postopek čiščenja proces z največ ponovitvami. Uporaba ustrezne tehnologije čiščenja lahko močno izboljša izkoristek proizvodnje čipov. Z veliko velikostjo silicijevih rezin in miniaturizacijo struktur naprav se indeks gostote zlaganja povečuje, zahteve za tehnologijo čiščenja rezin pa postajajo vse višje. Obstajajo strožje zahteve glede čistoče površine rezin, kemijskega stanja površine, hrapavosti in debeline oksidnega filma. Ta članek, ki temelji na zreli procesni tehnologiji, predstavlja tehnologijo čiščenja rezin v napredni proizvodnji rezin in načela čiščenja različnih postopkov čiščenja. Z vidika gospodarstva in varstva okolja lahko izboljšanje tehnologije postopka čiščenja rezin bolje zadosti potrebam napredne proizvodnje rezin.