Làm sạch ướt (Wet Clean) là một trong những bước quan trọng trong quy trình sản xuất chất bán dẫn, nhằm loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm khỏi bề mặt của tấm wafer để đảm bảo các bước xử lý tiếp theo có thể được thực hiện trên bề mặt sạch.
Khi kích thước của các thiết bị bán dẫn tiếp tục thu hẹp và yêu cầu về độ chính xác tăng lên, các yêu cầu kỹ thuật của quy trình làm sạch wafer ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Ngay cả các hạt nhỏ nhất, vật liệu hữu cơ, ion kim loại hoặc cặn oxit trên bề mặt wafer cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị, do đó ảnh hưởng đến năng suất và độ tin cậy của các thiết bị bán dẫn.
Nguyên tắc cốt lõi của việc làm sạch wafer
Cốt lõi của việc vệ sinh wafer nằm ở việc loại bỏ hiệu quả nhiều chất gây ô nhiễm khác nhau khỏi bề mặt wafer thông qua các phương pháp vật lý, hóa học và các phương pháp khác để đảm bảo wafer có bề mặt sạch thích hợp cho quá trình xử lý tiếp theo.
Loại ô nhiễm
Những ảnh hưởng chính đến đặc điểm của thiết bị
| bài viết ô nhiễm | Lỗi mẫu
Lỗi cấy ion
Lỗi hỏng màng cách điện
| |
| Ô nhiễm kim loại | Kim loại kiềm | Sự bất ổn của bóng bán dẫn MOS
Sự phân hủy/phân hủy lớp màng oxit cổng
|
| Kim loại nặng | Tăng dòng rò ngược tiếp giáp PN
Lỗi phá vỡ màng oxit cổng
Sự suy thoái tuổi thọ của người mang gen thiểu số
Tạo ra khuyết tật lớp kích thích oxit
| |
| Ô nhiễm hóa chất | Vật liệu hữu cơ | Lỗi phá vỡ màng oxit cổng
Các biến thể phim CVD (thời gian ủ)
Sự thay đổi độ dày màng oxit nhiệt (oxy hóa tăng tốc)
Hiện tượng mờ (tấm bán dẫn, thấu kính, gương, mặt nạ, lưới ngắm)
|
| Chất pha tạp vô cơ (B, P) | Transistor MOS dịch chuyển Vth
Các biến thể điện trở của tấm poly-silicon có điện trở cao và nền Si
| |
| Bazơ vô cơ (amin, amoniac) & Axit (SOx) | Sự suy giảm độ phân giải của các chất cản quang được khuếch đại về mặt hóa học
Sự xuất hiện của ô nhiễm hạt và sương mù do sự hình thành muối
| |
| Màng oxit tự nhiên và hóa học do độ ẩm, không khí | Tăng điện trở tiếp xúc
Sự phân hủy/phân hủy lớp màng oxit cổng
| |
Cụ thể, mục tiêu của quá trình làm sạch wafer bao gồm:
Loại bỏ hạt: Sử dụng các phương pháp vật lý hoặc hóa học để loại bỏ các hạt nhỏ bám trên bề mặt wafer. Các hạt nhỏ hơn khó loại bỏ hơn do lực tĩnh điện mạnh giữa chúng và bề mặt wafer, đòi hỏi phải xử lý đặc biệt.
Loại bỏ vật liệu hữu cơ: Các chất gây ô nhiễm hữu cơ như mỡ và chất cản quang có thể bám vào bề mặt wafer. Các chất gây ô nhiễm này thường được loại bỏ bằng chất oxy hóa mạnh hoặc dung môi.
Loại bỏ ion kim loại: Các ion kim loại còn sót lại trên bề mặt wafer có thể làm giảm hiệu suất điện và thậm chí ảnh hưởng đến các bước xử lý tiếp theo. Do đó, các dung dịch hóa học cụ thể được sử dụng để loại bỏ các ion này.
Loại bỏ oxit: Một số quy trình yêu cầu bề mặt wafer không có lớp oxit, chẳng hạn như oxit silic. Trong những trường hợp như vậy, cần loại bỏ lớp oxit tự nhiên trong một số bước làm sạch nhất định.
Thách thức của công nghệ làm sạch wafer nằm ở việc loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm mà không ảnh hưởng xấu đến bề mặt wafer, chẳng hạn như ngăn ngừa bề mặt bị nhám, ăn mòn hoặc các hư hỏng vật lý khác.
2. Quy trình làm sạch wafer
Quy trình làm sạch tấm wafer thường bao gồm nhiều bước để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn chất gây ô nhiễm và đạt được bề mặt sạch hoàn toàn.
Hình: So sánh giữa làm sạch theo mẻ và làm sạch từng tấm
Quy trình vệ sinh tấm wafer thông thường bao gồm các bước chính sau:
1. Làm sạch trước (Pre-Clean)
Mục đích của việc vệ sinh trước là loại bỏ các chất gây ô nhiễm rời rạc và các hạt lớn khỏi bề mặt wafer, thường đạt được thông qua việc rửa bằng nước khử ion (DI Water) và làm sạch bằng siêu âm. Nước khử ion ban đầu có thể loại bỏ các hạt và tạp chất hòa tan khỏi bề mặt wafer, trong khi làm sạch bằng siêu âm sử dụng hiệu ứng tạo lỗ rỗng để phá vỡ liên kết giữa các hạt và bề mặt wafer, giúp chúng dễ dàng bị loại bỏ hơn.
2. Vệ sinh bằng hóa chất
Làm sạch bằng hóa chất là một trong những bước cốt lõi trong quy trình làm sạch tấm wafer, sử dụng các dung dịch hóa học để loại bỏ các vật liệu hữu cơ, ion kim loại và oxit khỏi bề mặt tấm wafer.
Loại bỏ vật liệu hữu cơ: Thông thường, acetone hoặc hỗn hợp amoniac/peroxide (SC-1) được sử dụng để hòa tan và oxy hóa các chất gây ô nhiễm hữu cơ. Tỷ lệ điển hình cho dung dịch SC-1 là NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, với nhiệt độ làm việc khoảng 20°C.
Loại bỏ ion kim loại: Hỗn hợp axit nitric hoặc axit clohydric/peroxide (SC-2) được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại khỏi bề mặt wafer. Tỷ lệ điển hình cho dung dịch SC-2 là HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, với nhiệt độ được duy trì ở mức khoảng 80°C.
Loại bỏ oxit: Trong một số quy trình, cần loại bỏ lớp oxit tự nhiên khỏi bề mặt wafer, trong đó dung dịch axit hydrofluoric (HF) được sử dụng. Tỷ lệ điển hình cho dung dịch HF là HF
₂O = 1:50 và có thể sử dụng ở nhiệt độ phòng.
3. Vệ sinh cuối cùng
Sau khi làm sạch bằng hóa chất, wafer thường trải qua bước làm sạch cuối cùng để đảm bảo không còn cặn hóa chất nào trên bề mặt. Làm sạch cuối cùng chủ yếu sử dụng nước khử ion để rửa sạch hoàn toàn. Ngoài ra, làm sạch bằng nước ozone (O₃/H₂O) được sử dụng để loại bỏ thêm bất kỳ chất gây ô nhiễm nào còn sót lại trên bề mặt wafer.
4. Sấy khô
Các tấm wafer đã được làm sạch phải được sấy khô nhanh chóng để tránh các vết nước hoặc chất gây ô nhiễm bám lại. Các phương pháp sấy khô thông thường bao gồm sấy quay và làm sạch bằng nitơ. Phương pháp trước loại bỏ độ ẩm khỏi bề mặt wafer bằng cách quay ở tốc độ cao, trong khi phương pháp sau đảm bảo sấy khô hoàn toàn bằng cách thổi khí nitơ khô qua bề mặt wafer.
Chất gây ô nhiễm
Tên quy trình vệ sinh
Mô tả hỗn hợp hóa học
Hóa chất
| Các hạt | Cá Piranha (SPM) | Axit sunfuric/hydro peroxide/nước DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Amoni hydroxit/hydrogen peroxide/nước DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Kim loại (không phải đồng) | SC-2 (Máy phát điện) | Axit clohydric/hydro peroxide/nước DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Cá Piranha (SPM) | Axit sunfuric/hydro peroxide/nước DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Pha loãng axit flohydric/nước DI (sẽ không loại bỏ đồng) | HF/H2O1:50 | |
| Hữu cơ | Cá Piranha (SPM) | Axit sunfuric/hydro peroxide/nước DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Amoni hydroxit/hydrogen peroxide/nước DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozone trong nước khử ion | Hỗn hợp tối ưu O3/H2O | |
| Oxit tự nhiên | DHF | Axit flohydric loãng/nước DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Axit flohydric đệm | NH4F/HF/H2O |
3. Các phương pháp vệ sinh wafer phổ biến
1. Phương pháp vệ sinh RCA
Phương pháp vệ sinh RCA là một trong những kỹ thuật vệ sinh wafer cổ điển nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn, được RCA Corporation phát triển cách đây hơn 40 năm. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ và tạp chất ion kim loại và có thể hoàn thành trong hai bước: SC-1 (Standard Clean 1) và SC-2 (Standard Clean 2).
SC-1 Làm sạch: Bước này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ và các hạt. Dung dịch là hỗn hợp amoniac, hydro peroxide và nước, tạo thành một lớp oxit silic mỏng trên bề mặt wafer.
SC-2 Cleaning: Bước này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm ion kim loại, sử dụng hỗn hợp axit clohydric, hydro peroxide và nước. Nó để lại một lớp thụ động mỏng trên bề mặt wafer để ngăn ngừa tái nhiễm.
2. Phương pháp làm sạch Piranha (Piranha Etch Clean)
Phương pháp làm sạch Piranha là một kỹ thuật cực kỳ hiệu quả để loại bỏ các vật liệu hữu cơ, sử dụng hỗn hợp axit sunfuric và hydro peroxide, thường theo tỷ lệ 3:1 hoặc 4:1. Do tính chất oxy hóa cực mạnh của dung dịch này, nó có thể loại bỏ một lượng lớn chất hữu cơ và các chất gây ô nhiễm cứng đầu. Phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện, đặc biệt là về nhiệt độ và nồng độ, để tránh làm hỏng wafer.
Làm sạch bằng sóng siêu âm sử dụng hiệu ứng tạo bọt do sóng âm tần số cao tạo ra trong chất lỏng để loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi bề mặt wafer. So với phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm truyền thống, phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm hoạt động ở tần số cao hơn, cho phép loại bỏ hiệu quả hơn các hạt có kích thước dưới micron mà không gây hư hại cho bề mặt wafer.
4. Làm sạch bằng Ozone
Công nghệ làm sạch bằng ozone sử dụng tính chất oxy hóa mạnh của ozone để phân hủy và loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ khỏi bề mặt wafer, cuối cùng chuyển đổi chúng thành carbon dioxide và nước vô hại. Phương pháp này không yêu cầu sử dụng thuốc thử hóa học đắt tiền và ít gây ô nhiễm môi trường, khiến nó trở thành công nghệ mới nổi trong lĩnh vực làm sạch wafer.
4. Thiết bị quy trình làm sạch wafer
Để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho quy trình vệ sinh wafer, nhiều loại thiết bị vệ sinh tiên tiến được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. Các loại chính bao gồm:
1. Thiết bị vệ sinh ướt
Thiết bị vệ sinh ướt bao gồm nhiều loại bể ngâm, bể rửa siêu âm và máy sấy quay. Các thiết bị này kết hợp lực cơ học và thuốc thử hóa học để loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi bề mặt wafer. Bể ngâm thường được trang bị hệ thống kiểm soát nhiệt độ để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của dung dịch hóa học.
2. Thiết bị giặt khô
Thiết bị giặt khô chủ yếu bao gồm máy giặt plasma, sử dụng các hạt năng lượng cao trong plasma để phản ứng và loại bỏ cặn bã khỏi bề mặt wafer. Giặt plasma đặc biệt phù hợp với các quy trình đòi hỏi phải duy trì tính toàn vẹn của bề mặt mà không đưa vào cặn bã hóa học.
3. Hệ thống vệ sinh tự động
Với sự mở rộng liên tục của sản xuất chất bán dẫn, các hệ thống làm sạch tự động đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho việc làm sạch wafer quy mô lớn. Các hệ thống này thường bao gồm các cơ chế chuyển tự động, hệ thống làm sạch nhiều thùng và hệ thống điều khiển chính xác để đảm bảo kết quả làm sạch nhất quán cho từng wafer.
5. Xu hướng tương lai
Khi các thiết bị bán dẫn tiếp tục thu nhỏ, công nghệ làm sạch wafer đang phát triển theo hướng hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Các công nghệ làm sạch trong tương lai sẽ tập trung vào:
Loại bỏ các hạt có kích thước dưới nanomet: Các công nghệ làm sạch hiện tại có thể xử lý được các hạt có kích thước nanomet, nhưng với việc kích thước thiết bị tiếp tục giảm, việc loại bỏ các hạt có kích thước dưới nanomet sẽ trở thành một thách thức mới.
Vệ sinh xanh và thân thiện với môi trường: Việc giảm thiểu việc sử dụng các hóa chất gây hại cho môi trường và phát triển các phương pháp vệ sinh thân thiện với môi trường hơn, chẳng hạn như vệ sinh bằng ozone và vệ sinh bằng sóng siêu âm, sẽ ngày càng trở nên quan trọng.
Mức độ tự động hóa và thông minh cao hơn: Các hệ thống thông minh sẽ cho phép theo dõi và điều chỉnh thời gian thực các thông số khác nhau trong quá trình vệ sinh, từ đó cải thiện hiệu quả vệ sinh và hiệu quả sản xuất.
Công nghệ vệ sinh wafer, là một bước quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn, đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo bề mặt wafer sạch cho các quy trình tiếp theo. Sự kết hợp của nhiều phương pháp vệ sinh khác nhau giúp loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm, tạo ra bề mặt nền sạch cho các bước tiếp theo. Khi công nghệ tiến bộ, các quy trình vệ sinh sẽ tiếp tục được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu về độ chính xác cao hơn và tỷ lệ lỗi thấp hơn trong sản xuất chất bán dẫn.
Thời gian đăng: 08-10-2024