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 khác nhau khỏi bề mặt của 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 ngày càng thu hẹp và yêu cầu về độ chính xác ngày càng tăng, các yêu cầu kỹ thuật của quy trình làm sạch wafer ngày càng khắt khe. Ngay cả những 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 thiết bị, từ 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 phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo.
Loại ô nhiễm
Những ảnh hưởng chính đến đặc điểm của thiết bị
| ô nhiễm bài viết | 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/suy thoái của màng oxit cổng
|
| Kim loại nặng | Tăng dòng rò ngược tiếp giáp PN
Lỗi phá vỡ màng oxit cổng
Sự suy giảm 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 của màng 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) và Axit (SOx) | Sự suy giảm độ phân giải của 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/suy thoái của 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 dầu mỡ và cặn chất cản quang có thể bám vào bề mặt wafer. Những chất gây ô nhiễm này thường được loại bỏ bằng các 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, cần sử dụng các dung dịch hóa học chuyên dụng để loại bỏ các ion này.
Loại bỏ oxit: Một số quy trình yêu cầu bề mặt wafer phải không có lớp oxit, chẳng hạn như oxit silic. Trong những trường hợp như vậy, các lớp oxit tự nhiên cần được loại bỏ trong một số bước làm sạch nhất định.
Thách thức của công nghệ làm sạch wafer nằm ở việc loại bỏ chất gây ô nhiễm một cách hiệu quả 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
Quá trình làm sạch 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 phương pháp làm sạch theo mẻ và phương pháp làm sạch một tấm wafer
Quy trình vệ sinh wafer thông thường bao gồm các bước chính sau:
1. Làm sạch trước (Pre-Clean)
Mục đích của việc làm sạch sơ bộ là loại bỏ các tạp chất rời rạc và các hạt lớn khỏi bề mặt wafer, thường được thực hiện thông qua rửa bằng nước khử ion (DI Water) và làm sạch 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 siêu âm sử dụng hiệu ứng tạo bọt để phá vỡ liên kết giữa các hạt và bề mặt wafer, giúp chúng dễ dàng bị loại bỏ hơn.
2. Vệ sinh hóa chất
Làm sạch hóa học là một trong những bước cốt lõi trong quy trình làm sạch wafer, sử dụng dung dịch hóa học để loại bỏ vật liệu hữu cơ, ion kim loại và oxit khỏi bề mặt 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 của 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 ion kim loại khỏi bề mặt wafer. Tỷ lệ điển hình của 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 phải loại bỏ lớp oxit tự nhiên khỏi bề mặt wafer, trong đó dung dịch axit flohydric (HF) được sử dụng. Tỷ lệ điển hình của dung dịch HF là HF
₂O = 1:50 và có thể sử dụng ở nhiệt độ phòng.
3. Làm sạch cuối cùng
Sau khi làm sạch bằng hóa chất, wafer thường trải qua bước làm sạch cuối cùng để đảm bảo không còn dư lượng hóa chất nào trên bề mặt. Quá trình làm sạch cuối cùng chủ yếu sử dụng nước khử ion để rửa sạch hoàn toàn. Ngoài ra, 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 hình thành vệt nước hoặc bám lại tạp chất. Các phương pháp sấy phổ biến bao gồm sấy ly tâm và thổi nitơ. Phương pháp trước loại bỏ độ ẩm khỏi bề mặt wafer bằng cách quay ly tâm ở tốc độ cao, trong khi phương pháp sau đảm bảo sấy khô hoàn toàn bằng cách thổi khí nitơ khô khắp 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 (HPM) | Axit clohydric/hydrogen 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 | |
| Sốt xuất huyết giảm tiểu cầu | Axit flohydric loãng/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 | Sốt xuất huyết giảm tiểu cầu | Axit flohydric loãng/nước DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Axit flohydric đệm | NH4F/HF/H2O |
3. Các phương pháp làm sạch wafer phổ biến
1. Phương pháp vệ sinh RCA
Phương pháp làm sạch RCA là một trong những kỹ thuật làm sạch wafer cổ điển nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn, được Tập đoàn RCA phát triển hơn 40 năm trước. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ và tạp chất ion kim loại, có thể được thực hiện theo hai bước: SC-1 (Làm sạch Tiêu chuẩn 1) và SC-2 (Làm sạch Tiêu chuẩn 2).
Vệ sinh SC-1: Bước này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các tạp chất và hạt hữu cơ. Dung dịch là hỗn hợp amoniac, hydro peroxide và nước, tạo thành một lớp oxit silic mỏng trên bề mặt wafer.
Làm sạch SC-2: Bước này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các tạp chất ion kim loại, bằng cách 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 chất hữu cơ, sử dụng hỗn hợp axit sulfuric và hydro peroxide, thường theo tỷ lệ 3:1 hoặc 4:1. Nhờ đặc tính oxy hóa cực mạnh của dung dịch này, nó có thể loại bỏ một lượng lớn chất hữu cơ và các chất bẩn 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 tấm wafer.
Làm sạch siêu âm sử dụng hiệu ứng tạo bọt do sóng âm tần số cao tạo ra trong chất lỏng để loại bỏ tạp chất khỏi bề mặt wafer. So với làm sạch siêu âm truyền thống, làm sạch megasonic 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 bề mặt wafer.
4. Làm sạch bằng Ozone
Công nghệ làm sạch bằng ozone sử dụng tính 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 các thuốc thử hóa học đắt tiền và ít gây ô nhiễm môi trường, khiến nó trở thành một công nghệ mới nổi trong lĩnh vực làm sạch wafer.
4. Thiết bị 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 làm sạch ướt bao gồm nhiều loại bể ngâm, bể rửa siêu âm và máy sấy ly tâm. Các thiết bị này kết hợp lực cơ học và thuốc thử hóa học để loại bỏ tạp chất 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 chất.
2. Thiết bị giặt khô
Thiết bị giặt khô chủ yếu bao gồm máy giặt plasma, sử dụng các hạt plasma năng lượng cao để phản ứng và loại bỏ cặn bẩn trên bề mặt wafer. Máy giặt plasma đặc biệt phù hợp cho các quy trình đòi hỏi duy trì tính toàn vẹn của bề mặt mà không để lại cặn hóa chất.
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 cơ chế chuyển giao tự động, hệ thống làm sạch nhiều bể và hệ thống điều khiển chính xác để đảm bảo kết quả làm sạch đồng đều cho từng wafer.
5. Xu hướng tương lai
Khi các thiết bị bán dẫn ngày càng 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 hạt có kích thước dưới nanomet: Các công nghệ làm sạch hiện tại có thể xử lý các hạt có kích thước nanomet, nhưng với việc kích thước thiết bị ngày càng 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 sử dụng 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: Hệ thống thông minh sẽ cho phép theo dõi và điều chỉnh các thông số khác nhau theo thời gian thực trong quá trình làm sạch, từ đó cải thiện hiệu quả làm sạch và hiệu quả sản xuất.
Công nghệ làm sạch wafer, một bước quan trọng trong sản xuất bán dẫn, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo bề mặt wafer sạch sẽ cho các quy trình tiếp theo. Sự kết hợp của nhiều phương pháp làm sạch khác nhau giúp loại bỏ hiệu quả các tạp chất, mang lại bề mặt đế sạch sẽ cho các bước tiếp theo. Khi công nghệ phát triển, quy trình làm sạch 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 bán dẫn.
Thời gian đăng: 08-10-2024