Làm sạch ướt (Wet Clean) là một trong những bước quan trọng trong quy trình sản xuất chất bán dẫn, nhằm mục đích loại bỏ các chất gây ô nhiễm khác nhau khỏi bề mặt của tấm bán dẫn để đảm bảo rằng các bước quy trình tiếp theo có thể được thực hiện trên bề mặt sạch sẽ.
Khi kích thước của các thiết bị bán dẫn tiếp tục giảm và yêu cầu về độ chính xác tăng lên, thì yêu cầu kỹ thuật của quy trình làm sạch tấm bán dẫn ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Ngay cả những hạt nhỏ nhất, vật liệu hữu cơ, ion kim loại hoặc cặn oxit trên bề mặt tấm bán dẫn cũng có thể tác động đáng kể đến hiệu suất của thiết bị, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị bán dẫn.
Nguyên tắc cốt lõi của việc làm sạch wafer
Cốt lõi của việc làm sạch wafer nằm ở việc loại bỏ hiệu quả các 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 rằng wafer có bề mặt sạch phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo.
Loại ô nhiễm
Những ảnh hưởng chính đến đặc tính của thiết bị
| bài báo ô nhiễm | Lỗi mẫu
Lỗi cấy ion
Lỗi hỏng màng cách điện
| |
| Ô nhiễm kim loại | Kim loại kiềm | Sự mất ổn định của bóng bán dẫn MOS
Sự phân hủy/xuống cấp của màng oxit cổng
|
| Kim loại nặng | Tăng dòng rò ngược tiếp giáp PN
Khiếm khuyết phá vỡ màng oxit cổng
Suy thoái tuổi thọ của tàu sân bay thiểu số
Tạo khuyết tật lớp kích thích oxit
| |
| Ô nhiễm hóa chất | Vật liệu hữu cơ | Khiếm khuyết phá vỡ màng oxit cổng
Các biến thể của phim CVD (thời gian ủ)
Sự thay đổi độ dày màng oxit nhiệt (oxy hóa tăng tốc)
Xuất hiện khói mù (bánh wafer, thấu kính, gương, mặt nạ, kẻ ô)
|
| Chất tạp chất vô cơ (B, P) | Transitor MOS dịch chuyển thứ V
Chất nền Si và các biến thể kháng tấm poly-silicon có độ bền cao
| |
| Bazơ vô cơ (amin, amoniac) & Axit (SOx) | Suy giảm độ phân giải của điện trở khuếch đại hóa học
Xuất hiện ô nhiễm hạt và khói mù do tạo muối
| |
| Màng oxit tự nhiên và hóa học do độ ẩm, không khí | Tăng sức đề kháng tiếp xúc
Sự phân hủy/xuống cấp 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, cần được xử lý đặc biệt.
Loại bỏ vật liệu hữu cơ: Các chất ô nhiễm hữu cơ như dầu mỡ và chất cản quang có thể bám vào bề mặt wafer. Những chất gây ô nhiễm này thường được loại bỏ bằng cách sử dụng các tác nhân hoặc dung môi oxy hóa mạnh.
Loại bỏ ion kim loại: Dư lượng ion kim loại trên bề mặt wafer có thể làm giảm hiệu suất điện và thậm chí ảnh hưởng đến các bước xử lý tiếp theo. Vì vậy, các giải pháp 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 các lớp oxit, chẳng hạn như oxit silic. Trong những trường hợp như vậy, các lớp oxit tự nhiên cần phải được loại bỏ trong các bước làm sạch nhất định.
Thách thức của công nghệ làm sạch tấm bán dẫn nằm ở việc loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm mà không ảnh hưởng xấu đến bề mặt tấm bán dẫn, chẳng hạn như ngăn ngừa sự nhám bề mặt, 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 các chất gây ô nhiễm và đạt được bề mặt sạch hoàn toàn.
Hình: So sánh giữa làm sạch theo mẻ và làm sạch một tấm bán dẫn
Một quy trình làm sạch wafer điển hình bao gồm các bước chính sau:
1. Làm sạch trước (Pre-Clean)
Mục đích của việc làm sạch trước là loại bỏ các chất gây ô nhiễm lỏng lẻo và các hạt lớn khỏi bề mặt wafer, điều này thường đạt được thông qua 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 quá trình làm sạch siêu âm sử dụng hiệu ứng tạo bọt để phá vỡ liên kết giữa các hạt và bề mặt wafer, khiến chúng dễ dàng bong ra hơn.
2. Làm sạch bằng hóa chất
Làm sạch bằng hóa chất là một trong những bước cốt lõi trong quy trình làm sạch wafer, sử dụng các dung dịch hóa học để loại bỏ các vật liệu hữu cơ, ion kim loại và oxit khỏi bề mặt wafer.
Loại bỏ vật liệu hữu cơ: Thông thường, axeton hoặc hỗn hợp amoniac/peroxide (SC-1) được sử dụng để hòa tan và oxy hóa các chất 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 các ion kim loại khỏi bề mặt wafer. Tỷ lệ đặc trưng của dung dịch SC-2 là HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, với nhiệt độ được duy trì ở 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 sử dụng dung dịch axit hydrofluoric (HF). Tỷ lệ điển hình cho giải pháp HF là HF
₂O = 1:50 và có thể sử dụng ở nhiệt độ phòng.
3. Làm sạch lần cuối
Sau khi làm sạch bằng hóa chất, tấm wafer thường trải qua bước làm sạch cuối cùng để đảm bảo không còn dư lượng hóa chất trên bề mặt. Quá trình làm sạch cuối cùng chủ yếu sử dụng nước khử ion để rửa kỹ. Ngoài ra, làm sạch bằng nước ozone (O₃/H₂O) được sử dụng để loại bỏ thêm mọi chất gây ô nhiễm còn sót lại trên bề mặt tấm bán dẫn.
4. Sấy khô
Các tấm wafer đã được làm sạch phải được làm khô nhanh chóng để tránh hình mờ hoặc dính lại các chất gây ô nhiễm. Các phương pháp sấy phổ biến bao gồm sấy quay và tẩy nitơ. Cái trước loại bỏ độ ẩm khỏi bề mặt wafer bằng cách quay ở tốc độ cao, trong khi cái sau đảm bảo sấy khô hoàn toàn bằng cách thổi khí nitơ khô trên bề mặt wafer.
chất gây ô nhiễm
Tên quy trình vệ sinh
Hỗn hợp hóa học Mô tả
Hóa chất
| hạt | Cá Piranha (SPM) | Axit sunfuric/hydro peroxit/nước DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Amoni hydroxit/hydro peroxit/nước DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Kim loại (không phải đồng) | SC-2 (HPM) | Axit clohydric/hydro peroxit/nước DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Cá Piranha (SPM) | Axit sunfuric/hydro peroxit/nước DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Pha loãng axit hydrofluoric/nước DI (sẽ không loại bỏ đồng) | HF/H2O1:50 | |
| Chất hữu cơ | Cá Piranha (SPM) | Axit sunfuric/hydro peroxit/nước DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Amoni hydroxit/hydro peroxit/nước DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozone trong nước khử ion | Hỗn hợp tối ưu hóa 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 làm sạch wafer thông thường
1. Phương pháp làm sạch RCA
Phương pháp làm sạch RCA là một trong những kỹ thuật làm sạch tấm bán dẫn cổ điển nhất trong ngành 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 ô nhiễm hữu cơ và tạp chất ion kim loại và có thể được hoàn thành theo hai bước: SC-1 (Làm sạch tiêu chuẩn 1) và SC-2 (Làm sạch tiêu chuẩn 2).
Làm sạch SC-1: Bước này chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm và hạt hữu cơ. Dung dịch này là hỗn hợp gồm amoniac, hydro peroxit và nước, tạo thành một lớp oxit silic mỏng trên bề mặt tấm bán dẫn.
Làm sạch SC-2: 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 bẩn.
2. Phương pháp làm sạch cá Piranha (Piranha Etch Clean)
Phương pháp làm sạch Piranha là một kỹ thuật có hiệu quả cao 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. Do đặc tính oxy hóa cực mạnh của dung dịch này nên có thể loại bỏ một lượng lớn chất hữu cơ và các chất 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 tấm bán dẫn.
Làm sạch bằng siêu âm sử dụng hiệu ứng xâm thực được tạo ra bởi sóng âm thanh tần số cao trong chất lỏng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi bề mặt wafer. So với làm sạch siêu âm truyền thống, làm sạch 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 hỏng bề mặt wafer.
4. Làm sạch Ozone
Công nghệ làm sạch bằng ozone sử dụng đặc tính oxy hóa mạnh của ozone để phân hủy và loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khỏi bề mặt tấm bán dẫn, cuối cùng chuyển 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 hơn, khiến nó trở thành một công nghệ mới nổi trong lĩnh vực làm sạch wafer.
4. Thiết bị xử lý làm sạch wafer
Để đảm bảo hiệu quả và an toàn của quy trình làm sạch tấm bán dẫn, nhiều loại thiết bị làm sạch tiên tiến được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. Các loại chính bao gồm:
1. Thiết bị làm sạch ướt
Thiết bị làm sạch ướt bao gồm các bể ngâm khác nhau, bể làm sạch siêu âm và máy sấy quay. Những 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 các dung dịch hóa học.
2. Thiết bị giặt khô
Thiết bị giặt khô chủ yếu bao gồm chất tẩy rửa plasma, sử dụng các hạt năng lượng cao trong plasma để phản ứng và loại bỏ cặn bám trên bề mặt wafer. Làm sạch bằng plasma đặc biệt thích hợp cho các quy trình yêu cầu duy trì tính toàn vẹn bề mặt mà không tạo ra dư lượng hóa chất.
3. Hệ thống làm sạch tự động
Với sự mở rộng liên tục của sản xuất chất bán dẫn, hệ thống làm sạch tự động đã trở thành lựa chọn ưu tiên để làm sạch tấm bán dẫn quy mô lớn. Các hệ thống này thường bao gồm các cơ chế chuyển tự động, hệ thống làm sạch nhiều bể và hệ thống điều khiển chính xác để đảm bảo kết quả làm sạch nhất quán cho từng tấm bán dẫn.
5. Xu hướng tương lai
Khi các thiết bị bán dẫn tiếp tục thu nhỏ, công nghệ làm sạch tấm bán dẫn đang phát triển theo hướng các giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn. Công nghệ làm sạch trong tương lai sẽ tập trung vào:
Loại bỏ hạt dưới nanomet: Các công nghệ làm sạch hiện tại có thể xử lý các hạt có kích thước nanomet, nhưng với việc giảm kích thước thiết bị hơn nữa, việc loại bỏ các hạt dưới nanomet sẽ trở thành một thách thức mới.
Làm sạch xanh và thân thiện với môi trường: Việc giảm sử dụng các hóa chất độc hại với môi trường và phát triển các phương pháp làm sạch thân thiện với môi trường hơn, chẳng hạn như làm sạch bằng ozone và làm sạch 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 giám sát và điều chỉnh theo thời gian thực các thông số khác nhau trong quá trình làm sạch, cải thiện hơn nữa hiệu quả làm sạch và hiệu quả sản xuất.
Công nghệ làm sạch wafer, là một bước quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn, đóng một vai trò quan trọng 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 sẽ loại bỏ hiệu quả các chất gây ô nhiễm, mang lại bề mặt nền sạch cho các bước tiếp theo. Khi công nghệ tiến bộ, 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 chất bán dẫn.
Thời gian đăng: Oct-08-2024