กระบวนการทำความสะอาดเวเฟอร์: เทคนิคสำคัญในการควบคุมการปนเปื้อนในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

กระบวนการทำความสะอาดเวเฟอร์ เป็นส่วนสำคัญของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และ MEMS ในทุกขั้นตอนของการผลิต เวเฟอร์ซิลิคอนจะต้องปราศจากอนุภาค สารตกค้างจากสารอินทรีย์ สารปนเปื้อนจากโลหะ และสารที่ไม่ต้องการอื่นๆ ที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและผลผลิตของอุปกรณ์ความท้าทายไม่ใช่แค่การกำจัดสารปนเปื้อนเท่านั้น กระบวนการทำความสะอาดจะต้องทำเช่นนั้น

โดยไม่ทำลายหรือเปลี่ยนแปลงพื้นผิวเวเฟอร์หรือซับสเตรตวัตถุประสงค์ของการทำความสะอาดเวเฟอร์

สารปนเปื้อนทางเคมีและอนุภาค

ในขณะที่ยังคงสภาพเดิมของพื้นผิวเวเฟอร์พื้นผิวจะต้องปราศจากการทำให้หยาบ การกัดกร่อน และการเกิดรูพรุนที่ไม่ต้องการ แม้ความเสียหายเล็กน้อยที่พื้นผิวก็อาจส่งผลต่อขั้นตอนกระบวนการถัดไปและลดประสิทธิภาพของกระบวนการทำความสะอาดเองได้ผลผลิตของเวเฟอร์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับ

ความหนาแน่นของข้อบกพร่อง

รวมถึงการปนเปื้อนที่พื้นผิวและจำนวนอนุภาค วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดวิธีหนึ่งในการลดข้อบกพร่องและเพิ่มผลผลิตคือการนำกระบวนการทำความสะอาดเวเฟอร์ที่มีประสิทธิภาพมาใช้ ซึ่งสามารถกำจัดสารปนเปื้อนได้อย่างสม่ำเสมอเนื่องจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ การกำจัดอนุภาคที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จึงมีความท้าทายมากขึ้น และมีความสำคัญมากขึ้น อนุภาคขนาดต่ำกว่าไมครอนอาจกำจัดได้ยากเป็นพิเศษ เนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิตที่แข็งแกร่งอาจเกิดขึ้นระหว่างอนุภาคและพื้นผิวเวเฟอร์สิ่งนี้ทำให้การปรับสภาพพื้นผิวที่แม่นยำและการควบคุมการปนเปื้อนมีความจำเป็นตลอดกระบวนการผลิต

เทคนิคการทำความสะอาดเวเฟอร์

เคมีพื้นฐานหลายอย่างที่ใช้ในการทำความสะอาดเวเฟอร์ยังคงคล้ายคลึงกันโดยพื้นฐานในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมากระบวนการทำความสะอาด RCA

ซึ่งอาศัยการผสมผสานระหว่างไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ กรดไฮโดรคลอริก และน้ำปราศจากไอออน ยังคงเป็นแนวทางที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสิ่งที่พัฒนาไปอย่างมากคือวิธีการนำเคมีเหล่านี้มาใช้และผสมผสานกับเทคโนโลยีการทำความสะอาดที่ใหม่กว่า รวมถึงการทำความสะอาดด้วยโอโซนและการทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง (megasonic)

การผลิตวงจรรวมสมัยใหม่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนกระบวนการที่มีการควบคุมสูงจำนวนมาก ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมและแอปพลิเคชันของอุปกรณ์ กระบวนการส่วนใหญ่จะดำเนินการบนเวเฟอร์ทั้งหมดก่อนที่จะถูกตัดเป็นชิปแต่ละชิปขั้นตอนการทำความสะอาดและการปรับสภาพพื้นผิวคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญของกระบวนการผลิตทั้งหมด ประมาณ

ในบางแผนการผลิต ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของการทำความสะอาดเวเฟอร์ต่อทั้งความเสถียรของกระบวนการและผลผลิตของอุปกรณ์สุดท้าย

การทำความสะอาดแบบ RCAเดิมพัฒนาโดยRCA Corporation

กระบวนการทำความสะอาด RCA ถูกออกแบบมาเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนออกจากพื้นผิวเวเฟอร์ซิลิคอน โดยเฉพาะสารตกค้างจากสารอินทรีย์และอนุภาค

สูตร RCA ทั่วไปใช้การผสมผสานระหว่างน้ำปราศจากไอออน ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์เคมีทำความสะอาดมีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดสารปนเปื้อนจากสารอินทรีย์ ในขณะเดียวกันก็สร้างชั้นออกไซด์บางๆ บนพื้นผิวซิลิคอน

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ กระบวนการ RCA มักแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนการทำความสะอาดหลัก คือStandard Clean 1 (SC1)และ

Standard Clean 2 (SC2)Standard Clean 1 และ 2 (SC1 และ SC2)SC1ใช้สารละลาย APM ซึ่งโดยทั่วไปคือส่วนผสมของ

หน้าที่หลักคือการกำจัดสารตกค้างจากสารอินทรีย์และการปนเปื้อนจากอนุภาคออกจากพื้นผิวเวเฟอร์

ระหว่างการทำความสะอาด SC1 ชั้นซิลิคอนไดออกไซด์บางๆ อาจก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวเวเฟอร์ สารปนเปื้อนจากโลหะบางชนิดอาจยังคงอยู่และจะได้รับการจัดการในขั้นตอนการทำความสะอาดถัดไปSC2ใช้สารละลาย HPM ซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยกรดไฮโดรคลอริก ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และน้ำปราศจากไอออน

ขั้นตอนนี้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการกำจัดสารตกค้าง

สารปนเปื้อนไอออนิกและโลหะรวมถึงการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นหรือสัมผัสระหว่างกระบวนการ SC1SC2 ยังสามารถทำให้พื้นผิวเวเฟอร์อยู่ในสภาพที่ถูกพาสซิเวตทางเคมี ช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนในภายหลังโดยรวมแล้ว SC1 และ SC2 ให้ลำดับการทำความสะอาดที่ได้รับการยอมรับอย่างดี ซึ่งเตรียมเวเฟอร์ซิลิคอนสำหรับขั้นตอนการผลิตถัดไปการทำความสะอาดด้วย Piranha Etchการทำความสะอาดด้วย Piranha

หรือที่เรียกว่าการทำความสะอาดด้วยสารละลาย Piranha เป็นที่นิยมใช้เมื่อต้องการกำจัดสารปนเปื้อนจากสารอินทรีย์อย่างเข้มข้น

กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการกำจัด

สารเคลือบผิวและสารตกค้างจากสารอินทรีย์ที่ติดแน่น

ออกจากพื้นผิวเวเฟอร์สูตรที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วย

กรดซัลฟิวริกสามส่วนและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 30% หนึ่งส่วนแม้ว่าสูตรกระบวนการบางอย่างจะใช้อัตราส่วนกรดซัลฟิวริกที่สูงกว่า เช่น4:1 หรือแม้แต่ 7:1

ส่วนผสมทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ที่ทรงพลัง มันกำจัดวัสดุอินทรีย์ส่วนใหญ่และสามารถไฮดรอกซิเลตพื้นผิวเวเฟอร์จำนวนมาก ทำให้พวกมันมีความชอบน้ำมากขึ้นและเข้ากันได้กับกระบวนการที่ใช้น้ำในภายหลังอย่างไรก็ตาม เคมี Piranha มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงและคายความร้อน ดังนั้นสารละลายจะต้องเตรียมและจัดการภายใต้สภาวะกระบวนการที่ควบคุมอย่างเข้มงวด

ถังควอตซ์ที่ให้ความร้อนซึ่งทั้งอุณหภูมิและความเข้มข้นของสารเคมีมีอิทธิพลโดยตรงต่อพฤติกรรมการทำความสะอาดและการกัดเซาะด้วยเหตุนี้ การควบคุมความเข้มข้นของสารเคมี อุณหภูมิ เวลาในการสัมผัส และสภาพอุปกรณ์อย่างแม่นยำจึงมีความสำคัญต่อการรักษาความสม่ำเสมอของกระบวนการ

การทำความสะอาดก่อนการแพร่ (Pre-Diffusion Cleaning)

การทำความสะอาดก่อนการแพร่เป็นหนึ่งในขั้นตอนการทำความสะอาดที่สำคัญที่สุดในการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนขั้นตอนนี้อาจทำซ้ำหลายครั้งระหว่างการผลิต และดังนั้นจึงต้องการความจุของอุปกรณ์และการควบคุมกระบวนการที่สำคัญ โดยทั่วไปจะดำเนินการทันทีก่อนที่เวเฟอร์จะเข้าสู่

เตาแพร่

วัตถุประสงค์หลักคือการลด

การปนเปื้อนจากอนุภาคและโลหะในขณะที่รักษาปริมาณงานสูงและบรรลุความสม่ำเสมอของการกัดเซาะที่ยอดเยี่ยม

ขึ้นอยู่กับประเภทและความเข้มข้นของการปนเปื้อน อาจใช้การผสมผสานของเคมีทำความสะอาดที่เข้มข้น รวมถึงสารละลายที่เกี่ยวข้องกับวิธีการทำความสะอาดที่อธิบายไว้ข้างต้นการทำความสะอาดก่อนการแพร่มีความสำคัญเป็นพิเศษเนื่องจากสารปนเปื้อนที่ยังคงอยู่บนพื้นผิวเวเฟอร์สามารถถูกขับเข้าไปในซิลิคอนระหว่างการแพร่ที่อุณหภูมิสูง

ลักษณะทางไฟฟ้าที่คาดเดาไม่ได้ ข้อบกพร่องของอุปกรณ์ และคุณภาพหรือผลผลิตของเซมิคอนดักเตอร์ลดลงกล่าวอีกนัยหนึ่ง เวเฟอร์จะต้องสะอาดเป็นพิเศษก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการแพร่ที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากสารปนเปื้อนที่รอดพ้นจากขั้นตอนการทำความสะอาดอาจกลายเป็นปัญหาที่ร้ายแรงกว่าในภายหลังการทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง (Megasonic Cleaning)

โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์และห้องปฏิบัติการวิจัยต้องการขั้นตอนการควบคุมการปนเปื้อนที่เข้มงวดอย่างยิ่ง เพื่อให้ได้ความสะอาดของพื้นผิวที่ต้องการ ผู้ผลิตมักผสมผสาน

การทำความสะอาดเชิงกล กระบวนการเคมีแบบเปียก และการทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง (megasonic)

การทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง (Megasonic cleaning) ใช้พลังงานเสียงความถี่สูงเพื่อสร้างผลกระทบเชิงกลและการเกิดโพรงอากาศที่ควบคุมได้ภายในอ่างทำความสะอาดกลไกเหล่านี้สร้างแรงระดับจุลภาคที่สามารถกำจัดสารปนเปื้อนออกจากพื้นผิวเวเฟอร์ได้โดยไม่ต้องอาศัยการสัมผัสเชิงกลที่รุนแรงเพียงอย่างเดียว

ฟิล์มสารปนเปื้อนและอนุภาคขนาดต่ำกว่าไมครอน

ในขณะที่อาจลดการพึ่งพาสารเคมีที่มีราคาแพงหรือรุนแรงมาก

เมื่อขนาดของอุปกรณ์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ เทคโนโลยีคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง (megasonic) จะมีคุณค่ามากขึ้นเรื่อยๆ ในการกำจัดอนุภาคขนาดเล็กมาก ในขณะที่ยังคงสภาพเดิมของพื้นผิวเวเฟอร์การทำความสะอาดด้วยโอโซน

เป็นอีกแนวทางขั้นสูงสำหรับการเตรียมพื้นผิวเวเฟอร์และการกำจัดสารปนเปื้อนจากสารอินทรีย์

เมื่อเทียบกับวิธีการทำความสะอาดแบบดั้งเดิมบางวิธี กระบวนการที่ใช้โอโซนสามารถให้วิธีที่เร็วกว่าและอาจคุ้มค่ากว่าในการทำความสะอาดหรือลอกพื้นผิวเวเฟอร์

ระบบทำความสะอาดโอโซนขั้นสูงสามารถลดการใช้สารเคมีราคาแพง ในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการและลดกระแสของเสียที่ไม่พึงประสงค์ต่อสิ่งแวดล้อมในกระบวนการทั่วไปน้ำปราศจากไอออน (DI)

จะถูกใช้ระหว่างการล้างและทำให้เวเฟอร์แห้งเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนอนินทรีย์ก่อนที่เวเฟอร์จะเข้าสู่ห้องบำบัดโอโซน

จากนั้นโอโซนจะทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ที่ตกค้างและออกซิไดซ์ให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ง่ายขึ้น โดยหลักคือ

คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำผลลัพธ์คือพื้นผิวเวเฟอร์ที่มีระดับลดลงอย่างมากของ

อนุภาค สารปนเปื้อนจากสารอินทรีย์ปริมาณเล็กน้อย และความชื้นที่ตกค้าง

ในขณะที่ยังคงสภาพพื้นผิวที่มีความชอบน้ำที่เสถียร

การผสมผสานระหว่างการกำจัดสารอินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพ การลดการใช้สารเคมี และประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อมที่ดีขึ้น ทำให้การทำความสะอาดด้วยโอโซนเป็นทางเลือกที่น่าสนใจมากขึ้นสำหรับการใช้งานการประมวลผลเวเฟอร์ขั้นสูงทำไมการทำความสะอาดเวเฟอร์จึงสำคัญการทำความสะอาดเวเฟอร์มักถูกมองว่าเป็นกระบวนการสนับสนุน แต่มีอิทธิพลตลอดวงจรการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด

ขั้นตอนการทำความสะอาดที่ควบคุมได้ไม่ดีอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิว ทิ้งอนุภาคหรือโลหะไว้ เปลี่ยนเคมีของพื้นผิว หรือส่งผลต่อความสม่ำเสมอของกระบวนการถัดไป เมื่อขนาดของอุปกรณ์มีขนาดเล็กลง ความทนทานต่อข้อบกพร่องเหล่านี้จะยิ่งจำกัดมากขึ้นนั่นคือเหตุผลที่การทำความสะอาดเวเฟอร์สมัยใหม่ไม่ได้เป็นเพียงแค่การทำให้เวเฟอร์ "สะอาด" อีกต่อไป

การควบคุมการปนเปื้อนที่แม่นยำ ในขณะที่ยังคงสภาพเดิมของพื้นผิว ความสม่ำเสมอของกระบวนการ และความสามารถในการทำซ้ำตั้งแต่ RCA และ Piranha แบบดั้งเดิม ไปจนถึง SC1/SC2 การทำความสะอาดก่อนการแพร่ ระบบคลื่นอัลตราโซนิกความถี่สูง (megasonic) และกระบวนการที่ใช้โอโซน แต่ละเทคนิคจะจัดการกับความท้าทายการปนเปื้อนที่แตกต่างกันกลยุทธ์การทำความสะอาดเวเฟอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดขึ้นอยู่กับ

ประเภทของสารปนเปื้อน วัสดุเวเฟอร์ ขั้นตอนกระบวนการ สภาพพื้นผิว ความเข้ากันได้ทางเคมี อุณหภูมิ และระดับความสะอาดที่ต้องการ

สำหรับผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์และ MEMS การเลือกเทคโนโลยีการทำความสะอาดที่เหมาะสม และการควบคุมทุกพารามิเตอร์ของกระบวนการนั้น เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรักษาคุณภาพของเวเฟอร์และบรรลุผลผลิตการผลิตที่สม่ำเสมอ