ניקוי רטוב (Wet Clean) הוא אחד השלבים הקריטיים בתהליכי ייצור מוליכים למחצה, שמטרתם הסרת מזהמים שונים מפני השטח של הפרוסה על מנת להבטיח שניתן לבצע שלבי התהליך הבאים על משטח נקי.
ככל שגודלם של התקני מוליכים למחצה ממשיך להתכווץ ודרישות הדיוק עולות, הדרישות הטכניות של תהליכי ניקוי פרוסים הפכו מחמירות יותר ויותר. אפילו החלקיקים הקטנים ביותר, חומרים אורגניים, יוני מתכת או שאריות תחמוצת על משטח הפרוסות יכולים להשפיע באופן משמעותי על ביצועי המכשיר, ובכך להשפיע על התפוקה והאמינות של התקני מוליכים למחצה.
עקרונות הליבה של ניקוי פרוסות
הליבה של ניקוי פרוסות טמונה בהסרה יעילה של מזהמים שונים ממשטח הפרוסים באמצעות שיטות פיזיקליות, כימיות ואחרות על מנת להבטיח כי לפרוסה יש משטח נקי המתאים לעיבוד שלאחר מכן.
סוג זיהום
השפעות עיקריות על מאפייני המכשיר
| rticle זיהום | פגמים בתבנית
פגמים בהשתלת יונים
ליקויי פירוק של סרט בידוד
| |
| זיהום מתכתי | אלקלי מתכות | אי יציבות טרנזיסטור MOS
פירוק/פירוק סרט תחמוצת שער
|
| מתכות כבדות | זרם דליפה הפוך מוגבר של צומת PN
פגמים בפירוק סרט תחמוצת שער
השפלה של נושאי מיעוטים לכל החיים
יצירת פגם בשכבת עירור תחמוצת
| |
| זיהום כימי | חומר אורגני | פגמים בפירוק סרט תחמוצת שער
וריאציות של סרט CVD (זמני דגירה)
שינויים בעובי סרט תחמוצת תרמית (חמצון מואץ)
התרחשות אובך (ופל, עדשה, מראה, מסכה, רשת)
|
| חומרים אי-אורגניים (B, P) | טרנזיסטור MOS Vth משמרות
וריאציות של מצע Si והתנגדות גבוהה ליריעות פולי סיליקון
| |
| בסיסים אנאורגניים (אמינים, אמוניה) וחומצות (SOx) | ירידה ברזולוציה של התנגדות מוגברת כימית
התרחשות של זיהום חלקיקים ואובך עקב יצירת מלח
| |
| סרטי תחמוצת מקוריים וכימיים עקב לחות, אוויר | התנגדות מוגברת למגע
פירוק/פירוק סרט תחמוצת שער
| |
באופן ספציפי, המטרות של תהליך ניקוי פרוסות כוללות:
הסרת חלקיקים: שימוש בשיטות פיזיקליות או כימיות להסרת חלקיקים קטנים המחוברים למשטח הוופל. חלקיקים קטנים יותר קשים יותר להסרה בגלל הכוחות האלקטרוסטטיים החזקים בינם לבין משטח הפרוסות, הדורשים טיפול מיוחד.
הסרת חומרים אורגניים: מזהמים אורגניים כגון שומן ושאריות פוטו-רזיסט עלולים להידבק למשטח הוופל. מזהמים אלה מוסרים בדרך כלל באמצעות חומרי חמצון חזקים או ממסים.
הסרת יוני מתכת: שאריות יוני מתכת על משטח הפרוסות עלולות לפגוע בביצועים החשמליים ואף להשפיע על שלבי העיבוד הבאים. לכן, פתרונות כימיים ספציפיים משמשים להסרת יונים אלה.
הסרת תחמוצת: תהליכים מסוימים דורשים שמשטח הוופל יהיה נקי משכבות תחמוצת, כגון תחמוצת סיליקון. במקרים כאלה, יש להסיר שכבות תחמוצת טבעיות במהלך שלבי ניקוי מסוימים.
האתגר של טכנולוגיית ניקוי פרוסות טמון בהסרה יעילה של מזהמים מבלי להשפיע לרעה על משטח הפרוסים, כגון מניעת התחספוס פני השטח, קורוזיה או נזק פיזי אחר.
2. זרימת תהליך ניקוי פרוסות
תהליך ניקוי פרוסות כולל בדרך כלל מספר שלבים כדי להבטיח הסרה מלאה של מזהמים והשגת משטח נקי לחלוטין.
איור: השוואה בין ניקוי מסוג אצווה לניקוי רקיק בודד
תהליך ניקוי פרוסות טיפוסי כולל את השלבים העיקריים הבאים:
1. ניקוי מראש (טרום ניקוי)
מטרת הניקוי המקדים היא להסיר מזהמים רופפים וחלקיקים גדולים ממשטח הפרוסות, אשר מושגת בדרך כלל באמצעות שטיפה במים דה-יונים (DI Water) וניקוי קולי. מים דה-יונים יכולים בתחילה להסיר חלקיקים ולכלוכים מומסים ממשטח הפרוסות, בעוד שניקוי קולי משתמש באפקטים של קוויטציה כדי לשבור את הקשר בין החלקיקים למשטח הפרוסה, מה שמקל על הוצאתם ממקומם.
2. ניקוי כימי
ניקוי כימי הוא אחד משלבי הליבה בתהליך ניקוי הפרוסות, תוך שימוש בתמיסות כימיות להסרת חומרים אורגניים, יוני מתכת ותחמוצות ממשטח הפרוסות.
הסרת חומרים אורגניים: בדרך כלל, אצטון או תערובת אמוניה/פרוקסיד (SC-1) משמשים להמסה ולחמצון מזהמים אורגניים. היחס האופייני לתמיסת SC-1 הוא NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, עם טמפרטורת עבודה של כ-20 מעלות צלזיוס.
הסרת יוני מתכת: חומצה חנקתית או תערובות חומצה הידרוכלורית/פרוקסיד (SC-2) משמשות להסרת יוני מתכת ממשטח הוופל. היחס האופייני לתמיסת SC-2 הוא HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, כאשר הטמפרטורה נשמרת על כ-80 מעלות צלזיוס.
הסרת תחמוצת: בתהליכים מסוימים, נדרשת הסרה של שכבת התחמוצת המקומית ממשטח הוופל, עבורה משתמשים בתמיסת חומצה הידרופלואורית (HF). היחס האופייני לתמיסת HF הוא HF
₂O = 1:50, וניתן להשתמש בו בטמפרטורת החדר.
3. ניקוי סופי
לאחר ניקוי כימי, פרוסות בדרך כלל עוברות שלב ניקוי סופי כדי להבטיח שלא יישארו שאריות כימיות על פני השטח. ניקוי סופי משתמש בעיקר במים דה-יונים לשטיפה יסודית. בנוסף, נעשה שימוש בניקוי מי אוזון (O₃/H₂O) כדי להסיר עוד יותר את כל המזהמים שנותרו ממשטח הפרוסים.
4. ייבוש
יש לייבש את הפרוסים המנוקים במהירות כדי למנוע סימני מים או הדבקה חוזרת של מזהמים. שיטות ייבוש נפוצות כוללות ייבוש ספין וטיהור חנקן. הראשון מסיר לחות ממשטח הפרוסות על ידי סיבוב במהירויות גבוהות, בעוד שהאחרון מבטיח ייבוש מלא על ידי ניפוח גז חנקן יבש על פני השטח.
מזהם
שם נוהל ניקוי
תיאור תערובת כימית
כימיקלים
| חלקיקים | פיראנה (SPM) | חומצה גופרתית/מי חמצן/מים DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 מעלות צלזיוס |
| SC-1 (APM) | אמוניום הידרוקסיד/מי חמצן/מים DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 מעלות צלזיוס | |
| מתכות (לא נחושת) | SC-2 (HPM) | חומצה הידרוכלורית/מי חמצן/מים DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 מעלות צלזיוס |
| פיראנה (SPM) | חומצה גופרתית/מי חמצן/מים DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 מעלות צלזיוס | |
| DHF | מדללים חומצה הידרופלואורית/מים DI (לא יסיר נחושת) | HF/H2O1:50 | |
| אורגניות | פיראנה (SPM) | חומצה גופרתית/מי חמצן/מים DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 מעלות צלזיוס |
| SC-1 (APM) | אמוניום הידרוקסיד/מי חמצן/מים DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 מעלות צלזיוס | |
| DIO3 | אוזון במים דה-יונים | תערובות אופטימליות של O3/H2O | |
| תחמוצת מקומית | DHF | מדללים חומצה הידרופלואורית/מים DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | חומצה הידרופלואורית מבוקרת | NH4F/HF/H2O |
3. שיטות ניקוי פרוסות נפוצות
1. שיטת ניקוי RCA
שיטת הניקוי RCA היא אחת מטכניקות ניקוי הפרוסות הקלאסיות ביותר בתעשיית המוליכים למחצה, שפותחה על ידי תאגיד RCA לפני למעלה מ-40 שנה. שיטה זו משמשת בעיקר להסרת מזהמים אורגניים וזיהומים של יוני מתכת וניתן להשלים אותה בשני שלבים: SC-1 (Standard Clean 1) ו-SC-2 (Standard Clean 2).
ניקוי SC-1: שלב זה משמש בעיקר להסרת מזהמים וחלקיקים אורגניים. התמיסה היא תערובת של אמוניה, מי חמצן ומים, שיוצרת שכבת תחמוצת סיליקון דקה על פני הוופל.
ניקוי SC-2: שלב זה משמש בעיקר להסרת מזהמים של יוני מתכת, באמצעות תערובת של חומצה הידרוכלורית, מי חמצן ומים. זה משאיר שכבת פסיבציה דקה על משטח הפרוסות כדי למנוע זיהום מחדש.
2. שיטת ניקוי Piranha (Piranha Etch Clean)
שיטת הניקוי Piranha היא טכניקה יעילה ביותר להסרת חומרים אורגניים, באמצעות תערובת של חומצה גופרתית ומי חמצן, בדרך כלל ביחס של 3:1 או 4:1. בשל תכונות החמצון החזקות ביותר של תמיסה זו, היא יכולה להסיר כמות גדולה של חומרים אורגניים ומזהמים עיקשים. שיטה זו דורשת בקרה קפדנית של התנאים, במיוחד מבחינת טמפרטורה וריכוז, כדי למנוע פגיעה בפלטה.
ניקוי אולטראסוני משתמש באפקט הקוויטציה שנוצר על ידי גלי קול בתדר גבוה בנוזל כדי להסיר מזהמים ממשטח הפרוסות. בהשוואה לניקוי קולי מסורתי, ניקוי מגה-קולי פועל בתדירות גבוהה יותר, ומאפשר הסרה יעילה יותר של חלקיקים בגודל תת-מיקרון מבלי לגרום נזק למשטח הפרוסים.
4. ניקוי אוזון
טכנולוגיית ניקוי האוזון מנצלת את תכונות החמצון החזקות של האוזון כדי לפרק ולהסיר מזהמים אורגניים ממשטח הפרוסים, ובסופו של דבר הופכת אותם לפחמן דו חמצני ומים בלתי מזיקים. שיטה זו אינה מצריכה שימוש בריאגנטים כימיים יקרים וגורמת לפחות זיהום סביבתי, מה שהופך אותה לטכנולוגיה מתפתחת בתחום ניקוי פרוסות.
4. ציוד תהליך ניקוי פרוסות
כדי להבטיח את היעילות והבטיחות של תהליכי ניקוי פרוסות, נעשה שימוש במגוון ציוד ניקוי מתקדם בייצור מוליכים למחצה. הסוגים העיקריים כוללים:
1. ציוד ניקוי רטוב
ציוד ניקוי רטוב כולל מכלי טבילה שונים, מיכלי ניקוי קולי ומייבשי ספין. מכשירים אלה משלבים כוחות מכניים וריאגנטים כימיים כדי להסיר מזהמים ממשטח הפרוסות. מיכלי טבילה מצוידים בדרך כלל במערכות בקרת טמפרטורה כדי להבטיח את היציבות והיעילות של פתרונות כימיים.
2. ציוד לניקוי יבש
ציוד לניקוי יבש כולל בעיקר חומרי ניקוי פלזמה, המשתמשים בחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה בפלזמה כדי להגיב עם ולהסיר שאריות ממשטח הוופל. ניקוי פלזמה מתאים במיוחד לתהליכים הדורשים שמירה על שלמות פני השטח מבלי להחדיר שאריות כימיות.
3. מערכות ניקוי אוטומטיות
עם התרחבות מתמשכת של ייצור מוליכים למחצה, מערכות ניקוי אוטומטיות הפכו לבחירה המועדפת לניקוי פרוסות בקנה מידה גדול. מערכות אלו כוללות לעיתים קרובות מנגנוני העברה אוטומטיים, מערכות ניקוי מרובה מיכלים ומערכות בקרה מדויקות כדי להבטיח תוצאות ניקוי עקביות עבור כל רקיק.
5. מגמות עתידיות
ככל שמכשירי מוליכים למחצה ממשיכים להתכווץ, טכנולוגיית ניקוי הפרוסים מתפתחת לעבר פתרונות יעילים וידידותיים יותר לסביבה. טכנולוגיות ניקוי עתידיות יתמקדו ב:
הסרת חלקיקים תת-ננומטרים: טכנולוגיות הניקוי הקיימות יכולות להתמודד עם חלקיקים בקנה מידה ננומטרי, אך עם הירידה נוספת בגודל המכשיר, הסרת חלקיקים תת-ננומטרים תהפוך לאתגר חדש.
ניקוי ירוק וידידותי לסביבה: הפחתת השימוש בכימיקלים מזיקים לסביבה ופיתוח שיטות ניקוי ידידותיות יותר לסביבה, כגון ניקוי אוזון וניקוי מגה-סוני, יהפכו חשובים יותר.
רמות גבוהות יותר של אוטומציה ואינטליגנציה: מערכות חכמות יאפשרו ניטור והתאמה בזמן אמת של פרמטרים שונים במהלך תהליך הניקוי, ולשפר עוד יותר את יעילות הניקוי ויעילות הייצור.
טכנולוגיית ניקוי פרוסות, כשלב קריטי בייצור מוליכים למחצה, ממלאת תפקיד חיוני בהבטחת משטחי פרוס נקיים לתהליכים הבאים. השילוב של שיטות ניקוי שונות מסיר ביעילות זיהומים, ומספק משטח מצע נקי לשלבים הבאים. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, תהליכי הניקוי ימשיכו להיות אופטימליים כדי לעמוד בדרישות לדיוק גבוה יותר ושיעורי פגמים נמוכים יותר בייצור מוליכים למחצה.
זמן פרסום: אוקטובר-08-2024