La limpieza húmeda (Wet Clean) es uno de los pasos críticos en los procesos de fabricación de semiconductores, cuyo objetivo es eliminar diversos contaminantes de la superficie de la oblea para garantizar que los pasos del proceso posterior se puedan realizar en una superficie limpia.
A medida que el tamaño de los dispositivos semiconductores se reduce y los requisitos de precisión aumentan, las exigencias técnicas de los procesos de limpieza de obleas se vuelven cada vez más estrictas. Incluso las partículas más pequeñas, materiales orgánicos, iones metálicos o residuos de óxido en la superficie de la oblea pueden afectar significativamente el rendimiento del dispositivo, lo que afecta el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos semiconductores.
Principios básicos de la limpieza de obleas
El núcleo de la limpieza de obleas radica en eliminar eficazmente diversos contaminantes de la superficie de la oblea a través de métodos físicos, químicos y otros para garantizar que la oblea tenga una superficie limpia adecuada para el procesamiento posterior.
Tipo de contaminación
Principales influencias en las características del dispositivo
| Contaminación del artículo | Defectos de patrón
Defectos de implantación de iones
Defectos de rotura de la película aislante
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| Contaminación metálica | Metales alcalinos | Inestabilidad del transistor MOS
Rotura/degradación de la película de óxido de la compuerta
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| Metales pesados | Aumento de la corriente de fuga inversa de la unión PN
Defectos de ruptura de la película de óxido de la compuerta
Degradación de la vida útil de los portadores minoritarios
Generación de defectos en la capa de excitación de óxido
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| Contaminación química | Material orgánico | Defectos de ruptura de la película de óxido de la compuerta
Variaciones de la película CVD (tiempos de incubación)
Variaciones del espesor de la película de óxido térmico (oxidación acelerada)
Aparición de neblina (oblea, lente, espejo, máscara, retícula)
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| Dopantes inorgánicos (B, P) | Desplazamientos Vth del transistor MOS
Variaciones de resistencia del sustrato de Si y de la lámina de polisilicio de alta resistencia
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| Bases inorgánicas (aminas, amoníaco) y ácidos (SOx) | Degradación de la resolución de las resistencias amplificadas químicamente
Ocurrencia de contaminación por partículas y neblina debido a la generación de sal
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| Películas de óxido químico y nativo debido a la humedad y el aire. | Mayor resistencia de contacto
Rotura/degradación de la película de óxido de la compuerta
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En concreto, los objetivos del proceso de limpieza de obleas incluyen:
Eliminación de partículas: Se utilizan métodos físicos o químicos para eliminar pequeñas partículas adheridas a la superficie de la oblea. Las partículas más pequeñas son más difíciles de eliminar debido a las fuertes fuerzas electrostáticas entre ellas y la superficie de la oblea, lo que requiere un tratamiento especial.
Eliminación de material orgánico: Contaminantes orgánicos como grasa y residuos de resina fotosensible pueden adherirse a la superficie de la oblea. Estos contaminantes suelen eliminarse con agentes oxidantes fuertes o disolventes.
Eliminación de iones metálicos: Los residuos de iones metálicos en la superficie de la oblea pueden degradar el rendimiento eléctrico e incluso afectar los pasos de procesamiento posteriores. Por lo tanto, se utilizan soluciones químicas específicas para eliminar estos iones.
Eliminación de óxido: Algunos procesos requieren que la superficie de la oblea esté libre de capas de óxido, como el óxido de silicio. En estos casos, es necesario eliminar las capas de óxido natural durante ciertas etapas de limpieza.
El desafío de la tecnología de limpieza de obleas radica en eliminar de manera eficiente los contaminantes sin afectar negativamente la superficie de la oblea, por ejemplo, evitando la aspereza de la superficie, la corrosión u otros daños físicos.
2. Flujo del proceso de limpieza de obleas
El proceso de limpieza de obleas generalmente implica varios pasos para garantizar la eliminación completa de contaminantes y lograr una superficie completamente limpia.
Figura: Comparación entre la limpieza por lotes y la limpieza de una sola oblea
Un proceso típico de limpieza de obleas incluye los siguientes pasos principales:
1. Prelimpieza (Pre-Clean)
El objetivo de la prelimpieza es eliminar los contaminantes sueltos y las partículas grandes de la superficie de la oblea. Esto se logra generalmente mediante enjuague con agua desionizada (DI) y limpieza ultrasónica. El agua desionizada puede eliminar inicialmente las partículas e impurezas disueltas de la superficie de la oblea, mientras que la limpieza ultrasónica utiliza efectos de cavitación para romper la unión entre las partículas y la superficie de la oblea, facilitando su desprendimiento.
2. Limpieza química
La limpieza química es uno de los pasos fundamentales en el proceso de limpieza de obleas, en el que se utilizan soluciones químicas para eliminar materiales orgánicos, iones metálicos y óxidos de la superficie de la oblea.
Eliminación de materia orgánica: Normalmente, se utiliza acetona o una mezcla de amoníaco y peróxido (SC-1) para disolver y oxidar los contaminantes orgánicos. La proporción típica de la solución SC-1 es NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, con una temperatura de trabajo de alrededor de 20°C.
Eliminación de iones metálicos: Se utilizan ácido nítrico o mezclas de ácido clorhídrico y peróxido (SC-2) para eliminar los iones metálicos de la superficie de la oblea. La proporción típica de la solución SC-2 es HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, con la temperatura mantenida a aproximadamente 80°C.
Eliminación de óxido: En algunos procesos, se requiere la eliminación de la capa de óxido nativo de la superficie de la oblea, para lo cual se utiliza una solución de ácido fluorhídrico (HF). La proporción típica para la solución de HF es HF
₂O = 1:50 y se puede utilizar a temperatura ambiente.
3. Limpieza final
Tras la limpieza química, las obleas suelen someterse a una limpieza final para garantizar que no queden residuos químicos en la superficie. Esta limpieza final utiliza principalmente agua desionizada para un enjuague exhaustivo. Además, se utiliza agua con ozono (O₃/H₂O) para eliminar aún más cualquier contaminante restante de la superficie de la oblea.
4. Secado
Las obleas limpias deben secarse rápidamente para evitar marcas de agua o la reaparición de contaminantes. Los métodos de secado más comunes incluyen el centrifugado y la purga con nitrógeno. El primero elimina la humedad de la superficie de la oblea mediante centrifugado a alta velocidad, mientras que el segundo garantiza un secado completo mediante la aplicación de nitrógeno seco sobre la superficie de la oblea.
Contaminante
Nombre del procedimiento de limpieza
Descripción de la mezcla química
Productos químicos
| Partículas | Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrógeno/agua desionizada | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amonio/peróxido de hidrógeno/agua desionizada | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| Metales (no cobre) | SC-2 (HPM) | Ácido clorhídrico/peróxido de hidrógeno/agua desionizada | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85 °C |
| Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrógeno/agua desionizada | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90 °C | |
| DHF | Ácido fluorhídrico diluido/agua desionizada (no eliminará el cobre) | HF/H2O1:50 | |
| Orgánicos | Piraña (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrógeno/agua desionizada | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90 °C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amonio/peróxido de hidrógeno/agua desionizada | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80 °C | |
| DIO3 | Ozono en agua desionizada | Mezclas optimizadas de O3/H2O | |
| Óxido nativo | DHF | Ácido fluorhídrico diluido/agua DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Ácido fluorhídrico tamponado | NH4F/HF/H2O |
3. Métodos comunes de limpieza de obleas
1. Método de limpieza RCA
El método de limpieza RCA es una de las técnicas de limpieza de obleas más clásicas en la industria de semiconductores, desarrollado por RCA Corporation hace más de 40 años. Este método se utiliza principalmente para eliminar contaminantes orgánicos e impurezas de iones metálicos y se puede completar en dos pasos: SC-1 (Limpieza Estándar 1) y SC-2 (Limpieza Estándar 2).
Limpieza SC-1: Este paso se utiliza principalmente para eliminar contaminantes y partículas orgánicas. La solución es una mezcla de amoníaco, peróxido de hidrógeno y agua, que forma una fina capa de óxido de silicio sobre la superficie de la oblea.
Limpieza SC-2: Este paso se utiliza principalmente para eliminar contaminantes de iones metálicos mediante una mezcla de ácido clorhídrico, peróxido de hidrógeno y agua. Deja una fina capa de pasivación sobre la superficie de la oblea para evitar la recontaminación.
2. Método de limpieza Piranha (limpieza de grabado Piranha)
El método de limpieza Piraña es una técnica altamente efectiva para la eliminación de materiales orgánicos, que utiliza una mezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno, generalmente en una proporción de 3:1 o 4:1. Gracias a las fuertes propiedades oxidativas de esta solución, puede eliminar una gran cantidad de materia orgánica y contaminantes persistentes. Este método requiere un control estricto de las condiciones, especialmente en cuanto a temperatura y concentración, para evitar dañar la oblea.
La limpieza ultrasónica utiliza el efecto de cavitación generado por ondas sonoras de alta frecuencia en un líquido para eliminar contaminantes de la superficie de la oblea. En comparación con la limpieza ultrasónica tradicional, la limpieza megasónica opera a una frecuencia más alta, lo que permite una eliminación más eficiente de partículas submicrónicas sin dañar la superficie de la oblea.
4. Limpieza con ozono
La tecnología de limpieza con ozono aprovecha las potentes propiedades oxidantes del ozono para descomponer y eliminar los contaminantes orgánicos de la superficie de la oblea, convirtiéndolos en dióxido de carbono y agua inocuos. Este método no requiere el uso de reactivos químicos costosos y genera menos contaminación ambiental, lo que lo convierte en una tecnología emergente en el campo de la limpieza de obleas.
4. Equipo de proceso de limpieza de obleas
Para garantizar la eficiencia y seguridad de los procesos de limpieza de obleas, en la fabricación de semiconductores se utilizan diversos equipos de limpieza avanzados. Los principales tipos incluyen:
1. Equipo de limpieza en húmedo
Los equipos de limpieza en húmedo incluyen diversos tanques de inmersión, tanques de limpieza ultrasónica y centrifugadoras. Estos dispositivos combinan fuerzas mecánicas y reactivos químicos para eliminar los contaminantes de la superficie de la oblea. Los tanques de inmersión suelen estar equipados con sistemas de control de temperatura para garantizar la estabilidad y la eficacia de las soluciones químicas.
2. Equipo de limpieza en seco
Los equipos de limpieza en seco incluyen principalmente limpiadores de plasma, que utilizan partículas de alta energía en el plasma para reaccionar con la superficie de la oblea y eliminar los residuos. La limpieza con plasma es especialmente adecuada para procesos que requieren mantener la integridad de la superficie sin introducir residuos químicos.
3. Sistemas de limpieza automatizados
Con la continua expansión de la producción de semiconductores, los sistemas de limpieza automatizados se han convertido en la opción preferida para la limpieza de obleas a gran escala. Estos sistemas suelen incluir mecanismos de transferencia automatizados, sistemas de limpieza multitanque y sistemas de control de precisión para garantizar resultados de limpieza consistentes para cada oblea.
5. Tendencias futuras
A medida que los dispositivos semiconductores se reducen, la tecnología de limpieza de obleas evoluciona hacia soluciones más eficientes y respetuosas con el medio ambiente. Las futuras tecnologías de limpieza se centrarán en:
Eliminación de partículas subnanométricas: las tecnologías de limpieza existentes pueden manejar partículas de escala nanométrica, pero con la reducción adicional en el tamaño del dispositivo, la eliminación de partículas subnanométricas se convertirá en un nuevo desafío.
Limpieza ecológica y respetuosa con el medio ambiente: reducir el uso de productos químicos nocivos para el medio ambiente y desarrollar métodos de limpieza más respetuosos con el medio ambiente, como la limpieza con ozono y la limpieza megasónica, serán cada vez más importantes.
Niveles más altos de automatización e inteligencia: Los sistemas inteligentes permitirán el monitoreo y ajuste en tiempo real de varios parámetros durante el proceso de limpieza, mejorando aún más la efectividad de la limpieza y la eficiencia de la producción.
La tecnología de limpieza de obleas, como paso crítico en la fabricación de semiconductores, desempeña un papel vital para garantizar la limpieza de las superficies de las obleas para los procesos posteriores. La combinación de diversos métodos de limpieza elimina eficazmente los contaminantes, proporcionando una superficie de sustrato limpia para los siguientes pasos. A medida que la tecnología avanza, los procesos de limpieza se seguirán optimizando para satisfacer las demandas de mayor precisión y menor tasa de defectos en la fabricación de semiconductores.
Hora de publicación: 08-oct-2024