La limpieza en húmedo (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 posteriores del proceso se puedan realizar sobre una superficie limpia.
A medida que el tamaño de los dispositivos semiconductores sigue reduciéndose y los requisitos de precisión aumentan, las exigencias técnicas de los procesos de limpieza de obleas se han vuelto 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, afectando así el rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos semiconductores.
Principios básicos de la limpieza de obleas
El núcleo de la limpieza de la oblea radica en eliminar eficazmente diversos contaminantes de la superficie de la oblea mediante métodos físicos, químicos y de otro tipo 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
Ruptura/degradación de la película de óxido de puerta
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| Metales pesados | Aumento de la corriente de fuga inversa de la unión PN
Defectos de rotura de la película de óxido de puerta.
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 rotura de la película de óxido de puerta.
Variaciones de la película CVD (tiempos de incubación)
Variaciones térmicas del espesor de la película de óxido (oxidación acelerada)
Aparición de turbidez (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 láminas de polisilicio de alta resistencia.
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| Bases Inorgánicas (aminas, amoniaco) y Ácidos (SOx) | Degradación de la resolución de resistencias químicamente amplificadas.
Ocurrencia de contaminación por partículas y turbidez debido a la generación de sal.
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| Películas de óxido nativo y químico debido a la humedad y el aire | Mayor resistencia de contacto
Ruptura/degradación de la película de óxido de puerta
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En concreto, los objetivos del proceso de limpieza de obleas incluyen:
Eliminación de partículas: utilizar 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: los contaminantes orgánicos, como la grasa y los residuos fotorresistentes, pueden adherirse a la superficie de la oblea. Estos contaminantes generalmente se eliminan utilizando solventes o agentes oxidantes fuertes.
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 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 tales casos, es necesario eliminar las capas de óxido natural durante ciertos pasos de limpieza.
El desafío de la tecnología de limpieza de obleas radica en eliminar eficientemente los contaminantes sin afectar negativamente a la superficie de la oblea, como evitar la rugosidad, la corrosión u otros daños físicos de la superficie.
2. Flujo del proceso de limpieza de obleas
El proceso de limpieza de obleas normalmente implica varios pasos para garantizar la eliminación completa de los contaminantes y lograr una superficie completamente limpia.
Figura: Comparación entre la limpieza por lotes y la de una sola oblea
Un proceso típico de limpieza de obleas incluye los siguientes pasos principales:
1. Limpieza previa (Prelimpieza)
El propósito de la limpieza previa es eliminar los contaminantes sueltos y las partículas grandes de la superficie de la oblea, lo que generalmente se logra mediante enjuague con agua desionizada (agua desionizada) y limpieza ultrasónica. El agua desionizada puede eliminar inicialmente 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, lo que facilita su desalojamiento.
2. Limpieza química
La limpieza química es uno de los pasos principales en el proceso de limpieza de las obleas, y utiliza soluciones químicas para eliminar materiales orgánicos, iones metálicos y óxidos de la superficie de las obleas.
Eliminación de material orgánico: normalmente, se utiliza acetona o una mezcla de amoníaco/peróxido (SC-1) para disolver y oxidar los contaminantes orgánicos. La proporción típica para la solución SC-1 es NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, con una temperatura de trabajo de unos 20°C.
Eliminación de iones metálicos: Se utilizan mezclas de ácido nítrico o ácido clorhídrico/peróxido (SC-2) para eliminar iones metálicos de la superficie de la oblea. La proporción típica para la solución SC-2 es HCl.
₂O₂
₂O = 1:1:6, manteniéndose la temperatura 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
Después de la limpieza química, las obleas suelen pasar por un paso de limpieza final para garantizar que no queden residuos químicos en la superficie. La limpieza final utiliza principalmente agua desionizada para un enjuague minucioso. Además, se utiliza limpieza con 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 que se vuelvan a adherir contaminantes. Los métodos de secado comunes incluyen el secado por centrifugado y la purga de nitrógeno. El primero elimina la humedad de la superficie de la oblea al girar a altas velocidades, mientras que el segundo asegura un secado completo al soplar gas nitrógeno seco a través de la superficie de la oblea.
contaminante
Nombre del procedimiento de limpieza
Descripción de la mezcla química
quimicos
| 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; 85ºC |
| 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 desionizada | 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 los semiconductores, desarrollada 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 (Standard Clean 1) y SC-2 (Standard Clean 2).
Limpieza SC-1: Este paso se utiliza principalmente para eliminar partículas y contaminantes orgánicos. La solución es una mezcla de amoníaco, peróxido de hidrógeno y agua, que forma una fina capa de óxido de silicio en la superficie de la oblea.
Limpieza SC-2: este paso se utiliza principalmente para eliminar contaminantes de iones metálicos, utilizando una mezcla de ácido clorhídrico, peróxido de hidrógeno y agua. Deja una fina capa de pasivación en la superficie de la oblea para evitar la recontaminación.
2. Método de limpieza con piraña (Piranha Etch Clean)
El método de limpieza Piraña es una técnica muy eficaz para eliminar materiales orgánicos, utilizando una mezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno, normalmente en una proporción de 3:1 o 4:1. Debido a las extremadamente fuertes propiedades oxidativas de esta solución, puede eliminar una gran cantidad de materia orgánica y contaminantes rebeldes. Este método requiere un control estricto de las condiciones, particularmente en términos de 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 los contaminantes de la superficie de la oblea. En comparación con la limpieza ultrasónica tradicional, la limpieza megasónica funciona a una frecuencia más alta, lo que permite una eliminación más eficiente de partículas de tamaño submicrónico sin causar daños a la superficie de la oblea.
4. Limpieza con ozono
La tecnología de limpieza con ozono utiliza las fuertes propiedades oxidantes del ozono para descomponer y eliminar los contaminantes orgánicos de la superficie de la oblea, convirtiéndolos en última instancia en agua y dióxido de carbono inofensivos. Este método no requiere el uso de costosos reactivos químicos y causa 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, se utiliza una variedad de equipos de limpieza avanzados en la fabricación de semiconductores. Los principales tipos incluyen:
1. Equipo de limpieza en húmedo
El equipo de limpieza húmeda incluye varios tanques de inmersión, tanques de limpieza ultrasónica y secadoras giratorias. Estos dispositivos combinan fuerzas mecánicas y reactivos químicos para eliminar 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 eficacia de las soluciones químicas.
2. Equipos de limpieza en seco
Los equipos de limpieza en seco incluyen principalmente limpiadores de plasma, que utilizan partículas de alta energía en plasma para reaccionar y eliminar los residuos de la superficie de la oblea. 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 de múltiples tanques y sistemas de control de precisión para garantizar resultados de limpieza consistentes para cada oblea.
5. Tendencias futuras
A medida que los dispositivos semiconductores siguen reduciéndose, la tecnología de limpieza de obleas evoluciona hacia soluciones más eficientes y respetuosas con el medio ambiente. Las tecnologías de limpieza futuras se centrarán en:
Eliminación de partículas subnanométricas: las tecnologías de limpieza existentes pueden manejar partículas a escala nanométrica, pero con la reducción adicional del tamaño del dispositivo, la eliminación de partículas subnanométricas se convertirá en un nuevo desafío.
Limpieza ecológica y ecológica: Reducir el uso de productos químicos nocivos para el medio ambiente y desarrollar métodos de limpieza más ecológicos, como la limpieza con ozono y la limpieza megasónica, serán cada vez más importantes.
Mayores niveles 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 superficies limpias de las obleas para procesos posteriores. La combinación de varios métodos de limpieza elimina eficazmente los contaminantes y proporciona una superficie del sustrato limpia para los siguientes pasos. A medida que avanza la tecnología, los procesos de limpieza seguirán optimizándose para satisfacer las demandas de mayor precisión y menores tasas de defectos en la fabricación de semiconductores.
Hora de publicación: 08-oct-2024