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Tecniche di pulizia avanzate nella fabbricazione di semiconduttori

La produzione di circuiti integrati (IC) richiede processi precisi per garantire l'integrità dei wafer di silicio.Tuttavia, contaminanti come particelle, residui organici, metalli e ossidi pongono sfide significative, influenzando la qualità e la funzionalità del wafer.Questo articolo esplora i tipi di contaminanti che incidono sulla produzione IC e approfondisce le tecniche di pulizia avanzata, compresi i metodi bagnati e asciutti, che ottimizzano la rimozione della contaminazione migliorando al contempo l'efficienza della produzione e la sostenibilità in ambienti puliti.

Catalogare

1. Tipi di contaminanti che influenzano la produzione IC
2. Approcci diversi alla pulizia

Tipi di contaminanti che influenzano la produzione IC

La produzione di circuiti integrati (IC) prevede processi meticolosi, ma i wafer di silicio spesso affrontano la presenza di diversi contaminanti all'interno di ambienti di camera puliti.Questi inquinanti, come particelle, residui organici, metalli e ossidi, possono interrompere la qualità strutturale dei wafer, una preoccupazione che si erge all'intersezione tra tecnologia e scienza dei materiali.

Contaminanti delle particelle

Origine di materiali come polimeri, fotoresisti e residui di incisione, le particelle aderiscono alle superfici di wafer principalmente attraverso le forze di van der Waals, sfidando le successive fasi di elaborazione.Affrontare questo problema può comportare interventi fisici come la pulizia ad ultrasuoni o le tecniche chimiche, come i lavaggi del solvente, per staccare le particelle preservando l'integrità del wafer.La riduzione efficace di questo tipo di contaminazione richiede una comprensione sfumata delle interazioni dei materiali e delle soluzioni su misura che riducono l'adesione, levigando il percorso per la rimozione.Inoltre, incorporare sistemi di filtrazione sofisticati e strategie del flusso d'aria negli impianti di produzione può sostanzialmente ridurre la deposizione di particelle.

Contaminanti organici

I residui organici persistenti da oli della pelle, aria ambiente e lubrificanti a macchina formano barriere che ostacolano l'efficienza degli agenti di pulizia.Questi residui compromettono sia la purezza che la funzionalità interferendo con strati di elaborazione essenziali.Le fasi di pulizia iniziali, quindi, si concentrano sull'estrazione di questi strati organici, preparando lo stadio per le successive fasi di pulizia.Tecniche come la pulizia dei solventi e il trattamento UV a bassa pressione sono fondamentali, sottolineando la necessità di mantenere ambienti rigorosamente controllati per evitare la ricontaminazione.

Contaminanti metallici

Mentre le interconnessioni metallici sono incorporati all'interno dei processi di semiconduttore, pongono anche sfide di contaminazione.I metalli come l'alluminio e il rame potrebbero avere origine durante la fotolitografia e la deposizione di vapore chimico (CVD), complicando il mantenimento della purezza del wafer.La mitigazione di questi rischi implica l'implementazione di barriere di deposizione o tecniche avanzate di attacco, enfatizzando la supervisione in corso per garantire che i contaminanti rimangano al di sotto dei livelli di soglia.È fondamentale anche l'implementazione di processi di pulizia a doppia modalità, che si separano e rimuovono abile e rimuovono le impurità dei metalli senza danneggiare altre strutture critiche.

Contaminanti di ossido

Gli strati di ossido generalmente si sviluppano dall'ossidazione degli atomi di silicio in condizioni ricche di ossigeno, con conseguente ossido nativo o chimico.Un delicato equilibrio deve essere colpito tra la rimozione di questi ossidi e la preservare l'integrità strutturale dell'ossido di gate.I metodi di attacco selettivo e gli incisioni di ossido tamponato sono cruciali nella gestione di questo equilibrio.Le innovazioni in queste tecniche continuano a evolversi, guidate da una comprensione approfondita delle proprietà dei materiali e delle dinamiche di reazione.Un tale delicato equilibrio facilita i progressi nella precisione durante la fabbricazione, guidata da una profonda comprensione delle interazioni microscopiche coinvolte.

Approcci diversi alla pulizia

Tecniche di pulizia a umido

Questo approccio di pulizia impiega solventi chimici liquidi e acqua deionizzata (DI) per eseguire compiti di pulizia come ossidanti, attacchi e dissoluzione dei contaminanti presenti sulla superficie del wafer.Ciò include materia organica e ioni metallici.Le tecniche comunemente applicate includono pulizia RCA, pulizia chimica di diluizione, pulizia IMEC e pulizia del wafer singolo.

Procedura di pulizia RCA

Inizialmente, l'approccio alla pulizia del wafer di silicio mancava di procedure sistematiche.Sviluppato dalla Radio Corporation of America (RCA) nel 1965, il metodo di pulizia RCA ha stabilito un processo completo per la pulizia del wafer di silicio durante la produzione di componenti.Questa tecnica continua ad essere un elemento fondamentale per molti processi di pulizia contemporanei.

Utilizzando solventi, acidi, tensioattivi e acqua, la pulizia RCA mira a rimuovere in modo efficiente i contaminanti della superficie, preservando le caratteristiche del wafer.Il risciacquo completo con acqua ultrapura (UPW) segue ogni applicazione chimica.Di seguito sono riportate diverse soluzioni di pulizia utilizzate spesso:

- APM (NH4OH/H2O2/H2O a 65–80 ° C): questa soluzione è costituita da idrossido di ammonio, perossido di idrogeno e acqua DI, ossidando efficacemente e ad incisione particelle di superficie, insieme a rimuovere alcuni contaminanti organici e metallici.Mentre la superficie del silicio si ossida e incise, la rugosità superficiale aumenta.

- HPM (HCl/H2O2/H2O a 65–80 ° C): nota come SC-2, questa soluzione di pulizia dissolve ioni metallici alcalini e idrossidi di metalli come alluminio e magnesio.Gli ioni cloruro in HCl reagiscono con ioni metallici residui, formando complessi solubili in acqua.

- SPM (H2SO4/H2O2/H2O a 100 ° C): indicato come SC-3, questa soluzione rimuove in modo efficiente i contaminanti organici.L'acido solforico si disidrata e carbonizza il materiale organico, che il perossido di idrogeno si ossida quindi in sottoprodotti gassosi.

-HF o DHF (HF: H2O = 1: 2: 10 a 20–25 ° C): usato per la rimozione dell'ossido in aree difficili da raggiungere, questa soluzione incide gli ossidi di silicio mentre diminuisce il metallo superficiale.Seguendo la pulizia di SC1 e SC2, elimina gli strati di ossido nativi dal wafer di silicio, formando una superficie di silicio idrofobico.

- Acqua ultrapura: l'acqua post-pulizia e ozonata serve a diluire prodotti chimici residui e risciacquare wafer.

L'incorporazione dell'energia megasonica nella pulizia RCA riduce l'utilizzo di acqua chimica e DI, accorcia i tempi di incisione del wafer e, di conseguenza, estende la vita della soluzione di pulizia.

Metodo chimico di diluizione

L'approccio di diluizione per le miscele SC1 e SC2, se combinate con la pulizia di RCA, conserva sostanze chimiche e acqua DI.È possibile omettere del tutto H2O2 dalla soluzione SC2.La miscela APM SC2, diluita con un rapporto 1: 1: 50, rimuove efficacemente i particolati della superficie del wafer e gli idrocarburi.

Per la rimozione dei metalli, le miscele fortemente diluite (HPM 1: 1: 60 e HCl 1: 100) sono efficaci quanto i fluidi SC2 tradizionali.Il mantenimento di basse concentrazioni di HCL offre il vantaggio di prevenire la sedimentazione delle particelle e il pH della soluzione, che varia da 2 a 2,5, influenza la carica superficiale del wafer di silicio.Al di sopra di questo pH, le superfici cariche sia del silicio che delle particelle di soluzione formano una barriera elettrostatica, inibendo la deposizione di particelle.Sotto questo pH, le particelle si depositano sul wafer a causa della mancanza di schermatura.

Riduzioni significative, oltre l'86%, nel consumo chimico si verificano con la pulizia di RCA diluita.I passaggi di pulizia ottimizzati, che includono agitazione megasonica con soluzioni diluite SC1, SC2 e HF, migliorano la longevità della soluzione e l'utilizzo chimico tagliato dell'80-90%.Gli esperimenti suggeriscono che l'utilizzo di UPW a caldo può ridurre il consumo UPW del 75-80%e vari chimici di diluizione possono conservare grandi quantità di acqua di lavaggio a causa delle velocità di flusso e dei requisiti di tempo più bassi.

Approccio di pulizia IMEC

Questo metodo si concentra sulla riduzione dell'uso di acqua chimica e DI nella pulizia a umido, con l'obiettivo di affrontare efficacemente gli inquinanti organici nella sua fase iniziale.Vengono spesso utilizzate combinazioni di acido solforico;Tuttavia, l'acqua di DI Ozonata è una valida alternativa per i benefici ambientali e la riduzione delle fasi di pulizia difficili.La regolazione della temperatura e della concentrazione facilita una rimozione organica efficiente.

La seconda fase colpisce gli strati di ossido, le particelle e gli ossidi metallici.I processi di deposizione elettrochimica diventano una preoccupazione per gli ioni metallici nelle soluzioni HF.Le soluzioni HF/HCL di solito sopprimono la deposizione dei metalli rimuovendo efficiente i rivestimenti di ossido.L'aggiunta di ioni cloruro strategicamente può prevenire la placcatura dei metalli e migliorare la durata della soluzione.

Nella fase finale, l'obiettivo è impartire idrofilia alla superficie del silicio, minimizzando i punti di essiccazione o le filigrane.Le soluzioni HCl/O3 diluite a basso pH rendono l'idrofilo superficiale senza ricontaminazione del metallo, mentre l'uso di HNO3 durante il risciacquo diminuisce la contaminazione da CA.

L'analisi comparativa mostra che il metodo IMEC riduce efficacemente la contaminazione dei metalli pur essendo economicamente sensibile a causa della riduzione dell'uso chimico.

Pulizia del wafer singolo

Per i wafer di grande diametro, le procedure stabilite spesso non sono all'altezza.La pulizia del wafer singolo, utilizzando soluzioni Di-O3/DHF a temperatura ambiente, offre un approccio mirato.Attando l'ossido di silicio e rimuovendo particelle e metalli con HF e formando ossido di silicio con Di-O3, si possono ottenere risultati soddisfacenti senza contaminazione incrociata.Risciacquare con acqua DI o acqua ozonata ed evitare le macchie asciugando con isopropil etanolo (IPA) e azoto.La pulizia di RCA migliorata mostra l'efficacia rispetto alle tecniche a valle singolo, con acqua DI e riciclaggio di HF durante il processo ottimizzando ulteriormente le spese chimiche e il costo del wafer.

Tecniche di lavaggio a secco

Il lavaggio a secco, attraverso i mezzi chimici in fase vapore, affronta le impurità della superficie del wafer.Comunemente, vengono impiegate l'ossidazione termica e la pulizia del plasma.Le procedure comportano l'introduzione di gas reattivi caldi o plasmatici in una camera di reazione, portando alla formazione di prodotti di reazione volatili che vengono successivamente evacuati.Un forno di ossidazione consente di ricottura di contenimento di CI e lo sputtering AR viene effettuato prima della deposizione.La pulizia del plasma prevede la conversione di gas inorganico in particelle attive del plasma, che interagiscono con le molecole di superficie per formare residui di fase gassosa.

I benefici del lavaggio a secco includono un trattamento localizzato e nessun liquido di scarto rimanente.La sua anisotropia ad incisione aiuta a produrre modelli fini.Tuttavia, a causa delle reazioni non selettive con i metalli di superficie e delle condizioni specifiche richieste per la volatilizzazione del metallo completo, la pulizia a secco da sola non sostituisce del tutto la pulizia a umido.Gli studi rivelano notevoli riduzioni dei contaminanti metallizzati usando tecniche in fase di gas, completate dalla pulizia a umido in pratica.

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