A limpeza úmida (Wet Clean) é uma das etapas críticas nos processos de fabricação de semicondutores, que visa remover vários contaminantes da superfície do wafer para garantir que as etapas subsequentes do processo possam ser realizadas em uma superfície limpa.
À medida que o tamanho dos dispositivos semicondutores continua a diminuir e os requisitos de precisão aumentam, as exigências técnicas dos processos de limpeza de wafers tornam-se cada vez mais rigorosas. Mesmo as menores partículas, materiais orgânicos, íons metálicos ou resíduos de óxido na superfície do wafer podem impactar significativamente o desempenho do dispositivo, afetando assim o rendimento e a confiabilidade dos dispositivos semicondutores.
Princípios Básicos de Limpeza de Wafer
O núcleo da limpeza do wafer reside na remoção eficaz de vários contaminantes da superfície do wafer por meio de métodos físicos, químicos e outros para garantir que o wafer tenha uma superfície limpa adequada para processamento subsequente.
Tipo de contaminação
Principais influências nas características do dispositivo
| Artigo Contaminação | Defeitos de padrão
Defeitos de implantação iônica
Defeitos de quebra de filme isolante
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| Contaminação Metálica | Metais Alcalinos | Instabilidade do transistor MOS
Quebra/degradação do filme de óxido de portão
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| Metais Pesados | Aumento da corrente de fuga reversa da junção PN
Defeitos de quebra do filme de óxido de portão
Degradação da vida útil da operadora minoritária
Geração de defeitos na camada de excitação de óxido
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| Contaminação Química | Material Orgânico | Defeitos de quebra do filme de óxido de portão
Variações do filme CVD (tempos de incubação)
Variações na espessura do filme de óxido térmico (oxidação acelerada)
Ocorrência de neblina (wafer, lente, espelho, máscara, retículo)
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| Dopantes Inorgânicos (B, P) | Transistor MOS Vth muda
Variações de resistência de substrato de Si e folha de poli-silício de alta resistência
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| Bases Inorgânicas (aminas, amônia) e Ácidos (SOx) | Degradação da resolução de resistências amplificadas quimicamente
Ocorrência de contaminação por partículas e neblina devido à geração de sal
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| Filmes de óxidos nativos e químicos devido à umidade e ao ar | Maior resistência de contato
Quebra/degradação do filme de óxido de portão
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Especificamente, os objetivos do processo de limpeza do wafer incluem:
Remoção de partículas: Usando métodos físicos ou químicos para remover pequenas partículas aderidas à superfície do wafer. Partículas menores são mais difíceis de remover devido às fortes forças eletrostáticas entre elas e a superfície do wafer, exigindo tratamento especial.
Remoção de material orgânico: Contaminantes orgânicos, como graxa e resíduos fotorresistentes, podem aderir à superfície do wafer. Esses contaminantes são normalmente removidos usando agentes oxidantes fortes ou solventes.
Remoção de íons metálicos: Resíduos de íons metálicos na superfície do wafer podem degradar o desempenho elétrico e até mesmo afetar as etapas de processamento subsequentes. Portanto, soluções químicas específicas são utilizadas para remover esses íons.
Remoção de Óxido: Alguns processos exigem que a superfície do wafer esteja livre de camadas de óxido, como óxido de silício. Nesses casos, as camadas de óxido natural precisam ser removidas durante certas etapas de limpeza.
O desafio da tecnologia de limpeza de wafer reside na remoção eficiente de contaminantes sem afetar adversamente a superfície do wafer, como evitar rugosidade da superfície, corrosão ou outros danos físicos.
2. Fluxo do processo de limpeza de wafer
O processo de limpeza do wafer normalmente envolve várias etapas para garantir a remoção completa dos contaminantes e obter uma superfície totalmente limpa.
Figura: Comparação entre limpeza tipo lote e wafer único
Um processo típico de limpeza de wafer inclui as seguintes etapas principais:
1. Pré-Limpeza (Pré-Limpeza)
O objetivo da pré-limpeza é remover contaminantes soltos e partículas grandes da superfície do wafer, o que normalmente é obtido por meio de enxágue com água deionizada (água DI) e limpeza ultrassônica. A água deionizada pode inicialmente remover partículas e impurezas dissolvidas da superfície do wafer, enquanto a limpeza ultrassônica utiliza efeitos de cavitação para quebrar a ligação entre as partículas e a superfície do wafer, tornando-as mais fáceis de desalojar.
2. Limpeza Química
A limpeza química é uma das etapas principais do processo de limpeza do wafer, usando soluções químicas para remover materiais orgânicos, íons metálicos e óxidos da superfície do wafer.
Remoção de material orgânico: Normalmente, acetona ou uma mistura de amônia/peróxido (SC-1) é usada para dissolver e oxidar contaminantes orgânicos. A proporção típica para solução SC-1 é NH₄OH
₂O₂
₂O = 1:1:5, com temperatura de trabalho em torno de 20°C.
Remoção de íons metálicos: Misturas de ácido nítrico ou ácido clorídrico/peróxido (SC-2) são usadas para remover íons metálicos da superfície do wafer. A proporção típica para solução SC-2 é HCl
₂O₂
₂O = 1:1:6, com a temperatura mantida em aproximadamente 80°C.
Remoção de Óxido: Em alguns processos é necessária a remoção da camada de óxido nativa da superfície do wafer, para a qual é utilizada solução de ácido fluorídrico (HF). A proporção típica para solução HF é HF
₂O = 1:50 e pode ser usado em temperatura ambiente.
3. Limpeza Final
Após a limpeza química, os wafers geralmente passam por uma etapa de limpeza final para garantir que nenhum resíduo químico permaneça na superfície. A limpeza final utiliza principalmente água deionizada para um enxágue completo. Além disso, a limpeza com água de ozônio (O₃/H₂O) é usada para remover ainda mais quaisquer contaminantes remanescentes da superfície do wafer.
4. Secagem
Os wafers limpos devem ser secos rapidamente para evitar marcas d'água ou reinserção de contaminantes. Os métodos de secagem comuns incluem centrifugação e purga de nitrogênio. O primeiro remove a umidade da superfície do wafer girando em altas velocidades, enquanto o último garante a secagem completa soprando gás nitrogênio seco através da superfície do wafer.
Contaminante
Nome do procedimento de limpeza
Descrição da mistura química
Produtos Químicos
| Partículas | Piranha (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio/água DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amônio/peróxido de hidrogênio/água DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metais (não cobre) | SC-2 (HPM) | Ácido clorídrico/peróxido de hidrogênio/água DI | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio/água DI | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| FHD | Diluir ácido fluorídrico/água DI (não removerá o cobre) | HF/H2O1:50 | |
| Orgânicos | Piranha (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio/água DI | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amônio/peróxido de hidrogênio/água DI | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozônio em água deionizada | Misturas otimizadas para O3/H2O | |
| Óxido Nativo | FHD | Diluir ácido fluorídrico/água DI | HF/H2O 1:100 |
| BHF | Ácido fluorídrico tamponado | NH4F/HF/H2O |
3. Métodos comuns de limpeza de wafers
1. Método de limpeza RCA
O método de limpeza RCA é uma das técnicas de limpeza de wafer mais clássicas na indústria de semicondutores, desenvolvida pela RCA Corporation há mais de 40 anos. Este método é usado principalmente para remover contaminantes orgânicos e impurezas de íons metálicos e pode ser concluído em duas etapas: SC-1 (Limpeza Padrão 1) e SC-2 (Limpeza Padrão 2).
Limpeza SC-1: Esta etapa é usada principalmente para remover contaminantes e partículas orgânicas. A solução é uma mistura de amônia, peróxido de hidrogênio e água, que forma uma fina camada de óxido de silício na superfície do wafer.
Limpeza SC-2: Esta etapa é usada principalmente para remover contaminantes de íons metálicos, usando uma mistura de ácido clorídrico, peróxido de hidrogênio e água. Deixa uma fina camada de passivação na superfície do wafer para evitar a recontaminação.
2. Método de limpeza de piranha (Piranha Etch Clean)
O método de limpeza Piranha é uma técnica altamente eficaz para remoção de materiais orgânicos, utilizando uma mistura de ácido sulfúrico e água oxigenada, normalmente na proporção de 3:1 ou 4:1. Devido às propriedades oxidativas extremamente fortes desta solução, ela pode remover uma grande quantidade de matéria orgânica e contaminantes teimosos. Este método requer um controle rigoroso das condições, principalmente em termos de temperatura e concentração, para evitar danos ao wafer.
A limpeza ultrassônica utiliza o efeito de cavitação gerado por ondas sonoras de alta frequência em um líquido para remover contaminantes da superfície do wafer. Em comparação com a limpeza ultrassônica tradicional, a limpeza megassônica opera em uma frequência mais alta, permitindo uma remoção mais eficiente de partículas de tamanho submícron sem causar danos à superfície do wafer.
4. Limpeza de ozônio
A tecnologia de limpeza com ozônio utiliza as fortes propriedades oxidantes do ozônio para decompor e remover contaminantes orgânicos da superfície do wafer, convertendo-os em dióxido de carbono e água inofensivos. Este método não requer o uso de reagentes químicos caros e causa menos poluição ambiental, tornando-se uma tecnologia emergente na área de limpeza de wafers.
4. Equipamento de processo de limpeza de wafer
Para garantir a eficiência e segurança dos processos de limpeza de wafers, uma variedade de equipamentos de limpeza avançados são usados na fabricação de semicondutores. Os principais tipos incluem:
1. Equipamento de limpeza úmida
O equipamento de limpeza úmida inclui vários tanques de imersão, tanques de limpeza ultrassônica e secadores giratórios. Esses dispositivos combinam forças mecânicas e reagentes químicos para remover contaminantes da superfície do wafer. Os tanques de imersão são normalmente equipados com sistemas de controle de temperatura para garantir a estabilidade e eficácia das soluções químicas.
2. Equipamento de lavagem a seco
O equipamento de lavagem a seco inclui principalmente limpadores de plasma, que usam partículas de alta energia no plasma para reagir e remover resíduos da superfície do wafer. A limpeza a plasma é especialmente adequada para processos que exigem a manutenção da integridade da superfície sem introdução de resíduos químicos.
3. Sistemas de limpeza automatizados
Com a expansão contínua da produção de semicondutores, os sistemas de limpeza automatizados tornaram-se a escolha preferida para limpeza de wafers em larga escala. Esses sistemas geralmente incluem mecanismos de transferência automatizados, sistemas de limpeza de vários tanques e sistemas de controle de precisão para garantir resultados de limpeza consistentes para cada wafer.
5. Tendências Futuras
À medida que os dispositivos semicondutores continuam a encolher, a tecnologia de limpeza de wafers evolui em direção a soluções mais eficientes e ecologicamente corretas. As futuras tecnologias de limpeza se concentrarão em:
Remoção de partículas subnanométricas: As tecnologias de limpeza existentes podem lidar com partículas em escala nanométrica, mas com a redução adicional no tamanho do dispositivo, a remoção de partículas subnanométricas se tornará um novo desafio.
Limpeza Verde e Ecológica: Reduzir o uso de produtos químicos prejudiciais ao meio ambiente e desenvolver métodos de limpeza mais ecológicos, como a limpeza com ozônio e a limpeza megassônica, tornar-se-ão cada vez mais importantes.
Níveis mais elevados de automação e inteligência: Os sistemas inteligentes permitirão o monitoramento e o ajuste em tempo real de vários parâmetros durante o processo de limpeza, melhorando ainda mais a eficácia da limpeza e a eficiência da produção.
A tecnologia de limpeza de wafers, como uma etapa crítica na fabricação de semicondutores, desempenha um papel vital para garantir superfícies limpas de wafers para processos subsequentes. A combinação de vários métodos de limpeza remove eficazmente os contaminantes, proporcionando uma superfície de substrato limpa para as próximas etapas. À medida que a tecnologia avança, os processos de limpeza continuarão a ser otimizados para atender às demandas por maior precisão e menores taxas de defeitos na fabricação de semicondutores.
Horário da postagem: 08/10/2024