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 diminui 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 da limpeza de wafers
O cerne da limpeza do wafer consiste em remover eficazmente vários contaminantes da superfície do wafer por meio de métodos físicos, químicos e outros, para garantir que o wafer tenha uma superfície limpa e adequada para processamento subsequente.
Tipo de Contaminação
Principais influências nas características do dispositivo
| Contaminação de artigos | Defeitos de padrão
Defeitos de implantação iônica
Defeitos de ruptura da película isolante
| |
| Contaminação Metálica | Metais alcalinos | Instabilidade do transistor MOS
Ruptura/degradação do filme de óxido de porta
|
| Metais Pesados | Aumento da corrente de fuga reversa da junção PN
Defeitos de ruptura do filme de óxido de porta
Degradação da vida útil dos portadores minoritários
Geração de defeitos na camada de excitação de óxido
| |
| Contaminação Química | Material orgânico | Defeitos de ruptura do filme de óxido de porta
Variações do filme CVD (tempos de incubação)
Variações na espessura do filme de óxido térmico (oxidação acelerada)
Ocorrência de neblina (bolacha, lente, espelho, máscara, retículo)
|
| Dopantes inorgânicos (B, P) | Transistor MOS Vth shifts
Variações de resistência do substrato de Si e da folha de poli-silício de alta resistência
| |
| Bases inorgânicas (aminas, amônia) e ácidos (SOx) | Degradação da resolução de resinas amplificadas quimicamente
Ocorrência de contaminação por partículas e névoa devido à geração de sal
| |
| Filmes de Óxido Nativo e Químico Devido à Umidade, Ar | Aumento da resistência de contato
Ruptura/degradação do filme de óxido de porta
| |
Especificamente, os objetivos do processo de limpeza de wafers incluem:
Remoção de Partículas: Utilizando 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 Matéria Orgânica: Contaminantes orgânicos, como gordura e resíduos de fotorresistentes, podem aderir à superfície do wafer. Esses contaminantes são normalmente removidos com 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 subsequentes do processamento. 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 o 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 wafers está na remoção eficiente de contaminantes sem afetar negativamente a superfície do wafer, evitando, por exemplo, aspereza, corrosão ou outros danos físicos.
2. Fluxo do processo de limpeza de wafers
O processo de limpeza de wafers normalmente envolve várias etapas para garantir a remoção completa de contaminantes e obter uma superfície totalmente limpa.
Figura: Comparação entre limpeza em lote e limpeza de wafer único
Um processo típico de limpeza de wafers 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 feito 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, facilitando sua remoção.
2. Limpeza Química
A limpeza química é uma das principais etapas do processo de limpeza do wafer, usando soluções químicas para remover materiais orgânicos, íons metálicos e óxidos da superfície do wafer.
Remoção de Matéria Orgânica: Normalmente, utiliza-se acetona ou uma mistura de amônia/peróxido (SC-1) para dissolver e oxidar contaminantes orgânicos. A proporção típica para a solução de SC-1 é NH₄OH.
₂O₂
₂O = 1:1:5, com uma temperatura de trabalho em torno de 20°C.
Remoção de Íons Metálicos: Ácido nítrico ou misturas de ácido clorídrico/peróxido (SC-2) são usadas para remover íons metálicos da superfície do wafer. A proporção típica para a solução de 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 nativo da superfície do wafer, para a qual é utilizada uma solução de ácido fluorídrico (HF). A proporção típica para a solução de 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 ozonizada (O₃/H₂O) é usada para remover ainda mais quaisquer contaminantes restantes da superfície do wafer.
4. Secagem
Os wafers limpos devem ser secos rapidamente para evitar marcas d'água ou a refixação de contaminantes. Os métodos comuns de secagem incluem a centrifugação e a purga de nitrogênio. O primeiro remove a umidade da superfície do wafer por meio de centrifugação em alta velocidade, enquanto o segundo garante a secagem completa, soprando nitrogênio gasoso seco sobre a superfície do wafer.
Contaminante
Nome do procedimento de limpeza
Descrição da mistura química
Produtos químicos
| Partículas | Piranha (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio/água desionizada | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amônio/peróxido de hidrogênio/água desionizada | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| Metais (não cobre) | SC-2 (HPM) | Ácido clorídrico/peróxido de hidrogênio/água desionizada | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C |
| Piranha (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio/água desionizada | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C | |
| DHF | Ácido fluorídrico diluído/água deionizada (não removerá o cobre) | HF/H2O1:50 | |
| Orgânicos | Piranha (SPM) | Ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio/água desionizada | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C |
| SC-1 (APM) | Hidróxido de amônio/peróxido de hidrogênio/água desionizada | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C | |
| DIO3 | Ozônio em água deionizada | Misturas Otimizadas de O3/H2O | |
| Óxido nativo | DHF | Ácido fluorídrico diluído/água desionizada | 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 wafers mais clássicas da indústria de semicondutores, desenvolvido 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 realizado 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, utilizando uma mistura de ácido clorídrico, peróxido de hidrogênio e água. Ela deixa uma fina camada de passivação na superfície do wafer para evitar recontaminação.
2. Método de limpeza de piranha (limpeza de piranha)
O método de limpeza Piranha é uma técnica altamente eficaz para a remoção de materiais orgânicos, utilizando uma mistura de ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio, normalmente na proporção de 3:1 ou 4:1. Devido às propriedades oxidantes extremamente fortes dessa solução, ela pode remover uma grande quantidade de matéria orgânica e contaminantes persistentes. 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. Comparada à limpeza ultrassônica tradicional, a limpeza megassônica opera em uma frequência mais alta, permitindo a remoção mais eficiente de partículas submicrométricas sem causar danos à superfície do wafer.
4. Limpeza com 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 dispensa o uso de reagentes químicos caros e causa menos poluição ambiental, tornando-se uma tecnologia emergente na área de limpeza de wafers.
4. Equipamentos para processo de limpeza de wafers
Para garantir a eficiência e a segurança dos processos de limpeza de wafers, diversos equipamentos avançados de limpeza são utilizados na fabricação de semicondutores. Os principais tipos incluem:
1. Equipamentos de limpeza úmida
Os equipamentos de limpeza úmida incluem diversos tanques de imersão, tanques de limpeza ultrassônica e secadores centrífugos. 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 a eficácia das soluções químicas.
2. Equipamentos de lavagem a seco
Os equipamentos de limpeza a seco incluem principalmente limpadores de plasma, que utilizam partículas de alta energia no plasma para reagir e remover resíduos da superfície do wafer. A limpeza por plasma é especialmente adequada para processos que exigem a manutenção da integridade da superfície sem a 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 a limpeza de wafers em larga escala. Esses sistemas geralmente incluem mecanismos de transferência automatizados, sistemas de limpeza multitanque 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 está evoluindo para 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 ecológica e sustentável: Reduzir o uso de produtos químicos prejudiciais ao meio ambiente e desenvolver métodos de limpeza mais sustentáveis, como limpeza com ozônio e limpeza megassônica, se tornarão cada vez mais importantes.
Níveis mais altos de automação e inteligência: 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 etapa crítica na fabricação de semicondutores, desempenha um papel vital na garantia da limpeza das superfícies dos wafers para os processos subsequentes. A combinação de vários métodos de limpeza remove contaminantes de forma eficaz, proporcionando uma superfície de substrato limpa para as etapas seguintes. 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