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半导体清洗工艺介绍:干式清洗与湿式清洁

如果芯片被灰尘颗粒和金属污染,产生短路或开路等,导致集成电路故障和或者损伤几何特性,进而损害芯片中的电路功能。因此,除了在整个生产过程中避免外部污染源外,集成电路制造程序(如高温扩散和离子注入)还需要湿式或干式清洁。干式和湿式清洁工作包括使用化学溶液或气体成功地去除留在晶圆上的灰尘、金属离子和有机杂质,同时保持晶圆的表面和电气特性。

3.1湿法清洗

湿式清洗使用液态化学溶剂和去离子水氧化、蚀刻和溶解晶圆表面污染物、有机碎屑和金属离子污染。通常采用RCA清洗、稀释化学清洗、IMEC清洗。

3.1.1 RCA清洗方法

起初,人们没有使用常规或系统的清洁方法。用于硅片清洗的RCA清洗工艺由RCA(美国无线电公司)于1965年发明,并应用于RCA组件的制造。该清洁程序一直是许多前后清洁流程的基础,未来大多数制造商的清洁流程将基于原始RCA清洁方法。 

为了喷涂、清洁、氧化、蚀刻和溶解晶圆表面污染物、有机物和金属离子污染,而不损害晶圆表面特性,RCA清洁使用溶剂、酸、表面活性剂和水。每次使用化学品后,用超纯水(UPW)彻底冲洗。后期,RCA清洗加入了超声波技术后,可以大限度地减少化学和去离子水的消耗,缩短晶圆在清洗液中的蚀刻时间,减少湿式清洗各向同性对集成电路特性的影响。 

3.1.2稀释化学

当与RCA清洗结合使用时,SC1SC2混合物的稀释化学方法可以节省大量化学品和去离子水。使用稀释RCA清洁方法时,总化学消耗量减少80%。在稀释的SC1SC2溶液和HF中加入超声波搅拌后,可以降低罐内溶液的温度,优化各个清洗步骤的时间,从而延长溶液在罐内的使用寿命,并减少80-90%的化学消耗。实验表明,用热UPW代替冷UPW可以节省75-80%UPW用量。此外,由于低流速和/或清洗时间要求,许多稀释化学剂可以节省大量冲洗水。 

3.1.3 IMEC清洗方法

IMEC清洗方法经常用于湿法清洗,以限制化学品和去离子水的使用。

有机污染物在一阶段被消除,并形成一层薄薄的化学氧化物,以确保有效去除颗粒。通常采用硫酸组合,但出于环境原因,使用臭氧化去离子水,以减少化学水和去离子水的使用,并消除更困难的硫酸浴清洗阶段。但是,使用臭氧化去离子水,更难完全去除HMDS(六甲基二硅氮烷),因为在环境温度下,臭氧可在溶液中以高浓度溶解,反应时间较慢,导致HMDS去除不完全。但是,温度越高,反应速度越快,溶解臭氧浓度越低。因此,必须调整温度和浓度参数,以便更有效地去除有机物质HMDS烘箱应运而生。IMEC清洁工艺可以实现非常低的金属污染,同时由于其化学使用量低且无压印,因此更具成本效益。

3.2干洗

干洗主要是使用气相化学技术去除晶圆表面的杂质,其中热氧化和等离子体清洗是两种常见的气相化学技术。清洁程序包括将高温化学气体或等离子反应气体引入反应室,反应气体在反应室中与晶片表面化学结合,产生挥发性反应产物,并进行真空抽空。常用到是设备是高温退火炉,以及等离子清洗机。

热氧化反应利用高温炉,在密封环境中退火是一种常见的热氧化过程。

等离子体清洗机包括使用激光、微波、热电离和其他方法将无机气体转化为等离子体活性粒子,然后与表面分子结合生成产品分子,以形成与表面分离的气相残留物,并通过真空的方式抽走残留物。

干洗的优点是清洗后不会留下废液,并且可以进行选择性的局部处理。干洗蚀刻的各向异性也使其更容易产生精细的线条和几何元素。但是,气相化学技术无法仅与表面金属杂质发生选择性反应,还可能与硅表面发生反应。并且,不同的挥发性金属组分具有不同的蒸发压力不同的低温挥发性。实验证明,金属化污染物,如铁、铜、铝、锌、镍和其他,可以使用气相化学技术减少,以满足必要的标准。钙也可以利用基于氯离子的化学技术在低温下成功挥发。因此,在特定的温度和时间条件下,不能完全消除所有金属污染物干洗虽然可以解决大量的化学材料和减少非常多环保问题,但是干洗不能完全取代湿洗。清洁目标决定了选择什么样的清洗方式实际过程常常采用干式和湿式清洁程序的组合。常用到的设备有各类惰性气体烘箱(无氧烤箱),等离子清洗机等。