臭氧發生器在半導體清洗中的應用

來源:admin 時間:2022-04-07 20:34:50

在芯片制造過程中,臭氧主要用于清潔晶圓;消除有機物、金屬和顆粒;去除光刻膠;消毒去離子水設施。臭氧清洗總是涉及氧化,工藝差異取決于清洗步驟的主要目的。

去除有機物。許多關于臭氧去除有機物的能力的信息來自于對飲用水和廢水處理的研究。臭氧化去離子水(DIO3)具有很高的氧化潛力,降解有機污染物。其去除效率取決于有機物種類型、臭氧濃度和反應方式。

溶解在超純水中的臭氧在自分解過程中產生OH活性自由基。當臭氧直接分解有機物時,活性自由基間接分解。不同的反應方式導致不同的氧化產物。直接臭氧反應方式是有選擇性的,通常反應速率較慢。間接OH反應快速且不選擇,但必須通過高pH、過氧化氫或紫外線輻射等引發劑激活。雖然需要快速反應,但應避免單獨使用自由基。在許多情況下,活性物質必須直接作用于表面,因為離表面太遠的物質會失活和丟失。

去除金屬和顆粒。DIO3不能單獨有效地去除鐵、鎳、鋁、鎂和鈣等金屬,這些金屬沉積在硅表面,如金屬氫氧化物或金屬氧化物。根據它們的性質,金屬可以與氧化物層或位于Si-SiO2界面中混合。它們可以作為離子交換劑去除酸或溶解氧化物。氫氟酸(HF)可以去除金屬。

如果附著的顆粒是有機的,單獨的DIO3可能足以去除附著的顆粒。然而,通常用稀釋的氫氟酸(DHF)蝕刻顆粒下的氧化物,避免顆粒沉積,以去除二氧化硅上的顆粒。如果大多數顆粒不被DHF溶解,O3作為氧化劑可以產生一層可以被HF蝕刻的新層。硅顆粒和硅表面都是如此。

臭氧發生器在半導體清洗中的應用(圖1)

在硅上形成氧化物層是一個自限制的過程。在室溫下,硅表面的氧化產生氧化物層,其厚度可達1nm左右。薄氧化層的質量取決于其他參數,如濕度。在噴霧和浸漬工具的測試中,初始氧化物的生長率是臭氧濃度的函數。2在浸漬工具中,最終氧化物的厚度取決于初始臭氧濃度和pH值,表明反應限制過程。然而,由于靜電在這些測試中使用了系統,臭氧的衰減和消耗可能會影響結果。

已經發表了幾項關于臭氧與HF、鹽酸(HCL)或兩者結合的清潔過程的研究。在這些研究中,化學品按順序應用或作為噴霧,浸泡浴或單晶片工藝中的混合物應用臭氧水和稀釋氟化氫(SCROD)的單晶片旋轉清洗,稀釋的DHF和DIO3交替分布在旋轉晶片上。根據所需的最終表面條件,該過程以DHF/沖洗或DIO3/沖洗結束,然后在氮氣中旋轉干燥。一分鐘內,三循環過程可去除87%的Al2O3顆粒、97%的Si3N4顆粒和99.5%的聚苯乙烯膠乳顆粒。與同時使用DHF和DIO3相反,重復的SCROD清潔不會增加表面粗糙度。

ASTEC(德國Berg)開發的先進清潔和干燥(ACD)方法利用DHF和O3的混合物將金屬去除和干燥結合到一個過程中。結合使用傳統SC-1清潔劑或表面活性劑的顆粒去除步驟,ACD工藝消耗的化學品比傳統RCA工藝少60%。結果是疏水晶片,如有必要,可直接在DHF/O3浴上方的氣態臭氧中氧化。

去除光刻膠。傳統的濕化學過程依賴于濃硫酸和過氧化氫(SPM)或臭氧(SOM)的結合。去離子水中溶解的臭氧的替代方法提供了環境效益,降低了成本。

DIO3中光刻膠的剝離率隨著臭氧濃度或溫度的增加而增加(在恒定的臭氧濃度下)。不幸的是,隨著溫度的升高,水中飽和臭氧濃度降低,臭氧衰減率增加。必須仔細優化臭氧輸送過程,以實現光刻膠的最大去除率。

臭氧發生器在半導體清洗中的應用(圖2)

文獻報道了幾種在抗腐蝕劑剝離過程中使用臭氧的嘗試。例如,臭氧與熱DI水混合,以達到高臭氧濃度,并添加了去除劑,以防止臭氧腐爛。發現剝離率受到影響。溶解臭氧從大量液體到晶體表面邊界層的傳質速率。通過使用兆聲波攪拌或降低邊界層的厚度,可以減少擴散限制——例如,通過提高晶體的旋轉速度來旋轉工具。為了克服邊界層屏障的影響,研究人員將臭氧氣體與水混合在高溫下的蒸汽中。去除劑的添加和溫度的升高提高了剝離速率。然而,使用濕法清工藝去除光致抗腐蝕劑仍然是一個挑戰,這取決于所使用的抗腐蝕劑的類型和曝光后處理。

消毒。大約一個世紀前,臭氧被引入水處理系統對微生物污染水進行消毒。在半導體領域,臭氧被用于消毒水凈化系統。然而,氯或二氧化氯等用于凈化飲用水的化學物質在IC行業是不可接受的。臭氧的一個優點是它會衰變回氧。然而,在封閉的水凈化系統中,氧濃度可能會積累到高于國際半導體技術路線圖規定的水平。

消毒報告稱,通過將WLGore&Associates(紐瓦克、德國)Gore-Tex膜接觸系統與來自ASTex(德國柏林)的高容量臭氧發生器相結合,實現了溶解氧濃度的降低。16氧濃度為~240獲得ppb。

在過去的幾年里,臭氧在半導體工業中的應用越來越受到重視,尤其是在晶圓清洗過程中。

在半導體行業,清潔度是一個絕對的要求。即使是很小的污染物痕跡也會導致晶圓表面區域結構的變化。自20世紀80年代末以來,臭氧在芯片生產中的清潔過程已經得到了應用。隨著修改和新方法的發展,人們的興趣繼續增加。每個晶圓處理步驟都是潛在的污染源,每個步驟都有其特定類型的污染物。這意味著一個有效的清潔過程包括幾個清潔步驟來去除晶體上的所有污染物。同時,絕對清潔行業要求擴展到設備(臭氧發生器、接觸設備),這意味著沒有顆粒、金屬、離子或有機污染物。

有效芯片清洗過程的要求是去除所有會影響元件功能或可靠性的污染物。可能的污染物可分為以下幾類:

1.顆粒:主要來自周圍環境和人類(皮膚、頭發、衣服),但溶劑和移動部件也可以作為顆粒源。

2.有機雜質:如未完全去除光刻膠或溶劑。

3.原子污染:來自溶劑或機器的金屬元素膜。

臭氧發生器在半導體清洗中的應用(圖3)

晶圓清洗是半導體生產線上最重要、最嚴格的工序之一。在許多清洗過程中,只要一道工序不符合要求,就會導致芯片報廢和工藝不暢。傳統的RCA清洗方法需要大量的化學試劑,這就帶來了成本增加和均勻性不一致的問題。臭氧是一種氧化性很強的氣體,溶解在超純水中,噴灑在晶圓表面。因此,德國ANSEROS安索羅斯臭氧發生器非常適合半導體,尤其是晶圓清洗。


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