Жидкостная химическая очистка (ЖХО)
В процессе производства полупроводниковых пластин и интегральных схем поверхность материала неизбежно загрязняется различными типами загрязнений: частицами, органическими остатками, металлическими примесями и природными оксидами. Жидкостная химическая очистка (ЖХО) — это ключевой технологический процесс удаления таких загрязнений с использованием комбинации химических растворов и физических воздействий. На долю жидкостной очистки приходится более 90 % всех этапов очистки в современном полупроводниковом производстве.
Описание технологического процесса
При производстве подложек и интегральных схем жидкостная обработка преимущественно производится двумя типами оборудования:
- групповой обработки пластин (Wet Bench);
- поштучной обработки (Single Wafer Cleaning).
Установки Wet Bench обладают специальным загрузочным модулем на входе, в котором робот-манипулятор извлекает пластины из транспортной кассеты и переносит в специальную процессную кассету для дальнейшей транспортировки по ваннам обработки. После каждой ванны кассета перемещается в модуль промывки (QDR) для смывки остатков химии перед следующей ванной.
Ванны могут обладать трансдьюсером для ультра- и мегазвуковой гидромеханической очистки (ГМО) в диапазоне частот от нескольких десятков до более тысячи кГц в зависимости от требований к размерам удаляемых частиц. В конце установки находятся модули финишной промывки (OFR) и вращательной сушки (SRD) или сушки Марангони, после чего пластины вновь загружаются в транспортные кассеты. В системах Single Wafer Cleaning пластины обрабатываются по одной в процессной камере с использованием жидких химикатов, деионизированной воды и физических методов очистки.
При производстве пластин первая обработка необходима сразу после отклейки пластин от носителя после резки слитков. Первым делом требуется удаление остатков эпоксидного клея при помощи специальных растворителей (в том числе на основе ацетона или изопропилового спирта IPA), обработка в щёлочи для травления нарушенного слоя пластины и так называемые RCA-очистки — Standard Clean (SC), необходимые для удаления запекшихся на поверхности остатков прочих частиц и металлов. Ими являются SC1 (водный раствор смеси NH4OH:H2O2) и SC2 (водный раствор HCl:H2O2). Применяется и травление в растворах HF (обработка DHF) для удаления остатков металлов при мехобработке и химической полировке благодаря мягкому травлению поверхности.
Для производства интегральных схем используют как SC1 и SC2, так и дополнительные типы очисток между технологическими этапами. Очистка после литографии требует удаления остатков фоторезиста при помощи органических растворителей (ацетон, N-метилпирролидон — NMP) или кислотных смесей типа «пиранья» (Piranha Etch, H2SO4:H2O2 в соотношении 3:1 или 4:1). Очистка после травления необходима для удаления остатков травильных газов и побочных продуктов реакции: применяют растворы разбавленной плавиковой кислоты (DHF
В современных установках Single Wafer Cleaning применяются методы нанесения химикатов непосредственно на вращающуюся пластину через сопла с переменным потоком, давлением и температурой и часто характеризуется более высокой концентрацией реагентов.
Области применения
Подобные процессы обработки полупроводниковых подложек применяют в микроэлектронике там, где необходимо получение высоких параметров чистоты и бездефектности поверхности полупроводниковых и эпитаксиальных подложек для устройств ИС, МЭМС, силовой электроники, оптоэлектроники и прочих подобных применений. В производстве интегральных схем ЖХО используют на сотнях этапов технологического маршрута: после литографии, травления, депозиции, CMP и перед критическими процессами.
Wet Bench-процесс широко используют в BEOL (Back-End-Of-Line) для получения высокой производительности при обработке больших партий пластин. Single-wafer-процесс чаще применяют в FEOL (Front-End-Of-Line) для получения высокой точности при формировании наноразмерных структур. Для устройств с нанометровой топологией и менее поштучная обработка пластин становится предпочтительным методом из-за лучшей контролируемости процесса и меньшего риска перекрёстного загрязнения.
Помимо применений для полупроводников такие виды обработки актуальны и для слитков прочих материалов, используемых, например, в оптике. Так, подобные методики применяют в производстве кварцевых / стеклянных фотошаблонов, обработке пластин и изделий из керамик, очистке оснастки установок, точных деталей и т. д. В производстве солнечных панелей ЖХО используют для очистки кремниевых пластин перед нанесением антиотражающих покрытий и контактов.
Основные сложности процесса
Необходим грамотный и точный подбор типов и концентраций реагентов, температурных и гидромеханических (звуковых) режимов мойки для достижения наибольших чистоты и однородности поверхности без ухудшения параметров пластин и существенного увеличения времени процессов. Более того, ввиду использования в процессах ЖХО сильных кислот, щелочей и прочих токсичных и по-иному опасных реагентов для подобных производств необходима утилизация отходов в виде жидких и газообразных остатков процессных растворов и продуктов реакции.
Это вызывает необходимость герметизации камер с ваннами, наличия скрубберов, поддержания чистоты помещений и выполнения дополнительных мер предосторожности. Для более быстрой, эффективной и качественной автоматической доставки реагентов до POU (Point of Use) применяют системы распределения жидких реагентов (CDS), которые служат также и для их перемешивания и подготовки растворов, термостабилизации и безопасного хранения.
Ключевая проблема — баланс между эффективностью удаления частиц и сохранением целостности наноразмерных структур. При уменьшении топологических размеров механическое воздействие щёток или ультразвука может повредить хрупкие структуры, что требует разработки новых химически-селективных методов очистки. Загрязнение суспензии продуктами очистки или частицами от износа оборудования может привести к появлению неустранимых дефектов и снижению выхода годных.
Полировка полупроводниковых пластин
После процессов лэппинга поверхность пластины всё ещё не достигает требуемого качества для последующего эпитаксиального роста и непосредственного производства интегральных схем. Остаточная шероховатость, микроскопические дефекты и нарушения кристаллической решётки в приповерхностном слое требуют финальной доводки. Полировка пластин представляет собой процесс, который позволяет достигать практически идеальной гладкости поверхности на субнанометровом уровне.
Описание технологического процесса
Полировка полупроводниковых пластин осуществляется на специализированных установках односторонней (с удержанием пластин на нескольких — 2 или 4 — полировальных головах на носителе) или двухсторонней полировки (установки и принцип в целом подобны лэппингу, но используются другие суспензии и диски). В процессе CMP сочетаются химическое и механическое воздействие: химическая реакция ослабляет атомные связи на поверхности материала, а механическое абразивное воздействие удаляет ослабленный слой. Пластина прижимается к полировальному паду (салфетке) с определённым давлением, при этом между поверхностью пластины и падом подаётся полировальная суспензия.
Процесс полировки традиционно проводится в два-три этапа с последовательным уменьшением размера частиц абразива и изменением химического состава суспензии. Первый этап — черновая полировка — использует относительно грубые абразивы (например, на основе Al2O3) для быстрого снятия материала и устранения дефектов предыдущих операций. На последующих этапах применяются более тонкие суспензии на основе коллоидного кремнезёма (SiO₂) или оксида церия (CeO₂) в щелочной матрице для достижения финального качества поверхности.
В ходе полировки достигается один из ключевых параметров поверхности пластины — шероховатость (Ra/Sa) доводится до уровня менее 0,5 нм, что обеспечивает её зеркальное качество.
Полировальные пады изготавливают из полиуретановых материалов с контролируемой пористостью и твёрдостью. Суспензии содержат абразивные частицы размером от нескольких десятков до сотен нанометров в зависимости от этапа полировки. Химический компонент суспензии (обычно щелочной раствор с добавлением окислителей) обеспечивает химическую модификацию поверхности для облегчения механического удаления материала.
После завершения полировки пластины проходят обязательную финишную отмывку в установках жидкостной химической обработки для удаления остатков суспензии и продуктов реакции.
Области применения
Процессы полировки критически важны для производства полупроводниковых подложек класса «Prime», используемых в микроэлектронике для формирования наноразмерных топологических элементов. В производстве процессоров и памяти с топологией на нанометровом уровне требуется бездефектная поверхность с шероховатостью на уровне долей нанометра для обеспечения надёжности тонких затворных диэлектриков.
В силовой электронике полировку применяют для подготовки подложек IGBT и MOSFET-структур, где качество поверхности влияет на параметры эпитаксиальных слоёв. Для соединений A3B5 (GaAs, InP) и материалов III поколения (SiC, GaN) используют специализированные суспензии, адаптированные под их химические и механические свойства.
Помимо полупроводников методики химико-механической полировки актуальны для оптической промышленности — это полировка кварцевых фотошаблонов, сапфировых подложек для светодиодов, изделий из специальной керамики и стекла. В производстве жёстких дисков — для планаризации магнитных пластин. В солнечной энергетике полировка применяется реже из-за экономических соображений, однако для высокоэффективных фотоэлементов качество поверхности остаётся важным параметром.
Основные сложности процесса
Ключевая проблема полировки — обеспечение равномерности съёма материала по всей поверхности пластины. Неравномерное распределение давления или суспензии приводит к вариациям толщины и ухудшению параметров TTV и плоскостности. Для стабильности процесса необходимы специальные системы распределения суспензий (SDS), которые поддерживают требуемые расход, однородность концентрации абразива, температуру и pH.
Другая сложность заключается в подборе оптимальных параметров процесса для различных материалов. Скорость вращения полировального диска, давление прижима, состав и концентрация суспензии должны быть точно настроены под конкретный материал пластины. Для твёрдых материалов (SiC, сапфир) время процесса значительно увеличивается, а износ полировальных падов возрастает, что повышает стоимость обработки.
Кроме того, требуется тщательный контроль состояния полировальных падов: по мере износа их поверхность кондиционируется алмазными дисками для восстановления шероховатости и пористости. Загрязнение суспензии продуктами полировки или частицами от износа пада может привести к появлению глубоких царапин и неустранимых дефектов поверхности. Необходимы также регулярная замена суспензии и фильтрация для поддержания стабильности процесса.
Наконец, управление большими партиями пластин требует точной синхронизации всех этапов полировки с последующими процессами отмывки и инспекции для предотвращения простоя оборудования. Полировальные установки могут интегрироваться в общую систему автоматизированного управления производством (APC) для мониторинга тенденций и оперативной корректировки параметров процесса на основе данных метрологии. Аспекты экологии и безопасности также важны — отработанные суспензии требуют специальной утилизации из-за содержания химических реагентов и абразивных частиц.
Утонение полупроводниковых пластин
Важным параметром формы полупроводниковых пластин на каждом этапе производства устройств является толщина. Это справедливо как для пластин после проволочной резки при их производстве, когда резка не обеспечивает требуемой для следующих технологических процессов геометрии, так и после формирования на подложках готовых чипов, когда им не нужна вся толщина подложки в своей конструкции для использования в конечном устройстве. И в том, и в другом случае может потребоваться процесс обработки пластин связанным абразивом, так называемый grinding или утонение.
Общее описание процесса
Утонение — это обработка единичной пластины при помощи чашеобразной шлифовальной головы с прикреплёнными к ней алмазными абразивными блоками.
Черновая пластина удерживается на столе при помощи вакуумного держателя (чака) либо приклеивается твёрдым или жидким адгезивом на микропористый керамический носитель, что чаще применимо к обработке сразу нескольких пластин меньшего диаметра. Пластины же с готовой структурой, утоняемые с обратной стороны, как правило крепятся на плёнку с рабочей стороны и с её помощью удерживаются на специальном носителе (что наиболее удобно для автоматических процессов) либо также могут приклеиваться на керамический как и в первом случае. Перед началом процесса контактный датчик измеряет толщину пластины в нескольких точках.
Затем утоняющая голова начинает вращаться и опускаться вниз к держателю с пластиной, который вращается в противоположном направлении. При контакте головы с пластиной подаётся деионизованная вода в качестве СОЖ. Голова в большинстве современных конструкций установок утонения находится над пластиной таким образом, что абразивные блоки, расставленные по окружности головы, примерно пересекают центр пластины. Таким образом обрабатывается вся её площадь. Утонение может происходить ступенчато с, как правило, уменьшающейся нагрузкой на шпиндель для постепенно более тонкой обработки. При достижении необходимой толщины процесс заканчивается, голова поднимается, и пластина готова к снятию со стола.
На скорость обработки и шероховатость поверхности влияют зернистость абразива и, как уже упомянуто, нагрузка на шпиндель. Для первых ступеней удаления грубых дефектов поверхности и выравнивания геометрии пластины применяется и более грубый абразив, когда как для более тонкой обработки и уменьшения шероховатости поверхности используют головы с большей дисперсностью абразива и большим числом зернистости.
Современные установки утонения могут поддерживать ручную загрузку и выгрузку, и также иметь полностью автоматические роботизированные конфигурации для работы с открытыми кассетами или SMIF-/FOUP-контейнерами, обладать несколькими (2 и более) шпинделями для обработки головами разной тонкости абразива в одной машине
Основные применения
Утонение пластин имеет два основных применения:
- При производстве подложек в качестве первичной обработки помогает быстро и эффективно доводить параметры Warp, Bow и толщины, а также грубых следов реза. При использовании голов с более тонким абразивом может также выводить шероховатость на уровень до
10-20 нм, что в производстве встречается как замена других типов обработки. На современных производствах пластин 200 и 300 мм применяется grinding с обеих сторон. - При утонении пластин с готовой структурой с обратной стороны, когда перед резкой и процессами сборки необходимо убрать ненужную в чипе толщину подложки, которая влияет, например, на теплопередачу и габариты конечного устройства.
Такие процессы обработки полупроводниковых подложек применяются для устройств ИС, МЭМС, силовой электроники, оптоэлектроники и прочих подобных применений, требующих формирования множества микро- и наноразмерных топологических элементов в схеме устройства.
Основные сложности процесса
При процессе утонения из-за сравнительно больших нагрузок на пластину при данном типе мехобработки важно не допустить перегрузки усилия шлифовальной головы, что может привести к дефектам и поломке пластины. Ввиду этого применяют систему акустического контроля колебаний при обработке и автоматическую систему экстренной остановки процесса.
Важным нюансом является создание максимальной параллельности удержания пластины. При удержании пластины на вакууме или адгезиве необходимо уделять внимание однородности прижима или приклейки.
Химико-механическая полировка слоёв интегральных схем (CMP)
В процессе производства современных интегральных схем после нанесения различных функциональных слоёв (диэлектрики, металлы, барьерные материалы) поверхность пластины приобретает значительную топографию из-за наличия ранее сформированных структур. Неровности поверхности препятствуют формированию последующих слоёв и межсоединений, поскольку фотолитография требует высокой плоскостности для обеспечения разрешения и фокусировки. Химико-механическая планаризация (CMP) — это ключевой процесс выравнивания поверхности различных материалов между уровнями металлизации, обеспечивающий возможность создания многослойных структур современных микропроцессоров и устройств памяти.
Описание технологического процесса
Процесс CMP для различных слоёв осуществляется на специализированных установках химико-механической планаризации, где пластина прижимается к полировальному паду с контролируемым давлением. В зону обработки подаётся полировальная суспензия, содержащая абразивные частицы (как правило, коллоидный SiO2 или оксид алюминия Al2O3) в химически активной матрице. Химический компонент суспензии модифицирует поверхность материала (окисляет металл или гидратирует диэлектрик), делая её более мягкой для механического удаления абразивными частицами.
Процесс CMP для различных материалов проводится в несколько этапов с различными параметрами съёма материала. В первом — основная планаризация — используются суспензии с высокой скоростью съёма для быстрого удаления избыточного материала над рельефными структурами. На втором этапе — финишная полировка — применяются более тонкие суспензии с пониженным давлением для достижения требуемой шероховатости поверхности и минимизации дефектов. Третий этап может включать очистку поверхности от остатков абразива и химических реагентов. В установки CMP нередко включена собственная линия отмывки пластин с полимерными щётками.
Для диэлектрических слоёв (оксид кремния, low-k материалы) применяют суспензии на основе коллоидного оксида кремния в щелочной матрице (pH
Для металлических слоёв (медь, вольфрам, алюминий) используют специализированные суспензии с окислителями и комплексообразователями. В процессе медного CMP сначала удаляется основная масса меди, затем полируется барьерный слой (тантал, нитрид тантала), и наконец производится полировка диэлектрика для удаления остатков металла. Селективность между медью, барьером и диэлектриком критически важна для предотвращения образования микронеровностей.
Параметры процесса включают давление прижима пластины, скорость вращения полировального диска и пластины, расход и состав суспензии, температуру процесса. Процесс контролируется по времени, мощности двигателя шпинделя или с использованием систем in-situ метрологии для определения момента достижения стоп-слоя. После завершения полировки пластины проходят обязательную отмывку в установках жидкостной химической обработки для удаления частиц абразива и продуктов реакции.
Области применения
Процессы CMP критически важны для производства современных интегральных схем с многослойной металлизацией (до
В процессе формирования медных межсоединений по технологии дамасского процесса (Damascene) CMP применяют для планаризации межуровневого диэлектрика (ILD) и межметаллического диэлектрика (IMD) перед литографией следующего уровня. Для вольфрамовых контактов и via-CMP — для удаления избыточного вольфрама с остановкой на диэлектрике.
Для low-k диэлектриков с пониженной диэлектрической проницаемостью (k < 3,0) используют специализированные суспензии и режимы CMP, учитывающие механическую хрупкость таких материалов. В технологии 3D-NAND флеш-памяти CMP используется многократно для планаризации многочисленных чередующихся слоёв оксида и нитрида перед формированием вертикальных каналов.
Помимо логических ИС и памяти, методики CMP применяют в производстве МЭМС-устройств, где требуется высокая плоскостность для формирования подвижных структур. Для устройств с нанометровой топологией CMP остаётся одним из ключевых процессов, определяющих выход годных продукции. Для композитных полупроводников (SiC, GaN) CMP является стандартным методом финишной обработки, сочетающим механическое удаление материала и химическое модифицирование поверхности.
Основные сложности процесса
Ключевая проблема CMP — эффект «дишинга», возникающий из-за различной плотности паттернов на поверхности пластины. Области с высокой плотностью структур полируются медленнее, чем области с низкой плотностью, что приводит к локальным вариациям толщины материала и ухудшению плоскостности. Для компенсации этого эффекта применяют методы dummy fill — добавление ложных структур для выравнивания плотности паттерна по площади пластины.
Другая сложность заключается в предотвращении дефектов поверхности: царапин, остатков абразива, коррозии и загрязнений. Частицы абразива размером в десятки нанометров могут вызывать глубокие царапины на мягких материалах, что требует тщательного подбора размера и твёрдости абразивных частиц. Загрязнение суспензии продуктами полировки или частицами от износа пада может привести к появлению неустранимых дефектов и снижению выхода годных.
Кроме того, требуется точный контроль момента окончания полировки — система End-Point detection (EPD) — для предотвращения переполировки и повреждения стоп-слоя. Системы in-situ метрологии (оптические, электрохимические, по мощности двигателя) должны обеспечивать точность определения конца процесса на уровне нескольких нанометров. Для стабильности процесса необходимы специальные системы распределения суспензий (SDS), которые поддерживают требуемые расход, однородность концентрации абразива, температуру и pH.
Наконец, управление большими партиями пластин требует точной синхронизации всех этапов CMP с последующими процессами отмывки и инспекции для предотвращения простоя оборудования.
Лэппинг (двухсторонняя шлифовка) полупроводниковых пластин
После первичной механической обработки и резки слитков на черновые пластины поверхность подложек остаётся недостаточно ровной для последующих этапов производства. Нарушенный микротрещиноватый слой, значительные отклонения геометрии (TTV, Warp, Bow) и высокая шероховатость требуют дополнительной доводки. Лэппинг представляет собой процесс двухсторонней шлифовки, который позволяет одновременно обрабатывать обе стороны пластины, обеспечивая высокую параллельность поверхностей и равномерное снятие напряжений материала.
Описание технологического процесса
Лэппинг осуществляется на специализированных двухсторонних шлифовальных установках с планетарной системой держателей (сепараторов). Пластины размещаются в ячейках сепаратора, который вращается между двумя чугунными шлифовальными дисками. Верхний диск обычно является плавающим, а не жёстко закреплённым, что обеспечивает равномерное распределение давления по поверхности всех пластин в партии. В зону обработки подаётся абразивная суспензия, содержащая частицы Al2O3, SiC или алмаза в зависимости от твёрдости обрабатываемого материала.
Процесс лэппинга традиционно проводится в два-три этапа на разных установках с последовательным уменьшением размера зерна абразива. На первом этапе используют более крупное зерно (например,
В ходе лэппинга достигаются ключевые геометрические параметры пластины: отклонение толщины (TTV) доводится до уровня
Для материалов повышенной твёрдости, таких как карбид кремния (SiC) и сапфир, применяют модифицированные процессы лэппинга с использованием полуфиксированных абразивов или алмазных суспензий специального состава. В некоторых случаях используют кросс-шлифование (cross grinding), которое обеспечивает лучшую шероховатость поверхности по сравнению с параллельным шлифованием. После завершения лэппинга пластины проходят обязательную отмывку для удаления абразивных частиц перед переходом к финишной полировке.
Области применения
Процессы лэппинга критически важны для производства полупроводниковых подложек, где это наиболее экономически эффективный способ выравнивания плоскопараллельной геометрии пластин. В микроэлектронике лэппинг применяют для подготовки кремниевых пластин под эпитаксиальные процессы, где требуются высокие параметры плоскостности для формирования наноразмерных топологических элементов.
В силовой электронике лэппинг используют для обработки пластин IGBT- и MOSFET-структур, где однородность толщины напрямую влияет на электрические характеристики готовых приборов. Для соединений A3B5 (GaAs, InP) используют двухсторонний одновременный лэппинг, позволяющий снизить коробление и повысить точность геометрии. В производстве карбида кремния для электромобильной электроники лэппинг является обязательным этапом перед химико-механической полировкой.
Помимо полупроводников, методики лэппинга актуальны для оптической промышленности: обработки кварцевых фотошаблонов, сапфировых подложек для светодиодов, керамических изделий и прецизионных деталей из различных материалов. В солнечной энергетике лэппинг применяется для утонения кремниевых пластин с сохранением достаточной механической прочности.
Основные сложности процесса
Ключевая проблемой лэппинга — обеспечение равномерности съёма материала по всей поверхности пластины и по всей партии одновременно обрабатываемых подложек. Неравномерное распределение давления или абразивной суспензии приводит к вариациям TTV и ухудшению плоскостности. Для стабильности процесса необходимы специальные системы распределения суспензий (SDS), которые поддерживают требуемые расход, однородность концентрации абразива и температуру.
Другая сложность заключается в подборе оптимальных параметров процесса для различных материалов. Скорость вращения дисков, давление прижима, концентрация и размер зерна абразива должны быть точно настроены под конкретный материал пластины. Для твёрдых материалов (SiC, сапфир) время процесса значительно увеличивается, что снижает общую производительность линии.
Кроме того, требуется тщательный контроль чистоты процесса: частицы крупного абразива должны быть полностью удалены перед переходом на более тонкие стадии обработки, иначе возникает риск глубоких царапин и неустранимых дефектов поверхности. Необходимо также регулярное кондиционирование шлифовальных дисков для поддержания их плоскостности и шероховатости рабочей поверхности. Наконец, управление большими партиями пластин требует точной синхронизации всех этапов лэппинга с последующими процессами отмывки и инспекции для предотвращения простоя оборудования и обеспечения непрерывности производственного цикла.
