Химической обработки

В зависимости от уровня технологии, требуемого уровня чис­тоты и состояния поверхности применяются различные методы проведения процесса химической обработки.

Погружение в растворы. Для реализации процессов химиче­ской обработки в технологии СБИС уровня 0,8 – 1,2 мкм применя­ется метод погружения структур в ванны с рабочими растворами. Комплект оборудования для операций химической обработки со­стоит из ванн различного назначения, скомпонованных в единую технологическую линию [9,57]. В технологическую ванну залива­ется химический раствор, в котором производится обработка, к примеру, смесью H₂SO₄/H₂O₂. Оборудование разделено на не­сколько комплексов в соответствии с видом "жидкостной" обра­ботки и смежной технологической операции.

У поверхности полупроводниковой кремниевой пластины, об­рабатываемой в химическом растворе, всегда находится пленка не­подвижного граничного слоя, которая экранирует поверхность от воздействия химического реагента. Толщина этой пленки достигает величины 100 мкм и более в зависимости от топологического рель­ефа и химических свойств поверхности. Это является причиной сравнительно низкой эффективности обработки [58,59]. Для увели­чения эффективности обработки применяют методы физического воздействие на загрязнения, среди которых: обработка кистями с подачей моющего раствора, воздействие высокого давления струи моющего раствора, ультразвуковая, мегазвуковая обработки.

Мегазвуковая обработка. Установка мегазвуковой (МЗ) очи­стки обычно состоит из рабочей ванны и ванны отмывки [60]. Зву­ковые волны 0,8–1,0 МГц генерируются в рабочей ванне рядом пьезоэлектрических излучателей и имеют мощность порядка 5 - 10 Вт/см² [12]. Удаление частиц загрязнений с поверхности подложки при мегазвуковой обработке достигается в основном за счет уменьшения толщины граничного акустического слоя до уровня микрометров за счет воздействия микропотоков. Моющая жидкость проникает в область контакта поверхности и загрязнения, силы адгезии ослабевают, и частица переходит в объем раствора [61]. С уменьшением кинематической вязкости очищающего рас­твора и увеличением частоты и мощности звуковых колебаний толщина граничного слоя уменьшается [62].

Ультразвуковая обработка. При использовании ультразвуко­вых (УЗ) волн с частотами 20–50 кГц устранение загрязнений вы­зывает кавитационный эффект. При использовании УЗ волн в рас­творе, омывающем пластину, создаются переменные сжимающие и растягивающие напряжения, под действием которых образуются кавитационные пузырьки. Явление кавитации заключается в "схло­пывании" газовых пузырьков, образующихся при сжатии и расши­рении жидкости [63]. Недостатком метода является вероятность разрушения обрабатываемых подложек.

Обработка струей жидкости высокого давления. С помощью струи моющей жидкости, подающейся из сопла (0,1 мм) при высо­ком давлении (20 – 200 кг/см²), проводится очистка поверхности подложек от загрязнений. Очистка поверхности происходит при воздействии на загрязнения струи с силой, превышающей силы ад­гезии. Чем больше вязкость жидкости, тем большее действие ока­зывает струя на частицы загрязнений, но тем больше вероятность повреждения поверхности. При использовании данного метода об­работки наибольшие трудности заключаются в возникновении ста­тического электричества на поверхности структур и, как следствие, высокого уровня остаточных загрязнений [64].

Аэрозольно-капельное распыление растворов. В случае кон­такта полупроводниковой пластины с воздухом производственных помещений при транспортировке, различных манипуляциях на по­верхности структур осаждается несколько молекулярных слоев жидкости [33]. Осаждение загрязнений между технологическими операциями является существенной проблемой, которая решается проведением всех технологических операций (обработка, про­мывка, сушка) в закрытой камере [36,65]. Такое условие реализо­вано в центрифужной обработке подложки аэрозольно-капельным распылением растворов. Химические реагенты, вода в необходи­мой пропорции и определенной последовательности подаются в виде аэрозоля на вращающиеся структуры. Все процессы обра­ботки, сушки проходят в автоматическом режиме по заданной про­грамме. Так как под действием центробежных сил происходит сброс с пластин продуктов реакции, на поверхности всегда нахо­дится пленка свежего раствора. Основными преимуществами дан­ного метода обработки пластин являются повышенная безопас­ность, производительность, эффективность очистки [66].

Кистевая обработка. Используется очистка кистями, при кото­рой Si пластины поочередно проходят процесс удаления загрязне­ний с лицевой поверхности механическим воздействием кисти с подачей моющего раствора (например, сильно разбавленного вод­ного раствора аммиака) [12,67]. Существуют различные мнения о влиянии конструкции частей агрегата, силы прижима кисти на эф­фективность отмывки. Возможно применение систем очистки с двухсторонней обработкой пластин щетками [67]. Однако сущест­венный недостаток метода заключается в возможности поврежде­ния поверхности под действием прижима кисти.

Рис.2.9. Зависимость уровня остаточных загрязнений на поверхности Si пла­стин диаметром 150 мм от количества циклов обработки различными методами: 1 – погружением в растворы по стандартной методике; 2 – с применением мега-звуковой энергии в растворе NH₄OH/H₂O₂/H₂O; 3 – аэрозольно-капельным распы­лением растворов H₂SO₄/H₂O₂; H₂O/HF; NH₄OH/H₂O₂/H₂O; HCl/H₂O₂/H₂O

Рассматривались следующие "жидкостные"процессы химической обработки, применяемые в настоящее время на отечественных микроэлектронных предприятиях:

- погружение в растворы – последовательная обработка в смеси H₂ SO₄/H₂O₂ с соотношением компонентов 7:3, при температуре 130 °С, в течение 3 мин; затем в NH₄OH/H₂O₂/H₂O (1:1:6,5), 65 °С;

- мегазвуковая обработка – использовался раствор NH₄OH/H₂O₂/H₂O (1:1:6,5), 20 °С, 10 мин; частота волн 850 кГц, мощность излучателя 250 Вт;

- аэрозольно-капельное распыление растворов H₂SO₄/H₂O₂(4:1), 110 °С, 90 с; H₂O/HF (1:100), 20 °С, 60 с; NH₄OH/H₂O₂/H₂O (1:2:12), 60 °C, 250 с; HCl/H₂O₂/H₂O (1:2:12), 60 °C, 160 с.

Исследования остаточных загрязнений Si пластин после различ­ных методов химической обработки показали, что обработка аэро­зольно-капельным распылением растворов и обработка с примене­нием мегазвуковой энергии предпочтительнее других методов.

2.5.3. "Сухая" химическая обработка

Другим подходом к процессам травления и очистки поверхно­сти полупроводниковых пластин является применение "сухих" ме­тодов обработки. Указанные методы развиваются и находят ши­рокое применение в современном производстве ИС [68, 69]. Име­ется тенденция замены в будущем "жидкостной" химической обра­ботки на "сухую" [70]. С повышением степени сложности процес­сов, применяемых при изготовлении структур, стали применяться новые типы фоторезиста, удаление которых в процессе "жидкост­ной" обработки постепенно становится неэффективным. С умень­шением B_min ИС до 0,18 мкм связано появление новых технологий травления. На поверхности остаются загрязнения, которые не мо­гут быть удалены при помощи "жидкостных" методов очистки. В табл. 2.5 представлены "сухие" методы химической обработки по­верхности.

Таблица 2.5

Методы "cухой" химической обработки поверхности

Испарение. Очистка поверхности подложек производится в па­рах химических реагентов. В этом случае подложка нагревается, происходит химическая реакция на поверхности полупроводнико­вых пластин (например, комплексообразование металлических примесей), после чего испарением удаляются продукты реакции с поверхности. Основной целью подобной обработки является уда­ление слоев SiO₂ [14,71]. Удаление металлических загрязнений за­труднительно, поэтому необходимо сочетание с другими методами очистки поверхности полупроводниковых пластин, так как воз­можны вторичные реакции на поверхности подложек, повреждение поверхности.

Обработка в плазме.Плазменные методы очистки основаны в основном на операциях снятия фоторезиста, зачистки перед уда­лением слоя SiO₂ [72]. Однако использование плазмы для очистки поверхности от различных загрязнений, например, с использова­нием фторидных соединений, требует дополнительного удаления продуктов плазменного процесса [73].

Криогенная обработка аэрозолями. Метод применяется для удаления продуктов плазменного травления. Он заключается в бомбардировке поверхности кремниевой структуры замерзшими частицами инертных газов, таких как Ar или CO₂, отрывающими загрязнения с поверхности пластин. Происходит передача импуль­сов движения частицам загрязнений на поверхности, которые в ре­зультате бомбардировки отделяются и переносятся от поверхности структуры потоком газа-носителя. Криогенная обработка наиболее эффективна по удалению полимерной высадки, остающейся после снятия пленки фоторезиста [73–75].

Воздействие УФ-излучением. В процессе воздействия УФ-из­лучения при нагревании происходит быстрое разложение и удале­ние органического вещества. Далее образовавшийся слой SiO₂ уда­ляют травлением в водном растворе плавиковой кислоты. На под­готовленной таким образом поверхности структуры находится мо­ноатомный слой водорода (H), соединенного свободными связями Si. Поверхность структуры, пассивированная водородом, обладает значительно большей устойчивостью к окислению по сравнению с поверхностью, полученной обычными методами [73]. Отмечаются лучшие характеристики диэлектрических слоев, полученных после проведения УФ-обработки по сравнению с "жидкостной" обработ­кой [27].

Лазерное излучение.В [76] рассмотрен метод очистки в смеси газов при 200 °С с использованием лазера 248 нм KrF. В [77] авто­рами утверждается, что очистка с применением лазера эффектив­нее "жидкостной" очистки RCA. Применением того же эксимер­ного лазера убирают полимерную высадку, образующуюся при плазмохимическом травлении металлических покрытий (к при­меру, Al–Cu–TiN). При обработке погружением в растворы поли­мерная высадка удаляется специальными реагентами, к примеру, растворами фирмы "ЕКС Technology" [78].

Таким образом, в микроэлектронике осуществлен переход на уровень технологии изготовления полупроводниковых приборов, где применение "жидкостных" методов обработки невозможно. Основным преимуществом "сухих" методов обработки поверхно­сти подложек является снижение количества продуктов химиче­ских реакций за счет уменьшения объема потребляемых реагентов, минимизации размеров установок. Однако у "сухих" методов обра­ботки есть существенные недостатки. В [79,80] авторами рас­сматриваются основные проблемы, возникающие при обработке структур "сухими" методами очистки и удалении фоторезиста. Наиболее важной является повреждение поверхности подложек в результате обработки, дополнительный заряд на пластинах [81]. Максимальная устойчивость маски фоторезиста к температуре около 150 °С, поэтому серьезной проблемой является температур­ный предел нагревания пластины. "Сухие" методы обработки по­верхности подложек не в полной мере удовлетворяют требованиям удаления всех типов загрязнений [2]. Кроме того, при "жидкост­ной" обработке очищаются обе поверхности полупроводниковых пластин, а при "сухой" в основном уделяется внимание только ли­цевой стороне подложек.