4 Очистка поверхности

Загрязнения на поверхности пластин и подложек удерживаются вследствие адсорбции.

Физическая адсорбция является результатом межмолекулярного (силы Ван-дер-Ваальса) и электростатического кулоновского взаимодействия. Адсорбированные частицы, совершая тепловые движения, могут преодолеть силы связи и оторваться (десорбция) от поверхности, т. е. физическая адсорбция процесс обратимый. Физически адсорбированные загрязнения располагаются на поверхности в несколько слоев и сравнительно легко удаляются чистым растворителем, отжигом (испарением) в вакууме.

Химическая адсорбция является необратимым процессом, так как между загрязнениями и поверхностью образуются прочные химические связи. Загрязнения закрепляются только одним слоем (монослой), удаление их более сложно.

Источники загрязнений - операторы, воздух производственных помещений, оснастка, технологическое оборудование, и сами технологические обработки. Этим объясняется многократность операций очистки. Степень и состав загрязнений различны при разных обработках, также различны требования к чистоте поверхности перед проведением каждой операции.

На поверхности пластин и подложек одновременно могут присутствовать многие виды загрязнений.

Наиболее трудноудалимыми являются органические и некоторые химически связанные с поверхностью загрязнения.

Из физических загрязнений наиболее трудно удаляются мелкие зерна абразива, внедренные в поверхностный слой. Из растворимых в воде полярных загрязнений сложно удаляются подвижные ионы металлов, изменяющие электропроводность поверхности, вызывающие дрейф тока и появление инверсионных полупроводниковых слоев и тем самым оказывающие вредное влияние на стабильность параметров ИС.

В соответствии с применяемыми средствами очистку делят на жидкостную и сухую.

Жидкостная очистка выполняется органическими растворителями; разнообразными составами, содержащими щелочи, кислоты, пероксид, и другие реактивы, водой. Подобрать жидкое средство, одновременно удаляющее все возможные поверхностные загрязнения, весьма сложно, поэтому жидкостная очистка включает ряд последовательных операций. Нерастворимые в воде органические жировые загрязнения делают поверхность гидрофобной, т. е. плохо смачиваемой водой и большинством растворов. Для равномерной очистки поверхность подложек (пластин) необходимо перевести в гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние.

Операция удаления жировых загрязнений, сопровождаемая переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием.

Обезжиривание - первая операция при жидкостной очистке.

Сухая очистка применяется на этапе формирования элементов и межэлементных соединений микросхем и, как правило, выполняется непосредственно перед проведением ответственных технологических процессов (напыление пленок, литография) или совмещена, т. е. проводится в одном оборудовании, с последующей обработкой (например, с получением термического оксида, с эпитаксиальным наращиванием полупроводниковых слоев).

Методы сухой очистки исключают необходимость применения дорогостоящих и опасных в работе жидких реактивов, а также проблемы межоперационного хранения пластин и подложек и очистки сточных вод, которые являются немаловажными при использовании жидких средств очистки. Кроме того, процессы сухой очистки более управляемы и легче поддаются автоматизации.

С точки зрения механизма процессов все методы очистки можно условно разделить на физические и химические.

При физических методах загрязнения удаляются простым растворением, отжигом, обработкой поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов. В тех случаях, когда загрязнения нельзя удалить физическими методами, применяют химические методы, при которых загрязнения удаляют их замещением легко удаляемыми веществами, переводом в легко растворимые комплексные соединения или травлением пластин (подложек). Травление сопровождается удалением поверхностного слоя вместе с имеющимися на поверхности загрязнениями.

3.4. Жидкостная очистка поверхности пластин

Физическая очистка. При очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем остаточные ионные и атомарные. При физической жидкостной очистке происходит десорбция адсорбированных поверхностью загрязнений без изменения их состава, т. е. без химических реакций, путем простого растворения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непрерывного обновления (освежения).

Обезжиривание (отмывка) в органических растворителях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для удаления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и растительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических и механических загрязнений.

Десорбция молекул жира с обрабатываемой поверхности происходит в результате их собственных колебательных движений и притяжения со стороны молекул растворителя. Если силы связи с поверхностью меньше сил притяжения молекулами растворителя, частицы жира отрываются от поверхности и благодаря диффузии распространяются по объему обрабатывающей жидкости.

Обезжиривание в органических растворителях наиболее часто выполняют погружением, в парах, с помощью ультразвука, струйной обработкой.

Отмывка водой применяется для очистки от остатков полярных растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов, кислот, щелочей, солей и других загрязнений. Так же как и в органических растворителях, отмывка в воде сопровождается растворением загрязнений или механическим смыванием пылинок, ворсинок и других частиц. Отмывку выполняют в подогретой до 50...60 ^оС деионизированной воде. При меньших температурах отмывка недостаточно эффективна, при больших температурах возможно закрепление на обрабатываемой поверхности остатков некоторых загрязнений, например остатков щелочных растворов в результате гидролиза щелочных солей. После отмывки в подогретой воде пластины (подложки) отмывают в холодной воде, чтобы на поверхности не остались следы перешедших в воду загрязнений, что имеет место при быстром испарении воды (когда пластины подогреты). Отмывку в воде выполняют погружением, в протоке в многокаскадных ваннах, струей, гидромеханическим способом, в УЗ-ваннах.

Чистота воды является одним из факторов, влияющих на качество проведения технологических процессов. В производстве микросхем вода применяется в больших количествах для составления различных растворов, промывок, а также в качестве реагента и защитной среды. Природная вода содержит большое количество механических частиц (гидрозолей), растворенных минеральных солей, примесей меди, серебра, золота, бактерий и т. п. В производстве ИС применяют воду, очищенную от загрязнений .Показателем степени чистоты воды является ее удельное сопротивление. Сопротивление воды сильно зависит от температуры, поэтому принято указывать значение удельного сопротивления при 20 ^о С. Собственное удельное сопротивление идеально чистой воды равно 25 МОм ^. см.

В производстве микросхем различают первую, вторую и третью степень чистоты воды, которым соответствуют значения удельного сопротивления 18, 10 и 1 МОм см (вода марок А, Б и В соответственно).

Кроме удельного сопротивления определяют содержание в воде кремниевой кислоты, микрочастиц, микроорганизмов, меди, железа и т. п. Для производства микросхем воду подвергают предварительной, окончательной и финишной очистке.

Предварительную очистку воды от взвешенных и коллоидно-растворенных частиц выполняют методами дистилляции, сорбции с помощью специальных фильтров, реагентной коагуляции, электрокоагуляции и др. Предварительно очищенная вода имеет растворимые соли и другие примеси.

Для окончательной очистки воды от растворимых веществ в настоящее время применяют очистку ионно-обменными смолами (деионизацию) и метод обратного осмоса. Финишную очистку выполняют непосредственно на рабочем месте перед использованием воды.

Химическая очистка. Этот вид обработки предусматривает разрушение загрязнений или поверхностного слоя очищаемого объекта в результате химических реакций.

Химическое обезжиривание выполняют в составах, разрушающих молекулы жира, но не действующих на обрабатываемый материал. В раствор переходят продукты реакции, поэтому обратное загрязнение молекулами жира практически отсутствует.

Обезжиривание в растворах моющих порошков. В процессе обезжиривания такими растворами омыляемые жиры переводятся в мыла, представляющие собой растворимые в воде соли, которые удаляются последующей отмывкой в воде. К омыляемым жирам относятся все растительные и животные жиры, которые представляют собой сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных органических кислот (стеариновой, олеиновой, пальмитиновой и др.).

Обезжиривание в щелочах сопровождается химической реакцией омыления. Неомыляемые жиры при этом не разлагаются, но могут образовывать эмульсии, особенно при введении в щелочь поверхностно-активных веществ. Эмульсии удерживают загрязнения в моющем растворе, предотвращая их обратное попадание на очищаемую поверхность.

Отмывка в кислотах применяется для очистки поверхности от атомов и ионов металлов, от жировых загрязнений, а также от оксидов, нитридов, сульфидов и других химических соединений. Удаление ионов металлов сопровождается их вытеснением ионами водорода. Для удаления атомов металлов применяют кислоты, растворяющие эти металлы.

Травление обычно проводится после обезжиривания, так как только в этом случае травитель хорошо смачивает всю поверхность пластин, и верхний слой удаляется равномерно.

Процесс травления можно разбить на пять стадий: диффузия реагентов к обрабатываемой поверхности, их адсорбция поверхностью, химическое взаимодействие их с обрабатываемым материалом, десорбция продуктов химических реакций, диффузия их от поверхности.

2 Сухая очистка и травление

Методы сухой очистки, за исключением отжига, начали применяться сравнительно недавно. Их появление стимулировалось не только проблемами исключения загрязнений, но и главным образом необходимостью прецизионного локального травления через контактные маски при формировании топологии микросхем.

Термообработка (отжиг). Термообработка применяется для удаления адсорбированных поверхностью примесей, разложения поверхностных загрязнений и испарения летучих соединений. Как правило, отжиг проводится в вакуумных и термических установках непосредственно перед процессами оксидирования, эпитаксии и др. Например, при выращивании на кремнии маскирующих пленок газы и влага удаляются с поверхности по мере нагревания пластин до температуры оксидирования. При отжиге полупроводниковых пластин в вакууме с их оксидированной поверхности уже при температуре 400 ^оС легко десорбируются влага, углекислый газ, легкие углеводороды. Оксидные пленки с поверхности кремния в вакууме удаляются при температурах выше 900 ^оС.

Ионное травление. Ионное травление - процесс удаления распылением слоя вещества с находящимися на его поверхности загрязнениями и адсорбированными газами. Травление выполняют в вакуумных установках путем бомбардировки пластин или подложек (часто в данном случае называемых мишенями) ускоренными положительными ионами инертных газов.

Контроль качества очистки. Существует много методов количественного и качественного контроля загрязнений поверхности. Большинство из них применяется в лабораторных условиях при отработке технологии. Для оценки качества очистки в промышленном производстве наиболее широко применяются легко выполнимые и не требующие сложного оборудования методы.

Метод светящихся точек основан на использовании явления рассеяния света на находящихся на контролируемой поверхности механических загрязнениях, островках оксидов, конгломератных образованиях, а также на дефектах (выколах, царапинах). Конгломератные образования возникают в результате коагуляции кремниевой кислоты под действием ионов металла Nа+, Аg+, Са+, Ва+, Zn+ или ряда органических загрязнений. Наличие кремниевой кислоты объясняется тем, что на чистой поверхности кремния всегда имеются собственные оксидные слои и адсорбированная влага.

Контроль состоит в наблюдении поверхности пластин в темном поле оптического микроскопа (МБИ-11, ММУ-3) и подсчете числа светящихся точек. Косое освещение исключает попадание в поле зрения наблюдателя отраженных от чистой поверхности пластин лучей. Количество светящихся точек в поле зрения при определенном увеличении микроскопа является критерием оценки качества очистки.

Метод капли, или измерения краевого угла смачивания, основан на способности воды смачивать поверхности чистых или загрязненных высокополярными веществами пластин или подложек и не смачивать поверхность, загрязненную жирами.

На поверхность пластины с помощью дозирующего устройства наносится капля воды или часового масла. С помощью оптической системы установки УКУС-1 увеличенное изображение капли проецируется на экран, где и измеряется линейкой с отсчетом в градусах краевой угол смачивания поверхности. Для чистых поверхностей пластин и подложек краевой угол смачивания маслом не должен превышать 1... 3^о.