ملخص: مع استمرار انكماش حجم الترانزستورات، أصبحت عملية تصنيع الرقاقة معقدة بشكل متزايد، وأصبحت متطلبات تقنية التنظيف الرطب لأشباه الموصلات أعلى وأعلى. بناءً على تقنية تنظيف أشباه الموصلات التقليدية، تقدم هذه الورقة تقنية تنظيف الرقاقة في تصنيع أشباه الموصلات المتقدم ومبادئ التنظيف لعمليات التنظيف المختلفة. من منظور الاقتصاد وحماية البيئة، يمكن أن تلبي تقنية عملية تنظيف الرقاقة المحسنة احتياجات تصنيع الرقاقة المتقدم بشكل أفضل.
0 المقدمة تعتبر عملية التنظيف حلقة وصل مهمة في عملية تصنيع أشباه الموصلات بأكملها وهي أحد العوامل المهمة التي تؤثر على أداء وإنتاجية أجهزة أشباه الموصلات. في عملية تصنيع الرقائق، قد يؤثر أي تلوث على أداء أجهزة أشباه الموصلات وقد يتسبب حتى في حدوث عطل [1-2]. لذلك، يلزم إجراء عملية تنظيف قبل وبعد كل عملية تقريبًا في تصنيع الرقائق لإزالة الملوثات السطحية وضمان نظافة سطح الرقاقة، كما هو موضح في الشكل 1. عملية التنظيف هي العملية ذات النسبة الأعلى في عملية تصنيع الرقائق، حيث تمثل حوالي 30% من جميع عمليات تصنيع الرقائق.
مع تطور الدوائر المتكاملة فائقة الحجم، دخلت عقد معالجة الرقائق إلى عقد 28 نانومتر و14 نانومتر وحتى عقد أكثر تقدمًا، واستمر التكامل في الزيادة، واستمر عرض الخط في الانخفاض، وأصبح تدفق العملية أكثر تعقيدًا [3]. إن تصنيع الرقائق المتقدمة بالعقد أكثر حساسية للتلوث، كما أن تنظيف التلوث في ظل ظروف الحجم الصغير أكثر صعوبة، مما يؤدي إلى زيادة خطوات عملية التنظيف، مما يجعل عملية التنظيف أكثر تعقيدًا وأهمية وصعوبة [4-5]. تتكون عملية التنظيف لرقائق 90 نانومتر من حوالي 90 خطوة، ووصلت عملية التنظيف لرقائق 20 نانومتر إلى 215 خطوة. ومع دخول تصنيع الرقائق إلى عقد 14 نانومتر و10 نانومتر وحتى أعلى، سيستمر عدد عمليات التنظيف في الزيادة، كما هو موضح في الشكل 2.
1 مقدمة عن عملية تنظيف أشباه الموصلات
تشير عملية التنظيف إلى عملية إزالة الشوائب الموجودة على سطح الرقاقة من خلال المعالجة الكيميائية والغازات والطرق الفيزيائية. في عملية تصنيع أشباه الموصلات، قد تؤثر الشوائب مثل الجسيمات والمعادن والمواد العضوية وطبقة الأكسيد الطبيعية على سطح الرقاقة على أداء وموثوقية وحتى إنتاجية جهاز أشباه الموصلات [6-8].
يمكن القول أن عملية التنظيف هي بمثابة جسر بين عمليات تصنيع الرقاقة المختلفة. على سبيل المثال، تُستخدم عملية التنظيف قبل عملية الطلاء، وقبل عملية الطباعة الضوئية، وبعد عملية النقش، وبعد عملية الطحن الميكانيكي، وحتى بعد عملية زرع الأيونات. يمكن تقسيم عملية التنظيف تقريبًا إلى نوعين، وهما التنظيف الرطب والتنظيف الجاف.
1.1 التنظيف الرطب
التنظيف الرطب هو استخدام المذيبات الكيميائية أو الماء منزوع الأيونات لتنظيف الرقاقة. وفقًا لطريقة العملية، يمكن تقسيم التنظيف الرطب إلى نوعين: طريقة الغمر وطريقة الرش، كما هو موضح في الشكل 3. طريقة الغمر هي غمر الرقاقة في خزان حاوية مملوء بالمذيبات الكيميائية أو الماء منزوع الأيونات. طريقة الغمر هي طريقة مستخدمة على نطاق واسع، خاصة لبعض العقد الناضجة نسبيًا. طريقة الرش هي رش المذيبات الكيميائية أو الماء منزوع الأيونات على الرقاقة الدوارة لإزالة الشوائب. يمكن لطريقة الغمر معالجة رقائق متعددة في نفس الوقت، بينما لا يمكن لطريقة الرش معالجة سوى رقاقة واحدة في كل مرة في غرفة تشغيل واحدة. مع تطور التكنولوجيا، أصبحت متطلبات تقنية التنظيف أعلى وأعلى، وأصبح استخدام طريقة الرش أكثر انتشارًا.
1.2 التنظيف الجاف
كما يوحي الاسم، فإن التنظيف الجاف هو عملية لا تستخدم المذيبات الكيميائية أو الماء منزوع الأيونات، بل تستخدم الغاز أو البلازما للتنظيف. مع التقدم المستمر لعقد التكنولوجيا، أصبحت متطلبات عمليات التنظيف أعلى وأعلى [9-10]، كما تتزايد نسبة الاستخدام. كما تتزايد أيضًا السوائل الناتجة عن التنظيف الرطب. بالمقارنة مع التنظيف الرطب، فإن التنظيف الجاف له تكاليف استثمارية عالية وتشغيل معدات معقد وظروف تنظيف أكثر صرامة. ومع ذلك، لإزالة بعض المواد العضوية والنتريدات والأكاسيد، يتمتع التنظيف الجاف بدقة أعلى ونتائج ممتازة.
2 تقنية التنظيف الرطب في تصنيع أشباه الموصلات وفقًا للمكونات المختلفة لسائل التنظيف، فإن تقنية التنظيف الرطب المستخدمة بشكل شائع في تصنيع أشباه الموصلات موضحة في الجدول 1.
2.1 تقنية التنظيف DIW
في عملية التنظيف الرطب لتصنيع أشباه الموصلات، فإن سائل التنظيف الأكثر استخدامًا هو الماء منزوع الأيونات (DIW). يحتوي الماء على أنيونات وكاتيونات موصلة. يزيل الماء منزوع الأيونات الأيونات الموصلة في الماء، مما يجعل الماء غير موصل بشكل أساسي. في تصنيع أشباه الموصلات، لا يُسمح مطلقًا باستخدام الماء الخام مباشرة. من ناحية، ستلوث الكاتيونات والأيونات الموجودة في الماء الخام بنية الجهاز للرقاقة، ومن ناحية أخرى، قد يتسبب ذلك في انحراف أداء الجهاز. على سبيل المثال، قد يتفاعل الماء الخام مع المادة الموجودة على سطح الرقاقة للتآكل، أو يشكل تآكل البطارية مع بعض المعادن الموجودة على الرقاقة، وقد يتسبب أيضًا في تغيير مباشر في المقاومة السطحية للرقاقة، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في إنتاجية الرقاقة أو حتى الكشط المباشر. في عملية التنظيف الرطب لتصنيع أشباه الموصلات، هناك تطبيقان رئيسيان لـ DIW.
(1) استخدم DIW فقط لتنظيف سطح الرقاقة. هناك أشكال مختلفة مثل الأسطوانات أو الفرش أو الفوهات، والغرض الرئيسي هو تنظيف بعض الشوائب على سطح الرقاقة. في عملية تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة، تكون طريقة التنظيف دائمًا تقريبًا طريقة رقاقة واحدة، أي أنه لا يمكن تنظيف سوى رقاقة واحدة في غرفة في نفس الوقت. يتم تقديم طريقة تنظيف رقاقة واحدة أيضًا أعلاه. طريقة التنظيف المستخدمة هي طريقة الرش الدوراني. أثناء دوران الرقاقة، يتم تنظيف سطح الرقاقة بواسطة الأسطوانات والفرش والفوهات وما إلى ذلك. في هذه العملية، سوف تحتك الرقاقة بالهواء، وبالتالي تولد الكهرباء الساكنة. قد تتسبب الكهرباء الساكنة في حدوث عيوب على سطح الرقاقة أو تتسبب بشكل مباشر في فشل الجهاز. كلما ارتفع مستوى تقنية أشباه الموصلات، زادت متطلبات التعامل مع العيوب. لذلك، في عملية التنظيف الرطب DIW لتصنيع أشباه الموصلات المتقدمة، تكون متطلبات عملية التنظيف أعلى. إن DIW غير موصل بشكل أساسي، ولا يمكن إطلاق الكهرباء الساكنة المتولدة أثناء عملية التنظيف بشكل جيد. لذلك، في عقد عملية تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة، من أجل زيادة الموصلية دون تلويث الرقاقة، يتم عادةً خلط غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في DIW. ونظرًا لمتطلبات العملية المختلفة، يتم خلط غاز الأمونيا (NH3) في DIW في حالات قليلة.
(2) تنظيف سائل التنظيف المتبقي على سطح الرقاقة. عند استخدام سوائل التنظيف الأخرى لتنظيف سطح الرقاقة، بعد استخدام سائل التنظيف، مع دوران الرقاقة، على الرغم من التخلص من معظم سائل التنظيف، ستظل هناك كمية صغيرة من سائل التنظيف متبقية على سطح الرقاقة، وهناك حاجة إلى DIW لتنظيف سطح الرقاقة. الوظيفة الرئيسية لـ DIW هنا هي تنظيف سائل التنظيف المتبقي على سطح الرقاقة. لا يعني استخدام سائل التنظيف لتنظيف سطح الرقاقة أن سوائل التنظيف هذه لن تتسبب في تآكل الرقاقة أبدًا، ولكن معدل النقش الخاص بها منخفض جدًا، ولن يؤثر التنظيف قصير المدى على الرقاقة. ومع ذلك، إذا تعذر إزالة سائل التنظيف المتبقي بشكل فعال وتم السماح لسائل التنظيف المتبقي بالبقاء على سطح الرقاقة لفترة طويلة، فسيظل يتسبب في تآكل سطح الرقاقة. بالإضافة إلى ذلك، حتى لو كان محلول التنظيف يتآكل قليلاً، فإن محلول التنظيف المتبقي في الرقاقة لا يزال زائداً عن الحاجة، مما قد يؤثر على الأداء النهائي للجهاز. لذلك، بعد تنظيف الرقاقة بمحلول التنظيف، تأكد من استخدام DIW لتنظيف محلول التنظيف المتبقي في الوقت المناسب.
2.2 تقنية التنظيف HF
كما نعلم جميعًا، يتم تنقية الرمل إلى قلب. تتشكل الرقاقة من خلال عدد لا يحصى من النقوش على رقاقة السيليكون أحادية البلورة. المكون الرئيسي على الرقاقة هو السيليكون أحادي البلورة. الطريقة الأكثر مباشرة وفعالية لتنظيف طبقة الأكسيد الطبيعية (SiO2) المتكونة على سطح السيليكون أحادي البلورة هي استخدام HF (حمض الهيدروفلوريك) للتنظيف. لذلك، يمكن القول أن تنظيف HF هو تقنية التنظيف الثانية بعد DIW. يمكن أن يزيل تنظيف HF بفعالية طبقة الأكسيد الطبيعية على سطح السيليكون أحادي البلورة، كما يذوب المعدن الملتصق بسطح طبقة الأكسيد الطبيعية في محلول التنظيف. في الوقت نفسه، يمكن لـ HF أيضًا منع تكوين طبقة الأكسيد الطبيعية بشكل فعال. لذلك، يمكن لتقنية تنظيف HF إزالة بعض الأيونات المعدنية وطبقة الأكسيد الطبيعية وبعض جزيئات الشوائب. ومع ذلك، فإن تقنية تنظيف HF لديها أيضًا بعض المشاكل التي لا يمكن تجنبها. على سبيل المثال، أثناء إزالة طبقة الأكسيد الطبيعية على سطح رقاقة السيليكون، ستبقى بعض الحفر الصغيرة على سطح رقاقة السيليكون بعد التآكل، مما يؤثر بشكل مباشر على خشونة سطح الرقاقة. بالإضافة إلى ذلك، أثناء إزالة طبقة أكسيد السطح، سيزيل HF أيضًا بعض المعادن، لكن بعض المعادن لا تريد أن تتآكل بواسطة HF. مع التقدم المستمر لعقد تكنولوجيا أشباه الموصلات، أصبحت متطلبات عدم تآكل هذه المعادن بواسطة HF أعلى وأعلى، مما أدى إلى عدم القدرة على استخدام تقنية تنظيف HF في الأماكن التي كان من الممكن استخدامها فيها. في الوقت نفسه، لا يمكن إزالة بعض المعادن التي تدخل محلول التنظيف وتلتصق بسطح رقاقة السيليكون مع ذوبان طبقة الأكسيد الطبيعية بسهولة بواسطة HF، مما يؤدي إلى بقائها على سطح رقاقة السيليكون. استجابةً للمشاكل المذكورة أعلاه، تم اقتراح بعض الطرق المحسنة. على سبيل المثال، قم بتخفيف HF قدر الإمكان لتقليل تركيز HF؛ إضافة مؤكسد إلى HF، يمكن لهذه الطريقة إزالة المعدن الملتصق بسطح طبقة الأكسيد الطبيعية بشكل فعال، وسيؤكسد المؤكسد المعدن الموجود على السطح لتكوين أكاسيد، والتي يسهل إزالتها في ظل الظروف الحمضية. في الوقت نفسه، سيزيل HF طبقة الأكسيد الطبيعية السابقة، وسيؤكسد المؤكسد السيليكون البلوري المفرد على السطح لتكوين طبقة أكسيد جديدة لمنع المعدن من الالتصاق بسطح السيليكون البلوري المفرد؛ إضافة عامل التنظيف الأنيوني إلى HF، بحيث يكون سطح السيليكون البلوري المفرد في محلول تنظيف HF ذو جهد سلبي، ويكون سطح الجسيم ذو جهد إيجابي. يمكن أن يؤدي إضافة عامل التنظيف الأنيوني إلى جعل جهد سطح السيليكون وسطح الجسيم لهما نفس الإشارة، أي أن جهد سطح الجسيم يتغير من موجب إلى سالب، وهو نفس إشارة الجهد السالب لسطح رقاقة السيليكون، بحيث يتم توليد التنافر الكهربائي بين سطح رقاقة السيليكون وسطح الجسيم، وبالتالي منع التصاق الجسيمات؛ أضف عامل التعقيد إلى محلول تنظيف HF لتكوين مركب يحتوي على شوائب، والذي يذوب مباشرة في محلول التنظيف ولن يلتصق بسطح رقاقة السيليكون.
2.3 تقنية التنظيف SC1
تقنية التنظيف SC1 هي الطريقة الأكثر شيوعًا ومنخفضة التكلفة وعالية الكفاءة لإزالة التلوث من سطح الرقاقة. يمكن لتقنية التنظيف SC1 إزالة المواد العضوية وبعض الأيونات المعدنية وبعض جزيئات السطح في نفس الوقت. مبدأ SC1 لإزالة المواد العضوية هو استخدام التأثير المؤكسد لبيروكسيد الهيدروجين والتأثير المذيب لـ NH4OH لتحويل التلوث العضوي إلى مركبات قابلة للذوبان في الماء، ثم تفريغها مع المحلول. نظرًا لخصائصه المؤكسدة والمعقدة، يمكن لمحلول SC1 أكسدة بعض الأيونات المعدنية، وتحويل هذه الأيونات المعدنية إلى أيونات عالية القيمة، ثم التفاعل مع القلويات لتكوين معقدات قابلة للذوبان يتم تفريغها مع المحلول. ومع ذلك، فإن بعض المعادن لديها طاقة حرة عالية من الأكاسيد المتولدة بعد الأكسدة، والتي يسهل الالتصاق بفيلم الأكسيد على سطح الرقاقة (لأن محلول SC1 له خصائص مؤكسدة معينة وسيشكل فيلم أكسيد على سطح الرقاقة)، لذلك ليس من السهل إزالتها، مثل المعادن مثل Al و Fe. عند إزالة أيونات المعدن، فإن معدل امتصاص المعدن وامتصاصه على سطح الرقاقة سيصل في النهاية إلى التوازن. لذلك، في عمليات التصنيع المتقدمة، يتم استخدام سائل التنظيف مرة واحدة للعمليات التي لديها متطلبات عالية للأيونات المعدنية. يتم تفريغه مباشرة بعد الاستخدام ولن يتم استخدامه مرة أخرى. والغرض من ذلك هو تقليل محتوى المعدن في سائل التنظيف لغسل المعدن على سطح الرقاقة قدر الإمكان. يمكن لتقنية التنظيف SC1 أيضًا إزالة تلوث الجسيمات السطحية بشكل فعال، والآلية الرئيسية هي التنافر الكهربائي. في هذه العملية، يمكن إجراء التنظيف بالموجات فوق الصوتية والميجا سونيك للحصول على تأثيرات تنظيف أفضل. سيكون لتقنية التنظيف SC1 تأثير كبير على خشونة سطح الرقاقة. من أجل تقليل تأثير تقنية التنظيف SC1 على خشونة سطح الرقاقة، من الضروري صياغة نسبة مناسبة لمكون سائل التنظيف. في الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي استخدام سائل التنظيف ذو التوتر السطحي المنخفض إلى استقرار معدل إزالة الجسيمات، والحفاظ على كفاءة إزالة عالية، وتقليل التأثير على خشونة سطح الرقاقة. إن إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي إلى سائل التنظيف SC1 يمكن أن يقلل من التوتر السطحي لسائل التنظيف. بالإضافة إلى ذلك، فإن إضافة عوامل التخلّب إلى سائل التنظيف SC1 يمكن أن تتسبب في تكوين مخلّبات بشكل مستمر في المعدن الموجود في سائل التنظيف، وهو أمر مفيد لمنع التصاق المعادن بالسطح.
2.4 تقنية التنظيف SC2
تعتبر تقنية التنظيف SC2 أيضًا تقنية تنظيف رطبة منخفضة التكلفة ذات قدرة جيدة على إزالة التلوث. تتمتع SC2 بخصائص معقدة قوية للغاية ويمكنها التفاعل مع المعادن قبل الأكسدة لتكوين الأملاح، والتي تتم إزالتها بمحلول التنظيف. سيتم أيضًا إزالة المركبات القابلة للذوبان التي تتكون من تفاعل أيونات المعادن المؤكسدة مع أيونات الكلوريد بمحلول التنظيف. يمكن القول أنه في ظل حالة عدم التأثير على الرقاقة، فإن تقنية التنظيف SC1 وتقنية التنظيف SC2 تكملان بعضهما البعض. من السهل حدوث ظاهرة التصاق المعدن في محلول التنظيف في محلول التنظيف القلوي (أي محلول التنظيف SC1)، وليس من السهل حدوثها في المحلول الحمضي (محلول التنظيف SC2)، ولديها قدرة قوية على إزالة المعادن على سطح الرقاقة. ومع ذلك، على الرغم من إمكانية إزالة المعادن مثل النحاس بعد تنظيف SC1، إلا أن بعض مشاكل التصاق المعدن بغشاء الأكسيد الطبيعي المتكون على سطح الرقاقة لم يتم حلها، وهي غير مناسبة لتقنية التنظيف SC2.
2.5 تقنية تنظيف O3
في عملية تصنيع الرقائق، تُستخدم تقنية تنظيف O3 بشكل أساسي لإزالة المواد العضوية وتطهير DIW. يتضمن تنظيف O3 دائمًا الأكسدة. بشكل عام، يمكن استخدام O3 لإزالة بعض المواد العضوية، ولكن بسبب أكسدة O3، سيحدث إعادة ترسب على سطح الرقاقة. لذلك، يُستخدم HF بشكل عام في عملية استخدام O3. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لعملية استخدام HF مع O3 أيضًا إزالة بعض الأيونات المعدنية. تجدر الإشارة إلى أنه بشكل عام، تكون درجات الحرارة المرتفعة مفيدة لإزالة المواد العضوية والجسيمات وحتى الأيونات المعدنية. ومع ذلك، عند استخدام تقنية تنظيف O3، ستنخفض كمية O3 المذابة في DIW مع زيادة درجة الحرارة. بعبارة أخرى، سينخفض تركيز O3 المذاب في DIW مع زيادة درجة الحرارة. لذلك، من الضروري تحسين تفاصيل عملية O3 لزيادة كفاءة التنظيف. في تصنيع أشباه الموصلات، يمكن أيضًا استخدام O3 لتطهير DIW، وذلك بشكل أساسي لأن المواد المستخدمة لتنقية مياه الشرب تحتوي عمومًا على الكلور، وهو أمر غير مقبول في مجال تصنيع الرقائق. سبب آخر هو أن O3 سوف يتحلل إلى أكسجين ولن يلوث نظام DIW. ومع ذلك، من الضروري التحكم في محتوى الأكسجين في DIW، والذي لا يمكن أن يكون أعلى من متطلبات الاستخدام في تصنيع أشباه الموصلات. 2.6 تقنية تنظيف المذيبات العضوية في عملية تصنيع أشباه الموصلات، غالبًا ما تشارك بعض العمليات الخاصة. في كثير من الحالات، لا يمكن استخدام الطرق المقدمة أعلاه لأن كفاءة التنظيف ليست كافية، وبعض المكونات التي لا يمكن غسلها يتم نقشها، ولا يمكن إنشاء أغشية أكسيد. لذلك، يتم أيضًا استخدام بعض المذيبات العضوية لتحقيق غرض التنظيف.
3 - الخلاصة
في عملية تصنيع أشباه الموصلات، تعد عملية التنظيف هي العملية التي تتكرر أكثر من غيرها. يمكن أن يؤدي استخدام تقنية التنظيف المناسبة إلى تحسين إنتاجية تصنيع الرقائق بشكل كبير. مع الحجم الكبير لرقائق السيليكون وتصغير هياكل الأجهزة، يزداد مؤشر كثافة التكديس، وتزداد متطلبات تقنية تنظيف الرقاقة بشكل متزايد. هناك متطلبات أكثر صرامة لنظافة سطح الرقاقة والحالة الكيميائية للسطح وخشونة وسمك طبقة الأكسيد. بناءً على تقنية العملية الناضجة، تقدم هذه المقالة تقنية تنظيف الرقاقة في تصنيع الرقاقة المتقدم ومبادئ التنظيف لعمليات التنظيف المختلفة. من منظور الاقتصاد وحماية البيئة، يمكن أن تلبي تقنية عملية تنظيف الرقاقة المحسنة احتياجات تصنيع الرقاقة المتقدم بشكل أفضل.
