6.6.2. Методы проведения "жидкостной" 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.

Качество очистки поверхности подложек после проведения раз­ных методов химической обработки различно. На рис.6.9 представ­лен уровень остаточных механических загрязнений размером более 0,3 мкм на поверхности Si пластин диаметром 150 мм после прове­дения нескольких циклов химической обработки разными мето­дами.

Рис.6.9. 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.