第3章工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片的清洗

微電子工藝

第三章

工藝中的氣體、化試、

水、環(huán)境和硅片的清洗

第一章引言第二章晶體生長第三章工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片的清洗第四章硅的氧化第五章光刻第六章刻蝕第七章擴(kuò)散第八章離子注入第九章薄膜淀積第十章工藝集成第十一章集成電路制造目標(biāo)通過學(xué)習(xí)本章的內(nèi)容，你將能夠：1.描述半導(dǎo)體制造有關(guān)的重要化學(xué)品性質(zhì)。2.敘述在硅圓片廠不同的工藝化學(xué)品是怎樣分類和使用的。3.解釋如何在芯片制造使用酸、堿和溶劑。4.描述一種氣體是通用氣體還是特種氣體，并解釋每種氣體在硅圓片制造中是怎樣運(yùn)送和使用的。5.說明并描述5種不同類型的凈化間沾污,并討論與每種沾污相關(guān)的問題。6.列舉凈化間的7種沾污源,描述每一種怎樣影響硅片的潔凈。7. 解釋并使用凈化級別來表征凈化間空氣質(zhì)量。討論員工按照合理的規(guī)則進(jìn)入凈化間的7個正確步驟。描述凈化間設(shè)備的各個方面,包括空氣的過濾,靜電釋放,超純?nèi)ルx子水和工藝氣體等。10.解釋現(xiàn)代工作區(qū)設(shè)計和微環(huán)境怎樣有助于沾污控制。11.說明兩種濕法清洗的化學(xué)原理,解釋每一種分別去除哪種沾污,并討論濕法清除的改進(jìn)和選擇余地。12.描述不同的濕法清洗設(shè)備,說明每種清洗工藝怎樣有助于硅片的清潔。

工藝氣體氣體通用氣體特種氣體氣體沖洗系統(tǒng)氣體輸送管道氣體管道的連接鋼瓶的換氣常用的特種氣體

通用氣體通用氣體配送系統(tǒng)典型的特種氣體配送系統(tǒng)設(shè)計LPI 低壓隔離閥LPV 低壓排氣閥PGI 壓縮氣體入口PS 壓力開關(guān)REG 壓力表VP 文氏真空泵氣體沖洗面板CVVPCVCVPG1PSHPVFEFSESOHPIREGLPIPSPSLPVCVVSVEFV鋼瓶文氏管入口至設(shè)備氣體控制面板至尾氣沖洗氣體入口引出端CV 檢查閥EFS 過流開關(guān)EFV 過流閥ESO 緊急關(guān)閉閥F 過濾器HPI 高壓隔離閥HPV 高壓放氣閥氣體沖洗系統(tǒng)：用來排除工藝腔和輸送系統(tǒng)中的殘余氣體、空氣和水蒸氣。通過通入惰性氣體將殘余氣體排出，或者通過真空系統(tǒng)將殘氣吸出。氣體輸送管道：用316L（不銹鋼的一種）電解拋光的不銹鋼管道來輸送氣體。除了氣體過濾器的隔膜之外，在氣體輸送管道系統(tǒng)中沒有塑料部件。對于一些危險氣體經(jīng)常用雙層管子。雙層管子內(nèi)層管壁經(jīng)過電鍍拋光來減小沾污。電解拋光是一項化學(xué)工藝，用以去除內(nèi)壁大約30um厚度。電解拋光的不銹鋼內(nèi)壁帶有一層很薄的鉻，因為鉻很不活潑,擴(kuò)散出的顆粒很少。工藝氣體真空雙層管CGA氣體管道連接器氣體管道的連接：出于安全方面的考慮，氣體管道將會有360度的轉(zhuǎn)彎，使得管道更加靈活。氣體管道用連接器接到氣體鋼瓶的閥門。氣體管道要保證氣體連續(xù)不斷的通過管道系統(tǒng)，不能有地方滯留氣體，導(dǎo)致化學(xué)品不必要的損失。特種氣體鋼瓶鋼瓶換氣：當(dāng)鋼瓶空了的時候，需要技術(shù)人員進(jìn)行更換。更換鋼瓶時應(yīng)該注意：一、不正確的清洗氣體管道導(dǎo)致殘余氣體泄露產(chǎn)生霧氣和火焰；二、要考慮不恰當(dāng)?shù)闹武撈浚蛊漕嵉箤?dǎo)致氣體泄漏。半導(dǎo)體制造業(yè)中常用的特種氣體工藝中的化學(xué)品液體酸堿pH值溶劑化學(xué)品的輸送

半導(dǎo)體制造過程中常用的酸半導(dǎo)體中常用的堿不同化學(xué)物質(zhì)的pH值腐蝕性}腐蝕性}半導(dǎo)體制造過程中常用的溶劑批量化學(xué)品配送設(shè)備維護(hù)區(qū)生產(chǎn)區(qū)化學(xué)品供應(yīng)間化學(xué)品配送中心墊起和帶孔地板化學(xué)品圓桶工藝設(shè)備控制單元泵過濾器墊起和帶孔的地板控制電纜供空氣管防泄漏雙層套管泵過濾器化學(xué)品控制和泄露探測器防泄漏閥門箱尾氣管批量化學(xué)品配送

為了使芯片上的器件功能正常，避免硅片制造中的沾污是絕對必要的。我們將學(xué)習(xí)硅片制造中的各類沾污，它們的來源以及如何有效的控制沾污。半導(dǎo)體的制造環(huán)境，我們叫做“凈化間”。凈化間把沾污環(huán)境與制造芯片的環(huán)境隔離開來。成功的凈化間除了先進(jìn)的硬件設(shè)備，另一個重要因素是員工的紀(jì)律。硅片沾污嵌入的顆粒表面沾污硅片制造凈化間沾污的類型顆粒金屬雜質(zhì)有機(jī)物沾污自然氧化物靜電釋放

顆粒相對的尺寸

毫米110-110-210-310-4

10-610-710-510原子物質(zhì)的單個分子的尺寸薄霧稀薄煙霧煙云顆粒大氣灰塵煙霧顆粒沙灰塵小石子顆粒引起的缺陷人類頭發(fā)相對于0.18微米顆粒的尺寸接觸孔線寬間距~90mm集成電路最小特征尺寸=0.18mm90mm0.18mm=500人體毛發(fā)的相對尺寸大約是集成電路上最小特征尺寸的500倍較大集成電路的一小部分人體毛發(fā)的剖面每硅片每通道顆粒數(shù)工藝設(shè)備硅片放入工藝設(shè)備前，初始顆粒數(shù)硅片通過工藝設(shè)備后的初始顆粒數(shù)由工藝設(shè)備加在硅片上的顆粒典型金屬雜質(zhì)元素

金屬雜質(zhì)金屬可能來自于化學(xué)試劑，還可能來自于制造中的各個工序。1.離子注入工藝表現(xiàn)出最高的金屬沾污，1012~1013/cm3。2.化學(xué)品與傳輸管道和容器的反應(yīng)。

例如：CO與不銹鋼中的鎳、墊圈發(fā)生反應(yīng)，生成鎳的化合物分布在硅片表面。金屬可以通過兩種途徑沉積在硅片表面：通過金屬離子與位于硅片表面的氫原子的電荷交換而被束縛在硅片表面。這種類型的金屬雜質(zhì)很難消除。當(dāng)表面氧化時金屬雜質(zhì)分布于氧化層內(nèi)。只有通過去除表面氧化層來去除。可動離子沾污改變閾值電壓++++++++++++++++++源漏P-硅襯底柵

N+N+-Vs+Vd+Vg離子沾污改變晶體管的電學(xué)特性Conductionofelectrons++GateoxidePolysilicon

++++++++++++++自然氧化層接觸孔底部的自然氧化層在鎢和摻雜硅區(qū)域引起差的電接觸在鎢淀積前，自然氧化層生長在接觸孔鎢塞硅上有源區(qū)層間介質(zhì)層間介質(zhì)氧化層隔離接觸硅片暴露在空氣中，一秒鐘內(nèi)就有幾十層水分子吸附在硅片上并滲透到硅片表面，在室溫下，引起硅片表面氧化。自然氧化層如何去除？靜電釋放靜電也是一種沾污形式。為了避免侵蝕和粘附性問題，半導(dǎo)體制造在一種相對低濕度的環(huán)境中進(jìn)行，這容易引起靜電。靜電可能引起的問題：擊穿和吸引小顆粒---------------------------------------------------------------沾污的源與控制硅片生產(chǎn)廠房的7種沾污源為:空氣人廠房水工藝用化學(xué)品工藝氣體生產(chǎn)設(shè)備美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E中

各凈化間級別對空氣漂浮顆粒的限制超細(xì)顆粒：近來已經(jīng)開始使用0.1級，這時顆粒尺寸縮小到0.02~0.03um。直徑小于0.1um直到顆粒計數(shù)器能檢測到的最小顆粒，規(guī)定為超細(xì)顆粒。人類活動釋放的顆粒人是凈化間最大的污染來源。頭發(fā)、頭屑、衣服纖維屑。人一天釋放28.35克的顆粒。穿超凈服的技術(shù)員超凈服系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足以下職能標(biāo)準(zhǔn):超凈服系統(tǒng)顆粒零釋放。無化學(xué)和生物殘余物的釋放。對身體產(chǎn)生的顆粒和浮質(zhì)的總體抑制。（0.1um，99.999％，淋?。L(fēng)淋－聚酯內(nèi)衣）。對ESD的零靜電積累。合理的凈化間操作規(guī)程廠房凈化間布局氣流原理空氣過濾溫度和濕度靜電釋放

早期凈化間的舞廳式布局主制造通道Class10,000服務(wù)通道Class10,000服務(wù)通道Class10,000生產(chǎn)區(qū)Class10,000生產(chǎn)區(qū)Class10,000MainmanufacturingaccesscorridorClass1ServiceaccesscorridorClass10,000服務(wù)通道Class10,000服務(wù)夾層Class1,000生產(chǎn)區(qū)Class1生產(chǎn)區(qū)Class1服務(wù)夾層Class1,000服務(wù)夾層Class1,000服務(wù)夾層Class1,000生產(chǎn)區(qū)Class1服務(wù)夾層Class1,000生產(chǎn)區(qū)Class1生產(chǎn)區(qū)Class1服務(wù)夾層Class1,000服務(wù)夾層Class1,000服務(wù)夾層Class1,000生產(chǎn)區(qū)Class1凈化間間格和夾層的概念 硅片工藝線的空氣處理系統(tǒng)生產(chǎn)區(qū)Class1服務(wù)夾層Class1,000服務(wù)夾層Class1,000服務(wù)夾層Class1,000生產(chǎn)區(qū)Class1供應(yīng)空氣返回的空氣亞工廠區(qū)設(shè)施和遙控設(shè)備Fan補(bǔ)償空氣HEPA過濾器 由玻璃纖維制成，產(chǎn)生層狀氣流。層狀氣流SMT高效顆?？諝膺^濾器空氣紊亂物體干擾正常的空氣層流，并產(chǎn)生空氣紊亂。這能驅(qū)逐并帶走小的顆粒.空氣層流穿過帶孔的地板溫度和濕度1級凈化間：溫度：68±0.5oF。相對濕度：40％±10％靜電釋放（ESD）主要靜電防護(hù)的方法：ESD接地防靜電的凈化間材料空氣電離位于凈化間天花板內(nèi)專用的離子發(fā)射器產(chǎn)生高電場使空氣電離。當(dāng)導(dǎo)電性空氣接觸產(chǎn)品表面，表面的電荷會被空氣中的異性電荷中和掉。通過空氣電離來中和表面的靜電荷++++++++++++帶電硅片高壓產(chǎn)生離化電暈放電天花板過濾器軟X射線輻射空氣電離是有限的，因為多數(shù)離子在到達(dá)硅片表面之前已經(jīng)復(fù)合而消失了，新開發(fā)的一種空氣中和法是軟X射線輻射。

軟X射線輻射能產(chǎn)生大量的離子對，將帶電的硅片暴露于軟X射線所能輻射的范圍，兩秒鐘后，硅片表面的電荷將被中和到“0”。半導(dǎo)體制造中的水去離子水是半導(dǎo)體制造中用得最多的化學(xué)品，估計在200mm生成線上，每個硅片的去離子水的消耗量達(dá)到2000加侖。

英制一加侖等于4.546升,美制一加侖等于3.785升

超純?nèi)ルx子水中不允許的沾污溶解離子有機(jī)材料顆粒細(xì)菌硅土溶解氧

微米1001010.10.010.00010.001膠體熱原懸浮物泡沫細(xì)菌膠狀硅土離子顆粒病毒粘土、殘渣水中的各種顆粒溶解離子的來源：礦物質(zhì)。如K＋、Na＋有機(jī)物質(zhì)：溶解在水中含碳化合物的總和。會對氧化層薄膜生長有破壞性。細(xì)菌：可能導(dǎo)致氧化層、多晶硅和金屬導(dǎo)體層缺陷。硅土：水中高含量的硅土能淤塞凈化設(shè)備的過濾裝置，并降低熱生長氧化物的可靠性。溶解氧：能導(dǎo)致自然氧化層的形成。去離子水的補(bǔ)給和精加工回路 去離子化用特制的離子交換樹脂去除電活性鹽類離子。把水從導(dǎo)電性媒質(zhì)變?yōu)殡娮栊悦劫|(zhì)。

去離子水要經(jīng)過兩次去粒子化。去離子水過濾

去離子水補(bǔ)償循環(huán)中使用了各種過濾器，達(dá)到過濾顆粒和膠體的目的。

常用的過濾技術(shù)是“反滲透（RO）”。反滲透原理：水在加壓下流經(jīng)一個薄膜過濾器，以隔離電離的鹽類、膠體和有機(jī)物以及分子量在150以下的物質(zhì)。反滲透最小能隔離0.005um的雜質(zhì)，也稱為超過濾。RO過濾器原理 中空纖維膜過濾器純水加壓的生水微顆粒或有機(jī)物入口廢棄物出口外殼脫氣器：用來去除水中溶解的氣體。膜萃取器：把溶解的氣體（主要是氧）去除到10ppb以下的含量。膜萃取器原理：由疏水性聚丙烯多孔空心纖維組成。纖維壁上具有微細(xì)的空隙可使溶解氣體通過。而疏水性不允許水通過細(xì)孔。于是使氣體和水分離。膜萃取過濾器純水加壓的水和氣疏水性中空纖維微多孔膜阻止水，但允許更小的氣體分子通過外殼水入口氣體出口氣體入口加壓的惰性氣體水出口ζ勢：

ζ勢代表膠體（液體中一種很細(xì)的懸浮顆粒）積累的正電荷或負(fù)電荷。

水中的顆粒，如硅土膠體、細(xì)菌和熱原通常具有負(fù)電荷ζ勢，所以可以通過一個帶正電的過濾器濾除。利用ζ勢的靜電過濾 純水加壓的水和顆粒入口在過濾器膜上的負(fù)電荷在過濾器膜上的正電荷細(xì)菌控制

超純水采用紫外線（UV）殺滅細(xì)菌。紫外線簡單又可靠，可以把細(xì)菌含量減至1％以下。

進(jìn)一步殺菌可以向水中通入O3（干燥氣體放電產(chǎn)生，紫外線下分解成O2），細(xì)菌直徑超0.2um，膜濾除。工藝用化學(xué)品

為保證芯片的成品率和性能，制造用的去離子水、化學(xué)品、氣體必須保證不受沾污，在傳輸過程中用到各種過濾器過濾器。

過濾器分類顆粒過濾（Particlefiltration）:適用于大約1.5微米以上顆粒的深度型過濾。微過濾（Microfiltration）:用于去除液體中0.1到1.5微米范圍顆粒的膜過濾。超過濾（Ultrafiltration）:用于阻擋大約0.005到0.1微米尺寸大分子的加壓膜過濾。反滲透（ReverseOsmosis）:也被稱為超級過濾。

它是一個加壓的處理方案，輸送液體通過一層半滲透膜，過濾掉小到接近0.005微米的顆粒和金屬離子。

深度型過濾器 出口過濾器媒介入口屏蔽適用于大約1.5微米以上顆粒的深度型過濾。膜過濾器 出口膜入口密封膜過濾：聚合物薄膜或帶有細(xì)小滲透孔的陶瓷作為過濾器媒質(zhì)。只允許特定尺寸的物質(zhì)通過。膜過濾可以用在反滲透、微過濾和超過濾中。對過濾器的兩點要求不會對流量產(chǎn)生明顯的衰減足夠的效率在ULSI中的液體過濾器，對于0.2um以上的顆粒典型效率是99.9999999％，稱為9個9的效率。

半導(dǎo)體制造設(shè)備是顆粒的最大來源。為了制造一個硅片，可能需要450多道工序。工藝設(shè)備中各種顆粒沾污來源剝落的副產(chǎn)物積累在腔壁上自動化的硅片裝卸和傳送機(jī)械操作，如旋轉(zhuǎn)手柄和開關(guān)閥門真空環(huán)境的抽取和排放清洗和維護(hù)過程

硅片表面的顆粒數(shù)

與工藝步驟數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系

清洗清洗清洗清洗工藝步驟數(shù)顆粒數(shù)工作臺的設(shè)計采用適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計工作臺，獲得超潔凈的凈化室是必要的。顆粒釋放率穿壁式裝置 生產(chǎn)區(qū)Class1工藝設(shè)備用戶界面硅片真空鎖分隔墻服務(wù)夾層Class1,000片架自動化可以降低沾污，片架可以實現(xiàn)設(shè)備間硅片的傳遞靜電吸盤

真空吸盤使硅片產(chǎn)生變形，靜電吸盤可以平坦的支撐硅片-DC偏壓硅蓋板（接地）+------+++++++++++硅片（＋電荷）在工藝室中的離子和電子介質(zhì)材料金屬吸盤(-電荷)至排氣------------------微環(huán)境概念微環(huán)境室Class1生產(chǎn)區(qū)Class1,000工藝設(shè)備SMIF裝/卸界面

HEPA過濾器SMIF盒(Class1或更好）微環(huán)境：硅片和凈化間環(huán)境不位于同一工藝室，通過隔離，為硅片創(chuàng)造一個局部環(huán)境。SMIF：標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口。為了在微環(huán)境包圍的工藝設(shè)備之間轉(zhuǎn)移硅片，使用一個標(biāo)準(zhǔn)化的容器，密封和傳遞整架的硅片。這個容器與各種設(shè)備之間具有一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口（SMIF）。

當(dāng)把容器提交給一臺設(shè)備時，設(shè)備中的機(jī)器人自動開啟容器門，移走片架。穿壁式裝置的SMIF容器硅片濕法清洗濕法清洗概況濕法清洗設(shè)備RCA清洗的替代方案

硅片濕法清洗RCA清洗1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-1)2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-2)改進(jìn)的RCA清洗Piranha配比最后的HF步驟化學(xué)蒸氣清洗硅片清洗步驟

硅片濕法清洗化學(xué)品1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-1)的配比：NH4OH/H2O2/H2O＝1：1：5~1：2：7

2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-2)的配比：

HCl/H2O2/H2O＝1：1：6~1：2：8顆粒在SC-1中的氧化和溶解

(1) 顆粒吸附到硅上

(2) 通過H2O2