Abstrak: Karena ukuran transistor terus menyusut, proses pembuatan wafer menjadi semakin kompleks, dan persyaratan untuk teknologi pembersihan basah semikonduktor menjadi semakin tinggi. Berdasarkan teknologi pembersihan semikonduktor tradisional, makalah ini memperkenalkan teknologi pembersihan wafer dalam pembuatan semikonduktor tingkat lanjut dan prinsip pembersihan berbagai proses pembersihan. Dari perspektif ekonomi dan perlindungan lingkungan, peningkatan teknologi proses pembersihan wafer dapat lebih memenuhi kebutuhan pembuatan wafer tingkat lanjut.
0 Pendahuluan Proses pembersihan merupakan mata rantai penting dalam keseluruhan proses pembuatan semikonduktor dan merupakan salah satu faktor penting yang memengaruhi kinerja dan hasil perangkat semikonduktor. Dalam proses pembuatan chip, kontaminasi apa pun dapat memengaruhi kinerja perangkat semikonduktor dan bahkan menyebabkan kegagalan [1-2]. Oleh karena itu, proses pembersihan diperlukan sebelum dan sesudah hampir setiap proses dalam pembuatan chip untuk menghilangkan kontaminan permukaan dan memastikan kebersihan permukaan wafer, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Proses pembersihan merupakan proses dengan proporsi tertinggi dalam proses pembuatan chip, mencakup sekitar 30% dari semua proses pembuatan chip.
Dengan pengembangan sirkuit terpadu skala ultra-besar, node proses chip telah memasuki node 28nm, 14nm dan bahkan lebih maju, integrasi terus meningkat, lebar garis terus menurun, dan aliran proses menjadi lebih kompleks [3]. Pembuatan chip node canggih lebih sensitif terhadap kontaminasi, dan pembersihan kontaminasi dalam kondisi ukuran kecil lebih sulit, yang mengarah pada peningkatan langkah-langkah proses pembersihan, membuat proses pembersihan lebih kompleks, lebih penting dan lebih menantang [4-5]. Proses pembersihan untuk chip 90nm sekitar 90 langkah, dan proses pembersihan untuk chip 20nm telah mencapai 215 langkah. Saat pembuatan chip memasuki node 14nm, 10nm dan bahkan lebih tinggi, jumlah proses pembersihan akan terus meningkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
1 Pengenalan proses pembersihan semikonduktor
Proses pembersihan mengacu pada proses penghilangan kotoran pada permukaan wafer melalui metode kimia, gas, dan fisik. Dalam proses pembuatan semikonduktor, kotoran seperti partikel, logam, bahan organik, dan lapisan oksida alami pada permukaan wafer dapat memengaruhi kinerja, keandalan, dan bahkan hasil perangkat semikonduktor [6-8].
Proses pembersihan dapat dikatakan sebagai jembatan antara berbagai proses pembuatan wafer. Misalnya, proses pembersihan digunakan sebelum proses pelapisan, sebelum proses fotolitografi, setelah proses etsa, setelah proses penggilingan mekanis, dan bahkan setelah proses implantasi ion. Proses pembersihan secara garis besar dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu pembersihan basah dan pembersihan kering.
1.1 Pembersihan basah
Pembersihan basah adalah dengan menggunakan pelarut kimia atau air deionisasi untuk membersihkan wafer. Menurut metode proses, pembersihan basah dapat dibagi menjadi dua jenis: metode perendaman dan metode penyemprotan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Metode perendaman adalah dengan merendam wafer dalam tangki kontainer yang diisi dengan pelarut kimia atau air deionisasi. Metode perendaman adalah metode yang banyak digunakan, terutama untuk beberapa node yang relatif matang. Metode penyemprotan adalah dengan menyemprotkan pelarut kimia atau air deionisasi ke wafer yang berputar untuk menghilangkan kotoran. Metode perendaman dapat memproses beberapa wafer pada saat yang sama, sedangkan metode penyemprotan hanya dapat memproses satu wafer pada satu waktu dalam satu ruang operasi. Dengan perkembangan teknologi, persyaratan untuk teknologi pembersihan semakin tinggi dan tinggi, dan penggunaan metode penyemprotan menjadi semakin luas.
1.2 Pencucian kering
Sesuai namanya, dry cleaning merupakan proses pembersihan yang tidak menggunakan pelarut kimia atau air deionisasi, tetapi menggunakan gas atau plasma. Dengan kemajuan teknologi yang terus menerus, persyaratan untuk proses pembersihan semakin tinggi [9-10], dan proporsi penggunaannya juga meningkat. Limbah cair yang dihasilkan oleh pembersihan basah juga meningkat. Dibandingkan dengan pembersihan basah, dry cleaning memiliki biaya investasi yang tinggi, pengoperasian peralatan yang rumit, dan kondisi pembersihan yang lebih ketat. Namun, untuk menghilangkan beberapa bahan organik dan nitrida serta oksida, dry cleaning memiliki presisi yang lebih tinggi dan hasil yang sangat baik.
2 Teknologi pembersihan basah dalam manufaktur semikonduktor Berdasarkan berbagai komponen cairan pembersih, teknologi pembersihan basah yang umum digunakan dalam manufaktur semikonduktor ditunjukkan pada Tabel 1.
2.1 Teknologi pembersihan DIW
Dalam proses pembersihan basah pembuatan semikonduktor, cairan pembersih yang paling umum digunakan adalah air deionisasi (DIW). Air mengandung anion dan kation konduktif. Air deionisasi menghilangkan ion konduktif dalam air, sehingga air pada dasarnya tidak konduktif. Dalam pembuatan semikonduktor, sama sekali tidak diperbolehkan menggunakan air mentah secara langsung. Di satu sisi, kation dan ion dalam air mentah akan mencemari struktur perangkat wafer, dan di sisi lain, dapat menyebabkan kinerja perangkat menyimpang. Misalnya, air mentah dapat bereaksi dengan material pada permukaan wafer hingga menimbulkan korosi, atau membentuk korosi baterai dengan beberapa logam pada wafer, dan juga dapat menyebabkan perubahan langsung pada resistivitas permukaan wafer, yang mengakibatkan penurunan signifikan pada hasil wafer atau bahkan pengikisan langsung. Dalam proses pembersihan basah pembuatan semikonduktor, ada dua aplikasi utama DIW.
(1) Hanya gunakan DIW untuk membersihkan permukaan wafer. Ada berbagai bentuk seperti rol, sikat atau nosel, dan tujuan utamanya adalah untuk membersihkan beberapa kotoran pada permukaan wafer. Dalam proses manufaktur semikonduktor tingkat lanjut, metode pembersihan hampir selalu merupakan metode wafer tunggal, yaitu, hanya satu wafer yang dapat dibersihkan dalam satu ruang pada saat yang bersamaan. Metode pembersihan satu wafer juga diperkenalkan di atas. Metode pembersihan yang digunakan adalah metode semprotan putar. Selama putaran wafer, permukaan wafer dibersihkan oleh rol, sikat, nosel, dll. Dalam proses ini, wafer akan bergesekan dengan udara, sehingga menghasilkan listrik statis. Listrik statis dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan wafer atau secara langsung menyebabkan kegagalan perangkat. Semakin tinggi simpul teknologi semikonduktor, semakin tinggi persyaratan untuk penanganan kerusakan. Oleh karena itu, dalam proses pembersihan basah DIW dari manufaktur semikonduktor tingkat lanjut, persyaratan prosesnya lebih tinggi. DIW pada dasarnya non-konduktif, dan listrik statis yang dihasilkan selama proses pembersihan tidak dapat dilepaskan dengan baik. Oleh karena itu, dalam simpul proses manufaktur semikonduktor tingkat lanjut, untuk meningkatkan konduktivitas tanpa mencemari wafer, gas karbon dioksida (CO2) biasanya dicampur ke dalam DIW. Karena persyaratan proses yang berbeda, gas amonia (NH3) dicampur ke dalam DIW dalam beberapa kasus.
(2) Bersihkan sisa cairan pembersih pada permukaan wafer. Saat menggunakan cairan pembersih lain untuk membersihkan permukaan wafer, setelah cairan pembersih digunakan, saat wafer berputar, meskipun sebagian besar cairan pembersih telah dibuang, masih akan ada sedikit cairan pembersih yang tersisa di permukaan wafer, dan DIW diperlukan untuk membersihkan permukaan wafer. Fungsi utama DIW di sini adalah untuk membersihkan sisa cairan pembersih pada permukaan wafer. Menggunakan cairan pembersih untuk membersihkan permukaan wafer tidak berarti bahwa cairan pembersih ini tidak akan pernah menimbulkan korosi pada wafer, tetapi laju penggoresannya cukup rendah, dan pembersihan jangka pendek tidak akan memengaruhi wafer. Namun, jika sisa cairan pembersih tidak dapat dihilangkan secara efektif dan sisa cairan pembersih dibiarkan berada di permukaan wafer untuk waktu yang lama, itu akan tetap menimbulkan korosi pada permukaan wafer. Selain itu, meskipun larutan pembersih hanya menimbulkan sedikit korosi, sisa larutan pembersih di wafer masih berlebih, yang kemungkinan akan memengaruhi kinerja akhir perangkat. Oleh karena itu, setelah membersihkan wafer dengan larutan pembersih, pastikan untuk menggunakan DIW untuk membersihkan sisa larutan pembersih tepat waktu.
2.2 Teknologi pembersihan HF
Seperti yang kita semua tahu, pasir dimurnikan menjadi inti. Chip dibentuk oleh ukiran yang tak terhitung jumlahnya pada wafer silikon kristal tunggal. Komponen utama pada chip adalah silikon kristal tunggal. Cara paling langsung dan efektif untuk membersihkan lapisan oksida alami (SiO2) yang terbentuk pada permukaan silikon kristal tunggal adalah dengan menggunakan HF (asam fluorida) untuk membersihkan. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa pembersihan HF adalah teknologi pembersihan kedua setelah DIW. Pembersihan HF dapat secara efektif menghilangkan lapisan oksida alami pada permukaan silikon kristal tunggal, dan logam yang menempel pada permukaan lapisan oksida alami juga akan larut ke dalam larutan pembersih. Pada saat yang sama, HF juga dapat secara efektif menghambat pembentukan film oksida alami. Oleh karena itu, teknologi pembersihan HF dapat menghilangkan beberapa ion logam, lapisan oksida alami dan beberapa partikel pengotor. Namun, teknologi pembersihan HF juga memiliki beberapa masalah yang tidak dapat dihindari. Misalnya, saat menghilangkan lapisan oksida alami pada permukaan wafer silikon, beberapa lubang kecil akan tertinggal di permukaan wafer silikon setelah terkorosi, yang secara langsung memengaruhi kekasaran permukaan wafer. Selain itu, saat menghilangkan lapisan oksida permukaan, HF juga akan menghilangkan beberapa logam, tetapi beberapa logam tidak ingin terkorosi oleh HF. Dengan kemajuan berkelanjutan dari simpul teknologi semikonduktor, persyaratan agar logam-logam ini tidak terkorosi oleh HF semakin tinggi, yang mengakibatkan teknologi pembersihan HF tidak dapat digunakan di tempat-tempat yang seharusnya dapat digunakan. Pada saat yang sama, beberapa logam yang memasuki larutan pembersih dan menempel pada permukaan wafer silikon saat lapisan oksida alami larut tidak mudah dihilangkan oleh HF, sehingga logam-logam tersebut tetap berada di permukaan wafer silikon. Menanggapi masalah di atas, beberapa metode yang ditingkatkan telah diusulkan. Misalnya, encerkan HF sebanyak mungkin untuk mengurangi konsentrasi HF; Tambahkan oksidan ke HF, metode ini dapat secara efektif menghilangkan logam yang menempel pada permukaan lapisan oksida alami, dan oksidan akan mengoksidasi logam di permukaan untuk membentuk oksida, yang lebih mudah dihilangkan dalam kondisi asam. Pada saat yang sama, HF akan menghilangkan lapisan oksida alami sebelumnya, dan oksidan akan mengoksidasi silikon kristal tunggal di permukaan untuk membentuk lapisan oksida baru untuk mencegah logam menempel pada permukaan silikon kristal tunggal; Tambahkan surfaktan anionik ke HF, sehingga permukaan silikon kristal tunggal dalam larutan pembersih HF adalah potensial negatif, dan permukaan partikel adalah potensial positif. Menambahkan surfaktan anionik dapat membuat potensial permukaan silikon dan permukaan partikel memiliki tanda yang sama, yaitu, potensial permukaan partikel berubah dari positif menjadi negatif, yang merupakan tanda yang sama dengan potensial negatif permukaan wafer silikon, sehingga tolakan listrik dihasilkan antara permukaan wafer silikon dan permukaan partikel, dengan demikian mencegah penempelan partikel; tambahkan agen pengompleks ke larutan pembersih HF untuk membentuk kompleks dengan kotoran, yang langsung terlarut dalam larutan pembersih dan tidak akan menempel pada permukaan wafer silikon.
2.3 Teknologi pembersihan SC1
Teknologi pembersihan SC1 merupakan metode pembersihan yang paling umum, murah, dan berefisiensi tinggi untuk menghilangkan kontaminasi dari permukaan wafer. Teknologi pembersihan SC1 dapat menghilangkan bahan organik, beberapa ion logam, dan beberapa partikel permukaan secara bersamaan. Prinsip SC1 untuk menghilangkan bahan organik adalah dengan menggunakan efek oksidasi hidrogen peroksida dan efek pelarutan NH4OH untuk mengubah kontaminasi organik menjadi senyawa yang larut dalam air, lalu membuangnya bersama larutan. Karena sifat oksidasi dan pengompleksannya, larutan SC1 dapat mengoksidasi beberapa ion logam, mengubah ion logam ini menjadi ion bervalensi tinggi, lalu bereaksi lebih lanjut dengan alkali untuk membentuk kompleks terlarut yang dibuang bersama larutan. Namun, beberapa logam memiliki energi bebas oksida yang tinggi yang dihasilkan setelah oksidasi, yang mudah melekat pada lapisan oksida pada permukaan wafer (karena larutan SC1 memiliki sifat oksidasi tertentu dan akan membentuk lapisan oksida pada permukaan wafer), sehingga tidak mudah dihilangkan, seperti logam seperti Al dan Fe. Saat menghilangkan ion logam, laju penyerapan dan desorpsi logam pada permukaan wafer pada akhirnya akan mencapai keseimbangan. Oleh karena itu, dalam proses manufaktur tingkat lanjut, cairan pembersih digunakan sekali untuk proses yang memiliki persyaratan tinggi untuk ion logam. Cairan tersebut langsung dibuang setelah digunakan dan tidak akan digunakan lagi. Tujuannya adalah untuk mengurangi kandungan logam dalam cairan pembersih untuk membersihkan logam pada permukaan wafer sebanyak mungkin. Teknologi pembersihan SC1 juga dapat secara efektif menghilangkan kontaminasi partikel permukaan, dan mekanisme utamanya adalah tolakan listrik. Dalam proses ini, pembersihan ultrasonik dan megasonik dapat dilakukan untuk mendapatkan efek pembersihan yang lebih baik. Teknologi pembersihan SC1 akan berdampak signifikan pada kekasaran permukaan wafer. Untuk mengurangi dampak teknologi pembersihan SC1 pada kekasaran permukaan wafer, perlu diformulasikan rasio komponen cairan pembersih yang sesuai. Pada saat yang sama, penggunaan cairan pembersih dengan tegangan permukaan rendah dapat menstabilkan laju penghilangan partikel, mempertahankan efisiensi penghilangan yang tinggi, dan mengurangi dampak pada kekasaran permukaan wafer. Penambahan surfaktan ke cairan pembersih SC1 dapat mengurangi tegangan permukaan cairan pembersih. Selain itu, penambahan agen khelasi ke cairan pembersih SC1 dapat menyebabkan logam dalam cairan pembersih terus-menerus membentuk khelasi, yang bermanfaat untuk menghambat adhesi permukaan logam.
2.4 Teknologi pembersihan SC2
Teknologi pembersihan SC2 juga merupakan teknologi pembersihan basah berbiaya rendah dengan kemampuan penghilangan kontaminasi yang baik. SC2 memiliki sifat pengompleksan yang sangat kuat dan dapat bereaksi dengan logam sebelum oksidasi untuk membentuk garam, yang dihilangkan dengan larutan pembersih. Kompleks terlarut yang terbentuk oleh reaksi ion logam teroksidasi dengan ion klorida juga akan dihilangkan dengan larutan pembersih. Dapat dikatakan bahwa dalam kondisi tidak mempengaruhi wafer, teknologi pembersihan SC1 dan teknologi pembersihan SC2 saling melengkapi. Fenomena adhesi logam dalam larutan pembersih mudah terjadi dalam larutan pembersih alkali (yaitu, larutan pembersih SC1), dan tidak mudah terjadi dalam larutan asam (larutan pembersih SC2), dan memiliki kemampuan yang kuat untuk menghilangkan logam pada permukaan wafer. Namun, meskipun logam seperti Cu dapat dihilangkan setelah pembersihan SC1, beberapa masalah adhesi logam dari film oksida alami yang terbentuk pada permukaan wafer belum terpecahkan, dan tidak cocok untuk teknologi pembersihan SC2.
Teknologi pembersihan 2.5 O3
Dalam proses pembuatan chip, teknologi pembersihan O3 terutama digunakan untuk menghilangkan bahan organik dan mendisinfeksi DIW. Pembersihan O3 selalu melibatkan oksidasi. Secara umum, O3 dapat digunakan untuk menghilangkan beberapa bahan organik, tetapi karena oksidasi O3, pengendapan ulang akan terjadi pada permukaan wafer. Oleh karena itu, HF umumnya digunakan dalam proses penggunaan O3. Selain itu, proses penggunaan HF dengan O3 juga dapat menghilangkan beberapa ion logam. Perlu dicatat bahwa, secara umum, suhu yang lebih tinggi bermanfaat untuk menghilangkan bahan organik, partikel, dan bahkan ion logam. Namun, saat menggunakan teknologi pembersihan O3, jumlah O3 yang terlarut dalam DIW akan berkurang saat suhu meningkat. Dengan kata lain, konsentrasi O3 yang terlarut dalam DIW akan berkurang saat suhu meningkat. Oleh karena itu, perlu untuk mengoptimalkan detail proses O3 untuk memaksimalkan efisiensi pembersihan. Dalam pembuatan semikonduktor, O3 juga dapat digunakan untuk mendisinfeksi DIW, terutama karena zat yang digunakan untuk memurnikan air minum umumnya mengandung klorin, yang tidak dapat diterima di bidang pembuatan chip. Alasan lainnya adalah O3 akan terurai menjadi oksigen dan tidak akan mencemari sistem DIW. Namun, perlu untuk mengontrol kandungan oksigen dalam DIW, yang tidak boleh lebih tinggi dari persyaratan untuk digunakan dalam pembuatan semikonduktor. 2.6 Teknologi pembersihan pelarut organik Dalam proses pembuatan semikonduktor, beberapa proses khusus sering kali terlibat. Dalam banyak kasus, metode yang diperkenalkan di atas tidak dapat digunakan karena efisiensi pembersihan tidak cukup, beberapa komponen yang tidak dapat dicuci tergores, dan lapisan oksida tidak dapat dihasilkan. Oleh karena itu, beberapa pelarut organik juga digunakan untuk mencapai tujuan pembersihan.
3 Kesimpulan
Dalam proses pembuatan semikonduktor, proses pembersihan merupakan proses dengan pengulangan terbanyak. Penggunaan teknologi pembersihan yang tepat dapat meningkatkan hasil produksi chip secara signifikan. Dengan ukuran wafer silikon yang besar dan miniaturisasi struktur perangkat, indeks kepadatan penumpukan meningkat, dan persyaratan untuk teknologi pembersihan wafer semakin tinggi. Ada persyaratan yang lebih ketat untuk kebersihan permukaan wafer, keadaan kimia permukaan, kekasaran, dan ketebalan lapisan oksida. Berdasarkan teknologi proses yang matang, artikel ini memperkenalkan teknologi pembersihan wafer dalam pembuatan wafer tingkat lanjut dan prinsip pembersihan berbagai proses pembersihan. Dari perspektif ekonomi dan perlindungan lingkungan, peningkatan teknologi proses pembersihan wafer dapat lebih memenuhi kebutuhan pembuatan wafer tingkat lanjut.
