Kopioi artikkelin PDF-versio
Mikroelektroniikan tuotteiden prosessoinnissa jopa kolmekymmentä prosenttia prosessiaskelista voi olla puhdistusprosesseja. Usein nämä ovat märkäkemiallisia prosesseja, joiden käyttäytyminen ei välttämättä ole hyvin tunnettua. Pesujen tulos vaikuttaa oleellisesti tuotteen saantoon ja lisäksi prosessien syvällinen ymmärrys voi johtaa merkittäviin säästöihin kemikaalikustannuksissa.
Vuonna 1997 TEKESin käynnistämän ETX-tutkimusohjelman osaksi tuli mikroelektroniikan substraattien, prosessien ja tuotantoympäristöjen puhtauteen keskittyvä projekti (Advanced Cleaning in Microelectronics). Projektia lähti VTT Elektroniikassa vetämään Mikroelektroniikan tutkimusalue. Tämän lisäksi useat yritykset sekä VTT:ltä Kemiantekniikan useat tutkimusalueet osallistuivat projektityöskentelyyn. Projektin kesto oli neljä vuotta ja tänä aikana useilla yritysosapuolilla oli aiheeseen liittyviä rinnakkaisprojekteja ETX-ohjelmassa.
Mikä on mikroelektroniikkaa?
Mikroelektroniikalla tässä artikkelissa tarkoitetaan piikeikoille tai eristäville substraateille (esim. kvartsi ja lasi) tapahtuvaa sähköisten komponenttien valmistusta. Tällaisia ovat esimerkiksi piille valmistettavat integroidut piirit, mikromekaaniset komponentit ja anturit sekä lasilevyille toteutetut anturit ja näyttökomponentit. Myös piikiekkojen valmistus vaatii prosessin loppupäässä erittäin suurta puhtautta.
Mikroelektroniikan komponenttien valmistuksessa substraattien, prosessien, kemikaalien sekä tuotantoympäristön puhtauden kontrollointi on ehdoton vaatimus korkeatasoisten komponenttien taloudelliselle valmistukselle. Kaikkien mikroelektroniikan valmistajien on päätettävä puhdistusmenetelmistään. Monessa tapauksessa valmistusprosessin kokonaisaskelista jopa 30 prosenttia voi olla puhdistusprosesseja. Näin on esimerkiksi useita litografisia vaiheita sisältävissä prosesseissa, joissa resistinpoistoon on kiinnitettävä runsaasti huomiota.
Puhdistusprosessit ovat usein kemikaalikylvyissä toteutettuja märkäprosesseja tai plasman ja kylvyn yhdistelmiä. Kylpyprosesseille on tyypillistä, että ne ovat usein huonosti kontrolloituja, mikä osittain johtuu kontrollointiin tarvittavan fysikaalisen ja kemiallisen ymmärryksen puutteesta.
Valituilla puhdistustavoilla on suora vaikutus valmistusprosessin saantoon ja täten taloudellisuuteen. Lisäksi pesuprosessien syvällinen ymmärtäminen voi johtaa merkittäviin säästöihin kemikaalikustannuksissa.
Kontaminaatiosta
Mikroelektroniikassa kontaminaatio eli ei-toivottu lika luokitellaan yleensä partikkeleihin, ionisiin (anionit ja kationit) epäpuhtauksiin sekä orgaaniseen likaan. Integroitujen piirien teknologien kehittyessä käyttämään aina pienempiä rakenneosasia ja suurempia piirikokoja vaatimukset sallituille epäpuhtaustasoille käyvät yhä tiukemmiksi.
Yllä mainittujen vaatimusten lisäksi usein halutaan asettaa spesifikaatioita pinnan tasaisuudelle, mikä koskee etenkin piikiekkojen valmistajia. Joissakin tapauksissa on esiintynyt vaatimuksia pinnan varauksettomuudesta ja pinnalla olevan kemiallisen oksidin määrästä, mutta näille asioille ei ole (vielä) yleisesti hyväksyttyä rajoja.
Hyvä yhteenveto suositelluista kontaminaatiotasoista kullakin teknologianoodilla on löydettävissä Sematechin verkkosivuil-la (www.sematech.org) saatavilla olevasta ohjeistosta (International Technology Roadmap for Semiconductors = ITRS). Esimerkiksi partikkelien osalta kiekolla sallitaan tyypillisesti joitakin partikkeleita, joiden halkaisija on noin 200 nm.
Aikaisemmin metallisia (kationit) epäpuhtauksia on pidetty haitallisempina kuin anioniset epäpuhtaudet, koska joidenkin kriittisten metalliatomien kuten rauta (Fe) ja kupari (Cu) on tiedetty vaikuttavan epätoivotulla tavalla piirien aktiivisten transistoreiden ominaisuuksiin.
Nykyisin kuitenkin sallittujen anionisten epäpuhtauksien määrät ovat lähes yhtä alhaisia kuin metallisillakin ioneilla eli suu-ruusluokkaa 1010 atomia/cm2. Orgaanisesta kontaminaatiosta on alettu yleisesti puhua vasta viimeisen kymmenen vuoden aikana ja siinä sallitaankin vielä korkeampia pitoisuuksia eli tyypillisesti 5*1013 hiiliatomia/cm2. Luku on kuitenkin varsin alhainen, kun ottaa huomioon, että piikiekkoja kuljetetaan, varastoidaan ja säilytetään muovirasioissa ja prosessoidaan ympäristöissä, joissa suuri osa prosessointitiloista ja -laitteistoista on tehty muovista. Itse asiassa mainittu hiiliatomien pintatiheys tarkoittaa, että joidenkin kymmenien prosenttien osuudelta piin pinta on katettu orgaanisten molekyylien muodostamalla kerroksella.
Tarkasteltaessa eri kontaminaatiotyyppien vahingollisuutta partikkeleita pidetään selvästikin vaarallisimpia mikro-elektroniikan kannalta, jos katsotaan materiaalin määriä. Esimerkiksi 150 mm:n kiekolla 20 200 nm:n partikkelia edustavat n. 100 fg:n kokonaismassaa (tiheys = 1...2 g/cm3). Toisaalta 1010 at/cm2 rauta-atomeja vastaavalla kiekolla painavat suunnilleen 160 pg, kun taas 5*1013 1/cm2 hiiliatomitiheydellä esiintyvät orgaaniset molekyylit edustavat vähintään 170 ng:n massaa. Täten metallien massa on noin tuhatkertainen partikkelien massaan ja orgaanisen materiaalin massa tuhatkertainen rauta-atomien massaan. Tämä on myös historiallinen järjestys. Jo 50-luvulla mikroelektroniikan valmistuksessa ruvettiin kiinnittämään huomiota ilmassa leijailevaan pölyyn, kun taas orgaanisesta kontaminaation osuutta ruvettiin tarkastelemaan vasta 90-luvun alussa.
Pesuprosesseista
Karkeasti ottaen integroitujen piirien valmistuksessa pesuprosessit voidaan jakaa prosessin aloituspään FEOL-prosesseihin (FEOL = Front End Of Line) ja prosessin loppupään BEOL-prosesseihin (BEOL = Back End Of Line). FEOL-pesut edeltä-vät usein korkeassa lämpötilassa suorittetavia uunitusaskeleita, kun taas BEOL-puhdistusprosessit liittyvät monesti litogra-fiaprosessien valoherkän kalvon (fotoresistin) poistamiseen. BEOL-pesut suoritetaan liuotintyypiisillä kemikaaleilla ja näiden aikana piireillä on jo kuvioitu metallisia johtimia, joiden korroosioon on muun muassa kiinnitettävä huomiota.
FEOL-pesun aikana kiekoilla ylimpänä materiaalikerroksena on eristävä tai puolijohtava kalvo ja tyypillisiä pesun poisto-kohteita ovat partikkelit, orgaaniset aineet ja metalliset epäpuhtaudet. Tyypillinen FEOL-pesuprosessi on ns. RCA-pesu, joka julkistettiin ensimmäisen kerran 70-luvulla ja joka on sen jälkeen muodostunut todelliseksi teollisuusstandardiksi.
Nykyisin RCA-pesu tunnetaankin ehkä yleisimmin nimellä SC-puhdistus (SC = Standard Clean). Tämä pesuprosessi muodostuu kahdesta osasta SC1 ja SC2, joihin usein liitetään lyhyt etsausvaihe laimeassa fluorivetyhapossa (HF). Tavalli-sesti pesusekvenssisssä kemikaalikylvyn vaihtaminen toiseen vaatii kiekkojen huuhtelun puhtaassa vedessä ja aina sekvenssi päättyy kiekkojen kuivaamiseen, mikä voidaan tehdä usealla eri tavalla.
SC1 on emäksinen kylpy, jonka tarkoituksena on poistaa partikkeleita ja orgaanisia yhdisteitä. Kylpy on vesipohjainen ja reagensseina ovat ammoniakki (NH3) ja vetyperoksidi (H2O2). Normaalisti pesu suoritetaan n. 60 C:n lämpötilassa ja pesuaika on 10 minuuttia. Nykyaikaisissa prosesseissa partikkelin poistotehokkuutta korotetaan kytkemällä kylpyyn megavärähtelijä, mikä onkin välttämätöntä hyvän pesutuloksen saavuttamiseksi. Yleisimmin
SC1-kylvyn komponenttien seossuhteet ovat klassiset 1:1:5 (NH3:H2O2:H2O), mutta nykyinen pyrkimys on jonkin verran laimeampiin liuoksiin.
SC1-pesun ongelmana on, että korotetuissa lämpötiloissa vetyperoksidi pyrkii varsin nopeasti hajoamaan vedeksi ja hapeksi, jolloin prosessiolosuhteiden stabiloimiseksi kylpyä on virkistettävä kemikaalilisäyksellä. Vetyperoksidin hajoaminen on selkeä kustannustekijä SC1-kylvyn ekonomiassa. Toiseksi emäksisessä ympäristössä liuoksessa olevat metalliset epäpuhtaudet kuten rauta (Fe), sinkki (Zn) ja alumiini (Al) pyrkivät depositoitumaan kiekon pinnalle täten lisäten kiekon pinnan metallikontaminaation määrää. Onneksi näihin ei-ideaalisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa lisäämällä kylpyyn joitakin orgaanisia lisäaineita. Tästä on esitetty esimerkki kuvassa 1, missä SC1-kylvyn vetyperoksidikonsentraatiota on monitoroitu ajan funktiona ilman lisäaineita ja joidenkin lisäaineiden kanssa. Kuvassa käyrä "Metal" tarkoittaa SC1-kylpyä ilman lisäaineita, kun taas muut käyrät on nimetty lisäaineen mukaan. Tässä siis CDTA:lla seostetussa kylvyssä vetyperoksidin määrä pysyy muuttumattomana ainakin neljä tuntia, kun taas ilman lisäaineita puoliintumisaika on alle puoli tuntia.
SC2-kylpy on puolestaan hapan ja sen tarkoituksena on poistaa metalliset epäpuhtaudet kiekkojen pinnoilta kuitenkaan lisäämättä partikkeleita. Myös SC2 on vesipohjainen reagenssien ollessa H2O2 ja kloorivetyhappo HCl yleisimmin seossuhteella 1:1:5 (H2O2 :HCl:H2O).
Analytiikka
On selvää, että erittäin alhaiset hyväksyttävien kontaminaatioiden määrät asettavat kovat vaatimukset kemialliselle analytiikalle. Periaatteessa tämä tarkoittaa, että spesifioidut suureet on pystyttyvä tarkastamaan jatkuvasti vaadituilla varsin alhaisilla ilmaisutasoilla. Täten mikroelektroniikan menestyksekäs tuotantotoiminta vaatii hyvin läheiseen ympäristöönsä pystyvää kemiallista analyysitoimintaa.
Periaatteessa koko tuotantoketjun puhtauden varmistaminen edellyttää erittäin moninaisten ja erilaisten analyysien käyttämistä. Halutut asiat on pystyttävä mittaamaan prosessoitavista substraateilta, neste- ja kaasukemikaaleista, prosessilaitteista sekä tuotantotiloista. Täten analysoitavat näytteet voivat olla kaasuja, nesteitä tai kiinteässä olomuodossa. Oheisessa taulukossa on esitetty luettelo pesuprojektin aikana sovelletuista analyysitekniikan laitteista ja niiden käyttökohteesta. Suluissa oleva merkintä (ELE / KET) ilmoittaa, onko kyseinen toiminta ollut VTT Elektroniikan (ELE) vai VTT Kemiantekniikan (KET) tarjoamaa. Kaikkiaan voidaan todeta suomalaisten analyysivalmiuksien kattavan varsin täydellisesti mikroelektroniikan kentän asettaman vaatimukset ja olevan hyvää kansainvälistä tasoa.
Erittäin pienet analysoitavat ainemäärät edellyttävät useissa tapauksissa tekniikoita näytteen rikastamiseksi. Tällaisesta on esitetty esimerkki kuvassa 2, jossa metalliset epäpuhtaudet kerätään koko piikiekon pinnalta noin 50±l:n happopisaraan analyysia (TXRF, GF-AAS tai ICP-MS) varten. Lisäksi pienet analysoitavat pitoisuudet edellyttävät analyysilaitteiden dedikoimista tiettyyn tarkoitukseen, koska usein yleiskäyttöisissä laitteissa näytteiden ristikontaminaatio tekee parhaan suoritus-kyvyn saavuttamisen mahdottomaksi.
Puhdistusprojektin fokus ja toteutus
Advanced Cleaning in Microelectronics-projekti oli Suomessa ensimmäinen laajemmalti mikroelektroniikan kontaminaatiokysymyksiin keskittyvä hanke. Täten projektiryhmän ensimmäinen tehtävä oli totutella analyyttiseen tapaan lähestyä prosesseissa ei-toivottuihin yhdisteiden olemassaoloon ja luoda analytiikan verkosto mikroelektroniikan näytteitä varten.
Projekti toteutettiin VTT:llä yhteistyönä Elektroniikan ja Kemiantekniikan tutkimusyksiköiden välillä. Kemistien osuus osoittautui erittäin tärkeäksi analyyttisen otteen saamisessa sekä vahvan orgaanisen kemian osaamisen vuoksi.
Analytiikan lisäksi keskityttiin tiettyjen märkäkemiallisten pesuprosessien kehittämiseen. Itsestään selvä valinta oli SC1-kylvyn pesutehokkuus ja stabiilius. Eräänä toisena kohteena katsottiin orgaanisen resistin poistoon tarkoitetun kemikaalin ominaisuuksia. Kaikkiaan projektissa päätutkimusaiheita olivat partikkelit ja metalliset epäpuhtaudet, kiekkojen säilyvyys ja orgaaninen kontaminaatio, orgaaniset lisäaineet, resistin poistoprosessit sekä lasisubstraatit.
Taustat
Kirjoittaja:TkT Simo Eränen, VTT Elektroniikka
Yhteystieto:simo.eranen@vtt.fi
Tutkimushanke:Advanced Cleaning in Microelectronics
Yhteistyössä: VTT Elektroniikka / Mikroelektroniikka, VTT Kemiantekniikka, Okmetic Oyj, VTI Hamlin Oy, Micro Analog Systems Oy, Planar Systems Oy, Vaisala Oyj, ASM.Microchemistry Ltd. ja Terapixel Oy.
Teknologiaohjelma: ETX
In 1997 the National Technology Agency of Finland (TEKES) launched the ETX-research programme, where "Advanced Cleaning in Microelectronics" was one of the projects. The research was partly conducted by the Technical Research Centre of Finland (VTT). The industrial participants in the project were Okmetic Oyj, VTI Hamlin Oy, Micro Analog Systems Oy, Planar Systems Oy, Vaisala Oyj, ASM-Microchemistry Ltd. and Terapixel Oy.
When manufacturing microelectronics devices control over the purity of the substrates, process gases and chemicals and the cleanliness of the production environments are essential requirements for successful high-yield and high-performance manufacturing. All companies aiming to manufacture microelectronics products are faced with the problems of cleaning strategies, which usually require employment of a wet chemical processes. For instance, in a typical production sequence the mere substrate cleaning steps can comprise 30 % of the total number of the processing steps. The chosen strategies have direct influence on the manufacturing yield. Moreover, the in-depth understanding of the cleaning processes can lead to considerable improvements of the process economy through savings in chemical costs.
The general goals of the project were to familiarise the project group with the idea of contamination control, to build up methods and a network of the analytical services for the contamination analyses and to monitor and improve the status of the selected processes. The scientific and international goal of the project was to report the research results in the leading international conferences.
Additional information can be obtained from Dr. Simo Eränen (simo.eranen@vtt.fi).