การปนเปื้อนบนพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์และวิธีการตรวจจับ

ความสะอาดของพื้นผิวเวเฟอร์จะส่งผลอย่างมากต่ออัตราคุณสมบัติของกระบวนการและผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ตามมา มากถึง 50% ของการสูญเสียผลผลิตทั้งหมดเกิดจากพื้นผิวเวเฟอร์การปนเปื้อน

วัตถุที่สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สามารถควบคุมได้ในประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของอุปกรณ์หรือกระบวนการผลิตอุปกรณ์ เรียกรวมกันว่าสิ่งปนเปื้อน สิ่งปนเปื้อนอาจมาจากแผ่นเวเฟอร์ ห้องสะอาด เครื่องมือในกระบวนการผลิต สารเคมีในกระบวนการผลิต หรือน้ำเวเฟอร์โดยทั่วไปสามารถตรวจพบการปนเปื้อนได้โดยการสังเกตด้วยสายตา การตรวจสอบกระบวนการ หรือการใช้อุปกรณ์วิเคราะห์ที่ซับซ้อนในการทดสอบอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย

▲สารปนเปื้อนบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

ผลการวิเคราะห์การปนเปื้อนสามารถใช้เพื่อสะท้อนถึงระดับและประเภทของการปนเปื้อนที่พบเจอเวเฟอร์ในขั้นตอนกระบวนการเฉพาะ เครื่องจักรเฉพาะ หรือกระบวนการโดยรวม ตามการจำแนกวิธีการตรวจจับพื้นผิวเวเฟอร์การปนเปื้อนสามารถแบ่งออกได้เป็นประเภทต่างๆ ดังนี้

การปนเปื้อนของโลหะ

การปนเปื้อนที่เกิดจากโลหะอาจทำให้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อบกพร่องในระดับที่แตกต่างกัน
โลหะอัลคาไลหรือโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ (Li, Na, K, Ca, Mg, Ba ฯลฯ) อาจทำให้เกิดกระแสรั่วไหลในโครงสร้าง pn ซึ่งจะนำไปสู่แรงดันพังทลายของออกไซด์ มลพิษจากโลหะทรานซิชันและโลหะหนัก (Fe, Cr, Ni, Cu, Au, Mn, Pb ฯลฯ) สามารถลดวงจรชีวิตของพาหะ ลดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ หรือเพิ่มกระแสมืดเมื่อส่วนประกอบทำงาน

วิธีการทั่วไปในการตรวจจับการปนเปื้อนของโลหะ ได้แก่ การเรืองแสงด้วยรังสีเอกซ์แบบสะท้อนรวม สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงของอะตอม และแมสสเปกโตรเมทรีพลาสมาแบบเหนี่ยวนำ (ICP-MS)

▲ การปนเปื้อนพื้นผิวเวเฟอร์ | รีเสิร์ชเกท

การปนเปื้อนของโลหะอาจมาจากรีเอเจนต์ที่ใช้ในการทำความสะอาด การแกะสลัก การพิมพ์หิน การสะสม ฯลฯ หรือจากเครื่องจักรที่ใช้ในกระบวนการ เช่น เตาอบ เครื่องปฏิกรณ์ การฝังไอออน ฯลฯ หรืออาจเกิดจากการหยิบจับแผ่นเวเฟอร์อย่างไม่ระมัดระวัง

การปนเปื้อนของอนุภาค

โดยทั่วไปจะสังเกตการสะสมของวัสดุโดยการตรวจจับแสงที่กระจัดกระจายจากข้อบกพร่องที่พื้นผิว ดังนั้นชื่อทางวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำกว่าสำหรับการปนเปื้อนของอนุภาคคือข้อบกพร่องจุดแสง การปนเปื้อนของอนุภาคอาจทำให้เกิดการปิดกั้นหรือการปกปิดในกระบวนการกัดและการพิมพ์หิน

ในระหว่างการเจริญเติบโตหรือการทับถมของฟิล์ม รูเข็มและไมโครโมฆะจะถูกสร้างขึ้น และหากอนุภาคมีขนาดใหญ่และเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ก็อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้

▲ การก่อตัวของการปนเปื้อนของอนุภาค | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

การปนเปื้อนของอนุภาคเล็กๆ อาจทำให้เกิดเงาบนพื้นผิว เช่น ระหว่างการพิมพ์หินด้วยแสง หากมีอนุภาคขนาดใหญ่อยู่ระหว่างโฟโตมาสก์และชั้นโฟโตรีซิสต์ อนุภาคเหล่านั้นสามารถลดความละเอียดของการสัมผัสกับการสัมผัสได้

นอกจากนี้ ยังสามารถปิดกั้นไอออนเร่งในระหว่างการฝังไอออนหรือการกัดแบบแห้งได้ อนุภาคอาจถูกปิดล้อมด้วยฟิล์มเพื่อให้มีการกระแทกและการกระแทก ชั้นที่สะสมตามมาอาจแตกหรือต้านทานการสะสมที่ตำแหน่งเหล่านี้ ทำให้เกิดปัญหาระหว่างการสัมผัส

การปนเปื้อนอินทรีย์

สารปนเปื้อนที่มีคาร์บอน รวมถึงโครงสร้างพันธะที่เกี่ยวข้องกับ C เรียกว่าการปนเปื้อนอินทรีย์ สารปนเปื้อนอินทรีย์อาจทำให้เกิดคุณสมบัติไม่ชอบน้ำที่ไม่คาดคิดบนพื้นผิวเวเฟอร์เพิ่มความหยาบของพื้นผิว ทำให้เกิดพื้นผิวขุ่น ขัดขวางการเจริญเติบโตของชั้นเยื่อบุผิว และส่งผลต่อผลการทำความสะอาดของการปนเปื้อนของโลหะ หากไม่ได้กำจัดสิ่งปนเปื้อนออกก่อน

โดยทั่วไปการปนเปื้อนบนพื้นผิวดังกล่าวจะถูกตรวจพบโดยเครื่องมือต่างๆ เช่น Thermal desorption MS, X-ray photoelectron spectroscopy และ Auger Electron Spectroscopy

▲เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ

การปนเปื้อนของก๊าซและการปนเปื้อนของน้ำ

โมเลกุลของบรรยากาศและการปนเปื้อนของน้ำที่มีขนาดโมเลกุลมักจะไม่สามารถกำจัดออกได้ด้วยอากาศอนุภาคประสิทธิภาพสูง (HEPA) ธรรมดาหรือตัวกรองอากาศที่ทะลุผ่านต่ำเป็นพิเศษ (ULPA) การปนเปื้อนดังกล่าวมักจะได้รับการตรวจสอบโดยไอออนแมสสเปกโตรเมทรีและอิเล็กโตรโฟรีซิสของเส้นเลือดฝอย

สารปนเปื้อนบางชนิดอาจมีหลายประเภท เช่น อนุภาคอาจประกอบด้วยวัสดุอินทรีย์หรือโลหะ หรือทั้งสองอย่าง ดังนั้นการปนเปื้อนประเภทนี้จึงอาจจัดเป็นประเภทอื่นได้เช่นกัน

 

▲สารปนเปื้อนโมเลกุลก๊าซ | ไอโอนิคอน

นอกจากนี้ การปนเปื้อนของแผ่นเวเฟอร์ยังสามารถจำแนกได้เป็นการปนเปื้อนระดับโมเลกุล การปนเปื้อนของอนุภาค และการปนเปื้อนของเศษที่ได้จากกระบวนการตามขนาดของแหล่งกำเนิดการปนเปื้อน ยิ่งอนุภาคสิ่งปนเปื้อนมีขนาดเล็กลงเท่าใด การกำจัดก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น ในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ขั้นตอนการทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์คิดเป็น 30% - 40% ของกระบวนการผลิตทั้งหมด

 

▲สารปนเปื้อนบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน | เครือข่ายแหล่งที่มาของภาพ