UV zračenje u proizvodnji i primeni mikroprocesora

Transcription

1 INFOTEH-JAHORINA Vol. 11, March UV zračenje u proizvodnji i primeni mikroprocesora Đurđe Milanović, Vazduhoplovna akademija Beograd, Srbija aniproms@neobee.net Vjekoslav Sajfert Tehnički fakultet "Mihajlo Pupin" Đure Đakovića bb Zrenjanin sajfertv@open.telekom.rs Vera Petrovic Visoka skola elektrotehnike i racunarstva, VISER Vojvode Stepe 283 Beograd Srbija vera.petrovic@viser.edu.rs Srđan Milanović, Mašinski fakultet Beograd, Srbija sgate.srp1@gmail.com Sadržaj U radu je analizirana primena UV zračenja za pripremu i obradu površina poluprovodnika. U tom smislu dat je predlog rešenja sistema za čišćenje i oksidaciju površina poluprovodnika u procesu proizvodnje mikroprocesora, memorijskih komponenti i raznih tipova integrisanih kola. Predloženi sistem može imati proširen opseg rada i raznovrsne primene, van poluprovodničke tehnologije. Ključne riječi-uv zračenje, površina poluprovodnika, čišćenje površine, oksidacija površine I. UVOD A. KRATKA ISTORIJA Odavno je bilo poznato da zračenje prouzrokuje neke efekte, kao na primer da se koža menja pod uticajem sunčevih zraka. Efekte uništavanja bakterija i eliminacija mirisa pod dejstvom sunčeve svetlosti, ljudi su od davnina koristili za sušenje voća i ribe ili za beljenje (vune, platna...), mnogo pre no što su otkrili da je UV zračenje glavna komponenta sunčevog spektra, koje izaziva pomenute efekte. Postojanje nevidljivog kratkotalasnog zračenja dokazano je (J.W.Ritter), a prvi eksperimenti sa otvorenim lukom započeli su (Humphry Davy). Zatvoren luk živine pare bio je proučavan, a rezultati su bili objavljeni (Wheatstone) (E.H. Jackson), patentirana je živina lampa, a (Downes & Blunt ) pokazan je baktericidni efekat sunčevog zračenja, koji je uvećan prisustvom kiseonika iz vazduha. Dalji razvoj lampi i UV prozračnih stakala, omogućuje masovnu proizvodnju UV izvora zračenja, te smanjenjem cene omogućavaju efikasnu i ekonomičnu primenu u mnogim oblastima, a u poslednje vreme i za efikasniju proizvodnju ozona. B. OSNOVE UV ZRAČENJA UV zračenje je elektromagnetna emisija, koja se u elektromagnetnom spektru nalazi između X-zračenja i vidljive svetlosti. Opseg UV zračenja je podeljen na 4 oblasti, a granice su određene u skladu sa odgovarajućim kriterijumom. Za proizvodnju ozona i dezinfekciju značajne su dve karakteristične živine linije u spektru 185 nm (184,9 nm) i 254 nm (253,7 nm) redom, (1 nm=10-9 m), mada je utvrđeno da se visoka baktericidna efikasnost nalazi u opsegu od 227 nm do 329 nm sa izraženim maksimumom oko nm (Barnard & Morgan i Bang 1941.). C. PRIMENE UV ZRAČENJA Opseg primena UV zračenja je veoma veliki iako se to u svakodnevnom životu retko primećuje. Najčešće primene su: 1. UV sterilizacija prozračnih fluida (oko 254 nm): vode, vodenih rastvora (šećera), seruma, zatvorenih prostora: vazduha, površina Polimerizacija: boja (za brzo sušenje boje i visok kvalitet pri štampanju, bojenju automobilima...), zubnih plombi, plastičnih masa Ubrzano (veštačko) starenje: drveta, alkoholnih pića (npr. rakije, što je zabranjeno zakonom). 4. Foto-elektronska emisija: izbijanje elektrona sa površina metala (npr. Ag na 350 nm). 5. Beljenje materijala (vuna, tekstil,...). 6. Sinteza halogenih elemenata i alkana. 7. UV spektrofotometrija: za određivanje karakteristike transparencije/apsorpcije raznih optičkih materijala, ali i tečnosti i gasova organskog i neorganskog porekla radi utvrđivanja sastava. Merenje koncentracije ozona i kiseonika. 8. UV generisanje i dezintegracija ozona: od oblasti X- zračenja do 200 nm UV zračenje generiše ozon. Karakteristična linija, optimalna za upotrebu je oko 185 nm. UV dezintegracija ozona: oko 254 nm. 9. Brisanje sadržaja na EPROM-u (254 nm). 10. UV čišćenje površina razlaganjem organske materije u vazduhu vodi i na površinama direktnim uticajem UV zračenja oko 185 nm. 11. UV čišćenje površina razlaganjem organske materije u vazduhu vodi i na površinama kombinovanim uticajem direktnog UV zračenja na 185 nm i indiretno, primenom tzv. AOP (Advanced Oxidation Process), kada se UV zračenju (185 nm i 254nm) podvrgnu jaka nestabilna oksidaciona hemijska

2 jedinjenja (ozon, vodonik-peroksid, hipohloriti, itd.). Indukovanim raspadom jakih oksidanasa nastaju još reaktivnije komponente, koje oksidišu supstance u svom okruženju, uključujući i stabilna organska jedinjenja i razlažu lančano na sve prostije ugljovodonike, do vode i ugljen-dioksida. 12. UV nanošenje oksidnih slojeva (AOP 185 nm i 254 nm generisanjem i razlaganjem ozona na površini materijala, (npr. u proizvodnji poluprovodnika). 13. UV litografija u proizvodnji memorija i mikroprocesora. D. OZON I UV ZRAČENJE Ozon je gas bez boje mirisa i ukusa, nestabilan je, brzo se raspada, te sa okolnim azotom iz vazduha daje azotne okside i karakterističan miris, koji nas upozorava na prisustvo ozona. Ozon u prirodi nastaje pri zemljinoj površini, u atmosferi, prirodnim električnim pražnjenjem (dejstvom gromova i munja), a u gornjim slojevima atmosfere, u jonosferi, delovanjem (uglavnom) UV zračenja, koje potiče sa Sunca. Opseg elektromagnetnog zračenja od kosmičkog do 200 nm ima dovoljnu energiju da pokida veze molekula kiseonika i rekombinacijom formira nestabilno jedinjenje ozon. Nastajanje i raspad ozona u jonosferi, najefikasnije se odigrava pod delovanjem dve komponente UV zračenja. Tamo se odigrava se jedan ravnotežan kružni proces stvaranja ozona iz kiseonika i raspada ozona ponovo u kiseonik. UV zračenje veće energije (oko 6.7 ev, talasne dužine λ=185 nm), koje ima kratak domet u vazduhu, jer ga upija (apsorbuje) kiseonik, sposobno je da svojom energijom pokida veze u molekulu kiseonika i od molekula kiseonika (koji ima dva atoma) stvori dva posebna atoma kiseonika (tzv. monoatomski ili nascentni kiseonik), koji ne može, pod normalnim uslovima, opstati kao jednoatomni. Nastali jednoatomski kiseonik je veoma reaktivan, pa se ili ponovo kombinuje (rekombinuje) sa drugim slobodnim atomom kiseonika i vraća u prvobitno stanje, ili sa molekulom kiseonika daje troatomni gas ozon (O 3 ). Zbog nestabilnosti ozona i reaktivnosti nascentnog kiseonika, kažemo da je ozon, jako (najjače prirodno) oksidaciono sredstvo. Ozonski omotač oko Zemlje, koji je nastao na opisan način, štiti nas od UV zračenja manje energije (oko 5 ev, talasne dužine λ=254 nm), jer ozon upija (apsorbuje) ovo zračenje, koje je veoma efikasno za raspad ozona, koji se rekombinuje do kiseonika. Talasne dužine UV zračenja oko λ=254 nm, mogu biti štetne ako se sloj ozona smanji ili nestane, jer može izazvati oštećenje rožnjače na oku, rak kože, mutaciju ćelija, itd. Ovaj cikličan proces nastajanja i raspada ozona, traje milionima godina i ozon je štitio i štiti život na Zemlji od pogubnog uticaja UV zračenja (λ= 254 nm) u obliku u kome je bio, u kome je sada i njegov dalji razvoj, ali čovekova nezajažljivost za novcem i ugodnošću doprinela je zagađenju prirodne sredine i uništenju ozonskog omotača, za svega nekoliko decenija. Primenom već pomenutih talasnih dužina 185 i 254 nm na kiseonik, ozon, vodonik peroksid nastaju veoma burni fizičkohemijski procesi oksidacije praćene dezintegracijom organskih makromolekula, koji u krajnjoj instanci dovode složene molekule formirane od ugljenika i vodonika do ugljen-dioksida i vode. Kada se ozon nađe pod dejstvom UV zračenja 254 nm, on se ubrzano raspada na molekulski i nascentni kiseonik. Nascentni kiseonik ili se rekombinuje sa istim atomom i vraća u molekul kiseonika ili se, ako ima vode, vezuje za njegov molekul i daje nestabilno jedinjenje vodonik peroksid, koje se dalje, pod delovanjem UV zračenja, raspada na 2 OH radikala, koji su izuzetno reaktivni i imaju visok oksidacioni potencijal, nešto manji od fluora, a veći od nascentnog kiseonika (Tabela 1.). TABELA I. OKSIDACIONI POTENCIJALI R.br. Opis Oznaka V 1. Fluor F 2 3,03 2. Hidroksilni radikal OH 2,8 3. Atomski kiseonik O 2,42 4 Ozon O 3 2,07 5 Vodonik peroksid H 2 O 2 1,78 Ovo uprošćeno objašnjenje može se prikazati sledećim foto-hemijskim reakcijama, koje se u literaturi nazivaju AOP (Advanced Oxidation Processes, što bi se u slobodnijem prevodu moglo opisati kao unapređeni ili ubrzani proces oksidacije): UV O 3 O 2 + O (1) H 2 O + O H 2 O 2 (2) UV H 2 O 2 2 OH (3) OH radikali nadalje veoma brzo oksidišu sadržaj sa kojim dolaze u dodir (u vodi, u vazduhu, na površinama...). AOP ima veoma široku primenu u razgradnji stabilnih organskih jedinjenja, koja zagađuju zemljište i vodotokove ili se nalaze na površinama (npr. poluprovodnika) i teško se mogu razgraditi na drugi način (npr. herbicidi, pesticidi, i druga organska jedinjenja), a sa hlorom daju opasne, kancerogene supstance (kao što su: tri-halo-metani, hlor-amini, itd.). Ono što nas u ovom radu posebno interesuje, je primena UV zračenja za: 1. Brisanje sadržaja EPROM-a [1], 2. Čišćenje i oksidaciju površine poluprovodnika (dalje PP), [2] 3. UV litografiju radi proizvodnje procesora i PP memorija [3] i 4. Pranje površina PP ultra-čistom vodom, koja je sterilisana UV zračenjem [4]. II. PRIMENA UV ZRAČENJA U POLUPROVODNIČKOJ TEHNOLOGIJI A. BRISANJE SADRŽAJA EPROM-A Brisanje sadržaja EPROM memorije je moguće u opsegu talasnih dužina UV zračenja (ispod 400 nm). Izlaganje

3 sunčevom zračenju u trajanju od 1 sedmice ili fluorescentnom osvetljenu u trajanju od oko 3 godine, takođe može izazvati brisanje sadržaja. Preporučena procedura brisanja je primena UV zračenja talasne dužine germicidne živine lampe (254 nm) snage 8W sa rastojanja od 2-3 cm, u trajanju od minuta [1]. (NB: germicidno UV zračenje je izuzetno opasno za oči i kožu te je potrebno zaštiti ljude u okolini običnim staklom, metalom, itd. Germicidno zračenje u velikoj meri apsorbuje DNK ćelije, a rezultati su: smrt ili mutacija ćelije ili kancer). Slika 2. Šematski prikaz UV-O3 naprave za čišćenje površina; delovi sistema: (1.) Dovod kiseonika, (2.) Filter, (3.) Protokomer, (4.) Kriogeni trap za vodenu paru, (5.) Dovod azota za ispiranje komore, (6.) Visokonaponski ozon generator, (7) UV lampe, (8) UV reaktor (komora za čišćenje), (9) grejač, (10.) Izliv otpadnih produkata procesa [6]. Slika 1. Kvarcni prozor EPROM memorije kroz koju se UV zračenjem briše sadržaj [1] B. ČIŠĆENJE I OKSIDACIJA POVRŠINE PP 1) ČIŠĆENJE POVRŠINA Razlaganje (depolimerizacija) polimera pod uticajem UV zračenja (1972. godine), lampama srednjeg pritiska (koje u svom emisionom spektru sadrže UV zračenje 185 nm i 254 nm), kao završne produkte depolimerizacije, dalo je ugljendioksid i vodu [5]. To je pokrenulo niz eksperimenata u raznim oblastima, a u oblasti PP primenu UV zračenja radi čišćenja i oksidacije površine supstrata. Tako su Vig i saradnici u periodu godine, napravili seriju eksperimenata, radi stvaranja optimalnih uslova za čišćenje površina (skidanje masnih naslaga i/ili drugih organskih jedinjenja) primenom UV zračenja [6]. Pokazalo se da pod odgovarajućim uslovima, kombinacijom UV zračenja i ozona, čista površina se dobija za manje od minuta. Rezultati istraživanja [6] dati su u Tabeli 2. TABELA II. UTICAJ UV ZRAČENJA NA ČIŠĆENJE POVRŠINA [6] Vrsta uticaja na površinu Vreme za čistu površinu "Black light" (λ 350 nm) Bez efekata O 3, bez UV 10h 254 nm, bez O 3 1h 254 nm + O 3 90s 254 nm +185 nm + O 3 20s Čišćenje površina primenom kombinacija UV-O 3, uspešno se primenjuje na sledećim materijalima: staklo, kvarc, liskun, safir, keramike, metali, silicijum, GaAs, provodni poliamidni cementi. Najčistije površine silicijuma (u odnosu na kontaminaciju metalima i ugljovodonicima ostvaruje se graviranjem fluorovodoničnom kiselinom (HF), ispiranjem vodom i UV-O 3 oksidacionim procesom. 2) OKSIDACIJA POVRŠINA Osim efikasnog uklanjanja organskih ostataka, primena UV-O 3, postupka može da se primeni za smanjenje debljine ili potpuno skidanje fotorezista ili tankih polimernih filmova koji su zaostali posla procesa reaktivnog jonskog graviranja (etch). Za sve te primene neophodno je da budu prisutne obe linije (185 nm i 254 nm) u UV spektru lampe(i), kako radi dekompozicije neželjenih organskih jedinjenja, tako i radi stvaranja tankog sloja oksida na površini Si. Na sobnoj temperaturi debljina sloja ovog oksida ne prelazi 1.5 nm, koji je veoma koristan kao pasivizirajući sloj. Ako je to potrebno znatno deblji sloj može se napraviti primenom UV-O 3 na temperaturi do 500 C [7]. 3) UV LITOGRAFIJA Fotolitografija (pisanje svetlom po kamenu) može se realizovati u širokom spektru EM zračenja (IC oblast, vidljivi spektar, UV spektar, itd.). Odgovor na pitanje zašto se primenjuje UV litografija nalazi se na slici 3. Za brz rad i malu disipaciju integrisanih kola potrebne su što manje parazitne kapacitivnosti tranzistora. Manja talasna dužina za "crtanje i pisanje" po površini PP omogućava (zbog manje difrakcije) veću rezoluciju i proizvodnju manjih tranzistora npr. CPU koji ima veću radnu frekvencu, mora da ima manji radni napon (da ne dođe do proboja), pa samim time i ma i manju potrošnju. Osim što se na istu površinu može smestiti više tranzistora, koji povećavaju opseg rada naprave, potrošnja energije po tranzistoru opada. Sa slike 3 vidi se da je godine litografija krenula od vidljive svetlosti (436 nm), pa je zatim krenula kroz UV oblast (365 nm realizovano UV lampama). Nadalje su uvedeni ekscimerni laseri (KrF 248 nm, ArF 193 nm) i tehnika dvostruke šare, slika 4, koja je dovedena na nivo umeća [8]. UV litografija je najrasprostranjenija tehnika današnjice u svakakom pogledu. Potencijalni naslednici litografije na bazi optičke projekcije su EUVL (Ekstremna UV Litografija, čiji je cilj 13.5 nm), zatim litografija X-zračenjem, jonskim i elektronskim snopom [9]. Kratkotalasna litografija poznatija u razvojnim institucijama u ovoj oblasti kao NGL (Next Generation Lithography) koristi kratkotalasno UV zračenje na (157 nm),

4 EUV (Ekstremne UV na oko 13.5 nm), X-zračenje (0.4 nm) ili zračenje još veće energije: jonskih i elektronskih snopova. Slika 3. Uticaj talasne dužine za litografiju na primenjenu frekvencu CPU od do [8] Slika 5. Predlog rešenja EUVL skenera koji radi pod vakuumom, ima laserski izvor UV zračenja na bazi pražnjenjem napravljene plazme 13.5 nm, Brag-ova ogledala koja usmeravaju snop do refleksivne maske [10] Dok ostale tehnike iz oblasti NGL zahtevaju jednostruku redukciju membrane maski EUVL zahteva četvorostruku redukciju, što omogućava primenu ove tehnike. ali, napuštanje tehnike EUVL na 157 nm, tehnološki skok sa 193 nm na 13.5 nm stvara kompleksne tehnološke probleme daleko izvan postojećih granica. Tako EUVL tehnika zahteva rešene probleme u oblasti EUV tehnologije: rezista, štampača i maski, ali i rešene probleme merenja, provere i kontrole grešaka. 4) PREDLOG REŠENJA SISTEMA ZA UV ČIŠĆENJE I OKSIDACIJU a Slika 4. "Double patterning double-trench" proces u dva uzastopna koraka A i B [8] Slika 6. Predlog sistema za čišćenje, pranje i oksidaciju površina PP; delovi sistema: 1. Komora sa UV lampama, 2. Generator O3, 3. Boca kiseonika, 4. Regulacija pritiska, 5. UV senzor za merenje koncentracije O3, 6. Merač konc. O3, 6a. UV spaljivač O3, 7. Otpadna voda iz UV komore, 8. (UV) dehlorator, 9. Tank dehlorisane vode, 10. Filter do 1 μm, 11. Demineralizator, 12. UV sterilizator, 13. Komplet filtera sa ultrafilterom (pore<1 μm), 14. Vodovodna mreža. Na osnovu predhodnog formiran je predlog rešenja sistema za UV čišćenje, pranje i oksidaciju površina poluprovodnika, koji nije teško napraviti u našim uslovima i dat je na slici

5 Interakciona komora sa UV lampama na 254 nm (1.) je povezana za linije A. Gasa B. Vode. Na liniji A. kojom se dovodi O 3 u komoru UV za interakciju, koju ćemo u daljem tekstu zvati UV reaktor ili reaktor, nalazi se boca kiseonika (3.), koja je preko grupe regulacionih ventila (4.), povezana za generator O 3 (2.), koji snabdeva UV reaktor ozonom. Generator O 3 je domaće izrade, radi u rezonantnom VF režimu dielektrik je keramika i za veće snage ima vodeno hlađenje [11]. UV senzori (5) daju analoni električni signal centralnoj jedinici (6.), koja obrađuje i prikazuje vrednosti [12]. Linija (7.) sadrži filter za obradu otpadne vode iz UV reaktora. Otpadni gas (O 2 + O 3 ) se ili može vratiti u generator ozona ili, alternativno, ispustiti u atmosferu preko UV spaljivača ozona (6a.) (reaktor sa UV lampama na 254 nm). Napomenimo još i to da se UV senzor (5.) i merač koncentracije (6.) mogu napraviti kao UV spektrofotometri, kojima se može meriti koncentracija organske materije u gasu. Na liniji B. koja dovodi ultra-čistu vodu za ispiranje PP u UV reaktor, od (14.) vodovodne mreže ka UV reaktoru, nalaze se: (8.) UV dehlorator, (9.) rezervoar dehlorisane vode, (10.) filterska grupa, koja se završava filterom od 1 μm, (11.) deminaralizator, koji na izlazu daje kvalitet redestilate (17-18 MΩ-cm) [4], [7], (12.) UV sterilizator i (13.) sub-mikronski filter ( μm) sprecavaju da eventualne bakterije ili njihovi delovi sa vodom dospeju na površinu obrađenog PP. III. ZAKLJUČAK Analiza raznih postojećih, komercijalnih naprava, za čišćenje, ispiranje i/ili oksidaciju površina poluprovodnika, i sistema za UV litografiju, navodi na ideju o integralnom sistemu, koji bi sadržao sve tehnike i tehnologije za tretman površina poluprovodnika. Ovakav sistem bi mogao da ima sledeće funkcije: UV čišćenje, ispiranje, oksidaciju i litografiju poluprovodnika. U tom smislu je napravljen predlog rešenja, u kome bi se mogla uraditi i litografija lampama na 365 nm, a eventualno i lampama na 185 nm. Teoretski na ovaj način bi se mogao pokriti opseg od 500 nm do 50 nm, što odgovara tehnologijama koje su primenjene za Pentium procesore od 100MHz do 3 GHz. Realna primena talasnog opsega bi se morala utvrditi eksperimentalno. Ovakav sistem bi se po potrebi mogao napraviti i u našim uslovima, pod uslovom kupovine pojedinih komponenata, koje se ne proizvode kod nas, ali bi bio znatno jeftiniji od uvoza i tehnološki prilagodljiv raznim namenama. Osim primene za površine poluprovodnika, pojednostavljen sistem, koji je znatno laše realizovati, može se primeniti i za čišćenje površina drugih materijala: staklenih površina, reflektora, metalnih površina, itd. LITERATURA [1] EPROM; [2] Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology (2nd Edition), Edited by: Reinhardt, Karen A.; Kern, Werner 2008 William Andrew Publishing, & ISPLAY_bookid=2225 [3] Banqiu Wu & Ajay Kumar (Eds), Extreme Ultraviolet Lithography: Towards the Next Generation of Integrated Circuits, McGraw-Hill Professional, ISBN [4] Water for IC Production, [5] Bolon, D. A. and Kunz, C. 0., Ultraviolet Depolymerization of Photoresist Polymers, J. of Polymer Engin. Sci., Vol. 12, pp [6] Vig, J. R., UV/Ozone Cleaning of Surfaces in: Treatise on Clean Surface Technology, Vol. 1, K. L. Mittal, ed., Plenum Press, NY 1987., pp. 1-26, [7] Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology (2nd Edition), Reinhardt, Karen A.; Kern, Eds., Werner 2008 William Andrew Publishing, & ISPLAY_b ookid=2225 [8] Totzeck, M., Ulrich, W., Göhnermeier A. and Kaiser W., Pushing deep ultraviolet lithographyto its limits, Nature photonics, Vol. 1, pp , November 2007., [9] Bjorkholm, J. E. EUV Lithography The Successor to Optical Lithography?, Intel Technology Journal Q3 98, pp. 1-8 [10] Wu, B. and Kumar, A., Extreme Ultraviolet Lithography: Towards the Next Generation of Integrated Circuits, Optics and Photonics Focus, Vol.7, Story 4, November [11] Milanović, Đ., Rezonantni keramički VF generator ozona sa površinskim pražnjenjem, Rad pripremljen za objavljivanje. [12] Livada, B., Milanović, Đ., UV Merač koncentracije ozona, Zbornik radova konferencije ETRAN 1997., pp ABSTRACT In this paper we analyzed UV radiation application for semiconductor surfaces preparation and processing. In this respect a system preposition for semiconductor cleaning and oxidation of semiconductor surfaces for microprocessors, memories and various types of integrated circuits production process is given. The proposed system can have extended application range and diversified applications, outside semiconductor technology. UV RADIATION IN PRODUCTION AND MICROPROCESSOR APPLICATION Đurđe Milanović, Vazduhoplovna akademija, Beograd, Srbija; Srđan Milanović, Mašinski fakultet, Beograd, Srbija; Vera Petrovic, Visoka skola elektrotehnike i racunarstva, Beograd Srbija