Metallfreies Ozon in der Fab

Ozon wird in der Halbleiterindustrie für verschiedene Zwecke verwendet, einschließlich Desinfektion, Reduzierung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) in Spülwasser, Waferreinigung und SiO2-Bildung. Die hohe Sterilisationswirkung von Ozon (aufgrund seiner starken Oxidationskraft und der Störung der Membrandurchlässigkeit der Bakterien) ist bekannt und wird seit vielen Jahren zur Sterilisation von Trinkwasser eingesetzt. In der Halbleiterindustrie dient die starke Oxidationskraft der Desinfektion von Prozesswasser und zugleich der Reduzierung von Verunreinigungen auf Schläuchen. Zudem wird Ozon bei der Desinfektion von Spülwasser eingesetzt, um auftretende Fehler auf dem Wafer zu vermeiden. Denn organische Verunreinigungen im Spülwasser können die Waferoberfläche trüben, wodurch der Wafer nicht nur verunreinigt, sondern auch Fehler auf dem Wafer auftreten können. Das Ozon besitzt die Fähigkeit diese organischen Verunreinigungen zu zerstören. Der Effekt dieses Verfahrens kann in Kombination mit UV-Licht verstärkt werden. Bei dem sogenannten Advanced Oxidation Process (AOP) werden Hydroxylradikale mit einem noch höheren Oxidationspotential gegenüber dem bloßen Ozon gebildet.

Eine weitere Anwendung von Ozon in der Halbleiterindustrie ist die Nassreinigung in Kombination mit verdünnter Flusssäure (DHF). Die wesentlichen Vorteile gegenüber dem traditionellen RCA clean sind die Reduzierung des Verbrauchs gefährlicher Chemikalien und die Einsparung von deionisiertem (DI) Wasser durch sehr geringe Spülzeiten. Die grundlegenden Reinigungstechniken IMEC clean, Diluted Dynamic Clean (DDC) und Ultra Clean Technology (UCT) verwenden zunächst eine Kombination aus DI-Wasser und Ozon (DI03) zur Entfernung von organischen Verunreinigungen und Edelmetallen. Die Vorgänge zum Entfernen von Partikeln, Metallen und der Oxidschicht unterscheiden sich grundlegend. Zum Beispiel wird bei der IMEC-Reinigung entionisiertes Wasser verwendet, das Fluss- und Salzsäure enthält. Es wird eine hydrophobe H-stabilisierte Oberfläche erhalten und falls gewünscht nur mit DI-Wasser gespült. Wenn eine hydrophile Oberfläche gewünscht wird, wird DI03 mit HCL oder einer anderen Ozonmischung verwendet, um eine dünne Oxidschicht nachwachsen zu lassen. Eine Weiterentwicklung der auf DHF/DI03 basierenden Nassreinigungstechnik ist der Single-Wafer-Spin Cleaning (SCROD). DHF und DI03 werden abwechselnd auf einen rotierenden Wafer gesprüht, bis der Wafer den Reinheitsanforderungen entspricht. In diesem Fall können keine Verunreinigungen von anderen Wafern durch das Bad übertragen werden. Ein ähnlicher Prozess, der nur DI03 verwendet, kann auch zum Entfernen von Fotolack verwendet werden.

DI03 oxidiert den Lack direkt von der Waferoberfläche und bildet Kohlendioxid und Wasser. Allerdings sollte der Prozess unter Druck ablaufen und die Ozonkonzentration möglichst hoch sein. Eine Verbesserung der Ozonkonzentration an der Waferoberfläche kann durch Einblasen von Ozondampf in die Prozesskammer erreicht werden. Ozon kann durch eine kontrollierte Wassergrenzschicht auf der Waferoberfläche diffundieren. Die Wasserschicht wird durch die Rotation aufgebaut. Dies führt zu einer Oberflächenozonkonzentration und anschließenden Oxidationsrate, die im Vergleich zur Konzentration von in Wasser gelöstem Ozon deutlich höher ansteigen kann.

Alle Ozonanwendungen in der Halbleiterindustrie erfordern eine hohe Ozonreinheit. Üblicherweise wird Ozon durch eine Hochspannungs-Volumenentladung erzeugt, bei der die Metallelektrode mit dem Prüfgas in Kontakt steht. Dadurch dringen feinste Metallpartikel in das Ozongas ein und kontaminieren die Waferoberfläche. Während die Hochspannungselektrode eines Oberflächenentladungsgenerators grundsätzlich aus Wolfram besteht, werden bei Elektroden von Volumentladungsgeneratoren meist Edelstahl verwendet. Im Vergleich zu Edelstahl ist das Wolframmaterial wesentlich widerstandsfähiger. Aufgrund der hohen Energiedichte an den Elektrodenecken wird das Dielektrikum jedoch im Laufe der Zeit abgetragen, weshalb die Installation von Partikelfilter vor der Verwendung von Ozon notwendig wird. Andernfalls droht eine Kontamination der Wafer. Um eine Verschmutzung der Elektroden und ein Absinken der Ozonkapazität zu vermeiden, müssen in beiden Fällen zusätzlich Gase zugegeben werden. Die Zusatzgase bleiben im Prozess bestehen und werden mit dem überschüssigen Ozon entgast werden müssen. Für die speziellen Anforderungen der Halbleiterindustrie existieren bereits eine Vielzahl an Lösungen (unter anderem von ANSEROS). So kann Ozon in sauberen Quarzmodulen berührungslos durch die Metallelektroden erzeugt werden. Hierbei werden die Oberfläche von keinen Metallpartikeln kontaminiert und die Wafer bleiben frei von Mängeln. Darüber hinaus bleibt die Ozonkapazität bei diesem Verfahren mit höchster Zuverlässigkeit konstant.

Der Markt für Ozongeneratoren ist mit etwa 500 verkauften Ozongeneratoren pro Jahr in den USA, 100 in Europa und 200 in Asien in den letzten Jahren gewachsen. Die Ozontechnologie kann den Wasser-, Chemikalien- und Energieverbrauch in Halbleiterprozessanlagen reduzieren. Mit Hilfe von Ozon kann der Einsatz von Chemikalien bei der Halbleiterherstellung ersetzt werden und das Ziel einer grüneren Zukunft verfolgt werden.

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