Импульсная плазменная очистка технологических сред от микробиологических объектов в производстве изделий микро-и наноэлектроники

Актуальность темы

.

В настоящее время основными тенденциями развития микрои наноэлектроники стали постоянный рост уровня интеграции и увеличение быстродействия интегральных схем (ИС), переход от узкоспециализированных ИС малой степени интеграции, содержащих десятки активных элементов к большим и сверхбольшим интегральным схемам (БИС и СБИС), содержащим до нескольких сотен миллионов элементов на кристалле работающих на частоте свыше 1 ГГц, способных выполнять широкий спектр элементарных операций по обработки информации. Элементы подобных БИС и СБИС имеют размеры в единицы и доли микрометра. Производство таких ИС стало возможно за счет высокой стабильности и точности разработанных технологических процессов и технологического оборудования [1−8]. При этом особенно важной задачей становится сохранение высокой степени чистоты технологических сред.

Надежность выпускаемых ИС и процент выхода годных изделий во многом зависят от гигиены производственного помещения [9, 10]. Под электронно-вакуумной гигиеной подразумевают систему мер по устройству производственных помещений, вентиляции и отопления, применению специальной технологической одежды, а также специальные правила поведения работающих, обеспечивающие высокую чистоту в зоне выполнения технологических операций.

Необходимость поддержания в производственных помещениях высокой чистоты объясняется тем, что влага, кислоты, пыль и другие загрязнения, попавшие на подложки или полупроводниковые структуры, в процессе изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, могут привести к появлению дефектов, что снижает их качество или приводит к выходу из строя. В технологическом процессе изготовления ИС широко применяются воздушные и газовые атмосферы и среды, жидкие среды и вакуум.

Параметры воздушной среды оказывают существенное влияние на процесс изготовления ИС, даже в том случае, если нет непосредственного контакта воздуха и полуфабрикатов изделия. Наиболее важными параметрами для воздушной среды являются температура, влажность и запыленность. Температурная нестабильность может привести к нарушения протекающих химических реакций, изменению точности технологического оборудования, изменению линейных размеров элементов структуры и т. д. Требования к стабильности температуры окружающей среды определяются проводимой операцией.

Влага воздуха оказывает вредное влияние на большинство технологических процессов, адсорбируясь на поверхности полупроводниковых пластин и проникая в химические реактивы и газы-реагенты. Присутствие в рабочем помещение персонала делает невозможным резкое уменьшение влажности в этом помещении. В табл. 1 приведена подразделения помещений по температурно-влажностным параметрам.

Табл. 1 Подразделение помещений по температурно-влажностным параметрам [9].

Класс помещений по микроклимату Значение температуры, °С Относительная влажность, % зимой летом.

I 21+1 23+1 45±5.

II 20+2 23+2 45±15.

III По санитарным нормам СН.245−71.

Табл. 2. Подразделение рабочих мест по степени запыленности атмосферы помещения [9].

Класс чистоты атмосферы помещений и рабочих мест Допустимое количество частиц пыли размером 0,5 мкм и более, содержащихся в атмосфере в 1 л (1 дм) в 1 м³.

1 4 3,5−103.

2 35 3,5−104.

3 3,5−102 3,5−105.

4 3,5−103 3,5−106.

5 По санитарным нормам СН.245−71.

Частицы пыли, оседающие из атмосферы, могут быть причинами различных дефектов структур, например обрывов и коротких замыкания проводников, нарушение диффузионных областей и т. д. Наиболее опасно присутствие в воздухе частиц размером менее 0,5 мкм, поскольку им свойственно долго находится во взвешенном состоянии и они могут оседать на подложки. Допустимые размеры и количество содержащихся в единице объема пылинок определяется конкретной технологической операцией и размерами элементов структуры. Подразделение рабочих мест по степени запыленности атмосферы помещения приведено в табл. 2.

Разработка и развитие новых технологий производства ИС и технологического оборудования определяется требованиями предъявляемыми к ним со стороны промышленности и т.к. в экономически развитых странах микроэлектроника сейчас находится на пике своего развития, наблюдается высокий платежеспособный спрос со стороны потребителей с одновременным увеличением требований к изделиям на базе подобных ИС, на таком же пике развития находится и разработка новых технологий производства ИС. Уже сейчас ведущие производители ИС запускают субмикронные производства ИС, оснащенные оборудованием для обработки 300 мм полупроводниковых пластин, с минимальными размерами элементов до 0,1 мкм [11−14]. Почти весь цикл операций на таких производствах проводится в «чистых» комнатах, электронно-вакуумная гигиена в которых должна соответствовать самым высоким требованиям. Требования к допустимому уровню загрязнений рабочей поверхности полупроводниковой пластины для субмикронных производств на данный момент и прогноз на ближайшее будущее приведен в табл. 3. Затраты на строительство комплекса «чистых» комнат на современных производствах составляет сотни миллионов долларов США [14, 15].

В связи с тем, что допустимые размеры и количество содержащихся в единице объема технологической среды пылинок, определяется, в том числе и размерами элементов структуры, то при переходе к субмикронной технологии производства СБИС с размерами элементов менее 0,2 мкм появляется новый большой класс частиц загрязняющих технологическую среду (воздушную атмосферу) производственных помещений — микроорганизмы (бактерии, вирусы, споры и грибки). Их существенным отличием от предыдущего класса загрязняющих частиц (пылинок) являются свойственные им две характерные черты:

— очень малые размеры, от 0,01 до нескольких единиц мкм.

— способность размножаться в широком диапазоне климатических условий.

Табл. 3. Требования к допустимому уровню загрязнений рабочей поверхности пластины [16].

Параметр 1995 год 2001 год 2007 год 2010 год.

Разрешение процесса литографии, мкм 0,35 0,18 0,10 0,07.

Поверх, конц.част., м" 1400 500 200 150.

Размер частиц, мкм >0,12 >0,06 >0,03 .> 0,02.

Эффект, удаления част., % 95 95 >95 >95.

Поверх, конц. ат. органич. загрязнений, ат. С/см2 1×1014 ЗхЮ13 5×1012 ЗхЮ12.

Эти характеристики нового класса загрязняющих частиц сводят на нет эффективность фильтрации технологической среды. Климатические условия «чистых» комнат являются комфортными для размножения микроорганизмов, многие из которых размножаются по экспоненциальной прогрессии. Большая часть микроорганизмов проникает в «чистые» комнаты, минуя фильтрационную систему, малоэффективную для столь малых частиц. Та же часть микроорганизмов, которая оседает на поверхности фильтров, начинает активно размножатся, на поверхности фильтров появляются целые колонии микроорганизмов и в дальнейшем они минуя фильтрационную систему попадают в технологическую среду «чистых» комнат.

Использование в условиях «чистых» комнат традиционных методов борьбы с микроорганизмами нашедших широкое применение в медицине, биотехнологии и пищевой промышленности, таких как нагрев до высоких температур (вплоть до 200°С), обработка перегретым паром, обработка газообразными и жидкими гербицидами невозможна из-за полной несовместимости с электронно-вакуумной гигиеной производственных помещений и опасностью для жизни персонала.

Решением этой проблемы может стать разработка нового метода низкотемпературной очистки технологической среды от микробиологических загрязнений, совместимого с технологиями, применяемые в производстве ИС.

Еще в 60-е годы в Америке были предприняты успешные попытки низкотемпературной микробиологической очистки материалов плазмой высокочастотного тлеющего разряда при давлении ниже 1 Тор. В начала 90-х годов появились системы очистки от микробиологических загрязнений на основе тлеющего разряда низкого давления, использующие в качестве рабочего газа перуксусную кислоту или перекись водорода. Изучение механизма плазменной микробиологической очистки при пониженном давлении показало принципиальную возможность очистки материалов продуктами реакции в плазме, без непосредственного контакта плазмы с поверхностью объекта, что позволяет перейти к такой обработке при более высоких давлениях, вплоть до атмосферного, т. е. разработать метод плазменной низкотемпературной очистки рабочих материалов и сред, в т. ч. и воздуха от микробиологических загрязнений при атмосферном давлении, отличающийся высокой экологической чистотой, безопасностью для персонала и отвечающий требованиям электронно-вакуумной гигиены производственных помещений «чистых» комнат.

Помимо такого использования ионно-плазменные системы атмосферного давления имеют перспективу найти широкое применение на различных стадиях производства ИС и электронных компонентов. Первые шаги в этом направлении наглядно показывают, что низкотемпературная плазма атмосферного давления может найти широкое применение для очистки полупроводниковых пластин, в операциях травления или нанесения различных материалов [17−27].

Интерес к использованию низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении в производстве изделий РЭА подчеркивается постоянным появлением статей на эту тематику в специализированных периодических изданиях, например [17−29], и проведением раз в два года международного симпозиума по плазмохимии при атмосферном давлении «International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry», последний их которых, HAKONE VII, прошел 10−13 сентября 2000 г. в городе Greifswald, Germany (Германия). Проводятся и аналогичные региональные симпозиумы.

Наибольшего успеха в этой области добились исследовательские коллективы из США, России, Украины и Японии. Интерес к внедрению технологии обработки материалов низкотемпературной плазмой при атмосферном давлении проявляют ведущие мировые электронные корпорации, такие как, Toshiba Corporation, Seiko Epson Corporation и ряд других.

Помимо применения в производстве изделий РЭА обработка материалов в низкотемпературной плазме при атмосферном давлении может найти применение в других отраслях промышленности, медицине, сфере обслуживания, пищевой промышленности, экологии и т. д. В частности, метод низкотемпературной микробиологической очистки в плазме воздуха при атмосферном давлении является хорошей альтернативой для экспресс стерилизации термолабильных полимеров, медицинских электронных приборов [30−33] и т. п. изделий и материалов в медицине и биотехнологии, нагрев которых при традиционных методах экспресс стерилизации приводит к их термодеструкции.

В связи с этим, целью диссертационной работы является разработка метода низкотемпературной плазменной очистки технологических воздушных сред и различных материалов от микробиологических объектов при атмосферном давлении, который безопасен для людей. Для достижения поставленной цели были рассмотрены следующие задачи: а) обоснован выбор типа газового разряда (ГР) при атмосферном давлении и метода его генерацииб) разработана конструкция электродной системы и плазменного реактора для генерации низкотемпературной плазмы импульсного искрового ГР наносекундного диапазона при атмосферном давлении. в) исследована кинетика изменения состава газовой среды и физических явлений в процессе горения импульсного атмосферного ГРг) исследован эффект воздействия на микробиологические объекты низкотемпературной плазмой импульсного искрового ГР наносекундного диапазона при атмосферном давлении в условиях облучения и без облучения камеры плазменного реактора внешним источником ультрафиолетового (УФ) излученияд) проведен анализ перспектив применения метода низкотемпературной плазменной очистки от микробиологических объектов при атмосферном давлении для очистки воздушных рабочих сред в субмикронных производствах СБИС;

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые показано, что в результате комплексного воздействия импульсного искрового ГР и ультрафиолетового источника в воздухе при атмосферном давлении происходит и стабильно воспроизводится процесс стерилизации поверхности твердого тела и газового объема, при этом эффективность комплексного воздействия по сравнению с воздействием отдельных факторов увеличивается в три и более раза.

2. Разработана конструкция и исследованы электрофизические параметры электродной системы (ЭС) для импульсной генерации низкотемпературной плазмы искрового разряда, предотвращающей разогрев и распыление элементов электродной системы (в п раз, где п — количество острийных электродов в матрице) с предионизацией газа в межэлектродном зазоре от предыдущего импульсного ГР (снижение пробивного напряжения на 5−30%);

3. Установлено влияние размера межэлектродного зазора ЭС (в диапазоне г =1−9 мм) и частоты следования высоковольтных импульсов напряжения наносекундного диапазона (в диапазоне /= 10−100 Гц) на эффективность очистки от микробиологических объектов и на протекание плазмохимических реакций и выход продуктов этих реакций в низкотемпературной плазме воздуха импульсного ГР при облучении и без облучения зоны разряда внешним источником УФ излучения. Показано, что УФ излучение значительно ускоряет процесс разложения получаемых активных веществ (до 500 раз), за счет активирования реакции разложения озона;

4. Показано, что облучение УФ излучением играет двойственную роль в процессе низкотемпературной плазменной очистки от микробиологических объектов, активизируя квазиплазменную среду и оказывая непосредственное влияние на микроорганизмы;

5. Разработан метод очистки воздушной среды производственных помещений микрои наноэлектронных производств от микробиологических объектов, с использованием низкотемпературной плазмы импульсного искрового ГР наносекундного диапазона при атмосферном давлении в комбинации с УФ излучением.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод деструкции микробиологических объектов в газовой среде и на поверхности твердого тела комбинированным воздействием плазмы импульсного ГР и УФ излучения, безопасный для персонала.

2. Результаты исследования влияния параметров импульсного ГР и УФ излучения на кинетику изменения состава воздушной среды.

3. Результаты воздействия импульсного ГР, состава газовой среды и УФ излучения на микробиологические объекты.

4. Конструкция электродной системы (ЭС) для импульсной генерации низкотемпературной плазмы искрового ГР при атмосферном давлении, предотвращающая разогрев и распыление элементов электродной системы и предионизацией газовой среды в межэлектродном промежутке в серии импульсов излучением предыдущего импульсного ГР.

Практическая значимость результатов.

— Разработан метод плазменной очистки материалов и газовых сред от микробиологических объектов;

— Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» «МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского: использованы при создании курсов по дисциплинам «Нанотехнология в производстве РЭС», «Физико-химические основы ионно-плазменных процессов», «Наукоемкие технологии экологии и жизнеобеспечения», а также в процессе подготовки магистрантов;

— Предложенная модель электродной системы для импульсной генерации газового разряда и метод обработки материалов использованы для создания плазмохимических систем атмосферного давления на предприятии «Фрактал-М»;

— На основе использования атмосферного импульсного разряда разработан малогабаритный плазменный стерилизатор для нанотехнологии, микроэлектроники, медицины, биотехнологии и бытового применения, получивший высокую оценку и рекомендованный для внедрения Комиссией по новой технике при Минздраве РФ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Ефремов Г. В., Елинсон В. М., Потрясай В. В., Савкин А. В. Воздействие низкотемпературной плазмы на биологические объекты // Тез. докл. Всерос. научно-техн. конф. Новые материалы и технологии. М.: изд-во «ЛАТМЭС», 2000, с. 237−238.

II. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Бабушкина О. С. Стимулирующее воздействие низкотемпературной плазмы на биологические объекты // Тез. докл. Междунар. молод, науч. конф. XXVII Гагаринские чтения, т. 6. М.: «ЛАТМЭС», 2001, с. 72−73.

III. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Генерация и роль химически активных частиц в процессах низкотемпературной стерилизации в воздушной плазме // Тез. докл. Междунар. молод, науч. конф. XXVII Гагаринские чтения, том 6. М.: изд-во «ЛАТМЭС», 2001, с. 76−77.

IV. Елинсон В. М., Слепцов В. В., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Роль химически активных частиц в процессах низкотемпературной плазменной стерилизации // Сборник докл. 4-го Международного симпозиума «Вакуумные технологии и оборудование», Харьков, Украина, 2001, с. 92−95.

V. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Физические и химические факторы процесса низкотемпературной плазменной стерилизации // Мат. VIII науч.-техн. конф. «Вакуумная наука и техника», М.: «Центр опер, пол.», 2001, с. 184−188.

VI. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Способ биоочистки изделий микроэлектроники // Тез. докл. Всерос. научно-техн. конф. «Микрои нано-электроника 2001». Звенигород, том 2, 2001, с. Р1−54.

VII. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Процесс низкотемпературной стерилизации в импульсной воздушной плазме при атмосферном давлении // Тез. докл. I Всерос. конф. по прикл. химии высоких энергий. М., 2001, с. 98−99.

VIII. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Исследование процесса обработки поверхности материалов в импульсной воздушной плазме атмосферного давления // Науч. труды МАТИ-РГТУ. М.: «ЛАТМЭС», 2001, 4 (76), с. 454−458.

IX. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Бабушкина О. С. Исследование состава газовой среды при импульсном разряде в воздушной плазме атмосферного давления // Тез. докл. Междунар. молод, науч. конф. XXVIII Гагаринские чтения, М.: изд-во «ЛАТМЭС», 2002, т. 6, с. 69−70.

X. Елинсон В. М., Савкин А. В., Лямин А. Н., Потрясай В. В. Исследование процесса стерилизации в импульсной воздушной плазме атмосферного давления // Сборник докл. 14-го Междунар. симп. «Тонкие пленки в оптике и электронике», Харьковская научная Ассамблея, Харьков, Украина, 2002, ч.1, с. 199−202.