Кремнієві пластини проти скляних пластин: що ми насправді очищуємо? Від сутності матеріалу до рішень для очищення на основі процесів

Хоча кремнієві та скляні пластини мають спільну мету – бути «очищеними», проблеми та види відмов, з якими вони стикаються під час очищення, суттєво відрізняються. Ця розбіжність виникає через властивість матеріалів та вимоги до специфікацій кремнію та скла, а також через різну «філософію» очищення, зумовлену їхнім кінцевим застосуванням.

Спочатку давайте уточнимо: що саме ми очищаємо? Які забруднювачі задіяні?

Забруднювачі можна розділити на чотири категорії:

1. Забруднювачі частинками

   • Пил, металеві частинки, органічні частинки, абразивні частинки (з процесу CMP) тощо.

   • Ці забруднювачі можуть спричинити дефекти візерунка, такі як короткі замикання або розриви ланцюгів.

2. Органічні забруднювачі

   • Включає залишки фоторезисту, добавки до смол, шкірні олії, залишки розчинників тощо.

   • Органічні забруднювачі можуть утворювати маски, які перешкоджають травленню або іонній імплантації та зменшують адгезію інших тонких плівок.

3. Забруднювачі іонами металів

   • Залізо, мідь, натрій, калій, кальцій тощо, які в основному надходять з обладнання, хімікатів та контакту з людьми.

   • У напівпровідниках іони металів є «вбивчими» забруднювачами, вводячи енергетичні рівні в заборонену зону, що збільшує струм витоку, скорочує термін служби носіїв заряду та серйозно пошкоджує електричні властивості. У склі вони можуть впливати на якість та адгезію наступних тонких плівок.

4. Шар природного оксиду

   • Для кремнієвих пластин: Тонкий шар діоксиду кремнію (природного оксиду) природним чином утворюється на поверхні в повітрі. Товщину та однорідність цього оксидного шару важко контролювати, і його необхідно повністю видаляти під час виготовлення ключових структур, таких як оксиди затворів.

   • Для скляних пластин: саме скло має сітчасту структуру з кремнезему, тому немає проблеми з «видаленням шару природного оксиду». Однак поверхня могла бути модифікована через забруднення, і цей шар необхідно видалити.

I. Основні цілі: Розбіжність між електричними характеристиками та фізичною досконалістю

• Кремнієві пластини

  • Основна мета очищення — забезпечення електричних характеристик. Технічні умови зазвичай включають суворі вимоги щодо кількості та розмірів частинок (наприклад, частинки розміром ≥0,1 мкм повинні бути ефективно видалені), концентрації іонів металів (наприклад, Fe, Cu повинні контролюватися до ≤10¹⁰ атомів/см² або нижче) та рівні органічних залишків. Навіть мікроскопічне забруднення може призвести до коротких замикань, струмів витоку або порушення цілісності оксиду затвора.

• Скляні вафлі

  • Як основи, основними вимогами є фізична досконалість та хімічна стабільність. Специфікації зосереджені на макрорівневих аспектах, таких як відсутність подряпин, невидимих ​​плям та збереження початкової шорсткості та геометрії поверхні. Мета очищення полягає в першу чергу в забезпеченні візуальної чистоти та гарної адгезії для наступних процесів, таких як нанесення покриттів.

II. Матеріальна природа: фундаментальна різниця між кристалічним та аморфним

• Кремній

  • Кремній – це кристалічний матеріал, на його поверхні природним чином утворюється неоднорідний шар оксиду діоксиду кремнію (SiO₂). Цей шар оксиду становить загрозу для електричних характеристик і повинен бути ретельно та рівномірно видалений.

• Скло

  • Скло — це аморфна діоксидна сітка. Його основна речовина за складом подібна до шару оксиду кремнію, що означає, що його можна швидко протравити плавиковою кислотою (HF), а також воно схильне до сильної лугової ерозії, що призводить до збільшення шорсткості поверхні або деформації. Ця фундаментальна відмінність визначає, що очищення кремнієвих пластин може витримувати легке контрольоване травлення для видалення забруднень, тоді як очищення скляних пластин має проводитися з особливою обережністю, щоб уникнути пошкодження основного матеріалу.

III. Порівняння мийних розчинів

Виходячи з вищезазначених цілей та характеристик матеріалу, розчини для очищення кремнієвих та скляних пластин відрізняються:

• Процес очищення скляних пластин

  • Наразі більшість склообробних заводів використовують процедури очищення, засновані на матеріальних характеристиках скла, покладаючись переважно на слабкі лужні мийні засоби.

  • Характеристики миючого засобу:Ці спеціалізовані мийні засоби зазвичай є слаболужними, з pH близько 8-9. Вони зазвичай містять поверхнево-активні речовини (наприклад, алкілполіоксіетиленовий ефір), хелатні агенти металів (наприклад, HEDP) та органічні мийні засоби, призначені для емульгування та розкладання органічних забруднювачів, таких як олії та відбитки пальців, при цьому мінімально корозійно впливаючи на скляну матрицю.

  • Потік процесу:Типовий процес очищення включає використання слабколужних мийних засобів певної концентрації за температур від кімнатної до 60°C у поєднанні з ультразвуковим очищенням. Після очищення пластини проходять кілька етапів ополіскування чистою водою та дбайливого сушіння (наприклад, повільне підняття або сушіння парою IPA). Цей процес ефективно відповідає вимогам скляних пластин щодо візуальної чистоти та загальної чистоти.

• Процес очищення кремнієвих пластин

  • Для обробки напівпровідників кремнієві пластини зазвичай проходять стандартне очищення RCA, яке є високоефективним методом очищення, здатним систематично видаляти всі типи забруднень, забезпечуючи виконання вимог до електричних характеристик напівпровідникових приладів.

IV. Коли скло відповідає вищим стандартам «чистоти»

Коли скляні пластини використовуються в застосуваннях, що вимагають суворого підрахунку частинок та рівня іонів металів (наприклад, як підкладки в напівпровідникових процесах або для отримання чудових поверхонь для осадження тонких плівок), власний процес очищення може бути недостатнім. У цьому випадку можна застосовувати принципи очищення напівпровідників, вводячи модифіковану стратегію очищення RCA.

Суть цієї стратегії полягає в розбавленні та оптимізації стандартних параметрів процесу RCA з урахуванням чутливої ​​природи скла:

• Видалення органічних забруднювачів:Розчини SPM або м’якша озонова вода можуть бути використані для розкладання органічних забруднювачів шляхом сильного окислення.

• Видалення частинок:Сильно розведений розчин SC1 використовується за нижчих температур і коротшого часу обробки, щоб використати його електростатичне відштовхування та ефект мікротравлення для видалення частинок, мінімізуючи при цьому корозію скла.

• Видалення іонів металу:Для видалення металевих забруднювачів шляхом хелатування використовується розведений розчин SC2 або прості розведені розчини соляної кислоти/розведеної азотної кислоти.

• Суворі заборони:Для запобігання корозії скляної підкладки слід категорично уникати ДГФ (фториду діамонію).

У всьому модифікованому процесі поєднання мегазвукової технології значно підвищує ефективність видалення нанорозмірних частинок та є більш дбайливим до поверхні.

Висновок

Процеси очищення кремнієвих та скляних пластин є неминучим результатом зворотного проектування, що базується на вимогах до їх кінцевого застосування, властивостях матеріалів та фізичних і хімічних характеристиках. Очищення кремнієвих пластин прагне досягти «чистоти на атомарному рівні» для електричних характеристик, тоді як очищення скляних пластин зосереджено на досягненні «ідеальних, неушкоджених» фізичних поверхонь. Оскільки скляні пластини все частіше використовуються в напівпровідникових пристроях, процеси їх очищення неминуче розвиватимуться за межі традиційного слабколужного очищення, розробляючи більш витончені, індивідуальні рішення, такі як модифікований процес RCA, для відповідності вищим стандартам чистоти.