Силициеви пластини срещу стъклени пластини: Какво всъщност почистваме? От същността на материала до решенията за почистване, базирани на процесите

Въпреки че както силициевите, така и стъклените пластини споделят общата цел да бъдат „почистени“, предизвикателствата и режимите на отказ, с които се сблъскват по време на почистване, са коренно различни. Това несъответствие произтича от присъщите свойства на материалите и изискванията към спецификациите на силиция и стъклото, както и от различната „философия“ на почистване, обусловена от крайните им приложения.

Първо, нека уточним: Какво точно почистваме? Какви замърсители са включени?

Замърсителите могат да бъдат класифицирани в четири категории:

1. Замърсители от частици

   • Прах, метални частици, органични частици, абразивни частици (от CMP процеса) и др.

   • Тези замърсители могат да причинят дефекти в модела, като например късо съединение или отворени вериги.

2. Органични замърсители

   • Включва остатъци от фоторезисти, добавки от смоли, човешки кожни масла, остатъци от разтворители и др.

   • Органичните замърсители могат да образуват маски, които възпрепятстват ецването или йонната имплантация и намаляват адхезията на други тънки филми.

3. Замърсители с метални йони

   • Желязо, мед, натрий, калий, калций и др., които идват предимно от оборудване, химикали и човешки контакт.

   • В полупроводниците металните йони са „убийствени“ замърсители, въвеждайки енергийни нива в забранената зона, което увеличава тока на утечка, скъсява живота на носителите и сериозно уврежда електрическите свойства. В стъклото те могат да повлияят на качеството и адхезията на последващите тънки слоеве.

4. Слой от естествен оксид

   • За силициеви пластини: Тънък слой силициев диоксид (естествен оксид) се образува естествено на повърхността във въздуха. Дебелината и еднородността на този оксиден слой са трудни за контролиране и той трябва да бъде напълно отстранен по време на производството на ключови структури, като например гейт оксиди.

   • За стъклени пластини: Самото стъкло е силициева мрежова структура, така че няма проблем с „премахването на естествен оксиден слой“. Повърхността обаче може да е била модифицирана поради замърсяване и този слой трябва да бъде отстранен.

I. Основни цели: Разминаването между електрическите характеристики и физическото съвършенство

• Силиконови пластини

  • Основната цел на почистването е да се гарантира електрическата производителност. Спецификациите обикновено включват строги изисквания за брой и размери на частиците (напр. частици ≥0,1 μm трябва да бъдат ефективно отстранени), концентрации на метални йони (напр. Fe, Cu трябва да се контролират до ≤10¹⁰ атома/cm² или по-малко) и нива на органични остатъци. Дори микроскопично замърсяване може да доведе до късо съединение, токове на утечка или нарушаване на целостта на гейтовия оксид.

• Стъклени вафли

  • Като основи, основните изисквания са физическо съвършенство и химическа стабилност. Спецификациите се фокусират върху аспекти на макро ниво, като например липсата на драскотини, непоправими петна и запазването на оригиналната грапавост и геометрия на повърхността. Целта на почистването е предимно да се осигури визуална чистота и добра адхезия за последващи процеси, като например нанасяне на покритие.

II. Материална природа: Фундаменталната разлика между кристално и аморфно

• Силиций

  • Силицият е кристален материал и повърхността му естествено образува неравномерен слой от силициев диоксид (SiO₂). Този оксиден слой представлява риск за електрическите характеристики и трябва да бъде старателно и равномерно отстранен.

• Стъкло

  • Стъклото е аморфна силициева мрежа. Неговият основен материал е подобен по състав на слоя силициев оксид от силиций, което означава, че може бързо да се ецва от флуороводородна киселина (HF) и също така е податлив на силна алкална ерозия, което води до увеличаване на грапавостта на повърхността или деформация. Тази фундаментална разлика диктува, че почистването на силициевите пластини може да понася леко, контролирано ецване за отстраняване на замърсители, докато почистването на стъклените пластини трябва да се извършва с изключително внимание, за да се избегне повреждане на основния материал.

III. Сравнение на почистващи разтвори

Въз основа на гореспоменатите цели и характеристики на материалите, почистващите разтвори за силициеви и стъклени пластини се различават:

• Процес на почистване на стъклени пластини

  • В момента повечето заводи за обработка на стъкло използват процедури за почистване, базирани на материалните характеристики на стъклото, разчитайки предимно на слаби алкални почистващи препарати.

  • Характеристики на почистващия препарат:Тези специализирани почистващи препарати обикновено са слабо алкални, с pH около 8-9. Те обикновено съдържат повърхностноактивни вещества (напр. алкил полиоксиетиленов етер), метални хелатиращи агенти (напр. HEDP) и органични почистващи помощни средства, предназначени да емулгират и разграждат органични замърсители като масла и пръстови отпечатъци, като същевременно са минимално корозивни за стъклената матрица.

  • Процес на работа:Типичният процес на почистване включва използването на специфична концентрация на слаби алкални почистващи препарати при температури от стайна температура до 60°C, комбинирани с ултразвуково почистване. След почистване, пластините преминават през множество стъпки на изплакване с чиста вода и нежно сушене (напр. бавно повдигане или сушене с IPA пара). Този процес ефективно отговаря на изискванията за визуална и обща чистота на стъклените пластини.

• Процес на почистване на силициеви пластини

  • За обработка на полупроводници, силициевите пластини обикновено се подлагат на стандартно RCA почистване, което е високоефективен метод за почистване, способен систематично да се справя с всички видове замърсители, като гарантира, че са изпълнени изискванията за електрически характеристики на полупроводниковите устройства.

IV. Когато стъклото отговаря на по-високи стандарти за „чистота“

Когато стъклените пластини се използват в приложения, изискващи строг брой частици и нива на метални йони (напр. като субстрати в полупроводникови процеси или за отлични повърхности за отлагане на тънки филми), вътрешният процес на почистване може вече да не е достатъчен. В този случай могат да се приложат принципите за почистване на полупроводници, въвеждайки модифицирана стратегия за почистване на RCA.

Ядрото на тази стратегия е да се разредят и оптимизират стандартните параметри на процеса на RCA, за да се съобрази с чувствителния характер на стъклото:

• Отстраняване на органични замърсители:SPM разтвори или по-мека озонова вода могат да се използват за разграждане на органични замърсители чрез силно окисление.

• Отстраняване на частици:Силно разреденият разтвор на SC1 се използва при по-ниски температури и по-кратко време за обработка, за да се използват неговите електростатични отблъскващи и микроецващи ефекти за отстраняване на частици, като същевременно се минимизира корозията на стъклото.

• Отстраняване на метални йони:За отстраняване на метални замърсители чрез хелатиране се използва разреден разтвор на SC2 или прости разтвори на разредена солна киселина/разредена азотна киселина.

• Строги забрани:DHF (диамониев флуорид) трябва да се избягва категорично, за да се предотврати корозия на стъклената основа.

В целия модифициран процес, комбинирането на мегазвукова технология значително подобрява ефективността на отстраняване на наноразмерни частици и е по-нежно към повърхността.

Заключение

Процесите на почистване на силициеви и стъклени пластини са неизбежният резултат от обратното инженерство, базирано на крайните им изисквания за приложение, свойствата на материалите и физичните и химичните характеристики. Почистването на силициеви пластини се стреми към „чистота на атомно ниво“ за електрически характеристики, докато почистването на стъклени пластини се фокусира върху постигането на „перфектни, невредими“ физически повърхности. Тъй като стъклените пластини се използват все по-често в полупроводникови приложения, техните процеси на почистване неизбежно ще се развият отвъд традиционното слабо алкално почистване, като ще се разработят по-прецизни, персонализирани решения, като модифицирания RCA процес, за да се отговори на по-високите стандарти за чистота.