Wafle krzemowe kontra wafle szklane: Co właściwie czyścimy? Od esencji materiału po rozwiązania czyszczące oparte na procesach

Chociaż zarówno wafle krzemowe, jak i szklane mają wspólny cel, jakim jest „czyszczenie”, wyzwania i rodzaje awarii, z jakimi się borykają podczas czyszczenia, są bardzo różne. Ta rozbieżność wynika z inherentnych właściwości materiałowych i wymagań technicznych krzemu i szkła, a także z odmiennej „filozofii” czyszczenia, wynikającej z ich docelowych zastosowań.

Najpierw wyjaśnijmy: co dokładnie czyścimy? Jakie zanieczyszczenia są w to zaangażowane?

Zanieczyszczenia można podzielić na cztery kategorie:

1. Zanieczyszczenia cząsteczkowe

   • Kurz, cząstki metalu, cząstki organiczne, cząstki ścierne (z procesu CMP) itp.

   • Zanieczyszczenia te mogą powodować wady wzorca, takie jak zwarcia lub przerwy w obwodach.

2. Zanieczyszczenia organiczne

   • Obejmuje pozostałości fotorezystu, dodatki żywiczne, oleje ze skóry ludzkiej, pozostałości rozpuszczalników itp.

   • Zanieczyszczenia organiczne mogą tworzyć maski utrudniające trawienie lub implantację jonów, a także zmniejszać przyczepność innych cienkich warstw.

3. Zanieczyszczenia jonami metali

   • Żelazo, miedź, sód, potas, wapń itp., pochodzące głównie ze sprzętu, chemikaliów i kontaktu z ludźmi.

   • W półprzewodnikach jony metali działają jak „zabójcze” zanieczyszczenia, wprowadzając poziomy energetyczne w paśmie wzbronionym, co zwiększa prąd upływu, skraca czas życia nośników i poważnie uszkadza właściwości elektryczne. W szkle mogą one wpływać na jakość i przyczepność kolejnych cienkich warstw.

4. Warstwa rodzimego tlenku

   • W przypadku płytek krzemowych: Cienka warstwa dwutlenku krzemu (tlenku naturalnego) naturalnie tworzy się na powierzchni w powietrzu. Grubość i jednorodność tej warstwy tlenku są trudne do kontrolowania i muszą zostać całkowicie usunięte podczas produkcji kluczowych struktur, takich jak tlenki bramek.

   • W przypadku płytek szklanych: samo szkło jest strukturą sieci krzemionkowej, więc nie ma problemu z „usunięciem rodzimej warstwy tlenku”. Jednak powierzchnia mogła zostać zmodyfikowana na skutek zanieczyszczeń i tę warstwę należy usunąć.

I. Cele główne: rozbieżność między wydajnością elektryczną a doskonałością fizyczną

• Wafle krzemowe

  • Głównym celem czyszczenia jest zapewnienie sprawności elektrycznej. Specyfikacje zazwyczaj obejmują ścisłą liczbę i rozmiar cząstek (np. cząstki ≥0,1 μm muszą być skutecznie usuwane), stężenie jonów metali (np. Fe, Cu musi być kontrolowane do ≤10¹⁰ atomów/cm² lub mniej) oraz poziom pozostałości organicznych. Nawet mikroskopijne zanieczyszczenia mogą prowadzić do zwarć w obwodach, prądów upływu lub uszkodzenia integralności tlenku bramki.

• Wafle szklane

  • Jako podłoża, podstawowe wymagania to doskonałość fizyczna i stabilność chemiczna. Specyfikacje koncentrują się na aspektach makro, takich jak brak zarysowań, nieusuwalnych plam oraz zachowanie pierwotnej chropowatości i geometrii powierzchni. Celem czyszczenia jest przede wszystkim zapewnienie czystości wizualnej i dobrej przyczepności w kolejnych procesach, takich jak powlekanie.

II. Natura materialna: podstawowa różnica między krystaliczną a amorficzną

• Krzem

  • Krzem jest materiałem krystalicznym, a na jego powierzchni naturalnie tworzy się nierównomierna warstwa tlenku krzemu (SiO₂). Ta warstwa tlenku stanowi zagrożenie dla parametrów elektrycznych i musi być dokładnie i równomiernie usuwana.

• Szkło

  • Szkło to amorficzna sieć krzemionkowa. Jego materiał bazowy ma skład zbliżony do warstwy tlenku krzemu, co oznacza, że ​​można go szybko wytrawić kwasem fluorowodorowym (HF), a jednocześnie jest podatny na silną erozję alkaliczną, prowadzącą do wzrostu chropowatości lub deformacji powierzchni. Ta fundamentalna różnica sprawia, że ​​czyszczenie płytek krzemowych jest odporne na lekkie, kontrolowane trawienie w celu usunięcia zanieczyszczeń, podczas gdy czyszczenie płytek szklanych musi być przeprowadzane z zachowaniem szczególnej ostrożności, aby uniknąć uszkodzenia materiału bazowego.

III. Porównanie środków czyszczących

Ze względu na wyżej wymienione cele i właściwości materiału, środki czyszczące do płytek krzemowych i szklanych różnią się:

• Proces czyszczenia płytek szklanych

  • Obecnie większość zakładów przetwórstwa szkła stosuje procedury czyszczenia dostosowane do właściwości szkła, bazując przede wszystkim na słabo alkalicznych środkach czyszczących.

  • Charakterystyka środka czyszczącego:Te specjalistyczne środki czyszczące są zazwyczaj słabo zasadowe, o pH około 8-9. Zazwyczaj zawierają surfaktanty (np. eter alkilowo-polioksyetylenowy), chelatatory metali (np. HEDP) oraz organiczne środki czyszczące, które emulgują i rozkładają zanieczyszczenia organiczne, takie jak oleje i odciski palców, a jednocześnie minimalnie korodują matrycę szklaną.

  • Przebieg procesu:Typowy proces czyszczenia polega na użyciu słabo alkalicznych środków czyszczących o określonym stężeniu w temperaturach od pokojowej do 60°C, w połączeniu z czyszczeniem ultradźwiękowym. Po oczyszczeniu wafle przechodzą wielokrotne płukanie czystą wodą i delikatne suszenie (np. przez powolne podnoszenie lub suszenie parą IPA). Proces ten skutecznie spełnia wymagania dotyczące czystości wizualnej i ogólnej dla wafli szklanych.

• Proces czyszczenia płytek krzemowych

  • W procesie obróbki półprzewodników płytki krzemowe są zazwyczaj poddawane standardowemu czyszczeniu RCA. Jest to wysoce skuteczna metoda czyszczenia, która umożliwia systematyczne usuwanie wszystkich rodzajów zanieczyszczeń, gwarantując spełnienie wymagań dotyczących parametrów elektrycznych urządzeń półprzewodnikowych.

IV. Kiedy szkło spełnia wyższe standardy „czystości”

W przypadku zastosowań wymagających rygorystycznej kontroli liczby cząstek i stężenia jonów metali (np. jako podłoża w procesach półprzewodnikowych lub do doskonałych powierzchni do osadzania cienkich warstw), proces czyszczenia wewnętrznego może okazać się niewystarczający. W takim przypadku można zastosować zasady czyszczenia półprzewodników, wprowadzając zmodyfikowaną strategię czyszczenia RCA.

Podstawą tej strategii jest rozcieńczenie i optymalizacja standardowych parametrów procesu RCA w celu uwzględnienia wrażliwej natury szkła:

• Usuwanie zanieczyszczeń organicznych:Roztwory SPM lub łagodniejsza woda ozonowana mogą być stosowane do rozkładu zanieczyszczeń organicznych poprzez silne utlenianie.

• Usuwanie cząstek:Wysoko rozcieńczony roztwór SC1 stosuje się w niższych temperaturach i krótszych czasach obróbki, aby wykorzystać jego właściwości odpychania elektrostatycznego i mikrotrawienia do usuwania cząstek, jednocześnie minimalizując korozję szkła.

• Usuwanie jonów metali:Do usuwania zanieczyszczeń metalicznych metodą chelatowania stosuje się rozcieńczony roztwór SC2 lub zwykłe rozcieńczone roztwory kwasu solnego/rozcieńczonego kwasu azotowego.

• Surowe zakazy:Należy bezwzględnie unikać stosowania DHF (fluorku diamonu), aby zapobiec korozji podłoża szklanego.

W całym zmodyfikowanym procesie zastosowanie technologii megasonicznej znacząco zwiększa skuteczność usuwania nanocząsteczek i jest delikatniejsze dla powierzchni.

Wniosek

Procesy czyszczenia płytek krzemowych i szklanych są nieuniknionym rezultatem inżynierii odwrotnej, opartej na ich końcowych wymaganiach dotyczących zastosowania, właściwościach materiałów oraz właściwościach fizycznych i chemicznych. Czyszczenie płytek krzemowych ma na celu „czystość na poziomie atomowym” dla zapewnienia parametrów elektrycznych, podczas gdy czyszczenie płytek szklanych koncentruje się na uzyskaniu „idealnej, nieuszkodzonej” powierzchni fizycznej. Wraz ze wzrostem wykorzystania płytek szklanych w zastosowaniach półprzewodnikowych, ich procesy czyszczenia będą nieuchronnie ewoluować poza tradycyjne czyszczenie słabymi alkaliami, rozwijając bardziej wyrafinowane, dostosowane rozwiązania, takie jak zmodyfikowany proces RCA, aby spełnić wyższe standardy czystości.