Kremíkové doštičky vs. sklenené doštičky: Čo vlastne čistíme? Od materiálovej podstaty k procesným čistiacim riešeniam

Hoci kremíkové aj sklenené doštičky majú spoločný cieľ byť „čistené“, výzvy a spôsoby zlyhania, ktorým čelia počas čistenia, sa výrazne líšia. Tento rozdiel vyplýva z inherentných materiálových vlastností a požiadaviek na špecifikácie kremíka a skla, ako aj z odlišnej „filozofie“ čistenia, ktorá je daná ich konečným použitím.

Najprv si ujasnime: Čo presne čistíme? O aké kontaminanty ide?

Kontaminanty možno rozdeliť do štyroch kategórií:

1. Kontaminanty v časticiach

   • Prach, kovové častice, organické častice, abrazívne častice (z procesu CMP) atď.

   • Tieto kontaminanty môžu spôsobiť chyby vzoru, ako sú skraty alebo prerušené obvody.

2. Organické kontaminanty

   • Zahŕňa zvyšky fotorezistu, živicové prísady, ľudské kožné oleje, zvyšky rozpúšťadiel atď.

   • Organické kontaminanty môžu vytvárať masky, ktoré bránia leptaniu alebo implantácii iónov a znižujú priľnavosť iných tenkých vrstiev.

3. Kontaminanty kovových iónov

   • Železo, meď, sodík, draslík, vápnik atď., ktoré pochádzajú predovšetkým zo zariadení, chemikálií a ľudského kontaktu.

   • V polovodičoch sú kovové ióny „ničivými“ kontaminantmi, ktoré zavádzajú energetické hladiny v zakázanom pásme, čo zvyšuje zvodový prúd, skracuje životnosť nosičov náboja a vážne poškodzuje elektrické vlastnosti. V skle môžu ovplyvniť kvalitu a priľnavosť následných tenkých vrstiev.

4. Vrstva natívneho oxidu

   • Pre kremíkové doštičky: Na povrchu sa vo vzduchu prirodzene tvorí tenká vrstva oxidu kremičitého (prírodný oxid). Hrúbku a rovnomernosť tejto oxidovej vrstvy je ťažké kontrolovať a počas výroby kľúčových štruktúr, ako sú napríklad hradlové oxidy, je potrebné ju úplne odstrániť.

   • Pre sklenené doštičky: Samotné sklo má sieťovú štruktúru oxidu kremičitého, takže neexistuje problém s „odstránením vrstvy pôvodného oxidu“. Povrch však mohol byť v dôsledku kontaminácie modifikovaný a túto vrstvu je potrebné odstrániť.

I. Hlavné ciele: Rozdiel medzi elektrickým výkonom a fyzickou dokonalosťou

• Kremíkové doštičky

  • Hlavným cieľom čistenia je zabezpečiť elektrický výkon. Špecifikácie zvyčajne zahŕňajú prísne požiadavky na počet a veľkosť častíc (napr. častice s veľkosťou ≥0,1 μm musia byť účinne odstránené), koncentrácie kovových iónov (napr. Fe, Cu musia byť kontrolované na ≤10¹⁰ atómov/cm² alebo menej) a hladiny organických zvyškov. Dokonca aj mikroskopická kontaminácia môže viesť ku skratom v obvode, zvodovým prúdom alebo poruche integrity oxidu hradla.

• Sklenené oblátky

  • Ako substráty sú základné požiadavky fyzikálna dokonalosť a chemická stabilita. Špecifikácie sa zameriavajú na aspekty na makroúrovni, ako je absencia škrabancov, neodstrániteľné škvrny a zachovanie pôvodnej drsnosti a geometrie povrchu. Cieľom čistenia je predovšetkým zabezpečiť vizuálnu čistotu a dobrú priľnavosť pre následné procesy, ako je napríklad nanášanie povrchov.

II. Hmotná podstata: Základný rozdiel medzi kryštalickou a amorfnou podstatou

• Kremík

  • Kremík je kryštalický materiál a na jeho povrchu prirodzene rastie nerovnomerná vrstva oxidu kremičitého (SiO₂). Táto oxidová vrstva predstavuje riziko pre elektrický výkon a musí sa dôkladne a rovnomerne odstrániť.

• Sklo

  • Sklo je amorfná sieťovina oxidu kremičitého. Jeho objemový materiál má podobné zloženie ako vrstva oxidu kremičitého, čo znamená, že sa dá rýchlo leptať kyselinou fluorovodíkovou (HF) a je tiež náchylný na silnú alkalickú eróziu, čo vedie k zvýšeniu drsnosti alebo deformácie povrchu. Tento zásadný rozdiel určuje, že čistenie kremíkových doštičiek toleruje ľahké, kontrolované leptanie na odstránenie nečistôt, zatiaľ čo čistenie sklenených doštičiek sa musí vykonávať s mimoriadnou opatrnosťou, aby sa nepoškodil základný materiál.

III. Porovnanie čistiacich roztokov

Na základe vyššie uvedených cieľov a materiálových charakteristík sa čistiace roztoky pre kremíkové a sklenené doštičky líšia:

• Proces čistenia sklenených doštičiek

  • V súčasnosti väčšina závodov na spracovanie skla používa čistiace postupy založené na materiálových vlastnostiach skla, pričom sa spoliehajú predovšetkým na slabo alkalické čistiace prostriedky.

  • Vlastnosti čistiaceho prostriedku:Tieto špecializované čistiace prostriedky sú typicky slabo alkalické s pH okolo 8 – 9. Zvyčajne obsahujú povrchovo aktívne látky (napr. alkylpolyoxyetylénéter), chelačné činidlá kovov (napr. HEDP) a organické čistiace pomocné látky určené na emulgovanie a rozklad organických nečistôt, ako sú oleje a odtlačky prstov, pričom sú minimálne korozívne pre sklenenú matricu.

  • Priebeh procesu:Typický proces čistenia zahŕňa použitie špecifickej koncentrácie slabých alkalických čistiacich prostriedkov pri teplotách od izbovej teploty do 60 °C v kombinácii s ultrazvukovým čistením. Po vyčistení sa doštičky podrobia niekoľkým krokom oplachovania čistou vodou a jemnému sušeniu (napr. pomalé zdvíhanie alebo sušenie parou IPA). Tento proces účinne spĺňa požiadavky sklenených doštičiek na vizuálnu čistotu a celkovú čistotu.

• Proces čistenia kremíkových doštičiek

  • Pri spracovaní polovodičov sa kremíkové doštičky zvyčajne podrobujú štandardnému čisteniu RCA, čo je vysoko účinná metóda čistenia, ktorá dokáže systematicky riešiť všetky typy nečistôt a zabezpečiť splnenie požiadaviek na elektrický výkon polovodičových zariadení.

IV. Keď sklo spĺňa vyššie štandardy „čistoty“

Keď sa sklenené doštičky používajú v aplikáciách vyžadujúcich prísne merania počtu častíc a hladiny kovových iónov (napr. ako substráty v polovodičových procesoch alebo pre vynikajúce povrchy na nanášanie tenkých vrstiev), proces vnútorného čistenia už nemusí byť postačujúci. V tomto prípade je možné použiť princípy čistenia polovodičov, čím sa zavedie upravená stratégia čistenia RCA.

Jadrom tejto stratégie je zriedenie a optimalizácia štandardných parametrov procesu RCA s cieľom prispôsobiť sa citlivej povahe skla:

• Odstraňovanie organických kontaminantov:Na rozklad organických kontaminantov silnou oxidáciou sa môžu použiť roztoky SPM alebo miernejšia ozónová voda.

• Odstránenie častíc:Vysoko zriedený roztok SC1 sa používa pri nižších teplotách a kratších časoch spracovania, aby sa využil jeho elektrostatický odpudzovací a mikroleptací účinok na odstránenie častíc a zároveň sa minimalizovala korózia skla.

• Odstránenie kovových iónov:Na odstránenie kovových nečistôt cheláciou sa používa zriedený roztok SC2 alebo jednoduché zriedené roztoky kyseliny chlorovodíkovej/zriedenej kyseliny dusičnej.

• Prísne zákazy:DHF (diamóniumfluorid) sa musí absolútne vyhnúť, aby sa zabránilo korózii skleneného substrátu.

V celom upravenom procese kombinácia megasonickej technológie výrazne zvyšuje účinnosť odstraňovania nanočastíc a je šetrnejšia k povrchu.

Záver

Čistiace procesy kremíkových a sklenených doštičiek sú nevyhnutným výsledkom reverzného inžinierstva založeného na ich konečných aplikačných požiadavkách, materiálových vlastnostiach a fyzikálnych a chemických vlastnostiach. Čistenie kremíkových doštičiek sa zameriava na „atómovú čistotu“ pre elektrický výkon, zatiaľ čo čistenie sklenených doštičiek sa zameriava na dosiahnutie „dokonalých, nepoškodených“ fyzikálnych povrchov. Keďže sklenené doštičky sa čoraz viac používajú v polovodičových aplikáciách, ich čistiace procesy sa nevyhnutne budú vyvíjať nad rámec tradičného slabo alkalického čistenia a budú sa vyvíjať prepracovanejšie, prispôsobené riešenia, ako je modifikovaný proces RCA, aby sa splnili vyššie štandardy čistoty.