Křemíkové destičky vs. skleněné destičky: Co vlastně čistíme? Od materiálové podstaty k čisticím řešením založeným na procesech

Přestože křemíkové i skleněné destičky sdílejí společný cíl „čištění“, problémy a způsoby selhání, kterým čelí během čištění, se značně liší. Tento rozdíl vyplývá z inherentních materiálových vlastností a specifikačních požadavků křemíku a skla, stejně jako z odlišné „filozofie“ čištění dané jejich konečným použitím.

Nejprve si ujasněme: Co přesně čistíme? O jaké kontaminanty se jedná?

Kontaminanty lze rozdělit do čtyř kategorií:

1. Částicové kontaminanty

   • Prach, kovové částice, organické částice, abrazivní částice (z procesu CMP) atd.

   • Tyto kontaminanty mohou způsobit vady vzoru, jako jsou zkraty nebo přerušené obvody.

2. Organické kontaminanty

   • Zahrnuje zbytky fotorezistů, pryskyřičné přísady, lidské kožní oleje, zbytky rozpouštědel atd.

   • Organické kontaminanty mohou vytvářet masky, které brání leptání nebo implantaci iontů a snižují adhezi jiných tenkých vrstev.

3. Kontaminanty kovových iontů

   • Železo, měď, sodík, draslík, vápník atd., které pocházejí především ze zařízení, chemikálií a lidského kontaktu.

   • V polovodičích jsou kovové ionty „ničícími“ kontaminanty, které zavádějí energetické hladiny v zakázaném pásmu, což zvyšuje svodový proud, zkracuje životnost nosičů náboje a vážně poškozuje elektrické vlastnosti. Ve skle mohou ovlivnit kvalitu a adhezi následných tenkých vrstev.

4. Nativní oxidová vrstva

   • U křemíkových destiček: Na povrchu se ve vzduchu přirozeně tvoří tenká vrstva oxidu křemičitého (nativní oxid). Tloušťku a rovnoměrnost této oxidové vrstvy je obtížné kontrolovat a během výroby klíčových struktur, jako jsou hradlové oxidy, je nutné ji zcela odstranit.

   • U skleněných destiček: Sklo samo o sobě má síťovou strukturu oxidu křemičitého, takže neexistuje problém s „odstraněním vrstvy nativní oxidu“. Povrch však mohl být v důsledku kontaminace upraven a tuto vrstvu je třeba odstranit.

I. Hlavní cíle: Rozdíl mezi elektrickým výkonem a fyzickou dokonalostí

• Křemíkové destičky

  • Hlavním cílem čištění je zajistit elektrický výkon. Specifikace obvykle zahrnují přísné počty a velikosti částic (např. částice ≥0,1 μm musí být účinně odstraněny), koncentrace kovových iontů (např. Fe, Cu musí být regulovány na ≤10¹⁰ atomů/cm² nebo méně) a hladiny organických zbytků. I mikroskopická kontaminace může vést ke zkratům v obvodu, svodovým proudům nebo selhání integrity oxidu hradla.

• Skleněné oplatky

  • Pokud jde o substráty, základními požadavky jsou fyzikální dokonalost a chemická stabilita. Specifikace se zaměřují na aspekty na makroúrovni, jako je absence škrábanců, neodstranitelných skvrn a zachování původní drsnosti a geometrie povrchu. Cílem čištění je primárně zajistit vizuální čistotu a dobrou přilnavost pro následné procesy, jako je nanášení povrchů.

II. Hmotná podstata: Základní rozdíl mezi krystalickým a amorfním

• Křemík

  • Křemík je krystalický materiál a na jeho povrchu přirozeně roste nerovnoměrná vrstva oxidu křemičitého (SiO₂). Tato oxidová vrstva představuje riziko pro elektrický výkon a musí být důkladně a rovnoměrně odstraněna.

• Sklo

  • Sklo je amorfní síťovina oxidu křemičitého. Jeho objemový materiál má podobné složení jako vrstva oxidu křemičitého, což znamená, že jej lze rychle leptat kyselinou fluorovodíkovou (HF) a je také náchylné k silné alkalické erozi, což vede ke zvýšení drsnosti nebo deformace povrchu. Tento zásadní rozdíl určuje, že čištění křemíkových destiček snese lehké, kontrolované leptání za účelem odstranění kontaminantů, zatímco čištění skleněných destiček musí být prováděno s maximální opatrností, aby se zabránilo poškození základního materiálu.

III. Porovnání čisticích roztoků

Na základě výše uvedených cílů a materiálových vlastností se čisticí roztoky pro křemíkové a skleněné destičky liší:

• Proces čištění skleněných destiček

  • V současné době většina skláren používá čisticí postupy založené na materiálových vlastnostech skla a spoléhá se především na slabě alkalické čisticí prostředky.

  • Vlastnosti čisticího prostředku:Tyto specializované čisticí prostředky jsou obvykle slabě alkalické s pH kolem 8-9. Obvykle obsahují povrchově aktivní látky (např. alkylpolyoxyethylenether), chelatační činidla s kovy (např. HEDP) a organické čisticí pomocné látky, určené k emulgaci a rozkladu organických kontaminantů, jako jsou oleje a otisky prstů, a zároveň minimálně korozivní pro skleněnou matrici.

  • Tok procesu:Typický proces čištění zahrnuje použití specifické koncentrace slabých alkalických čisticích prostředků při teplotách od pokojové teploty do 60 °C v kombinaci s ultrazvukovým čištěním. Po čištění se destičky několikrát opláchnou čistou vodou a šetrně se suší (např. pomalým zvedáním nebo sušením párou IPA). Tento proces účinně splňuje požadavky skleněných destiček na vizuální čistotu a celkovou čistotu.

• Proces čištění křemíkových destiček

  • Pro zpracování polovodičů se křemíkové destičky obvykle podrobují standardnímu čištění RCA, což je vysoce účinná čisticí metoda schopná systematicky řešit všechny typy kontaminantů a zajistit splnění požadavků na elektrický výkon polovodičových součástek.

IV. Když sklo splňuje vyšší standardy „čistoty“

Pokud se skleněné destičky používají v aplikacích vyžadujících přísné měření počtu částic a hladiny kovových iontů (např. jako substráty v polovodičových procesech nebo pro vynikající povrchy pro nanášení tenkých vrstev), nemusí být proces vlastního čištění již dostatečný. V tomto případě lze použít principy čištění polovodičů, které zavádějí modifikovanou strategii čištění RCA.

Jádrem této strategie je zředění a optimalizace standardních parametrů procesu RCA s ohledem na citlivou povahu skla:

• Odstraňování organických kontaminantů:Roztoky SPM nebo mírnější ozonová voda mohou být použity k rozkladu organických kontaminantů silnou oxidací.

• Odstranění částic:Vysoce zředěný roztok SC1 se používá při nižších teplotách a kratších časech zpracování, aby se využilo jeho elektrostatické odpuzování a mikroleptání k odstranění částic a zároveň se minimalizovala koroze skla.

• Odstranění kovových iontů:K odstranění kovových kontaminantů chelatací se používá zředěný roztok SC2 nebo jednoduché roztoky zředěné kyseliny chlorovodíkové a zředěné kyseliny dusičné.

• Přísné zákazy:DHF (diamoniumfluorid) je nutné se absolutně vyhnout, aby se zabránilo korozi skleněného substrátu.

V celém upraveném procesu kombinace megasonické technologie výrazně zvyšuje účinnost odstraňování nanočástic a je šetrnější k povrchu.

Závěr

Čisticí procesy křemíkových a skleněných destiček jsou nevyhnutelným výsledkem reverzního inženýrství založeného na požadavcích na jejich konečné použití, vlastnostech materiálu a fyzikálních a chemických vlastnostech. Čištění křemíkových destiček usiluje o „atomární čistotu“ pro elektrický výkon, zatímco čištění skleněných destiček se zaměřuje na dosažení „dokonalých, nepoškozených“ fyzikálních povrchů. Vzhledem k tomu, že skleněné destičky se stále častěji používají v polovodičových aplikacích, jejich čisticí procesy se nevyhnutelně vyvinou nad rámec tradičního slabě alkalického čištění a vyvinou se sofistikovanější a na míru přizpůsobená řešení, jako je modifikovaný proces RCA, aby splňovaly vyšší standardy čistoty.