Silikoneskiver vs. glasskiver: Hvad rengør vi egentlig? Fra materialeessens til procesbaserede rengøringsløsninger

Selvom både silicium- og glasskiver deler det fælles mål om at blive "renset", er de udfordringer og fejltilstande, de står over for under rengøring, vidt forskellige. Denne uoverensstemmelse stammer fra de iboende materialeegenskaber og specifikationskrav for silicium og glas, samt den distinkte "filosofi" bag rengøring, der er drevet af deres endelige anvendelser.

Lad os først afklare: Hvad rengør vi præcist? Hvilke forurenende stoffer er involveret?

Forurenende stoffer kan klassificeres i fire kategorier:

1. Partikelforurenende stoffer

   • Støv, metalpartikler, organiske partikler, slibende partikler (fra CMP-processen) osv.

   • Disse forurenende stoffer kan forårsage mønsterfejl, såsom kortslutninger eller åbne kredsløb.

2. Organiske forurenende stoffer

   • Omfatter fotoresistrester, harpikstilsætningsstoffer, hudolier fra mennesker, opløsningsmiddelrester osv.

   • Organiske forurenende stoffer kan danne masker, der hindrer ætsning eller ionimplantation og reducerer vedhæftning af andre tynde film.

3. Metalionforurenende stoffer

   • Jern, kobber, natrium, kalium, calcium osv., som primært kommer fra udstyr, kemikalier og menneskelig kontakt.

   • I halvledere er metalioner "dræbende" forurenende stoffer, der introducerer energiniveauer i det forbudte bånd, hvilket øger lækstrømmen, forkorter bærerens levetid og alvorligt beskadiger de elektriske egenskaber. I glas kan de påvirke kvaliteten og vedhæftningen af ​​efterfølgende tyndfilm.

4. Naturligt oxidlag

   • For siliciumskiver: Et tyndt lag siliciumdioxid (naturligt oxid) dannes naturligt på overfladen i luften. Tykkelsen og ensartetheden af ​​dette oxidlag er vanskelig at kontrollere, og det skal fjernes fuldstændigt under fremstillingen af ​​nøglestrukturer såsom gateoxider.

   • For glasskiver: Glas i sig selv er en silica-netværksstruktur, så der er ikke noget problem med at "fjerne et naturligt oxidlag". Overfladen kan dog være blevet modificeret på grund af kontaminering, og dette lag skal fjernes.

I. Kernemål: Forskellen mellem elektrisk ydeevne og fysisk perfektion

• Siliciumskiver

  • Hovedformålet med rengøring er at sikre elektrisk ydeevne. Specifikationer omfatter typisk strenge partikelantal og -størrelser (f.eks. skal partikler ≥0,1 μm fjernes effektivt), metalionkoncentrationer (f.eks. skal Fe, Cu kontrolleres til ≤10¹⁰ atomer/cm² eller lavere) og niveauer af organiske rester. Selv mikroskopisk kontaminering kan føre til kortslutninger, lækstrømme eller svigt i gate-oxidintegriteten.

• Glasvafler

  • Som substrater er kernekravene fysisk perfektion og kemisk stabilitet. Specifikationerne fokuserer på makroniveauaspekter såsom fravær af ridser, ikke-fjernbare pletter og opretholdelse af den oprindelige overfladeruhed og geometri. Rengøringsmålet er primært at sikre visuel renlighed og god vedhæftning til efterfølgende processer såsom belægning.

II. Materiel natur: Den grundlæggende forskel mellem krystallinsk og amorf

• Silicium

  • Silicium er et krystallinsk materiale, og dets overflade danner naturligt et ujævnt siliciumdioxid (SiO₂) oxidlag. Dette oxidlag udgør en risiko for den elektriske ydeevne og skal fjernes grundigt og ensartet.

• Glas

  • Glas er et amorft silica-netværk. Dets bulkmateriale har en sammensætning svarende til siliciumoxidlaget i silicium, hvilket betyder, at det hurtigt kan ætses med flussyre (HF) og også er modtageligt for stærk alkalierosion, hvilket fører til en øget overfladeruhed eller deformation. Denne grundlæggende forskel dikterer, at rengøring af siliciumwafere kan tolerere let, kontrolleret ætsning for at fjerne forurenende stoffer, mens rengøring af glaswafere skal udføres med ekstrem forsigtighed for at undgå at beskadige basismaterialet.

III. Sammenligning af rengøringsmidler

Baseret på de førnævnte mål og materialegenskaber er rengøringsopløsningerne til silicium- og glasskiver forskellige:

• Rengøringsproces for glasskiver

  • I øjeblikket bruger de fleste glasforarbejdningsanlæg rengøringsprocedurer baseret på glassets materialegenskaber og primært svage alkaliske rengøringsmidler.

  • Rengøringsmiddelets egenskaber:Disse specialiserede rengøringsmidler er typisk svagt alkaliske med en pH-værdi på omkring 8-9. De indeholder normalt overfladeaktive stoffer (f.eks. alkylpolyoxyethylenether), metalchelateringsmidler (f.eks. HEDP) og organiske rengøringsmidler, der er designet til at emulgere og nedbryde organiske forurenende stoffer såsom olier og fingeraftryk, samtidig med at de er minimalt ætsende for glasmatrixen.

  • Procesflow:Den typiske rengøringsproces involverer brug af en specifik koncentration af svage alkaliske rengøringsmidler ved temperaturer fra stuetemperatur til 60 °C, kombineret med ultralydsrensning. Efter rengøring gennemgår waferne flere skylningstrin med rent vand og forsigtig tørring (f.eks. langsom løftning eller IPA-damptørring). Denne proces opfylder effektivt glaswafernes krav til visuel renlighed og generel renlighed.

• Rengøringsproces for silikoneplader

  • Til halvlederbehandling gennemgår siliciumwafere typisk standard RCA-rensning, hvilket er en yderst effektiv rengøringsmetode, der systematisk kan adressere alle typer forurenende stoffer og dermed sikre, at de elektriske ydeevnekrav til halvlederkomponenter er opfyldt.

IV. Når glas opfylder højere "renheds"-standarder

Når glasskiver anvendes i applikationer, der kræver strenge partikelantal og metalionniveauer (f.eks. som substrater i halvlederprocesser eller til fremragende tyndfilmsaflejringsoverflader), er den intrinsiske rengøringsproces muligvis ikke længere tilstrækkelig. I dette tilfælde kan principper for halvlederrensning anvendes, hvilket introducerer en modificeret RCA-rensningsstrategi.

Kernen i denne strategi er at udvande og optimere standard RCA-procesparametrene for at imødekomme glasets følsomme natur:

• Fjernelse af organiske forurenende stoffer:SPM-opløsninger eller mildere ozonvand kan bruges til at nedbryde organiske forurenende stoffer gennem stærk oxidation.

• Fjernelse af partikler:En stærkt fortyndet SC1-opløsning anvendes ved lavere temperaturer og kortere behandlingstider for at udnytte dens elektrostatiske frastødnings- og mikroætsningseffekter til at fjerne partikler, samtidig med at korrosion på glasset minimeres.

• Fjernelse af metalioner:En fortyndet SC2-opløsning eller simple fortyndede saltsyre-/fortyndede salpetersyreopløsninger anvendes til at fjerne metalforurenende stoffer via chelatering.

• Strenge forbud:DHF (diammoniumfluorid) skal absolut undgås for at forhindre korrosion af glassubstratet.

I hele den modificerede proces forbedrer kombinationen af ​​megasonisk teknologi fjernelsen af ​​nanopartikler betydeligt og er mere skånsom mod overfladen.

Konklusion

Rengøringsprocesserne for silicium- og glasskiver er det uundgåelige resultat af reverse engineering baseret på deres endelige anvendelseskrav, materialeegenskaber og fysiske og kemiske egenskaber. Rengøring af siliciumskiver søger "renhed på atomniveau" for elektrisk ydeevne, mens rengøring af glasskiver fokuserer på at opnå "perfekte, ubeskadigede" fysiske overflader. Efterhånden som glasskiver i stigende grad anvendes i halvlederapplikationer, vil deres rengøringsprocesser uundgåeligt udvikle sig ud over traditionel svag alkalisk rengøring og udvikle mere raffinerede, tilpassede løsninger som den modificerede RCA-proces for at opfylde højere renhedsstandarder.