Kiselskivor kontra glasskivor: Vad rengör vi egentligen? Från materialessens till processbaserade rengöringslösningar

Även om både kisel- och glasskivor har det gemensamma målet att bli "rengjorda", är de utmaningar och fellägen de möter under rengöringen väldigt olika. Denna skillnad uppstår på grund av de inneboende materialegenskaperna och specifikationskraven för kisel och glas, såväl som den distinkta "filosofin" för rengöring som drivs av deras slutliga tillämpningar.

Låt oss först klargöra: Vad exakt rengör vi? Vilka föroreningar är inblandade?

Föroreningar kan klassificeras i fyra kategorier:

1. Partikelföroreningar

   • Damm, metallpartiklar, organiska partiklar, slipande partiklar (från CMP-processen) etc.

   • Dessa föroreningar kan orsaka mönsterfel, såsom kortslutningar eller avbrott i kretsar.

2. Organiska föroreningar

   • Inkluderar fotoresistrester, hartstillsatser, hudoljor från människor, lösningsmedelsrester etc.

   • Organiska föroreningar kan bilda masker som hindrar etsning eller jonimplantation och minskar vidhäftningen av andra tunna filmer.

3. Metalljonföroreningar

   • Järn, koppar, natrium, kalium, kalcium etc., som främst kommer från utrustning, kemikalier och mänsklig kontakt.

   • I halvledare är metalljoner "dödande" föroreningar som introducerar energinivåer i det förbjudna bandet, vilket ökar läckströmmen, förkortar bärartiden och allvarligt skadar elektriska egenskaper. I glas kan de påverka kvaliteten och vidhäftningen hos efterföljande tunna filmer.

4. Naturligt oxidlager

   • För kiselskivor: Ett tunt lager kiseldioxid (nativ oxid) bildas naturligt på ytan i luften. Tjockleken och jämnheten hos detta oxidlager är svåra att kontrollera, och det måste tas bort helt under tillverkningen av nyckelstrukturer som grindoxider.

   • För glasskivor: Glaset i sig är en kiseldioxidnätverksstruktur, så det finns inget problem med att "ta bort ett naturligt oxidlager". Ytan kan dock ha modifierats på grund av kontaminering, och detta lager måste tas bort.

I. Kärnmål: Skillnaden mellan elektrisk prestanda och fysisk perfektion

• Kiselskivor

  • Kärnmålet med rengöring är att säkerställa elektrisk prestanda. Specifikationer inkluderar vanligtvis strikta partikelantal och storlekar (t.ex. partiklar ≥0,1 μm måste avlägsnas effektivt), metalljonkoncentrationer (t.ex. Fe, Cu måste kontrolleras till ≤10¹⁰ atomer/cm² eller lägre) och nivåer av organiska rester. Även mikroskopisk kontaminering kan leda till kortslutningar, läckströmmar eller fel på grindoxidens integritet.

• Glasskivor

  • Som substrat är kärnkraven fysisk perfektion och kemisk stabilitet. Specifikationerna fokuserar på makroaspekter såsom frånvaro av repor, icke-borttagbara fläckar och bibehållande av den ursprungliga ytjämnheten och geometrin. Målet med rengöringen är främst att säkerställa visuell renhet och god vidhäftning för efterföljande processer såsom beläggning.

II. Materiella naturen: Den grundläggande skillnaden mellan kristallin och amorf

• Kisel

  • Kisel är ett kristallint material, och dess yta bildar naturligt ett ojämnt oxidlager av kiseldioxid (SiO₂). Detta oxidlager utgör en risk för den elektriska prestandan och måste avlägsnas noggrant och jämnt.

• Glas

  • Glas är ett amorft kiseldioxidnätverk. Dess bulkmaterial har en liknande sammansättning som kiseloxidskiktet i kisel, vilket innebär att det snabbt kan etsas med fluorvätesyra (HF) och är även känsligt för stark alkalierosion, vilket leder till ökad ytjämnhet eller deformation. Denna grundläggande skillnad innebär att rengöring av kiselskivor tål lätt, kontrollerad etsning för att avlägsna föroreningar, medan rengöring av glasskivor måste utföras med extrem försiktighet för att undvika att skada basmaterialet.

III. Jämförelse av rengöringslösningar

Baserat på ovannämnda mål och materialegenskaper skiljer sig rengöringslösningarna för kisel- och glasskivor åt:

• Rengöringsprocess för glasskivor

  • För närvarande använder de flesta glasbearbetningsanläggningar rengöringsmetoder baserade på glasets materialegenskaper och förlitar sig huvudsakligen på svaga alkaliska rengöringsmedel.

  • Rengöringsmedlets egenskaper:Dessa specialiserade rengöringsmedel är vanligtvis svagt alkaliska, med ett pH runt 8-9. De innehåller vanligtvis tensider (t.ex. alkylpolyoxietyleter), metallkelatbildare (t.ex. HEDP) och organiska rengöringshjälpmedel, utformade för att emulgera och bryta ner organiska föroreningar såsom oljor och fingeravtryck, samtidigt som de är minimalt korrosiva för glasmatrisen.

  • Processflöde:Den typiska rengöringsprocessen innebär användning av en specifik koncentration av svagt alkaliska rengöringsmedel vid temperaturer från rumstemperatur till 60 °C, i kombination med ultraljudsrengöring. Efter rengöringen genomgår wafern flera sköljningssteg med rent vatten och torkning (t.ex. långsam lyftning eller IPA-ångtorkning). Denna process uppfyller effektivt glaswaferns krav på visuell renhet och allmän renhet.

• Rengöringsprocess för kiselskivor

  • För halvledarbearbetning genomgår kiselskivor vanligtvis standard RCA-rengöring, vilket är en mycket effektiv rengöringsmetod som systematiskt kan ta itu med alla typer av föroreningar, vilket säkerställer att de elektriska prestandakraven för halvledarkomponenter uppfylls.

IV. När glas uppfyller högre "renhets"-standarder

När glasskivor används i tillämpningar som kräver strikta partikelantal och metalljonnivåer (t.ex. som substrat i halvledarprocesser eller för utmärkta tunnfilmsavsättningsytor) kan den intrinsiska rengöringsprocessen inte längre vara tillräcklig. I detta fall kan principer för halvledarrengöring tillämpas, vilket introducerar en modifierad RCA-rengöringsstrategi.

Kärnan i denna strategi är att utspäda och optimera standardparametrarna för RCA-processen för att anpassa sig till glasets känsliga natur:

• Borttagning av organiska föroreningar:SPM-lösningar eller mildare ozonvatten kan användas för att bryta ner organiska föroreningar genom stark oxidation.

• Partikelborttagning:Högutspädd SC1-lösning används vid lägre temperaturer och kortare behandlingstider för att utnyttja dess elektrostatiska avstötnings- och mikroetsningseffekter för att avlägsna partiklar, samtidigt som korrosion på glaset minimeras.

• Borttagning av metalljoner:En utspädd SC2-lösning eller enkla utspädda saltsyra-/utspädda salpetersyralösningar används för att avlägsna metallföroreningar via kelatbildning.

• Strikta förbud:DHF (diammoniumfluorid) måste absolut undvikas för att förhindra korrosion av glassubstratet.

I hela den modifierade processen förbättrar kombinationen av megasonisk teknik avsevärt borttagningseffektiviteten av nanopartiklar och är skonsammare mot ytan.

Slutsats

Rengöringsprocesserna för kisel- och glasskivor är det oundvikliga resultatet av reverse engineering baserat på deras slutliga tillämpningskrav, materialegenskaper samt fysikaliska och kemiska egenskaper. Rengöring av kiselskivor syftar till "renhet på atomnivå" för elektrisk prestanda, medan rengöring av glasskivor fokuserar på att uppnå "perfekta, oskadade" fysiska ytor. I takt med att glasskivor används i allt större utsträckning i halvledarapplikationer kommer deras rengöringsprocesser oundvikligen att utvecklas bortom traditionell svag alkalisk rengöring, och utveckla mer förfinade, anpassade lösningar som den modifierade RCA-processen för att uppfylla högre renhetsstandarder.