Кремниевые пластины против стеклянных пластин: что именно мы очищаем? От сути материала до технологических решений для очистки.

Хотя кремниевые и стеклянные пластины преследуют общую цель — «очистку», проблемы и причины сбоев, возникающие в процессе очистки, существенно различаются. Это расхождение обусловлено присущими кремнию и стеклу свойствами материалов и требованиями к их характеристикам, а также различными «философиями» очистки, определяемыми их конечным применением.

Для начала давайте уточним: что именно мы чистим? Какие загрязнения присутствуют?

Загрязняющие вещества можно разделить на четыре категории:

1. Частицы загрязняющих веществ

   • Пыль, металлические частицы, органические частицы, абразивные частицы (от процесса химико-механической полировки) и т. д.

   • Эти загрязнения могут вызывать дефекты рисунка, такие как короткие замыкания или обрывы цепи.

2. Органические загрязнители

   • Включает остатки фоторезиста, добавки к смоле, кожные масла человека, остатки растворителей и т. д.

   • Органические загрязнения могут образовывать маски, которые препятствуют травлению или ионной имплантации и снижают адгезию других тонких пленок.

3. Загрязняющие вещества, содержащие ионы металлов

   • Железо, медь, натрий, калий, кальций и т. д., которые в основном поступают из оборудования, химических веществ и в результате контакта с человеком.

   • В полупроводниках ионы металлов являются «убийственными» примесями, вносящими энергетические уровни в запрещенную зону, что увеличивает ток утечки, сокращает время жизни носителей заряда и серьезно ухудшает электрические свойства. В стекле они могут влиять на качество и адгезию последующих тонких пленок.

4. Естественный оксидный слой

   • Что касается кремниевых пластин: на поверхности под воздействием воздуха естественным образом образуется тонкий слой диоксида кремния (естественный оксид). Толщину и однородность этого оксидного слоя трудно контролировать, и его необходимо полностью удалять в процессе изготовления ключевых структур, таких как затворные оксиды.

   • Что касается стеклянных пластин: само стекло представляет собой сетевую структуру из диоксида кремния, поэтому проблема «удаления естественного оксидного слоя» отсутствует. Однако поверхность могла быть изменена из-за загрязнения, и этот слой необходимо удалить.

I. Основные цели: Расхождение между электрическими характеристиками и физическим совершенством

• Кремниевые пластины

  • Основная цель очистки — обеспечение электрических характеристик. Технические требования обычно включают строгий контроль количества и размеров частиц (например, частицы размером ≥0,1 мкм должны быть эффективно удалены), концентрацию ионов металлов (например, концентрация Fe, Cu должна контролироваться на уровне ≤10¹⁰ атомов/см² или ниже) и уровень органических остатков. Даже микроскопическое загрязнение может привести к короткому замыканию, токам утечки или нарушению целостности затворного оксида.

• Стеклянные пластины

  • В качестве подложек основные требования предъявляются к физическому совершенству и химической стабильности. Технические характеристики сосредоточены на макроуровневых аспектах, таких как отсутствие царапин, несмываемых пятен и сохранение первоначальной шероховатости и геометрии поверхности. Цель очистки состоит в первую очередь в обеспечении визуальной чистоты и хорошей адгезии для последующих процессов, таких как нанесение покрытий.

II. Природа материала: принципиальное различие между кристаллическим и аморфным состояниями.

• Кремний

  • Кремний — кристаллический материал, и на его поверхности естественным образом образуется неоднородный слой диоксида кремния (SiO₂). Этот оксидный слой представляет опасность для электрических характеристик и должен быть тщательно и равномерно удален.

• Стекло

  • Стекло представляет собой аморфную кремниевую сетку. Его основной материал по составу аналогичен слою оксида кремния, что означает, что оно быстро травится плавиковой кислотой (HF) и также подвержено сильной щелочной эрозии, приводящей к увеличению шероховатости поверхности или деформации. Это принципиальное различие обуславливает то, что очистка кремниевых пластин может выдерживать легкое, контролируемое травление для удаления загрязнений, в то время как очистка стеклянных пластин должна проводиться с особой осторожностью, чтобы избежать повреждения основного материала.

III. Сравнение чистящих средств

Исходя из вышеупомянутых целей и характеристик материалов, растворы для очистки кремниевых и стеклянных пластин различаются:

• Процесс очистки стеклянных пластин

  • В настоящее время большинство предприятий по переработке стекла используют методы очистки, основанные на характеристиках материала стекла, и в основном полагаются на слабощелочные чистящие средства.

  • Характеристики чистящего средства:Эти специализированные чистящие средства обычно имеют слабощелочную реакцию с pH около 8-9. Как правило, они содержат поверхностно-активные вещества (например, алкилполиоксиэтиленовый эфир), хелатирующие агенты для металлов (например, HEDP) и органические чистящие добавки, предназначенные для эмульгирования и разложения органических загрязнений, таких как масла и отпечатки пальцев, при этом оказывая минимальное коррозионное воздействие на стеклянную матрицу.

  • Технологический процесс:Типичный процесс очистки включает использование чистящих средств на основе слабых щелочей определенной концентрации при температурах от комнатной до 60°C в сочетании с ультразвуковой очисткой. После очистки пластины проходят несколько этапов промывки чистой водой и бережной сушки (например, медленное поднятие или сушка парами изопропилового спирта). Этот процесс эффективно отвечает требованиям к визуальной и общей чистоте стеклянных пластин.

• Процесс очистки кремниевых пластин

  • В процессе производства полупроводников кремниевые пластины обычно подвергаются стандартной очистке методом RCA, которая является высокоэффективным методом очистки, способным систематически удалять все типы загрязнений, обеспечивая соответствие требованиям к электрическим характеристикам полупроводниковых устройств.

IV. Когда стекло соответствует более высоким стандартам «чистоты»

Когда стеклянные пластины используются в приложениях, требующих строгого контроля количества частиц и уровня ионов металлов (например, в качестве подложек в полупроводниковых процессах или для получения превосходных поверхностей для осаждения тонких пленок), стандартного процесса очистки может быть недостаточно. В этом случае можно применить принципы очистки полупроводниковых материалов, используя модифицированную стратегию очистки RCA.

Суть этой стратегии заключается в разбавлении и оптимизации стандартных параметров процесса RCA с учетом чувствительности стекла:

• Удаление органических загрязнений:Для разложения органических загрязнителей путем интенсивного окисления можно использовать растворы твердых частиц или более мягкую озонированную воду.

• Удаление частиц:Для удаления частиц используется сильно разбавленный раствор SC1 при более низких температурах и более коротком времени обработки, поскольку он задействует электростатическое отталкивание и эффект микротравления, минимизируя при этом коррозию стекла.

• Удаление ионов металлов:Для удаления металлических загрязнений методом хелатирования используются разбавленный раствор SC2 или простые разбавленные растворы соляной/азотной кислоты.

• Строгие запреты:Для предотвращения коррозии стеклянной подложки следует полностью избегать использования диаммонийфторида (DHF).

В ходе всей модифицированной процедуры сочетание мегазвуковой технологии значительно повышает эффективность удаления наночастиц и оказывает более щадящее воздействие на поверхность.

Заключение

Процессы очистки кремниевых и стеклянных пластин являются неизбежным результатом обратного проектирования, основанного на требованиях к их конечному применению, свойствах материалов, а также физических и химических характеристиках. Очистка кремниевых пластин направлена ​​на достижение «чистоты на атомном уровне» для обеспечения электрических характеристик, в то время как очистка стеклянных пластин фокусируется на достижении «идеальной, неповрежденной» физической поверхности. По мере того, как стеклянные пластины все чаще используются в полупроводниковых приложениях, процессы их очистки неизбежно будут развиваться, выходя за рамки традиционной очистки слабыми щелочами, разрабатывая более совершенные, индивидуальные решения, такие как модифицированный процесс RCA, для соответствия более высоким стандартам чистоты.