Хотя и кремниевые, и стеклянные пластины имеют общую цель — быть «очищенными», проблемы и виды отказов, с которыми они сталкиваются в процессе очистки, существенно различаются. Это различие обусловлено как свойствами материалов, так и спецификациями кремния и стекла, а также различной «философией» очистки, обусловленной их конечным применением.
Для начала давайте проясним: что именно мы очищаем? О каких загрязнениях идёт речь?
Загрязняющие вещества можно разделить на четыре категории:
-
Частицы загрязняющих веществ
-
Пыль, металлические частицы, органические частицы, абразивные частицы (от процесса ХМП) и т. д.
-
Эти загрязнители могут стать причиной дефектов схем, таких как короткие замыкания или обрывы цепи.
-
-
Органические загрязнители
-
Включает остатки фоторезиста, добавки смол, масла человеческой кожи, остатки растворителей и т. д.
-
Органические загрязнители могут образовывать маски, которые затрудняют травление или ионную имплантацию, а также снижают адгезию других тонких пленок.
-
-
Загрязнители ионов металлов
-
Железо, медь, натрий, калий, кальций и т. д., которые в основном поступают из оборудования, химикатов и при контакте с человеком.
-
В полупроводниках ионы металлов являются «убийственными» загрязнителями, создавая энергетические уровни в запрещённой зоне, которые увеличивают ток утечки, сокращают время жизни носителей заряда и серьёзно ухудшают электрические свойства. В стекле они могут влиять на качество и адгезию последующих тонких плёнок.
-
-
Слой естественного оксида
-
Для кремниевых пластин: на поверхности кремния на воздухе естественным образом образуется тонкий слой диоксида кремния (собственный оксид). Толщину и однородность этого оксидного слоя трудно контролировать, и его необходимо полностью удалять при изготовлении ключевых структур, таких как оксиды затворов.
-
Для стеклянных пластин: само стекло представляет собой сетчатую структуру из кремнезема, поэтому не возникает вопроса об «удалении естественного оксидного слоя». Однако поверхность могла быть изменена из-за загрязнения, и этот слой необходимо удалить.
-
I. Основные цели: расхождение между электрическими показателями и физическим совершенством
-
Кремниевые пластины
-
Основная цель очистки — обеспечение электрических характеристик. Спецификации обычно включают строгие требования к количеству и размеру частиц (например, частицы размером ≥0,1 мкм должны быть эффективно удалены), концентрации ионов металлов (например, Fe, Cu должны контролироваться на уровне ≤10¹⁰ атомов/см² или ниже) и уровню органических остатков. Даже микроскопические загрязнения могут привести к коротким замыканиям, токам утечки или нарушению целостности оксидного слоя затвора.
-
-
Стеклянные пластины
-
К подложкам предъявляются следующие основные требования: физическое совершенство и химическая стабильность. Спецификации фокусируются на макроуровневых аспектах, таких как отсутствие царапин, неудаляемых пятен, а также сохранение исходной шероховатости и геометрии поверхности. Цель очистки — прежде всего обеспечить визуальную чистоту и хорошую адгезию для последующих процессов, таких как нанесение покрытия.
-
II. Материальная природа: фундаментальное различие между кристаллическим и аморфным состоянием
-
Кремний
-
Кремний — кристаллический материал, и на его поверхности естественным образом образуется неоднородный слой оксида диоксида кремния (SiO₂). Этот слой оксида представляет опасность для электрических характеристик и должен быть тщательно и равномерно удален.
-
-
Стекло
-
Стекло представляет собой аморфную кремниевую сетку. Его основная масса по составу близка к слою оксида кремния, что означает, что оно быстро травится плавиковой кислотой (HF), а также подвержено сильной щелочной эрозии, что приводит к увеличению шероховатости поверхности или деформации. Это фундаментальное отличие обуславливает возможность очистки кремниевых пластин лёгким контролируемым травлением для удаления загрязнений, в то время как очистку стеклянных пластин необходимо проводить с особой осторожностью, чтобы не повредить материал основы.
-
| Чистящее средство | Очистка кремниевой пластины | Очистка стеклянных пластин |
|---|---|---|
| Цель уборки | Включает собственный оксидный слой | Выберите метод очистки: удалите загрязнения, защищая при этом основной материал. |
| Стандартная очистка RCA | - СПМ(H₂SO₄/H₂O₂): удаляет остатки органических веществ/фоторезиста | Основной поток очистки: |
| - СК1(NH₄OH/H₂O₂/H₂O): удаляет поверхностные частицы | Слабощелочное чистящее средство: Содержит активные поверхностно-активные вещества для удаления органических загрязнений и частиц. | |
| - ДГФ(Плавиковая кислота): удаляет естественный оксидный слой и другие загрязнения. | Сильнощелочное или среднещелочное чистящее средство: используется для удаления металлических или нелетучих загрязнений. | |
| - СК2(HCl/H₂O₂/H₂O): удаляет металлические загрязнения | Избегайте HF на протяжении всего периода | |
| Ключевые химикаты | Сильные кислоты, сильные щелочи, окисляющие растворители | Слабощелочное чистящее средство, специально разработанное для удаления легких загрязнений |
| Физические средства поддержки | Деионизированная вода (для высокочистого ополаскивания) | Ультразвуковая, мегазвуковая мойка |
| Технология сушки | Megasonic, сушка паром ИПА | Бережная сушка: медленное поднятие, сушка паром IPA |
III. Сравнение чистящих средств
В зависимости от вышеупомянутых целей и характеристик материала чистящие растворы для кремниевых и стеклянных пластин различаются:
| Очистка кремниевой пластины | Очистка стеклянных пластин | |
|---|---|---|
| Цель очистки | Тщательное удаление, включая естественный оксидный слой пластины. | Избирательное удаление: устранение загрязнений с одновременной защитой основания. |
| Типичный процесс | Стандартный RCA чистый:•СПМ(H₂SO₄/H₂O₂): удаляет тяжелые органические загрязнения/фоторезист •СК1(NH₄OH/H₂O₂/H₂O): удаление щелочных частиц •ДГФ(разбавленная HF): удаляет естественный оксидный слой и металлы •СК2(HCl/H₂O₂/H₂O): удаляет ионы металлов | Характерный поток очистки:•Слабощелочное чистящее средствос поверхностно-активными веществами для удаления органических веществ и частиц •Кислотное или нейтральное чистящее средстводля удаления ионов металлов и других специфических загрязнителей •Избегайте HF на протяжении всего процесса |
| Основные химические вещества | Сильные кислоты, сильные окислители, щелочные растворы | Слабощелочные чистящие средства; специализированные нейтральные или слабокислотные чистящие средства |
| Физическая помощь | Megasonic (высокоэффективное, бережное удаление частиц) | Ультразвуковой, мегазвуковой |
| Сушка | Марангони сушка; Сушка паром IPA | Медленно-вытяжная сушка; сушка паром ИПА |
-
Процесс очистки стеклянных пластин
-
В настоящее время большинство заводов по обработке стекла используют процедуры очистки, основанные на материальных характеристиках стекла, полагаясь в первую очередь на слабые щелочные чистящие средства.
-
Характеристики чистящего средства:Эти специализированные чистящие средства обычно имеют слабощелочную реакцию с pH около 8–9. Они обычно 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.
-
Поток процесса:Типичный процесс очистки включает использование слабых щелочных моющих средств определённой концентрации при температуре от комнатной до 60 °C в сочетании с ультразвуковой очисткой. После очистки пластины многократно промываются чистой водой и подвергаются бережной сушке (например, методом медленного подъёма или сушкой парами изопропилового спирта). Этот процесс эффективно отвечает требованиям к визуальной и общей чистоте стеклянных пластин.
-
-
Процесс очистки кремниевой пластины
-
При обработке полупроводников кремниевые пластины обычно подвергаются стандартной очистке RCA, которая представляет собой высокоэффективный метод очистки, способный систематически удалять все типы загрязнений, обеспечивая выполнение требований к электрическим характеристикам полупроводниковых приборов.
-
IV. Когда стекло отвечает более высоким стандартам «чистоты»
При использовании стеклянных пластин в приложениях, требующих строгого контроля количества частиц и уровня ионов металлов (например, в качестве подложек в полупроводниковых процессах или для создания высококачественных поверхностей для осаждения тонких пленок), процесс внутренней очистки может оказаться недостаточным. В этом случае можно применить принципы очистки полупроводников, представив модифицированную стратегию очистки RCA.
Суть этой стратегии заключается в разбавлении и оптимизации стандартных параметров процесса RCA с учетом чувствительной природы стекла:
-
Удаление органических загрязнений:Растворы СПМ или более мягкую озонированную воду можно использовать для разложения органических загрязнений посредством сильного окисления.
-
Удаление частиц:Сильно разбавленный раствор SC1 применяется при более низких температурах и более коротком времени обработки, чтобы использовать его электростатическое отталкивание и эффекты микротравления для удаления частиц, одновременно сводя к минимуму коррозию стекла.
-
Удаление ионов металлов:Для удаления металлических загрязнений методом хелатирования используют разбавленный раствор SC2 или простые разбавленные растворы соляной кислоты/азотной кислоты.
-
Строгие запреты:Необходимо категорически избегать использования DHF (диаммонийфторида), чтобы предотвратить коррозию стеклянной подложки.
В ходе всего модифицированного процесса объединение мегазвуковой технологии значительно повышает эффективность удаления наночастиц и обеспечивает более бережное воздействие на поверхность.
Заключение
Процессы очистки кремниевых и стеклянных пластин являются неизбежным результатом обратного проектирования, основанного на требованиях к их конечному применению, свойствах материалов и физико-химических характеристиках. Очистка кремниевых пластин направлена на достижение «атомной чистоты» для электрических характеристик, в то время как очистка стеклянных пластин направлена на достижение «идеальной, неповрежденной» физической поверхности. Поскольку стеклянные пластины все чаще используются в полупроводниковых устройствах, процессы их очистки неизбежно будут развиваться, выходя за рамки традиционной слабощелочной очистки, и будут разрабатываться более совершенные, индивидуальные решения, такие как модифицированный процесс RCA, отвечающий более высоким стандартам чистоты.
Время публикации: 29 октября 2025 г.