Ränivahvlid vs. klaasvahvlid: mida me tegelikult puhastame? Materjali olemusest protsessipõhiste puhastuslahendusteni

Kuigi nii räni- kui ka klaasplaatidel on ühine eesmärk olla „puhastatud“, on puhastamise käigus esinevad väljakutsed ja rikkeviisid väga erinevad. See lahknevus tuleneb räni ja klaasi loomupärastest materjaliomadustest ja spetsifikatsiooninõuetest, samuti nende lõppkasutusest tulenevast erinevast puhastamise „filosoofiast“.

Esiteks selgitame: mida me täpselt puhastame? Millised saasteained on kaasatud?

Saasteained võib jagada nelja kategooriasse:

1. Osakeste saasteained

   • Tolm, metalliosakesed, orgaanilised osakesed, abrasiivsed osakesed (CMP protsessist) jne.

   • Need saasteained võivad põhjustada mustrivigu, näiteks lühiseid või avatud vooluringe.

2. Orgaanilised saasteained

   • Sisaldab fotoresistjääke, vaigu lisandeid, inimese nahaõlisid, lahustijääke jne.

   • Orgaanilised saasteained võivad moodustada maske, mis takistavad söövitamist või ioonide implanteerimist ja vähendavad teiste õhukeste kilede adhesiooni.

3. Metalliioonide saasteained

   • Raud, vask, naatrium, kaalium, kaltsium jne, mis pärinevad peamiselt seadmetest, kemikaalidest ja inimeste kokkupuutest.

   • Pooljuhtides on metalliioonid „tapjalikud“ saasteained, mis tekitavad keelatud tsoonis energiat, suurendades lekkevoolu, lühendades laengukandjate eluiga ja kahjustades tõsiselt elektrilisi omadusi. Klaasis võivad need mõjutada järgnevate õhukeste kilede kvaliteeti ja adhesiooni.

4. Natiivne oksiidikiht

   • Räniplaatide puhul: õhus tekib pinnale loomulikult õhuke ränidioksiidi kiht (looduslik oksiid). Selle oksiidikihi paksust ja ühtlust on raske kontrollida ning see tuleb võtmestruktuuride, näiteks väravaoksiidide, valmistamisel täielikult eemaldada.

   • Klaasplaatide puhul: klaas ise on ränidioksiidi võrgustiku struktuur, seega pole probleemi "natiivse oksiidikihi eemaldamisega". Pind võib aga olla saastumise tõttu muutunud ja see kiht tuleb eemaldada.

I. Põhieesmärgid: elektrilise jõudluse ja füüsilise täiuslikkuse erinevus

• Ränivahvlid

  • Puhastamise põhieesmärk on tagada elektriline jõudlus. Spetsifikatsioonid hõlmavad tavaliselt osakeste arvu ja suurust (nt osakesed ≥0,1 μm tuleb tõhusalt eemaldada), metalliioonide kontsentratsiooni (nt Fe, Cu tuleb kontrollida ≤10¹⁰ aatomit/cm² või madalamal) ja orgaaniliste jääkide taset. Isegi mikroskoopiline saastumine võib põhjustada lühiseid, lekkevoolusid või väravaoksiidi terviklikkuse rikkeid.

• Klaasvahvlid

  • Substraatide puhul on põhinõuded füüsikaline täiuslikkus ja keemiline stabiilsus. Spetsifikatsioonid keskenduvad makrotasandi aspektidele, nagu kriimustuste ja eemaldamatute plekkide puudumine ning algse pinnakareduse ja geomeetria säilitamine. Puhastamise eesmärk on eelkõige tagada visuaalne puhtus ja hea nakkuvus järgnevate protsesside, näiteks katmise jaoks.

II. Materiaalne olemus: kristallilise ja amorfse olemuse põhiline erinevus

• Räni

  • Räni on kristalliline materjal ja selle pinnale kasvab loomulikult ebaühtlane ränidioksiidi (SiO₂) oksiidikiht. See oksiidikiht kujutab endast ohtu elektrilisele jõudlusele ja see tuleb põhjalikult ja ühtlaselt eemaldada.

• Klaas

  • Klaas on amorfne ränidioksiidivõrgustik. Selle põhimaterjal on koostiselt sarnane räni ränioksiidikihiga, mis tähendab, et seda saab kiiresti söövitada vesinikfluoriidhappega (HF) ja see on vastuvõtlik ka tugevale leeliselise erosioonile, mis viib pinna kareduse või deformatsiooni suurenemiseni. See põhimõtteline erinevus dikteerib, et räniplaatide puhastamine talub kerget, kontrollitud söövitamist saasteainete eemaldamiseks, samas kui klaasplaatide puhastamine tuleb teha äärmise ettevaatusega, et vältida alusmaterjali kahjustamist.

III. Puhastuslahuste võrdlus

Eelnevalt nimetatud eesmärkide ja materjali omaduste põhjal erinevad räni- ja klaasplaatide puhastuslahused:

• Klaasvahvlite puhastusprotsess

  • Praegu kasutab enamik klaasitöötlemistehasi klaasi materjali omadustel põhinevaid puhastusprotseduure, tuginedes peamiselt nõrkadele aluselistele puhastusvahenditele.

  • Puhastusvahendi omadused:Need spetsiaalsed puhastusvahendid on tavaliselt nõrgalt aluselised, pH-ga umbes 8–9. Tavaliselt sisaldavad need pindaktiivseid aineid (nt alküülpolüoksüetüleeneetrit), metalli kelaativaid aineid (nt HEDP) ja orgaanilisi puhastusvahendeid, mis on loodud orgaaniliste saasteainete, näiteks õlide ja sõrmejälgede emulgeerimiseks ja lagundamiseks, olles samal ajal klaasmaatriksi suhtes minimaalselt söövitavad.

  • Protsessi voog:Tüüpiline puhastusprotsess hõlmab kindla kontsentratsiooniga nõrgalt aluseliste puhastusvahendite kasutamist temperatuurivahemikus toatemperatuurist kuni 60 °C-ni koos ultrahelipuhastusega. Pärast puhastamist loputatakse vahvleid mitu korda puhta veega ja kuivatatakse õrnalt (nt aeglase tõstmisega või IPA auruga). See protsess vastab tõhusalt klaasvahvlite visuaalse puhtuse ja üldise puhtuse nõuetele.

• Ränivahvli puhastusprotsess

  • Pooljuhtide töötlemiseks läbivad räniplaadid tavaliselt standardse RCA puhastuse, mis on väga tõhus puhastusmeetod, mis suudab süstemaatiliselt lahendada igat tüüpi saasteaineid, tagades pooljuhtseadmete elektrilise jõudluse nõuete täitmise.

IV. Kui klaas vastab kõrgematele puhtuse standarditele

Kui klaasplaate kasutatakse rakendustes, mis nõuavad rangeid osakeste arvu ja metalliioonide taseme nõudeid (nt pooljuhtide protsesside substraatidena või suurepäraste õhukeste kilede sadestamise pindade jaoks), ei pruugi sisemine puhastusprotsess enam olla piisav. Sellisel juhul saab rakendada pooljuhtide puhastamise põhimõtteid, tutvustades modifitseeritud RCA puhastusstrateegiat.

Selle strateegia tuum on standardsete RCA protsessiparameetrite lahjendamine ja optimeerimine, et arvestada klaasi tundliku olemusega:

• Orgaaniliste saasteainete eemaldamine:Orgaaniliste saasteainete lagundamiseks tugeva oksüdeerimise teel saab kasutada SPM-lahuseid või leebemat osoonivett.

• Osakeste eemaldamine:Tugevalt lahjendatud SC1 lahust kasutatakse madalamatel temperatuuridel ja lühematel töötlusaegadel, et ära kasutada selle elektrostaatilist tõukumist ja mikrosöövitust osakeste eemaldamiseks, minimeerides samal ajal klaasi korrosiooni.

• Metalliioonide eemaldamine:Metallist saasteainete eemaldamiseks kelaatimise teel kasutatakse lahjendatud SC2 lahust või lihtsaid lahjendatud vesinikkloriidhappe/lahjendatud lämmastikhappe lahuseid.

• Ranged keelud:Klaasaluspinna korrosiooni vältimiseks tuleb DHF-i (diammooniumfluoriidi) kasutamist absoluutselt vältida.

Kogu modifitseeritud protsessis suurendab megasonic-tehnoloogia kombineerimine märkimisväärselt nanoosakeste eemaldamise efektiivsust ja on pinna suhtes õrnem.

Kokkuvõte

Räni- ja klaasplaatide puhastusprotsessid on pöördprojekteerimise vältimatu tulemus, mis põhineb nende lõplikel rakendusnõuetel, materjali omadustel ning füüsikalistel ja keemilistel omadustel. Räniplaatide puhastamisel püütakse saavutada elektrilise jõudluse osas "aatomitaseme puhtust", samas kui klaasplaatide puhastamisel keskendutakse "täiuslike, kahjustamata" füüsiliste pindade saavutamisele. Kuna klaasplaate kasutatakse üha enam pooljuhtide rakendustes, arenevad nende puhastusprotsessid paratamatult kaugemale traditsioonilisest nõrgalt leeliselisest puhastusest, töötades välja täiustatud ja kohandatud lahendusi, näiteks modifitseeritud RCA protsess, et vastata kõrgematele puhtusstandarditele.