Siliciumwafers versus glaswafers: wat reinigen we eigenlijk? Van materiële essentie tot procesgebaseerde reinigingsoplossingen

Hoewel zowel silicium- als glaswafers het gemeenschappelijke doel van "reiniging" delen, zijn de uitdagingen en faalwijzen waarmee ze tijdens het reinigen te maken krijgen, enorm verschillend. Deze discrepantie komt voort uit de inherente materiaaleigenschappen en specificatie-eisen van silicium en glas, evenals de specifieke "filosofie" van reiniging die voortkomt uit hun uiteindelijke toepassingen.

Laten we eerst eens kijken: wat maken we precies schoon? Welke verontreinigingen zijn erbij betrokken?

Verontreinigende stoffen kunnen worden ingedeeld in vier categorieën:

1. Deeltjesverontreinigingen

   • Stof, metaaldeeltjes, organische deeltjes, schurende deeltjes (van het CMP-proces), enz.

   • Deze verontreinigingen kunnen patroondefecten veroorzaken, zoals kortsluitingen of onderbrekingen in de stroomkring.

2. Organische verontreinigingen

   • Omvat resten van fotoresist, harsadditieven, menselijke huidvetten, oplosmiddelresten, etc.

   • Organische verontreinigingen kunnen maskers vormen die het etsen of de ionenimplantatie belemmeren en de hechting van andere dunne films verminderen.

3. Metaalionverontreinigingen

   • IJzer, koper, natrium, kalium, calcium, etc. komen voornamelijk van apparatuur, chemicaliën en menselijk contact.

   • In halfgeleiders zijn metaalionen "killer" verontreinigingen die energieniveaus in de verboden band introduceren, waardoor de lekstroom toeneemt, de levensduur van de drager wordt verkort en de elektrische eigenschappen ernstig worden aangetast. In glas kunnen ze de kwaliteit en hechting van de daaropvolgende dunne films beïnvloeden.

4. Native Oxidelaag

   • Voor siliciumwafers: Een dunne laag siliciumdioxide (native oxide) vormt zich van nature op het oppervlak in de lucht. De dikte en uniformiteit van deze oxidelaag zijn moeilijk te controleren en moeten volledig worden verwijderd tijdens de fabricage van sleutelstructuren zoals gate-oxiden.

   • Voor glaswafers: glas zelf is een silica-netwerkstructuur, dus er is geen sprake van het "verwijderen van een natuurlijke oxidelaag". Het oppervlak kan echter wel zijn aangetast door verontreiniging, waardoor deze laag verwijderd moet worden.

I. Kerndoelen: het verschil tussen elektrische prestaties en fysieke perfectie

• Siliciumwafels

  • Het hoofddoel van reiniging is het garanderen van elektrische prestaties. Specificaties omvatten doorgaans strikte deeltjesaantallen en -groottes (deeltjes ≥ 0,1 μm moeten bijvoorbeeld effectief worden verwijderd), metaalionconcentraties (bijv. Fe, Cu moeten worden gecontroleerd tot ≤ 10¹⁰ atomen/cm² of lager) en gehaltes aan organische resten. Zelfs microscopische verontreiniging kan leiden tot kortsluiting in het circuit, lekstromen of een defect aan de gate-oxide-integriteit.

• Glazen wafers

  • Als substraat zijn fysieke perfectie en chemische stabiliteit de belangrijkste vereisten. Specificaties richten zich op macroniveau-aspecten zoals de afwezigheid van krassen, niet-verwijderbare vlekken en het behoud van de oorspronkelijke oppervlakteruwheid en -geometrie. Het reinigingsdoel is primair het garanderen van visuele reinheid en een goede hechting voor daaropvolgende processen, zoals het aanbrengen van een coating.

II. Materiële aard: het fundamentele verschil tussen kristallijn en amorf

• Silicium

  • Silicium is een kristallijn materiaal en op het oppervlak ervan groeit van nature een niet-uniforme siliciumdioxide (SiO₂)-oxidelaag. Deze oxidelaag vormt een risico voor de elektrische prestaties en moet grondig en gelijkmatig worden verwijderd.

• Glas

  • Glas is een amorf silicanetwerk. Het bulkmateriaal is qua samenstelling vergelijkbaar met de siliciumoxidelaag van silicium, wat betekent dat het snel geëtst kan worden met waterstoffluoride (HF) en ook gevoelig is voor sterke alkalische erosie, wat leidt tot een toename van de oppervlakteruwheid of vervorming. Dit fundamentele verschil bepaalt dat het reinigen van siliciumwafers licht en gecontroleerd etsen kan verdragen om verontreinigingen te verwijderen, terwijl het reinigen van glaswafers uiterst zorgvuldig moet worden uitgevoerd om beschadiging van het basismateriaal te voorkomen.

III. Vergelijking van reinigingsoplossingen

Op basis van de bovengenoemde doelen en materiaaleigenschappen verschillen de reinigingsoplossingen voor silicium- en glaswafers:

• Reinigingsproces van glazen wafers

  • Momenteel gebruiken de meeste glasverwerkingsbedrijven reinigingsprocedures die zijn gebaseerd op de materiaaleigenschappen van glas. Ze vertrouwen daarbij voornamelijk op zwak alkalische reinigingsmiddelen.

  • Eigenschappen van reinigingsmiddelen:Deze gespecialiseerde reinigingsmiddelen zijn doorgaans zwak alkalisch, met een pH-waarde van ongeveer 8-9. Ze bevatten doorgaans oppervlakteactieve stoffen (bijv. alkylpolyoxyethyleenether), metaalchelatoren (bijv. HEDP) en organische reinigingshulpmiddelen. Deze zijn ontworpen om organische verontreinigingen zoals oliën en vingerafdrukken te emulgeren en af ​​te breken, terwijl ze de glasmatrix minimaal corrosief maken.

  • Processtroom:Het typische reinigingsproces omvat het gebruik van een specifieke concentratie zwak alkalische reinigingsmiddelen bij temperaturen variërend van kamertemperatuur tot 60 °C, gecombineerd met ultrasoon reinigen. Na het reinigen ondergaan de wafers meerdere spoelstappen met zuiver water en worden ze voorzichtig gedroogd (bijv. slow lifting of IPA-dampdrogen). Dit proces voldoet effectief aan de eisen voor visuele en algemene reinheid van glaswafers.

• Reinigingsproces voor siliciumwafers

  • Voor de verwerking van halfgeleiders worden siliciumwafers doorgaans onderworpen aan standaard RCA-reiniging. Dit is een zeer effectieve reinigingsmethode die alle soorten verontreinigingen systematisch aanpakt en ervoor zorgt dat aan de elektrische prestatievereisten voor halfgeleiderapparaten wordt voldaan.

IV. Wanneer glas aan hogere normen voor 'reinheid' voldoet

Wanneer glaswafers worden gebruikt in toepassingen die strenge deeltjesaantallen en metaalionenniveaus vereisen (bijvoorbeeld als substraat in halfgeleiderprocessen of voor uitstekende dunnefilmdepositieoppervlakken), is het intrinsieke reinigingsproces mogelijk niet langer voldoende. In dat geval kunnen de reinigingsprincipes van halfgeleiders worden toegepast, wat een aangepaste RCA-reinigingsstrategie introduceert.

De kern van deze strategie is het verdunnen en optimaliseren van de standaard RCA-procesparameters om rekening te houden met de gevoelige aard van glas:

• Verwijdering van organische verontreinigingen:SPM-oplossingen of milder ozonwater kunnen worden gebruikt om organische verontreinigingen af ​​te breken door middel van sterke oxidatie.

• Verwijdering van deeltjes:De sterk verdunde SC1-oplossing wordt gebruikt bij lagere temperaturen en kortere behandelingstijden. Hierdoor worden de elektrostatische afstotende en micro-etsende effecten benut om deeltjes te verwijderen en corrosie op het glas tot een minimum te beperken.

• Verwijdering van metaalionen:Voor het verwijderen van metaalverontreinigingen via chelatie wordt een verdunde SC2-oplossing of een eenvoudige verdunde oplossing van zoutzuur/verdunde salpeterzuur gebruikt.

• Strikte verboden:DHF (di-ammoniumfluoride) moet absoluut worden vermeden om corrosie van het glassubstraat te voorkomen.

In het gehele aangepaste proces zorgt de combinatie van megasonische technologie voor een aanzienlijke verbetering van de verwijderingsefficiëntie van nanodeeltjes en is bovendien zachter voor het oppervlak.

Conclusie

De reinigingsprocessen voor silicium- en glaswafers zijn het onvermijdelijke resultaat van reverse engineering op basis van hun uiteindelijke toepassingsvereisten, materiaaleigenschappen en fysische en chemische kenmerken. Het reinigen van siliciumwafers streeft naar "reinheid op atomair niveau" voor elektrische prestaties, terwijl het reinigen van glaswafers zich richt op het bereiken van "perfecte, onbeschadigde" fysieke oppervlakken. Naarmate glaswafers steeds vaker worden gebruikt in halfgeleidertoepassingen, zullen hun reinigingsprocessen onvermijdelijk verder evolueren dan traditionele zwak alkalische reiniging, en zullen er meer verfijnde, op maat gemaakte oplossingen ontstaan, zoals het aangepaste RCA-proces, om te voldoen aan hogere reinheidsnormen.