Tấm silicon so với tấm thủy tinh: Chúng ta thực sự đang làm sạch cái gì? Từ bản chất vật liệu đến giải pháp làm sạch dựa trên quy trình

Mặc dù cả tấm silicon và tấm thủy tinh đều có chung mục tiêu là được "làm sạch", nhưng những thách thức và cơ chế hỏng hóc mà chúng gặp phải trong quá trình làm sạch lại rất khác nhau. Sự khác biệt này xuất phát từ các đặc tính vật liệu vốn có và các yêu cầu về thông số kỹ thuật của silicon và thủy tinh, cũng như "triết lý" làm sạch riêng biệt được thúc đẩy bởi ứng dụng cuối cùng của chúng.

Trước tiên, hãy làm rõ: Chính xác thì chúng ta đang vệ sinh cái gì? Có những chất gây ô nhiễm nào?

Chất gây ô nhiễm có thể được phân loại thành bốn loại:

1. Các chất gây ô nhiễm dạng hạt

   • Bụi, hạt kim loại, hạt hữu cơ, hạt mài mòn (từ quy trình CMP), v.v.

   • Những chất gây ô nhiễm này có thể gây ra các lỗi về mẫu mã, chẳng hạn như đoản mạch hoặc mạch hở.

2. Chất gây ô nhiễm hữu cơ

   • Bao gồm cặn chất cản quang, phụ gia nhựa, dầu da người, cặn dung môi, v.v.

   • Các chất gây ô nhiễm hữu cơ có thể tạo thành lớp mặt nạ cản trở quá trình khắc hoặc cấy ion và làm giảm độ bám dính của các màng mỏng khác.

3. Chất gây ô nhiễm ion kim loại

   • Sắt, đồng, natri, kali, canxi, v.v., chủ yếu có nguồn gốc từ thiết bị, hóa chất và tiếp xúc với con người.

   • Trong chất bán dẫn, các ion kim loại là những tạp chất “sát thủ”, đưa các mức năng lượng vào vùng cấm, làm tăng dòng điện rò rỉ, rút ​​ngắn tuổi thọ hạt tải điện và làm hỏng nghiêm trọng các tính chất điện. Trong thủy tinh, chúng có thể ảnh hưởng đến chất lượng và độ bám dính của các màng mỏng tiếp theo.

4. Lớp oxit bản địa

   • Đối với wafer silicon: Một lớp mỏng silicon dioxide (Oxit tự nhiên) hình thành tự nhiên trên bề mặt trong không khí. Độ dày và độ đồng đều của lớp oxit này rất khó kiểm soát, và phải được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình chế tạo các cấu trúc chính như oxit cổng.

   • Đối với tấm kính: Bản thân kính là cấu trúc mạng lưới silica, do đó không có vấn đề gì khi “loại bỏ lớp oxit tự nhiên”. Tuy nhiên, bề mặt có thể đã bị biến đổi do nhiễm bẩn và cần phải loại bỏ lớp này.

I. Mục tiêu cốt lõi: Sự khác biệt giữa hiệu suất điện và sự hoàn hảo về mặt vật lý

• Tấm silicon

  • Mục tiêu cốt lõi của việc vệ sinh là đảm bảo hiệu suất điện. Các thông số kỹ thuật thường bao gồm số lượng và kích thước hạt nghiêm ngặt (ví dụ: các hạt ≥0,1μm phải được loại bỏ hiệu quả), nồng độ ion kim loại (ví dụ: Fe, Cu phải được kiểm soát ở mức ≤10¹⁰ nguyên tử/cm² hoặc thấp hơn) và mức độ cặn hữu cơ. Ngay cả ô nhiễm vi mô cũng có thể dẫn đến đoản mạch, rò rỉ dòng điện hoặc hỏng lớp oxit cổng.

• Bánh xốp thủy tinh

  • Với tư cách là vật liệu nền, các yêu cầu cốt lõi là độ hoàn thiện về mặt vật lý và độ ổn định hóa học. Các thông số kỹ thuật tập trung vào các khía cạnh tổng thể như không có vết xước, vết bẩn không thể tẩy rửa và duy trì độ nhám và hình dạng bề mặt ban đầu. Mục tiêu làm sạch chủ yếu là đảm bảo độ sạch về mặt thị giác và độ bám dính tốt cho các quy trình tiếp theo như sơn phủ.

II. Bản chất vật chất: Sự khác biệt cơ bản giữa tinh thể và vô định hình

• Silic

  • Silic là vật liệu tinh thể, và bề mặt của nó tự nhiên hình thành một lớp oxit silic dioxit (SiO₂) không đồng nhất. Lớp oxit này gây nguy hiểm cho hiệu suất điện và phải được loại bỏ hoàn toàn và đồng đều.

• Thủy tinh

  • Kính là một mạng lưới silica vô định hình. Vật liệu khối của nó có thành phần tương tự như lớp oxit silic, nghĩa là nó có thể được khắc nhanh bằng axit flohydric (HF) và cũng dễ bị ăn mòn bởi kiềm mạnh, dẫn đến tăng độ nhám bề mặt hoặc biến dạng. Sự khác biệt cơ bản này quy định rằng việc làm sạch wafer silicon có thể chịu được quá trình khắc nhẹ, có kiểm soát để loại bỏ tạp chất, trong khi việc làm sạch wafer thủy tinh phải được thực hiện cực kỳ cẩn thận để tránh làm hỏng vật liệu nền.

III. So sánh các dung dịch làm sạch

Dựa trên các mục tiêu và đặc điểm vật liệu đã đề cập ở trên, các giải pháp làm sạch dành cho tấm silicon và tấm kính sẽ khác nhau:

• Quy trình làm sạch tấm kính

  • Hiện nay, hầu hết các nhà máy chế biến thủy tinh đều sử dụng quy trình vệ sinh dựa trên đặc tính vật liệu của thủy tinh, chủ yếu dựa vào các chất tẩy rửa có tính kiềm yếu.

  • Đặc tính của chất tẩy rửa:Các chất tẩy rửa chuyên dụng này thường có tính kiềm yếu, với độ pH khoảng 8-9. Chúng thường chứa chất hoạt động bề mặt (ví dụ: alkyl polyoxyethylene ether), chất tạo phức kim loại (ví dụ: HEDP) và chất hỗ trợ tẩy rửa hữu cơ, được thiết kế để nhũ hóa và phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ như dầu mỡ và dấu vân tay, đồng thời ít gây ăn mòn cho ma trận thủy tinh.

  • Quy trình xử lý:Quy trình làm sạch thông thường bao gồm việc sử dụng một nồng độ cụ thể các chất tẩy rửa kiềm yếu ở nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 60°C, kết hợp với làm sạch siêu âm. Sau khi làm sạch, các tấm wafer trải qua nhiều bước rửa bằng nước tinh khiết và sấy nhẹ (ví dụ: nâng chậm hoặc sấy hơi IPA). Quy trình này đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của tấm wafer thủy tinh về độ sạch trực quan và độ sạch tổng thể.

• Quy trình làm sạch wafer silicon

  • Đối với quá trình xử lý chất bán dẫn, các tấm wafer silicon thường trải qua quá trình làm sạch RCA tiêu chuẩn, đây là phương pháp làm sạch hiệu quả cao có khả năng xử lý một cách có hệ thống mọi loại chất gây ô nhiễm, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất điện cho các thiết bị bán dẫn.

IV. Khi kính đạt tiêu chuẩn "sạch" cao hơn

Khi sử dụng wafer thủy tinh trong các ứng dụng đòi hỏi số lượng hạt và nồng độ ion kim loại nghiêm ngặt (ví dụ, làm chất nền trong quy trình bán dẫn hoặc cho bề mặt lắng đọng màng mỏng tuyệt vời), quy trình làm sạch nội tại có thể không còn hiệu quả. Trong trường hợp này, các nguyên tắc làm sạch bán dẫn có thể được áp dụng, giới thiệu một chiến lược làm sạch RCA được cải tiến.

Cốt lõi của chiến lược này là pha loãng và tối ưu hóa các thông số quy trình RCA tiêu chuẩn để phù hợp với bản chất nhạy cảm của thủy tinh:

• Loại bỏ chất gây ô nhiễm hữu cơ:Có thể sử dụng dung dịch SPM hoặc nước ozone nhẹ hơn để phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ thông qua quá trình oxy hóa mạnh.

• Loại bỏ hạt:Dung dịch SC1 pha loãng cao được sử dụng ở nhiệt độ thấp hơn và thời gian xử lý ngắn hơn để tận dụng lực đẩy tĩnh điện và hiệu ứng khắc vi mô nhằm loại bỏ các hạt, đồng thời giảm thiểu sự ăn mòn trên kính.

• Loại bỏ ion kim loại:Dung dịch SC2 pha loãng hoặc dung dịch axit clohydric loãng/axit nitric loãng đơn giản được sử dụng để loại bỏ tạp chất kim loại thông qua quá trình tạo phức.

• Những điều cấm nghiêm ngặt:Phải tuyệt đối tránh sử dụng DHF (di-amoni fluoride) để ngăn ngừa sự ăn mòn của lớp nền thủy tinh.

Trong toàn bộ quá trình được cải tiến, việc kết hợp công nghệ siêu âm giúp tăng cường đáng kể hiệu quả loại bỏ các hạt có kích thước nano và nhẹ nhàng hơn trên bề mặt.

Phần kết luận

Quy trình làm sạch wafer silicon và wafer thủy tinh là kết quả tất yếu của kỹ thuật đảo ngược dựa trên các yêu cầu ứng dụng cuối cùng, tính chất vật liệu và đặc điểm vật lý, hóa học của chúng. Quá trình làm sạch wafer silicon hướng đến "độ sạch ở cấp độ nguyên tử" cho hiệu suất điện, trong khi quá trình làm sạch wafer thủy tinh tập trung vào việc đạt được bề mặt vật lý "hoàn hảo, không bị hư hại". Khi wafer thủy tinh ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bán dẫn, quy trình làm sạch của chúng chắc chắn sẽ phát triển vượt xa phương pháp làm sạch kiềm yếu truyền thống, phát triển các giải pháp tinh vi hơn, tùy chỉnh hơn như quy trình RCA đã được sửa đổi để đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh cao hơn.