Происходит в первую очередь на границе фаз вода–растворитель, где сосредоточено почти все количество поверхностно–активных веществ, молекулы которых адсорбируются частицами удаляемых водонерастворимых загрязений; тем самым препятствуют повторному осаждения загрязнений на поверхность полупроводника и обеспечивают длительную способность эмульсии к очистке.
Отмывку в кислотах применяют для очистки поверхности от атомов, ионов металлов, а также оксидов, сульфидов, нитридов и других химических соединений, растворимых в них. Для очистки поверхностей применяют как минеральные, так и органические кислоты, а также кислотные растворы, в состав которых входят поверхностно-активные вещества для отмочки загрязнений, растворимые в воде органические растворители и травильные ингибиторы, предупреждающие растворение полупроводникового материала. В кислотных растворах одновременно удаляются оксиды и жировые загрязнения, при этом очень интенсивно выделяются газы, которые образуются при взаимодействии кислот с загрязнениями. На производстве кислотной обработке, как правило, предшествует обезжиривание в органических растворителях. После кислотной обработке на поверхности полупроводникового материала остаётся очень много трудноудалимого кислотного остатка.
Обработка щелочами применяют для удаления жировых и некоторых других трудноудалимых загрязнений (графит, полировальные пасты). Жировые загрязнения подразделяются на омыляемые (жиры растительного и животного происхождения) и неомыляемые (минеральные масла). Под воздействием щелочей омыляемые жиры разлагаются (омыляются) с образованием растворимых в воде солей и жирных кислот (стеариновой, олеиновой) и глицерина, а неомыляемые не разлагаются, но могут образовывать эмульсии.
Щелочные растворы должны хорошо смачивать поверхность, эффективно растворять омыляемые жиры, разрушать нерастворимые загрязнения на мелкие частицы и переводить их в состояние эмульсии, легко смываться водой после очистки, и не разрушать поверхности обрабатываемых изделий и не вызывать коррозии оборудования.
Обработку в щелочных раствора обычно проводят при температуре от 70 до 90°С в течение 2–10 минут. Повышение температуры способствует эффективности очистки. Перемешивание раствора в начале обработке не оказывает заметного влияния на качество очистки, поэтому рекомендуется производить по истечении некоторого времени. Отмывку в кислотах и щелочах выполняют погружением, распылением, электролитически, а также в ультразвуковых ваннах.
Отмывка во фреонах обеспечивает высокую степень чистоты поверхности экономичность процесса. Это обусловлено хорошей способностью фреонов растворять различные загрязнения (в том числе жиры и масла) и их низким поверхностным натяжением, позволяющим легко проникать в различные углубления и быстро испаряться с поверхности после обработки. Кроме того, фреоны не взаимодействуют со всевозможными защитными покрытиями, имеют низкую температуру кипения (что существенно снижает затраты энергии на кипячение и дистилляцию), чисты и стабильны, безвредны, негорючи. Они нерастворимы в воде с ней эмульсии типа «масло» в воде; их смеси со спиртами обладают повышенной растворяющей способностью, а смеси с водой и поверхностно-активными веществами обеспечивают тонкую очистку неметаллических изделий.
Разработано несколько способов отмывки полупроводниковых пластин во фреонах, среди которых наиболее широко применяется два способа.
При первом способе пластины предварительно очищают в ультразвуковой ванне в смеси фреона с поверхностно-активными веществами и водой, удаляют адсорбированные молекулы поверхностно-активного вещества в чистом кипящем фреоне, проводят ультразвуковую обработку в чистом фреоне, чтобы удалить остаточные следы поверхностно-активного вещества, и окончательную обработку и сушку в парах фреона. Полная обработка продолжается 7–10 минут. Все операции, кроме первой, выполняются на стандартной установке ультразвуковой очистки, а первую в дополнительной ультразвуковой ванне.
При втором способе пластины обрабатывают в моюще-обезжиривающей смеси 1 мин, прополаскивают в изопропиловом спирте 1 мин, обрабатывают в ультразвуковой ванне в кипящем изопропиловом спирте и сушат в его парах, отмывают кистями в деионизованой воде, а затем обрабатывают в кипящем фреоне и его парах. Полная обработка продолжается 7–10 минут.
Моюще-обезжириваюшая смесь содержит фреон-113, неионогенное поверхностно-активное вещество синтанол, плавиковую кислоту и воду и представляет собой двухфазную эмульсию. Молекулы поверхностно-активного вещества располагаются на границе капель воды, эмульгированных во фреоне. Адсорбция молекул поверхностного вещества на границе двух фаз (воды и фреона) резко уменьшает поверхностное натяжение фреона, чем объясняется высокая очищающая способность смеси. Способность коллоидных образований молекул поверхностно-активного вещества (мицелл) захватывать водо-нерастворимые загрязнения обеспечивает длительную способность смеси к очистке. Наличие в смеси воды позволяет удалять растворимые в ней минеральные соли. Плавиковая кислота обеспечивает удаление поверхностных оксидных плёнок и ионных загрязнений. Сначала смесь перемешивают до образования пены и обрабатывают в ней кремниевые пластины, помещенные в кварцевую кассету, периодически извлекая кассету из ванны и вновь погружая.
Преимущества отмывки во фреонах:
- исключаются операции, при которых используются концентрированные неорганические кислоты, щелочи, а так же токсичные и огнеопасные органические растворители;
- на заключительной стадии не требуется промывка деионизованной водой;
- обеспечивается высокая производительность труда и экономичность, так как фреон легко очищается дистилляцией и может повторно использоваться в процессе отмывки;
- может применяться на различных этапах изготовления полупроводниковых приборов и микросхем (перед оксидированием, диффузией, нанесения фоторезиста, напылением металлических плёнок);
- может использоваться для очистки стёкол, керамики, ситала и других материалов.
После отмывки в щелочах и кислотах или травлении на поверхности изделий остаётся некоторое количество загрязнённого моющего раствора (травителя), который удаляют отмывкой в деионизованной воде. На процесс отмывки оказывают влияние количество загрязнений, переносимых в ванну для прополаскивания, температура и интенсивность перемешивания воды, а также способ отмывки.
Отмывку водой выполняют погружением или прополаскиванием, в потоке или струе. Гидромеханическим способом или в ультразвуковых ваннах.
Отмывка погружением. Отмывку погружением обычно выполняют при мелкосерийном производстве. Для повышения эффективности процесса воду подогревают и перемешивают. Детали при загрузке в ванну не должны касаться её стенок или нагревателей (если они имеются) и их не следует глубоко погружать, так как нижние слои воды, как правило, более загрязнены. Чтобы исключить возможность повторного осаждения загрязнений на поверхность деталей, необходимо регулярно менять воду и промывать ванну. Качество очистки погружением невысоко, так как загрязнения, перешедшие с отмываемых деталей в воду, могут повторно осаждаться на поверхность полупроводниковых деталей. Этот метод как правило используется на первоначальных стадиях для сильнозагрязнённых деталей. Основным достоинством является его простота.
Отмывка в потоке многокаскадных ваннах. Такая отмывка обеспечивает постоянный отвод загрязнений от очищаемой поверхности и снижает их концентрацию в промывочной воде. Детали переносят последовательно из одной ванны в другую в направлении, противоположному движению потока воды. Расход деионизованой воды в многокаскадный ваннах намного превышает расход в одноступенчатых ваннах. Продолжительность промывки в последней ванне определяют по выравниванию удельным сопротивлением воды на входе и на выходе из неё.
Струйная промывка (струёй жидкости, направленной под давлением на поверхность очищаемого изделия). Струйная промывка эффективней отмывки в проточных ваннах. Время удаления загрязнений в проточной воде 5–20 минут, а при струйном методе — 1–5 минут. Важными факторами процесса струйной отмывки являются давление, объём и температура подаваемой жидкости. Обычно жидкость подают под давлением 50–400 кПа через специальные наконечники – сопла, что повышает эффективность отмывки, однако возрастает опасность механического повреждения образцов и усиливается процесс ценообразования. Образование пены нежелательно, так как она снижает скорость и качество обработки. Увеличение объёма подаваемой жидкости обеспечивает более быстрое и полное удаление загрязнений.
Струйную отмывку выполняют в закрытых камерах, оборудованных системой многократной циркуляции промывочной жидкости. Для улучшения очистки жидкость подогревают до 50–70°С. Полупроводниковые пластины помещают на вертикальные диск центрифуги, имеющей частоту вращения 200–600 об/мин. Возникающие при вращении центробежные силы способствуют удаления загрязнений с поверхности пластин. Вертикальное расположение пластин исключает возможность попадания на них капель промывочной воды после ограничения отмывки.
Гидромеханическая отмывка – это комплексный способ удаления микроскопических загрязнений с полированной поверхности пластин проточной водой и мягкими вращающимися щётками или кистями. Кисти изготовляют из беличьего меха, а щётки из искусственных материалов (капрона, нейлона). Крепление пластин осуществляется вакуумным присосом. Деионизованную воду подают на пластины под давлением 50–200 кПа. При расходе воды на 1л/мин длительность процесса 5–7 минут. Предварительно, чтобы ослабить связи загрязнений с поверхностью и облегчить их механическое удаление, пластины обрабатывают в кислотах или растворителях.