Различают загрязненную, чистую и атомарно чистую поверхности. Загрязнённая поверхность требует очистки. Чистой считается поверхность, на которой остаются допустимое количество загрязненний, а атомарно-чистой – на которой отсутствуют какие–либо посторонние вещества. Предъявляемые на различных этапах изготовления полупроводниковых приборов и микросхем требования к чистоте поверхности неодинаковы. Поверхность, чистая для одной операции, может оказаться недопустимо грязной для другой.
Источниками загрязнения поверхности полупроводниковых пластин , кристаллов являются: абразивные, смазочные и клеящие материалы, используемые при механической обработке; пыль, водяные пары, пары масел, попадающие из атмосферы производственных помещений; технологические среды (газы, вода, химические реактивы), в которых обрабатываются полупроводники, а также инструмент, оснастки, тара для переноса и хранения, с которыми они соприкасаются ; материалы покрытий для защиты герметизации полупроводниковых приборов. Продукты дыхания, отпечатки пальцев, кремы, пудры, аэрозоли также загрязняют поверхность. Поверхностные загрязнения можно разделить на молекулярные, ионные и атомарные.
К молекулярным относятся органические (натуральные и синтетические воски, смолы, масла, жир, остатки фоторезистов, растворителей и др.) и механические (пыль, абразивные частицы, ворсинки, частицы металлов, полупроводников, кварца и других технологических материалов) загрязнения, плёнки химических соединений (оксидов, сульфидов, нитридов и др.), образующиеся при химической и термической обработке полупроводниковых пластин и их хранении, а также газы и пары.
Молекулярные загрязнения закрепляются на поверхности полупроводника статически. Исключение составляют плёнки химических соединений, имеющие прочную химическую связь с поверхностью полупроводника. Молекулярные загрязнения вызывают брак. Так при выращивании эпитаксиальных слоёв из-за микроскопических молекулярных загрязнений образуются дефекты кристаллической решётки. Остатки молекулярных загрязнений снижают качество фотолитографической обработки и вызывают быстрый износ фотошаблонов. Нерастворимые в воде органические загрязнения делают поверхность гидрофобной, что препятствует её очистки от ионных и атомарных примесей, поэтому их удаление должно быть первым этапом очистки.
К ионным загрязнениям относятся растворимые в воде соли, кислоты и основания, которые осаждаются на поверхности пластин из травильных и моющих растворов. Особое вредное воздействие оказывают ионы щелочных металлов, которые при повышении температуры или под воздействием электрического поля могут перемещаться по поверхности, что при водит к изменениям электрических характеристик полупроводниковых приборов и в некоторых случаях к выходу их из строя. Ионные загрязнения адсорбируются на поверхности , образуя с ней физическую и химическую связь.
К атомарным загрязнениям относят атомы тяжёлых металлов (золота, серебра, меди, железа), осаждающиеся на поверхность полупроводников в виде металлических микрозародыщей из химических реактивов. Атомарные загрязнения влияют на время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике, поверхностную проводимость и другие электрофизические параметры полупроводниковых материалов.
Методы очистки поверхности полупроводника.
Удаление загрязнений с поверхности твёрдого тела физическими (механическим сдиранием, смывание потоком жидкости или газа, бомбардировкой электронными или ионными пучками, обработкой в плазме, испарением при высоких температурах в вакууме) и химическими методами (растворением, эмульгированием, с помощью химических реакций) методами называют очисткой.
Чтобы выбрать метод очистки, необходимо знать, какие загрязнения имеются на поверхности и какое влияние они оказывают на работу полупроводниковых приборов, как их можно удалить, а так же методы контроля чистоты. Вид и степень загрязнения поверхности определяются технологическим операциями, предшествующими очистке, а требования к чистоте поверхности – операциями, выполненными вслед за ней. Обычно на поверхности полупроводниковых пластин имеются молекулярные, ионные и атомарные загрязнения. Как уже отмечалось при очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические загрязнения и их химически связанные с поверхностью плёнки, а затем – оставшиеся ионные и атомарные.
Поверхностные загрязнения удалят: механическим «сдиранием» щётками, кистями, газовыми пузырьками; смыванием потоком жидкости или газа; полным или частичным растворением; перевод посторонних примесей в состояние растворимых соединений с помощью химических реакций; солюбилизацией; смещением частиц примесей при адсорбировании поверхностно-активного вещества; размельчением твёрдых примесей в эмульгированием жиров; омылением масел и ирных кислот. Эффективность удаления поверхностных загрязнений повышается, если различные методы очистки применяются совместно. Особенно часто используют механическую очистку в сочетании со смыванием или растворением.
Удаление загрязнений с поверхности твёрдого тела жидкими моющими средствами и также сопутствующие этому процессы называют отмывкой. В качестве моющих средств используют растворители , поверхностно-активные вещества, щелочные и кислотные растворы, а также имульсии. Чтобы удаляемое загрязнение повторно не осаждалось на очищенную поверхность, их следует непрерывно удалять из моющего раствора, связывать в устойчивые комплексы или переводить в эмульсии.
Химическая и электролитическая отмывка полупроводников.
Операции отмывки поверхности предшествуют всем операциям технологического цикла изготовления полупроводниковых приборов и микросхем. Отмывку полупроводниковых пластин и кристаллов выполняют в растворителях, кислотах и щелочах, водой. С помощью ультразвука, в водных растворах поверхностно-активных веществ, а также электролитической и иодидной обработкой.
Отмывка в растворятелях.Отмывку в растворителях применяют для удаления с поверхности полупроводников жиров растительного и животного происхождения, а также минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических загрязнений перед всеми технологическими процессами химической и термической обработки, а также если вода не может быть использована и когда необходимо получить гидрофобную поверхность.
Растворители позволяют быстро и эффективно удалять загрязнения с поверхности полупроводника, в том числе имеющие высокую температуру плавления (например, воск, парафин), при сравнительно низких температурах и легко испаряются с поверхностей. Однако они плохо удаляют органические загрязнения , молекулы которые имеют полярные группы, так как молекулы многих органических растворителей неполярны (электронейтрально) и в них хорошо растворяются только неполярные вещества. Кроме того, после испарения растворителя, как правило, остаются нежелательные следы загрзнений. Растворители сравнительно дороги, многие из них токсичны и легко воспламеняемы, что требует применения сложного оборудования.
Растворители должны быть достаточно чистыми, так как наличие в них даже незначительных количеств загрязнений не позволяет обеспечить высокое качество отмывки. Поэтому предварительно растворители очищают перегонкой. Трихлорэтилен и фреон перегоняют в дистилляторе, являющемся частью установки обезжиривания. Некоторые растворители, например метиловый спирт, очищают с помощью ионообменных смол, а затем перегонкой.
Применяют следующие методы отмывки в растворителях: погружением , в парах, а также с помощью ультразвука и струйный.
Отмывка погружением. При этом способе используют горячие и кипящие растворители. Полупроводниковые пластины, кристаллы и различные подложки отмывают в хлорогранических растворителях. Обработку в горячем трихлорэтилене выполняют на герметической установке с паровым подогревом, имеющей три ванны из нержавеющей стали, сваренные в единый блок. Высота перегородок увеличивается от первой ванны ко 2, поэтому чистый растворитель не смешивается с загразненвмым. Чтобы обеспечить безопасные условия работы, токсичные пары растворителей удаляют с помощью бортовых отсосов.
Для повышения эффективности очистки используют эмульгирующие растворители, которые берут в чистом виде , а также в смеси с другими растворителями и поверхностно-активными веществами. Перемешивание растворителя повышает интенсивность очистки. Эмульгирующие растворители в виде концентрата растворяют в воде в соотношении 1:3 . Такие водные смеси можно использовать при комнатной температуре и в нагретом состоянии (температура смеси должна быть на 10–15 С м меньше температуры воспламенения растворителя).
Очистка в эмульсиях 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.
Очистка в парах растворителя. При этом методе обрабатываемые образцы помещают в рабочую камеру, куда из перегонного куба поступают пары кипящего растворителя. Пары растворителя конденсируются на поверхности образцов и загрязнения уносятся с нее вместе с каплями конденсата. При этом образцы непрерывно омываются свежими порциями чистого конденсата, нагреваются до температуры кипения растворителя и быстро сохнут при удалении из камеры. Таким образом, удаётся избежать загрязнения поверхности в результате испарения растворителя.