Химические способы очистки поверхностей полупроводниковых пластин (стр. 2 из 5)

Для обеспечения эффективной очистки с целью получения технологически чистой поверхности пластин (подложек) необходимо знать источник и вид загрязнения, характер его поведения на поверхности, методы удаления.

3.2. Источники загрязнений.

Основными источниками загрязнений поверхности пластин и подложек являются: абразивные и клеящие материалы, кремниевая пыль при механической обработке; пыль в производственных помещениях; предметы, с которыми соприкасаются пластины и подложки (оборудование, инструмент, оснастка, технологическая тара); технологические среды; органические и неорганические реагенты, вода; одежда и открытые участки тела операторов и др.

Загрязнение пластин и подложек практически возможно на всех операциях технологического процесса изготовления кристаллов и сборки ИМС.

3.3. Виды загрязнений.

Возможные загрязнения на поверхности пластин и подложек классифицируют, как правило, по их физико-химическим свойствам, так как они определяют выбор методов удаления загрязнений. Наиболее распространенными являются загрязнения следующих видов:

· Физические загрязнения - пылинки, ворсинки, абразивные материалы, силикаты, кремниевая пыль и другие посторонние частицы, химически не связанные с поверхностью пластин и подложек.

· Загрязнения, химически связанные с поверхностью пластин и подложек - оксиды, нитриды и другие соединения.

· Органические загрязнения - неполярные жиры, масла, силиконы и другие неионные примеси.

· Растворимые в воде полярные загрязнения - соли, кислоты, остатки травителей, флюсы и пр.

· Газы, адсорбированные поверхностью пластин и подложек.

На поверхности пластин и подложек одновременно могут присутствовать загрязнения различных видов. Типичные загрязнения и их источники, встречающиеся в технологии полупроводниковых ИМС, приведены в таблице 1.

Типичные загрязнения

полупроводниковых пластин и их источники

Таблица 1.

Загрязнения	Возможные источники
Волокна (нейлон, целлюлоза и т. д.)	Одежда, ткани, бумажные изделия
Силикаты	Горные породы, песок, почва, зола, пепел
Окислы и окалина	Продукты окисления некоторых металлов
Масла и жиры	Масла от машинной обработки, отпечатки пальцев, жиры с открытых участков тела, средства для волос, мази, лосьоны
Силиконы	Аэрозоли для волос, кремы, лосьоны после бритья, лосьоны для рук, мыло
Металлы	Порошки и отходы машинной обработки и шлифовки; изготовление металлических частей; частицы из металлических банок для хранения и металлических контейнеров
Ионные примеси	Продукты дыхания, отпечатки пальцев (хлорид натрия); примеси из очищающих растворов, содержащие ионные детергенты; некоторые флюсы; примеси от предварительной химической операции, такой, как травление или металлизация
Неионные примеси	Неионные детергенты, органические материалы для обработки
Растворимые примеси	Очищающие растворители и растворы

Наиболее трудно удаляются органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а также загрязнения от абразивных материалов, полярные газы и ионы, внедренные в приповерхностный слой пластин.

4. Методы удаления загрязнений.

4.1. Классификация методов очистки пластин и подложек.

Для удаления загрязнений используют различные методы, на физических принципах которых разрабатывают процессы очистки. По механизму протекания процессов все методы очистки классифицируют на физические и химические, а по применяемым средствам - на жидкостные и сухие (рис.2).

В основу каждого способа очистки положен один из трех методов удаления загрязнений с поверхности:

· механическое удаление частиц загрязнителя потоком жидкости или газа;

· растворение в воде;

· химическая реакция.

Рис. 2.

Классификация методов очистки пластин и подложек

К физическим методам удаления загрязнений относят растворение, отжиг, обработку поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов. Эти методы используют в основном для удаления загрязнений, расположенных на поверхности. Для удаления загрязнений на поверхности и в приповерхностном слое, в том числе тех, которые находятся в химической связи с материалом пластины или подложки, используют химические методы удаления. Они основаны на переводе путем химической реакции загрязнений в новые соединения, которые затем легко удаляются (травление, обезжиривание).

* Очистка, при которой удаляется приповерхностный слой пластины или подложки, называется травлением.

Жидкостная очистка предусматривает использование водных и других растворов различных реактивов. Целый ряд органических жировых загрязнений не растворяется в воде и препятствует смачиванию водой и большинством растворов обрабатываемой поверхности (поверхность гидрофобная). Для обеспечения равномерной очистки поверхность пластин и подложек переводят в гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние.

* Процесс удаления жировых загрязнений, сопровождаемый переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием.

Сухая очистка основана на использовании отжига, газового, ионного и плазмохимического травления. Эти способы исключают применение дорогостоящих и опасных в работе жидких химических реактивов; они более управляемы и легче поддаются автоматизации. Процессы сухой очистки являются наиболее эффективными также при обработке локальных участков и рельефной поверхности.

4.2. Способы жидкостной обработки пластин и подложек.

К способам жидкостной обработки поверхности пластин и подложек относят физическое и химическое обезжиривание, химическое и электрохимическое травление, промывание в воде.

4.2.1. Обезжиривание.

Физическое обезжиривание основано на отрыве молекул жира от поверхности при ее взаимодействии с органическими растворителями. Отрыв вызывается собственными колебаниями молекул жира и притяжением их молекулами растворителя. Для этого пластины (подложки) погружают в резервуар (ванну) с растворителем. После отрыва молекулы жира равномерно распределяются по всему объему ванны, что приводит к загрязнению растворителя и обратному процессу - адсорбции молекул жира очищенной поверхностью. Во избежание последнего требуется постоянное освежение растворителя.

В качестве растворителей наиболее часто применяют четыреххлористый углерод, бензол, толуол, изопропиловый спирт, фреон и др., в которых эффективно растворяется большинство жировых загрязнений.

Определяющими параметрами процесса являются температура и время. Растворимость жиров увеличивается с повышением температуры. Поэтому обезжиривание осуществляют в горячих или кипящих растворителях.

Несмотря на высокую эффективность очистки в органических растворителях, технология такого обезжиривания связана с определенными трудностями (многократная очистка, большой расход, высокая стоимость и токсичность большинства растворителей).

Исключительными особенностями обладает фреон, который не токсичен и обеспечивает высокую эффективность очистки.

Химическое обезжиривание основано на разрушении молекул жира растворителями, не воздействующими на материал пластины (подложки). Его отличительной особенностью является отсутствие вероятности повторного загрязнения пластин.

Для химического обезжиривания кремниевых пластин наиболее часто применяют горячий (75-80°С) перекисно-аммиачный раствор (водный раствор смеси пергидроля

и щелочи ), который удаляет все жиры. Процесс обезжиривания сопровождается выделением атомарного кислорода в результате разложения пергидроля (этому способствует и наличие щелочи). Атомарный кислород окисляет как органические, так и неорганические загрязнения.

Для очистки, основанной на переводе омыляемых жиров в легко растворимые в воде мыла` (соли), применяют обработку поверхности в мыльных растворах. Этим способом удаляют растительные и животные жиры - загрязнения от остатков сложных эфиров глицерина и высокомолекулярных органических кислот. Химическое обезжиривание характеризуется низкими токсичностью и стоимостью.

4.2.2. Травление.

Процесс травления пластин и подложек состоит в растворении их поверхности при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами (щелочами, кислотами, их смесями и солями). В результате удаляются приповерхностный слой и имеющиеся на поверхности загрязнения. Различают химическое и электрохимическое травление полупроводников.

4.2.2.1. Химическое травление пластин кремния происходит на границе твердой и жидкой сред, и его можно рассматривать как гетерогенную реакцию.

Процесс травления состоит из пяти стадий: диффузии реагента к поверхности; адсорбции реагента; поверхностной химической реакции; десорбции продуктов реакции; диффузии продуктов реакции от поверхности. Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной (контролирующей) стадии. При травлении кремния контролирующими стадиями могут быть либо диффузия реагента к поверхности, либо поверхностная химическая реакция, что определяется видом травителя и энергией активации стадий процесса.