פרוסות סיליקון לעומת פרוסות זכוכית: מה אנחנו בעצם מנקים? ממהות חומרית לפתרונות ניקוי מבוססי תהליך

למרות שגם פרוסות סיליקון וגם פרוסות זכוכית חולקות את המטרה המשותפת של "ניקוי", האתגרים ומצבי הכשל העומדים בפניהם במהלך הניקוי שונים בתכלית. פער זה נובע מתכונות החומר הטבועות ודרישות המפרט של סיליקון וזכוכית, כמו גם מ"פילוסופיה" ייחודית של ניקוי המונעת על ידי היישומים הסופיים שלהם.

ראשית, בואו נבהיר: מה בדיוק אנחנו מנקים? אילו מזהמים מעורבים?

ניתן לסווג מזהמים לארבע קטגוריות:

1. מזהמי חלקיקים

   • אבק, חלקיקי מתכת, חלקיקים אורגניים, חלקיקים שוחקים (מתהליך CMP) וכו'.

   • מזהמים אלה עלולים לגרום לפגמים בתבנית, כגון קצרים או מעגלים פתוחים.

2. מזהמים אורגניים

   • כולל שאריות פוטורזיסט, תוספי שרף, שמני עור אנושיים, שאריות ממס וכו'.

   • מזהמים אורגניים יכולים ליצור מסכות אשר מעכבות איכול או השתלת יונים ומפחיתות את ההידבקות של שכבות דקות אחרות.

3. מזהמי יוני מתכת

   • ברזל, נחושת, נתרן, אשלגן, סידן וכו', שמקורם בעיקר בציוד, כימיקלים ומגע עם בני אדם.

   • במוליכים למחצה, יוני מתכת הם מזהמים "קטלניים", המכניסים רמות אנרגיה בפס האסור, אשר מגבירות את זרם הדליפה, מקצרות את חיי הגליל ופוגעות קשות בתכונות החשמליות. בזכוכית, הם עלולים להשפיע על האיכות וההידבקות של שכבות דקות עוקבות.

4. שכבת תחמוצת טבעית

   • עבור פרוסות סיליקון: שכבה דקה של סיליקון דו-חמצני (Native Oxide) נוצרת באופן טבעי על פני השטח באוויר. קשה לשלוט בעובי ובאחידות של שכבת תחמוצת זו, ויש להסירה לחלוטין במהלך ייצור מבנים מרכזיים כגון תחמוצות שער.

   • עבור פרוסות זכוכית: הזכוכית עצמה היא מבנה רשת סיליקה, כך שאין בעיה של "הסרת שכבת תחמוצת טבעית". עם זאת, ייתכן שהמשטח השתנה עקב זיהום, ויש להסיר שכבה זו.

א. מטרות ליבה: הפער בין ביצועים חשמליים לשלמות פיזית

• פרוסות סיליקון

  • המטרה העיקרית של הניקוי היא להבטיח ביצועים חשמליים. מפרטים כוללים בדרך כלל ספירה וגודל חלקיקים קפדניים (למשל, חלקיקים בגודל ≥0.1 מיקרומטר חייבים להיות מוסרים ביעילות), ריכוזי יוני מתכת (למשל, Fe, Cu חייבים להיות נשלטים ל-≤10¹⁰ אטומים/סמ"ר או פחות), ורמות שאריות אורגניות. אפילו זיהום מיקרוסקופי יכול להוביל לקצרים חשמליים, זרמי דליפה או כשל שלמות תחמוצת השער.

• ופלים מזכוכית

  • כמצעים, הדרישות המרכזיות הן שלמות פיזיקלית ויציבות כימית. המפרטים מתמקדים בהיבטים ברמה המאקרו כגון היעדר שריטות, כתמים בלתי ניתנים להסרה ושמירה על חספוס וגיאומטריה של פני השטח המקוריים. מטרת הניקוי היא בעיקר להבטיח ניקיון ויזואלי והידבקות טובה לתהליכים עוקבים כגון ציפוי.

II. טבע חומרי: ההבדל הבסיסי בין גבישי לאמורפי

• סִילִיקוֹן

  • סיליקון הוא חומר גבישי, ועל פני השטח שלו נוצרת באופן טבעי שכבת תחמוצת סיליקון דיאוקסיד (SiO₂) לא אחידה. שכבת תחמוצת זו מהווה סיכון לביצועים החשמליים ויש להסירה ביסודיות ובצורה אחידה.

• זְכוּכִית

  • זכוכית היא רשת סיליקה אמורפית. חומר התפזורת שלה דומה בהרכבו לשכבת תחמוצת הסיליקון של סיליקון, מה שאומר שניתן לחרוט אותה במהירות על ידי חומצה הידרופלואורית (HF) והיא גם רגישה לשחיקה אלקלית חזקה, מה שמוביל לעלייה בחספוס פני השטח או דפורמציה. הבדל מהותי זה מכתיב שניקוי פרוסות סיליקון יכול לסבול חריטה קלה ומבוקר להסרת מזהמים, בעוד שניקוי פרוסות זכוכית חייב להתבצע בזהירות רבה כדי למנוע נזק לחומר הבסיס.

ג. השוואה בין תמיסות ניקוי

בהתבסס על המטרות ומאפייני החומר שהוזכרו לעיל, פתרונות הניקוי עבור פרוסות סיליקון וזכוכית נבדלים זה מזה:

• תהליך ניקוי פרוסות זכוכית

  • כיום, רוב מפעלי עיבוד הזכוכית משתמשים בהליכי ניקוי המבוססים על מאפייני החומר של הזכוכית, תוך הסתמכות בעיקר על חומרי ניקוי אלקליים חלשים.

  • מאפייני חומר ניקוי:חומרי ניקוי ייעודיים אלה הם בדרך כלל בסיסיים חלשים, עם pH סביב 8-9. הם מכילים בדרך כלל חומרים פעילי שטח (למשל, אלקיל פוליאוקסיאתילן אתר), חומרי קלאציה של מתכת (למשל, HEDP), ועזרי ניקוי אורגניים, שנועדו לתחליב ולפרק מזהמים אורגניים כגון שמנים וטביעות אצבעות, תוך שהם קורוזיביים מינימלית למטריצת הזכוכית.

  • זרימת תהליך:תהליך הניקוי הטיפוסי כרוך בשימוש בריכוז ספציפי של חומרי ניקוי אלקליים חלשים בטמפרטורות הנעות בין טמפרטורת החדר ל-60 מעלות צלזיוס, בשילוב עם ניקוי באולטרסאונד. לאחר הניקוי, הוופלים עוברים מספר שלבי שטיפה במים טהורים וייבוש עדין (למשל, הרמה איטית או ייבוש באדים של IPA). תהליך זה עונה ביעילות על דרישות הוופלים הזכוכיתיים לניקיון חזותי וניקיון כללי.

• תהליך ניקוי פרוסות סיליקון

  • עבור עיבוד מוליכים למחצה, פרוסות סיליקון עוברות בדרך כלל ניקוי RCA סטנדרטי, שהיא שיטת ניקוי יעילה ביותר המסוגלת לטפל באופן שיטתי בכל סוגי המזהמים, תוך הבטחת עמידה בדרישות הביצועים החשמליים עבור התקני מוליכים למחצה.

IV. כאשר זכוכית עומדת בתקני "ניקיון" גבוהים יותר

כאשר פרוסות זכוכית משמשות ביישומים הדורשים ספירת חלקיקים ורמות יוני מתכת מחמירות (למשל, כמצעים בתהליכי מוליכים למחצה או למשטחי שכבה דקה מעולים), תהליך הניקוי הפנימי עלול לא להספיק עוד. במקרה זה, ניתן ליישם עקרונות ניקוי מוליכים למחצה, תוך הכנסת אסטרטגיית ניקוי RCA שונה.

ליבת האסטרטגיה הזו היא לדלל ולמטב את פרמטרי תהליך ה-RCA הסטנדרטיים כדי להתאים לאופי הרגיש של הזכוכית:

• הסרת מזהמים אורגניים:ניתן להשתמש בתמיסות SPM או במי אוזון עדינים יותר לפירוק מזהמים אורגניים באמצעות חמצון חזק.

• הסרת חלקיקים:תמיסת SC1 מדוללת מאוד משמשת בטמפרטורות נמוכות יותר ובזמני טיפול קצרים יותר כדי לנצל את אפקט הדחייה האלקטרוסטטית ואת אפקטי המיקרו-איכול שלה להסרת חלקיקים, תוך מזעור קורוזיה על הזכוכית.

• הסרת יוני מתכת:תמיסת SC2 מדוללת או תמיסות פשוטות של חומצה הידרוכלורית מדוללת/חומצה חנקתית מדוללת משמשות להסרת מזהמי מתכת באמצעות קלאציה.

• איסורים חמורים:יש להימנע לחלוטין מ-DHF (די-אמוניום פלואוריד) כדי למנוע קורוזיה של מצע הזכוכית.

בתהליך כולו שעבר שינוי, שילוב של טכנולוגיית מגה-קולית משפר משמעותית את יעילות הסרת החלקיקים בגודל ננומטרי ועדין יותר על פני השטח.

מַסְקָנָה

תהליכי הניקוי של פרוסות סיליקון וזכוכית הם תוצאה בלתי נמנעת של הנדסה הפוכה המבוססת על דרישות היישום הסופיות שלהם, תכונות החומר והמאפיינים הפיזיקליים והכימיים. ניקוי פרוסות סיליקון שואף ל"ניקיון ברמה אטומית" עבור ביצועים חשמליים, בעוד שניקוי פרוסות זכוכית מתמקד בהשגת משטחים פיזיים "מושלמים ולא פגומים". ככל שפרוסות זכוכית נמצאות בשימוש גובר ביישומי מוליכים למחצה, תהליכי הניקוי שלהן יתפתחו בהכרח מעבר לניקוי בסיסי חלש מסורתי, ויפתחו פתרונות מעודנים ומותאמים אישית יותר כמו תהליך RCA שעבר שינוי כדי לעמוד בתקני ניקיון גבוהים יותר.