 |
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.
Как правило очистку производят в парах изопропилового спирта, фреона или хлорированных углеводородов. Эти растворители дают слабо рассеивающие воздушными потоками плотные пары, процесс конденсации которых происходит тем интенсивнее, чем ниже температура изделия. Обработку в парах растворителя применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления загрязнений, а также для сушки изделей после прополаскивания в водой. Плохо удаляются в парах мыла, растворимые масла и другие загрязнения содержащие воду. Недостатки метода являются значительные потери растворителя из-за испарения, поэтому следует использовать герметичные установки.
После обработки в парах растворителя на поверхности изделий могут остаться следы мелкие нерастворимые частицы загрязнений, поэтому такую очистку совмещают с обработкой в жидких растворителях. В установке жидкосно-паровой очистки большая часть загрязнений удаляется в паровой камере, а окончательная отмывка происходит в ультразвуковой ванне.
Качество очистки. На качество очистки влияют температура, состав моющей смеси, интенсивность перемешивания, продолжительность обработки и способ сушки.
При повышении температуры улучшается очищающая способность растворителей и качество очистки. Однако при слишком большой температуре некоторые загрязнения могут закрепиться на поверхности, а при удалений загрязнений, содержащих растворимые и нерастворимые омпоненты, могут быстро удаляться быстро растворимые и прочно закрепляться на поверхности нерастворимые. Чтобы одновременно удалять оба вида загрязнений, целесообразно снижать температуру моющего раствора. В процессе очистки для предотвращения брака необходимо постоянно измерять и точно поддерживать заданную температуру.
|
|
|
При очистке большого количества деталей в одной ванне происходит загрязнение моющего раствора и из-за повторного осаждения загрязнений на очищенную поверхность снижается качество обработки. Поэтому необходимо регулярно заменять загрязнённый растворитель свежим. Определяют степень загрязненности растворителя по его удельному сопротивлению или температуре кипения (при насыщении растворителя жировыми загрязнениями его температура повышается). Для улучшения качества очистки необходимо повышать интенсивность перемешивания раствора.
Увеличение времени очистки не всегда позволяет существенно повысит чистоту обрабатываемых деталей. В некоторых случаях для повышения чистоты поверхно c ти целесообразно повторить очистку.
Остатки растворимых соединений, которые оседают на поверхности при испарении жидкости, могут быть причиной образования пятен и подтёков. Эти дефекты появляются, если для прополаскивания используют недостаточно чистую жидкость или отмывку выполняют не качественно. Для удаления пятен и подтёков детали обрабатывают в более эффективных моющих растворах, обезжиривают в парах растворителя и сушат на высокоскоростных центрифугах. При такой сушке растворённые загрязнения удаляются с поверхности вместе с жидкость под действием центробежных сил прежде, чем жидкость успеет испарится. Одним из приёмов повышения качества очистки является отделение сильно сильнозагрязнённых деталей, если они составляют небольшую часть обрабатываемой партии, и очистка их отдельно по специальной технологии.
При работе с хлорорганическими растворителями нельзя допускать попадание в них воды, так как происходит гидролиз — взаимодействие растворителя с водой с образованием соляной кислоты, в присутствии которой процесс разложения хлорорганических растворителей протекает более интенсивно. Характерный запах соляной кислоты является сигналом о наличие в растворителе воды. Гидролиз резко снижает растворяющую способность хлорированных углеводородов, и на очищаемой поверхности остаётся большое количество трудноудалимых ионов хлора.
|
|
|
Отмывка в кислотах и щелочах.
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 изделей 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.
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 такова:
— 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.
Отмывка водой.
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 пенообразования. 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 из механическое удаление, пластины обрабатывают в кислотах или растворителях.
Основные недостатки гидромеханической отмывки является загрязнение кистей и щёток и, следовательно, перенос загрязнений с одной партии обрабатываемых пластин на другую. Поэтому кисти и щётки надо регулярно промывать, а это трудоёмко.
|
|
|
