Plaquettes de silicium vs plaquettes de verre : que nettoyons-nous réellement ? De l’essence du matériau aux solutions de nettoyage basées sur les procédés

Bien que les plaquettes de silicium et de verre aient pour objectif commun d'être nettoyées, les difficultés et les modes de défaillance rencontrés lors de ce nettoyage diffèrent considérablement. Cette différence s'explique par les propriétés intrinsèques et les spécifications propres au silicium et au verre, ainsi que par la philosophie de nettoyage distincte qui incombe à leurs applications finales.

Tout d'abord, clarifions les choses : que nettoyons-nous exactement ? Quels sont les contaminants impliqués ?

Les contaminants peuvent être classés en quatre catégories :

1. Contaminants particulaires

   • Poussière, particules métalliques, particules organiques, particules abrasives (issues du procédé CMP), etc.

   • Ces contaminants peuvent provoquer des défauts de circuit, tels que des courts-circuits ou des circuits ouverts.

2. Contaminants organiques

   • Contient des résidus de photorésine, des additifs de résine, des huiles de peau humaine, des résidus de solvants, etc.

   • Les contaminants organiques peuvent former des masques qui entravent la gravure ou l'implantation ionique et réduisent l'adhérence d'autres films minces.

3. Contaminants d'ions métalliques

   • Fer, cuivre, sodium, potassium, calcium, etc., qui proviennent principalement des équipements, des produits chimiques et du contact humain.

   • Dans les semi-conducteurs, les ions métalliques sont des contaminants « toxiques », car ils introduisent des niveaux d'énergie dans la bande interdite, ce qui augmente le courant de fuite, réduit la durée de vie des porteurs de charge et détériore fortement les propriétés électriques. Dans le verre, ils peuvent affecter la qualité et l'adhérence des couches minces déposées ultérieurement.

4. Couche d'oxyde native

   • Pour les plaquettes de silicium : une fine couche de dioxyde de silicium (oxyde natif) se forme naturellement à leur surface à l’air libre. L’épaisseur et l’uniformité de cette couche d’oxyde sont difficiles à contrôler, et elle doit être complètement éliminée lors de la fabrication de structures clés telles que les oxydes de grille.

   • Pour les plaquettes de verre : le verre lui-même est constitué d’une structure en réseau de silice, il n’y a donc pas de problème de « retrait d’une couche d’oxyde native ». Cependant, la surface peut avoir été modifiée par contamination, et cette couche doit être éliminée.

I. Objectifs principaux : La divergence entre performance électrique et perfection physique

• Plaquettes de silicium

  • L'objectif principal du nettoyage est de garantir les performances électriques. Les spécifications comprennent généralement des contrôles stricts sur le nombre et la taille des particules (par exemple, les particules ≥ 0,1 µm doivent être éliminées efficacement), les concentrations d'ions métalliques (par exemple, Fe et Cu doivent être maintenues à ≤ 10¹⁰ atomes/cm² ou moins) et les niveaux de résidus organiques. Même une contamination microscopique peut entraîner des courts-circuits, des courants de fuite ou une altération de l'oxyde de grille.

• Plaquettes de verre

  • Les substrats doivent présenter une perfection physique et une stabilité chimique optimales. Le cahier des charges porte sur des aspects macroscopiques tels que l'absence de rayures et de taches indélébiles, ainsi que la préservation de la rugosité et de la géométrie de surface d'origine. Le nettoyage vise principalement à garantir une propreté visuelle et une bonne adhérence pour les étapes ultérieures, comme le revêtement.

II. Nature du matériau : La différence fondamentale entre les matériaux cristallins et amorphes

• Silicium

  • Le silicium est un matériau cristallin dont la surface se recouvre naturellement d'une couche d'oxyde de dioxyde de silicium (SiO₂) non uniforme. Cette couche d'oxyde présente un risque pour les performances électriques et doit être éliminée de manière complète et uniforme.

• Verre

  • Le verre est un réseau de silice amorphe. Sa composition est similaire à celle de la couche d'oxyde de silicium du silicium, ce qui signifie qu'il peut être rapidement attaqué par l'acide fluorhydrique (HF) et qu'il est également sensible à l'érosion par les alcalis forts, entraînant une augmentation de la rugosité ou une déformation de la surface. Cette différence fondamentale explique pourquoi le nettoyage des plaquettes de silicium peut tolérer une attaque chimique légère et contrôlée pour éliminer les contaminants, tandis que le nettoyage des plaquettes de verre doit être effectué avec une extrême précaution afin d'éviter d'endommager le matériau de base.

III. Comparaison des solutions de nettoyage

En fonction des objectifs et des caractéristiques des matériaux mentionnés précédemment, les solutions de nettoyage pour les plaquettes de silicium et de verre diffèrent :

• Procédé de nettoyage des plaquettes de verre

  • Actuellement, la plupart des usines de traitement du verre utilisent des procédures de nettoyage basées sur les caractéristiques du matériau, reposant principalement sur des agents de nettoyage alcalins faibles.

  • Caractéristiques du produit nettoyant :Ces agents de nettoyage spécialisés sont généralement faiblement alcalins, avec un pH d'environ 8 à 9. Ils contiennent habituellement des tensioactifs (par exemple, l'éther alkyl polyoxyéthylène), des agents chélateurs de métaux (par exemple, l'HEDP) et des adjuvants de nettoyage organiques, conçus pour émulsionner et décomposer les contaminants organiques tels que les huiles et les empreintes digitales, tout en étant minimalement corrosifs pour la matrice de verre.

  • Flux de processus :Le procédé de nettoyage classique consiste à utiliser une concentration spécifique d'agents de nettoyage alcalins faibles à des températures allant de la température ambiante à 60 °C, combinée à un nettoyage par ultrasons. Après nettoyage, les plaquettes subissent plusieurs rinçages à l'eau pure et un séchage délicat (par exemple, par décollement lent ou séchage aux vapeurs d'alcool isopropylique). Ce procédé répond efficacement aux exigences de propreté visuelle et générale des plaquettes de verre.

• Procédé de nettoyage des plaquettes de silicium

  • Pour le traitement des semi-conducteurs, les plaquettes de silicium subissent généralement un nettoyage RCA standard, une méthode de nettoyage très efficace capable de traiter systématiquement tous les types de contaminants, garantissant ainsi que les exigences de performance électrique des dispositifs semi-conducteurs sont satisfaites.

IV. Quand le verre répond à des normes de « propreté » plus élevées

Lorsque des plaquettes de verre sont utilisées dans des applications exigeant des contrôles stricts du nombre de particules et des concentrations d'ions métalliques (par exemple, comme substrats dans les procédés de fabrication de semi-conducteurs ou pour des surfaces de dépôt de couches minces de haute qualité), le procédé de nettoyage intrinsèque peut s'avérer insuffisant. Dans ce cas, les principes de nettoyage des semi-conducteurs peuvent être appliqués, en introduisant une stratégie de nettoyage RCA modifiée.

L'essence de cette stratégie consiste à diluer et à optimiser les paramètres du procédé RCA standard afin de tenir compte de la nature sensible du verre :

• Élimination des contaminants organiques :Des solutions de particules superparamagnétiques (SPM) ou de l'eau ozonée plus douce peuvent être utilisées pour décomposer les contaminants organiques par une forte oxydation.

• Élimination des particules :Une solution SC1 hautement diluée est utilisée à des températures plus basses et des temps de traitement plus courts pour exploiter ses effets de répulsion électrostatique et de micro-gravure afin d'éliminer les particules, tout en minimisant la corrosion sur le verre.

• Élimination des ions métalliques :Une solution SC2 diluée ou de simples solutions diluées d'acide chlorhydrique/acide nitrique dilué sont utilisées pour éliminer les contaminants métalliques par chélation.

• Interdictions strictes :Le DHF (fluorure de diammonium) doit être absolument évité pour prévenir la corrosion du substrat en verre.

Dans l'ensemble du processus modifié, la combinaison de la technologie mégasonique améliore considérablement l'efficacité d'élimination des particules nanométriques et est plus douce pour la surface.

Conclusion

Les procédés de nettoyage des plaquettes de silicium et de verre résultent inévitablement d'une ingénierie inverse basée sur les exigences de leur application finale, les propriétés des matériaux et leurs caractéristiques physico-chimiques. Le nettoyage des plaquettes de silicium vise une propreté atomique pour optimiser leurs performances électriques, tandis que celui des plaquettes de verre se concentre sur l'obtention de surfaces physiques parfaites et intactes. L'utilisation croissante des plaquettes de verre dans les semi-conducteurs implique une évolution inévitable de leurs procédés de nettoyage, qui dépasseront le nettoyage alcalin doux traditionnel pour développer des solutions plus précises et personnalisées, telles que le procédé RCA modifié, afin de répondre à des normes de propreté plus exigeantes.