Rincian Blog

Dari Dasar-Dasar Material hingga Strategi Pembersihan Berbasis Proses

Meskipun kedua wafer silikon dan kaca memiliki tujuan yang sama yaitu “dibersihkan,” tantangan dan mode kegagalan yang mereka hadapi sangat berbeda. Perbedaan ini muncul dari:

• Sifat material intrinsik silikon dan kaca

• Persyaratan spesifikasi mereka yang berbeda

• “Filosofi” pembersihan yang sangat berbeda yang didorong oleh aplikasi akhirnya

Sebelum membandingkan proses, kita perlu bertanya: Apa sebenarnya yang kita bersihkan, dan kontaminan apa yang terlibat?

Apa yang Kita Bersihkan? Empat Kategori Utama Kontaminan

Kontaminan pada permukaan wafer dapat dibagi secara luas menjadi empat kategori:

1. Kontaminan Partikel

Contoh: debu, partikel logam, partikulat organik, partikel abrasif dari CMP, dll.

Dampak:

• Dapat menyebabkan cacat pola

• Menyebabkan hubungan pendek atau sirkuit terbuka dalam struktur semikonduktor

2. Kontaminan Organik

Contoh: residu photoresist, aditif resin, minyak kulit, residu pelarut, dll.

Dampak:

• Dapat bertindak sebagai “masker,” menghambat etsa atau implantasi ion

• Mengurangi adhesi film tipis berikutnya

3. Kontaminan Ion Logam

Contoh: Fe, Cu, Na, K, Ca, dll., yang berasal terutama dari peralatan, bahan kimia, dan kontak manusia.

Dampak:

• Dalam semikonduktor: ion logam adalah kontaminan “pembunuh”. Mereka memperkenalkan tingkat energi dalam celah pita, meningkatkan arus bocor, memperpendek umur pembawa, dan sangat menurunkan kinerja listrik.

• Pada kaca: mereka dapat merusak kualitas dan adhesi film tipis.

4. Lapisan Oksida Alami atau Permukaan yang Dimodifikasi

• Wafer silikon:
  Lapisan silikon dioksida tipis (SiO₂) (oksida alami) secara alami terbentuk di udara. Ketebalan dan keseragamannya sulit dikendalikan, dan harus dihilangkan sepenuhnya saat membuat struktur kritis seperti oksida gerbang.

• Wafer kaca:
  Kaca itu sendiri adalah jaringan silika, jadi tidak ada “lapisan oksida alami” terpisah yang perlu dihilangkan. Namun, permukaan dapat dimodifikasi atau terkontaminasi, membentuk lapisan yang masih perlu dihilangkan atau disegarkan.

I. Tujuan Inti: Kinerja Listrik vs. Kesempurnaan Fisik

Wafer Silikon

Tujuan utama pembersihan adalah untuk memastikan kinerja listrik.

Spesifikasi tipikal meliputi:

• Jumlah dan ukuran partikel yang sangat rendah (misalnya, penghilangan partikel yang efektif ≥ 0,1 μm)

• Konsentrasi ion logam yang sangat rendah (misalnya, Fe, Cu ≤ 10¹⁰ atom/cm² atau di bawahnya)

• Tingkat residu organik yang sangat rendah

Bahkan kontaminasi jejak dapat menyebabkan:

• Hubungan pendek atau sirkuit terbuka

• Peningkatan arus bocor

• Kegagalan integritas oksida gerbang

Wafer Kaca

Sebagai substrat, wafer kaca berfokus pada integritas fisik dan stabilitas kimia.

Spesifikasi utama menekankan:

• Tidak ada goresan atau noda yang tidak dapat dihilangkan

• Pelestarian kekasaran dan geometri permukaan asli

• Kebersihan visual dan permukaan yang stabil untuk proses selanjutnya (misalnya, pelapisan, deposisi film tipis)

Dengan kata lain, pembersihan silikon didorong oleh kinerja, sementara pembersihan kaca didorong oleh penampilan dan integritas—kecuali kaca didorong ke penggunaan kelas semikonduktor.

II. Sifat Material: Kristalin vs. Amorf

Silikon

• Material kristalin

• Secara alami menumbuhkan lapisan oksida alami SiO₂ yang tidak seragam

• Oksida ini dapat mengancam kinerja listrik dan seringkali harus dihilangkan secara seragam dan lengkap dalam langkah-langkah proses kritis

Kaca

• Jaringan silika amorf

• Komposisi massal mirip dengan lapisan silikon oksida pada silikon

• Sangat rentan terhadap:

  • Etsa cepat dalam HF

  • Erosi oleh alkali kuat, yang dapat meningkatkan kekasaran permukaan atau mendistorsi geometri

Konsekuensi:

• Pembersihan wafer silikon dapat mentolerir etsa terkontrol dan ringan untuk menghilangkan kontaminan dan oksida alami.

• Pembersihan wafer kaca harus jauh lebih lembut, meminimalkan serangan pada substrat itu sendiri.

III. Filosofi Proses: Bagaimana Strategi Pembersihan Berbeda

Perbandingan Tingkat Tinggi

IV. Perbandingan Larutan Pembersihan Khas

Pembersihan Wafer Silikon

Tujuan pembersihan:
Penghilangan menyeluruh dari:

• Kontaminan organik

• Partikel

• Ion logam

• Oksida alami (jika diperlukan oleh proses)

Proses tipikal: Pembersihan RCA Standar

• SPM (H₂SO₄/H₂O₂)
  Menghilangkan bahan organik berat dan residu photoresist melalui oksidasi kuat.

• SC1 (NH₄OH/H₂O₂/H₂O)
  Larutan basa yang menghilangkan partikel melalui kombinasi pengangkatan, mikro-etsa, dan efek elektrostatik.

• DHF (HF encer)
  Menghilangkan oksida alami dan kontaminan logam tertentu.

• SC2 (HCl/H₂O₂/H₂O)
  Menghilangkan ion logam melalui kompleksasi dan oksidasi.

Bahan kimia utama:

• Asam kuat (H₂SO₄, HCl)

• Oksidator kuat (H₂O₂, ozon)

• Larutan basa (NH₄OH, dll.)

Bantuan fisik dan pengeringan:

• Pembersihan megasonik untuk penghilangan partikel yang efisien dan lembut

• Pembilasan air DI kemurnian tinggi

• Pengeringan uap Marangoni / IPA untuk meminimalkan pembentukan tanda air

Pembersihan Wafer Kaca

Tujuan pembersihan:
Penghilangan selektif kontaminan sambil melindungi substrat kaca dan mempertahankan:

• Kekasaran permukaan

• Geometri dan kerataan

• Kualitas permukaan optik atau fungsional

Aliran pembersihan karakteristik:

1. Pembersih basa ringan dengan surfaktan

   • Menghilangkan bahan organik (minyak, sidik jari) dan partikel dengan emulsifikasi dan dispersi.

2. Pembersih asam atau netral (jika diperlukan)

   • Menargetkan ion logam dan kontaminan anorganik tertentu, menggunakan agen pengkelat dan asam ringan.

3. HF sangat dihindari di seluruh proses untuk mencegah kerusakan substrat.

Bahan kimia utama:

• Agen pembersih basa lemah dengan:

  • Surfaktan (misalnya, eter alkil polioksietilen)

  • Agen pengkelat logam (misalnya, HEDP)

  • Bantuan pembersihan organik

Bantuan fisik dan pengeringan:

• Pembersihan ultrasonik dan/atau megasonik

• Beberapa bilasan air murni

• Pengeringan lembut (pengangkatan lambat, pengeringan uap IPA, dll.)

V. Pembersihan Wafer Kaca dalam Praktik

Di sebagian besar pabrik pengolahan kaca saat ini, proses pembersihan dirancang di sekitar kerapuhan dan kimia kaca dan oleh karena itu sangat bergantung pada pembersih basa lemah khusus.

Karakteristik Agen Pembersih

• pH biasanya sekitar 8–9

• Berisi:

  • Surfaktan untuk mengemulsi dan melepaskan minyak dan sidik jari

  • Agen pengkelat untuk mengikat ion logam

  • Aditif organik untuk meningkatkan daya pembersihan

• Diformulasikan untuk menjadi minimal korosif ke matriks kaca

Alur Proses

1. Bersihkan dalam bak basa lemah (konsentrasi terkontrol)

2. Beroperasi dari suhu ruangan hingga ~60 °C

3. Gunakan agitasi ultrasonik untuk meningkatkan penghilangan kontaminan

4. Lakukan beberapa bilasan air murni

5. Terapkan pengeringan lembut (misalnya, pengangkatan lambat dari bak, pengeringan uap IPA)

Alur ini secara andal memenuhi kebersihan visual dan umum persyaratan kebersihan permukaan untuk aplikasi wafer kaca standar.

VI. Pembersihan Wafer Silikon dalam Pemrosesan Semikonduktor

Untuk manufaktur semikonduktor, wafer silikon biasanya menggunakan pembersihan RCA standar sebagai proses tulang punggung.

• Mampu mengatasi keempat jenis kontaminan secara sistematis

• Memberikan tingkat partikel, organik, dan ion logam yang sangat rendah yang diperlukan untuk kinerja perangkat canggih

• Kompatibel dengan integrasi ke dalam alur proses yang kompleks (pembentukan tumpukan gerbang, gerbang logam tinggi-k/metal, dll.)

VII. Ketika Kaca Harus Memenuhi Kebersihan Tingkat Semikonduktor

Saat wafer kaca beralih ke aplikasi kelas atas—misalnya:

• Sebagai substrat dalam proses semikonduktor

• Sebagai platform untuk deposisi film tipis berkualitas tinggi

—pendekatan pembersihan basa lemah tradisional mungkin tidak lagi cukup. Dalam kasus seperti itu, konsep pembersihan semikonduktor diadaptasi ke kaca, yang mengarah ke strategi tipe RCA yang dimodifikasi.

Strategi Inti: RCA yang Diencerkan dan Dioptimalkan untuk Kaca

• Penghilangan organik
  Gunakan SPM atau larutan pengoksidasi yang lebih ringan seperti air yang mengandung ozon untuk menguraikan kontaminan organik.

• Penghilangan partikel
  Gunakan SC1 yang sangat diencerkan pada suhu yang lebih rendah dan waktu perawatan yang lebih singkat, memanfaatkan:

  • Repulsi elektrostatik

  • Mikro-etsa lembut
    sambil meminimalkan serangan pada substrat kaca.

• Penghilangan ion logam
  Gunakan SC2 yang diencerkan atau formulasi HCl/HNO₃ encer yang lebih sederhana untuk mengkelat dan menghilangkan ion logam.

• Larangan ketat HF/DHF
  Langkah berbasis HF harus benar-benar dihindari untuk mencegah korosi kaca dan pengasaran permukaan.

Sepanjang proses yang dimodifikasi ini, penggunaan teknologi megasonik:

• Sangat meningkatkan penghilangan partikel skala nano

• Tetap cukup lembut untuk melindungi permukaan kaca

Kesimpulan

Proses pembersihan untuk wafer silikon dan kaca pada dasarnya adalah direkayasa balik dari persyaratan penggunaan akhirnya, sifat material, dan perilaku fisikokimia.

• Pembersihan wafer silikon mengejar “kebersihan tingkat atom” untuk mendukung kinerja listrik.

• Pembersihan wafer kaca memprioritaskan “permukaan yang sempurna, tidak rusak” dengan sifat fisik dan optik yang stabil.

Karena wafer kaca semakin dimasukkan ke dalam aplikasi semikonduktor dan pengemasan canggih, persyaratan pembersihannya pasti akan diperketat. Pembersihan kaca basa lemah tradisional akan berkembang menuju solusi yang lebih halus dan disesuaikan, seperti proses berbasis RCA yang dimodifikasi, untuk mencapai tingkat kebersihan yang lebih tinggi tanpa mengorbankan integritas substrat kaca.