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化学洗浄とは、半導体デバイスの製造工程において、半導体や金属材料、工具などの表面に吸着したさまざまな有害な不純物や油汚れを除去することを指します。
このプロセスでは、汚染物質と反応したり、汚染物質を溶解したりするために、さまざまな化学試薬や有機溶媒が使用されます。これには、不純物の脱着を達成するために、超音波処理、加熱、または真空引きなどの物理的手段が伴うことがよくあります。最後に、表面は大量の高純度の温水と冷水の脱イオン水ですすがれ、きれいな仕上がりになります。
化学洗浄は、あらゆるプロセス実験において重要なステップです。洗浄の質は実験結果に直接影響します。不適切な治療は失敗や質の悪い結果につながる可能性があります。プロセスエンジニアリングを成功させるには、化学洗浄の原理を理解することが不可欠です。
半導体は不純物に対して非常に敏感です。たとえ微量 (100 万分の 1 以下) であっても、物理的特性が大幅に変化する可能性があります。私たちはこの感度を制御されたドーピングによって利用して、さまざまな半導体デバイスを作成します。しかし、これと同じように敏感であるため、意図しない汚染が大きな障害となります。化学試薬、生産ツール、さらには洗浄水も汚染源となる可能性があります。たとえきれいな シリコンウェーハであっても 、長期間空気にさらされると不純物が付着してしまいます。化学洗浄は、これらの汚染物質を除去し、表面の完全性を維持するために存在します。
化学洗浄には主に次の 3 つの領域が含まれます。
ウェーハ表面洗浄： シリコン基板自体を洗浄します。
金属材料の洗浄: 電極用のタングステンワイヤー、パッド用のモリブデンシート、ソース用のアルミニウム合金、マスクプレート用のクロムなど、蒸着に使用される金属を洗浄します。
工具と容器の洗浄: 金属ピンセット、石英管、ガラス製品、グラファイト型、プラスチック/ゴム製品の洗浄。
通常、シリコン表面に吸着される分子状汚染物質には、天然油または合成油、樹脂、ワックスなどがあります。これらは、切断、研削、研磨などの基板準備ステップ中に導入されることがよくあります。さらに、オペレーターの指からの油、フォトレジスト、有機溶剤の残留物もこのカテゴリに分類されます。
分子吸着は物理的引力によって特徴付けられ、多くの場合、 ファンデルワールス力 または静電引力によって維持されます。オイルと樹脂は一般に無極性であるため、表面上の結合していないシリコン原子の残留力と相互作用します。これらの力は比較的弱く、距離が増加すると急速に減少します (通常、効果は 2 ～ 3 Å 以内)。これらの不純物は物理的に簡単に除去できますが、ほとんどが水に不溶です。吸着すると疎水性の表面が形成され、洗浄液（酸または塩基）がウェーハと効果的に接触できなくなり、化学洗浄プロセスが妨げられます。
一般的なイオン性不純物には、K+、Na+、Ga2+、Mg2+、Fe2+、H+、(OH)-、F-、Cl-、S2-、および(CO3)2-が含まれます。これらは、空気、工具、機器、化学試薬、低純度の脱イオン水、呼気、汗に由来します。
イオン吸着は化学吸着に該当します。これらのイオンは化学結合を通じてシリコン表面と結合します。不純物イオンと表面原子の間の距離は非常に小さいため、それらは事実上シリコン構造の一部になります。その性質に応じて、それらは電子トラップ (アクセプター) または正孔トラップ (ドナー) として機能し、電気的性能に重大な影響を与える可能性があります。化学結合の強さのため、イオン性不純物の除去は分子性不純物の除去よりもはるかに困難です。
原子状汚染物質とは主に、金、銀、銅、鉄、ニッケルなどの金属原子を指します。これらは酸性エッチング溶液を介して導入されることが多く、金属イオンが置換反応によって原子に還元され、表面に吸着されます。
原子吸着は最も強力で、除去するのが最も困難です。金やプラチナなどの重金属は標準的な酸や塩基と反応しないため、 王水などの特殊な試薬を 使用する必要があります。これらの試薬は金属原子と可溶性の錯体を形成するため、高純度の脱イオン水で洗い流すことができます。
上記の分析に基づくと、分子不純物は最も簡単に除去できますが、イオン性および原子性不純物は「マスク」される可能性があります。したがって、最初にそれらをクリアする必要があります。
一般的な洗浄順序は、
脱脂→脱イオン→脱霧化→純水すすぎです。
これは標準的なロジックですが、あらゆる実験には柔軟なアプローチが必要です。表面の状態は各テストの前に変化するため、化学物質の選択と洗浄の焦点は、特定の要件と望ましい結果に基づいて調整する必要があります。
実験に使用される金属材料や器具は主な汚染源です。ウェーハの清浄度を確保するには、金属と容器を慎重に取り扱う必要があります。一般原則は、最初にグリースを除去し、次に酸、塩基、または王水でエッチングまたは洗浄し、最後に高純度の脱イオン水でリンスすることです。
半導体の実験では、可燃性、爆発性、有毒、腐食性物質などの危険な化学物質やガスが頻繁に使用されます。事故を防ぐためには正しい取り扱いが大切です。緊急事態が発生した場合には、落ち着いて直ちに適切な措置を講じてください。
一般的な溶媒には、トルエン、アセトン、エタノール、メチルエチルケトン、トリクロロエチレン、四塩化炭素などがあります。
可燃性: ほとんどは非常に可燃性です。発火源から離れた涼しい場所に保管してください。
加熱: 電気ストーブで直接加熱しないでください。ウォーターバスを使用します。
消火: 小規模な火災の場合は、濡れた布または砂を使用してください。大きな火災の場合は、CO2 消火器または泡消火器を使用してください。水または水ベースの酸塩基消火器は使用しないでください。
毒性: これらの溶媒は揮発性で有毒です。常に 換気フード内で操作し 、強力な換気を確保してください。
一般的な試薬には、強酸 (硫酸、硝酸、塩酸、フッ化水素酸、王水) および強塩基 (水酸化ナトリウム、水酸化カリウム) が含まれます。これらは人間の組織や衣服に対して非常に腐食性があります。
酸/塩基の蒸気が発生するエリアでは高品質の換気を確保してください。
適切な保護服（ゴム手袋、マスクなど）を着用してください。
厳禁: 口を使って液体をピペットに引き入れないでください。ゴム球を使用します。
ボトルの取り扱いには、転倒や破損がないよう注意してください。開封時はボトルの口を人から遠ざけてください。
希釈ルール: 常に酸を水にゆっくりと注ぎます。決して濃酸に水を注がないでください。
濃酸または濃塩基は、中和剤を添加する前に水で希釈して中和します。
使用後は容器をよくすすいでください。化学火傷の場合は、直ちに大量の水で洗い流してください。目に入った場合は水道水で洗い流し、直ちに医師の診察を受けてください。
ガスはシリンダーまたはパイプラインを介して供給されます。混合ガスは可燃性または爆発性の可能性があります。
識別: シリンダーは識別のために色分けされ、ラベルが付けられています。
圧力: 新しいシリンダーは高圧 (約 150 kg/cm 2) です。
保管: 夏期はシリンダーを直射日光の当たらない場所に保管してください。可燃物や裸火から遠ざけてください。
分離: 反応性ガス (水素と酸素など) は、偶発的な混合を防ぐために別の部屋に保管する必要があります。
残圧: シリンダーを完全に空にしてはいけません。常に少量の残留ガスを残します。
汚染: シリンダーのバルブとレンチにグリースやオイルが付着しないようにしてください。
水素の安全性: 使用前にシステムを不活性ガスでパージし、漏れがないか確認してください。逆火防止装置を取り付ける必要があります。
有毒な試薬を使用する際の中毒を防ぐには:
すべての操作はドラフト内で実行する必要があります。残った液体は、指定された安全な場所で廃棄する必要があります。
オペレーターはマスクと手袋を着用する必要があります。皮膚への接触や摂取を避けてください。
実験後は手袋を外す前に、水でよく洗ってください。
