Umfassender Leitfaden zur chemischen Reinigung von Halbleitern und zu Tensiden

1. Was ist chemische Reinigung in Halbleitern?

Unter chemischer Reinigung versteht man in der Halbleiterfertigung die Entfernung schädlicher Verunreinigungen und Öle von den Oberflächen von Halbleitern, Metallen und Werkzeugen. Bei diesem Verfahren werden chemische Reagenzien und organische Lösungsmittel verwendet, um Verunreinigungen aufzulösen oder mit ihnen zu reagieren. Um eine perfekt saubere Oberfläche zu erreichen, werden oft physikalische Hilfsmittel wie Ultraschallreinigung , Erhitzen oder Staubsaugen eingesetzt.

1.1 Die Bedeutung der chemischen Reinigung

Halbleiter sind äußerst empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Schon ein Teil pro Million (ppm) einer Verunreinigung kann die physikalischen Eigenschaften eines Geräts verändern. Während wir kontrollierte Dotierung verwenden, um Funktionalität zu schaffen, kann eine unbeabsichtigte Kontamination durch Werkzeuge, Chemikalien oder Luft ein Experiment ruinieren. Um die Integrität des Siliziumwafers zu erhalten, ist eine chemische Reinigung unerlässlich.

1.2 Umfang der Reinigung

Die chemische Reinigung umfasst drei Hauptbereiche:

1. Siliziumwafer: Das Substrat selbst.

2. Metallmaterialien: Wolframdrähte, Molybdänbleche und Aluminiumlegierungen, die bei der Verdampfung verwendet werden.

3. Werkzeuge und Gefäße: Pinzetten, Quarzröhrchen, Glaswaren und Graphitformen.

2. Arten von Verunreinigungen auf Siliziumoberflächen

Molekulare Verunreinigungen (physikalische Adsorption)

Hierzu zählen natürliche oder synthetische Öle, Harze und Wachse. Sie entstehen häufig durch Schneid-/Poliermittel, Fingerabdrücke oder Fotolackrückstände.

• Mechanismus: Diese haften über Van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Anziehung.

• Herausforderung beim Reinigen: Die meisten sind wasserunlöslich und bilden eine hydrophobe Oberfläche. Dadurch wird verhindert, dass reinigende Säuren oder Basen auf die Waferoberfläche gelangen. Daher ist die Entfernung dieser mit Lösungsmitteln oder Tensiden immer der erste Schritt.

Ionische Verunreinigungen (chemische Adsorption)

Zu den üblichen Ionen gehören K+, Na+, Ga2+, Fe2+, Cl- und F-. Diese stammen aus Luft, Wasser, Chemikalien und menschlichem Schweiß.

• Mechanismus: Diese Ionen binden sich durch chemische Kräfte an die Siliziumoberfläche. Sie fungieren als „Fallen“ für Elektronen oder Löcher und beeinträchtigen die elektrische Leistung erheblich. Aufgrund der starken Bindung sind sie viel schwieriger zu entfernen als molekulare Verunreinigungen.

Atomare Verunreinigungen (Metallatome)

Schwermetalle wie Gold (Au), Silber (Ag) und Kupfer (Cu) adsorbieren häufig durch Substitutionsreaktionen in sauren Ätzmitteln auf der Oberfläche.

• Mechanismus: Diese haben die stärkste Adsorptionskraft. Da Edelmetalle wie Gold nicht mit Standardsäuren reagieren, sind Reagenzien wie Königswasser (eine Mischung aus Salpeter- und Salzsäure) erforderlich, um sie zu komplexieren und aufzulösen.

3. Standard-Reinigungssequenz

Basierend auf den Arten der Verunreinigungen folgt das Standardverfahren dieser Logik:

1. Entfetten: Verwenden Sie Tenside oder organische Lösungsmittel, um molekulare Öle zu entfernen. Dadurch wird die Oberfläche für die nächsten Schritte „entlarvt“.

2. Ionenentfernung: Verwenden Sie saure oder alkalische Lösungen (häufig mit Wasserstoffperoxid), um chemische Ionen zu entfernen.

3. Atomare Entfernung: Verwenden Sie Königswasser oder saures Peroxid, um verbleibende Metallatome aufzulösen.

4. Hochreine Spülung: Letzte Wäsche mit entionisiertem Wasser.

4. Kenntnisse zur Chemikaliensicherheit

Die Arbeit mit industriellen Reinigungsmitteln erfordert strenge Sicherheitsprotokolle.

4.1 Organische Lösungsmittel

Lösungsmittel wie Toluol, Aceton und Ethanol sind leicht entzündlich und giftig.

• Lagerung: An einem kühlen Ort, fern von Feuer aufbewahren.

• Erhitzen: Wasserbäder verwenden; Verwenden Sie niemals direkte Flammen.

• Notfall: Bei Bränden CO2- oder Schaumlöscher verwenden. Arbeiten Sie immer unter einem Abzug, um giftige Dämpfe zu vermeiden.

4.2 Säuren und Basen

Starke Säuren (Schwefelsäure, Flusssäure, Königswasser) und Basen (NaOH, KOH) sind stark ätzend.

• Schutz: Tragen Sie immer Gummihandschuhe und Masken.

• Verdünnungsregel: Gießen Sie immer Säure in Wasser , niemals Wasser in Säure, um explosive Spritzer zu vermeiden.

• Hautkontakt: Bei Spritzern sofort mit viel Wasser abspülen und einen Arzt aufsuchen.

4.3 Gassicherheit

Gasflaschen (Wasserstoff, Sauerstoff) stehen unter hohem Druck (ca. 150 kg/cm²).

• Lagerung: Flaschen vor direkter Sonneneinstrahlung und Hitze schützen.

• Verschmutzung: Stellen Sie sicher, dass Ventile und Schraubenschlüssel frei von Öl und Fett sind, um eine Selbstentzündung zu verhindern.

• Wasserstoff: Spülen Sie Systeme immer mit Inertgas, bevor Sie Wasserstoff einführen, um Explosionen zu verhindern.

4.4 Umgang mit giftigen Substanzen

• Führen Sie alle Arbeiten unter einem Abzug durch.

• Behandeln Sie alle Abfallflüssigkeiten vor der Entsorgung.

• Waschen Sie die Handschuhe vor dem Ausziehen gründlich, um Hautkontakt mit Rückständen zu vermeiden.