Kiedy myslimy sobie np. o nowoczesnych laboratoriach, w ktorych zli naukowcy pracuja w pocie czola nad wypuszczeniem kolejnego smiercionosnego wirusa, mamy przed oczami dziwnych ludzi ubranych od stop do glow w stroj kosmonauty.

Tam stroj ten sluzy ochronie przed patogenami, albo substancjami chemicznymi, ktore moga zrobic kuku. W fabrykach polprzewodnikow jest dokladnie na odwrot. Chcemy uchronic nasz powstajacy uklad scalony przed zanieczyszczeniami, pochodzacymi od czlowieka.

Wlosy, martwy naskorek, kropelki sliny i reszta rzeczy generowanych przez naga malpe stanowi smiertelne zagrozenie dla takiego ukladu scalonego. Sam stroj kosmonauty na niewiele sie zda. Jeszcze trzeba odpowiednio zbudowac caly cleanroom - miejsce, gdzie odbywa sie processing.

W cleanroomie mamy ciagly obieg powietrza (laminarny), ktory powoduje ze wszystkie pylki trafiaja do filtrow. Podloga i inne powierzchnie sa perforowane, zeby umozliwic taki obieg. Mozna wnosic zeszyty tylko ze specjalnego, niepylacego papieru. Takich detali jest bardzo duzo.

A to wszystko po to, zeby zapewnic czystosc na poziomie 10 pylkow o srednicy 100 nm w metrze szesciennym. Widzimy, ze zapewnienie czystosci w laboratorium jest absolutnie kluczowe z punktu widzenia technologii wytwarzania ukladow scalonych.

Wiec, jak takie podloza krzemowe trafiaja do foundry od zewnetrznego producenta trzeba je jakosc najpierw wyczyscic. Jest na nich pelno zanieczyszczen. I organicznych i nieorganicznych. Drobne wtracenie historyczne. Pierwsze tranzystory nie byly krzemowe, lecz germanowe.

Oba pierwiastki sa do siebie podobne, oba leza w 14 grupie ukladu okresowego. Dlaczego wiec w pewnym momencie dokonano przejscia na krzem. Przyczyn jest sporo. Na czele z faktem, ze krzem duzo czesciej wystepuje w przyrodzie, wiec jest tanszy. Ale zwrocmy uwage na cos innego.

Obecna forme zycia na planecie Ziemia zawdzieczamy obecnosci tlenu w atmosferze. Dla nas to spoko, bo mozemy sobie oddychac i dzieki temu wypelniac egzystencjalna pustke piszac posty o polprzewodnikach. Ale patrzac na tlen nie z ludzkocentrycznej perspektywy mozna dostrzec, mozna

dostrzec pewne minusy tego pierwiastka. Taki na przyklad wodor, czy azot nie reaguja az tak chetnie jak tlen. Tlen chce reagowac doslownie z wszystkim, wszystko utlenic. Z krzemem jest podobnie. Natychmiast po umieszczeniu naszego wafla w atmosferze, na jego powierzchni zaczyna

formowac sie cienka warstwa SiO2. Po polskiemu mowimy na to tlenek natywny. Ma on grubosci okolo 1.5 nm i zabezpiecza krzem przed dalsza oksydacja (tak jak aluminium). No i w odroznieniu od germanu, tlenek krzemu jest "dobrej jakosci".

W przypadku germanu na interfejsie Ge/GeO2 powstaje duzo stanow pulpakowych. Koniec wtracenia

Teraz opiszmy sobie taki dosc standardowy proces czyszczenia. Zaznaczmy ze powierzchnie wafla krzemowego czysci sie bardzo duzy razy w trakcie procesu wytwarzania ukladu scalonego. Przed osadzaniem warstw, dyfuzja, itp. Nie tylko po wyjeciu wafla z "opakowania".

Proces nazywa sie RCA clean. Stworzony w 1965 roku przez Wernera Kerna, ktory pracowal dla firmy RCA (Radio Corporation America). Sklada sie z 3 etapow SC (Standard Clean). Czesto przed RCA uzywa sie roztworu Piranha (H2SO4 + H2O2), w celu pozbycia sie zanieczyszczen organicznych

Kwas siarkowy "wyrywa" ze zwiazkow organicznych wode, zostawiajac sam wegiel, ktory pozniej reaguje z nadtlenkiem wodoru tworzac CO2, ktore ulatnia sie z mikstury. Taki samoczyszczacy proces. Polecam zobaczyc sobie na yt taka Piranhe w akcji.

Po tym wafel zanurzany jest w wodzie dejonizowanej, zeby przerwac reakcje, a nastepnie wafle umieszczane sa w wirowce, w celu wysuszenia. Kolejno nastepuje oxide strip, czyli usuniecie naturalnego tlenku krzemu, ktory powstaje na powierzchni wafla.

Tutaj sprawa jest prosta, bo uzywamy rozcienczonego (2%) kwasu fluorowodorwego. Zachodzi reakcja SiO2 + 6*HF -> H2SiF6 + 2*H2O. H2SiF6 rozpuszcza sie w wodzie. Tak odbywa sie proces chemicznego trawienia dwutlenku krzemu. Normalnie goly krzem, bez warstwy SiO2 jest

bardzo reaktywny, poniewaz na jego powierzchni znajduja sie "niezapelnione wiazania chemiczne". Po angielsku mowi sie na nie dangling bonds. Dzieki trawieniu w HF, do DB przylaczany jest F, a nastepnie wodor, ktory pasywuje powierzch. krzemu, nie pozwalajac na szybki wzrost SiO2.

Znowu woda dejonizowana i suszenie. Mysle, ze powoli zaczynacie zdawac sobie sprawe jak duzo wody zuzywane jest w procesie produkcji takiego czipa. I jak duzym problemem sa np. susze na Tajwanie.

SC-1 Roztwor wody dejonizowanej, amoniaku (NH3) i perhydrolu (H2O2) w stosunku 5:1:1. Ma to za zadanie pozbycie sie resztek zanieczyszen organicznych oraz particli, czyli malych drobinek przylegajacych do powierzchni wafla, dzieki silom Van der Waalsa.

Mechanizm usuwania tych particli jest w ogole fascynujacy. Tym bardziej, ze sie na tym nie znam. Ale fajna fizyka tam wchodzi. Na poczatku amoniak reaguje z woda tworzac wodorotlenek amonu (NH3+H20->NH4OH). On lekko podrtawia krzem uwalniajac particla.

Nastepnie jest on odpychany od powierzchni wafla dzieki sile elektrostatycznej (polecam zglebienie tematu electrical double layer). Na koncu taki particle dyfunduje sobie do glebi roztworu. Oczywiscie trzeba jeszcze zapobiec ponownej adhezji particla do powierzchni.

Ja na ten temat nie mam pojecia, ale ludzie jakos sobie z tym radza. Sa cale konferencje i grupy badawcze zajmujace sie konkretnie zagadnieniem czyszczenia. Czesto uzywa sie tez myjek ultradzwiekowych, zeby zapobiec temu procesowi.

Obecnosc perhydrolu sprawia, ze w miedzyczasie na krzemie znowu powsaje warstwa SiO2, wiec znowu HF, znowu woda i znowu suszenie. Czas na SC-2, czyli mieszanine wody dejonizowanej, chlorowodoru i nadtlenku wodoru (H20 + HCl + H2O2, 6:1:1).

Tutaj glownie chodzi o to, zeby pozbyc sie jonow metali, takich jak miedz, zelazo, czy glin. Podobno chlor na to wplywa, ale sam nie wiem jak. Ta, da! Tak wyglada czyszczenie wafli krzemowych. Teraz sa czysciutkie i pachnace. W przyszlym odcinku zajmiemy sie kopaniem dolow.

Warto tez dostac, ze badaniem nad wplywem procesow czyszczenia na jakosc powierzchni krzemowej zajmowal sie prof. Jerzy Ruzyllo. Wykladowca na Penn State I osoba, ktorej w sumie zawdzieczam moje zainteresowanie technologia krzemowa.