Определение чистоты поверхности.

После отмывки необходимо контролировать чистоту поверхности, чтобы предупредить выход брака из-за поступления недостаточно чистых изделий на последующие технологические операции.

В полупроводниковом производстве основными требованиями, предъявляемыми к методам контроля чистоты поверхности, является высокая чувствительность измерений и возможность их применения в промышленных условиях.

Различают прямые и косвенные методы определения чистоты поверхности. Прямые методы позволяют определять загрязнения непосредственно на поверхности контролируемых деталей. Среди них большое распространение получил микроскопический метод, основанный на смачиваемости, и метод разности потенциалов. Высокую чувствительность обеспечивает метод радиоактивных изотопов. Косвенные методы основаны на удалении с поверхности загрязнений растворителями или травлением загрязнённого слоя в травильных смесях и применяются главным образом в лабораторных условиях. Поэтому из косвенных методов метод измерения удельного сопротивления моющих растворов применяется на производстве.

Микроскопический метод. Наблюдение поверхности производят в светлом или темном поле микроскопа, чаще в темном. Чтобы исключить попадание в объектив микроскопа отражения от поверхности лучей, используют косое освещение. Наблюдения в темном поле позволяет выявить в виде светящихся точек твёрдые загрязнения, островки оксидных плёнок, дефекты поверхности, остатки растворителя. Степень чистоты поверхности определяется количеством светящихся точек в поле зрения микроскопа при определённом освещении. Этот метод в настоящее время общепринят для контроля чистоты поверхности полупроводниковых пластин, так как с микроскопическими твёрдыми и коллоидными загрязнениями удаляются и другие. Метод наблюдения в тёмном поле не позволяет судить о составе загрязнений и в этом его недостаток.

Методы, основанные на смачиваемости. Контроль чистоты поверхности этими методами выполняют окунанием в чистую воду, распылением её, измерением угла смачивания, а также конденсации и запотеванию.

При окунании в чистую воду поверхности полупроводников и металлов, свободная от жировых загрязнений, способна удерживать непрерывную плёнку воды. Жировые (гидрофобные) загрязнения разрывают эту плёнку. Для контроля промытую влажную деталь погружают в холодную чистую воду, так как тёплая вода может быстро испариться, а если в воде присутствуют загрязнения в виде масел, смачивающих реагентов или поверхностно-активных веществ, непрерывная плёнка может образоваться и на загрязнённой поверхности.

Затем деталь извлекают из воды и с нею в течение примерно 20 с должен стечь избыток воды. При более длительном времени стекания может произойти разрыв плёнки воды из-за испарения. Далее визуально определяют непрерывность плёнки воды и, если имеются разрывы, очистку поверхности следует повторить. Время необходимое для разрыва плёнки воды, характеризует степень загрязнения поверхности. При количестве органических загрязнений на поверхности более 10^-5 г/см² плёнка воды разрывается мгновенно, а при 3*10^-6 г/см² – примерно через 60 секунд.

Распылениемчистоту поверхности контролируют сразу после её очистки и прокаливания. Для этого на ещё влажную поверхность распылением наносят с расстояния примерно 65 см до полного её смачивания чистую холодную воду. На загрязнённых участках поверхности после распыления образуется узор из капелек, которые сохраняются в течение 15-20 минут. Продолжительность распыления определяют опытным путём. Чтобы повысить чувствительность метода, в распыляемую воду добавляют красящее вещество и контролируемые пластины после образования рисунка сушат. При этом происходит закрепления рисунка загрязнений, так как краситель остаётся только на местах загрязнений. Рисунок загрязнений сохраняют в течение нескольких дней. По чувствительности метод распыления воды с красителем в 10–20 раз превышает метод распыления чистой водой.

Измерение угла смачивания каплей воды, помещённой на поверхности, позволяет определить чистоту. При этом методе возможны три случая:

§ капля хорошо растекается, следовательно, угол смачивания очень мал и поверхность чистая, гидрофильная.

§ капля остаётся на поверхности в виде шарика, при этом угол смачивания примерно 90⁰ , что свидетельствует о загрязнении поверхности органическими (гидрофобными) веществами.

§ капля частично растекается, образуя с поверхностью некоторый промежуточный краевой угол, по которому можно судить о степени чистоты поверхности

Для измерения угла смачивания служит установка УКУС–1, с помощью которой увеличенное изображение капли воды проектируется на экран и измеряется краевой угол.

Метод конденсацииоснован на наблюдении смачиваемости поверхности детали, охлажденной до температуры ниже точки росы, конденсатом. При контроле детали кладут в чистый сухой стакан, который помещают в сосуд Дьюара с жидким азотом и охлаждают 2–5 минут. После извлечения из азота на поверхности деталей образуется слой инея, который через некоторое время начинает таять. Смачивание поверхности конденсатом наблюдают в момент образования жидкой фазы. При отсутствии гидрофобных соединений конденсат покрывает поверхность ровным слоем, а при их наличии на поверхности образуется отдельные капли конденсата.

Метод конденсации исключает дополнительное загрязнение поверхности, в чём и состоит его преимущество перед методом распыления. Чтобы поверхность не загрязнялась органическими веществами из воздуха, контроль необходимо выполнять в чистой атмосфере.

Метод запотевания состоит в том, что испытуемую поверхность обрабатывают в течение 2–3 минут струёй пара из парообразователя. При отсутствии органических загрязнений поверхность омывается сплошной плёнкой конденсата, а при наличии загрязнений поверхность покрывается капельками конденсата, образуется фигуры запотевания. Этот метод обладает высокой чувствительностью и прост в применении. После контроля полупроводниковую пластину можно использовать в производстве без дополнительной очистки. Метод запотевания удобен для определения чистоты поверхности стеклянных изделий, для которых неприменим метод конденсации, так как при охлаждении в азоте стекло может растрескаться. Этим методом невозможно контролировать чистоту поверхности материалов, у которых высокая теплопроводность, так как трудно заметить момент образования на них капель конденсата.

Все методы контроля чистоты поверхности, основанные на смачивании водой, неприменимы для контроля чистоты после отмывки в растворителях или их парах, так как поверхность, обрабатываемая в растворителях, гидрофобна и при контроле на смачиваемость дает 100% загрязняемость. Кроме того, этими методами нельзя обнаружить гидрофобные загрязнения, если имеются следы смачивающих поверхностно-активных веществ. В этом случае даже при наличии гидрофобных загрязнений на поверхности будет образовываться непрерывная плёнка воды.

Метод контактной разности потенциалов. Химическая обработка, влияя на локализованный на поверхности заряд, изменяет поверхностные потенциал. Это изменение контролируют по равному изменению контактной разности потенциалов. Измерительная установка состоит из генератора, звуковые колебания которого через электромеханическую систему приводят в колебательное движение динамический конденсатор, одной обкладкой которого является контролируемая пластина, а другой — эталонный электрод. В результате на конденсаторе возникает переменной напряжение, амплитуда, которого пропорциональна разности потенциалов между его обкладками, а значит зависит от состояния поверхности контролируемой поверхности.

Метод радиоактивных изотопов (меченых атомов). Этот метод основан на обнаружении загрязнений, содержащих радиоактивные изотопы, и применяется для оценки эффективности процессов отмывки. Радиоактивные загрязнения специально наносят на отдельные участки или на всю поверхность на отдельные участки или на всю поверхность, и после промывки по выбранной технологии их остатки определяют с помощью счётчика Гейгера. Метод обладает очень высокой чувствительностью (в 1000 раз больше, чем методы основанные на смачивании) и применяются главным образом в лабораторных условиях, так как в производственных условиях трудно обеспечить необходимые меры защиты от радиоактивного излучения.

Метод измерения удельного сопротивления моющих растворов. Этот метод позволяет определить содержание ионных загрязнений в промывочной воде и различных растворителях. В производственных условиях метод измерения удельного сопротивления моющего раствора применяют для контроля длительности процесса отмывки: отмывку ведут до тех пор, пока не будут равны удельные сопротивления раствора на входе в промывочную ванную и на выходе из неё.

Этот метод не позволяет обнаружить нерастворимые или слабо диссоциирующие загрязнения, даёт заниженные результаты, так как некоторые загрязнения лишь частично удаляются с поверхности в процессе отмывки, и не позволяют оценить распределение загрязнений по поверхности, так как даёт информацию лишь об общем количестве растворимых ионных загрязнений.

Сушка деталей.