水漬!不僅是日常小麻煩,更是半導體製程的大敵人

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水是清潔中最重要的元素,它能溶解髒汙、帶走顆粒。自己洗車過的人都知道,殘留的水份若不盡快擦乾,反而使車子看起來更髒?其實是因為水裡頭的礦物質沉積在車身表面。在半導體製備的清潔過程中,水一樣扮演著重要的角色、更高的要求,水中的礦物質對於奈米級的材料,簡直是龐然大物,需透過多道手續除去水中的礦物質,並以氮氣迅速吹走殘留的水,才能確保最終的電子元件效能不受影響。

撰文|黃鼎鈞

 
圖1:洗車後必須盡快擦除殘留的水,避免礦物質沉澱形成水漬|來源:Motionelements

談到任何的清潔工作,不可或缺的就是「水」。水具有中性的酸鹼值(pH值)不會傷害人的肌膚,也不會傷害被清潔的物體表面。水亦是良好的溶劑,可以溶解大部分的汙垢和顆粒,帶走物體表面的雜質,不僅如此,它也容易與其他化學物質組合成清潔劑,例如:漂白劑就是次氯酸鹽和水的混合,水若是與碳酸鈉混合就可用來清除油漬。

但是水也可能使整個清潔工作功虧一簣。有洗車經驗的人是否都有這個經驗,最後用水沖掉所有泡沫後,一定要馬上將車身所有的水擦拭乾淨,否則車子上將會殘留一片片的白斑,也就是「水漬」,結果車子變得比沒洗還更髒。水漬的形成與水中含有的礦物質有關,若加上有些許的泡沫殘留,或太陽透過水滴聚焦,都會聚集礦物質且水滴迅速蒸發,不趕快將水擦掉好讓礦物質跟著水離開車身的話,不只會在車身表面形成白斑,還會侵蝕車身烤漆。換句話來說,用水做完清潔工作後,擦乾水的速度必須比礦物質沉積的速度快,才不會讓礦物質沉積下來。

當半導體工業不斷追求元件的製程良率時,晶圓的清潔也不能馬虎,在奈米的世界中,礦物的沉積對於原子來說是進擊的巨人,造成材料破損,也可能與材料本身產生預期外的化學反應,都將對元件效能產生極大的影響。相較於洗車,清洗晶圓勢必對水的品質有更高要求。

 

去離子水用在哪裡?可以喝嗎?

在半導體製程中,不能用平常生活中的自來水,因當中含有太多的礦物質,而是「去離子水(Deionization Water, DI water)」。礦物質在水中會以「離子」的狀態呈現。如水中常見的碳酸鈣(CaCO3)在水中以 Ca2+及CO32-- 的離子狀態呈現,透過「去離子」的過程能將水中的礦物除掉。去離子水的製作主要可以分為以下幾個步驟。

首先是「過濾」,將水中的大型顆粒去除,第二步則是透過一種合成的聚合物——樹脂床,進行離子交換,當水通過樹脂床時,水中礦物的正、負離子會與樹脂中的正離子H+ 及負離子OH- 進行交換,以碳酸鈣(CaCO3)為例,Ca2+ 及CO32- 會被吸附在樹脂中,H+ 及OH- 會被置換而形成水(H2O),這是除去礦物質的關鍵步驟。

圖2:科學家用去離子水清潔晶圓示意圖|來源:Wikimedia Commons

接著還會「脫氣」除掉溶解在水中的氣體,特別是氧氣(O2)及二氧化碳(CO2),這些氣體極可能與製備的材料產生反應。這個過程主要讓水通過一個真空或低壓的環境,使得氣體逃離液體,這概念就像打開瓶裝可樂時,大氣壓力相對於可樂瓶內是低壓,會有許多的氣體冒出來。最後,會再次進行顆粒及雜質過濾,並以紫外線或高溫除滅水中的生物性雜質(如:細菌)。因此,去離子水被廣泛應用在科學材料實驗及半導體工業之中。

順帶一提,去離子水一般是不建議飲用的,雖然毫無雜誌近乎純淨,不過,裡頭幾乎不含礦物成分,反而可能造成人體「脫水」或「電解質失衡」的狀況。由於去離子水的製備需較高的成本,較少被應用在日常,生活中最接近去離子水狀態的則是RO逆滲透水(Reverse Osmosis),以逆滲透的方式,透過孔徑10埃至100埃的濾網,將大部分的離子(約95%)過濾掉,除去離子的方式不盡相同,而且去離子水是幾乎除去100 %的離子。

 

沒有最乾淨、還有更乾淨

雖已盡可能地將水中的礦物質除去,在材料製程中,仍需盡快地將水份移除,避免清潔過程遺留的雜質沉積在材料內。洗車的時候可以用抹布吸水,不過,這對於奈米級的材料來說,簡直是磨砂紙擦嫩皮,會使材料損傷嚴重,甚至連材料本身都被擦除。

圖3:乾燥器示意圖。透過機械幫補連結,可以將乾燥器裡的空氣抽出,使裡頭成為真空狀態|來源:Wikimedia Commons

在半導體製程中,通常會使用高壓氮氣槍將遺留的水滴清除,氮氣屬於非活性氣體,空氣中有78%是氮氣,價格低廉且容易取得。另一種常見的方式則是將材料樣品放入乾燥器中(desiccator),透過機械幫補將空氣抽出,乾燥器中呈現真空狀態,使材料殘留的水份快速的蒸發。

水漬,說到底就是清潔後必須盡快「擦乾」的原因。從日常生活到奈米材料科技,清潔工作可能是個容易被忽視,卻極為重要的一環,若不謹慎處理,清潔反而弄巧成拙,正所謂水能載舟,亦能覆舟!

 


參考資料

  1. Ultraclean Surface Processing of Silicon Wafers- Secrets of VLSI Manufacturing, Takeshi Hattori, ISBN 978-3-642-08272-6

 

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