ความรู้เกี่ยวกับการทำความสะอาดด้วยสารเคมีและความปลอดภัย

1 การทำความสะอาดด้วยสารเคมี

ในเซมิคอนดักเตอร์-ในการทดลองกระบวนการผลิตอุปกรณ์ การทำความสะอาดทางเคมีหมายถึงการกำจัดสิ่งสกปรกที่เป็นอันตรายต่างๆ หรือคราบน้ำมันที่เกาะอยู่บนพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำ วัสดุโลหะ และอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการ การทำความสะอาดใช้สารเคมีและตัวทำละลายอินทรีย์เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีและผลการละลายกับสิ่งสกปรกและคราบน้ำมันที่เกาะอยู่บนพื้นผิวชิ้นงาน นอกจากนี้ยังอาจใช้มาตรการทางกายภาพ เช่น การใช้คลื่นอัลตราโซนิค การให้ความร้อน และการดูดสุญญากาศ เพื่อกำจัดสิ่งสกปรกออกจากพื้นผิวชิ้นงาน จากนั้นชิ้นงานจะถูกล้างด้วยน้ำปริมาณมากที่มีความเข้มข้นสูง-ความบริสุทธิ์ที่ร้อนแรง-และ-ใช้น้ำปราศจากไอออนเย็นเพื่อทำความสะอาดพื้นผิว

1.1 ความสำคัญของการทำความสะอาดด้วยสารเคมี

การทำความสะอาดด้วยสารเคมีเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทุกการทดลองในการทดสอบกระบวนการผลิต คุณภาพของการทำความสะอาดด้วยสารเคมีมีผลอย่างมากต่อผลการทดลอง การทำความสะอาดที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ความล้มเหลวหรือผลลัพธ์ที่ไม่ดี-ผลลัพธ์การทดลองที่มีคุณภาพ ดังนั้น การทำความเข้าใจหน้าที่และหลักการของการทำความสะอาดด้วยสารเคมีจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทดลองกระบวนการที่ประสบความสำเร็จ

เป็นที่ทราบกันดีว่า คุณสมบัติสำคัญอย่างหนึ่งของสารกึ่งตัวนำคือ ความไวสูงต่อสิ่งเจือปน แม้แต่สิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อยในชิ้นส่วนก็อาจทำให้เกิดปัญหาได้-ต่อ-การเติมสารเจือปนในระดับล้านอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของสารกึ่งตัวนำได้ คุณสมบัตินี้ถูกนำมาใช้ในการผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีฟังก์ชันหลากหลายผ่านกระบวนการเติมสารเจือปน อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเดียวกันนี้ก็สร้างความท้าทายให้กับอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำเช่นกัน-ในการทดลองกระบวนการผลิตอุปกรณ์ สารเคมี เครื่องมือในการประมวลผล และน้ำที่ใช้ทำความสะอาด ล้วนเป็นแหล่งของการปนเปื้อนสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายได้ แม้แต่แผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่บริสุทธิ์ก็อาจเกิดการปนเปื้อนสิ่งเจือปนอย่างเห็นได้ชัดหลังจากสัมผัสกับอากาศโดยรอบเป็นเวลานาน การทำความสะอาดด้วยสารเคมีจะช่วยกำจัดสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายและรักษาสภาพซิลิคอนให้สะอาดอยู่เสมอ-พื้นผิวเวเฟอร์

1.2 ขอบเขตของการทำความสะอาดด้วยสารเคมี

การทำความสะอาดด้วยสารเคมีส่วนใหญ่แบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่:

การทำความสะอาดซิลิโคน-พื้นผิวเวเฟอร์;

การทำความสะอาดวัสดุโลหะ (เช่น เส้นใยทังสเตนสำหรับอิเล็กโทรดระเหย แผ่นโมลิบเดนัมสำหรับตัวรองรับการระเหย โลหะผสมอะลูมิเนียมสำหรับแหล่งกำเนิดการระเหย โครเมียมสำหรับโครเมียม)-การผลิตหน้ากาก);

การทำความสะอาดเครื่องมือและภาชนะ (เช่น แหนบโลหะ ท่อควอตซ์ ภาชนะแก้ว แม่พิมพ์กราไฟต์ ผลิตภัณฑ์พลาสติกและยาง)

1.3 ประเภทของสารปนเปื้อนในซิลิคอน-พื้นผิวเวเฟอร์

(1) โมเลกุล-ประเภทการดูดซับสิ่งเจือปน

โมเลกุลทั่วไป-การก่อตัวของสารปนเปื้อนที่ดูดซับอยู่บนซิลิคอน-พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ประกอบด้วยไขมัน เรซิน และน้ำมันจากธรรมชาติหรือสังเคราะห์ สิ่งสกปรกที่เกิดขึ้นระหว่างการตัด การเจียร และการขัดผิวแผ่นเวเฟอร์ส่วนใหญ่อยู่ในประเภทนี้ แหล่งที่มาอื่นๆ ได้แก่ รอยนิ้วมือ คราบสารโฟโตเรซิสต์ และสารอินทรีย์ที่ตกค้าง-คราบตะกอนของตัวทำละลาย

โมเลกุล-สิ่งเจือปนประเภทนี้ส่วนใหญ่จะถูกดูดซับและยึดติดกับซิลิคอนด้วยวิธีการทางกายภาพ-พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ยึดติดกันด้วยแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต โมเลกุลของจาระบี เรซิน และน้ำมันโดยทั่วไปไม่มีแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต-พันธะแบบมีขั้วเกิดขึ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของสารเจือปนที่เป็นกลางและแรงตกค้างที่ไม่สมบูรณ์ของอะตอมซิลิคอนบนพื้นผิว ปฏิสัมพันธ์นี้เทียบเท่ากับแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างโมเลกุลในผลึกโมเลกุล แรงดึงดูดดังกล่าวค่อนข้างอ่อนและลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น ช่วงปฏิสัมพันธ์ที่มีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 2-3×10⁻⁸ซม. (2-3 (Å) เทียบได้กับเส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุล ดังนั้นโมเลกุล-สิ่งเจือปนประเภทนี้สามารถกำจัดออกได้ค่อนข้างง่าย

ลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งคือ โมเลกุลส่วนใหญ่-สารปนเปื้อนประเภทหนึ่งคือน้ำ-สารประกอบอินทรีย์ที่ไม่ละลายน้ำ การดูดซับของสารเหล่านี้ทำให้เกิดซิลิคอน-พื้นผิวเวเฟอร์มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ ซึ่งขัดขวางการสัมผัสที่มีประสิทธิภาพระหว่างน้ำปราศจากไอออนกับกรด-สารละลายด่างและพื้นผิวเวเฟอร์ ซึ่งจะป้องกันไม่ให้สารเคมีทำปฏิกิริยากับอนุภาคบนพื้นผิวและยับยั้งการทำความสะอาดทางเคมีอย่างมีประสิทธิภาพ

(2) ไอออนิก-ประเภทการดูดซับสิ่งเจือปน

ไอออนร่วม-ก่อตัวเป็นสิ่งเจือปนที่ดูดซับอยู่บนซิลิคอน-พื้นผิวเวเฟอร์ประกอบด้วย K⁺นา⁺, Ca²⁺, แมกนีเซียม²⁺เฟ²⁺, ชม⁺, โอ้⁻, เอฟ⁻, คล.⁻, เอส²⁻, CO₃²⁻และอื่นๆ สารปนเปื้อนเหล่านี้มีที่มาจากแหล่งต่างๆ กัน เช่น อากาศโดยรอบ เครื่องใช้และอุปกรณ์ สารเคมี และมลพิษต่ำ-น้ำปราศจากไอออนบริสุทธิ์ น้ำประปา ลมหายใจ และเหงื่อของผู้ปฏิบัติงาน

ไอออนิก-การดูดซับประเภทนี้ส่วนใหญ่เป็นการดูดซับทางเคมี ไอออนของสิ่งเจือปนจะยึดเกาะกับพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ผ่านพันธะทางเคมี-แรงยึดเหนี่ยวทางเคมี ระยะห่างสมดุลระหว่างไอออนของสิ่งเจือปนและอะตอมบนพื้นผิวนั้นสั้นมาก จนไอออนที่ถูกดูดซับอาจถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างผลึกซิลิคอน ไอออนของสิ่งเจือปนที่ถูกดูดซับทางเคมีสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการดักจับได้ บางชนิดจับกับอิเล็กตรอนอิสระในโครงสร้างผลึกและทำหน้าที่เป็นตัวรับ ในขณะที่บางชนิดดักจับโฮลอิสระและทำหน้าที่เป็นตัวให้ เนื่องจากแรงดูดซับทางเคมีที่แข็งแรง การกำจัดสิ่งเจือปนที่เป็นไอออนจึงยากกว่าการกำจัดสารปนเปื้อนที่เป็นโมเลกุลมาก

(3) อะตอม-ประเภทการดูดซับสิ่งเจือปน

อะตอม-สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวส่วนใหญ่เป็นอะตอมโลหะ เช่น ทอง เงิน ทองแดง เหล็ก และนิกเกล อะตอมโลหะเหล่านี้มักเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาการแทนที่แบบรีดักชันในสารกัดกร่อนที่เป็นกรด และตกตะกอนลงบนซิลิคอน-พื้นผิวเวเฟอร์

อะตอม-การดูดซับประเภทนี้มีแรงยึดเกาะที่แข็งแกร่งที่สุดและกำจัดได้ยากที่สุด หนัก-อะตอมของโลหะ เช่น ทองคำและแพลทินัม แทบจะไม่ทำปฏิกิริยากับกรดและด่างทั่วไป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้สารเคมีพิเศษ เช่น กรดอะควาเรเจีย เพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนที่ละลายได้ จากนั้นจึงล้างสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะออกด้วยสารละลายที่มีความเข้มข้นสูง-น้ำปราศจากไอออนที่มีความบริสุทธิ์สูง

1.4 เจเนอรัล ซิลิคอน-ขั้นตอนการทำความสะอาดเวเฟอร์

ตามที่วิเคราะห์ไว้ข้างต้น โมเลกุล-สิ่งเจือปนประเภทไอออนิกนั้นกำจัดได้ค่อนข้างง่าย ส่วนสารปนเปื้อนระดับโมเลกุลที่เหลืออยู่สามารถบดบังสิ่งปนเปื้อนประเภทไอออนิกได้-และอะตอม-สิ่งเจือปนประเภทต่างๆ และขัดขวางการกำจัด ดังนั้นจึงต้องกำจัดสิ่งปนเปื้อนระดับโมเลกุลออกไปให้หมดก่อนในกระบวนการผลิตซิลิคอน-การทำความสะอาดเวเฟอร์ด้วยสารเคมี

ไอออนิก-และอะตอม-สิ่งเจือปนประเภทต่างๆ จะถูกดูดซับทางเคมีด้วยแรงดึงดูดที่แข็งแรงบนพื้นผิว สารปนเปื้อนในระดับอะตอมมักมีอยู่ในปริมาณน้อยและเฉื่อยต่อกรดและด่างทั่วไป สามารถละลายได้ด้วยกรดอะควาเรเจียหรือไฮโดรเจนที่เป็นกรดเท่านั้น-สารละลายเปอร์ออกไซด์ กรดอะควาเรเจียและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นกรดก็สามารถละลายสิ่งเจือปนไอออนิกได้เช่นกัน ขั้นตอนการทำงานมาตรฐานจะใช้กรด-ใช้สารละลายด่างหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นด่างเพื่อกำจัดสิ่งเจือปนไอออนิกก่อน จากนั้นจึงกำจัดสิ่งปนเปื้อนไอออนิกและสิ่งเจือปนอะตอมที่เหลืออยู่โดยใช้กรดอะควาเรเจียหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นกรด ล้างครั้งสุดท้ายด้วยน้ำที่มีความเข้มข้นสูง-น้ำปราศจากไอออนที่มีความบริสุทธิ์สูงจะช่วยให้กระบวนการเสร็จสมบูรณ์

โดยสรุป ซิลิคอนทั่วไป-ลำดับขั้นตอนการทำความสะอาดเวเฟอร์คือ: การขจัดคราบไขมัน→การกำจัดไอออน→อะตอม-การกำจัดสิ่งเจือปน→ปราศจากไอออน-การล้างด้วยน้ำ

แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนต้องผ่านการทำความสะอาดด้วยสารเคมีก่อนการทดลองทุกครั้ง อย่างไรก็ตาม สภาพพื้นผิวจะแตกต่างกันไปในแต่ละครั้งของการทดลอง ดังนั้นสารเคมีที่ใช้ในการทำความสะอาดและเป้าหมายสำคัญจึงแตกต่างกันไปตามนั้น ขั้นตอนการทำความสะอาดในทางปฏิบัติมีความยืดหยุ่น วิธีการและขั้นตอนที่เฉพาะเจาะจงจะถูกกำหนดตามแต่ละกรณี-by-พิจารณาเป็นรายกรณีตามการทำความสะอาดจริง-ข้อกำหนดด้านผลกระทบ

1.5 การทำความสะอาดโลหะและเครื่องใช้ทั่วไป

วัสดุโลหะและเครื่องมือในห้องปฏิบัติการเป็นแหล่งสำคัญของซิลิคอน-การปนเปื้อนของเวเฟอร์ การทำความสะอาดโลหะและอุปกรณ์อย่างละเอียดเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรับประกันความปลอดภัยของเวเฟอร์-ความสะอาดของพื้นผิว หลักการทำความสะอาดทั่วไปสำหรับโลหะและเครื่องใช้คือ: ขจัดคราบไขมันออกก่อน; ทำการกัดหรือล้างด้วยกรด ด่าง สารละลายล้าง หรือกรดอะควาเรเจีย; และปิดท้ายด้วยการล้างให้สะอาดด้วยน้ำสะอาดเข้มข้น-น้ำปราศจากไอออนที่มีความบริสุทธิ์สูง

2. ความรู้ด้านความปลอดภัย

การทดลองมักใช้สารเคมีและก๊าซหลากหลายชนิด รวมถึงสารไวไฟ สารระเบิด สารพิษ และกรดกัดกร่อน-สารอัลคาไลน์ การจัดการที่ไม่ถูกต้องอาจก่อให้เกิดอุบัติเหตุได้ ควรให้ความสำคัญกับมาตรการป้องกัน หากเกิดอุบัติเหตุขึ้น ให้ตั้งสติและดำเนินการแก้ไขที่เหมาะสมโดยทันที

2.1 การจัดการตัวทำละลายอินทรีย์อย่างปลอดภัย

ตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไป ได้แก่ โทลูอีน อะซีโตน เอทานอล เมทิลเอทิลคีโตน ไตรคลอโรเอทิลีน และคาร์บอนเตตระคลอไรด์ ตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนใหญ่ติดไฟได้และลุกไหม้ได้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง-เก็บไว้ในที่เย็นและห่างจากแหล่งกำเนิดประกายไฟ ห้ามให้ความร้อนแก่ภาชนะบรรจุตัวทำละลายโดยตรงบนเตาไฟฟ้า หรือใกล้น้ำ-การอุ่นอ่างอาบน้ำเป็นวิธีที่เหมาะสมเมื่อจำเป็นต้องใช้ความร้อน ในกรณีเกิดไฟไหม้ ให้ดับเปลวไฟด้วยผ้าชุบน้ำหมาดๆ ทรายละเอียด หรือถ่าน-เครื่องดับเพลิงไดออกไซด์, คาร์บอน-ห้ามใช้เครื่องดับเพลิงชนิดเตตระคลอไรด์หรือเครื่องดับเพลิงชนิดโฟมเด็ดขาด ห้ามใช้น้ำหรือสารดับเพลิงชนิดน้ำ-กรดพื้นฐาน-สารดับเพลิงที่เป็นด่าง

ตัวทำละลายอินทรีย์ระเหยง่ายและมีความเป็นพิษแตกต่างกันไป การปฏิบัติงานทั้งหมดจะต้องทำภายในตู้ดูดควันที่มีการระบายอากาศที่เพียงพอ

2.2 การจัดการกรดและด่างอย่างปลอดภัย

การทดลองใช้พลังที่แข็งแกร่ง-สารละลายกรด เช่น กรดซัลฟิวริก กรดไนตริก กรดไฮโดรคลอริก กรดไฮโดรฟลูออริก และกรดอะควาเรเจีย รวมถึงกรดเข้มข้น-สารละลายด่าง ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ สารเหล่านี้มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงต่อผิวหนังและเสื้อผ้าของมนุษย์ จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมความปลอดภัยในการใช้งานอย่างระมัดระวัง

ติดตั้งระบบระบายอากาศและระบบดูดอากาศที่มีประสิทธิภาพในบริเวณที่อาจมีไอระเหยของกรดหรือด่างสะสมอยู่

ผู้ปฏิบัติงานต้องสวมอุปกรณ์ป้องกันที่เหมาะสม เช่น ถุงมือยางและหน้ากากป้องกันระบบทางเดินหายใจ

ห้ามใช้ปากดูดสารละลายกรดหรือด่างเด็ดขาด ให้ใช้ปิเปตที่มีลูกยางหุ้ม

โปรดใช้ความระมัดระวังในระหว่างการขนส่งเพื่อป้องกันขวดล้มหรือแตก ควรหันปากขวดออกจากตัวบุคคลเมื่อเปิดภาชนะ

ควรค่อยๆ เติมกรดซัลฟิวริกลงในน้ำเพื่อเจือจางเสมอ ห้ามเทน้ำลงในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นโดยตรง

ก่อนทำการทำให้เป็นกลาง ให้เจือจางกรดหรือด่างเข้มข้นด้วยน้ำ จากนั้นจึงทำการทำให้เป็นกลางโดยใช้สารละลายด่างหรือกรดที่เหมาะสม

ภาชนะเปล่าที่เคยบรรจุกรดหรือด่างเข้มข้นจะต้องระบายของเหลวออกให้หมด ล้างด้วยน้ำหลายๆ ครั้ง แล้วจึงทำความสะอาดตามปกติ

ในกรณีที่มีกรด-หากเกิดแผลไหม้จากด่าง ให้ล้างบริเวณที่ถูกกัดด้วยน้ำไหลปริมาณมากทันที หากเข้าตา ให้ล้างตาด้วยน้ำประปาปริมาณมากอย่างรวดเร็ว หลังจากล้างตาแล้ว ให้รีบไปพบแพทย์ทันที ไม่ว่าความรุนแรงของแผลไหม้หรือการสัมผัสกับสารเคมีจะเป็นอย่างไรก็ตาม

2.3 การจัดการก๊าซอย่างปลอดภัย

ก๊าซที่ใช้ในการทดลองจะถูกส่งผ่านทางแรงดันสูง-ถังแรงดันหรือท่อส่งก๊าซ การผสมก๊าซบางชนิดอาจทำให้เกิดการเผไหม้หรือการระเบิดได้

ถังแก๊สมีสีต่างๆ-มีการกำหนดรหัสและติดฉลากเพื่อระบุชนิดของก๊าซที่บรรจุอยู่ภายใน ถังบรรจุก๊าซมีความดันสูง โดยถังที่บรรจุใหม่จะมีความดันประมาณ 150 กก./ซม.²ต้องใช้มาตรการความปลอดภัยพิเศษระหว่างการจัดเก็บและการใช้งาน

ควรหลีกเลี่ยงการวางถังแก๊สไว้กลางแดดโดยตรงในช่วงฤดูร้อน และควรเก็บวัสดุไวไฟและแหล่งกำเนิดประกายไฟให้ห่างจากถังแก๊ส-พื้นที่จัดเก็บ

ควรจัดเก็บก๊าซคู่ที่อาจเกิดปฏิกิริยาการติดไฟหรือการระเบิดเมื่อสัมผัสกัน (เช่น ถังไฮโดรเจนและออกซิเจน) ไว้ในห้องที่แยกจากกันเพื่อป้องกันอุบัติเหตุจากการรั่วไหลของก๊าซ

อย่าปล่อยก๊าซในถังจนหมด ให้คงความดันภายในถังไว้ในระดับหนึ่ง

ป้องกันการปนเปื้อนของจาระบีบนวาล์วกระบอกสูบและประแจ

เมื่อใช้ไฮโดรเจน ให้ไล่อากาศออกจากอุปกรณ์ด้วยก๊าสเฉื่อย ตรวจสอบระบบทั้งหมดเพื่อหารอยรั่ว และติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันการย้อนกลับของเปลวไฟ

2.4 การจัดการสารพิษอย่างปลอดภัย

ป้องกันการเป็นพิษเมื่อทำงานกับสารเคมีและสารประกอบที่เป็นพิษในการทดลอง หลักการด้านความปลอดภัยที่สำคัญมีดังนี้:

ดำเนินการภายในตู้ดูดควัน บำบัดกากของเสียและของเหลวเสียก่อนนำไปทิ้งในสถานที่ปลอดภัยที่กำหนดไว้

สวมหน้ากากป้องกันระบบทางเดินหายใจและถุงมือป้องกัน หลีกเลี่ยงการสัมผัสผิวหนังและการกลืนกินสารพิษโดยเด็ดขาด

ล้างถุงมือให้สะอาดด้วยน้ำก่อนถอดออกหลังจากทำการทดลองเสร็จแล้ว