1. Bốn loại nhiễm bẩn trên bề mặt wafer

1. Four kinds of contamination on a wafer surface

Không có một dung dịch nào làm sạch được mọi thứ. Mỗi loại nhiễm bẩn có cơ chế loại bỏ riêng, và đó là lý do các quy trình làm sạch luôn gồm nhiều bước nối tiếp:

No single solution removes everything. Each kind of contamination has its own removal mechanism, which is why cleaning processes always chain several steps:

• Hạt (particles) — bụi, mảnh vỡ silic, xơ vải. Gây lỗ kim (pinhole) trong lớp màng, làm đứt mạch và che khuất vùng phơi sáng khi quang khắc.
• Hữu cơ — dấu vân tay, dầu, cặn photoresist, keo dán. Làm giảm độ bám dính của lớp màng và khiến oxit mọc không đều.
• Ion kim loại — Na, K, Fe, Cu, Au… Na và K làm trôi điện áp ngưỡng của linh kiện MOS; Fe, Cu làm giảm thời gian sống của hạt tải thiểu số, ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất pin mặt trời và diode.
• Oxit tự nhiên — lớp SiO₂ dày khoảng 1–2 nm hình thành ngay khi wafer tiếp xúc không khí. Cản trở tiếp xúc điện, epitaxy và sự bám dính của lớp màng lắng đọng.

• Particles — dust, silicon fragments, fibres. They cause pinholes in films, break metal lines and shadow the exposure during lithography.
• Organics — fingerprints, oils, photoresist residue, adhesives. They weaken film adhesion and make oxide grow unevenly.
• Metal ions — Na, K, Fe, Cu, Au… Na and K shift the threshold voltage of MOS devices; Fe and Cu shorten minority-carrier lifetime, directly hurting solar-cell and diode performance.
• Native oxide — a SiO₂ layer roughly 1–2 nm thick that forms as soon as the wafer meets air. It obstructs electrical contact, epitaxy and adhesion of deposited films.

2. Quy trình RCA: nền tảng của mọi quy trình làm sạch

2. The RCA process: the foundation of wafer cleaning

RCA do Werner Kern phát triển tại RCA từ năm 1965 và công bố năm 1970. Hơn nửa thế kỷ sau, nó vẫn là chuẩn tham chiếu vì logic rất rõ: hai dung dịch, mỗi dung dịch nhắm vào một nhóm nhiễm bẩn.

RCA was developed by Werner Kern at RCA from 1965 and published in 1970. More than half a century later it remains the reference standard because its logic is clear: two solutions, each aimed at one group of contaminants.

SC-1 (còn gọi APM) — NH₄OH : H₂O₂ : H₂O, tỉ lệ thường dùng 1:1:5, ở 75–80 °C trong khoảng 10 phút. H₂O₂ oxy hoá bề mặt tạo lớp oxit mỏng, NH₄OH hoà tan nhẹ lớp đó và bóc theo cả các hạt bám trên. Đồng thời điện thế bề mặt của hạt và wafer cùng âm nên chúng đẩy nhau, hạt khó bám lại. SC-1 loại bỏ hạt và hữu cơ nhẹ.

SC-1 (also called APM) — NH₄OH : H₂O₂ : H₂O, commonly 1:1:5, at 75–80 °C for about 10 minutes. H₂O₂ oxidises the surface into a thin oxide, NH₄OH slightly dissolves it and lifts attached particles away with it. Particle and wafer surfaces also carry the same negative charge, so they repel and particles struggle to reattach. SC-1 removes particles and light organics.

SC-2 (còn gọi HPM) — HCl : H₂O₂ : H₂O, tỉ lệ thường dùng 1:1:6, ở 75–80 °C trong khoảng 10 phút. Môi trường axit tạo phức tan với các ion kim loại và hydroxit kim loại còn sót lại từ SC-1. SC-2 loại bỏ ion kim loại.

SC-2 (also called HPM) — HCl : H₂O₂ : H₂O, commonly 1:1:6, at 75–80 °C for about 10 minutes. The acidic environment forms soluble complexes with metal ions and the metal hydroxides left behind by SC-1. SC-2 removes metal ions.

Sau mỗi bước phải xả rửa kỹ bằng nước khử ion (DI) có điện trở suất gần 18,2 MΩ·cm. Xả rửa kém sẽ mang hoá chất sang bể sau và làm hỏng cả chuỗi.

After every step, rinse thoroughly in deionised (DI) water with resistivity close to 18.2 MΩ·cm. A poor rinse carries chemicals into the next bath and undermines the whole sequence.

3. HF dip: bóc lớp oxit tự nhiên

3. HF dip: stripping the native oxide

SC-1 và SC-2 đều để lại một lớp oxit hoá học mỏng. Nếu quy trình tiếp theo cần bề mặt silic trần — epitaxy, tạo tiếp xúc kim loại, oxy hoá chất lượng cao — bước cuối là nhúng ngắn trong HF loãng.

Both SC-1 and SC-2 leave a thin chemical oxide. If the next process needs bare silicon — epitaxy, metal contacts, high-quality oxidation — the final step is a short dip in dilute HF.

Dung dịch thường dùng là HF : H₂O khoảng 1:50 đến 1:100, ở nhiệt độ phòng, trong 15–60 giây. Sau khi bóc oxit, bề mặt silic được phủ bởi liên kết Si–H nên kỵ nước: nhấc wafer ra khỏi nước, nước sẽ co lại thành giọt thay vì dàn đều. Đây cũng là cách kiểm tra nhanh xem oxit đã hết chưa.

The usual solution is HF : H₂O of about 1:50 to 1:100, at room temperature, for 15–60 seconds. Once the oxide is gone the silicon surface is terminated by Si–H bonds and is hydrophobic: lift the wafer out of water and the water beads up instead of sheeting off. That is also a quick way to confirm the oxide has gone.

4. Piranha và làm sạch bằng dung môi

4. Piranha and solvent cleaning

Piranha (SPM) là hỗn hợp H₂SO₄ đậm đặc và H₂O₂ theo tỉ lệ 3:1 đến 4:1. Phản ứng toả nhiệt mạnh, dung dịch tự nóng lên tới khoảng 100 °C hoặc hơn, phân huỷ nhanh các lớp hữu cơ dày như photoresist và cặn cacbon. Thường đặt trước SC-1 khi wafer nhiễm hữu cơ nặng.

Piranha (SPM) is a mixture of concentrated H₂SO₄ and H₂O₂ at 3:1 to 4:1. The reaction is strongly exothermic, self-heating to about 100 °C or more, and rapidly destroys heavy organics such as photoresist and carbon residue. It is typically placed before SC-1 when a wafer carries heavy organic contamination.

• Không dùng piranha với wafer đã có lớp kim loại — nó ăn mòn kim loại.
• Tuyệt đối không cho dung môi hữu cơ như acetone vào piranha: phản ứng có thể mãnh liệt hoặc gây nổ.
• Không đậy kín bình chứa piranha vì khí sinh ra làm tăng áp suất.

• Do not use piranha on wafers that already carry metal layers — it attacks metals.
• Never let organic solvents such as acetone into a piranha bath: the reaction can be violent or explosive.
• Never seal a piranha container, because evolved gas builds pressure.

Với wafer Dummy, wafer Test hay bề mặt chỉ dính cặn photoresist nhẹ, làm sạch bằng dung môi là đủ và an toàn hơn nhiều: acetone → IPA → xả DI → thổi khô N₂. Đừng để acetone bay hơi tự nhiên trên bề mặt vì nó để lại vệt cặn; hãy chuyển sang IPA khi wafer còn ướt. Digifund cung cấp acetone cấp bán dẫn cho mục đích này.

For Dummy wafers, Test wafers, or surfaces carrying only light photoresist residue, solvent cleaning is enough and much safer: acetone → IPA → DI rinse → N₂ blow-dry. Do not let acetone evaporate on the surface, since it leaves streaky residue; move to IPA while the wafer is still wet. Digifund supplies semiconductor-grade acetone for this purpose.

Về photoresist và vì sao cặn của nó cần được loại bỏ, xem bài quy trình quang khắc.

For photoresist and why its residue must be removed, see the article on the photolithography process.

5. Bảng tổng hợp các bước làm sạch

5. Cleaning steps at a glance

6. An toàn hoá chất: không có ngoại lệ

6. Chemical safety: no exceptions

Các hoá chất trên nguy hiểm thực sự. Nội dung dưới đây là nhắc nhở nền tảng, không thay thế quy định an toàn và khoá huấn luyện của phòng thí nghiệm bạn.

The chemicals above are genuinely hazardous. What follows is a baseline reminder and does not replace your laboratory's safety rules and training.

• HF thấm qua da và gây bỏng sâu, đau có thể xuất hiện muộn sau khi đã tiếp xúc. Luôn có sẵn gel calcium gluconate và biết quy trình sơ cứu trước khi mở chai HF.
• HF ăn mòn thuỷ tinh. Chỉ dùng bình và bể bằng PTFE, PFA hoặc PP, không dùng cốc thuỷ tinh.
• Thao tác trong tủ hút hoặc bàn hoá chất (wet bench) với kính chắn mặt, tạp dề và găng chịu hoá chất. Găng nitrile phòng sạch dùng để tránh nhiễm bẩn cho wafer, không đủ để bảo vệ tay khỏi axit đậm đặc.
• Phân loại và dán nhãn chất thải riêng cho từng nhóm (axit, bazơ, HF, dung môi). Không đổ chung.

• HF penetrates skin and causes deep burns, with pain that may appear well after exposure. Keep calcium gluconate gel at hand and know the first-aid procedure before opening an HF bottle.
• HF etches glass. Use PTFE, PFA or PP vessels and baths only — never glass beakers.
• Work in a fume hood or wet bench with a face shield, apron and chemical-resistant gloves. Cleanroom nitrile gloves protect the wafer from you; they do not adequately protect your hands from concentrated acid.
• Segregate and label waste by group (acids, bases, HF, solvents). Never combine them.

7. Wafer không phải silic thì sao?

7. What about non-silicon substrates?

RCA được thiết kế cho silic. Đem áp dụng nguyên xi lên vật liệu khác có thể phá huỷ đế:

RCA was designed for silicon. Applying it unchanged to other materials can destroy the substrate:

• Sapphire, SiC — bền hoá học, chịu được piranha và phần lớn các bể axit/bazơ. Đây là những đế dễ làm sạch nhất.
• GaAs, InP — bị H₂O₂ trong SC-1 ăn mòn. Bóc oxit tự nhiên thường dùng HCl hoặc NH₄OH loãng, nhúng rất ngắn. Hãy làm theo khuyến nghị của nhà sản xuất đế.
• Wafer epi-ready — được đóng gói sẵn để dùng ngay. Thường không nên làm sạch lại, vì mỗi lần nhúng hoá chất là thêm một cơ hội gây nhiễm bẩn. Xem thêm chọn wafer cho nghiên cứu.

• Sapphire, SiC — chemically robust, tolerant of piranha and most acid and base baths. These are the easiest substrates to clean.
• GaAs, InP — attacked by the H₂O₂ in SC-1. Native oxide is usually removed with brief dips in dilute HCl or NH₄OH. Follow the substrate manufacturer's guidance.
• Epi-ready wafers — packaged to be used as received. They generally should not be re-cleaned, since every chemical dip is another chance to contaminate. See also choosing wafers for research.

8. Cầm nắm và bảo quản để không nhiễm bẩn lại

8. Handling and storage to avoid recontamination

Làm sạch hoàn hảo rồi cầm nắm sai thì công sức đổ sông đổ biển. Những nguyên tắc dưới đây giúp giữ được độ sạch:

A perfect clean followed by careless handling is wasted effort. These rules preserve cleanliness:

• Chỉ chạm vào rìa wafer. Dùng bút hút chân không hoặc nhíp đầu PTFE/PEEK; tránh nhíp kim loại trên mặt đã đánh bóng.
• Luôn đeo găng nitrile không bột và dùng khăn lau ít xơ trong phòng sạch. Không dùng giấy thường vì tạo hạt sợi.
• Giữ wafer trong hộp hoặc cassette kín khi không xử lý. Chỉ mở gói niêm phong ban đầu ở nơi có cấp sạch phù hợp — xem cấp độ sạch ISO.
• Bảo quản lâu dài trong tủ chống ẩm hoặc tủ khí N₂, tránh ánh nắng và hơi hoá chất.
• Không tái sử dụng hộp đựng đã nhiễm bẩn; không xếp chồng wafer trực tiếp lên nhau khi không có tấm ngăn.

• Touch only the wafer edge. Use a vacuum wand or PTFE/PEEK-tipped tweezers; avoid metal tweezers on a polished face.
• Always wear powder-free nitrile gloves and low-lint cleanroom wipes. Never use ordinary paper, which sheds fibres.
• Keep wafers in a closed box or cassette when not processing. Open the original sealed pack only in an environment of suitable cleanliness — see ISO cleanliness classes.
• Store long term in a dry cabinet or nitrogen cabinet, away from sunlight and chemical vapour.
• Do not reuse contaminated boxes, and do not stack wafers directly on each other without interleaving sheets.

Câu hỏi thường gặp

Frequently asked questions