Système de nettoyage de précision UCM pour des tâches de recherche

Flexibilité maximale pour le développement de procédé de nettoyage

Lorsqu'il s'agit d'optimiser le procédé de sciage à câble diamanté pour trancher des plaquettes de silicium ou d'autres matériaux durs, le nettoyage n'est qu'une question secondaire. Mais est-ce bien le cas ? Pour l'évaluation et le traitement ultérieur, les surfaces obtenues doivent être exemptes de contaminants. Il faut donc, d'une part, que les produits de nettoyage soient parfaitement adaptés aux autres supports de traitement et, d'autre part, qu'un processus de nettoyage approprié soit mis en place. En vue de développer les deux, un appel d'offres public a été lancé pour la fourniture d'un système de nettoyage pour le compte du centre Fraunhofer de technologie des matériaux semi-conducteurs (THM). L'appel d'offres a été remporté par un système de nettoyage fin par ultrasons UCM construit sur mesure et offrant une flexibilité maximale.

Fraunhofer THM est un département commun de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire (ISE) et de l'Institut Frauhofer pour les systèmes intégrés et la technologie des dispositifs (IISB). Basé à Freiberg/Saxe, THM se consacre à la production et à la séparation des matériaux cristallins. Il aide les entreprises à gérer les contrats industriels et les projets financés par des fonds publics en apportant son expertise dans la préparation, l'usinage et la caractérisation des matériaux - y compris des questions telles que la croissance cristalline et l'épitaxie, la formation de plaquettes et le développement de consommables appropriés pour les processus en amont et en aval tels que, par exemple, le nettoyage. Les deux dernières tâches, ainsi que la caractérisation des matériaux, relèvent de la compétence du groupe de travail sur les plaquettes. Les activités de ce dernier comprennent l'optimisation des procédés de sciage à câble diamanté, dont les principales applications se situent encore aujourd'hui dans la fabrication de plaquettes pour l'industrie photovoltaïque et l'industrie des semi-conducteurs. "Par rapport au processus de sciage conventionnel qui repose sur des grains abrasifs en suspension dans un fluide porteur (slurry), le sciage à fil diamanté est beaucoup plus rapide et, avec la baisse des prix du fil diamanté, cette technologie peut permettre non seulement des gains de temps, mais aussi des avantages en termes de coûts", commente le Dr Rajko Buchwald, chef de projet du département Wafering. D'autres domaines d'application de cette technologie de sciage sont la découpe de matériaux durs tels que la céramique, le verre, le saphir et les matériaux poreux ou frittés.

Taille des particules inférieure à 1 µm

Une autre différence par rapport au sciage conventionnel réside dans les résidus présents sur les surfaces des plaquettes sciées. Outre les dépôts du liquide de refroidissement du sciage, il s'agit de particules qui, dans 99 % des cas, ont une taille inférieure à 1 µm. Elles sont donc nettement plus difficiles à éliminer que les particules issues du processus de sciage de la boue, qui mesurent en moyenne 4 µm, et l'utilisation de l'eau comme principal agent de refroidissement ne fait qu'aggraver ce problème. Une telle contamination ne pouvant être éliminée de manière adéquate avec un système standard, THM avait besoin d'une solution de nettoyage très flexible, adaptée à ses besoins spécifiques en matière de recherche et de développement. Les principaux critères de spécification exigeaient un système à 6 réservoirs, un sécheur, un système à ultrasons prenant en charge différentes fréquences, ainsi que la possibilité de travailler avec différents produits de nettoyage et différentes qualités d'eau. L'accent a été mis sur une programmabilité absolument libre, une polyvalence dans l'utilisation des réservoirs et une conception exceptionnellement compacte compte tenu de l'espace limité disponible. Compte tenu de ce profil d'exigences, le projet a fait l'objet d'un appel d'offres. Parmi les soumissionnaires, UCM AG (Suisse), une société du groupe SBS Ecoclean, a remporté le contrat.

Un équipement optimal pour le développement des procédés

Le système de nettoyage par ultrasons comprend trois stations de nettoyage et trois stations de rinçage, chaque cuve pouvant être affectée à la fois au nettoyage et au rinçage. Les cuves sont conçues pour permettre l'utilisation d'eau municipale, déminéralisée ou ultra-pure ; elles sont reliées à leur propre circuit de filtrage et comportent des sondes de mesure de la conductivité. En outre, elles sont équipées d'un système de chauffage et de refroidissement afin que le processus de nettoyage puisse se dérouler dans une plage de température définie. Une autre particularité de ce système est que chacune des trois qualités d'eau mentionnées ci-dessus peut être chauffée séparément à l'aide d'un chauffe-eau à flux continu en acier inoxydable.

Dans chaque réservoir, le milieu est alimenté par le bas, se déplace vers le haut et déborde ensuite de tous les côtés. Cette technologie, développée par UCM pour les applications de nettoyage ultra-fin, assure un traitement très efficace et uniforme des plaquettes. En même temps, la fonction de débordement garantit que toutes les particules et tous les résidus enlevés seront transportés de manière fiable hors de la cuve en une seule fois. La recontamination des substrats pendant le retrait, ainsi que la formation de poches de saleté dans les cuves, sont ainsi évitées. Trois des cuves sont équipées d'appareils à ultrasons multifréquences intégrés dans le fond et sur les côtés. De cette manière, différentes fréquences peuvent être appliquées successivement aux plaquettes au cours du processus de nettoyage. Pour le traitement de nettoyage, le produit est placé dans des supports spéciaux contenant chacun 100 gaufres.

Ainsi, lors de la première étape de nettoyage, au cours de laquelle de grandes quantités de particules et de saletés doivent être éliminées, il est possible d'utiliser des fréquences de 25, 40 et 50 kHz, par exemple. Dans le deuxième réservoir, des fréquences ultrasonores de 40, 80 et 120 kHz peuvent être appliquées, tandis que 80, 120 et 250 kHz peuvent être adoptés pour le troisième réservoir. La séquence de nettoyage des plaquettes est librement programmable. De même, l'utilisateur peut régler la température, la puissance des ultrasons et le temps de séjour du produit dans chaque cuve, qui seront respectés avec précision. Outre le temps de fonctionnement de chaque transducteur à ultrasons, un mode de fonctionnement - continu ou pulsé - peut également être défini pour chacun d'entre eux. Le contrôleur offre un total de 16 canaux de programmation à cette fin. "Grâce à la programmation libre du système et à l'utilisation de générateurs d'ultrasons séparés dans chaque groupe de transducteurs, nous pouvons fournir des ultrasons de manière sélective dans chaque cuve, par exemple dans une séquence gauche - bas - droite. Cela présente l'avantage d'améliorer l'exposition aux médias des plaquettes dans le support de produit", explique le chef de projet, le Dr Rajko Buchwald.

La conductivité et le pH de tous les milieux sont contrôlés en permanence. Pour le mouvement vertical du produit, le nombre de coups par intervalle défini peut être préréglé via le convertisseur de fréquence. Le séchage s'effectue selon le principe du séchage capillaire (lift-out) ainsi qu'au moyen d'un sécheur à air chaud placé en aval. Les paramètres du processus et du réservoir pour chaque processus de nettoyage sont enregistrés dans un fichier CSV. Cela permet d'assurer une traçabilité et une documentation très précises des séquences de processus.

Libre choix du produit de nettoyage

Le produit de nettoyage peut lui aussi être adapté de manière optimale au processus. À cette fin, le système UCM en question permet l'utilisation de produits de nettoyage alcalins, neutres et acides. Ceux-ci sont automatiquement fournis par des unités de dosage dans chaque réservoir. Dans ce domaine, THM collabore avec des producteurs de liquides de refroidissement spécifiques au processus de sciage ainsi qu'avec des fabricants de produits de nettoyage. Le produit de nettoyage peut ainsi être parfaitement adapté au liquide de refroidissement et vice versa.

"UCM a mis en œuvre nos spécifications d'une manière vraiment remarquable. Nous disposons désormais d'un système de nettoyage qui nous donne toute latitude pour développer des processus de nettoyage pour les plaquettes découpées au fil de diamant et d'autres substrats matériels", conclut le Dr Rajko Buchwald.

Auteur : Doris Schulz