Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

De interesse in het gebruik van organische solventen voor het bewerken van silicium substraten tijdens het productieproces van micro-elektronica producten is recent sterk toegenomen. Tijdens dit proces moet de oppervlakte contaminatie door nano-deeltjes, deeltjes met een grootte in de nanometer schaal, onder controle gehouden worden om een hoge opbrengst (yield) te bekomen. Om dit te bereiken is er fundamentele kennis nodig over de interacties tussen de deeltjes en het substraat in de gebruikte vloeistoffen. Die interacties zijn goed gekend in op water gebaseerde oplossingen, maar niet in organische solventen. In deze thesis bestuderen we de deeltjes-substraat interacties in organische vloeistoffen met een lagere diëlektrische constante (i.e. lagere polariteit) dan water. Alcohol en dodecaan worden hier als representatief gekozen voor solventen met gemiddelde en lage polariteit. De deeltjes-substraat interacties werden in deze solventen bestudeerd als functie van de diëlektrische constante van de vloeistof, het type en de ruwheid van de oppervlakte, de aanwezigheid van ionische contaminatie en chemische additieven. Eerst werden de krachten tussen deeltjes, met een grootte in de micrometer schaal, en een vlak oppervlakte van hetzelfde materiaal opgemeten in solventen met ‘colloidal-probe atomic force microscopy’. In alle alcoholen zijn de oppervlaktekrachten afstotend en worden ze goed beschreven door de klassieke op water gebaseerde theorie. Immersie-experimenten hebben verder aangetoond dat dit ook geldt voor nano-deeltjes. De hoeveelheid ionische contaminatie in de solventen heeft echter een belangrijke invloed op de sterkte en het bereik van de interactie. In dodecaan zijn de krachten hoofdzakelijk aantrekkend en fundamenteel verschillend van de interactiekrachten in op water gebaseerde systemen. Meer in het bijzonder zijn deze krachten tijdsafhankelijk en zeer gevoelig aan de experimentele condities, zoals de aanwezigheid van elektrische ladingen, kleine hoeveelheden water of de ruwheid van de deeltjes. Als er een relatief hoge concentratie surfactant wordt toegevoegd, kunnen de oppervlaktekrachten afstotend gemaakt worden. Al deze bevindingen suggereren dat wat betreft het voorkomen van deeltjescontaminatie in natte processing, alcoholen potentieel goede solventen zijn om te gebruiken, terwijl dodecaan beter vermeden wordt. Nu deze eerste selectie van solventen, werden isopropylalcohol oplossingen verder bestudeerd. De studie werd ook verder uitgebreid naar systemen waar deeltjes en oppervlakte uit een verschillend materiaal bestaan. Een nieuwe experimentele opstelling werd gebouwd om de in-situ de depositie en verwijdering van nano-deeltjes op/van een vlak oppervlakte te meten in deze alcohol oplossingen. Deze nieuwe techniek is een combinatie van een ellipsometer en een ‘impinging jet cell’ en laat toe onder gecontroleerde hydrodynamische omstandigheden de depositie en verwijdering kinetica te meten in het diffusie regime. Het effect van chemische additieven, zoals HCl en surfactanten, op het depositiegedrag werd ook bestudeerd. In pure alcohol wordt het depositie gedrag bepaald door de relatieve lading van het deeltje ten opzichte van het oppervlakte. Initieel, wanneer de oppervlaktebedekking door deeltjes klein is, wordt de deeltjesdepositie gedreven door diffusie. Verder in de tijd, wanneer een significant gedeelte van het oppervlak bedekt is, vertragen de elektrostatische afstotende krachten tussen de deeltjes dit proces. Dit resulteert in een lage maximale deeltjesbedekking van het oppervlak. Het toevoegen van HCl resulteert in een algemene toename van de ionsiche sterkte, en bijgevolg in een toename van de oppervlaktepotentialen van zowel het deeltje als het oppervlak, waardoor er zelfs depositie van deeltjes wordt waargenomen in het geval dat het substraat en de deeltjes uit identiek materiaal bestaan. Bovendien resulteert een toename in ionische sterkte in de bulk oplossing in een onderdrukking van de afstotende krachten tussen het susbtraat en de deeltjes als ook tussen de deeltjes onderling. Als gevolg hiervan is de depositie diffusie-gelimiteerd en is de maximumwaarde voor de bedekking gelijk aan de voorspellingen voor ongeladen deeltjes. Het gebruik van een surfactant als voorbereiding van het oppervlak of in oplossing voorkomt de depositie van deeltjes. Voor het eerst werd aangetoond dat wanneer de deeltjes en het substraat uit verschillende materialen bestaan de lengteschaal grote impact heeft op de interacties. De oppervlaktekrachten voor ruwe micron-deeltjes blijken steeds afstotend, zelfs in systemen waar nano-deeltjes wel deponeren op het oppervlak. We verklaren dit door de heterogeniteit van het oppervlak, die locale fluctuaties in de oppervlakte lading veroorzaakt. Op die mannier kunnen nano-deeltjes deponeren op specifieke plaatsen, waar de locale lading tegengesteld is aan die van het deeltje. Voor micron-deeltjes wordt de invloed van de locale variaties op de totale interactie verwaarloosbaar. Ten tweede heeft de oppervlakteruwheid van de interagerende sferen een dominant effect op de krachten bij zeer korte afstanden. Micron-deeltjes zijn zeer ruw en vertonen een afstotende kracht bij korte afstanden. Als lange afstand elektrostatische krachten afwezig zijn, bepalen deze korte afstand krachten het depositiegedrag. Het laatste deel van deze thesis gaat over het in-situ verwijderen van eerder gedeponeerde deeltjes door alcohol/surfactanten oplossingen te gebruiken. Wanneer de bestudeerde surfactant gebruikt wordt in concentraties hoger dan een specifieke treshold was het mogelijk eerder gedeponeerde deeltjes te verwijderen. De hoeveelheid verwijderde deeltjes neemt toe met toenemende surfactant concentratie, tot de volledige verwijdering bereikt was. Een dubbele kinetica wordt waargenomen in het verwijderingsproces: sneller in het begin, trager naar het einde. Een mechanisme voor deeltjes verwijdering werd voorgesteld, waarbij locale gradiënten in oppervlaktespanning worden gecreëerd rond het oppervlakte-deeltje contactgebied door de preferentiële adsorptie van de surfactantmolecules op het vaste oppervlakte. Deze gradiënten creëren een liftkracht die de deeltjes wegduwen van de oppervlakte. Deze thesis toont duidelijk aan dat dodecaan een slecht solvent is voor natte processing van substraten. Het risico voor oppervlaktecontaminatie is zeer groot. Voor dezelfde toepassing zijn alcoholen betere solventen om te gebruiken. Een groot nadeel bij het gebruik van deze solventen is wel dat zowel de ionische contaminatie van de solventen als de homogeniteit van de oppervlaktes van de substraten nauwgezet onder controle gehouden moet worden. Er werd echter een oplossing voorgesteld die bestaat uit het gebruik van een gepaste surfactant. Dit voorkomt deeltjesdepositie en verwijdert zelfs deeltjes. Organic solvents have recently attracted much interest for wet processing of silicon wafers during the fabrication of microelectronic devices. During these processes, surface contamination from nano-sized particles must be controlled to ensure high device yields. This control requires a fundamental knowledge of the interactions between particles and substrates in the processing liquid. Such interactions are well known in aqueous solutions, but not in organic solvents. This thesis investigates particle-substrate interactions in organic liquids, which have a lower dielectric constant than water (i.e. low polarity). Alcohols and dodecane were chosen as representative for solvents of medium and low polarity, respectively. Particle-substrate interactions in these solvents were studied as a function of the dielectric constant of the liquid, the type and roughness of the solid surfaces, the presence of ionic contaminants and chemical additives.   First, the surface forces between micro-sized particles and flat substrates of the same material were measured in these solvents using colloidal-probe atomic force microscopy. In all alcohols the surface forces were repulsive, and well described by classical aqueous-based theories. Immersion experiments demonstrated that these findings were also valid for nano-sized particles. However, the level of background ionic contaminants in the solvents had an important effect on the magnitude and range of the interactions. On the contrary, in dodecane the surface forces were mostly attractive and fundamentally very different from the interaction forces in aqueous systems. In particular, these forces were time dependent and extremely sensitive to the experimental conditions such as the presence of electrical charges and of trace levels of water, and the surface roughness of the particles. Adding a surface active agent at relatively high concentration, the surface forces could be controlled and turned into repulsive. All these findings suggested that alcohols are potentially good solvents to use in wet processing with respect to the prevention from particle contamination, whereas dodecane is to be avoided.   Once a first screening of solvents was made, iso-propyl alcohol solutions were further explored, and the study was extended to various systems where particles and substrates were made of different materials. A new experimental setup was built to monitor in-situ the deposition and removal of nano-sized particles onto/from flat substrates in these alcohol solutions. The new technique, consisting of an impinging jet cell in combination with ellipsometry, enabled to study in-situ the kinetics of particle deposition and removal in the diffusive regime, under well defined hydrodynamic conditions. The effect of chemical additives such as hydrochloric acid and surfactant on the deposition behavior was also studied. In pure alcohol, the deposition or non-deposition behavior was determined by the relative surface charge of the particles with respect to the flat substrates. Particle deposition was driven by diffusion at initial times, when the surface particle coverage of the flat substrate was relatively low. At higher times, when the flat substrate was significantly covered by particles, electrical repulsive forces between the particles suppressed the deposition process. This in turn resulted in low maximum particle surface coverage. The addition of hydrochloric acid resulted in an overall increase in ionic strength. This fact led to an overall increase in the surface potentials of both particles and substrates, thus particle deposition was observed even in the case of similar surfaces. In the bulk solution moreover, an increase in ionic strength caused a suppression of the electrical repulsive forces between particles and substrates, and also between the particles. As a result, the deposition was diffusion-limited at all times and the maximum values for the particle surface coverage were equla to the predictions for uncharged particles. The addition of surfactant, used either to pre-treat the flat surface or as a co-dispersant, prevented particle deposition. For the first time it was demonstrated that, when particles and substrates are made of different material, the length scale has a dramatic consequence on the interactions. The surface forces for rough micro-sized spheres always revealed repulsive interactions, even in those systems where nano-sized particles were found to deposit onto the substrate. This fact was explained by the presence of surface heterogeneities on the flat substrates that cause local fluctuations in the average value of the surface charge. In this sense, nano-sized particles might deposit at some specific spots on the flat substrate where the local surface charge is opposite with respect to that of the particles. In case of micro-sized particles, the influence of local surface domains on the total interaction becomes negligible. Second, the surface roughness of the interacting spheres has a dominant effect on the surface force at short separations. Micro-sized spheres are very rough and exhibit an overall repulsive force at short separations. Nano-sized particles, which are relatively smooth in comparison, might exhibit very different surface forces at short separation. In absence of long-range electrical forces, these forces at short separation determine the deposition behavior. The last part of this thesis deals with the in-situ removal of previously deposited particles by using alcohol/surfactant solutions. The type of surfactant investigated, when used at concentrations higher than a specific threshold value, was able to remove previously deposited particles. The amount of removed particles increased with increasing surfactant concentration until total removal was reached. A double kinetics was observed in the particle removal process, higher at initial times and subsequently lower. A mechanism for particle removal was proposed, where local gradients in surface tension were created around the particle-substrate contact area due to the preferential adsorption of surfactant molecules on the solid surfaces. These gradients originate a lifting force that pushes the particle away from the flat substrate. This thesis clearly demonstrates that dodecane is a bad solvent for wet processing of wafers. The risk of surface particle contamination in this solvent is very high. Within the same application, alcohols are beneficial solvents to use. A big drawback using these solvents is that the level of ionic contamination must be strictly controlled, as well as the homogeneity of the surfaces of the flat substrates. However, a solution was proposed that consists in the use of dedicated surfactant. The latter enables to prevent particle deposition and even to remove deposited particles. aan de experimentele condities, zoals de aanwezigheid van elektrische ladingen, kleine hoeveelheden water of de ruwheid van de deeltjes. Als er een relatief hoge concentratie surfactant wordt toegevoegd, kunnen de oppervlaktekrachten afstotend gemaakt worden. Al deze bevindingen suggereren dat wat betreft het voorkomen van deeltjescontaminatie in natte processing, alcoholen potentieel goede solventen zijn om te gebruiken, terwijl dodecaan beter vermeden wordt. Nu deze eerste selectie van solventen, werden isopropylalcohol oplossingen verder bestudeerd. De studie werd ook verder uitgebreid naar systemen waar deeltjes en oppervlakte uit een verschillend materiaal bestaan. Een nieuwe experimentele opstelling werd gebouwd om de in-situ de depositie en verwijdering van nano-deeltjes op/van een vlak oppervlakte te meten in deze alcohol oplossingen. Deze nieuwe techniek is een combinatie van een ellipsometer en een ‘impinging jet cell’ en laat toe onder gecontroleerde hydrodynamische omstandigheden de depositie en verwijdering kinetica te meten in het diffusie regime. Het effect van chemische additieven, zoals HCl en surfactanten, op het depositiegedrag werd ook bestudeerd. In pure alcohol wordt het depositie gedrag bepaald door de relatieve lading van het deeltje ten opzichte van het oppervlakte. Initieel, wanneer de oppervlaktebedekking door deeltjes klein is, wordt de deeltjesdepositie gedreven door diffusie. Verder in de tijd, wanneer een significant gedeelte van het oppervlak bedekt is, vertragen de elektrostatische afstotende krachten tussen de deeltjes dit proces. Dit resulteert in een lage maximale deeltjesbedekking van het oppervlak. Het toevoegen van HCl resulteert in een algemene toename van de ionsiche sterkte, en bijgevolg in een toename van de oppervlaktepotentialen van zowel het deeltje als het oppervlak, waardoor er zelfs depositie van deeltjes wordt waargenomen

Academic collection --- 66 --- 669 --- Chemical technology. Chemical and related industries --- Metallurgy --- Theses --- 669 Metallurgy --- 66 Chemical technology. Chemical and related industries