硅片表面污染及清洗機(jī)理

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在半導(dǎo)體材料的制備過(guò)程中，每一道工序都涉及到清洗，而且清洗的好壞直接影響下一道工序，甚至影響器件的成品率和可靠性。

由于ULSI集成度的迅速提高和器件尺寸的減小，對(duì)于晶片表面沾污的要求更加嚴(yán)格，ULSI工藝要求在提供的襯底片上吸附物不多于500個(gè)/m2×0.12um，金屬污染小于 1010atom/cm2。晶片生產(chǎn)中每一道工序存在的潛在污染，都可導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生和器件的失效。因此，硅片的清洗引起了專(zhuān)業(yè)人士的重視。

以前很多廠家都用手洗的方法，這種方法人為的因素較多，一方面容易產(chǎn)生碎片，經(jīng)濟(jì)效益下降，另一方面手洗的硅片表面潔凈度差，污染嚴(yán)重，使下道工序化拋腐蝕過(guò)程中的合格率較低。所以，硅片的清洗技術(shù)引起了人們的重視，找到一種簡(jiǎn)單有效的清洗方法是當(dāng)務(wù)之急。本文介紹了一種超聲波清洗技術(shù)，其清洗硅片的效果顯著，是一種值得推廣的硅片清洗技術(shù)。    硅片表面污染的原因：

晶片表面層原子因垂直切片方向的化學(xué)鍵被破壞而成為懸空鍵，形成表面附近的自由力場(chǎng)，尤其磨片是在鑄鐵磨盤(pán)上進(jìn)行，所以鐵離子的污染就更加嚴(yán)重。同時(shí)，由于磨料中的金剛砂粒徑較大，造成磨片后的硅片破損層較大，懸掛鍵數(shù)目增多，極易吸附各種雜質(zhì)，如顆粒、有機(jī)雜質(zhì)、無(wú)機(jī)雜質(zhì)、金屬離子、硅粉粉塵等，造成磨片后的硅片易發(fā)生變花、發(fā)藍(lán)、發(fā)黑等現(xiàn)象，使磨片不合格。硅片清洗的目的就是要除去各類(lèi)污染物，清洗的潔凈程度直接決定著ULSI向更高集成度、可靠性、成品率發(fā)展，這涉及到高凈化的環(huán)境、水、化學(xué)試劑和相應(yīng)的設(shè)備及配套工藝，難度越來(lái)越大，可見(jiàn)半導(dǎo)體行業(yè)中清洗工藝的重要性。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備：TE-6000硅片清洗機(jī)
　　實(shí)驗(yàn)使用的試劑：有機(jī)堿、Q325-B清洗劑、活性劑、去離子水、助磨劑

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程
（1）超聲波清洗的基本原理
　　利用28KHz以上的電能，經(jīng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳入到清洗液中。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射，使液體流動(dòng)，并不停地產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡。這些氣泡是在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成及生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速閉合。這種微小氣泡的形成、生成迅速閉合稱為空化現(xiàn)象，在空化現(xiàn)象中氣泡閉合時(shí)形成超過(guò)1000個(gè)大氣壓的瞬時(shí)高壓，連續(xù)不斷產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓，像一連串小爆炸不停地轟擊物體表面，使物體及縫隙中的污垢迅速剝落。這種空化侵蝕作用就是超聲波清洗的基本原理。

（2）清洗工藝流程
　　自動(dòng)上料→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→堿液＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→堿液＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→堿液＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)＋溢流→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)＋溢流→自動(dòng)下料
（3）清洗液的最佳配比的確定
　　取4″及500祄厚的硅片做十組實(shí)驗(yàn)，固定5分鐘清洗時(shí)間及超聲清洗的溫度，見(jiàn)下面列表。
　　從表中觀察不同條件下硅片表面，用熒光燈照射表面可清楚看出硅表面的潔凈程度。因此得出清洗液的最佳配比為 活性劑:清洗劑: 去離子水=0.10:1.00:7.0
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)清洗劑的濃度越低，越有利于水的清洗，但清洗劑的濃度不能低于15%，否則清洗效果反而降低。
（4）超聲清洗時(shí)間的確定
　　將磨片分為十組，以上述最佳配比為清洗液超聲清洗，按不同的時(shí)間分為十批清洗， 清洗時(shí)間分別是1，2，3，4，5，6，7，8，9，10min。同時(shí)用去離子水代替清洗液同樣條件下做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論， 清洗劑的清洗效果明顯好于去離子水，而且超聲清洗時(shí)間在3min清洗效果就已經(jīng)比較理想了。
（5）超聲清洗溫度的確定
　　非離子表面活性劑在液固界面的吸附量隨溫度升高而增加。這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)非離子表面活性劑與水完全混溶，親水基聚氧乙烯與水形成的氫鍵能量低，當(dāng)溫度升高后，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，致使氫鍵破壞，使非離子表面活性劑在水中的溶解度下降，溫度升高到一定值時(shí)，非離子表面活性劑從水溶液中析出變混濁，此溫度即為濁點(diǎn)。因此溫度升高時(shí)非離子表面活性劑逃離水的趨勢(shì)增強(qiáng)，吸附量增大。溫度對(duì)非離子表面活性劑的去污能力的影響是明顯的，當(dāng)溫度接近于濁點(diǎn)時(shí)，清洗效果最好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出30～50℃之間均可，但45℃為最佳。
（6）掃描電子顯微鏡的觀察
　　通過(guò)掃描電子顯微鏡能譜分析可以得出：研磨片的表面黑點(diǎn)主要是顆粒污染物和碳元素聚集物。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
（1） 硅片經(jīng)過(guò)磨片工序后，一直使硅片處于去離子水中浸泡狀態(tài)，這樣在經(jīng)過(guò)清洗機(jī)清洗后表面潔凈，在化拋后尤為明顯， 化拋后硅片表面相當(dāng)光澤干凈，使其合格率大大提高；若由于工藝需要測(cè)試硅片厚度或電阻率，使其脫離水后，在重新清洗后的硅片化拋時(shí)， 表面大多數(shù)會(huì)出現(xiàn)暗花及不明顯的污染痕跡，直觀表面較差。
（2） 清洗次數(shù)對(duì)清洗效果有很大影響，清洗次數(shù)多的硅片比清洗次數(shù)少的硅片表面光潔，這就要求在以后的探索中如何控制清洗液的時(shí)效性，如清洗四英寸硅片達(dá)500片時(shí)，需及時(shí)更換清洗液。
（3）適當(dāng)加入有機(jī)堿，利用堿的腐蝕性，絡(luò)合硅片表面的金屬離子，以加快清洗的速度，提高清洗的效率。

近幾年來(lái)，時(shí)代超聲以前所未有的發(fā)展速度向半導(dǎo)體、太陽(yáng)能硅片制造領(lǐng)域挺進(jìn)，自2000年以來(lái)市場(chǎng)銷(xiāo)售額以每年60%的速度遞增。尤其是近幾年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的清洗設(shè)備先后有數(shù)十臺(tái)設(shè)備進(jìn)入日立、LG、飛利浦、無(wú)錫尚德、南京中電光伏等多家大型生產(chǎn)線。設(shè)備在生產(chǎn)線上與國(guó)外同類(lèi)設(shè)備并線使用，完全達(dá)到用戶的使用要求。

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