硅片清洗的方法

硅片清洗的方法一、 硅片清洗的重要性硅片清洗是半导体器件制造中最重要最频繁的步骤， 而且其效率将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性。现在人们已研制出了很多种可用于硅片清洗的工艺方法和技术， 常见的有： 湿法化学清洗、超声清洗法、兆声清洗法、鼓泡清洗法、擦洗法、高压喷射法、离心喷射法、流体力学法、流体动力学法、干法清洗、微集射束流法、激光束清洗、冷凝喷雾技术、气相清洗、非浸润液体喷射法、硅片在线真空清洗技术、 RCA标准清洗、 等离子体清洗、原位水冲洗法等。这些方法和技术现已广泛应用于硅片加工和器件制造中的硅片清洗。表面沾污指硅表面上沉积有粒子、 金属、 有机物、 湿气分子和自然氧化物等的一种或几种。超纯表面定义为没有沾污的表面 , 或者是超出检测量极限的表面。二、硅片的表面状态与洁净度问题：硅片的真实表面由于暴露在环境气氛中发生氧化及吸附， 其表面往往有一层很薄的自然氧化层，厚度为几个埃、几十个埃甚至上百埃。真实的硅片表面是内表面和外表面的总合，内表面是硅与自然氧化层的界面， 。 外表面是自然氧化层与环境气氛的界面， 它也存在一些表面能级，并吸附一些污染杂质原子， 而且不同程度地受到内表面能级的影响，可以与内表面交换电荷，外表面的吸附现象是复杂的。完好的硅片清洗总是去除沾污在硅片表面的微粒和有害膜层， 代之以氧化物的、 氯化物的或其它挥发元素 (或分子 ) 的连续无害膜层， 即具有原子均质的膜层。 硅片表面达到原子均质的程度越高．洁净度越高。三、硅片表面沾污杂质的来源和分类：在硅片加工及器件制造过程中， 所有与硅片接麓的外部媒介都是硅片沾污杂质的可能来源。这主要包括以下几方面：硅片加工成型过程中的污染，环境污染，水造成的污染，试剂带来的污染，工业气体造成的污染，工艺本身造成的污染，人体造成的污染等。表 1. 硅片表面沾污杂质的分类分类依据 沾污类别沾污杂质的形态 微粒型污染质、膜层污染质吸附力的性质 物理吸附型杂质、化学吸附型杂质被吸附物质的存在形态 分子型、原子型、离子型吸附杂质物化性质 有机沾污、无机盐、金属离子 ( 原子 )和机械微粒等四、清洗方法（一） RCA清洗：RCA 由 Werner Kern 于 1965年在 N.J.Princeton 的 RCA 实验室首创 , 并由此得名。 RCA 清洗是一种典型的湿式化学清洗。 RCA 清洗主要用于清除有机表面膜、粒子和金属沾污。1、颗粒的清洗硅片表面的颗粒去除主要用 APM ( 也称为 SC1) 清洗液 (NH4OH + H2O2 + H2O) 来清洗。在 APM 清洗液中 , 由于 H2O2的作用 , 硅片表面有一层自然氧化膜 (SiO2) , 呈亲水性 , 硅片表面和粒子之间可用清洗液浸透 , 硅片表面的自然氧化膜和硅被 NH4OH 腐蚀 , 硅片表面的粒子便落入清洗液中。粒子的去除率与硅片表面的腐蚀量有关 , 为去除粒子 , 必须进行一定量的腐蚀。 在清洗液中 , 由于硅片表面的电位为负 , 与大部分粒子间都存在排斥力 , 防止了粒子向硅片表面吸附。表 2常用的化学清洗溶液名称 组成 作用SPM H2SO4∶ H2O2∶ H2O 去除重有机物沾污。 但当沾污非常严重时 , 会使有机物碳化而难以去除DHF HF∶ (H2O2)∶ H2O 腐蚀表面氧化层 , 去除金属沾污APM(SC1) NH4OH∶ H2O2∶ H2O 能去除粒子、 部分有机物及部分金属。 此溶液会增加硅片表面的粗糙度HPM(SC2) HCl∶ (H2O2)∶ H2O 主要用于去除金属沾污2、表面金属的清洗(1) HPM (SC22) 清洗(2) DHF清洗硅片表面的金属沾污有两种吸附和脱附机制 : (1) 具有比硅的负电性高的金属如Cu ,Ag , Au , 从硅表面夺取电子在硅表面直接形成化学键。具有较高的氧化还原电位的溶液能从这些金属获得电子 , 从而导致金属以离子化的形式溶解在溶液中 , 使这种类型的金属从硅片表面移开。 (2) 具有比硅的负电性低的金属 , 如 Fe , Ni ,Cr , Al , Ca , Na , K能很容易地在溶液中离子化并沉积在硅片表面的自然氧化膜或化学氧化膜上。 这些金属在稀HF 溶液中能随自然氧化膜或化学氧化膜容易地除去。3、有机物的清洗硅片表面有机物的去除常用的清洗液是 SPM。 SPM 具有很高的氧化能力 , 可将金属氧化后溶于溶液中 , 并能把有机物氧化生成 CO2 和水。 SPM 清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属 , 但是当有机物沾污较重时会使有机物碳化而难以去除。经 SPM 清洗后 , 硅片表面会残留有硫化物 , 这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。（二）气相干洗气相干洗是在常压下使用 HF 气体控制系统的湿度。先低速旋转片子 , 再高速使片子干燥 , HF 蒸气对由清洗引起的化学氧化膜的存在的工艺过程是主要的清洗方法。另一种方法是在负压下使 HF 挥发成雾。 低压对清洗作用控制良好 , 可挥发反应的副产品 , 干片效果比常压下好。并且采用两次负压过程的挥发 , 可用于清洗较深的结构图形 , 如对沟槽的清洗。MMST 工程主要目标是针对高度柔性的半导体制造业而开发具有快速周期的工艺和控制方法。 能够通过特定化学元素以及成分直接对硅片表面进行清理， 避免了液体带来的成分不均匀和废液的回收问题，同时节约了成本。1、氧化物去除：用气相 HF/水汽去除氧化物，所有的氧化物被转变为水溶性残余物 , 被水溶性去除。绕开了颗粒清除过程，提高了效率。2、金属化后的腐蚀残余物去除：气相 HF/氮气工艺用于去除腐蚀残余物，且金属结构没有被钻蚀。这个工艺避免了昂贵而危险的溶剂的使用 , 对开支、健康、安全和环境等因素都有积极的影响。3、氮化硅和多晶硅剥离：在远离硅片的一个陶瓷管中的微波放电产生活性基 , 去除硅片上的氮化硅和多晶硅 , 位于陶瓷管和硅片之间的一块挡板将气体分散并增强工艺的均匀性 , 剥离工艺使用NF3,Cl2,N2 和 O2的组合分别地去除 Si3N4, 然后去除多晶硅。4、炉前清洗：用气相 HF/HCl 气体进行炉前清洗并后加一个原位水冲洗过程 , 金属粒子的沾污被去除到了总反射 X射线荧光光谱学 (XRF) 的探测极限范围之内。5、金属化前 , 等离子腐蚀后和离子注入后胶的残余物去除 : 臭氧工艺以及气相 HF/氮气工艺还需进一步的改进才能应用。但是有一种微剥离工艺，用 SC1/超声过程去除最后的颗粒。五、硅片清洗技术的发展未来伴随着硅片的大直径化 , 器件结构的超微小化、 高集成化 , 对硅片的洁净程度、 表面的化学态、微粗糙度、 氧化膜厚度等表面状态的要求越来越高。 同时 , 要求用更经济的、 给环境带来更少污染的工艺获得更高性能的硅片。 高集成化的器件要求硅片清洗要尽量减少给硅片表面带来的破坏和损伤。到目前为止 , 清洗已不再是一个单一的步骤 , 而是一个系统工程。 针对上述所讨论的几种硅片清洗方法 , 湿式化学清洗不会很快消失 , 干式清洗将因要求而定。 这样 , 干式清洗和湿式化学清洗将并行发展。参 考 文 献1. 刘传军等，硅片清洗原理与方法综述，半导体情报，第 37卷，第 2期， 2000年 4月。2. 刘红艳等，硅片清洗及最新发展，中国稀土学报，第 21卷，增刊， 2003年 12月。3. 郭运德，硅片清洗方法探讨，上海有色金属，第 20卷，第 4期， 1999年 12月。4. R.Allen.Bowling 等， MMST硅片清洗，微电子技术，第 23卷，第 3期， 1995年 6月。5. Butterbaugh.J.W. Surface contamination control using grated cleaning. Semcond lnte,1998.