硅片清洗原理与方法介绍

硅片清洗原理与方法介绍1 引言硅片经过切片、倒角、研磨、表面处理、抛光、外延等不同工序加工后，表面已经受到严重的沾污， 清洗的目的就是为了去除硅片表面颗粒、 金属离子以及有机物等污染。2 硅片清洗的常用方法与技术在半导体器件生产中，大约有 20％的工序和硅片清洗有关，而不同工序的清洗要求和目的也是各不相同的，这就必须采用各种不同的清洗方法和技术手段，以达到清洗的目的。由于晶盟现有的清洗设备均为 Wet-bench 类型，因此本文重点对湿法化学清洗的基本原理、常用方法及其它与之密切相关的技术手段等进行论述3． 1 湿法化学清洗化学清洗是指利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应或溶解作用，或伴以超声、加热、抽真空等物理措施，使杂质从被清除物体的表面脱附 （解吸） ， 然后用大量高纯热、 冷去离子水冲洗，从而获得洁净表面的过程。 化学清洗又可分为湿法化学清洗和干法化学清洗， 其中湿法化学清洗技术在硅片表面清洗中仍处于主导地位， 因此有必要首先对湿法化学清洗及与之相关的技术进行全面的介绍。3． 1． 1 常用化学试剂 、 洗液的性质常用化学试剂及洗液的去污能力， 对于湿法化学清洗的清洗效率有决定性的影响， 根据硅片清洗目的和要求选择适当的试剂和洗液是湿法化学清洗的首要步骤。污染源种类 清洗方法微粒湿式化学清洗 APM（ NH4OH-H2O2-H2O ）机械式清洗Ultrasonic Brush-scrubbing Jet-scrubbing 金属 湿式化学清洗HPM（ HCL-H2O2-H2O ）SPM（ H2SO4-H2O2-H2O ）DHF（ HF-H2O ）FPM（ HF-H2O2-H2O ）干式化学清洗 CL2+UV （ 〈 400nm〉有机物湿式化学清洗SPM（ H2SO4-H2O2-H2O ）APM（ NH4OH-H2O2-H2O ）Ozone-water 干式化学清洗 UV/O3 O2-plasma 自然氧化层 湿式化学清洗DHF（ HF-H2O ）BHF（ HF-NH4F-H2O ）干式化学清洗 HF-vapor 表一、用以清除 particle、 metal、 organic、 nature-oxide 的适当化学液3． 1． 2 溶液浸泡法溶液浸泡法就是通过将要清除的硅片放入溶液中浸泡来达到清除表面污染目的的一种方法， 它是湿法化学清洗中最简单也是最常用的一种方法。 它主要是通过溶液与硅片表面的污染杂质在浸泡过程中发生化学反应及溶解作用来达到清除硅片表面污染杂质的目的。选用不同的溶液来浸泡硅片可以达到清除不同类型表面污染杂质的目的。 如采用有机溶剂浸泡来达到去除有机污染的目的， 采用 1 号液 （即 SC1， 包含 H2O2、NH3OH 化学试剂以及 H2O） 浸泡来达到清除有机、无机和金属离子的目的， 采用 2 号液 （即 SC2， 包含 HCL、 H2O2 化学试剂以及 H2O） 浸泡来达到清除 AL、Fe、 Na 等金属离子的目的。单纯的溶液浸泡法其效率往往不尽人意，所以在采用 SC1 浸泡的同时往往还辅以加热、超声或兆声波、摇摆等物理措施。3． 1． 3 超声波清洗技术超声波清洗是半导体工业中广泛应用的一种清洗方法， 该方法的优点是： 清洗效果好， 操作简单， 对于复杂的器件和容器也能清除， 但该法也具有噪音较大、换能器易坏的缺点。该法的清理原理如下： 在强烈的超声波作用下 （常用的超声波频率为 20kHz到 40kHz 左右），液体介质内部会产生疏部和密部，疏部产生近乎真空的空腔泡，当空腔泡消失的瞬间，其附近便产生强大的局部压力，使分子内的化学键断裂，因此使硅片表面的杂质解吸。当超声波的频率和空腔泡的振动频率共振时，机械作用力达到最大，泡内积聚的大量热能，使温度升高，促进了化学反应的发生。超声波清洗的效果与超声条件（如温度、压力、超声频率、功率等）有关，而且提高超声波功率往往有利于清洗效果的提高，但对于小于 1μm 的颗粒的去除效果并不太好。该法多用于清除硅片表面附着的大块污染和颗粒。3． 1． 4 兆声波清洗技术兆声波清洗不但保存了超声波清洗的优点， 而且克服了它的不足。 兆声波清洗的机理是由高能（ 850kHz ）频振效应并结合化学清洗剂的化学反应对硅片进行清洗的。在清洗时，由换能器发出波长为 1． 5μm 频率为 0． 8 兆赫的高能声波。溶液分子在这种声波的推动下作加速运动，最大瞬时速度可达到 30cm ／ s。因此形成不了超声波清洗那样的气泡，而只能以高速的流体波连续冲击晶片表面，使硅片表面附着的污染物和细小微粒被强制除去并进入到清洗液中。兆声波清洗抛光片可去掉晶片表面上小于 0． 2μm 的粒子， 起到超声波起不到的作用。 这种方法能同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的作用。 目前兆声波清洗方法已成为抛光片清洗的一种有效方法。3． 1． 5 旋转喷淋法旋转喷淋法是指利用机械方法将硅片以较高的速度旋转起来， 在旋转过程中通过不断向硅片表面喷液体 （高纯去离子水或其它清洗液） 而达到清除硅片目的的一种方法。该方法利用所喷液体的溶解（或化学反应）作用来溶解硅片表面的沾污，同时利用高速旋转的离心作用，使溶有杂质的液体及时脱离硅片表面， 这样硅片表面的液体总保持非常高的纯度。 同时由于所喷液体与旋转的硅片有较高的相对速度，所以会产生较大的冲击力达到清除吸附杂质的目的。因此， 可以说旋转喷淋法既有化学清洗、流体力学清洗的优点， 又有高压擦洗的优点。 同时该法还可以与硅片的甩干工序结合在一起进行。 也就是在采用去离子水喷淋清洗一段时间后，停止喷水， 而采用喷惰性气体， 同时还可以通过提高旋转速度，增大离心力，使硅片表面很快脱水。目前，上海合晶有一台 FSI 清洗机就是采用这种清洗方式。3． 1． 5 晶盟所使用的清洗方式介绍：3.1.5.1 SC-1 清洗：⑴ 目的：主要是去除颗粒沾污（粒子）也能去除部分金属杂质。⑵ 去除颗粒及有机物的原理：硅片表面由于 H2O2氧化作用生成氧化膜（约 6nm呈亲水性），该氧化膜又被 NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。由于 H2O2的氧化作用，硅片表面的有机物会被分解成 CO2和H2O而被除去。⑶反应方程式： Si+H2O2→ SiO2+H2O ； CxHyOz CO 2+H2O H2O2 氧化3.1.5.2 SC-2 清洗：⑴ 原理： 清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生， 在酸性溶液中不易发生， 并具有较强的去除晶片表面金属的能力， 但经 SC-1洗后虽能去除 Cu 等金属，而晶片表面形成的自然氧化膜的附着（特别是 Al ）问题还未解决。硅片表面经 SC-2液洗后， 表面 Si 大部分以 O 键为终端结构， 形成一层自然氧化膜，呈亲水性。由于晶片表面的 SiO2 和 Si 不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。⑵相关化学反应方程式 : SC-2 是 H2O2和 HCL的酸性溶液，它具有极强的氧化性和络合性，能与氧以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与 CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。Si+H2O2→ SiO2+H2O ； Zn+2HCL → ZnCL2+H2 Fe+2HCL→ FeCL2+H2 ； Mg+2HCL→ MgCL+H2 2AL+6HCL=2ALCL3+3H23.1.5.3 HF清洗：⑴、原理：a、 在 DHF洗时，可将由于用 SC-1 洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉，而 Si 几乎不被腐蚀。b、 硅片最外层的 Si 几乎是以 H 键为终端结构，表面呈疏水性。c、 在酸性溶液中， 硅表面呈负电位， 颗粒表面为正电位， 由于两者之间的吸引力，粒子容易附着在晶片表面。d、 用 HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中，同时 HF清洗可抑制自然氧化膜的形成。故可容易去除表面的 Al 、 Fe、 Zn、 Ni 等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分 Cu等贵金属（氧化还原电位比氢高），会附着在硅表面， HF 清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。⑵ 、反应方程式：SiO2+6HF（ aq）→ H2（ g） +SiF6（ g） +2H2O（ g）4 结束语随着半导体工业的发展， 对硅片表面洁净度的要求也越来越高， 这在一定程度上促进了硅片清洗技术的发展，也促进了人们对硅片清洗工艺的研究。当前， 湿法化学清洗技术在硅片表面清洗中仍处于主导地位。但在今后，由于化学试剂的存放以及环境问题， 湿法化学清洗技术的使用会逐渐减少。 据测算，目前某些半导体工厂用于超纯水的费用将接近 30 亿美元。为了降低成本，减少水的消耗是一方面， 采用自动在线硅片清洗技术也是很重要的一方面。 一种好的清洗方法应能带来以下益处： 较高的电路成品率、 低水耗、 低污染、 低设备成本。国际上抛光片的清洗标准是开盒即用 （也就是经清洗封装后的抛光片， 从片盒里取出后即可以投入到器件工艺中直接使用而不需要额外的清洗步骤） 。 国内硅片清洗多采用以湿法化学清洗为主的清洗工艺， 由于设备、 工艺方法等方面还比较落后， 特别是超净环境往往达不到相应的级别， 所以往往还达不到开盒即用的标准。尽管到目前为止，非在线式硅片清洗技术已有了很大的发展，但是清洗设备本身所产生的污染问题却一直没能彻底解决， 从而成为影响成品率的一个重要因素。因此人们迫切需要一种新方法，能够在线清除在硅片的取放、传输、升降、托盘旋转、设备抽气、排气以及反应室物理化学反应过程中所产生的污染。总之， 硅片清洗的发展趋势是全自动在线干法清洗技术， 特别是随着硅片尺寸的大直径化，一些落后的非自动非在线清洗工艺必将被淘汰。