半导体硅片超声波清洗技术

在半导体材料的制备过程中，每一道工序都涉及到清洗，而且清洗的好坏直接影响下一道工序，甚至影响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减小，对于晶片表面沾污的要求更加严格，ULSI工艺要求在提供的衬底片上吸附物不多于500个/m2×0.12um，金属污染小于1010atom/cm2。晶片生产中每一道工序存在的潜在污染，都可导致缺陷的产生和器件的失效。因此，硅片的清洗引起了专业人士的重视。以前很多厂家都用手洗的方法，这种方法人为的因素较多，一方面容易产生碎片，经济效益下降，另一方面手洗的硅片表面洁净度差，污染严重，使下道工序化抛腐蚀过程中的合格率较低。所以，硅片的清洗技术引起了人们的重视，找到一种简单有效的清洗方法是当务之急。本文介绍了一种超声波清洗技术，其清洗硅片的效果显著，是一种值得推广的硅片清洗技术。

硅片表面污染的原因

晶片表面层原子因垂直切片方向的化学键被破坏而成为悬空键，形成表面附近的自由力场，尤其磨片是在铸铁磨盘上进行，所以铁离子的污染就更加严重。同时，由于磨料中的金刚砂粒径较大，造成磨片后的硅片破损层较大，悬挂键数目增多，极易吸附各种杂质，如颗粒、有机杂质、无机杂质、金属离子、硅粉粉尘等，造成磨片后的硅片易发生变花、发蓝、发黑等现象，使磨片不合格。硅片清洗的目的就是要除去各类污染物，清洗的洁净程度直接决定着ULSI向更高集成度、可靠性、成品率发展，这涉及到高净化的环境、水、化学试剂和相应的设备及配套工艺，难度越来越大，可见半导体行业中清洗工艺的重要性。

实验及结果分析

1.实验设备和试剂

实验设备：DJQ-6072硅片清洗机

实验使用的试剂：有机碱、Q325-B清洗剂、活性剂、去离子水、助磨剂

2.实验过程

（1）超声波清洗的基本原理

利用25KHz-28KHz-40KHz以上的电能，经超声波换能器转换成高频机械振荡而传入到清洗液中。超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动，并不停地产生数以万计的微小气泡。这些气泡是在超声波纵向传播的负压区形成及生长，而在正压区迅速闭合。这种微小气泡的形成、生成迅速闭合称为空化现象，在空化现象中气泡闭合时形成超过1000个大气压的瞬时高压，连续不断产生的瞬时高压，像一连串小爆炸不停地轰击物体表面，使物体及缝隙中的污垢迅速剥落。这种空化侵蚀作用就是超声波清洗的基本原理。

（2）清洗工艺流程

自动上料→去离子水＋超声波清洗＋抛动→碱液＋超声波清洗＋抛动→去离子水＋超声波清洗＋抛动→碱液＋超声波清洗＋抛动→碱液＋超声波清洗＋抛动→去离子水＋超声波清洗＋抛动＋溢流→去离子水＋超声波清洗＋抛动＋溢流→自动下料

（3）清洗液的较佳配比的确定

取4″及500祄厚的硅片做十组实验，固定5分钟清洗时间及超声清洗的温度，见下面列表。

从表中观察不同条件下硅片表面，用荧光灯照射表面可清楚看出硅表面的洁净程度。因此得出清洗液的较佳配比为活性剂:清洗剂:去离子水=0.10:1.00:7.0

通过实验发现当清洗剂的浓度越低，越有利于水的清洗，但清洗剂的浓度不能低于15%，否则清洗效果反而降低。

（4）超声清洗时间的确定

将磨片分为十组，以上述较佳配比为清洗液超声清洗，按不同的时间分为十批清洗，清洗时间分别是1，2，3，4，5，6，7，8，9，10min。同时用去离子水代替清洗液同样条件下做对比实验，得出结论，清洗剂的清洗效果明显好于去离子水，而且超声清洗时间在3min清洗效果就已经比较理想了。

（5）超声清洗温度的确定

非离子表面活性剂在液固界面的吸附量随温度升高而增加。这是因为在低温时非离子表面活性剂与水完全混溶，亲水基聚氧乙烯与水形成的氢键能量低，当温度升高后，分子的热运动加剧，致使氢键破坏，使非离子表面活性剂在水中的溶解度下降，温度升高到一定值时，非离子表面活性剂从水溶液中析出变混浊，此温度即为浊点。因此温度升高时非离子表面活性剂逃离水的趋势增强，吸附量增大。温度对非离子表面活性剂的去污能力的影响是明显的，当温度接近于浊点时，清洗效果较好。通过实验得出30～50℃之间均可，但45℃为较佳。

（6）扫描电子显微镜的观察

通过扫描电子显微镜能谱分析可以得出：研磨片的表面黑点主要是颗粒污染物和碳元素聚集物。

3.实验结果和讨论

（1）硅片经过磨片工序后，一直使硅片处于去离子水中浸泡状态，这样在经过清洗机清洗后表面洁净，在化抛后尤为明显，化抛后硅片表面相当光泽干净，使其合格率大大提高；若由于工艺需要测试硅片厚度或电阻率，使其脱离水后，在重新清洗后的硅片化抛时，表面大多数会出现暗花及不明显的污染痕迹，直观表面较差。

（2）清洗次数对清洗效果有很大影响，清洗次数多的硅片比清洗次数少的硅片表面光洁，这就要求在以后的探索中如何控制清洗液的时效性，如清洗四英寸硅片达500片时，需及时更换清洗液。

（3）适当加入有机碱，利用碱的腐蚀性，络合硅片表面的金属离子，以加快清洗的速度，提高清洗的效率。

硅片的清洗在半导体制作过程中十分重要，而磨片的清洗是所有清洗工序中比较困难的。由于使用了清洗机，通过物理渗透作用，使污染颗粒脱离硅片表面，再通过超声波清洗的机械作用和化学腐蚀作用，从而去除污染颗粒，达到了清洗硅片的目的