硅片清洗技術及發(fā)展

胡雅倩

(中國電子科技集團有限公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

隨著現階段半導體行業(yè)的飛速發(fā)展，為了增加襯底片的使用效率以及獲得更好的產品效果，集成電路和功率器件尺寸越來越小，這也對襯底片的潔凈度要求越來越高[1]。我們所使用的硅片是由硅單晶棒切割得到的，在硅片的表面，晶格由于切割的作用而被破壞，使切割后的硅片表面布滿了不飽和懸掛鍵。懸掛鍵是一種活性很高的化學鍵，十分容易和雜質粒子發(fā)生吸附，從而使硅片被污染，質量下降。其中顆粒雜質會導致硅片的介電強度降低，金屬離子會增大光伏電池 P-N結的反向漏電流和降低少子壽命，H2O則會加劇硅表面的腐蝕[2]。硅片的清洗不僅是為了去除硅片表面所吸附的雜質粒子，更是為了降低硅片的表面活性，使其鈍化，降低它的吸附能力。

1 幾種常見的硅片清洗方法

1.1 傳統(tǒng)RCA清洗法

硅片的RCA清洗法是一種常見并且使用時間最久的濕法清洗工藝。RCA清洗法在清除硅片表面的有機物殘余以及金屬粒子殘余上有很好的效果。目前通用的 RCA 清洗技術分為 4步(SPM、DHF、SC-1、SC-2)。SPM 即體積分數為 98%的 H2SO4和 30%的 H2O2按照 4∶1比例配置而成，在 120～150℃具有極強的氧化性，可以將硅片表面粘附的有機物氧化為 H2O 和 CO2，從而有效去除有機物雜質。DHF即稀HF溶液，HF∶H2O為1∶100～1∶250，可以有效去除硅片表面的自然氧化層和金屬離子[3]。SC-1經常被稱為一號液，由NH3·H2O、H2O2和H2O按照相應的配比混合加熱而成，對去除殘留在硅片表面的殘留物粒子有著很好效果。SC-2被稱之為二號液，由HCl、H2O2和H2O按按照相應的配比混合加熱而成，對于去除硅片表面的金屬雜質殘留有著很好的效果。目前所使用的 RCA清洗工藝需使用很多對環(huán)境不友好的化學試劑，如果大批量使用，對環(huán)境的破壞比較嚴重，因此對于RCA清洗工藝的改進刻不容緩。

1.2 超聲波清洗法

在目前的半導體工業(yè)生產中，超聲波清洗是最常見的一種清洗方法。超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的[4]。在超聲波清洗中清洗效果和超聲條件息息相關，超聲清洗的溫度、超聲清洗機的頻率、機器的功率都決定了最后的清洗效果。雖然提高超聲機頻率會使清洗效果更好，但是對于很薄的晶片，過高的超聲頻率會導致碎片產生。在目前的半導體生產行業(yè)中，超聲波清洗技術已經基本實現了自動化操作，使得清洗效率得到了提高，節(jié)約了人工成本。超聲清洗過程中所使用的清洗劑普遍易揮發(fā)，自動化的操作也保證了人工安全。超聲清洗也存在自己的弊端，對于小顆粒雜質的清洗，它的清洗效果并不理想，需要與其他清洗方法相結合。

1.3 兆聲波清洗技術

兆聲波清洗工藝是一種以超聲波清洗為基礎而研發(fā)的新興半導體清洗技術，和傳統(tǒng)的超聲波清洗原理類似，不過其使用的聲波頻率高達 500kHz～499GHz，這樣既保存了原有超聲波清洗的技術優(yōu)勢，又對超聲波清洗的技術劣勢加以改善。其原理是利用聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，由高能頻振效應結合化學清洗劑的化學反應對硅片進行清洗[5]。兆聲波能夠清洗干凈超聲波清洗不能去除的小顆粒雜質，不需要后續(xù)再使用化學試劑去除，所以兆聲波清洗對晶片表面的損傷更小，同時在兆聲波清洗中無需更換清洗槽，減少了晶片在清洗過程中與空氣的接觸，有效避免了二次污染。但是，兆聲波清洗并不是完美的，在使用過程中兆聲波清洗機的機器壽命較短，很多部件易損耗，且清洗過程會使用相應的化學試劑和純水。

2 展 望

隨著半導體行業(yè)的飛速發(fā)展，相關行業(yè)對半導體晶片的質量要求越來越高，這不僅僅局限于晶片的電學、光學性質，更對晶片的表面質量和表面狀態(tài)有很高的要求，所以清洗工藝面臨著更大的挑戰(zhàn)，急需改進現有的清洗技術。

①在硅片的清洗過程中應減小對硅片表面的損傷，硅片的表面質量對后續(xù)的加工至關重要，化學試劑的腐蝕性和強氧化性都會對硅片表面造成一定的損傷，可以通過研發(fā)和改進工藝，減少在清洗過程中化學試劑的使用，減少對硅片表面的損傷。

②目前，很多清洗工藝由于成本過高等因素，只適用于實驗室，不能實現產業(yè)化。可以通過尋找替代材料等方法，找到更廉價的材料進行替代，進而使產業(yè)化成為可能。

③濕法清洗的清洗效果很大程度上取決于所使用的化學試劑，不同的化學試劑對于去除不同的雜質和污濁具有不同的效果，因此想要徹底清洗干凈、去除雜質，可能在清洗過程中會先后使用不同的化學試劑進行清洗。完成一個清洗流程會有很多步驟，既繁瑣又會產生很多廢液，后續(xù)處理廢液既提高成本又破壞環(huán)境。簡化濕化清洗的工藝，可以通過研發(fā)新型的活性劑和螯合劑來提高清洗效率[6]。

3 結 論

目前，用于硅片的清洗方法有很多種，并非僅僅局限于上文提到的幾種方法，每種方法各有利弊，應根據實際的生產和實驗需要進行選擇。隨著人們環(huán)保意識的逐漸增強以及國家不斷出臺相應的環(huán)境治理政策，我們所使用的清洗方法也要向著更環(huán)保、更經濟、更綠色的方向發(fā)展，實現清洗效果和環(huán)境保護兼顧。