高頻聲波技術在晶圓清洗上的應用

王磊

摘 ?要：聲表面波器件作為一種新型的電子器件，近年來備受關注。它在科學研究領域取得了很大的進展，并在現代無線通信領域得到了廣泛的應用。本文對高頻聲表面波器件用壓電晶圓清洗技術進行了重點論述。

關鍵詞：高頻聲表面波器件;半導體晶圓;清洗技術

利用兆聲清洗技術清洗后，晶圓表面粘附的顆粒已大幅度降低，顆粒從晶圓表面脫落后，進入兆聲槽內清洗液中，循環過濾清洗液帶走溶液中的顆粒，使顆粒不再沉積在表面上。該清洗技術已成功應用于高頻聲表面波器件批量生產中。

一、聲表面波器件概述

聲表面波是一種能量只集中在彈性體表面附近傳播的波，它具有很多優點：①其傳播速度比電磁波要小5個數量級，利用這一特性不但能使電子設備體積縮小，重量減輕，而且能極大地改善其性能;②在聲表面波傳播途中，可任意存取信號;③完全可利用集成電路技術制造聲表面波器件。作為新型電子器件的聲表面波器件，近年來引起了人們的極大關注和廣泛的應用。而聲表面波器件是利用聲-電換能器的特征對壓電材料基片表面上傳播的聲信號進行各種處理，并完成各種功能的固體器件。它是近代聲學中的表面波理論、壓電學研究成果和微電子技術有機結合的產物。

SAW器件由具有壓電特性的基底材料和在該材料的拋光面上制作的由金屬薄膜組成的相互交錯的叉指狀換能器（IDT）組成。若在IDT電極兩端加入高頻電信號，壓電材料的表面就會產生機械振動并同時激發出與外加電信號頻率相同的表面聲波，這種表面聲波會沿基板材料表面傳播。若在SAW傳播途徑上再制作一對IDT電極，則可將SAW檢測并使其轉換成電信號。IDT叉指狀金屬電極借助于半導體平面工藝技術可制作。

電信號通過叉指發射換能器轉換成聲信號（聲表面波），在介質中傳播一定距離后到達接收叉指換能器，又轉換成電信號。在這電-聲-電轉換傳遞過程中進行處理加工，從而得到對輸入電信號模擬處理的輸出電信號。

二、晶圓清洗技術的發展

1、超聲清洗技術。該技術最早出現于20世紀30年代早期，并在20世紀50年代有了很大的發展。超聲波可對工件施加非常巨大的能量，尤其適用于清除牢固附著在基底上的污垢。超聲清洗在強烈的超聲波作用下（常用的超聲波頻率為22～120kHz），液體內部會產生疏部和密部，疏部產生近乎真空的空腔泡，當空腔泡消失的瞬間，其附近會產生強大的局部壓力，使分子內的化學鍵斷裂，因此使晶片表面的雜質解吸附。超聲清洗對去除直徑≥ 0.4?m的附著顆粒較為有效，對直徑在 O.2?m以下的附著顆粒清除效果不佳，不能滿足亞微米線寬高頻SAW器件清洗工藝要求，必須引入兆聲清洗技術。

2、兆聲清洗技術。兆聲清洗在1～3MHz頻率范圍內的聲波作用下，利用高頻振動效應并結合化學清洗劑的化學反應對晶圓進行清洗。清洗時只以高速的流體波連續沖擊晶片表面，使晶片表面附著的污染物和亞微米級顆粒被強制除去并進入到清洗液中。兆聲去除顆粒度與聲波流的空穴作用、氣體溶解度和振蕩效應都有關系。兆聲清洗頻率較高，不同于會產生駐波的超聲波清洗，兆聲清洗不會損傷晶片，同時在兆聲清洗過程中，無機械移動部件，因此可減少在清洗過程本身所造成的沾污。目前，兆聲清洗與傳統的濕法工藝相結合，已成為高頻SAW器件拋光晶圓清洗的一種有效方法。此外，兆聲清洗與28kHz、48kHz、68kHz等傳統的超聲波清洗相比，兆聲清洗適用于更高潔凈度的清洗行業，其被廣泛應用于半導體硅片、高清鏡頭、顯示屏等清洗行業。

三、壓電晶圓兆聲清洗技術

高頻SAW器件用壓電晶圓基本清洗工藝流程為：晶圓片準備→酸性洗液浸泡→體積清洗液+超聲→溢流沖洗→QDR-1快排沖洗→堿性過氧化氫清洗液+兆聲→QDR-2快排沖洗。

晶圓表面清除顆粒沾污必須克服范德瓦爾斯附著力（Van der Waals），把顆粒與晶圓層分離開，需利用相應濃度的堿性過氧化氫清洗液兆聲清洗物理和化學綜合作用有效去除亞微米級小顆粒，提高去除顆粒的效率和效果。

四、壓電晶圓兆聲清洗實驗

1、實驗方案。將鉭酸鋰拋光片分組進行實驗，分別放入堿性過氧化氫清洗液中在槽式清洗機中（超聲、兆聲功率均為300W）清洗。

2、兆聲清洗實驗結果。

1）去除晶圓表面有機污染雜質。在晶圓表面滴水檢測接觸角、光學接觸角測量儀滴水檢測。接觸角≤18°為合格，晶片表面無有機污染物，接觸角越小表明晶圓表面受有機污染越小，其表面潔凈度越高。同樣的清洗時間、溫度條件下，堿性過氧化氫清洗液濃度以8.38%效果最好，得到接觸角等于10°以下的超潔凈的晶圓表面結果。

2）去除直徑≤ 0.2?m微小顆粒污染雜質在同一臺清洗機相同時間、溫度條件下進行兆聲清洗，8.38%堿性過氧化氫清洗液效果最好，去除微小顆粒達95%。采用粒子檢測儀檢測晶圓表面顆粒度，清洗后晶圓表面尺寸≤0.2?m的殘余微小顆粒較少。

五、兆聲清洗技術在生產中的應用

在現有清洗設備基礎上，改進的兆聲清洗技術在亞微米線寬高頻SAW器件生產中提高了清洗效果，從而有效地提升了其合格率，已成功用于亞微米線寬高頻SAW器件生產，低濃度過氧化氫清洗液兆聲清洗大量節約了化學品，去離子水的消耗量大幅度地減少，這不僅降低了成本，而且降低了對環境的污染。

六、高頻聲表面波器件今后的發展趨勢

高頻聲表面波器件在現代無線通訊領域的應用范圍越來越廣泛，在要求高頻的同時，也要求較高的穩定性和較好的綜合性能。

針對聲表面波器件的頻率越來越高，高頻聲表面波器件的制備研究正沿著3個方向進行：

1、薄膜材料的應用，隨著聲表面波器件使用頻率的提高，各種性能的薄膜材料將越來越多地應用于聲表面波器件的制作。

2、電極的刻蝕技術，由光刻到電子束刻蝕、X射線刻蝕等，能制出周期越來越小的電極。

3、基體材料越來越硬，以便獲得很高的聲速，金剛石在所有材料中具有最高的楊氏模量，能得到最高的聲表面波傳播速度，成為制作高頻聲表面波器件基體的首選材料。

綜上所述，隨著3G、4G通信系統的發展和應用，2GHz以上低損耗聲表面波（SAW）濾波器已成為系統射頻前端信號處理的主要器件，SAW濾波器芯片最細指寬達0.2?m，大面積、亞微米工藝已成為當前SAW器件制造的主流工藝。傳統的超聲和刷片清洗技術雖能去除晶圓表面的大尺寸顆粒污染，但對亞微米級小顆粒去除有限，而刷子直接接觸晶圓表面，易造成劃傷，壓電晶圓具有熱釋電效應特性，易吸附顆粒，已不能滿足亞微米線寬高頻SAW器件的生產要求。為了改變這一現象，在不破壞晶圓表面特性的前提下，開展了壓電晶圓堿性過氧化氫清洗液兆聲清洗技術的研究，利用物理與化學綜合作用，對壓電晶圓表面的微小顆粒解吸而離開晶圓表面進行清洗。

參考文獻

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