硅片清洗方法及硅片清洗設備的研發討論

高海軍

浙江海納半導體股份有限公司，中國·浙江 杭州 324300

1 引言

在對硅片的制造和使用過程中，需要對其表面進行清洗，沒有灰塵污物才可以使后續生產工藝順利進行。所以，需要在制造之前對硅片進行清洗，在整個制造流程當中清洗是一個循環頻次最高的過程，硅片的清洗過程比較復雜，清洗過程的重要與難點在于隨著硅片體積的日益減小，半導體集成電路對硅片的敏感性愈來愈高。例如，半導體收音機的生產與加工過程中不可避免要吸收一些粒子與塵埃等污染物，為了降低其他污染物質對器件品質的危害，在實際制造流程中常常要求對硅片進行一次清洗，這一清洗流程復雜繁重，僅僅一次清洗過程就占用了整個半導體收音機制造流程的1/3。由此可見，清洗技術及其清洗裝備的必要性。當前，硅片清洗技術應用最大的是濕法技術，經過不斷的技術革新與完善，濕法施工清洗工藝幾乎已經取代了干法的清洗，并應用于硅片清洗技術中。

2 硅片清洗的必要性

硅片清洗是生產光伏電池和集成電路的關鍵，清除的過程直接關系著光伏電池和集成電路產品的可靠性、質量和安全性。硅片是硅棒上切割下來的，硅片外表的多層晶格處在被破壞的階段，充滿了不飽和的吊鍵，懸吊鍵的活性很強，容易吸收外部的物質顆粒，造成硅片外表遭到破壞且功能惡化。其中顆粒雜質會造成硅片的介電強度下降，而各種金屬粒子則會增加光伏電池P-N 結的反向漏電流和減低各種金屬少子的壽命，而有機物質使抗氧化層的品質劣化，H、O則會增加對硅表層的侵蝕。清洗硅片不但要去掉硅片表層的污物同時還要將硅片表層鈍化，從而減少硅片表層的吸收能量。高尺寸的硅晶片對表層的清洗力需求也十分嚴苛，理論上表面不可以存在各種粒子、金屬分子、有機粘附、水汽、氧化物層等，而數目硅片表層要具備分子級的均勻度，硅片邊界處的懸吊鍵與結氫終止。目前，因為硅片清洗技術的欠缺，在大型集成電路中由于硅材的潔凈度不足而形成問題并至失效的比率已超過了50%，所以優化硅片的清洗工藝非常必要（如圖1 所示）。

圖1 工作人員對硅片進行清洗工作

另外，硅片清洗是硅片生產流程中的一個關鍵步驟，硅片清洗是硅片質量過程中不能缺的關鍵部分。硅片清洗主要用來去除硅面上污染物，保證矽面上均勻的清洗，提高光刻、刻蝕、離子注入等工藝的良性。硅片清洗可以增加刻蝕速度、提高沉積厚度和降低腐蝕，在生產流程中，還可以有效地避免硅晶片的氧化，降低表面瑕疵（如劃痕）的形成，增加光刻準確度和縮短刻蝕所需時間。硅片清洗能夠高效地去除硅片表面上的污染物，確保光刻膠和硅片能夠親密接觸。通過特殊工藝處理后的硅片在清除過程中還可以產生一個保護膜，有效避免污染物粘附于大規模生產晶片上。

3 硅片的主要清洗方法

3.1 刷洗法

刷洗法是目前清洗硅片系統最為普遍的一種方式之一，通常情況下，這種技術可以應用于切削和打磨過的硅片系統清洗上，可以高效去除拋光過的硅片外表粘附的大量污垢和顆粒。洗刷法可以分為單層洗刷或雙面刷洗，在實際工作流程中洗刷法有時候需要和超聲法甚至是化學液沖洗法聯合應用以改善硅片清洗的工作效果和效率。

3.2 化學清洗法

3.2.1 RCA 化學清洗法

在20 世紀60年代，有中國的企業研發并引進了這種化學處理硅片的技術。這些工藝與手段后來都稱之為RCA清洗技術。這種方法主要是使用化學藥劑來實現硅片清洗的目的，目前大部分的廠家所采用的硅片清洗技術都采用RCA 化學技術，由此可見這種技術的使用范圍之廣泛。該清洗方案的過程首先是將兩種標準的清洗液按照順序和比例配制完成，確保該清洗液的工作溫度達到80℃以下，特殊情形下會將清洗液的高溫冷卻至常溫。一號清洗液則是將氫氧化銨溶液和過氧化氫加水按1 ∶1 ∶5 的配比攪拌，再配制為堿式水溶液，來除去硅表面的細顆粒物。該溶劑可以對硅表面的顆粒物進行氧化還原作用，迅速溶解其表層粒子，從而減少了顆粒的表面附著力。利用靜電驅動的排斥效應來分散矽表面的粒子，不過該溶劑也會對矽晶圓表面形成一定的侵蝕作用，從而造成了矽晶圓表面粗糙度。2 號標準溶液主要是依靠將溴化氫、過氧化氫和水按1 ∶1 ∶6 的配比制備的強酸性水溶液。使用該溶劑清洗硅片上的金屬污染物。此外。還有的三種標準溶液是由硫酸與水按1 ∶3 的配比制備而成，這些溶劑必須在120℃的高溫情況下進行，用以除去硅片上的化學物質。

3.2.2 改進后的RCA 化學清洗方法

傳統的RCA 清洗方式通常都是使用在溫度變化較大的環境當中，而且由于清洗液的化工物質含量較多，在實踐使用流程中也大大增加了對化工藥品的耗費。所以目前，人們已經針對傳統的RCA 清洗方式加以了調整，并重新匹配化學溶劑。對1 號和2 號的溶劑加以了稀釋，效果達到100 倍以上，而且試驗中發現稀釋后的化學溶劑對硅片的清洗作用也大大提高。改良后的技術有效地減少對化工藥品劑型的耗費，從而降低了化工企業的生產成本。并且在采用利用溶液增加超聲能量技術之后，還可以大大減少溶劑的反應溫度，增加反應時間和溶劑的實際應用時間。這樣不僅減少了企業的經濟投資，而且還可以為人類身體健康帶來了有利作用。

3.3 自然氧化層去除方法

硅片的清洗過程中大部分時間需要暴露于空氣當中進行，所以在硅表面會產生一層氧化膜，這一層氧化膜就被稱為自然氧化層。在進行使用生產過程之前，一定要先把這一層氧化膜給去掉。實際的生產過程中，通常都會采用由氟化氫溶液與水以1 ∶10，甚至是1 ∶100 左右的比率配置而成的水溶液進行洗滌。在硅片交付使用以前，自然氧化層的去除通常是經過最后一個洗滌流程。經該流程洗滌后硅表層就產生穩定的保護膜，而不能再輕易被空氣進行氧化，因此可放心使用。

4 硅片清洗設備

4.1 化學清洗槽

通常情況下，化學清洗槽都是由中石英或玻璃等材料加工制造而成的。在實際應用過程中，必須嚴格按照硅片洗滌時所用的化學溶劑的物質和含量，來選用化學清洗槽的材料。在一般情況下，中子或生物產氫反應器通常被用作常溫下的弱酸和弱堿性水溶液的硅片洗滌。中石英或玻璃等材料的化學清洗槽則通常被用作強酸或烈堿性等較高濃度化學溶劑的硅片洗滌。不過需要注意的地方是，中石英或玻璃材料一般不得進行氟化氫溶劑洗滌工作。中石英材料的化學清洗槽在實際應用過程中，可以直接將水槽中溶劑加溫至180℃以上，通常由中石英內槽保溫板材及其塑料殼所構成。而中石英槽的加熱器則可以利用加熱膜直接加溫材料，達到升溫目的。在巖英化學清洗水槽內安裝感應器，對環境溫度變化尤為靈敏，可以實現精確掌握和管理水槽中化學溶劑溫度（如圖2 所示）。

圖2 化學清洗槽

4.2 兆聲清洗槽

目前，大部分的化工企業都使用化學清洗硅片方法，或者是通過改進后的化學清洗液清洗技術與兆聲能量共同應用，可以大大提高硅片清洗效果和產品質量。通常的兆聲清洗速率設置在800kHz 和1MHz 左右，而兆聲功率則為100～600W。在兆聲洗滌水槽下部還裝有兆聲換能器，通過這種裝置可以很有效地防止了在進行硅片清洗過程中化學清洗液對兆聲換能器造成侵蝕和破壞。但是兆聲換能器在運行過程中會形成巨大的氣泡，而這種氣體又可以吸收兆聲能量，從而使得清洗的效果大大減弱。而且根據這種現象，在進行巖英槽底板工作時有10°～15°的傾斜角，當有氣泡出現時，泡沫就將順著斜面的底板向前運動，上浮表面。這在一定程度上降低了氣泡對兆聲功率的損耗。但與此同時，在設置兆聲清洗槽外槽上不能采用不銹鋼的材質，而兆聲清洗槽的外槽材質則按照要求不同，可以選用不銹鋼甚至是石英材質（如圖3 所示）。

圖3 兆聲清洗槽

4.3 旋轉噴淋清洗設備

旋轉噴淋試驗清洗裝置一般包含自動配水裝置和清洗空腔的結構部分。這種裝置的清洗作業是在一種封閉的空氣里進行的。能夠一次性地進行化學清洗，去離子清洗的幾個階段。它不但能夠大大提高硅片系統清洗效果，還可以通過降低洗滌過程來減少對硅片系統外表的破壞。該裝置可以將化學溶劑比較平衡，確保每片硅片所接觸到的溶劑都是新鮮的，降低溶劑對硅片系統的侵蝕和損傷，并且密閉的清洗空氣降低了空氣對硅片系統外表的氧化作用，同時減少化學溶劑對身體的傷害。目前這種清洗的技術已經很廣泛地運用于硅片系統清洗流程中。

4.4 硅片刷洗器

硅片刷洗器主要是用于洗滌打磨后的硅片，可以高效地清洗硅片表面的細小粒子。傳統的聚酰胺毛刷會對硅片表面產生一些損傷，目前硅片洗滌劑所采用的毛刷是聚乙烯醇材料。該材料的毛刷可以合理地與去離子水搭配，既起到清洗硅片表面小粒子的目的，也可以降低對硅片表面的損傷程度。

4.5 水沖洗槽設備

硅片在進行多次清洗過程之后需要使用去離子水，把硅片表面的殘余物料沖洗干凈。傳統的清洗方式通常會通過多級外溢槽來進行。不過該裝置的實際應用中由于去離子水的劑量相當大，而且洗滌效率又無法適應現代產品加工要求。所以目前多在快排槽沒完成這一程序。

5 結語

綜上所述，硅片是主要的半導體制造材質，而且在使用過程中一定要保持硅片表面清洗潔凈才可以提升半導體收音機的制造品質。加快對硅片清洗方法和設備的研發可以有效提升其工藝效能，而使用較為先進的清洗方式則可以減少對工廠的成本投資。由此可見，隨著對硅片生產工藝的需求日益增加，其清洗方式和設備也一定要不斷完善與更新，以便于更好地滿足工藝發展需求。