高海軍

浙江海納半導(dǎo)體股份有限公司，中國(guó)·浙江 杭州 324300

1 引言

在對(duì)硅片的制造和使用過(guò)程中，需要對(duì)其表面進(jìn)行清洗，沒(méi)有灰塵污物才可以使后續(xù)生產(chǎn)工藝順利進(jìn)行。所以，需要在制造之前對(duì)硅片進(jìn)行清洗，在整個(gè)制造流程當(dāng)中清洗是一個(gè)循環(huán)頻次最高的過(guò)程，硅片的清洗過(guò)程比較復(fù)雜，清洗過(guò)程的重要與難點(diǎn)在于隨著硅片體積的日益減小，半導(dǎo)體集成電路對(duì)硅片的敏感性愈來(lái)愈高。例如，半導(dǎo)體收音機(jī)的生產(chǎn)與加工過(guò)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(zhì)對(duì)器件品質(zhì)的危害，在實(shí)際制造流程中常常要求對(duì)硅片進(jìn)行一次清洗，這一清洗流程復(fù)雜繁重，僅僅一次清洗過(guò)程就占用了整個(gè)半導(dǎo)體收音機(jī)制造流程的1/3。由此可見(jiàn)，清洗技術(shù)及其清洗裝備的必要性。當(dāng)前，硅片清洗技術(shù)應(yīng)用最大的是濕法技術(shù)，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)革新與完善，濕法施工清洗工藝幾乎已經(jīng)取代了干法的清洗，并應(yīng)用于硅片清洗技術(shù)中。

2 硅片清洗的必要性

硅片清洗是生產(chǎn)光伏電池和集成電路的關(guān)鍵，清除的過(guò)程直接關(guān)系著光伏電池和集成電路產(chǎn)品的可靠性、質(zhì)量和安全性。硅片是硅棒上切割下來(lái)的，硅片外表的多層晶格處在被破壞的階段，充滿(mǎn)了不飽和的吊鍵，懸吊鍵的活性很強(qiáng)，容易吸收外部的物質(zhì)顆粒，造成硅片外表遭到破壞且功能惡化。其中顆粒雜質(zhì)會(huì)造成硅片的介電強(qiáng)度下降，而各種金屬粒子則會(huì)增加光伏電池P-N 結(jié)的反向漏電流和減低各種金屬少子的壽命，而有機(jī)物質(zhì)使抗氧化層的品質(zhì)劣化，H、O則會(huì)增加對(duì)硅表層的侵蝕。清洗硅片不但要去掉硅片表層的污物同時(shí)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(duì)表層的清洗力需求也十分嚴(yán)苛，理論上表面不可以存在各種粒子、金屬分子、有機(jī)粘附、水汽、氧化物層等，而數(shù)目硅片表層要具備分子級(jí)的均勻度，硅片邊界處的懸吊鍵與結(jié)氫終止。目前，因?yàn)楣杵逑醇夹g(shù)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(wèn)題并至失效的比率已超過(guò)了50%，所以?xún)?yōu)化硅片的清洗工藝非常必要（如圖1 所示）。

圖1 工作人員對(duì)硅片進(jìn)行清洗工作

另外，硅片清洗是硅片生產(chǎn)流程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，硅片清洗是硅片質(zhì)量過(guò)程中不能缺的關(guān)鍵部分。硅片清洗主要用來(lái)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(chǎn)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(zhǔn)確度和縮短刻蝕所需時(shí)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(guò)特殊工藝處理后的硅片在清除過(guò)程中還可以產(chǎn)生一個(gè)保護(hù)膜，有效避免污染物粘附于大規(guī)模生產(chǎn)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(tǒng)最為普遍的一種方式之一，通常情況下，這種技術(shù)可以應(yīng)用于切削和打磨過(guò)的硅片系統(tǒng)清洗上，可以高效去除拋光過(guò)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(shí)際工作流程中洗刷法有時(shí)候需要和超聲法甚至是化學(xué)液沖洗法聯(lián)合應(yīng)用以改善硅片清洗的工作效果和效率。

3.2 化學(xué)清洗法

3.2.1 RCA 化學(xué)清洗法

在20 世紀(jì)60年代，有中國(guó)的企業(yè)研發(fā)并引進(jìn)了這種化學(xué)處理硅片的技術(shù)。這些工藝與手段后來(lái)都稱(chēng)之為RCA清洗技術(shù)。這種方法主要是使用化學(xué)藥劑來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shù)都采用RCA 化學(xué)技術(shù)，由此可見(jiàn)這種技術(shù)的使用范圍之廣泛。該清洗方案的過(guò)程首先是將兩種標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到80℃以下，特殊情形下會(huì)將清洗液的高溫冷卻至常溫。一號(hào)清洗液則是將氫氧化銨溶液和過(guò)氧化氫加水按1 ∶1 ∶5 的配比攪拌，再配制為堿式水溶液，來(lái)除去硅表面的細(xì)顆粒物。該溶劑可以對(duì)硅表面的顆粒物進(jìn)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(qū)動(dòng)的排斥效應(yīng)來(lái)分散矽表面的粒子，不過(guò)該溶劑也會(huì)對(duì)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)溶液主要是依靠將溴化氫、過(guò)氧化氫和水按1 ∶1 ∶6 的配比制備的強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，用以除去硅片上的化學(xué)物質(zhì)。

3.2.2 改進(jìn)后的RCA 化學(xué)清洗方法

傳統(tǒng)的RCA 清洗方式通常都是使用在溫度變化較大的環(huán)境當(dāng)中，而且由于清洗液的化工物質(zhì)含量較多，在實(shí)踐使用流程中也大大增加了對(duì)化工藥品的耗費(fèi)。所以目前，人們已經(jīng)針對(duì)傳統(tǒng)的RCA 清洗方式加以了調(diào)整，并重新匹配化學(xué)溶劑。對(duì)1 號(hào)和2 號(hào)的溶劑加以了稀釋?zhuān)Ч_(dá)到100 倍以上，而且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)稀釋后的化學(xué)溶劑對(duì)硅片的清洗作用也大大提高。改良后的技術(shù)有效地減少對(duì)化工藥品劑型的耗費(fèi)，從而降低了化工企業(yè)的生產(chǎn)成本。并且在采用利用溶液增加超聲能量技術(shù)之后，還可以大大減少溶劑的反應(yīng)溫度，增加反應(yīng)時(shí)間和溶劑的實(shí)際應(yīng)用時(shí)間。這樣不僅減少了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)投資，而且還可以為人類(lèi)身體健康帶來(lái)了有利作用。

3.3 自然氧化層去除方法

硅片的清洗過(guò)程中大部分時(shí)間需要暴露于空氣當(dāng)中進(jìn)行，所以在硅表面會(huì)產(chǎn)生一層氧化膜，這一層氧化膜就被稱(chēng)為自然氧化層。在進(jìn)行使用生產(chǎn)過(guò)程之前，一定要先把這一層氧化膜給去掉。實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，通常都會(huì)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(jìn)行洗滌。在硅片交付使用以前，自然氧化層的去除通常是經(jīng)過(guò)最后一個(gè)洗滌流程。經(jīng)該流程洗滌后硅表層就產(chǎn)生穩(wěn)定的保護(hù)膜，而不能再輕易被空氣進(jìn)行氧化，因此可放心使用。

4 硅片清洗設(shè)備

4.1 化學(xué)清洗槽

通常情況下，化學(xué)清洗槽都是由中石英或玻璃等材料加工制造而成的。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照硅片洗滌時(shí)所用的化學(xué)溶劑的物質(zhì)和含量，來(lái)選用化學(xué)清洗槽的材料。在一般情況下，中子或生物產(chǎn)氫反應(yīng)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(xué)清洗槽則通常被用作強(qiáng)酸或烈堿性等較高濃度化學(xué)溶劑的硅片洗滌。不過(guò)需要注意的地方是，中石英或玻璃材料一般不得進(jìn)行氟化氫溶劑洗滌工作。中石英材料的化學(xué)清洗槽在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(nèi)槽保溫板材及其塑料殼所構(gòu)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(dá)到升溫目的。在巖英化學(xué)清洗水槽內(nèi)安裝感應(yīng)器，對(duì)環(huán)境溫度變化尤為靈敏，可以實(shí)現(xiàn)精確掌握和管理水槽中化學(xué)溶劑溫度（如圖2 所示）。

圖2 化學(xué)清洗槽

4.2 兆聲清洗槽

目前，大部分的化工企業(yè)都使用化學(xué)清洗硅片方法，或者是通過(guò)改進(jìn)后的化學(xué)清洗液清洗技術(shù)與兆聲能量共同應(yīng)用，可以大大提高硅片清洗效果和產(chǎn)品質(zhì)量。通常的兆聲清洗速率設(shè)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(guò)這種裝置可以很有效地防止了在進(jìn)行硅片清洗過(guò)程中化學(xué)清洗液對(duì)兆聲換能器造成侵蝕和破壞。但是兆聲換能器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)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(jù)這種現(xiàn)象，在進(jìn)行巖英槽底板工作時(shí)有10°～15°的傾斜角，當(dāng)有氣泡出現(xiàn)時(shí)，泡沫就將順著斜面的底板向前運(yùn)動(dòng)，上浮表面。這在一定程度上降低了氣泡對(duì)兆聲功率的損耗。但與此同時(shí)，在設(shè)置兆聲清洗槽外槽上不能采用不銹鋼的材質(zhì)，而兆聲清洗槽的外槽材質(zhì)則按照要求不同，可以選用不銹鋼甚至是石英材質(zhì)（如圖3 所示）。

圖3 兆聲清洗槽

4.3 旋轉(zhuǎn)噴淋清洗設(shè)備

旋轉(zhuǎn)噴淋試驗(yàn)清洗裝置一般包含自動(dòng)配水裝置和清洗空腔的結(jié)構(gòu)部分。這種裝置的清洗作業(yè)是在一種封閉的空氣里進(jìn)行的。能夠一次性地進(jìn)行化學(xué)清洗，去離子清洗的幾個(gè)階段。它不但能夠大大提高硅片系統(tǒng)清洗效果，還可以通過(guò)降低洗滌過(guò)程來(lái)減少對(duì)硅片系統(tǒng)外表的破壞。該裝置可以將化學(xué)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(duì)硅片系統(tǒng)的侵蝕和損傷，并且密閉的清洗空氣降低了空氣對(duì)硅片系統(tǒng)外表的氧化作用，同時(shí)減少化學(xué)溶劑對(duì)身體的傷害。目前這種清洗的技術(shù)已經(jīng)很廣泛地運(yùn)用于硅片系統(tǒng)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(xì)小粒子。傳統(tǒng)的聚酰胺毛刷會(huì)對(duì)硅片表面產(chǎn)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(duì)硅片表面的損傷程度。

4.5 水沖洗槽設(shè)備

硅片在進(jìn)行多次清洗過(guò)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(tǒng)的清洗方式通常會(huì)通過(guò)多級(jí)外溢槽來(lái)進(jìn)行。不過(guò)該裝置的實(shí)際應(yīng)用中由于去離子水的劑量相當(dāng)大，而且洗滌效率又無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品加工要求。所以目前多在快排槽沒(méi)完成這一程序。

5 結(jié)語(yǔ)

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