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硅片表面污染及清洗機理

在半導體材料的制備過程中,每一道工序都涉及到清洗,而且清洗的好壞直接影響下一道工序,甚至影響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減小,對于晶片表面沾污的要求更加嚴格,ULSI工藝要求在提供的襯底片上吸附物不多于500個/m2×0.12um,金屬污染小于 1010atom/cm2。晶片生產中每一道工序存在的潛在污染,都可導致缺陷的產生和器件的失效。因此,硅片的清洗引起了專業人士的重視。

以前很多廠家都用手洗的方法,這種方法人為的因素較多,一方面容易產生碎片,經濟效益下降,另一方面手洗的硅片表面潔凈度差,污染嚴重,使下道工序化拋腐蝕過程中的合格率較低。所以,硅片的清洗技術引起了人們的重視,找到一種簡單有效的清洗方法是當務之急。本文介紹了一種超聲波清洗技術,其清洗硅片的效果顯著,是一種值得推廣的硅片清洗技術。    硅片表面污染的原因:

晶片表面層原子因垂直切片方向的化學鍵被破壞而成為懸空鍵,形成表面附近的自由力場,尤其磨片是在鑄鐵磨盤上進行,所以鐵離子的污染就更加嚴重。同時,由于磨料中的金剛砂粒徑較大,造成磨片后的硅片破損層較大,懸掛鍵數目增多,極易吸附各種雜質,如顆粒、有機雜質、無機雜質、金屬離子、硅粉粉塵等,造成磨片后的硅片易發生變花、發藍、發黑等現象,使磨片不合格。硅片清洗的目的就是要除去各類污染物,清洗的潔凈程度直接決定著ULSI向更高集成度、可靠性、成品率發展,這涉及到高凈化的環境、水、化學試劑和相應的設備及配套工藝,難度越來越大,可見半導體行業中清洗工藝的重要性。


實驗及結果分析

1.實驗設備和試劑

  實驗設備:TE-6000硅片清洗機
  實驗使用的試劑:有機堿、Q325-B清洗劑、活性劑、去離子水、助磨劑

2.實驗過程
(1)超聲波清洗的基本原理
  利用28KHz以上的電能,經超聲波換能器轉換成高頻機械振蕩而傳入到清洗液中。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射,使液體流動,并不停地產生數以萬計的微小氣泡。這些氣泡是在超聲波縱向傳播的負壓區形成及生長,而在正壓區迅速閉合。這種微小氣泡的形成、生成迅速閉合稱為空化現象,在空化現象中氣泡閉合時形成超過1000個大氣壓的瞬時高壓,連續不斷產生的瞬時高壓,像一連串小爆炸不停地轟擊物體表面,使物體及縫隙中的污垢迅速剝落。這種空化侵蝕作用就是超聲波清洗的基本原理。

(2)清洗工藝流程
  自動上料→去離子水+超聲波清洗+拋動→堿液+超聲波清洗+拋動→去離子水+超聲波清洗+拋動→堿液+超聲波清洗+拋動→堿液+超聲波清洗+拋動→去離子水+超聲波清洗+拋動+溢流→去離子水+超聲波清洗+拋動+溢流→自動下料
(3)清洗液的最佳配比的確定
  取4″及500祄厚的硅片做十組實驗,固定5分鐘清洗時間及超聲清洗的溫度,見下面列表。
  從表中觀察不同條件下硅片表面,用熒光燈照射表面可清楚看出硅表面的潔凈程度。因此得出清洗液的最佳配比為 活性劑:清洗劑: 去離子水=0.10:1.00:7.0
  通過實驗發現當清洗劑的濃度越低,越有利于水的清洗,但清洗劑的濃度不能低于15%,否則清洗效果反而降低。
(4)超聲清洗時間的確定
  將磨片分為十組,以上述最佳配比為清洗液超聲清洗,按不同的時間分為十批清洗, 清洗時間分別是1,2,3,4,5,6,7,8,9,10min。同時用去離子水代替清洗液同樣條件下做對比實驗,得出結論, 清洗劑的清洗效果明顯好于去離子水,而且超聲清洗時間在3min清洗效果就已經比較理想了。
(5)超聲清洗溫度的確定
  非離子表面活性劑在液固界面的吸附量隨溫度升高而增加。這是因為在低溫時非離子表面活性劑與水完全混溶,親水基聚氧乙烯與水形成的氫鍵能量低,當溫度升高后,分子的熱運動加劇,致使氫鍵破壞,使非離子表面活性劑在水中的溶解度下降,溫度升高到一定值時,非離子表面活性劑從水溶液中析出變混濁,此溫度即為濁點。因此溫度升高時非離子表面活性劑逃離水的趨勢增強,吸附量增大。溫度對非離子表面活性劑的去污能力的影響是明顯的,當溫度接近于濁點時,清洗效果最好。通過實驗得出30~50℃之間均可,但45℃為最佳。
(6)掃描電子顯微鏡的觀察
  通過掃描電子顯微鏡能譜分析可以得出:研磨片的表面黑點主要是顆粒污染物和碳元素聚集物。

3. 實驗結果和討論
(1) 硅片經過磨片工序后,一直使硅片處于去離子水中浸泡狀態,這樣在經過清洗機清洗后表面潔凈,在化拋后尤為明顯, 化拋后硅片表面相當光澤干凈,使其合格率大大提高;若由于工藝需要測試硅片厚度或電阻率,使其脫離水后,在重新清洗后的硅片化拋時, 表面大多數會出現暗花及不明顯的污染痕跡,直觀表面較差。
(2) 清洗次數對清洗效果有很大影響,清洗次數多的硅片比清洗次數少的硅片表面光潔,這就要求在以后的探索中如何控制清洗液的時效性,如清洗四英寸硅片達500片時,需及時更換清洗液。
(3)適當加入有機堿,利用堿的腐蝕性,絡合硅片表面的金屬離子,以加快清洗的速度,提高清洗的效率。

近幾年來,時代超聲以前所未有的發展速度向半導體、太陽能硅片制造領域挺進,自2000年以來市場銷售額以每年60%的速度遞增。尤其是近幾年開發生產的清洗設備先后有數十臺設備進入日立、LG、飛利浦、無錫尚德、南京中電光伏等多家大型生產線。設備在生產線上與國外同類設備并線使用,完全達到用戶的使用要求。


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