在半導(dǎo)體材料的制備過(guò)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(duì)于晶片表面沾污的要求更加嚴(yán)格，ULSI工藝要求在提供的襯底片上吸附物不多于500個(gè)/m2×0.12um，金屬污染小于
1010atom/cm2。晶片生產(chǎn)中每一道工序存在的潛在污染，都可導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生和器件的失效。因此，硅片的清洗引起了專業(yè)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(chǎn)生碎片，經(jīng)濟(jì)效益下降，另一方面手洗的硅片表面潔凈度差，污染嚴(yán)重，使下道工序化拋腐蝕過(guò)程中的合格率較低。所以，硅片的清洗技術(shù)引起了人們的重視，找到一種簡(jiǎn)單有效的清洗方法是當(dāng)務(wù)之急。本文介紹了一種超聲波清洗技術(shù)，其清洗硅片的效果顯著，是一種值得推廣的硅片清洗技術(shù)。
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(xué)鍵被破壞而成為懸空鍵，形成表面附近的自由力場(chǎng)，尤其磨片是在鑄鐵磨盤上進(jìn)行，所以鐵離子的污染就更加嚴(yán)重。同時(shí)，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(shù)目增多，極易吸附各種雜質(zhì)，如顆粒、有機(jī)雜質(zhì)、無(wú)機(jī)雜質(zhì)、金屬離子、硅粉粉塵等，造成磨片后的硅片易發(fā)生變花、發(fā)藍(lán)、發(fā)黑等現(xiàn)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(fā)展，這涉及到高凈化的環(huán)境、水、化學(xué)試劑和相應(yīng)的設(shè)備及配套工藝，難度越來(lái)越大，可見(jiàn)半導(dǎo)體行業(yè)中清洗工藝的重要性。
實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
一.實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑
實(shí)驗(yàn)設(shè)備：亨亞硅片清洗機(jī)
實(shí)驗(yàn)使用的試劑：有機(jī)堿、清洗劑、活性劑、去離子水、助磨劑
二.實(shí)驗(yàn)過(guò)程
?。?）超聲波清洗的基本原理
利用28KHz以上的電能，經(jīng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)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(dòng)，并不停地產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡。這些氣泡是在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成及生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速閉合。這種微小氣泡的形成、生成迅速閉合稱為空化現(xiàn)象，在空化現(xiàn)象中氣泡閉合時(shí)形成超過(guò)1000個(gè)大氣壓的瞬時(shí)高壓，連續(xù)不斷產(chǎn)生的瞬時(shí)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。
?。?）清洗工藝流程
自動(dòng)上料→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→堿液＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→堿液＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→堿液＋超聲波清洗＋拋動(dòng)→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)＋溢流→去離子水＋超聲波清洗＋拋動(dòng)＋溢流→自動(dòng)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(shí)驗(yàn)，固定5分鐘清洗時(shí)間及超聲清洗的溫度，
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(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)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。
?。?）超聲清洗時(shí)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(shí)間分為十批清洗，
清洗時(shí)間分別是1，2，3，4，5，6，7，8，9，10min。同時(shí)用去離子水代替清洗液同樣條件下做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論，
清洗劑的清洗效果明顯好于去離子水，而且超聲清洗時(shí)間在3min清洗效果就已經(jīng)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?yàn)樵诘蜏貢r(shí)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(dāng)溫度升高后，分子的熱運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(diǎn)。因此溫度升高時(shí)非離子表面活性劑逃離水的趨勢(shì)增強(qiáng)，吸附量增大。溫度對(duì)非離子表面活性劑的去污能力的影響是明顯的，當(dāng)溫度接近于濁點(diǎn)時(shí)，清洗效果最好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出30～50℃之間均可，但45℃為最佳。
?。?）掃描電子顯微鏡的觀察
通過(guò)掃描電子顯微鏡能譜分析可以得出：研磨片的表面黑點(diǎn)主要是顆粒污染物和碳元素聚集物。
三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
?。?）
硅片經(jīng)過(guò)磨片工序后，一直使硅片處于去離子水中浸泡狀態(tài)，這樣在經(jīng)過(guò)清洗機(jī)清洗后表面潔凈，在化拋后尤為明顯，
化拋后硅片表面相當(dāng)光澤干凈，使其合格率大大提高；若由于工藝需要測(cè)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(shí)，
表面大多數(shù)會(huì)出現(xiàn)暗花及不明顯的污染痕跡，直觀表面較差。
?。?） 清洗次數(shù)對(duì)清洗效果有很大影響，清洗次數(shù)多的硅片比清洗次數(shù)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(shí)效性，如清洗四英寸硅片達(dá)500片時(shí)，需及時(shí)更換清洗液。
?。?）適當(dāng)加入有機(jī)堿，利用堿的腐蝕性，絡(luò)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。
硅片的清洗在半導(dǎo)體制作過(guò)程中十分重要，而磨片的清洗是所有清洗工序中最困難的。由于使用了清洗機(jī)，通過(guò)物理滲透作用，使污染顆粒脫離硅片表面，再通過(guò)超聲波清洗的機(jī)械作用和化學(xué)腐蝕作用，最終去除污染顆粒，達(dá)到了清洗硅片的目的。
超聲波是一種頻率超出人類聽(tīng)覺(jué)范圍20 kHz以上的聲波。超聲波的傳播要依靠彈性介質(zhì)，其傳播時(shí),使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩,并通過(guò)介質(zhì)按超聲波的傳播方向傳遞能量,這種波可分為縱向波和橫向波。在固體內(nèi),兩者都可以傳送,而在氣體和液體內(nèi),只有縱向波可以傳送。超聲波能夠引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度與超聲頻
超聲波清洗
超聲波清洗
率的平方成正比。因此,幾十千赫茲的超聲會(huì)產(chǎn)生極大的作用力,強(qiáng)超聲波在液體中傳播時(shí),由于非線性作用,會(huì)產(chǎn)生聲空化。在空化氣泡突然閉合時(shí)發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力,對(duì)污層的直接反復(fù)沖擊,一方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另一方面也會(huì)引起污物層的破壞而脫離清洗件表面并使它們分散到清洗液中。氣泡的振動(dòng)也能對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗。氣泡還能“鉆入”裂縫中做振動(dòng),使污物脫落。對(duì)于有油脂性污物,由于超聲空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí),油被乳化,固體粒子即脫落。空化氣泡在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)使液體本身產(chǎn)生環(huán)流,即所謂聲流。他可使振動(dòng)氣泡表面存在很高的速度梯度和粘滯應(yīng)力,促使清洗件表面污物的破壞和脫落,超聲空化在固體和液體表面上所產(chǎn)生的高速微射流能夠除去或削弱邊界污層,腐蝕固體表面,增加攪拌作用,加速可溶性污物的溶解,強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動(dòng)在清洗液中引起質(zhì)點(diǎn)很大的振動(dòng)速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊。
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影響清洗因素
清洗介質(zhì)：采用超聲波清洗，一般有兩類清洗劑即化學(xué)溶劑和水基清洗劑。清洗介質(zhì)的化學(xué)作用可以加速超聲波清洗效果，超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結(jié)合，依對(duì)物件進(jìn)行充分、徹底的清洗。
功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強(qiáng)，速度越快，清洗效果越好，但對(duì)于精密的表面光潔度甚高的物件，采用長(zhǎng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì)對(duì)物件表面產(chǎn)生空化、腐蝕。
超聲頻率：適用于工件粗、臟、初洗，頻率高則超聲波方向性強(qiáng)，適合于精細(xì)的物件清洗。
清洗高溫：一般來(lái)說(shuō)，超聲波在50°C~60°C時(shí)的空化效果最好，清洗劑也不是溫度越高，作用越顯著，有可能會(huì)高溫失效，通常超聲波在超過(guò)85°C時(shí)，清洗效果已變差。所以實(shí)際應(yīng)用超聲波清洗時(shí)，采用50°C~70°C的工作溫度。
