張 乾

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

硅片制造過程中，在進(jìn)行下一步工藝前要獲得一個(gè)潔凈的表面，以保證后道工藝能再一個(gè)完全潔凈的表面上進(jìn)行，這就需要對硅片進(jìn)行清洗。清洗是硅片制造過程中重復(fù)次數(shù)最多的工藝。目前，在清洗工藝中使用最多的就是濕法清洗技術(shù)，曾經(jīng)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，干法清洗技術(shù)最終將取代濕法清洗，但是經(jīng)過不斷的改進(jìn)和發(fā)展，濕法清洗在硅片制造過程中仍然占有絕對的統(tǒng)治地位。

1 濕法清洗的種類

1.1 刷洗

刷洗是去除硅片表面顆粒的一種直接而有效的方法，該清洗技術(shù)一般用在切割或拋光后的硅片清洗上，可高效地清除拋光后產(chǎn)生的大量顆粒。刷洗一般有單面或雙面兩種模式，雙面模式可同時(shí)清洗硅片的兩面。刷洗有時(shí)也與超聲及去離子水或化學(xué)液一起配合使用，以達(dá)到更好的清洗效果和更高的清洗效率。

1.2 化學(xué)清洗

1.2.1 RCA清洗

20世紀(jì)60年代，由美國無線電公司（RCA）研發(fā)了用于硅片清洗的RCA清洗技術(shù)，這種技術(shù)成為后來各種化學(xué)清洗技術(shù)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在大多數(shù)工廠所使用的清洗技術(shù)都是基于最初的RCA清洗法。

RCA清洗是按照一定的順序依次浸入兩種標(biāo)準(zhǔn)清洗液(SC-1和SC-2)中來完成，這兩種清洗液的使用溫度一般在80℃以內(nèi)，有時(shí)也需要將溶液冷卻到室溫以下。

1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液SC-1的配比為：NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5～1:2:7,SC-1溶液呈堿性，主要用于去除顆粒和有機(jī)物。對于硅片表面的顆粒，SC-1主要通過氧化作用，分解顆粒，破壞顆粒和硅片表面的粘著力，同時(shí)，SC-1對硅片表面也具有氧化作用，使SC-1溶液中的OH-離子附著在硅片表面和分解的顆粒上，通過靜電排斥的作用加速顆粒從硅片表面的分離，并阻止分解的顆粒重新附著到硅片上。但是，SC-1對硅的刻蝕使硅片表面產(chǎn)生微粗糙度。

2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液SC-2的配比為：HCI:H2O2:H2O=1:1:6～1:2:8，SC-2溶液呈酸性，主要用于去除金屬雜質(zhì)和有機(jī)物。金屬雜質(zhì)被溶解成離子，從而從硅片表面脫落。

另外，還有一種被稱為SC-3的清洗液，它是由H2SO4:H2O2:H2O組成，其中H2SO4:H2O=1:3，這種溶液一般使用在高溫下(120℃左右)，專門用于去除有機(jī)污染物。H2SO4可以將硅片表面的有機(jī)污染物脫水碳化，而H2O2可以將碳化物氧化并生成一氧化碳或二氧化碳。

1.2.2 改進(jìn)的RCA清洗

RCA清洗一般都需要在高溫下進(jìn)行，并且化學(xué)液的濃度很高，這樣就造成大量消耗化學(xué)液和去離子水的問題。目前，很少有人還按照最初的RCA化學(xué)液配比進(jìn)行濕法清洗。

在RCA清洗的基礎(chǔ)上，采用稀釋化學(xué)法，將SC-1、SC-2稀釋到100倍以上，也可以達(dá)到甚至超過最初的RCA清洗效果。改進(jìn)的RCA清洗方法最大的好處是減少了化學(xué)液的消耗，可使化學(xué)液的消耗量減少85﹪以上。另外，附加兆聲或超聲能量后，可大大降低溶液的使用溫度和反應(yīng)時(shí)間，提高溶液的使用壽命，大幅度降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)，低濃度化學(xué)液對人體健康和安全方面都是有好處的。

1.2.3 自然氧化層的去除

硅片經(jīng)過清洗液的氧化或暴露于空氣中，會(huì)在硅片表面形成一層氧化膜，稱為自然氧化層。在進(jìn)行外延前必須將這一層自然氧化層去除，一般使用HF進(jìn)行清洗，HF清洗液的配比為HF:H2O=1:10～1:100。在進(jìn)行下一道工藝前，HF清洗一般是最后一道清洗。經(jīng)過HF的浸泡后，硅片表面形成穩(wěn)定H-SI鍵，在空氣中具有較高的穩(wěn)定性，避免了再次被氧化。

2 濕法清洗設(shè)備或裝置

2.1 化學(xué)清洗槽

從材質(zhì)上來說一般有NPP、PVDF、PTFE、石英玻璃等。在使用時(shí)根據(jù)化學(xué)液的濃度、酸堿度、使用溫度等條件選擇相應(yīng)的槽體材料。例如：NPP一般用在常溫下的弱酸弱堿清洗，PVDF、PTFE、石英玻璃等一般用在需加熱的強(qiáng)酸強(qiáng)堿清洗，其中石英玻璃不能用在HF的清洗中。常溫化學(xué)槽，一般為NPP材料。圖1為石英加熱槽，槽內(nèi)溶液可加熱到180℃甚至更高，它一般由石英內(nèi)槽、保溫層、塑料(PP)外槽組成。石英槽加熱可以通過粘貼加熱膜或者直接在石英玻璃上涂敷加熱材料實(shí)現(xiàn)。石英槽內(nèi)需安裝溫度和液位傳感器，以實(shí)現(xiàn)對溫度的精確控制以及槽內(nèi)液位的檢測，防止槽內(nèi)液位過低造成加熱器干燒。圖2為PVDF(PTFE)加熱槽，這類加熱槽常用于HF溶液的清洗中。由于受到槽體材料的限制，這類加熱槽只能使用潛入式加熱，潛入式加熱器一般有盤管式和平板式兩種，加熱器外包覆PFA管。

圖1 石英加熱槽

圖2 PVDF加熱槽

2.2 兆聲清洗槽

RCA或者改進(jìn)的RCA清洗配合兆聲能量是目前使用非常廣泛的清洗方法。在附加了兆聲能量后，可大幅降低溶液的使用溫度以及工藝時(shí)間，而清洗效果更加有效。常用兆聲清洗的頻率為800 kHz～1 MHz，兆聲功率在100～600 W。

兆聲換能器有平板式、圓弧板式等形式。兆聲換能器可直接安裝于槽體底部，石英清洗槽則可以采用水浴的方式，兆聲換能器安裝于外槽底部，這樣可以避免清洗液對兆聲換能器的侵蝕。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。兆聲換能器在工作過程中會(huì)在石英槽底部產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡會(huì)大量吸收兆聲能量，大大降低了兆聲清洗的效果，因此內(nèi)槽石英缸底部一般要有10～15(°)的傾斜角度，當(dāng)有氣泡產(chǎn)生時(shí)，由于浮力的作用氣泡沿傾斜的石英槽底向上移動(dòng)，脫離石英槽壁浮出水面，減少了氣泡對兆聲能量的損耗。另外水浴外槽可根據(jù)不同的需要采用不銹鋼槽、石英槽等。

圖3 兆聲清洗槽

圓弧板兆聲換能器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，使其在兆聲能量的傳播方向、能量分布上更加合理，清洗效果更加顯著，一般情況下，圓弧板兆聲換能器只需要平板兆聲換能器一半的功率即可達(dá)到相同的清洗效果，見圖4。

圖4 圓弧板兆聲換能器能量分布

2.3 旋轉(zhuǎn)噴淋清洗

旋轉(zhuǎn)噴淋清洗系統(tǒng)一般包括自動(dòng)配液系統(tǒng)、清洗腔體、廢液回收系統(tǒng)組成。清洗腔結(jié)構(gòu)如圖5所示，清洗工藝過程如圖6所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)噴淋清洗腔

圖6 噴淋清洗過程

噴淋清洗在一個(gè)密封的工作腔內(nèi)一次完成化學(xué)清洗、去離子水沖洗、旋轉(zhuǎn)甩干等過程，對硅片來說是一個(gè)Dry-to-Dry的過程，減少了在每一步的清洗過程中由于人為操作因素造成的影響。在噴淋清洗中由于旋轉(zhuǎn)和噴淋的效果，使得硅片表面的溶液更加均勻，同時(shí)，接觸到硅片表面的溶液永遠(yuǎn)是新鮮的，這樣就可以做到通過工藝時(shí)間設(shè)置，精確控制硅片的清洗腐蝕效果，實(shí)現(xiàn)很好的一致性。密封的工作腔可以隔絕化學(xué)液的揮發(fā)，減少了溶液的損耗以及溶液蒸氣對人體和環(huán)境的危害。

2.4 刷洗器

刷洗器主要用于硅片拋光后的清洗，可有效地去除1μm以上的顆粒。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。早期使用的尼龍毛刷易造成硅片的損傷，現(xiàn)在一般采用聚乙烯醇(PVA)毛刷，PVA毛刷配合去離子水或清洗液的噴射可有效地去除顆粒而不損傷硅片表面。有時(shí)也會(huì)使用超聲噴嘴，以提高清洗的效果。

圖7 刷洗器

2.4 水沖洗槽

每完成一步化學(xué)清洗后，都要使用去離子水將硅片表面的殘留物清洗干凈，在過去一般使用單級或多級溢流槽來完成，但是由于溢流清洗相對較低的液體流動(dòng)性，使得去離子水的耗量非常大，同時(shí)其清洗效果也不能滿足現(xiàn)代工藝的要求，現(xiàn)在多使用快速排放沖洗槽來進(jìn)行水沖洗，為提高沖洗的效果，在快排槽內(nèi)也可以增加溢流、氮?dú)夤呐莸裙δ堋?/p>

圖8 快排溢流槽

3 結(jié)束語

濕法清洗作為硅片制造過程中主要的清洗方法，在未來一段時(shí)間內(nèi)仍將占有絕對統(tǒng)治地位。同時(shí)，隨著硅片制造工藝節(jié)點(diǎn)的提升，濕法清洗技術(shù)也將不斷的改進(jìn)，以適應(yīng)新工藝的需求。

[1]Semiconductor Manufacturing Technology M.guik,J.Serda[M].Publishing House of Electronics Industry.2005.