在半導(dǎo)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(yán)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(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，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，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、有機雜質(zhì)、無機雜質(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，難度越來越大，可見半導(dǎo)體行業(yè)中清洗工藝的重要性。
實驗及結(jié)果分析
一.實驗設(shè)備和試劑
實驗設(shè)備：亨亞硅片清洗機
實驗使用的試劑：有機堿、清洗劑、活性劑、去離子水、助磨劑
二.實驗過程
?。?）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(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡。這些氣泡是在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成及生長，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)象中氣泡閉合時形成超過1000個大氣壓的瞬時高壓，連續(xù)不斷產(chǎn)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。
?。?）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
?。?）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，
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(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(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(dāng)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(dāng)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。
三.實驗結(jié)果和討論
（1）
硅片經(jīng)過磨片工序后，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(dāng)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(shù)會出現(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效性，如清洗四英寸硅片達(dá)500片時，需及時更換清洗液。
?。?）適當(dāng)加入有機堿，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，通過物理滲透作用，使污染顆粒脫離硅片表面，再通過超聲波清洗的機械作用和化學(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覺范圍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,使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩,并通過介質(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)點振動,質(zhì)點振動的加速度與超聲頻
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產(chǎn)生極大的作用力,強超聲波在液體中傳播時,由于非線性作用,會產(chǎn)生聲空化。在空化氣泡突然閉合時發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力,對污層的直接反復(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。氣泡的振動也能對固體表面進(jìn)行擦洗。氣泡還能“鉆入”裂縫中做振動,使污物脫落。對于有油脂性污物,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,油被乳化,固體粒子即脫落。空化氣泡在振動過程中會使液體本身產(chǎn)生環(huán)流,即所謂聲流。他可使振動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,強化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動在清洗液中引起質(zhì)點很大的振動速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊。
[1]
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，速度越快，清洗效果越好，但對于精密的表面光潔度甚高的物件，采用長時間的高功率密度清洗會對物件表面產(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，適合于精細(xì)的物件清洗。
清洗高溫：一般來說，超聲波在50°C~60°C時的空化效果最好，清洗劑也不是溫度越高，作用越顯著，有可能會高溫失效，通常超聲波在超過85°C時，清洗效果已變差。所以實際應(yīng)用超聲波清洗時，采用50°C~70°C的工作溫度。
