硅片清洗技术及发展

2019-01-18胡雅倩

天津科技 2019年6期

胡雅倩

(中国电子科技集团有限公司第四十六研究所天津300220)

0 引言

随着现阶段半导体行业的飞速发展，为了增加衬底片的使用效率以及获得更好的产品效果，集成电路和功率器件尺寸越来越小，这也对衬底片的洁净度要求越来越高[1]。我们所使用的硅片是由硅单晶棒切割得到的，在硅片的表面，晶格由于切割的作用而被破坏，使切割后的硅片表面布满了不饱和悬挂键。悬挂键是一种活性很高的化学键，十分容易和杂质粒子发生吸附，从而使硅片被污染，质量下降。其中颗粒杂质会导致硅片的介电强度降低，金属离子会增大光伏电池 P-N结的反向漏电流和降低少子寿命，H2O则会加剧硅表面的腐蚀[2]。硅片的清洗不仅是为了去除硅片表面所吸附的杂质粒子，更是为了降低硅片的表面活性，使其钝化，降低它的吸附能力。

1 几种常见的硅片清洗方法

1.1 传统RCA清洗法

硅片的RCA清洗法是一种常见并且使用时间最久的湿法清洗工艺。RCA清洗法在清除硅片表面的有机物残余以及金属粒子残余上有很好的效果。目前通用的 RCA 清洗技术分为 4步(SPM、DHF、SC-1、SC-2)。SPM 即体积分数为 98%的 H2SO4和 30%的 H2O2按照 4∶1比例配置而成，在 120～150℃具有极强的氧化性，可以将硅片表面粘附的有机物氧化为 H2O 和 CO2，从而有效去除有机物杂质。DHF即稀HF溶液，HF∶H2O为1∶100～1∶250，可以有效去除硅片表面的自然氧化层和金属离子[3]。SC-1经常被称为一号液，由NH3·H2O、H2O2和H2O按照相应的配比混合加热而成，对去除残留在硅片表面的残留物粒子有着很好效果。SC-2被称之为二号液，由HCl、H2O2和H2O按按照相应的配比混合加热而成，对于去除硅片表面的金属杂质残留有着很好的效果。目前所使用的 RCA清洗工艺需使用很多对环境不友好的化学试剂，如果大批量使用，对环境的破坏比较严重，因此对于RCA清洗工艺的改进刻不容缓。

1.2 超声波清洗法

在目前的半导体工业生产中，超声波清洗是最常见的一种清洗方法。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的[4]。在超声波清洗中清洗效果和超声条件息息相关，超声清洗的温度、超声清洗机的频率、机器的功率都决定了最后的清洗效果。虽然提高超声机频率会使清洗效果更好，但是对于很薄的晶片，过高的超声频率会导致碎片产生。在目前的半导体生产行业中，超声波清洗技术已经基本实现了自动化操作，使得清洗效率得到了提高，节约了人工成本。超声清洗过程中所使用的清洗剂普遍易挥发，自动化的操作也保证了人工安全。超声清洗也存在自己的弊端，对于小颗粒杂质的清洗，它的清洗效果并不理想，需要与其他清洗方法相结合。

1.3 兆声波清洗技术

兆声波清洗工艺是一种以超声波清洗为基础而研发的新兴半导体清洗技术，和传统的超声波清洗原理类似，不过其使用的声波频率高达 500kHz～499GHz，这样既保存了原有超声波清洗的技术优势，又对超声波清洗的技术劣势加以改善。其原理是利用声压梯度、粒子速度及声流的作用，由高能频振效应结合化学清洗剂的化学反应对硅片进行清洗[5]。兆声波能够清洗干净超声波清洗不能去除的小颗粒杂质，不需要后续再使用化学试剂去除，所以兆声波清洗对晶片表面的损伤更小，同时在兆声波清洗中无需更换清洗槽，减少了晶片在清洗过程中与空气的接触，有效避免了二次污染。但是，兆声波清洗并不是完美的，在使用过程中兆声波清洗机的机器寿命较短，很多部件易损耗，且清洗过程会使用相应的化学试剂和纯水。

2 展望

随着半导体行业的飞速发展，相关行业对半导体晶片的质量要求越来越高，这不仅仅局限于晶片的电学、光学性质，更对晶片的表面质量和表面状态有很高的要求，所以清洗工艺面临着更大的挑战，急需改进现有的清洗技术。

①在硅片的清洗过程中应减小对硅片表面的损伤，硅片的表面质量对后续的加工至关重要，化学试剂的腐蚀性和强氧化性都会对硅片表面造成一定的损伤，可以通过研发和改进工艺，减少在清洗过程中化学试剂的使用，减少对硅片表面的损伤。

②目前，很多清洗工艺由于成本过高等因素，只适用于实验室，不能实现产业化。可以通过寻找替代材料等方法，找到更廉价的材料进行替代，进而使产业化成为可能。

③湿法清洗的清洗效果很大程度上取决于所使用的化学试剂，不同的化学试剂对于去除不同的杂质和污浊具有不同的效果，因此想要彻底清洗干净、去除杂质，可能在清洗过程中会先后使用不同的化学试剂进行清洗。完成一个清洗流程会有很多步骤，既繁琐又会产生很多废液，后续处理废液既提高成本又破坏环境。简化湿化清洗的工艺，可以通过研发新型的活性剂和螯合剂来提高清洗效率[6]。