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晶圆清洗方法与注意事项

发表时间:2018-04-20 10:00


晶圆清洗的一般原则是首先去除表面的有机沾污;然后溶解氧化层(因为氧化层是沾污陷阱,也会引入外延缺陷);最后再去除颗粒、金属沾污,同时使表面钝化。
清洗硅片的清洗溶液必须具备以下两种功能:(1)去除硅片表面的污染物。溶液应具有高氧化能力,可将金属氧化后溶解于清洗液中,同时可将有机物氧化为CO2H2O(2)防止被除去的污染物再向硅片表面吸附。这就要求硅片表面和颗粒之间的Z电势具有相同的极性,使二者存在相斥的作用。在碱性溶液中,硅片表面和多数的微粒子是以负的Z电势存在,有利于去除颗粒;在酸性溶液中,硅片表面以负的Z电势存在,而多数的微粒子是以正的Z电势存在,不利于颗粒的去除。
1 传统的RCA清洗法
1.1 主要清洗液
1.1.1 SPM(三号液)(H2SO4H2O2H2O
120150清洗 10min左右,SPM具有很高的氧化能力,可将金属氧化后溶于清洗液中,并能把有机物氧化生成CO2H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属,但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。经SPM清洗后,硅片表面会残留有硫化物,这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。由Ohnishi提出的SPFM(H2SO4/H2O2/HF)溶液,可使表面的硫化物转化为氟化物而有效地冲洗掉。由于臭氧的氧化性比H2O2的氧化性强,可用臭氧来取代H2O2(H2SO4/O3/H2O称为SOM溶液),以降低H2SO4的用量和反应温度。H2SO4(98%):H2O2(30%)=4:1
1.1.2 DHFHF(H2O2)H2O
2025清洗30s 腐蚀表面氧化层,去除金属沾污,DHF清洗可去除表面氧化层,使其上附着的金属连同氧化层一起落入清洗液中,可以很容易地去除硅片表面的AlFeZnNi等金属,但不能充分地去除CuHFH2O2=150
1.1.3 APM(SC-1)(一号液)(NH4OHH2O2H2O
6580清洗约10min 主要去除粒子、部分有机物及部分金属。由于H2O2的作用,硅片表面有一层自然氧化膜(Si02),呈亲水性,硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的SiNH4OH腐蚀,因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中,从而达到去除粒子的目的。此溶液会增加硅片表面的粗糙度。FeZnNi等金属会以离子性和非离子性的金属氢氧化物的形式附着在硅片表面,能降低硅片表面的Cu的附着。体积比为(115)~(127)NH4OH (27 %)H2O2(30%)H2O组成的热溶液。稀释化学试剂中把水所占的比例由15增至150,配合超声清洗,可在更短时间内达到相当或更好的清洗效果。
SC-1清洗后再用很稀的酸(HClH2O1104)处理,在去除金属杂质和颗粒上可收到良好的效果,也可以用稀释的HF溶液短时间浸渍,以去除在SC-1形成的水合氧化物膜。最后,常常用SC-1原始溶液浓度1/10的稀释溶液清洗,以避免表面粗糙,降低产品成本,以及减少对环境的影响。
1.1.4 HPM(SC-2)(二号液)(HClH2O2H2O
6585清洗约10min用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污,。在室温下HPM就能除去FeZnH2O2会使硅片表面氧化,但是HCl不会腐蚀硅片表面,所以不会使硅片表面的微粗糙度发生变化。(116)~ (218)H2O2(30%)HCl(37%)和水组成的热混合溶液。对含有可见残渣的严重沾污的晶片,可用热H2SO4-H2O(21)混合物进行预清洗。
1.2 传统的RCA清洗流程


1.3 各洗液的清洗说明
1.3.1 SC-1洗液
1.3.1.1 去除颗粒
硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(6mm呈亲水性),该氧化膜又被NH4OH腐蚀,腐蚀后立即又发生氧化,氧化和腐蚀反复进行,因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。
自然氧化膜约0.6nm厚,其与NH4OHH2O2浓度及清洗液温度无关。
SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快,其与H2O2的浓度无关。
Si的腐蚀速度,随NH4OH的浓度升高而快当,到达某一浓度后为一定值,H202浓度越高这一值越小。
NH4OH促进腐蚀,H2O2阻碍腐蚀。
H2O2的浓度一定,NH4OH浓度越低,颗粒去除率也越低,如果同时降低H2O2浓度可抑制颗粒的去除率的下降。
随着清洗液温度升高,颗粒去除率也提高在一定温度下可达最大值。
颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关为确保颗粒的去除要有一定量以上的腐蚀。
超声波清洗时由于空化现象只能去除≥0.4μm颗粒。兆声清洗时由于0.8Mhz的加速度作用能去除≥0.2μm颗粒,即使液温下降到40也能得到与80超声清洗去除颗粒的效果,而且又可避免超声清洗对晶片产生损伤。
在清洗液中硅表面为负电位有些颗粒也为负电位,由于两者的电的排斥力作用可防止粒子向晶片表面吸附,但也有部分粒子表面是正电位,由于两者电的吸引力作用,粒子易向晶片表面吸附。
1.3.1.2 去除金属杂质
    由于硅表面氧化和腐蚀,硅片表面的金属杂质,随腐蚀层而进入清洗液中。
    由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应,生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上。如:AlFeZn等便易附着在自然氧化膜上而NiCu则不易附着。
FeZnNiCu的氢氧化物在高pH值清洗液中是不可溶的有时会附着在自然氧化膜上。
清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。
清洗时,硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对AlFeZn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此在选用化学试剂时按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。
清洗液温度越高,晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降有利去除金属沾污。
去除有机物
由于H2O2的氧化作用,晶片表面的有机物被分解成CO2H2O而被去除。
微粗糙度Ra
晶片表面Ra与清洗液的NH4OH组成比有关,组成比例越大,其Ra变大。Ra0.2nm的晶片在NH4OHH202H2O=1:1:5SC-1清洗后Ra可增大至0.5nm。为控制晶片表面Ra有必要降低NH4OH的组成比例如0.5:1:5
COP(晶体的原生粒子缺陷)
对于CZ(直拉)硅单晶片经反复清洗后经测定每次清洗后硅片表面的颗粒≥2μm的颗粒会增加,但对外延晶片,即使反复清洗也不会使≥0.2μm的颗粒增加。
1.3.2 DHF
DHF清洗时将用SC-1清洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉,Si几乎不被腐蚀;硅片最外层的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性;在酸性溶液中硅表面呈负电位,颗粒表面为正电位,由于两者之间的吸引力粒子容易附着在晶片表面。
HF清洗去除表面的自然氧化膜,因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中,同时DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成故可容易去除表面的AlFeZnNi等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等贵金属(氧化还原电位比氢高),会附着在硅表面,DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。
如硅表面外层的SiH键结构,硅表面在化学上是稳定的,即使清洗液中存在Cu等贵金属离子也很难发生Si的电子交换,因Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中存在Cl-Br-等阴离子,它们会附着于Si表面的终端氢键不完全地方,附着的Cl-Br-阴离子会帮助Cu离子与Si电子交换,使Cu离子成为金属Cu而附着在晶片表面。
因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0.337V)Si的氧化还原电位(E0=-0.857V)高得多,因此Cu2+离子从硅表面的Si得到电子进行还原,变成金属Cu从晶片表面析出;另一方面被金属Cu附着的Si释放与Cu的附着相平衡的电子,自身被氧化成SiO2
从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核。这个Cu粒子核比Si的负电性大,从Si吸引电子而带负电位,后来Cu离子从带负电位的Cu粒子核得到电子析出金属CuCu粒子就这样生长起来。Cu下面的断一面供给与Cu的附着相平衡的电子一面生成Si02
在硅片表面形成的SiO2,在DHF清洗后被腐蚀成小坑,其腐蚀小坑数量与去除Cu粒子前的Cu粒子量相当腐蚀小坑直径为0.010.1cm,与Cu粒子大小也相当,由此可知这是由结晶引起的粒子,常称为Mip(金属致拉子)
1.3.3 SC-2洗液
(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生,在酸性溶液中不易发生,并具有较强的去除晶片表面金属的能力,但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属,但晶片表面形成的自然氧化膜的附着(特别是Al)问题还未解决。
(2)硅片表面经SC-2清洗后,表面Si大部分以O键为终端结构,形成成一层自然氧化膜,呈亲水性。
(3)由于晶片表面的SiO2Si不能被腐蚀,因此不能达到去除粒子的效果。
如在SC-1SC-2的前、中、后加入98%H2SO430%H2O2HFHF终结中可得到高纯化表面,阻止离子的重新沾污。在稀HCl溶液中加氯乙酸,可极好地除去金属沾污。表面活性剂的加入,可降低硅表面的自由能,增强其表面纯化。它在HF中使用时,可增加疏水面的浸润性,以减少表面对杂质粒子的吸附。
2 清洗技术的改进
2.1 SC-1液的改进
a.为抑制SC-1时表面Ra变大,应降低NH4OH组成比即NH4OH:H202H20=0.05:1:1,当Ra=0.2nm的硅片清洗后其值不变在APM洗后的DIW漂洗应在低温下进行。
b.可使用兆声波清洗去除超微粒子,同时可降低清洗液温度,减少金属附着。
c.SC-1液中添加表面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm下降到19dyn/cm。选用低表面张力的清洗液可使颗粒去除率稳定维持较高的去除效率。使用SC-1液洗,其Ra变大,约是清洗前的2倍。用低表面张力的清洗液,其Ra变化不大(基本不变)
d.SC-1液中加入HF,控制其pH值,可控制清洗液中金属络合离子的状态抑制金属的再附着,也可抑制Ra的增大和COP的发生。
e.SC-1加入鳌合剂可使洗液中的金属不断形成赘合物有利于抑制金属的表面的附着。
2.2 有机物的去除
(1)如硅片表面附着有机物,就不能完全去除表面的自然氧化层和金属杂质,因此清洗时首先应去除有机物。
(2)添加2~10ppmO3超净水清洗对去除有机物很有效,可在室温进行清洗而不必进行废液处理,比SC-1清洗的效果更好。
2.3 DHF的改进
2.3.1 HF+H202清洗
(1)HF 0.5%+H2O2 10%可在室温下清洗可防止DHF清洗中的Cu等贵金属附着。
(2)由于H202氧化作用可在硅表面形成自然氧化膜,同时又因HF的作用将自然氧化层腐蚀掉,附着在氧化膜上的金属被溶解到清洗液中。在APM清洗时附着在晶片表面的金属氢氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不会再生长。
(3)AlFeNi等金属同DHF清洗一样,不会附着在晶片表面。
(4)n+P+型硅表面的腐蚀速度比np型硅表面大得多,可导致表面粗糙因而不能使用于n+p+型硅片清洗。
(5)添加强氧化剂H202(E=1.776V),比Cu2+离子优先从5i中夺取电子,因此硅表面由于H202被氧化,CuCu2+离子状态存在于清洗液中。即使硅表面附着金属Cu也会从氧化剂H202夺取电子呈离子化。硅表面被氧化形成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和5i电子交换很难发生,并越来越不易附着。
2.3.2 DHF+表面活性剂清洗
HF 0.5%DHF液中加入表面活性剂,其清洗效果与HF+H202清洗相同。
2.3.3 DHF+阴离子表面活性剂清洗
DHF液中,硅表面为负电位,粒子表面为正电位,当加入阴离子表面活性剂,可使得硅表面和粒子表面的电位为同符号,即粒子表面电位由正变为负,与硅片表面正电位同符号,使硅片表面和粒子表面之间产生电的排斥力,可以防止粒子的再附着。
2.4 ACD清洗
2.4.1 AC清洗
在标准的AC清洗中,将同时使用纯水、HF03,表面活性剂与兆声波。由于03具有非常强的氧化性,可以将硅片表面的有机沾污氧化为CO2H2O,达到去除表面有机物的目的,同时可以迅速在硅片表面形成一层致密的氧化膜;HF可以有效的去除硅片表面的金属沾污,同时将03氧化形成的氧化膜腐蚀掉,在腐蚀掉氧化膜的同时,可以将附着在氧化膜上的颗粒去除掉,兆声波的使用将使颗粒去除的效率更高,而表面活性剂的使用,可以防止已经清洗掉的颗粒重新吸附在硅片表面。
2.4.2 AD清洗
AD干燥法中,同样使用HF03。整个工艺过程可以分为液体中反应与气相处理两部分。
首先将硅片放入充满HF/03的干燥槽中,经过一定时间的反应后,硅片将被慢慢地抬出液面;由于HF酸的作用,硅片表面将呈疏水性,因此,在硅片被抬出液面的同时,将自动达到干燥的效果。
在干燥槽的上方安装有一组03的喷嘴,使得硅片被抬出水面后就与高浓度的03直接接触,进而在硅片表面形成一层致密的氧化膜。
在采用AD干燥法的同时,可以有效地去除金属沾污。该干燥法可以配合其他清洗工艺来共同使用,干燥过程本身不会带来颗粒沾污。
2.5酸系统溶液
2.5.1 SE洗液
HNO360%):HF(0.025%0.1%)SE能使硅片表面的铁沾污降至常规清洗工艺的十分之一,各种金属沾污均小于1010原子/cm2,不增加微粗糙度。这种洗液对硅的腐蚀速率比对二氧化硅快10倍,且与HF含量成正比,清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层。
2.5.2 CSE洗液
HNO3HFH2O2=50:(0.5~0.9):(49.5~49.1),353~5min。用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层,微粗糙度较SE清洗的降低;对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度,这样有利于工艺控制。当HF浓度控制在0.1%时效果较好。
3 几种的清洗方案
3.1 硅片衬底的常规清洗方法
三氯乙烯(除脂)80 15分钟;
丙酮、甲醇20,依次2分钟;
去离子水流洗2分钟;
2号液(411) 9010分钟;
去离子水流洗2分钟;
擦片(用擦片机)
去离子水冲5分钟;
1号液(411) 90~95 10分钟;
去离子水流洗5分钟;
稀盐酸(501) 2.5分钟;
11 去离子水流洗5分钟;
12 甩干(硅片)
该方案的清洗步骤为:先去油,接着去除杂质,其中10步用于进一步去除残余的杂质(主要是碱金属离子)
3.2 DZ-1DZ-2清洗半导体衬底的方法
去离子水冲洗;
DZ-1 (955) 50~60超声10分钟;
去离子水冲洗(5分钟)
DZ-2 (955) 50~60超声10分钟;
去离子水冲洗(5分钟)
甩干或氮气吹干。
该方案中用电子清洗剂代替方案一中的酸碱及双氧水等化学试剂,清洗效果大致与方案一相当。
3.3 硅抛光片的一般清洗方法
无钠清洗剂加热煮三次;
热去离子水冲洗;
3号液;
热去离子水冲洗;
去离子水冲洗;
稀氢氟酸漂洗;
去离子水冲洗;
1号液;
去离子水冲洗;
甩干。
对于用不同的抛光方式(有蜡或无蜡)得到的抛光片,其被各种类型的污染杂质沾污的情况各不相同,清洗的侧重点也就各不相同,因此上述各清洗步骤的采用与否及清洗次数的多少也就各不相同。
3.4某一化学清洗流程
以下所有试剂配比均为体积比。所用有机试剂均是分析级试剂。部分试剂的浓度如下:w(H2O2)≥20%w(HF)≥40%w(H2SO4):95~98%.
除脂
三氯乙烯溶液中旋转清洗3次,每次3 min;异丙醇中旋转清洗3次,每次3 min;去离子水漂洗3次;高纯氮气吹干;
氧化
在新配的H2SO4H2O2(11)溶液中氧化3 min;在70温水中漂洗3 min(避免Si表面因骤冷出现裂纹);去离子水中漂洗2次,每次3 min
刻蚀
HFC2H5OH(110)溶液中刻蚀3 minC2H5OH中漂洗3次,每次3 min;高纯氮气吹干。
化学清洗后,把样品快速传入真空系统,这是因为H钝化的硅表面在空气中只能维持几分钟内不被重新氧化。若清洗后的Si片不能及时进入超高真空系统,可将清洗后的Si片放入无水C2H5OH中,这既可以延缓表面被氧化的速度,又可以避免清洗后的表面被空气中的杂质所污染。

1 传统的RCA清洗法
1.1 主要清洗液
1.1.1 SPM(三号液)(H2SO4H2O2H2O
120150清洗 10min左右,SPM具有很高的氧化能力,可将金属氧化后溶于清洗液中,并能把有机物氧化生成CO2H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属,但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。经SPM清洗后,硅片表面会残留有硫化物,这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。由Ohnishi提出的SPFM(H2SO4/H2O2/HF)溶液,可使表面的硫化物转化为氟化物而有效地冲洗掉。由于臭氧的氧化性比H2O2的氧化性强,可用臭氧来取代H2O2(H2SO4/O3/H2O称为SOM溶液),以降低H2SO4的用量和反应温度。H2SO4(98%):H2O2(30%)=4:1
1.1.2 DHFHF(H2O2)H2O
2025清洗30s 腐蚀表面氧化层,去除金属沾污,DHF清洗可去除表面氧化层,使其上附着的金属连同氧化层一起落入清洗液中,可以很容易地去除硅片表面的AlFeZnNi等金属,但不能充分地去除CuHFH2O2=150
1.1.3 APM(SC-1)(一号液)(NH4OHH2O2H2O
6580清洗约10min 主要去除粒子、部分有机物及部分金属。由于H2O2的作用,硅片表面有一层自然氧化膜(Si02),呈亲水性,硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的SiNH4OH腐蚀,因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中,从而达到去除粒子的目的。此溶液会增加硅片表面的粗糙度。FeZnNi等金属会以离子性和非离子性的金属氢氧化物的形式附着在硅片表面,能降低硅片表面的Cu的附着。体积比为(115)~(127)NH4OH (27 %)H2O2(30%)H2O组成的热溶液。稀释化学试剂中把水所占的比例由15增至150,配合超声清洗,可在更短时间内达到相当或更好的清洗效果。
SC-1清洗后再用很稀的酸(HClH2O1104)处理,在去除金属杂质和颗粒上可收到良好的效果,也可以用稀释的HF溶液短时间浸渍,以去除在SC-1形成的水合氧化物膜。最后,常常用SC-1原始溶液浓度1/10的稀释溶液清洗,以避免表面粗糙,降低产品成本,以及减少对环境的影响。
1.1.4 HPM(SC-2)(二号液)(HClH2O2H2O
6585清洗约10min用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污,。在室温下HPM就能除去FeZnH2O2会使硅片表面氧化,但是HCl不会腐蚀硅片表面,所以不会使硅片表面的微粗糙度发生变化。(116)~ (218)H2O2(30%)HCl(37%)和水组成的热混合溶液。对含有可见残渣的严重沾污的晶片,可用热H2SO4-H2O(21)混合物进行预清洗。
1.2 传统的RCA清洗流程


1.3 各洗液的清洗说明
1.3.1 SC-1洗液
1.3.1.1 去除颗粒
硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(6mm呈亲水性),该氧化膜又被NH4OH腐蚀,腐蚀后立即又发生氧化,氧化和腐蚀反复进行,因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。
自然氧化膜约0.6nm厚,其与NH4OHH2O2浓度及清洗液温度无关。
SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快,其与H2O2的浓度无关。
Si的腐蚀速度,随NH4OH的浓度升高而快当,到达某一浓度后为一定值,H202浓度越高这一值越小。
NH4OH促进腐蚀,H2O2阻碍腐蚀。
H2O2的浓度一定,NH4OH浓度越低,颗粒去除率也越低,如果同时降低H2O2浓度可抑制颗粒的去除率的下降。
随着清洗液温度升高,颗粒去除率也提高在一定温度下可达最大值。
颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关为确保颗粒的去除要有一定量以上的腐蚀。
超声波清洗时由于空化现象只能去除≥0.4μm颗粒。兆声清洗时由于0.8Mhz的加速度作用能去除≥0.2μm颗粒,即使液温下降到40也能得到与80超声清洗去除颗粒的效果,而且又可避免超声清洗对晶片产生损伤。
在清洗液中硅表面为负电位有些颗粒也为负电位,由于两者的电的排斥力作用可防止粒子向晶片表面吸附,但也有部分粒子表面是正电位,由于两者电的吸引力作用,粒子易向晶片表面吸附。
1.3.1.2 去除金属杂质
    由于硅表面氧化和腐蚀,硅片表面的金属杂质,随腐蚀层而进入清洗液中。
    由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应,生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上。如:AlFeZn等便易附着在自然氧化膜上而NiCu则不易附着。
FeZnNiCu的氢氧化物在高pH值清洗液中是不可溶的有时会附着在自然氧化膜上。
清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。
清洗时,硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对AlFeZn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此在选用化学试剂时按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。
清洗液温度越高,晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降有利去除金属沾污。
去除有机物
由于H2O2的氧化作用,晶片表面的有机物被分解成CO2H2O而被去除。
微粗糙度Ra
晶片表面Ra与清洗液的NH4OH组成比有关,组成比例越大,其Ra变大。Ra0.2nm的晶片在NH4OHH202H2O=1:1:5SC-1清洗后Ra可增大至0.5nm。为控制晶片表面Ra有必要降低NH4OH的组成比例如0.5:1:5
COP(晶体的原生粒子缺陷)
对于CZ(直拉)硅单晶片经反复清洗后经测定每次清洗后硅片表面的颗粒≥2μm的颗粒会增加,但对外延晶片,即使反复清洗也不会使≥0.2μm的颗粒增加。
1.3.2 DHF
DHF清洗时将用SC-1清洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉,Si几乎不被腐蚀;硅片最外层的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性;在酸性溶液中硅表面呈负电位,颗粒表面为正电位,由于两者之间的吸引力粒子容易附着在晶片表面。
HF清洗去除表面的自然氧化膜,因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中,同时DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成故可容易去除表面的AlFeZnNi等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等贵金属(氧化还原电位比氢高),会附着在硅表面,DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。
如硅表面外层的SiH键结构,硅表面在化学上是稳定的,即使清洗液中存在Cu等贵金属离子也很难发生Si的电子交换,因Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中存在Cl-Br-等阴离子,它们会附着于Si表面的终端氢键不完全地方,附着的Cl-Br-阴离子会帮助Cu离子与Si电子交换,使Cu离子成为金属Cu而附着在晶片表面。
因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0.337V)Si的氧化还原电位(E0=-0.857V)高得多,因此Cu2+离子从硅表面的Si得到电子进行还原,变成金属Cu从晶片表面析出;另一方面被金属Cu附着的Si释放与Cu的附着相平衡的电子,自身被氧化成SiO2
从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核。这个Cu粒子核比Si的负电性大,从Si吸引电子而带负电位,后来Cu离子从带负电位的Cu粒子核得到电子析出金属CuCu粒子就这样生长起来。Cu下面的断一面供给与Cu的附着相平衡的电子一面生成Si02
在硅片表面形成的SiO2,在DHF清洗后被腐蚀成小坑,其腐蚀小坑数量与去除Cu粒子前的Cu粒子量相当腐蚀小坑直径为0.010.1cm,与Cu粒子大小也相当,由此可知这是由结晶引起的粒子,常称为Mip(金属致拉子)
1.3.3 SC-2洗液
(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生,在酸性溶液中不易发生,并具有较强的去除晶片表面金属的能力,但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属,但晶片表面形成的自然氧化膜的附着(特别是Al)问题还未解决。
(2)硅片表面经SC-2清洗后,表面Si大部分以O键为终端结构,形成成一层自然氧化膜,呈亲水性。
(3)由于晶片表面的SiO2Si不能被腐蚀,因此不能达到去除粒子的效果。
如在SC-1SC-2的前、中、后加入98%H2SO430%H2O2HFHF终结中可得到高纯化表面,阻止离子的重新沾污。在稀HCl溶液中加氯乙酸,可极好地除去金属沾污。表面活性剂的加入,可降低硅表面的自由能,增强其表面纯化。它在HF中使用时,可增加疏水面的浸润性,以减少表面对杂质粒子的吸附。
2 清洗技术的改进
2.1 SC-1液的改进
a.为抑制SC-1时表面Ra变大,应降低NH4OH组成比即NH4OH:H202H20=0.05:1:1,当Ra=0.2nm的硅片清洗后其值不变在APM洗后的DIW漂洗应在低温下进行。
b.可使用兆声波清洗去除超微粒子,同时可降低清洗液温度,减少金属附着。
c.SC-1液中添加表面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm下降到19dyn/cm。选用低表面张力的清洗液可使颗粒去除率稳定维持较高的去除效率。使用SC-1液洗,其Ra变大,约是清洗前的2倍。用低表面张力的清洗液,其Ra变化不大(基本不变)
d.SC-1液中加入HF,控制其pH值,可控制清洗液中金属络合离子的状态抑制金属的再附着,也可抑制Ra的增大和COP的发生。
e.SC-1加入鳌合剂可使洗液中的金属不断形成赘合物有利于抑制金属的表面的附着。
2.2 有机物的去除
(1)如硅片表面附着有机物,就不能完全去除表面的自然氧化层和金属杂质,因此清洗时首先应去除有机物。
(2)添加2~10ppmO3超净水清洗对去除有机物很有效,可在室温进行清洗而不必进行废液处理,比SC-1清洗的效果更好。
2.3 DHF的改进
2.3.1 HF+H202清洗
(1)HF 0.5%+H2O2 10%可在室温下清洗可防止DHF清洗中的Cu等贵金属附着。
(2)由于H202氧化作用可在硅表面形成自然氧化膜,同时又因HF的作用将自然氧化层腐蚀掉,附着在氧化膜上的金属被溶解到清洗液中。在APM清洗时附着在晶片表面的金属氢氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不会再生长。
(3)AlFeNi等金属同DHF清洗一样,不会附着在晶片表面。
(4)n+P+型硅表面的腐蚀速度比np型硅表面大得多,可导致表面粗糙因而不能使用于n+p+型硅片清洗。
(5)添加强氧化剂H202(E=1.776V),比Cu2+离子优先从5i中夺取电子,因此硅表面由于H202被氧化,CuCu2+离子状态存在于清洗液中。即使硅表面附着金属Cu也会从氧化剂H202夺取电子呈离子化。硅表面被氧化形成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和5i电子交换很难发生,并越来越不易附着。
2.3.2 DHF+表面活性剂清洗
HF 0.5%DHF液中加入表面活性剂,其清洗效果与HF+H202清洗相同。
2.3.3 DHF+阴离子表面活性剂清洗
DHF液中,硅表面为负电位,粒子表面为正电位,当加入阴离子表面活性剂,可使得硅表面和粒子表面的电位为同符号,即粒子表面电位由正变为负,与硅片表面正电位同符号,使硅片表面和粒子表面之间产生电的排斥力,可以防止粒子的再附着。
2.4 ACD清洗
2.4.1 AC清洗
在标准的AC清洗中,将同时使用纯水、HF03,表面活性剂与兆声波。由于03具有非常强的氧化性,可以将硅片表面的有机沾污氧化为CO2H2O,达到去除表面有机物的目的,同时可以迅速在硅片表面形成一层致密的氧化膜;HF可以有效的去除硅片表面的金属沾污,同时将03氧化形成的氧化膜腐蚀掉,在腐蚀掉氧化膜的同时,可以将附着在氧化膜上的颗粒去除掉,兆声波的使用将使颗粒去除的效率更高,而表面活性剂的使用,可以防止已经清洗掉的颗粒重新吸附在硅片表面。
2.4.2 AD清洗
AD干燥法中,同样使用HF03。整个工艺过程可以分为液体中反应与气相处理两部分。
首先将硅片放入充满HF/03的干燥槽中,经过一定时间的反应后,硅片将被慢慢地抬出液面;由于HF酸的作用,硅片表面将呈疏水性,因此,在硅片被抬出液面的同时,将自动达到干燥的效果。
在干燥槽的上方安装有一组03的喷嘴,使得硅片被抬出水面后就与高浓度的03直接接触,进而在硅片表面形成一层致密的氧化膜。
在采用AD干燥法的同时,可以有效地去除金属沾污。该干燥法可以配合其他清洗工艺来共同使用,干燥过程本身不会带来颗粒沾污。
2.5酸系统溶液
2.5.1 SE洗液
HNO360%):HF(0.025%0.1%)SE能使硅片表面的铁沾污降至常规清洗工艺的十分之一,各种金属沾污均小于1010原子/cm2,不增加微粗糙度。这种洗液对硅的腐蚀速率比对二氧化硅快10倍,且与HF含量成正比,清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层。
2.5.2 CSE洗液
HNO3HFH2O2=50:(0.5~0.9):(49.5~49.1),353~5min。用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层,微粗糙度较SE清洗的降低;对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度,这样有利于工艺控制。当HF浓度控制在0.1%时效果较好。
3 几种的清洗方案
3.1 硅片衬底的常规清洗方法
三氯乙烯(除脂)80 15分钟;
丙酮、甲醇20,依次2分钟;
去离子水流洗2分钟;
2号液(411) 9010分钟;
去离子水流洗2分钟;
擦片(用擦片机)
去离子水冲5分钟;
1号液(411) 90~95 10分钟;
去离子水流洗5分钟;
稀盐酸(501) 2.5分钟;
11 去离子水流洗5分钟;
12 甩干(硅片)
该方案的清洗步骤为:先去油,接着去除杂质,其中10步用于进一步去除残余的杂质(主要是碱金属离子)
3.2 DZ-1DZ-2清洗半导体衬底的方法
去离子水冲洗;
DZ-1 (955) 50~60超声10分钟;
去离子水冲洗(5分钟)
DZ-2 (955) 50~60超声10分钟;
去离子水冲洗(5分钟)
甩干或氮气吹干。
该方案中用电子清洗剂代替方案一中的酸碱及双氧水等化学试剂,清洗效果大致与方案一相当。
3.3 硅抛光片的一般清洗方法
无钠清洗剂加热煮三次;
热去离子水冲洗;
3号液;
热去离子水冲洗;
去离子水冲洗;
稀氢氟酸漂洗;
去离子水冲洗;
1号液;
去离子水冲洗;
甩干。
对于用不同的抛光方式(有蜡或无蜡)得到的抛光片,其被各种类型的污染杂质沾污的情况各不相同,清洗的侧重点也就各不相同,因此上述各清洗步骤的采用与否及清洗次数的多少也就各不相同。
3.4某一化学清洗流程
以下所有试剂配比均为体积比。所用有机试剂均是分析级试剂。部分试剂的浓度如下:w(H2O2)≥20%w(HF)≥40%w(H2SO4):95~98%.
除脂
三氯乙烯溶液中旋转清洗3次,每次3 min;异丙醇中旋转清洗3次,每次3 min;去离子水漂洗3次;高纯氮气吹干;
氧化
在新配的H2SO4H2O2(11)溶液中氧化3 min;在70温水中漂洗3 min(避免Si表面因骤冷出现裂纹);去离子水中漂洗2次,每次3 min
刻蚀
HFC2H5OH(110)溶液中刻蚀3 minC2H5OH中漂洗3次,每次3 min;高纯氮气吹干。
化学清洗后,把样品快速传入真空系统,这是因为H钝化的硅表面在空气中只能维持几分钟内不被重新氧化。若清洗后的Si片不能及时进入超高真空系统,可将清洗后的Si片放入无水C2H5OH中,这既可以延缓表面被氧化的速度,又可以避免清洗后的表面被空气中的杂质所污染。


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