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1、半导体硅片的化学清洗技术一.硅片的化学清洗工艺原理硅片经过不同工序加工后，其表面已受到严重沾污，一般讲硅片表面沾污大致可分在三类：A.有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合超声波清洗技术来去除。B.颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或超声波清洗技术来去除粒径 0.4 m颗粒，利用兆声波可去除 0.2 m颗粒。C.金属离子沾污：必须采用化学的方法才能清洗其沾污，硅片表面金属杂质沾污有两大类：a.一类是沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。b.另一类是带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。硅抛光片的化学清洗目的就在于要去除这种沾污，一般可按下述办法进行清洗去除沾污
2、。a.使用强氧化剂使“电镀”附着到硅表面的金属离子、氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。b.用无害的小直径强正离子（如H+）来替代吸附在硅片表面的金属离子，使之溶解于清洗液中。c.用大量去离水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。自 1970年美国 RCA实验室提出的浸泡式RCA化学清洗工艺得到了广泛应用，1978 年 RCA实验室又推出兆声清洗工艺，近几年来以RCA清洗理论为基础的各种清洗技术不断被开发出来，例如：美国 FSI 公司推出离心喷淋式化学清洗技术。美国原 CFM公司推出的Full-Flow systems封闭式溢流型清洗技术。美国 VERTEQ 公司推出的介于浸泡与封闭
3、式之间的化学清洗技术（例Goldfinger Mach2清洗系统）。美国 SSEC 公司的双面檫洗技术（例M3304 DSS清洗系统）。日本提出无药液的电介离子水清洗技术（用电介超纯离子水清洗）使抛光片表面洁净技名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -术达到了新的水平。以 HF/O3 为基础的硅片化学清洗技术。目前常用 H2O2作强氧化剂，选用HCL作为 H+的来源用于清除金属离子。SC-1是 H2O2和 NH4OH 的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH 的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除。由于溶液具有强氧化性和络合性，能
4、氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。为此用 SC-1 液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。SC-2是 H2O2和 HCL的酸性溶液，它具有极强的氧化性和络合性，能与氧以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。在使用 SC-1 液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的效果。二.RCA 清洗技术传统的 RCA清洗技术：所用清洗装置大多是多槽浸泡式清洗系统清洗工序：SC-1 DHF SC-2 1.SC-1清洗去除
5、颗粒：目的：主要是去除颗粒沾污（粒子）也能去除部分金属杂质。去除颗粒的原理：硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm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NH4OH、H2O2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，H2O2浓度越高这一值越小。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -NH4OH促进腐
6、蚀，H2O2阻碍腐蚀。若 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，由于空洞现象，只能去除 0.4 m 颗粒。兆声清洗时，由于0.8Mhz的加速度作用，能去除 0.2 m 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，而且又可避免超声洗晶片产生损伤。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
7、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。.去除金属杂质的原理：由于硅表面的氧化和腐蚀作用，硅片表面的金属杂质，将随腐蚀层而进入清洗液中，并随去离子水的冲洗而被排除。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：Al、Fe、Zn 等便易附着在自然氧化膜上。而 Ni、Cu则不易附着。Fe、Zn、Ni、Cu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。实验结果：a.据报道如表面Fe 浓度分别是1011、1012、1013 原子/cm2 三种硅片放在SC-1 液中清洗后，三种硅片Fe 浓度均变成1010 原子/
8、cm2。若放进被Fe 污染的 SC-1 清洗液中清洗后，结果浓度均变成1013/cm2。b.用 Fe 浓度为 1ppb 的 SC-1液，不断变化温度，清洗后硅片表面的Fe 浓度随清洗时间延长而升高。对应于某温度洗1000 秒后，Fe 浓度可上升到恒定值达101241012 原子/cm2。将表面 Fe 浓度为 1012 原子/cm2 硅片，放在浓度为1ppb 的 SC-1 液中清洗，表面 Fe 浓度随清洗时间延长而下降，对应于某一温度的SC-1 液洗 1000 秒后，可下降到恒定值达4101061010 原子/cm2。这一浓度值随清洗温度的升高而升高。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理
9、-第 3 页，共 9 页 -从上述实验数据表明：硅表面的金属浓度是与SC-1 清洗液中的金属浓度相对应。晶片表面的金属的脱附与吸附是同时进行的。即在清洗时，硅片表面的金属吸附与脱附速度差随时间的变化到达到一恒定值。以上实验结果表明：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。c.用 Ni 浓度为 100ppb 的 SC-1清洗液，不断变化液温，硅片表面的Ni 浓度在短时间内到达一恒定值、即达 101231012 原子/cm2。这一数值与上述Fe 浓度 1ppb 的 SC-1 液清洗后表面 Fe 浓度相同。这表明 Ni 脱附速度大，在短时间内脱附
10、和吸附就达到平衡。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 Al、Fe、Zn。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。例如使用美国Ashland 试剂，其CR-MB级的金属离子浓度一般是：H2O2 10ppb、HCL 10ppb、NH4OH 10ppb、H2SO4 10ppb 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CO2、H2O而被去除。微粗糙度。
11、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。Ra为 0.2nm 的晶片,在 NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5的 SC-1 液清洗后，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，例用0.5:1:5 COP（晶体的原生粒子缺陷）。对 CZ硅片经反复清洗后，经测定每次清洗后硅片表面的颗粒2 m 的颗粒会增加，但对外延晶片，即使反复清洗也不会使0.2 m 颗粒增加。据近几年实验表明，以前认为增加的粒子其实是由腐蚀作用而形成的小坑。在进行颗粒测量时误将小坑也作粒子计入。小坑的形成是由单晶缺陷引起，因此称这类粒子为COP（晶体的原生粒子缺
12、陷）。据介绍直径200 mm 硅片按 SEMI要求：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -256 兆 0.13 m，10 个/片，相当COP约 40 个。2.DHF清洗。a.在 DHF洗时，可将由于用SC-1洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉，而 Si 几乎不被腐蚀。b.硅片最外层的Si 几乎是以 H 键为终端结构，表面呈疏水性。c.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。d.去除金属杂质的原理：用 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
13、的形成。故可容易去除表面的Al、Fe、Zn、Ni 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。实验结果：据报道 Al3+、Zn2+、Fe2+、Ni2+的氧化还原电位E0 分别是 -1.663V、-0.763V、-0.440V、0.250V 比 H+的氧化还原电位（E0=0.000V）低，呈稳定的离子状态，几乎不会附着在硅表面。如硅表面外层的Si 以 H 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，因经 Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中
14、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。因液中的Cu2+离子的氧化还原电位（E0=0.337V）比 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
15、Cu，Cu粒子状这样生长起来。Cu下面的 Si 一面供给与Cu的附着相平衡的电子，一面生成SiO2。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0.01 0.1 m，与 Cu粒子大小也相当，由此可知名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -这是由结晶引起的粒子，常称为金属致粒子（MIP）。3.SC-2清洗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，而晶片表面形成的自然氧化膜的附着（特别是
16、Al）问题还未解决。2).硅片表面经SC-2液洗后，表面Si 大部分以 O 键为终端结构，形成一层自然氧化膜，呈亲水性。3).由于晶片表面的SiO2 和 Si 不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。a.实验表明：据报道将经过SC-2液，洗后的硅片分别放到添加Cu的 DHF清洗或 HF+H2O2 清洗液中清洗、硅片表面的Cu浓度用 DHF液洗为 1014 原子/cm2，用 HF+H2O2 洗后为 1010 原子/cm2。即说明用HF+H2O2 液清洗去除金属的能力比较强，为此近几年大量报导清洗技术中，常使用HF+H2O2 来代替 DHF清洗。三.离心喷淋式化学清洗抛光硅片系统内可按不同工艺编制
17、贮存各种清洗工艺程序，常用工艺是：FSI“A”工艺：SPM+APM+DHF+HPM FSI“B”工艺：SPM+DHF+APM+HPM FSI“C”工艺：DHF+APM+HPM RCA工艺：APM+HPM SPM.Only 工艺：SPM Piranha HF工艺：SPM+HF 上述工艺程序中：SPM=H2SO4+H2O2 4：1 去有机杂质沾污DHF=HF+D1.H2O(1-2%)去原生氧化物，金属沾污APM=NH4OH+H2O2+D1.H2O 1：1：5 或 0.5：1：5 去有机杂质，金属离子，颗粒沾污名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -HPM=HCL+H
18、2O2+D1.H2O 1：1：6 去金属离子Al、Fe、Ni、Na等如再结合使用双面檫洗技术可进一步降低硅表面的颗粒沾污。四.新的清洗技术A.新清洗液的开发使用1）.APM清洗a.为抑制 SC-1 时表面 Ra变大，应降低NH4OH 组成比，例：NH4OH：H2O2：H2O=0.05：1：1 当 Ra=0.2nm 的硅片清洗后其值不变，在APM 洗后的 D1W 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.在 SC-1 液中添加界面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm 下降到 19 dyn/cm。选用低表面张力的清洗液，可使颗粒去除率
19、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.在 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.在 SC-1 加入螯合剂，可使洗液中的金属不断形成螯合物，有利抑制金属的表面的附着。2）.去除有机物：O3+H2O 3）.SC-1 液的改进：SC-1+界面活性剂SC-1+HF SC-1+螯合剂4）.DHF 的改进：DHF+氧化剂（例HF+H2O2）DHF+阴离子界面活性剂DHF+络合剂DHF+螯合剂5）酸系统溶液：名师资料总结-精
20、品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -HNO3+H2O2、HNO3+HF+H2O2、HF+HCL 6）.其它：电介超纯去离子水B.O3 H2O清洗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）.据报道在用添加2-10 ppm O3 的超净水清洗，对去除有机物很有效，可在室温进行清洗，不必进行废液处理，比SC-1 清洗有很多优点。C.HF H2O2清洗1.据报道用HF 0.5%+H2O2 10%，在室温下清洗，可防止DHF清洗中的Cu等贵金属的附着。2.由于 H2O2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
21、自然氧化层腐蚀掉，附着在氧化膜上的金属可溶解到清洗液中，并随去离子水的冲洗而被排除。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.Al、Fe、Ni 等金属同DHF清洗一样，不会附着在晶片表面。4.对 n+、P+型硅表面的腐蚀速度比n、p 型硅表面大得多，可导致表面粗糙，因而不适合使用于n+、P+型的硅片清洗。5.添加强氧化剂H2O2（E0=1.776V），比 Cu2+离子优先从Si 中夺取电子，因此硅表面由于 H2O2 被氧化，Cu以 Cu2+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 H2O2 夺取电子呈离子化。硅表面被氧化，形
22、成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和 Si电子交换很难发生，并越来越不易附着。D.DHF 界面活性剂的清洗据报道在HF 0.5%的 DHF液中加入界面活性剂，其清洗效果与HF+H2O2 清洗有相同效果。E.DHF阴离子界面活性剂清洗据报道在DHF液，硅表面为负电位，粒子表面为正电位，当加入阴离子界面活性剂，可使得名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -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，因此可防止粒子的再附着。F.以 HF/O3 为基础的硅片化学清洗技术此清洗工艺是以德国AST
23、EC 公司的 AD-(ASTEC-Drying)专利而闻名于世。其HF/O3 清洗、干燥均在一个工艺槽内完成,。而传统工艺则须经多道工艺以达到去除金属污染、冲洗和干燥的目的。在HF/O3清洗、干燥工艺后形成的硅片H表面 (H-terminal)在其以后的工艺流程中可按要求在臭氧气相中被重新氧化.五.总结1.用 RCA法清洗对去除粒子有效，但对去除金属杂质Al、Fe 效果很小。2.DHF 清洗不能充分去除Cu，HPM 清洗容易残留Al。3.有机物，粒子、金属杂质在一道工序中被全部去除的清洗方法，目前还不能实现。4.为了去除粒子，应使用改进的SC-1 液即 APM 液，为去除金属杂质，应使用不附着Cu的改进的 DHF液。5.为达到更好的效果，应将上述新清洗方法适当组合，使清洗效果最佳。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -