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硅片清洗技术进展

作者：江海兵

来源：《硅谷》2008年第19期

[摘要]在分析抛光硅片表面沾污类型的基础上，对目前硅片主要清洗方法的工作原理、清洗效果、适用范围等特点进行研究，重点研究硅片激光干法清洗原理和特点。 [关键词]硅片 沾污类型 清洗 激光干法清洗

中图分类号：TN604 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1010199－02 一、序言

半导体硅作为现代电子工业的基础材料己有半个世纪的历史，随着亚微米及深亚微米超大规模集成电路(ULSI)遵循着“摩尔定律”迅速发展，设计线宽急剧减小，基体表面的亚微米污物足以导致大量缺陷产生并对生产领域造成一系列影响，给硅片表面质量提出了越来越苛刻的要求。硅片表面的颗粒、有机物、金属、吸附分子、微粗糙度、自然氧化层等严重影响器件性能，清洗不佳引起的器件失效已超过集成电路制造中总损失的一半。因此，硅片清洗技术成为硅晶片加工和超大规模集成电路工艺研究的一大热点。本文在分析硅片表面污染物基础上，对硅片目前流行的清洗工艺原理作概述，并介绍其最新进展[1]。

二、硅片加工表面污染类型

在硅片加工及器件制造过程中，所有与硅片接触的外部媒介都是硅片沾污的可能来源。这主要包括以下几方面：硅片加工成型过程中的污染、环境污染、水造成的污染、试剂带来的污染、工业气体带来的污染、工艺本身带来的污染、人体造成的污染等。其污染主要有以下几种类型[1]：（1）颗粒沾污；（2）有机物沾污；（3）金属离子沾污；（4）自然氧化层沾污。

三、硅片清洗的主要方法

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到目前为止，清洗方法可分为许多种，工业生产种使用较多的有：RCA清洗法、超声波清洗法、兆声波清洗法、机械刷片法等。下面对以上几种方法作简要说明： （一）RCA清洗法

RCA由Werner Kern于1965年在N.J.Princeton的RCA实验室首创，并由此得名。RCA清洗是一种典型湿式化学清洗，在各种清洗方法中仍占主导地位。国内外已有多篇文章用不同的分析方法证实了RCA的有效性。RCA清洗主要用于清除有机表面膜、粒子和金属沾污。该清洗方法存在诸多弊端：如硅片表面清洗涉及到许多化学试剂；其处理均在高温过程中进行，要消耗大量的液体化学品和超纯水；同时要消耗大量空气来抑制化学品蒸发，使之不扩散到洁净室；由于化学试剂的作用，加大了硅片的粗糙度 [2]。 （二）机械刷片法

刷片方法被认为是去除化学机械抛光液残余物的方法之一。早期的尼龙刷子和高压水溅射对硅片有很大的损坏。后来用PVA（聚乙烯醇）支撑的刷子可以不算还硅片表面并达到去除颗粒的效果。但是刷片方法也存在一些缺点，比如：保存时间短；且逐片刷洗效率很低；刷子凹槽内颗粒对表面有划伤可能；设备也比较昂贵；对去除硅片表面的金属杂质沾污没有作用；在机械刷洗过程中，抛光片表面去除颗粒的同时，又被刷洗液中的金属杂质沾污；抛光片会受到刷子的污染，这对提高抛光片表面质量很不利[3]。 （三）超声波清洗

超声波清洗是半导体工业中广泛应用的一种清洗方法[4]。超声波清洗的主要机理是超声波空化效应、辐射压和声流。超声波清洗具有清洗速度快、质量高，不受清洗件表面复杂形状的限制，易于实现遥控和自动化的优点。但也存在着缺点：超声波清洗时所用的乙醇、丙酮、三氯乙烯等有机溶剂，易挥发，成本高，需加回收等设备；超声波主要除去大颗粒，随着颗粒尺寸的减小，清洗效果下降。 （四）兆声波清洗

兆声波清洗保存了超声波清洗的优点，且克服了它的不足。兆声波清洗的机理是由高能频效应结合化学清洗剂的化学反应对硅片进行清洗[5]。兆声波清洗能清除硅片表面上0.2微米的颗粒，能同时起到机械刷片和化学清洗两种方法的作用。现在多采用兆声能量和化学物品相结合的方法来去除硅片表面的亚微米颗粒、有机物和金属离子。但兆声波清洗仍不能避免和化学物品的接触和超纯水的使用，且也存在换能器易坏的缺点。 （五）气相干洗

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MMST(微电子制造科学与技术)的清洗目标为单片气相干洗工艺[6]。目的是为了全替代湿式清洗工艺。HF气相干洗技术成功地用于去除氧化膜、氯化膜和金属后腐蚀残余，并可减少清洗后自然生长的氧化膜量。

气相干洗是在常压下使用HF气体控制系统的湿度。先低速旋转片子，再高速旋转使片子干燥。可用于清洗较深的结构图形，如对沟槽的清洗。气相干洗可去除硅片表面粒子并减少在清洗过程中的沾污，它是“粒子中性”的。虽然HF蒸气可除去自然氧化物，但不能除去金属沾污。

（六）UV/O3清洗

在氧存在的情况下，使用来自水银石英灯的短波UV照射硅片表面，是一种强有力的去除多种沾污的清洗方法[7]。水银石英灯灯管输出波长分别为185μm和254μm的两种光。此两种光所占的比例为5%和95%。波长为185μm的光能被空气中的氧所吸收，其中的一部分转换成臭氧。臭氧是非常强的氧化物质，使有机玷污的分子被氧化。波长为254μm的光能被有机玷污所吸收，使玷污破裂，放出CO、CO2和H2O。此方法对除去大多数的有机玷污有效，但对去除无机玷污和金属玷污效果不佳。此方法用于SC-1/SC-2/HF-H2O之后，氧化工艺之前，可改善氧化层质量。UV/O3方法清洗效果明显，不用化学品，无机械损伤，之后无需干燥。 （七）旋转喷淋法

旋转喷淋法是指利用机械方法将硅片以较高的速度旋转起来，在旋转过程中通过不断向硅片表面喷液体(高纯去离子水或其它清洗液) 而达到清洗硅片目的的一种方法[7]。该方法利用所喷液体的溶解(或化学反应) 作用来溶解硅片表面的沾污，同时利用高速旋转的离心作用，使溶有杂质的液体及时脱离硅片表面，这样硅片表面的液体总保持非常高的纯度。 （八）激光干法清洗

激光清洗的机理[9]：激光干法清洗的机理主要是瞬时热膨胀机理。即颗粒与基体经短脉冲激光辐照后，光能转化为热能，引起颗粒、基体、或二者同时在瞬时产生热膨胀，在颗粒与基体之间产生一个强大的瞬时加速度，使得颗粒与基体脱离。在激光干法清洗中，起主要作用的仍然是瞬时热膨胀机理。假设颗粒为规则的球形颗粒，则图1所示为激光干法清洗机理的示意图，激光干法清洗中颗粒去除模型根据受热膨胀的物质不同，可将激光干法清洗分为基体热膨胀去除颗粒（图2（b））、颗粒自身热膨胀脱离基体（图2（a））以及两者共同吸收三种方式。

激光清洗设备工作原理[10]：图2是一套比较完整的激光清洗系统的结构原理图。激光清洗机的工作原理如下：自动控制系统对激光器发出工作指令，并使激光器工作在已经设定好的工作模式，激光器发出的激光束经过光束调整传输系统后，输送到固定被清洗工件的移动平台上来清除其表面污物，并由监测系统监控工件的清洗情况，当达到清洗标准时，监测系统就向