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硅片超声波清洗技术、科达超声波清洗机

日期: 2013-01-28
浏览次数: 49

在半导体材料的制备过程中,每一道工序都涉及到清洗,而且清洗的好坏直接影响下一道工序,甚至影响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减小,对于晶片表面沾污的要求更加严格,ULSI工艺要求在提供的衬底片上吸附物不多于500个/m2×0.12um,金属污染小于 1010atom/cm2。晶片生产中每一道工序存在的潜在污染,都可导致缺陷的产生和器件的失效。因此,硅片的清洗引起了专业人士的重视。以前很多厂家都用手洗的方法,这种方法人为的因素较多,一方面容易产生碎片,经济效益下降,另一方面手洗的硅片表面洁净度差,污染严重,使下道工序化抛腐蚀过程中的合格率较低。所以,硅片的清洗技术引起了人们的重视,找到一种简单有效的清洗方法是当务之急。本文介绍了一种超声波清洗技术,其清洗硅片的效果显著,是一种值得推广的硅片清洗技术。


硅片表面污染的原因

晶片表面层原子因垂直切片方向的化学键被破坏而成为悬空键,形成表面附近的自由力场,尤其磨片是在铸铁磨盘上进行,所以铁离子的污染就更加严重。同时,由于磨料中的金刚砂粒径较大,造成磨片后的硅片破损层较大,悬挂键数目增多,极易吸附各种杂质,如颗粒、有机杂质、无机杂质、金属离子、硅粉粉尘等,造成磨片后的硅片易发生变花、发蓝、发黑等现象,使磨片不合格。硅片清洗的目的就是要除去各类污染物,清洗的洁净程度直接决定着ULSI向更高集成度、可靠性、成品率发展,这涉及到高净化的环境、水、化学试剂和相应的设备及配套工艺,难度越来越大,可见半导体行业中清洗工艺的重要性。

                                                 

实验及结果分析

1.实验设备和试剂

实验设备:全自动硅片清洗机

实验使用的试剂:有机碱、清洗剂、活性剂、去离子水、助磨剂

2.实验过程

(1)超声波清洗的基本原理

利用28KHz以上的电能,经超声波换能器转换成高频机械振荡而传入到清洗液中。超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射,使液体流动,并不停地产生数以万计的微小气泡。这些气泡是在超声波纵向传播的负压区形成及生长,而在正压区迅速闭合。这种微小气泡的形成、生成迅速闭合称为空化现象,在空化现象中气泡闭合时形成超过1000个大气压的瞬时高压,连续不断产生的瞬时高压,像一连串小爆炸不停地轰击物体表面,使物体及缝隙中的污垢迅速剥落。这种空化侵蚀作用就是超声波清洗的基本原理。

(2)清洗工艺流程

自动上料→去离子水+超声波清洗+抛动→碱液+超声波清洗+抛动→去离子水+超声波清洗+抛动→碱液+超声波清洗+抛动→碱液+超声波清洗+抛动→去离子水+超声波清洗+抛动+溢流→去离子水+超声波清洗+抛动+溢流→自动下料

(3)清洗液的最佳配比的确定

取4″及500祄厚的硅片做十组实验,固定5分钟清洗时间及超声清洗的温度,见下面列表。

从表中观察不同条件下硅片表面,用荧光灯照射表面可清楚看出硅表面的洁净程度。因此得出清洗液的最佳配比为 活性剂:清洗剂: 去离子水=0.10:1.00:7.0

通过实验发现当清洗剂的浓度越低,越有利于水的清洗,但清洗剂的浓度不能低于15%,否则清洗效果反而降低。

(4)超声清洗时间的确定

将磨片分为十组,以上述最佳配比为清洗液超声清洗,按不同的时间分为十批清洗, 清洗时间分别是1,2,3,4,5,6,7,8,9,10min。同时用去离子水代替清洗液同样条件下做对比实验,得出结论, 清洗剂的清洗效果明显好于去离子水,而且超声清洗时间在3min清洗效果就已经比较理想了。

(5)超声清洗温度的确定

非离子表面活性剂在液固界面的吸附量随温度升高而增加。这是因为在低温时非离子表面活性剂与水完全混溶,亲水基聚氧乙烯与水形成的氢键能量低,当温度升高后,分子的热运动加剧,致使氢键破坏,使非离子表面活性剂在水中的溶解度下降,温度升高到一定值时,非离子表面活性剂从水溶液中析出变混浊,此温度即为浊点。因此温度升高时非离子表面活性剂逃离水的趋势增强,吸附量增大。温度对非离子表面活性剂的去污能力的影响是明显的,当温度接近于浊点时,清洗效果最好。通过实验得出30~50℃之间均可,但45℃为最佳。

(6)扫描电子显微镜的观察

通过扫描电子显微镜能谱分析可以得出:研磨片的表面黑点主要是颗粒污染物和碳元素聚集物。

3. 实验结果和讨论

(1) 硅片经过磨片工序后,一直使硅片处于去离子水中浸泡状态,这样在经过清洗机清洗后表面洁净,在化抛后尤为明显, 化抛后硅片表面相当光泽干净,使其合格率大大提高;若由于工艺需要测试硅片厚度或电阻率,使其脱离水后,在重新清洗后的硅片化抛时, 表面大多数会出现暗花及不明显的污染痕迹,直观表面较差。

(2) 清洗次数对清洗效果有很大影响,清洗次数多的硅片比清洗次数少的硅片表面光洁,这就要求在以后的探索中如何控制清洗液的时效性,如清洗四英寸硅片达500片时,需及时更换清洗液。

(3)适当加入有机碱,利用碱的腐蚀性,络合硅片表面的金属离子,以加快清洗的速度,提高清洗的效率。  

硅片的清洗在半导体制作过程中十分重要,而磨片的清洗是所有清洗工序中最困难的。由于使用了清洗机,通过物理渗透作用,使污染颗粒脱离硅片表面,再通过超声波清洗的机械作用和化学腐蚀作用,最终去除污染颗粒,达到了清洗硅片的目的。

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