半导体晶圆的污染杂质及清洗技术.pdf
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1、(总第 233 期 )Jul 2014 电子工业专用设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE 收稿日期:2014-06-23 半导体晶圆的污染杂质及清洗技术 张士伟 (中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄050051) 摘要: 介绍了半导体圆片存在的各种污染杂质的类型和去除方法, 并概要总结了半导体圆片 的清洗技术,对半导体圆片的湿法和干法清洗特点和去除效果进行了比较分析。 关键词: 污染杂质;半导体;湿法清洗;干法清洗 中图分类号:TN305文献标识码:B文章编号:1004-4507(2014)07-0018-04
2、 The Pollution of the Semiconductor Impurities and Cleaning Technology ZHANG Shiwei (The 13thResearch Institute of CETC, Shijiazhuang 050051, China) Abstract: This paper introduces the semiconductor wafer exist various pollution type of impurity and removing methods, summary and summarized the semic
3、onductor wafer cleaning technology, wet process and dry process of semiconductor wafer cleaning characteristics and removal efficiency are analyzed in comparison. Keywords: Pollution of impurities; Semiconductor; Wet cleaning; Dry cleaning 随着半导体技术的不断发展,对工艺技术的 要求越来越高,特别是对半导体圆片的表面质量 要求越来越严,其主要原因是圆片表面的
4、颗粒和 金属杂质沾污会严重影响器件的质量和成品率, 在目前的集成电路生产中,由于圆片表面沾污问 题, 仍有 50% 以上的材料被损失掉1。 在半导体生产工艺中,几乎每道工序中都需 要进行清洗,圆片清洗质量的好坏对器件性能有 严重的影响。正是由于圆片清洗是半导体制造工 艺中最重要、 最频繁的工步, 而且其工艺质量将直 接影响到器件的成品率、 性能和可靠性, 所以国内 外各大公司、研究机构等对清洗工艺的研究一直 在不断地进行2。目前已研制出的圆片清洗技术 有: 湿法化学清洗、 超声清洗、 兆声清洗、 鼓泡清 洗、 擦洗、 高压喷射法、 离心喷射法、 流体力学法、 流体动力学法、 干法清洗、 微集射
5、束流法、 激光束 清洗、 冷凝喷雾技术、 汽相清洗、 非浸润液体喷射 法、 在线真空清洗、 RCA 清洗、 等离子体清洗、 原 位水冲洗等。这些方法和技术已被广泛应用于半 导体圆片的清洗工艺中。 清洗技术与设备 18 电子工业专用设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE (总第 233 期 )Jul 2014 1半导体的污染杂质和分类 半导体制造中需要一些有机物和无机物参与 完成, 另外, 由于工艺总是在净化室中由人的参与 进行,所以半导体圆片不可避免的被各种杂质污 染。 根据污染物的来源、 性质等, 大致可分为颗粒、 有机物
6、、 金属离子和氧化物四大类。 1.1颗粒 颗粒主要是一些聚合物、光刻胶和蚀刻杂质 等。这类污染物通常主要依靠范德瓦尔斯吸引力 吸附在圆片表面,影响器件光刻工序的几何图形 的形成及电学参数。这类污染物的去除方法主要 以物理或化学的方法对颗粒进行底切,逐渐减小 其与圆片表面的接触面积, 最终将其去除。 1.2有机物 有机物杂质的来源比较广泛, 如人的皮肤油 脂、 细菌、 机械油、 真空脂、 光刻胶、 清洗溶剂等。 这类污染物通常在圆片表面形成有机物薄膜阻 止清洗液到达圆片表面, 导致圆片表面清洗不彻 底, 使得金属杂质等污染物在清洗之后仍完整的 保留在圆片表面。 这类污染物的去除常常在清洗 工序的
7、第一步进行, 主要使用硫酸和双氧水等方 法进行。 1.3金属 半导体工艺中常见的金属杂质有铁、 铜、 铝、 铬、 钨、 钛、 钠、 钾、 锂等, 这些杂质的来源主要 有: 各种器皿、 管道、 化学试剂, 以及半导体圆片 加工过程中, 在形成金属互连的同时, 也产生了 各种金属污染。 这类杂质的去除常采用化学方法 进行, 通过各种试剂和化学药品配制的清洗液与 金属离子反应, 形成金属离子的络合物, 脱离圆 片表面。 1.4氧化物 半导体圆片暴露在含氧气及水的环境下表 面会形成自然氧化层。 这层氧化薄膜不但会妨碍 半导体制造的许多工步,还包含了某些金属杂 质, 在一定条件下, 它们会转移到圆片中形
8、成电 学缺陷。 这层氧化薄膜的去除常采用稀氢氟酸浸 泡完成。 2半导体圆片清洗技术和一般程序 2.1常用清洗技术 半导体圆片的清洗常采用化学方法清洗 。化 学清洗是指利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附 在被清洗圆片表面的杂质及油污发生化学反应或 溶解作用, 使杂质从被清洗圆片的表面脱附, 然后 用大量高纯热、 冷去离子水冲洗, 从而获得洁净表 面的过程3。化学清洗可分为湿法化学清洗和干 法化学清洗,其中湿法化学清洗在半导体清洗工 艺中仍处于主导地位。 2.1.1湿法化学清洗 (1) 溶液浸泡法。溶液浸泡法是将圆片浸泡 在化学溶液中来达到清除表面污染的一种方法。 它是湿法化学清洗中最常用的一种方法
9、。 选用不 同的溶液可以达到清除圆片表面不同类型的污 染杂质, 如采用有机溶剂去除有机污染物, 采用 RCA 溶液清除有机、 无机和金属离子等杂质。通 常这种方法不能彻底去净圆片表面的杂质, 所以 在采用浸泡的同时常辅以加热、超声、 搅拌等物 理措施。 (2) 机械擦洗法。 机械擦洗常用来去除圆片表 面的微粒或有机残渣,一般可分为手工擦洗和擦 片机擦洗两种方法。手工擦洗是最简单的一种擦 洗方法,用不锈钢镊子夹着浸有无水乙醇等有机 溶剂的棉球, 在圆片表面沿同一方向轻擦, 以去除 蜡膜、 灰尘、 残胶或其它固体颗粒, 这种方法易造 成划伤, 污染严重。擦片机是利用机械旋转, 用软 羊毛刷或刷辊擦
10、刷圆片表面,这种方法对圆片的 划伤大大减轻。而采用高压擦片机由于无机械磨 擦, 则不会划伤圆片, 而且可以达到清除槽痕里的 沾污。 (3) 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, 其优点是: 清洗效果好, 操作简单, 对于复杂的器件和容器也能清除。这种 清洗方法是在强烈的超声波作用下 (常用的超声波 清洗技术与设备 19 (总第 233 期 )Jul 2014 电子工业专用设备 Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE 频率为 2040 kHz ) , 液体介质内部会产生疏部和 密部, 疏部产生近乎真空的空腔
11、泡, 当空腔泡消失 的瞬间, 其附近便产生强大的局部压力, 使分子内 的化学键断裂将晶圆表面的杂质解吸4。超声波清 洗的效果与超声条件 (如温度、 压力、 超声频率、 功 率等) 有关, 多用于清除圆片表面附着的大块污染 和颗粒。 (4) 兆声波清洗。兆声波清洗不但具有超声 波清洗的优点, 而且克服了它的不足。兆声波清 洗是由高能(850 kHz ) 频振效应并结合化学清 洗剂的化学反应对圆片进行清洗4。在清洗时, 溶液分子在兆声波的推动下作加速运动 (最大瞬 时速度可达到 30 cm/s) , 以高速的流体波连续冲 击圆片表面, 使圆片表面附着的污染物和细小微 粒被强制除去并进入到清洗液中。
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