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硅研磨片超声波清洗技术的研究 刘玉岭,常美茹 (中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220) 摘 要:介绍了硅研磨片清洗的重要性,分析了影响硅研磨片质量的主要因素,即金属杂质和 各种污染物。重点分析了硅研磨片表面沾污的原因,并且通过大量的实验分析得到了活性剂和碱 性清洗液、 去离子水的最佳体积比是0. 201. 0010. 0,清洗的最佳时间为3 min5 min和最佳 温度范围为4050。 关键词:硅片;清洗;污染物;铁沾污;金刚砂及杂质;超声波清洗 中图分类号: TN305. 97 文献标识码:A 文章编号: 1001 - 3474 (2006) 04 - 0215 - 03 Ultrasonic Cleani ng Technology of Grinding Silicon Wafer L IU Yu - ling, CHANGM ei- ru ( CETC No. 46, Research I nstitute, Tianji ng 300220, China) Abstract: Introduce the importance of cleaning of grinding silicon wafer . Analyse the main factors of i mpairing grinding silicon wafer quality, including metal impurity and various contaminants . Mainly ana2 lyse the reasons of surface contaminants of grinding silicon. The proportion of activator, alkaline cleaning liquid and D Iwater is 0. 20:1. 0010. 00 by experiments, cleaning time is 3 min5 min, temperature is 4050. key words: Silicon wafer; Cleaning; Contaminant; Iron contaminant; Emery and impurity; Ultrasonic cleaning Document Code:A Article I D:1001 - 3474 (2006) 04 - 0215 - 03 在半导体材料的制备过程中,每一道工序都涉 及到清洗 1 ,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/m 2 ×0. 12m,金属污染小 于10 10原子 /cm 2。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 2 。因 此,硅研磨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 3 ,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,硅研磨片的 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,其能有效地清洗硅研磨片,效果显著,是一种 值得推广的硅片清洗技术。 1 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 4 。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 作者简介:刘玉岭(1975 - ) , 男,工程师,主要从事半导体材料的研发工作。 512 第27卷第4期 2006年7月 电 子 工 艺 技 术 Electronics Process Technology 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,使研磨片不合格。硅研磨片清洗的 目的就是要除去各类污染物,硅研磨片清洗的洁净 程度直接影响着化抛和抛光工序的加工,因此硅研 磨片的清洗,在半导体清洗工艺中具有重要的作用。 2 实验及结果分析 2. 1 实验设备和试剂 实验设备: SQX - 3916硅片清洗机(中国电子 科技集团公司第二研究所生产)。 实验使用的试剂:助洗剂、 有机碱、Q325 - B清 洗剂、 活性剂、 去离子水、 助磨剂。 2. 2 实验过程 2. 2. 1 超声波清洗的基本原理 利用28 kHz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101. 325 MPa的 瞬时高压,连续不断产生的瞬时高压,象一连串小爆 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. 2. 2 清洗工艺流程 自动上料 千分之三助洗剂+去离子水+超声 波清洗+抛动 千分之三助洗剂+去离子水+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。 2. 2. 3 清洗液的最佳配比的确定 取直径10 cm及600m厚的硅片作十组实验, 固定3 min清洗时间及超声清洗的温度见表1。 从表1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 结果:清洗液的最佳体积比为活性剂 清洗剂 去 离子水=0. 201. 0010. 00。 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10% ,否则清 洗效果反而降低。 2. 2. 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 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min、7 min、8 min、9 min、10 min。同时用去离子水代替清洗液同 样条件下作对比实验,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3 min 清洗效果就已经比较理想了。 表1 清洗液的配比 活性剂V/L清洗剂V/L去离子水V/L 0. 050. 051. 00 0. 050. 052. 00 0. 050. 103. 00 0. 050. 104. 00 0. 200. 505. 00 0. 201. 006. 00 0. 201. 0010. 00 0. 201. 508. 00 0. 201. 509. 00 0. 202. 0010. 00 2. 2. 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4050 之间均可,但45 为最佳。 2. 2. 6 扫描电子显微镜的观察 硅片表面黑点的扫面电子显微镜照片如图1所 示。 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 612 电 子 工 艺 技 术 第27卷第4期 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。 图1 硅片表面黑点的扫描电子显微镜照片 (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10 cm硅片达1 500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,以加速清洗的速度,提高清洗的 效率。 4 结束语 硅研磨片的清洗在半导体制作过中十分重要, 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,达到了清洗硅研磨片的目 的。 参考文献 1 韩爱珍.半导体工艺化学M .南京:东南大学出版 社, 1991. 51 - 58. 2 刘玉岭,檀柏梅,张楷亮.超大规模集成电路衬底材料 性能及加工测试技术工程M .北京:冶金工业出版 社, 2002. 101 - 106. 3 雷永泉.新能源材料M .天津:天津大学出版社, 2002. 120 - 125. 收稿日期: 2006 - 05 - 08 (上接第214页)耗掉,并在相关的工艺阶段被收集 到沉淀环中,在后续工艺过程中被排干或者循环使 用。在最先进的工艺水平中,处理工艺过程的最后 阶段,晶圆将被洗净,焙干。综上所述,自旋蚀刻技 术有效减少了资源的消耗(化学试剂和去离子水 ) , 进而加强了该产品的低拥有成本的优势。 4 结束语 迄今为止,还没有哪种清洗技术可以在去除颗 粒的同时做到无损伤、 无腐蚀的程度。现在,传统的 RCA湿法清洗因其成熟的技术仍是主流。酸槽清 洗技术的研发重心是如何改善兆频超声波的能量场 分布、 控制溶解气体以消除热点以及利用稀释溶液 减少材料损耗。与非超声波酸槽处理工艺相比较, 离心式批处理喷洒系统由于溶液流动的力量较大, 因此具有较高的颗粒去除效率。单晶圆喷洒技术被 接受的程度则比较有限,虽然它成功地应用了高速 喷洒技术。此外,低温气溶胶清洗设备在大批量生 产中取得了巨大的成功,它可以有效地除掉在晶圆 上的缺陷,处理过程不会造成对材料的损伤和腐蚀。 宽禁带材料做为光电器件的理想材料,无论在 军用或民用中都有极其重要的意义,其器件制造过 程中高可靠性的清洗技术就显得尤为重要。无论是 传统的RCA清洗还是新的汽相清洗,如何在去除污 物时无损伤,提高化学品的纯度,并减少化学品和纯 水的使用量等,将是今后半导体清洗发展中需要解 决的问题,这还有赖于我们不懈的研究,和相关部门 的大力支持。 参考文献: 1 Michael Quirk, Julian Serda.半导体制造技术M .北 京:电子工业出版社, 2005. 106 - 132. 2 PeterVan Zant .芯片制造M .北京:电子工业出版社, 2005. 58 - 87. 3 杨克武,潘静,杨银堂. SiC半导体材料及其器件应用 J .半导体情报, 2000, 37(2) : 13 - 15. 收稿日期: 2005 - 06 - 05 7122006年7月 刘玉岭等:硅研磨片超声波清洗技术的研究
