畢業(yè)論文--半導(dǎo)體硅片清洗工藝的發(fā)展研究

1、<p>　　***********學(xué)院</p><p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　題 目：硅片清洗工藝的原理和現(xiàn)狀</p><p>　　專 業(yè)： 光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù) </p><p>　　班 級(jí)： </p&g

2、t;<p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　院 　系： 光伏材料系 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　日 期： 2013年10月07日 </p><p>　　半導(dǎo)體硅片清

3、洗工藝的發(fā)展研究</p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度的不斷提高，線寬的不斷減小，對(duì)硅片的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)硅拋光片的表面質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)。</p><p>　　在硅晶體管和集成電路生產(chǎn)中，幾乎每道工序都有硅片清洗的問(wèn)題，硅片清洗的好壞對(duì)器件性能有嚴(yán)重的影響，處理不當(dāng)，可能

4、使全部硅片報(bào)廢，做不出晶體管來(lái)，或者制造出來(lái)的器件性能低劣，穩(wěn)定性和可靠性很差。因此弄清楚硅片清洗的方法，不管是對(duì)于從事硅片加工的人，還是對(duì)于從事半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的人來(lái)說(shuō)都有著重要的意義。</p><p>　　本文對(duì)硅片清洗的基本理論、常用工藝方法和技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，同時(shí)對(duì)一些常用的清洗方法做出了淺析，并對(duì)硅片清洗的重要性和發(fā)展前景作了簡(jiǎn)單論述。最后介紹了清洗工藝的最新進(jìn)展。</p><p&

5、gt;　　關(guān)鍵詞: 硅片; 清洗; 工藝； 最新發(fā)展。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 硅片清洗工藝的原理4</p><p>　　1.1 硅片清洗工藝的背景和意義4</p><p>　　1.2 硅片清洗工藝的組要作用..........................

6、.....................................................................4</p><p>　　1.3 硅片污染物雜質(zhì)的分類.....................................................................................................4</p>

7、<p>　　1.4 硅片清洗的原理及工藝....................................................................................................4</p><p>　　第二章 硅片清洗工藝的現(xiàn)狀........................................................

8、................................................8</p><p>　　2.1 硅片清洗工藝的現(xiàn)狀的背景和意義 ..............................................................................8</p><p>　　2.2硅片清洗工藝的發(fā)展..............

9、...........................................................................................9</p><p>　　2.3 硅片清洗工藝的最新發(fā)展..........................................................................................

10、......9</p><p>　　第三章 結(jié)束語(yǔ)..............................................................................................................................10</p><p>　　第1章 硅片清洗工藝的原理</p><p&

11、gt;　　1.1 硅片清洗工藝的背景和意義</p><p>　　硅片的清洗很重要，它影響電池的轉(zhuǎn)換效率，如器件的性能中反向電流迅速加大及器件失效等。因此硅片的清洗很重要，下面主要介紹清洗的作用和清洗的原理。</p><p>　　1.2 硅片清洗工藝的主要作用</p><p>　　1.在太陽(yáng)能材料制備過(guò)程中，在硅表面涂有一層具有良好性能的減反射薄膜，有害的雜質(zhì)離子

12、進(jìn)入二氧化硅層，會(huì)降低絕緣性能，清洗后絕緣性能會(huì)更好。</p><p>　　2.在等離子邊緣腐蝕中，如果有油污、水氣、灰塵和其它雜質(zhì)存在，會(huì)影響器件的質(zhì)量，清洗后質(zhì)量大大提高。</p><p>　　3.硅片中雜質(zhì)離子會(huì)影響P-N 結(jié)的性能，引起P-N 結(jié)的擊穿電壓降低和表面漏電，影響P-N 結(jié)的性能。</p><p>　　4.在硅片外延工藝中，雜質(zhì)的存在會(huì)影響硅片的

13、電阻率不穩(wěn)定。</p><p>　　1.3 硅片污染物雜質(zhì)的分類</p><p>　　根據(jù)污染物產(chǎn)生的原因，大致可將它們分為顆粒、有機(jī)物雜質(zhì)、金屬污染物三類。</p><p>　?。保╊w粒：主要是一些聚合物、光致抗蝕劑等。顆粒的存在會(huì)造成ＩＣ芯片短路或大大降低芯片的測(cè)試性能。</p><p>　?。玻┯袡C(jī)物雜質(zhì)：它在硅片上以多種方式存在，如

14、人的皮膚油脂、防銹油、潤(rùn)滑油、松香、蠟等。這些物質(zhì)通常都會(huì)對(duì)加工進(jìn)程帶來(lái)不良影響。</p><p>　?。常┙饘傥廴疚铮核诠杵弦苑兜氯A引力、共價(jià)鍵以及電子轉(zhuǎn)移等三種表面形式存在。這種玷污會(huì)破壞極薄的氧化層的完整性，增加漏電流密度，影響ＭＯＳ器件的穩(wěn)定性，結(jié)果導(dǎo)致形成微結(jié)構(gòu)缺陷或霧狀缺陷。</p><p>　　1.4 硅片清洗的原理及工藝</p><p>　　目前

15、最常用的清洗方法有：化學(xué)清洗法、超聲清洗法和真空高溫處理法。</p><p>　　1）化學(xué)清洗是指利用各種化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或溶解作用，或伴以超聲、加熱、抽真空等物理措施，使雜質(zhì)從被清除物體的表面脫附（解吸），然后用大量高純熱、冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈表面的過(guò)程。</p><p>　　1.1）化學(xué)清洗又可分為濕法化學(xué)清洗和干法化學(xué)清洗，其

16、中干法清洗又分為等離子體清洗、底溫冷凝噴霧清洗、超臨界氣相清洗、超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)氣相清洗等清洗技術(shù)。迄今為止，在硅片表面清洗中仍處于主導(dǎo)地位仍然是濕化學(xué)清洗技術(shù)。</p><p><b>　　濕化學(xué)法清洗的原理</b></p><p>　　濕化學(xué)法清洗主要是利用溶液、酸堿、表面活性劑、水及其混合物，通過(guò)腐蝕、溶解、化學(xué)反應(yīng)等方法，實(shí)現(xiàn)某種功能要求或去除晶片表面的沾污物

17、。</p><p>　　濕化學(xué)法清洗常用化學(xué)液為酸、堿及有機(jī)化學(xué)液，見(jiàn)表1</p><p>　　表1為濕法清洗常用化學(xué)液</p><p>　　名 稱 分子式 濃度/% 密度/kg·L-1</p><p>　　乙 酸 CH3COOH 100 1.05&l

18、t;/p><p>　　氟化銨 NH4F 40 1.11</p><p>　　氫氧化胺 NH4OH 30 0.90</p><p>　　鹽 酸 HCL 37 1.19</p><p>　　

19、氫氟酸 HF 49 1.17</p><p>　　雙氧水 H2O2 30 1.10</p><p>　　異丙醇 CH3CHOHCH3 100 0.78</p><p>　　甲 醇 CH3OH

20、 100 0.79</p><p>　　硝 酸 HNO3 70 1.42</p><p>　　硫 酸 H2SO4 98 1.84</p><p>　　1.1.1 RCA 清洗工藝｛1｝</p><p>

21、　　RCA清洗工藝稱為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗工藝，由美國(guó)無(wú)線電（RCA）公司于20世紀(jì)60年代提出。在生產(chǎn)中，對(duì)于硅片表面的清洗中常用RCA 方法及基于RCA 清洗方法的改進(jìn)，RCA 清洗方法主要有一系列有序侵入不同的化學(xué)液組成，即Ⅰ號(hào)清洗劑（APM）和Ⅱ號(hào)清洗劑（HPM）。Ⅰ號(hào)清洗劑（APM）的配置是用去離子水、30%過(guò)氧化氫、25%的氨水按體積比為：5:1：1 至5:2：1；Ⅱ號(hào)清洗劑（HPM）的配置是用去離子水、30%過(guò)氧化氫、25%的

22、鹽酸按體積比為：6:1：1 至8:2：1。其清洗原理是：氨分子、氯離子等與重金屬離子如：銅離子、鐵離子等形成穩(wěn)定的絡(luò)合物如：［AuCl4］-、［Cu（NH3）4］2+、［SiF6］2-。</p><p>　　清洗時(shí)，一般應(yīng)在75～85℃條件下清洗、清洗15 分鐘左右，然后用去離子水沖洗干凈。</p><p>　　由于RCA清洗使用了大量的化學(xué)液，因此實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)對(duì)RCA清洗做了改進(jìn)，即稀釋

23、化學(xué)液，SC1化學(xué)液比例為1:4:50而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的1:1:5。稀釋化學(xué)液在使用中對(duì)人體健康及安全有很大的改良，而且因減少了化學(xué)液的使用，降低了工廠成本及對(duì)環(huán)境的污染，是目前占統(tǒng)治地位的清洗技術(shù)。</p><p>　　表2為典型濕法清洗工藝流</p><p>　　清洗工藝及步驟 清洗目的</p><p>　　SPW（SC3）

24、 有機(jī)物+金屬</p><p>　　UPW（超純水） 清 洗</p><p>　　DHF（稀釋HF酸） 氧化層</p><p>　　UPW（超純水） 清 洗</p><p>　　APW(SC1) 顆 粒</

25、p><p>　　表2為典型濕法清洗工藝流</p><p>　　清洗工藝及步驟 清洗目的</p><p>　　UPW（超純水） 清 洗</p><p>　　DHF（稀釋HF酸） 氧化層</p><p>　　UPW（超純水）

26、 清 洗</p><p>　　HPW(SC2) 金 屬</p><p>　　UPW（超純水） 清 洗</p><p>　　DHF 氧化層</p><p>　　UPW（超純水）

27、 清 洗</p><p>　　Ⅰ號(hào)清洗劑（APM）和Ⅱ號(hào)清洗劑（HPM）有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）這兩種清洗劑能很好地清洗硅片上殘存的蠟、松香等有機(jī)物及一些重金屬如金、銅等雜質(zhì)；</p><p>　?。?）相比其它清洗劑，可以減少鈉離子的污染；</p><p>　　相比濃硝酸、濃硫酸、王水及鉻酸洗液，這兩種清洗液對(duì)環(huán)境的污染

28、很小，操作相對(duì)方便。</p><p>　　1.1.2 臭氧清洗工藝技術(shù)</p><p>　　臭氧清洗是一種高效而簡(jiǎn)單的清洗方法。通過(guò)加入臭氧及雙氧水到氫氟酸中可有效去除金屬離子。</p><p>　　1.1.3 IMEC清洗工藝技術(shù)</p><p>　　IMEC（InteruniversityMicroelectronicsCenter)

29、｛1｝，在清洗工藝技術(shù)中做了大量的研究工作，其中最重要的貢獻(xiàn)是應(yīng)用了稀釋的RCA清洗技術(shù)，并且IMEC已經(jīng)描繪出未來(lái)的清洗技術(shù)發(fā)展方向，如圖2所示。從圖2中可以看出，清洗技術(shù)是朝著減少化學(xué)液及清洗流程的方向發(fā)展。</p><p><b>　　↓</b></p><p>　　圖2 IMEC清洗技術(shù)路線圖</p><p><b>

30、　　.超聲波清洗</b></p><p>　　近年來(lái)，在濕化學(xué)法清洗的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加機(jī)械力的作用把異物從工件上剝離，超聲波及兆聲波在這里發(fā)揮了重要的作用。超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射，使液體流動(dòng)并產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡。這些微小氣泡是在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成及生長(zhǎng)（膨脹），而在正壓區(qū)迅速閉合（爆炸）。這種微小氣泡的形成、生長(zhǎng)及迅速閉合的現(xiàn)象稱為“空化效應(yīng)”。</p><

31、p>　　這種“空化效應(yīng)”產(chǎn)生超過(guò)1000個(gè)大氣壓的瞬間高壓，連續(xù)不斷的瞬間高壓就像一連串“爆炸”不斷地轟擊清洗工件表面，使被清洗物表面及縫隙中的污垢迅速剝離。通常低頻具有較強(qiáng)的清洗能力，清洗較大的顆粒，但也容易損傷器件；高頻適合清洗細(xì)小的顆粒，但對(duì)較大的顆粒不具有清洗能力。</p><p>　　半導(dǎo)體常用的超聲清洗頻率為40kHz、80kHz、100kHz，兆聲清洗通常頻率在400kHz以上，1MHz頻率用

32、于清洗0.5μm以下顆粒</p><p>　　超聲波清洗有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）清洗效果好，清洗手續(xù)簡(jiǎn)單，減少了由于復(fù)雜的化學(xué)清洗過(guò)程中而帶來(lái)的雜質(zhì)的可能性；</p><p>　?。?）對(duì)一些形狀復(fù)雜的容器或器件也能清洗。</p><p>　　超聲波清洗的缺點(diǎn)是當(dāng)超聲波的作用較大時(shí)，由于震動(dòng)磨擦，可能使硅片表面產(chǎn)生劃道等損傷。

33、</p><p>　　超聲波產(chǎn)生的原理：高頻震蕩器產(chǎn)生超聲頻電流，傳給換能器，當(dāng)換能器產(chǎn)生超聲震動(dòng)時(shí)，超聲震動(dòng)就通過(guò)與換能器連接的液體容器底部而傳播到液體內(nèi)，在液體中產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　3）.真空高溫處理清洗</p><p>　　硅片經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗和超聲波清洗后，還需要將硅片真空高溫處理，再進(jìn)行外延生長(zhǎng)。真空高溫處理的優(yōu)點(diǎn)：</p><

34、;p>　　（1）由于硅片處于真空狀態(tài)，因而減少了空氣中灰塵的玷污；</p><p>　?。?）硅片表面可能吸附的一些氣體和溶劑分子的揮發(fā)性增加，因而真空高溫易除去；</p><p>　　硅片可能玷污的一些固體雜質(zhì)在真空高溫條件下，易發(fā)生分解而除去。</p><p>　　第二章 硅片清洗工藝的現(xiàn)狀</p><p>　　2.1 硅片清洗工

35、藝的現(xiàn)狀的背景和意義 </p><p>　　在硅晶體管和集成電路生產(chǎn)中，幾乎每道工序都有硅片清洗的問(wèn)題，硅片清洗的好壞對(duì)器件性能有嚴(yán)重的影響，處理不當(dāng)，可能使全部硅片報(bào)廢，做不出晶體管來(lái)，或者制造出來(lái)的器件性能低劣，穩(wěn)定性和可靠性很差。因此弄清楚硅片清洗的方法，不管是對(duì)于從事硅片加工的人，還是對(duì)于從事半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的人來(lái)說(shuō)都有著重要的意義。</p><p>　　2.2硅片清洗工藝的發(fā)展

36、</p><p>　　硅片溶液清洗技術(shù)的發(fā)展大致可分為4個(gè)階段｛2｝</p><p><b>　　第一階段：</b></p><p>　　從50年代初到1960年為初創(chuàng)時(shí)期。建立了最初的機(jī)械和化學(xué)清洗方法，但由于處理不當(dāng)，往往造成金屬雜質(zhì)的重新沉積以及粒子、有機(jī)物的二次污染，清洗效果不佳。</p><p><b&g

37、t;　　第二階段：</b></p><p>　　從1961年到197年。期間采用同位素示蹤等方法研究了污染物的形成與清洗過(guò)程，溶液清洗技術(shù)得以系統(tǒng)發(fā)展器件的成品率提高了200%。這一階段的顯著標(biāo)志是Kern｛2｝于1970年發(fā)表了最初的RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗方法，該清洗技術(shù)使用SC-1(H2O2與氨水的混合溶液)、SC-2(H2O2與鹽酸的混合溶液）兩種清洗液。該方法的發(fā)表是清洗技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。<

38、/p><p><b>　　第三階段：</b></p><p>　　從1972年到1989年第一次硅片清洗國(guó)際會(huì)議的召開(kāi)。這一階段的主要工作集中于對(duì)RCA清洗技術(shù)的化學(xué)原理、適用情況和影響因素等進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。另外，為滿足對(duì)清洗工藝效果的某些特殊要求，還開(kāi)展了對(duì)RCA清洗技術(shù)的改進(jìn)研究。</p><p><b>　　第四階段：</

39、b></p><p>　　從1989年至今。側(cè)重于對(duì)溶液清洗機(jī)理和動(dòng)力學(xué)的研究以及新型清洗技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究。</p><p>　　2.3 硅片清洗工藝的最新發(fā)展</p><p>　　.電解離子水清洗硅片｛3｝</p><p>　　用電解的方法將超凈水或添加電解質(zhì)的超凈水分解為陰離子和陽(yáng)離子，并通過(guò)調(diào)節(jié)電解液的濃度、電流密度等來(lái)控制其ＰＨ值

40、和氧化還原電位，得到所需要的強(qiáng)氧化性溶液或強(qiáng)還原性溶液，以達(dá)到去除硅片表面的有機(jī)物、顆粒和金屬的作用。</p><p>　　此清洗方法的應(yīng)用，將大幅度地減少化學(xué)試劑的用量，而且也減少了沖洗用的超凈水的用量，簡(jiǎn)化了回收再利用所需的設(shè)備，既降低成本，又減少對(duì)環(huán)境的污染。</p><p>　　電解粒子水的使用將有可能是未來(lái)硅片清洗的重要發(fā)展方向。</p><p><

41、b>　　只用ＨＦ清洗：</b></p><p>　　在濕式清洗工藝中，硅片表面都有一層化學(xué)氧化膜，這層氧化膜是主要的沾污源。如果沒(méi)有這層氧化膜可大大降低金屬、有機(jī)物等沾污。</p><p>　　用ＨＦ清洗可去除表面氧化層，而且用ＨＦ清洗后，氫終端表面非常穩(wěn)定，不易被其它雜質(zhì)污染，具有很好的鈍化特性。此種工藝的最大難題是顆粒增加無(wú)規(guī)律、清洗完后硅片表面有水跡。而且殘留的顆粒

42、、負(fù)電位高的金屬雜質(zhì)會(huì)直接沉積在疏水性表面上，表面粗糙度也會(huì)變壞。研究表明，顆粒增加主要發(fā)生在氣、液界面處。因?yàn)榻?jīng)ＨＦ清洗后的硅片表面為疏水性，所以不能浸潤(rùn)硅片表面形成水膜，使其在氣、液界面很容易造成顆粒的沾污。</p><p>　　只用ＨＦ清洗或簡(jiǎn)化常規(guī)工藝后最后用ＨＦ清洗，可通過(guò)降低與周圍環(huán)境的接觸來(lái)獲得一個(gè)理想的鈍化表面，減少顆粒吸附在敏感的疏水性表面上。這就對(duì)清洗工藝設(shè)備提出了多方面的要求。</p&

43、gt;<p><b>　　臭氧超凈水清洗：</b></p><p>　　臭氧為不穩(wěn)定的氣體，具有強(qiáng)烈的腐蝕性及氧化性。目前臭氧的制造方法有光化學(xué)法和放電法等技術(shù)。</p><p>　　硅片接觸到溶有臭氧的超凈水后，表面會(huì)迅速形成一層氧化膜，形成的速度會(huì)比在空氣中快的多。這是因?yàn)槌粞踉谒蟹纸夂螽a(chǎn)生的氧離子及自由基迅速氧化硅片表面。氧化層的厚度會(huì)隨臭氧濃度

44、的增高而增加。臭氧形成氧化膜為規(guī)律性形成，Ｏｈｉｍｉ等用原子力顯微鏡觀察表面形貌，發(fā)現(xiàn)形成氧化膜的表面比原來(lái)的硅表面更為平坦，而且用ＨＦ／Ｈ２Ｏ２去除氧化膜后，微粗糙度依然沒(méi)有劣化的跡象。</p><p><b>　　第三章 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　傳統(tǒng)的清洗方法已不能滿足要求，臭氧水、兆聲波、電解離子水等的應(yīng)用顯示出很好的去除硅片表面顆粒和金屬沾污的能

45、力，對(duì)硅片表面微觀態(tài)的影響很小。而且，它們的使用使清洗設(shè)備小型化及清洗工藝一次完成化的實(shí)現(xiàn)成為可能。同時(shí)，它們對(duì)環(huán)境的低污染度也是傳統(tǒng)的清洗溶液所不能比擬的。在未來(lái)的清洗工藝中它們可能會(huì)被廣泛地應(yīng)用。</p><p>　　對(duì)未來(lái)溶液清洗技術(shù)的基本要求可概括為：1）可滿足ULSL對(duì)潔凈表面的要求；2）清洗操作簡(jiǎn)便（例如開(kāi)發(fā)一步或者兩部就可以完成的清洗方法）；3）可與后續(xù)的真空系統(tǒng)匹配；4)是用的化學(xué)試劑種類少、清洗

46、液濃度低｛2、3、4｝。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?｝MichaelQuirkJulianSerda.SemiconductorManufac-turingTechnology[M].北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　｛2｝Kern W , Handbook of Semiconductor