半導體矽片該怎麼清洗呢？

一. 矽片的化學清洗工藝原理

　　矽片經過不同工序加工後，其表面已受到嚴重沾污，一般講矽片表面沾污大致可分在三類：

　　A. 有機雜質沾污： 可通過有機試劑的溶解作用，結合超聲波清洗技術來

去除。

　　B. 顆粒沾污：運用物理的方法可采機械擦洗或超聲波清洗技術來去除粒徑 ≥ 0.4 μm顆粒，利用兆聲波可去除 ≥ 0.2 μm顆粒。

　　C. 金屬離子沾污：必須採用化學的方法才能清洗其沾污，矽片表面金屬雜質沾污有兩大類：

　　 a. 一類是沾污離子或原子通過吸附分散附著在矽片表面。

　 　b. 另一類是帶正電的金屬離子得到電子後面附著（尤如「電鍍」）到矽片表面。

硅拋光片的化學清洗目的就在於要去除這種沾污，一般可按下述辦法進行清洗去除沾污。

　 　a. 使用強氧化劑使「電鍍」附著到硅表面的金屬離子、氧化成金屬，溶解在清洗液中或吸附在矽片表面。

　 　b. 用無害的小直徑強正離子（如H+）來替代吸附在矽片表面的金屬離子，使之溶解於清洗液中。

　 　c. 用大量去離水進行超聲波清洗，以排除溶液中的金屬離子。

　　自1970年美國RCA實驗室提出的浸泡式RCA化學清洗工藝得到了廣泛應用，1978年RCA實驗室又推出兆聲清洗工藝，近幾年來以RCA清洗理論為基礎的各種清洗技術不斷被開發出來，例如：

⑴ 美國FSI公司推出離心噴淋式化學清洗技術。

⑵ 美國原CFM公司推出的Full-Flow systems封閉式溢流型清洗技術。

⑶ 美國VERTEQ公司推出的介於浸泡與封閉式之間的化學清洗技術（例Goldfinger Mach2清洗系統）。

⑷ 美國SSEC公司的雙面檫洗技術（例M3304 DSS清洗系統）。

⑸ 日本提出無藥液的電介離子水清洗技術（用電介超純離子水清洗）使拋光片表面潔凈技術達到了新的水平。

⑹ 以HF / O3為基礎的矽片化學清洗技術。

　　目前常用H2O2作強氧化劑，選用HCL作為H+的來源用於清除金屬離子。

　　SC-1是H2O2和NH4OH的鹼性溶液，通過H2O2的強氧化和NH4OH的溶解作用，使有機物沾污變成水溶性化合物，隨去離子水的沖洗而被排除。

　　由於溶液具有強氧化性和絡合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等使其變成高價離子，然後進一步與鹼作用，生成可溶性絡合物而隨去離子水的沖洗而被去除。

　　為此用SC-1液清洗拋光片既能去除有機沾污，亦能去除某些金屬沾污。

　　SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，它具有極強的氧化性和絡合性，能與氧以前的金屬作用生成鹽隨去離子水沖洗而被去除。被氧化的金屬離子與CL-作用生成的可溶性絡合物亦隨去離子水沖洗而被去除。

　　在使用SC-1液時結合使用兆聲波來清洗可獲得更好的效果。

二. RCA清洗技術

　　傳統的RCA清洗技術：所用清洗裝置大多是多槽浸泡式清洗系統

　　清洗工序： SC-1 → DHF → SC-2

1. SC-1清洗去除顆粒：

⑴ 目的：主要是去除顆粒沾污（粒子）也能去除部分金屬雜質。

⑵ 去除顆粒的原理：

　　矽片表面由於H2O2氧化作用生成氧化膜（約6nm呈親水性），該氧化膜又被NH4OH腐蝕，腐蝕後立即又發生氧化，氧化和腐蝕反覆進行，因此附著在矽片表面的顆粒也隨腐蝕層而落入清洗液內。

① 自然氧化膜約0.6nm厚，其與NH4OH、H2O2濃度及清洗液溫

度無關。

② SiO2的腐蝕速度，隨NH4OH的濃度升高而加快，其與H2O2的濃度無關。

③ Si的腐蝕速度，隨NH4OH的濃度升高而快，當到達某一濃度後為一定值，H2O2濃度越高這一值越小。

④ NH4OH促進腐蝕，H2O2阻礙腐蝕。

⑤ 若H2O2的濃度一定，NH4OH濃度越低，顆粒去除率也越低，如果同時降低H2O2濃度,可抑制顆粒的去除率的下降。

⑥ 隨著清洗洗液溫度升高，顆粒去除率也提高，在一定溫度下可達最大值。

⑦ 顆粒去除率與矽片表面腐蝕量有關，為確保顆粒的去除要有一 定量以上的腐蝕。

⑧ 超聲波清洗時，由於空洞現象，只能去除 ≥ 0.4 μm 顆粒。兆聲清洗時，由於0.8Mhz的加速度作用，能去除 ≥ 0.2 μm 顆粒，即使液溫下降到40℃也能得到與80℃超聲清洗去除顆粒的效果，而且又可避免超聲洗晶片產生損傷。

⑨ 在清洗液中，硅表面為負電位，有些顆粒也為負電位，由於兩者的電的排斥力作用，可防止粒子向晶片表面吸附，但也有部分粒子表面是正電位，由於兩者電的吸引力作用，粒子易向晶片表面吸附。

　　⑶. 去除金屬雜質的原理：

① 由於硅表面的氧化和腐蝕作用，矽片表面的金屬雜質，將隨腐蝕層而進入清洗液中，並隨去離子水的沖洗而被排除。

② 由於清洗液中存在氧化膜或清洗時發生氧化反應，生成氧化物的自由能的絕對值大的金屬容易附著在氧化膜上如：Al、Fe、Zn等便易附著在自然氧化膜上。而Ni、Cu則不易附著。

③ Fe、Zn、Ni、Cu的氫氧化物在高PH值清洗液中是不可溶的，有時會附著在自然氧化膜上。

④ 實驗結果：

a. 據報道如表面Fe濃度分別是1011、1012、1013 原子/cm2三種矽片放在SC-1液中清洗後，三種矽片Fe濃度均變成1010 原子/cm2。若放進被Fe污染的SC-1清洗液中清洗後，結果濃度均變成1013/cm2。

b. 用Fe濃度為1ppb的SC-1液，不斷變化溫度，清洗後矽片表面的Fe濃度隨清洗時間延長而升高。

　　對應於某溫度洗1000秒後，Fe濃度可上升到恆定值達1012~4×1012 原子/cm2。將表面Fe濃度為1012 原子/cm2矽片，放在濃度為1ppb的SC-1液中清洗，表面Fe濃度隨清洗時間延長而下降，對應於某一溫度的SC-1液洗1000秒後，可下降到恆定值達4×1010~6×1010 原子/cm2。這一濃度值隨清洗溫度的升高而升高。

　　從上述實驗數據表明：硅表面的金屬濃度是與SC-1清洗液中的金屬濃度相對應。晶片表面的金屬的脫附與吸附是同時進行的。

　　即在清洗時，矽片表面的金屬吸附與脫附速度差隨時間的變化到達到一恆定值。

　　以上實驗結果表明：清洗後硅表面的金屬濃度取決於清洗液中的金屬濃度。其吸附速度與清洗液中的金屬絡合離子的形態無關。

c. 用Ni濃度為100ppb的SC-1清洗液，不斷變化液溫，矽片表面的Ni濃度在短時間內到達一恆定值、即達1012~3×1012原子/cm2。這一數值與上述Fe濃度1ppb的SC-1液清洗後表面Fe濃度相同。

　　這表明Ni脫附速度大，在短時間內脫附和吸附就達到平衡。

⑤ 清洗時，硅表面的金屬的脫附速度與吸附速度因各金屬元素的不同而不同。特別是對Al、Fe、Zn。若清洗液中這些元素濃度不是非常低的話，清洗後的矽片表面的金屬濃度便不能下降。對此，在選用化學試劑時，按要求特別要選用金屬濃度低的超純化學試劑。

例如使用美國Ashland試劑，其CR-MB級的金屬離子濃度一般是：H2O2 ＜10ppb 、HCL ＜10ppb、NH4OH ＜10ppb、H2SO4＜10ppb

⑥ 清洗液溫度越高，晶片表面的金屬濃度就越高。若使用兆聲波清洗可使溫度下降，有利去除金屬沾污。

⑦ 去除有機物。

由於H2O2的氧化作用，晶片表面的有機物被分解成CO2、H2O而被去除。

⑧ 微粗糙度。

晶片表面Ra與清洗液的NH4OH組成比有關，組成比例越大，其Ra變大。Ra為0.2nm的晶片,在NH4OH: H2O2: H2O =1:1:5的SC-1液清洗後，Ra可增大至0.5nm。為控制晶片表面Ra，有必要降低NH4OH的組成比，例用0.5:1:5

⑨ COP（晶體的原生粒子缺陷）。

對CZ矽片經反覆清洗後，經測定每次清洗後矽片表面的顆粒 ≥2 μm 的顆粒會增加，但對外延晶片，即使反覆清洗也不會使 ≥0.2 μm 顆粒增加。據近幾年實驗表明，以前認為增加的粒子其實是由腐蝕作用而形成的小坑。在進行顆粒測量時誤將小坑也作粒子計入。

小坑的形成是由單晶缺陷引起，因此稱這類粒子為COP（晶體的原生粒子缺陷）。

據介紹直徑200 mm 矽片按SEMI要求：

256兆 ≥ 0.13 μm，＜10個/ 片，相當COP約40個。

2.DHF清洗。

a. 在DHF洗時，可將由於用SC-1洗時表面生成的自然氧化膜腐蝕掉，而Si幾乎不被腐蝕。

b. 矽片最外層的Si幾乎是以 H 鍵為終端結構，表面呈疏水性。

c. 在酸性溶液中，硅表面呈負電位，顆粒表面為正電位，由於兩者之間的吸引力，粒子容易附著在晶片表面。

d. 去除金屬雜質的原理：

① 用HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附著在自然氧化膜上的金屬再一次溶解到清洗液中，同時DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成。故可容易去除表面的Al、Fe、Zn、Ni等金屬。但隨自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等貴金屬（氧化還原電位比氫高），會附著在硅表面，DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金屬氫氧化物。

② 實驗結果：

據報道Al3+、Zn2+、Fe2+、Ni2+ 的氧化還原電位E0 分別是 - 1.663V、-0.763V、-0.440V、0.250V比H+ 的氧化還原電位（E0=0.000V）低，呈穩定的離子狀態，幾乎不會附著在硅表面。

③ 如硅表面外層的Si以 H 鍵結構，硅表面在化學上是穩定的，即使清洗液中存在Cu等貴金屬離子，也很難發生Si的電子交換，因經Cu等貴金屬也不會附著在裸硅表面。但是如液中存在Cl— 、Br—等陰離子，它們會附著於Si表面的終端氫鍵不完全地方，附著的Cl— 、Br—陰離子會幫助Cu離子與Si電子交換，使Cu離子成為金屬Cu而附著在晶片表面。

④ 因液中的Cu2+ 離子的氧化還原電位（E0=0.337V）比Si的氧化還原電位（E0=-0.857V）高得多，因此Cu2+ 離子從硅表面的Si得到電子進行 還原，變成金屬Cu從晶片表面析出，另一方面被金屬Cu附著的Si釋放與Cu的附著相平衡的電子，自身被氧化成SiO2。

⑤ 從晶片表面析出的金屬Cu形成Cu粒子的核。這個Cu粒子核比Si的負電性大，從Si吸引電子而帶負電位，後來Cu離子從帶負電位的Cu粒子核 得到電子析出金屬Cu，Cu粒子狀這樣生長起來。Cu下面的Si一面供給與Cu的附著相平衡的電子，一面生成SiO2。

⑥ 在矽片表面形成的SiO2，在DHF清洗後被腐蝕成小坑，其腐蝕小坑數量與去除Cu粒子前的Cu粒子量相當，腐蝕小坑直徑為0.01 ~ 0.1 μm，與Cu粒子大小也相當，由此可知這是由結晶引起的粒子，常稱為金屬致粒子（MIP）。

　　3. SC-2清洗

1). 清洗液中的金屬附著現象在鹼性清洗液中易發生，在酸性溶液中不易發生，並具有較強的去除晶片表面金屬的能力，但經SC-1洗後雖能去除Cu等金屬，而晶片表面形成的自然氧化膜的附著（特別是Al）問題還未解決。

2). 矽片表面經SC-2液洗後，表面Si大部分以 O 鍵為終端結構，形成一層自然氧化膜，呈親水性。

3). 由於晶片表面的SiO2和Si不能被腐蝕，因此不能達到去除粒子的效果。

a.實驗表明：

　　據報道將經過SC-2液，洗後的矽片分別放到添加Cu的DHF清洗或HF+H2O2清洗液中清洗、矽片表面的Cu濃度用DHF液洗為1014 原子/cm2，用HF+H2O2洗後為1010 原子/cm2。即說明用HF+H2O2液清洗去除金屬的能力比較強，為此近幾年大量報導清洗技術中，常使用HF+H2O2來代替DHF清洗。

三.離心噴淋式化學清洗拋光矽片

系統內可按不同工藝編製貯存各種清洗工藝程序，常用工藝是：

FSI「A」工藝： SPM+APM+DHF+HPM

FSI「B」工藝： SPM+DHF+APM+HPM

FSI「C」工藝： DHF+APM+HPM

RCA工藝： APM+HPM

SPM .Only工藝： SPM

Piranha HF工藝： SPM+HF

上述工藝程序中：

SPM=H2SO4+H2O2 4：1 去有機雜質沾污

DHF=HF+D1.H2O (1-2%) 去原生氧化物，金屬沾污

APM=NH4OH+ H2O2+D1.H2O 1：1：5或 0.5：1：5

去有機雜質，金屬離子，顆粒沾污

HPM=HCL+ H2O2+D1.H2O 1：1：6

去金屬離子Al、Fe、Ni、Na等

如再結合使用雙面檫洗技術可進一步降低硅表面的顆粒沾污。

四. 新的清洗技術

A.新清洗液的開發使用

1）.APM清洗

a. 為抑制SC-1時表面Ra變大，應降低NH4OH組成比，例：

NH4OH：H2O2：H2O = 0.05：1：1

當Ra = 0.2nm的矽片清洗後其值不變，在APM洗後的D1W漂洗應在低溫下進行。

b. 可使用兆聲波清洗去除超微粒子，同時可降低清洗液溫度，減少金屬附著。

c. 在SC-1液中添加界面活性劑、可使清洗液的表面張力從6.3dyn/cm下降到19 dyn/cm。

選用低表面張力的清洗液，可使顆粒去除率穩定，維持較高的去除效率。使用SC-1液洗，其Ra變大，約是清洗前的2倍。用低表面張力的清洗液，其Ra變化不大（基本不變）。

d. 在SC-1液中加入HF，控制其PH值，可控制清洗液中金屬絡合離子的狀態，抑制金屬的再附著，也可抑制Ra的增大和COP的發生。

e. 在SC-1加入螯合劑，可使洗液中的金屬不斷形成螯合物，有利抑制金屬的表面的附著。

2）.去除有機物： O3 + H2O

3）.SC-1液的改進： SC-1 + 界面活性劑

SC-1 + HF

SC-1 + 螯合劑

4）.DHF的改進：

DHF + 氧化劑（例HF+H2O2）

DHF + 陰離子界面活性劑

DHF + 絡合劑

DHF + 螯合劑

5）酸系統溶液：

HNO3 + H2O2、

HNO3 + HF + H2O2、

HF + HCL

6）.其它： 電介超純去離子水

B. O3＋H2O清洗

1）.如矽片表面附著有機物，就不能完全去除表面的自然氧化層和金屬雜質，因此清洗時首先應去除有機物。

2）.據報道在用添加2-10 ppm O3 的超凈水清洗，對去除有機物很有效，可在室溫進行清洗，不必進行廢液處理，比SC-1清洗有很多優點。

C. HF ＋ H2O2清洗

1. 據報道用HF 0.5 % + H2O2 10 %，在室溫下清洗，可防止DHF清洗中的Cu等貴金屬的附著。

2. 由於H2O2氧化作用，可在硅表面形成自然氧化膜，同時又因HF的作用將自然氧化層腐蝕掉，附著在氧化膜上的金屬可溶解到清洗液中，並隨去離子水的沖洗而被排除。。

在APM清洗時附著在晶片表面的金屬氫氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不會再生長。

3. Al、Fe、Ni等金屬同DHF清洗一樣，不會附著在晶片表面。

4. 對n+、P+ 型硅表面的腐蝕速度比n、p 型硅表面大得多，可導致表面粗糙，因而不適合使用於n+、P+ 型的矽片清洗。

5. 添加強氧化劑H2O2（E0=1.776V），比Cu2+ 離子優先從Si中奪取電子，因此硅表面由於H2O2 被氧化，Cu以Cu2+ 離子狀態存在於清洗液中。即使硅表面附著金屬Cu，也會從氧化劑H2O2 奪取電子呈離子化。硅表面被氧化，形成一層自然氧化膜。因此Cu2+ 離子和Si電子交換很難發生，並越來越不易附著。

D. DHF ＋ 界面活性劑的清洗

據報道在HF 0.5%的DHF液中加入界面活性劑，其清洗效果與HF + H2O2清洗有相同效果。

E. DHF＋陰離子界面活性劑清洗

據報道在DHF液，硅表面為負電位，粒子表面為正電位，當加入陰離子界面活性劑，可使得硅表面和粒子表面的電位為同符號，即粒子表面電位由正變為負，與矽片表面正電位同符號，使矽片表面和粒子表面之間產生電的排斥力，因此可防止粒子的再附著。

F. 以HF / O3 為基礎的矽片化學清洗技術

此清洗工藝是以德國ASTEC公司的AD-(ASTEC-Drying) 專利而聞名於世。其HF/O3 清洗、乾燥均在一個工藝槽內完成,。而傳統工藝則須經多道工藝以達到去除金屬污染、沖洗和乾燥的目的。在HF / O3清洗、乾燥工藝後形成的矽片H表面 (H-terminal) 在其以後的工藝流程中可按要求在臭氧氣相中被重新氧化.

五. 總結

1. 用RCA法清洗對去除粒子有效，但對去除金屬雜質Al、Fe效果很小。

2. DHF清洗不能充分去除Cu，HPM清洗容易殘留Al。

3. 有機物，粒子、金屬雜質在一道工序中被全部去除的清洗方法，目前還不能實現。

4. 為了去除粒子，應使用改進的SC-1液即APM液，為去除金屬雜質，應使用不附著Cu的改進的DHF液。

5. 為達到更好的效果，應將上述新清洗方法適當組合，使清洗效果最佳

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