硅片清洗:半导体制造过程中一个基本而关键的步骤

作者：
Binoy Bera
1Department of computer science and engineering, West Bengal University of Technology, Kolkata – 700064, India
*Corresponding Author: berabinoy17@gmail.com

摘要：
硅是制造众多半导体器件中最有趣和最有用的半导体材料。在半导体器件制造中，各种加工步骤可分为四大类，即沉积、去除、刻划和电学性能的修饰。在每一个步骤中，晶圆清洗都是发展半导体电子器件的首要和基本步骤。清洗过程是指在不改变或损坏晶圆表面或基板的情况下去除化学和颗粒杂质。本文对硅片清洗工艺进行了分类评述。简述了洁净室的一些基本概念。

关键词:半导体制造，硅片，晶圆清洗，洁净室。

介绍

半导体是一种固体物质，其导电性介于绝缘体和导体之间。半导体材料的定义性质是，它可以掺杂杂质，以一种可控的方式改变其电子性质。硅是开发微电子器件最常用的半导体材料。半导体器件制造是用于制造日常电气和电子设备中的集成电路的过程。在半导体器件制造中，各种加工步骤可分为四大类，如沉积、去除、图形化和电学性能的修饰。沉积是指任何像物理气相沉积和化学气相沉积的过程，在晶圆上生长、覆盖或转移材料。去除是指从晶圆上去除材料的任何工艺，如蚀刻和化学机械平整(CMP)。图案化是关于沉积材料的成形或改变，一般称为光刻。最后，通过在半导体材料中掺杂杂质来改变其电学性能。晶圆清洗工艺[1-10]的目的是在不改变或损坏晶圆表面或基板的情况下去除化学和颗粒杂质(图1)。晶圆清洗是为了扩散前清洗，即使表面不受金属、颗粒和有机污染物的污染，金属离子去除清洁，即去除对半导体[1117]器件运行有不利影响的金属离子，去除颗粒清洁指的是使用化学或机械擦洗去除表面的颗粒，使用兆速清洗和蚀刻后清洗去除蚀刻过程后留下的光阻和聚合物。本文对硅片清洗的不同程序如RCA(美国无线电公司)清洗、SC(标准清洗)清洗、ohmi清洗、兆声清洗、超声波清洗等进行了简要的论述。

硅片清洗程序
RCA清洗

RCA清洗是用于去除硅片中有机物、重金属和碱离子的“标准工艺”。这里使用超声波搅拌来去除颗粒。RCA是美国广播公司的缩写，该公司现在生产电视、音响等。图2讨论了RCA清洗方法。第一步，硫酸与双氧水的比例为1:1 - 1:4。在该溶液中浸泡10分钟，温度为100-150℃。这个过程也被称为pirhana清洗。之后，将晶圆浸入氢氟酸(HF)溶液中1分钟，氢氟酸和水的比例为1:10。最后在室温下用去离子水冲洗一定时间。RCA清洗工艺中还包括SC-1和SC-2两种方法。每一步都要用去离子水冲洗硅片，以达到正确的清洁效果。

标准的清洁

标准清洗包括两个步骤，即SC-1和SC-2。SC-1法取氢氧化铵(28%)、过氧化氢(30%)、水，比例为1:1:5，温度70-80℃。硅片在此溶液中浸泡10分钟，并保持高pH值。该方法氧化有机污染物(形成二氧化碳、水等)，并与金属(Au、Ag、Cu、Ni、Zn、Cd、Co、Cr)形成络合物，如Cu(NH3)4+2。在这个过程中，缓慢地，天然的氧化物溶解并重新长出新的氧化物，从而去除氧化物上的颗粒。NH4OH的使用较少，因为它能蚀刻Si，使其表面粗糙。SC-2法取盐酸(73%)、过氧化氢(73%)和水，比例为1:1:6，温度为70-800℃。硅片在此溶液中浸泡10分钟，并保持低pH值。该方法用于去除碱离子和Al+3、Fe+3、Mg+2等在SC-1等碱性溶液中形成NH4OH不溶性氢氧化物的阳离子。这些金属在SC-1溶液中沉淀到晶圆表面，而在SC2溶液中形成可溶配合物。SC-2还能完全去除SC-1步骤无法完全去除的金属污染物，如Au。

Ohmi清洁

Ohmi清洗步骤少，温度低。图3描述了ohmi清洗过程的详细步骤。
Megasonic和超声波清洗
在超声速清洗过程中，通过高频振动(20至45 kHz之间)对清洗液进行机械搅拌，导致空化——形成低压蒸汽泡擦洗表面。频率越高(>45kHz)，晶圆表面气泡越小，效率越低。然而，megasonic (1MHz)清洗在去除粒子方面也很有效。这两种工艺对于去除硅片表面污染物是非常有效的。

洁净室

洁净室是所有这些清洁过程发生的地方，并在这里采取措施减少颗粒污染。洁净室内的温度、湿度、压力等参数均由高效微粒空气(HEPA)过滤器和超低微粒空气(ULPA)过滤器等关键部件控制。无尘室按两个标准分类(图4-5)，即ISO等效和FED STD 209E等效。这种分类是根据每体积空气中允许的颗粒数来进行的。

总结

污染物[18-19]发生在微电子集成电路制造过程中。清洗是去除晶圆表面污染物最理想的方法之一。所有的清洁过程都在洁净室进行。在清洗过程中，通过超声搅拌可以除去大部分颗粒。在O2等离子体或硫酸(H2SO4)/过氧化氢(H2O2)溶液中去除有机物(光刻胶)，这被称为食人鱼清洗。“RCA清洁”是用来去除金属和任何残留在硅片中的有机物。清洗大约包括任何集成电路制造过程的四分之一(1/4)。本文还简要介绍了几种标准的洁净室分类方法[20]。

文献引用：
Cite this Article: Binoy Bera. Silicon Wafer Cleaning: A Fundamental
and Critical Step in Semiconductor Fabrication Process. International
Journal of Applied Nanotechnology. 2019; 5 (1): 8–13p.

原标题：硅片清洗:半导体制造过程中一个基本而关键的步骤