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半導體單晶拋光片清洗技術分析

 

Analysis of cleaning technology for semiconductor single crystal polishing tablet
本文摘錄至張凇銘,科技論壇,2018年第18期。

1 半導體單晶拋光片污染雜質
在實際清洗處理中,常採用物理、或化學反應的方法去除 ;有機物主要來源於清洗容積、機械油、真空脂、人體油脂、光刻膠等方面,在實際清洗環節可採取雙氧水或酸性溶液去除 ;氧化物主要是相應半導體單晶拋光片在自然含氧環境中形成的,且在後期會形成較為嚴重的化學缺陷。在實際清洗環節可採用稀氫氟酸或稀鹽酸進行浸泡處理。

2 半導體單晶拋光片清洗技術
2.1 矽拋光片清洗技術
矽拋光片清洗主要包括 DHF清洗、APM 清洗、HPM 清洗三個步驟。首先採用 DHF 法,將附著在矽拋光片表面的自然氧化膜進行清除處理。在矽拋光片表面鋅、鋁、鐵、鎳等金屬 氧化物質去除之後,由於雙氧水的作用,矽拋光片外層會逐漸形成新的氧化物。這種情況下,就需要將矽拋光片浸泡入DHF清洗液中,一段時間後,可去除矽拋光片外部大部分的氧化膜及金屬離子。DHF清洗液進行矽拋光片清洗主要是依據 DHF 清洗液中的氫離子與矽拋光片表層斷裂鍵結合,在矽拋光片外部形成氫離子終端,而氫離子的疏水性可為表面離子去除提供依據。其次 APM 清洗,APM 清洗主要採用水、雙氧水、氫氧化銨等物質進行適當比例拌和。在雙氧水的催化作用下,矽拋光片外部可形成一層自然氧化膜,即二氧化矽,其具有親水性質。將矽拋光片浸泡入 APM 清洗液後,矽拋光片外部自然氧化層可與矽拋光片清洗液中的氫氧化銨溶液發生反應,形成溶于水的物質,便於自然氧化膜的有效去除。最後 在 HPM 清洗,HPM 清洗液主要由水、雙氧水、鹽酸等試劑進行適當拌和而成,其主要針對矽拋光片外部的鎂、鋁、鈉、鐵等鹼性金屬物資。由於矽拋光片外層金屬物質具有較為良好的抗腐蝕性能,在實際 HPM 清洗完畢之後,可採用超聲儀器進行進一步清潔處理。

2.2 砷化鎵拋光片清洗技術
在砷化鎵單晶體拋光處理之後,形成的自然氧化膜內部結構主要有三氧化二砷、五氧化二砷、三氧化二鎵等物質。在實際應用過程中,相較於砷而言,鎵的化學性質更加活潑,因此在砷化鎵單晶拋光片中表層氧化物質主要為砷氧化物。而由於砷自然氧化層厚度較大,其實際晶體拋光片完整性也具有一定缺失。因此在砷化鎵單晶拋光片清洗過程中,主要針對其表層三氧化二砷、三氧化二鎵氧化物。首先可採用氫氧化鉀溶液,通過氫氧根離子與三氧化二鎵、三氧化二砷、五氧化二砷的反應,可有效去除砷化鎵表層自然氧化物質。由於在實際清除過程中,氫氧化鉀溶液與砷化鎵在持續的發生反應,其可在砷化鎵拋光片外層形成親水錶層,在不損傷拋光片表層結構的情況下,將砷化鎵表層顆粒有效去除。然後可採用臭氧水與紫外光進行清除處理。在紫外光的催化作用下,臭氧水可與砷化鎵表層物質發生反應,從而形成穩定的活化能。最後在砷化鎵表層物質狀態變化的基礎上,可採用1000kHz 超聲波,結合稀硫酸溶液,為砷化鎵表層物質去除營造一個良好的酸性環境,便於砷化鎵表層金屬物資及其他有機吸附雜質的有效去除。

2.3 鉻拋光片清洗技術
首先在有機物去除環節,主要依據相似相溶原理,將鉻拋光片浸泡入有機溶劑內,隨後採用乙醇、異丙醇等水基溶劑將其表層有機溶劑進行清除,如石油醚、甲苯等。在這個基礎上,採用純化水或去離子水將其表層雜質進行沖洗除淨。需要注意的是,由於鉻拋光片清洗環節,採用了大量的有機化學試劑,而有機化學試劑作用時效較長,對整體清洗效率造成了一定的影響。其次金屬物質去除,相較於矽、砷化鎵等半導體單晶拋光片而言,鉻拋光片在實際應用中,主要採用硫酸溶液進行金屬物質去除。而由於硫酸溶液在實際應用過程中,極易在鉻拋光片表層形成硫化物,而硫化物的難溶性為後續工作造成了一定的困難。因此本文主要採用不同濃度鹽溶液的配置,對鉻拋光片外層金屬物質進行梯度洗脫。稀鹽酸溶液自身穩定的化學性質,可以在保證鉻拋光片外層金屬離子去除效果的同時,生成溶解性良好的氯化鹽,便於後續處理工作的順利進行。而自然氧化膜去除工序的省略,也可以有效提高鉻拋光片清除效率。最後,採用兆聲波清洗可以適當提高清洗效率 , 聲波的能量從壓電陶瓷傳遞至晶圓表面的液體薄層內,形成直進流,或者是由於聲波能量的強弱變化導致一些微氣泡的破裂,加快晶圓表面液體的流動 , 兆聲波清洗技術主要是由 850kHz 的高能頻振效應,結合相應化學 APM 清洗劑的應用,對鉻拋光片進行反復清洗。在清洗環節相應超聲設備可以發出波長為 1.50μm的高能聲波,在高能聲波的驅動下,溶液分子可以一個加速度運動,當其最大瞬時速度達到 31cm/s 時,則可以形成高速流體波。高速流體波可通過連續衝擊作用,將鉻拋光片外部附著雜質、微小顆粒進行強制去除。在這個過程中,APM 清洗液主要利用其內部氫氧化銨、去離子水、過氧化氫等物質,與鉻拋光片外部物質發生反應,最終形成可溶于水的物質。

3 總結
在半導體單晶拋光處理之後,其金屬性質較強,可與一般性質氧化劑發生較為強烈的反應,從而形成一層堅固的自然氧化膜。因此在實際清洗處理過程中,相應人員可根據不同單晶拋光片的性質及結構形式,選擇合理的清洗程式。結合半導體單晶拋光片清洗溶液的配比的合理分析,可有效控制半導體單晶拋光片外層氧化物濃度,提高清洗效率。

參考文獻
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