半导体硅片清洗设备研究进展

1 引言

早在50年代初期，硅片清洗对半导体工业的重要性就已经引起人们的高度重视，这是由于硅片表面的污染物会严重影响器件的性能、可靠性和成品率。尤其是当集成电路由大规模向超大规模(VLSI)和甚大规模(ULSI)发展时，电路的集成度日益提高、单元图形的尺寸日益微化，污染物对器件的影响也愈加突出，以致于洁净表面的制备技术已成为制作新一代 DRAM 的关键技术［1－3］。

集成电路制造过程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、扩散和引线蒸发等工序前，采用物理或化学方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清洁度要求的硅片表面的过程。

硅片表面的污染物通常以原子、离子、分子、粒子或膜的形式以化学或物理吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身的氧化膜中。硅片清洗要求既能去除各类杂质又不损坏硅片。常见的清洗技术可分为物理清洗和化学清洗，化学清洗又包括湿法清洗和气相清洗等。不同的清洗技术需要专门的设备与之配合。随着清洗技术的不断发展和进步，硅片清洗设备的研发和创新工作获得了长足的发展，并已经逐步形成了一个趋于完善同时不断走向专业和细化的行业。其中湿法清洗设备一直占据主导地位［4－7］。

2 常用硅片清洗设备及装置

2.1 浸入式湿法清洗槽

湿法化学清洗系统既可以是浸入式的又可以是旋转式的。一般设备主要包括一组湿法化学清洗槽和相应的水槽，另外还可能配有甩干装置。硅片放在一个清洗专用花篮中放入化学槽一段指定的时间，之后取出放入对应的水槽中冲洗。

对于清洗设备的设计来说，材料的选择至关重要。使用时根据化学液的浓度、酸碱度、使用温度等条件选择相应的槽体材料。从材质上来说一般有NPP、PVDF、PTFE、石英玻璃等［8］。例如:PVDF、PTFE、石英玻璃等一般用在需加热的强酸强碱清洗，其中石英玻璃不能用在HF清洗中，NPP一般用在常温下的弱酸弱碱清洗。而常温化学槽，一般为NPP材料。

图1 石英加热槽

槽内溶液可加热到180℃甚至更高，它一般由石英内槽、保温层、塑料(PP)外槽组成。石英槽加热可以通过粘贴加热膜或者直接在石英玻璃上涂敷加热材料实现。石英槽内需安装温度和液位传感器，以实现对温度的精确控制以及槽内液位的检测，防止槽内液位过低造成加热器干烧。

除此之外PVDF(PTFE)加热槽也较为常用，这类加热槽常用于HF溶液的清洗中。由于受到槽体材料的限制，这类加热槽只能使用潜入式加热，潜入式加热器一般有盘管式和平板式两种，加热器外包覆PFA管。

2.2 兆声清洗槽

RCA或者改进的RCA清洗配合兆声能量是目前使用非常广泛的清洗方法。在附加了兆声能量后，可大幅降低溶液的使用温度以及工艺时间，而清洗效果更加有效。常用兆声清洗的频率为800kHz－1MHz，兆声功率在 100 － 600W［9－10］。兆声换能器有平板式、圆弧板式等形式。兆声换能器可直接安装于槽体底部，石英清洗槽则可以采用水浴的方式，兆声换能器安装于外槽底部，这样可以避免清洗液对兆声换能器的浸蚀。其结构如图2所示。

图2 兆声槽

兆声换能器在工作过程中会在石英槽底部产生大量的气泡，这些气泡会大量吸收兆声能量，大大降低了兆声清洗的效果。因此内槽石英缸底部一般要有10－15度的倾斜角度，当有气泡产生时，由于浮力的作用气泡沿倾斜的石英槽底向上移动，脱离石英槽壁浮出水面，减少了气泡对兆声能量的损耗。另外水浴外槽可根据不同的需要采用不锈钢槽、石英槽等。圆弧板兆声换能器由于其结构的特殊性，使其在兆声能量的传播方向、能量分布上更加合理，清洗效果更加显著，一般情况下，圆弧板兆声换能器只需要平板兆声换能器使用减半的功率即可达到相同的清洗效果。

2.3 旋转喷淋清洗

旋转喷淋清洗是浸入型清洗的变型。系统中一般包括自动配液系统、清洗腔体、废液回收系统。喷淋清洗在一个密封的工作腔内一次完成化学清洗、去离子水冲洗、旋转甩干等过程，减少了在每一步清洗过程中由于人为操作因素造成的影响。在喷淋清洗中由于旋转和喷淋的效果，使得硅片表面的溶液更加均匀，同时，接触到硅片表面的溶液永远是新鲜的，这样就可以做到通过工艺时间设置，精确控制硅片的清洗腐蚀效果，实现很好的一致性。密封的工作腔可以隔绝化学液的挥发，减少溶液的损耗以及溶液蒸气对人体和环境的危害。各系统分别贮于不同的化学试剂，在使用时到达喷口之前才混合，使其保持新鲜，以发挥最大的潜力，这样在清洗时会反应最快。用N2喷时使液体通过很小的喷口，使其形成很细的雾状，至硅片表面达到更好的清洗目的［11］。

此方法适用于除去氧化膜或有机物。因为化学物质在硅片表面停留的时间比较短，对反应需要一定时间的清洗效果不好。在喷洗过程中所使用的化学试剂很少，对控制成本及环境保护有利。

2.4 刷洗器

刷洗器主要用于硅片抛光后的清洗，可有效地去除硅片正反两面lμm以及更大的颗粒。主要配置包括专用刷洗器、优化的化学清洗液及超纯水或者IPA。在水动力条件下，颗粒被旋转的海绵状刷子赶出，其结构如图3所示［8］。

图3 硅片刷洗装置

一个典型的POST－CMP清洗装置包括两个刷洗箱和一个兆声波清洗模块。早期使用的尼龙毛刷易造成硅片的损伤，现在一般采用聚乙烯醇(PVA)毛刷，PVA毛刷配合去离子水，其结构如图4所示。

图4 PVA材质刷洗器

3 硅片清洗设备的技术创新

3.1 全自动湿法清洗设备

高产能的12寸浸入槽体设备可以通过机械传动系统实现全自动清洗。某些设备通过机械臂的设计，采用机械手完全代替花篮来承载硅片。这类设计可以减少传动中在硅片上的触点，减小划伤硅片的可能性。由于浸入式清洗可能造成同样的化学药品重复使用，带来交叉沾污硅片的可能性。因此，在槽体中设计化学液的循环和过滤系统是非常必要的。这一设计目前已被广泛采用。

化学槽体之后的冲洗步骤也非常重要，对于SPM这样粘度较大的化学液来说，使用快排槽(quick dump tanks，ODR)进行冲洗是非常必要的。这种冲洗方式对于快速去掉硅片表面残留的化学液十分有效，并且已经被应用在浸入式清洗设备上。但是这种方法也有一定的缺点，喷淋和快排的交替进行需要大量的超纯水，同时喷淋的管口也有带来沾污的可能［12］。

3.2 气相干洗设备

在集成电路的制作过程中，清洗是重复次数最多的工序。有些工艺甚至需要100多次的清洗步骤。而这些步骤中所使用的化学品和清洗工艺并不是完全相同的，需要配合清洗硅片的性质特点以及前后工序对清洗步骤的要求。

首先，湿式化学清洗对于工艺整合提出挑战。要做到尽量减少压力，热处理及刻蚀过程的表面准备控制，气相干洗可以获得更理想的效果。另外，对于使用表面活性剂使硅片与化学液融合来说，使化学液彻底离开硅片要困难得多，有的时候甚至需要采用促进蒸发的办法。另外湿式清洗对于颗粒的控制难度远远大于全干的环境［13］。然而气相清洗也有它自身的缺陷，对于硅片清洗中最难去除的金属沾污，包括过渡金属、重金属和Al离子等。而具有硅刻蚀功能的湿法化学清洗却可以克服这一缺点。

3.3 等离子体清洗设备

等离子加工技术在集成电路的制造工艺中非常普遍。通常一个硅片要经过许多等离子体加工的步骤。主要涉及薄膜沉积，刻蚀，光刻剥离以及清洗等工序。等离子体是通过调节无线电频率或微波能量而获得的离子化气体分子，通常由不同电子状态的化学物种构成。其中正负电荷近似相等，可能包括自由基、中性分子以及自由电子。与器壁或者与其它物种的碰撞不断造成这些物种的再结合。因此，必须供给等离子体足够的能量以维持其高能气体。

等离子体清洗技术在硅片清洗中比较成熟的应用便是等离子体去胶(干法去胶)。所谓等离子体去胶是指在反应系统中通入少量的氧气，在强电场作用下，使低气压的氧气产生等离子体，其中活化气(或称活泼的原子态气)占有适当比例，可以迅速地使光刻胶氧化成为可挥发性气体状态并被机械泵抽走，这样把硅片上的光刻胶膜去除掉。该法工艺简单、操作方便，而且没有废料处理和环境污染等问题。但是不能去除碳和其它非挥发性金属或金属氧化物。如锡的残质会留在硅表面上，因此还要加一道去除金属杂质的洗液清洗。

目前有多种类型的商业化的等离子加工系统被用于剥离和清洗工艺中。其中，最常用的反应类型是诱导耦合离子源以及远程微波和射频离子源等。等离子体反应器有一个较长的发展历史。第一个应用在IC制造业的反应器叫做“赖因伯格”反应器。技术发展到今天，它们已经广泛应用于硅片表面清洗、制备和图形制作。

4 结 束 语

在各种集成电路的制造过程中，随着清洗方法的不断创新与联合应用，目前的硅片清洗工艺已不再是一个简单的制作步骤，而是一个系统的清洗工程。硅片清洗技术的革新与发展，推动了清洗设备制造企业加大研发力度，不仅仅是制造出设备，从某个角度来说，还需根据各家硅片生产企业的具体情况提供不同的清洗方案和设备定制设计，帮客户最大限度地降低成本和减少损失，同时尽量减少清洗设备本身可能带来的沾污。未来的硅片清洗设备将向整合性，集成化与全自动的方向发展。