声表面波器件工艺原理-1清洗工艺原理

一，声表器件清洗工艺原理

序：

声表器件制作工艺中的清洗技术及洁净度是影响器件合格率、器件性能和可靠性的重要因素。杂质污染主要来源于晶片加工过程、环境污染、水（包括纯水）污染、试剂污染、工艺气体污染、生产用设备、器皿、工具及易耗品污染、人体污染和工艺过程造成的污染。由于表面污染是通过污染物与表面间的作用力引起（主要是化学力和分子间力），清洗就是为破坏这种作用力，除去由上述污染源所带来的有机物、微粒、金属原子（离子）及微粗糙。（一）对基片表面的清洗：

由于有机物会遮盖部分基片表面，影响对微粒和金属的清洗，所以清洗的一般思路是：先除去表面的有机污染，然后再去除微粒和金属杂质。

1，对有机物的清洗：

基片上的有机污染主要有油膜、残余的蜡膜胶膜、不纯有机溶剂挥发后的残膜，以及微生物的有机残渣、手油等。这些杂质分子与基片表面的接触通常是依靠分子间力维持，多属物理吸附，吸引力较弱，且随分子间距的增加很快削弱，。基片表面上的有机物除影响清洗效果外，工艺上主要影响金属膜的粘附和光刻质量。清洗有机物常用方法主要有：

a）擦洗：当基片表面有微粒、有机残渣或残膜时常用擦片办法，它是靠人工（或机械）作用及有机溶剂溶解作用去除表面大块污物，根据有机溶剂结构相似相溶原理,可依次用甲苯、丙酮、无水乙醇棉球在基片表面沿同一方向轻轻擦拭，然后用纯水超声5-10分钟，最后用纯水冲洗、甩干。操作中注意，不可将溶剂顺序颠倒或打乱,擦片要无划伤、不留液渍。 b）等离子体清洗（干法清洗）：等离子体是部分电离的气体，由电子、离子、自由基（以氧为例，指游离态氧原子）及其它中性粒子组成，是物质的第四态。等离子体清洗机理主要是依靠等离子体中的活性粒子（电子、离子和自由基）的活化作用达到去除表面污渍的目的。其反应过程包括：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。

按反应类型分类：等离子体与固体表面反应可以分为物理反应（离子轰击）化学反应及物理化学反应。物理反应机制是，活性离子轰击待清洗表面，使污染物脱离表面并最终被真空泵抽走；其优点是，自身无化学反应，表面不留氧化物，腐蚀作用各向异性；缺点是，使表面在分子级范围内变的粗糙，对被清洗表面的各种不同物质选择性差，热效应大，腐蚀速度低。化学反应机制是，各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性物质，然后由真空泵吸走；其优点是，清洗速度高，选择性好，对清除有机污染比较有效，缺点是会在表面产生氧化物。物理化学反应机制是，两种反应都起重要作用，并互相促进；离子轰击使被清洗表面产生损伤，削弱其化学键或者形成原子态，使其容易吸收反应剂，离子碰撞使被清洗物加热，使之更容易发生反应，其效果是既有好的选择性、清洗效率、均匀性，又有好的方向性。

按激发频率分类：等离子态密度n（cm-3）和激发频率v（Hz）有如下关系：

n =1.2425×108v2 ，由上式见，频率越高，等离子态密度越大，列表说明其分类：

频率 等离子体类型 自偏压 反应类型 应用

40KHz 超声等离子体 1000V 物理反应 对表面影响大，易造成二次污染

13.56MHz 射频等离子体 250V 物理化学反应 去除表面污染物、有机物、氧化物（氢）等 2.45GHz 微波等离子体 几十伏 化学反应 去除表面污染物、有机物、氧化物（氢）等 典型的等离子体化学清洗工艺是氧等离子体清洗。在低压系统中通入少量氧，受高频电场作用，氧被激励成游离态氧原子，使有机物氧化成挥发性物质CO2 和H2O，达到清除目的（但不能去掉碳和其它非挥发性金属或金属氧化物）。工艺要求的真空度、高频频率、通氧量、功率、时间可参照设备说明或由实验确定。具体反应如下：

O2—→O* + O* C x H y + O*—→C O2↑+ H2 O↑

典型的等离子体物理清洗工艺是氩等离子体清洗。在镀膜前，抽高真空到5×10-3Pa，充

入氩气，保持真空度在5×10-2Pa，打开离子轰击机，利用离子枪产生的高能离子束轰击晶片表面残留的各种杂质及吸附气体，使其从表面清除，达到清洁目的。在清洗中要适当调整氩离子能量，以免晶面受损。

c）紫外线/臭氧干法清洗（干法清洗）：实质是等离子体清洗，只是等离子体产生方法不同。通氧气到低真空反应室，利用紫外线能量激发使氧分子分解成具有强氧化能力的游离态氧原子及臭氧，将有机物氧化成挥发性化合物，抽气排除。

d）3号液（SPM）清洗（湿法清洗）：3号液是浓硫酸和过氧化氢的混合液，浓硫酸有强氧化性、强酸性，过氧化氢又使其氧化性加强。3号液既可去除有机物污染，又可去除金属污染。其清洗原理是，浓硫酸和过氧化氢混合会生成卡罗酸H2SO5，通过卡罗酸分解生成的自由基与有机物反应会生成可溶性挥发物。另外由于浓硫酸本身有很强的酸性、氧化性、脱水性，与金属反应生成的硫酸盐多数溶于水，若同时在加热的情况下,又可使有机物碳化后进一步氧化生成二氧化碳。双氧水主要表现为强氧化剂作用，对有机物、无机物及大多数金属都具有氧化能力，尤其在酸碱溶液中，能使一些难溶物质氧化成可溶物质。

3号液清洗的典型工艺是： H2SO4：H2O2 = 3：1 90℃ 10′。 因压电基片的 热释电特性，我们可采用60℃溶液浸泡40′（工艺条件可实验确定，一般情况下，3号液配制时产生的热量即可使溶液接近使用温度），由于过氧化氢反应分解，需不断予以补充，经补充后的3号液可重复使用。

e）纯水（1-9℃）+ O3（电极放电产生）去除有机物（湿法清洗）：由于硫酸污染环境，而有机物的去除主要是靠强氧化剂分解产生的游离态氧原子和有机物反应，所以在纯水中通入臭氧亦可达到清除有机物的目的（采用1-9℃纯水是为了让臭氧不会很快挥发，以提高反应效果）。

2，对微粒的清洗：

微粒指分散性的从0.1微米直径到可用镊子夹取的颗粒或近似颗粒的物质。基片表面 上的微粒主要是切磨抛带来的微小残渣，环境中的尘粒，纤维、金属屑、人的头皮肤屑、微生物以及在工艺过程中随时发生的微粒粘污；它们主要是通过分子间力、静电引力、毛细吸力、表面平整度阻力等污染表面，属分子型吸附杂质。基片表面上的微粒会造成光刻连条（剥离）、断条（干、湿法），严重影响生产合格率及产品可靠性。对微粒的清洗主要有以下方法：1）水超声清洗：利用具有一定速度的水冲洗表面，可以克服粒子与表面的粘附力及粒 子自身重量，除去粒子；但当粒径<5微米时，水冲已难以去除，必须加超声才有较好效果。 a）超声清洗原理：在强烈的超声波震动下，液体介质内部产生疏部和密部，疏部产生近于真空的空腔泡，空腔泡消失的瞬间，其附近产生强大的局部压力（即空化作用），使基片表面的污垢剥离。清洗效果与超声条件如频率、功率、温度及时间有关。超声波频率越低，空化作用越强，但燥声越大，一般选取频率为20-40KHz；功率密度越高，清洗效果越好，但对光洁的表面会产生“空化”腐蚀，所以一般清洗槽输出功率密度选在0.3-0.6W/cm2范围比较合适；超声波在30-40℃时空化效果最好，但考虑到化学反应，常选40-60℃。另外清洗目的不同，超声使用液体也不同；水是最好的超声洗涤剂，空化作用最强，常用水超声清除基片表面微粒（当微粒小于1微米时，超声清洗的效果逐渐下降，要清除更小微粒，需采用兆声清洗）；一般情况，水在清洗槽中应高出振子面板100-150mm，当输出功率大时液面可适当高些。清洗去除油、蜡等有机物时，常用三氯甲烷、三氯乙烯、甲苯、汽油、乙醇等（丙酮无空化作用）；去除金属杂质时，常用各种洗液、酸、去离子水。

b）兆声清洗介绍：当超声波清洗的声波频率在1-3 GHz时，称为兆声波清洗。由于工作频率很高，清洗液内已不再产生空化作用；研究认为，当兆声在溶液中传播时，会产生高速喷射的液体，以大于100m/s的速度冲击晶片表面，它与传统的湿法清洗工艺结合，可有效去除0.2微米以下的微粒。它的特点是，穿透力强、清洗能力强，方向性强，注意清洗时要