湘潭大学通识教育选修课

湘潭大学通识教育选修课课程名称：新型电子线路设计及应用论文题目：微电子工艺中的清洗技术姓名：徐东阳学号：20159200210学院：能源工程学院班级：电子科学与技术2班完成时间：2016年5月15日论文题目：微电子工艺中的湿法清洗技术摘要:简单介绍了硅片表面污染物的杂质的种类，表明了这些污染物对于电子产品性能的影响，指出清洗技术的重要性，综述了传统湿法的内容，并简单介绍湿法刻蚀技术。

一、引言1974年贝尔实验室发明了第一个晶体管，引器件的成品率、寿命和可靠性具有重要影响，据估计在集成电路的组装中，超过50%的产品报废的原因是由于微污染发了半导体产业，随着硅材料的引入生了。

在集成电路的制作中，硅片的清洗对所致。

因此在制作过程中，除了要排除外界的污染源外，集成电路的制作步骤，如高温扩散、离子注入之前，均需使用均需使用传统干法，湿法或其他方法的清洗。

二、污染物杂质的分类1.分子型杂质：主要包括合成石蜡和树脂。

主要来源于硅片的生长和机械抛光过程中，但也可能来自手指的接触和空气中，以及有机存放容器中的有机物杂质的沉淀，另外在硅片处理过程中残留光阻材料和有机溶剂也可能成为污染杂质，有机杂质可能会导致硅表面的极化，以及由表面有机杂质质子的转移而产生的离子迁移，另外，非水溶性有机杂质可能阻碍表面吸附离子和金属粒子的转移。

因此硅片清洗工业中，有机物的消除为首要步骤。

2.离子型杂质：离子型杂质主要来源于HF等刻蚀溶液中，也可能来自离子水的清洗过程中，离子型杂质以化学或物理吸附方式沉积在硅片上，它们可能在电场或温度升高的情况下移动并导致半导体材料空间电荷层的反型，表面的泄漏，以及在器件中的移动。

3.原子型杂质：主要指重金属杂质如金、银、铜等，他们主要来自硅片的酸性刻蚀溶剂中，原子型杂质主要影响器件中少子的寿命、表面的导电性以及其他影响器件稳定性的参数，去除原子型杂质的溶剂要求能溶解金属或者和金属络合，并防止金属的二次沉淀。

三、湿法清洗内容沾污源及其检测：两类主要的沾污源为颗粒和膜，随器件尺寸的缩小，由颗粒所导致的缺陷数就增加，因此对清洗的要求就越来越高。

有时膜沾污会变成颗粒沾污。

1: 颗粒颗粒源主要包括: 硅晶尘埃,石英尘埃,灰尘,从净化间外带来的颗粒,工艺设备,净化服中的纤维丝,以及硅片表面掉下来的胶块,DI WATER中的细菌等，随特征尺寸的缩小，颗粒的大小会使缺陷上升，从而影响电路的成品率。

2: 薄膜型硅片表面的另一种沾污源是膜沾污源，主要有油膜,药液残留,显影液,金属膜，有时膜可能会变成颗粒。

无论是化学清洗或湿法去胶工艺常被用来去除膜沾污同样也能去除颗粒，针对不同的沾污情况,采用分离的清洗程序各自去除,不仅是化学试剂的清洗还是颗粒清洗工艺,均是为获得一个洁净的硅片表面。

但提醒一下,如能去除沾污源是最有效的，虽然在当前工艺步能去除沾污，但必须保证在后续工艺中不被重新沾污.清洗的种类及其机理：1：擦片（包括超声擦片及高压喷淋和机械擦片相结合）超声擦片是让硅片浸没在带有超声或兆声的药液中，在超声的作用下药液中产生微小的泡，泡破裂产生冲击波，冲击硅片表面，使硅片表面的颗粒离去或松动，为防止脱离下来的颗粒再次沾污及重新沉积在硅片表面，脱落下来的颗粒必须被带走，常采用溢流和过滤的方法。

高压喷淋和机械毛刷擦片常用于抛光工艺后，及金属化，CVD外延等工艺前，毛刷擦片是利用一转旋的毛刷通过刷洗硅片表面(实际不于硅片直接接确),通过类似于溶剂的一种分离动作达到清洗的目的.2：溅射前自然氧化层的清洗(稀HF清洗)当硅材料暴露在空气中时会产生SIO2膜,被称为自然氧化层,这些物质会对后续工艺产生严重的影响,如接确电阻,溅射时影响接口结合力,因此在溅射前须对自然氧化层进行清洗(一般用稀HF进行漂洗)。

一般其浓度为HF：H2O=1：10—1：100。

3:化学清洗(主要是RCA 清洗及SH清洗和HF LAST 清洗)A: RCA清洗(两步工艺SC-1，SC-2)主要是对SI和SIO2在高温作业前的清洗，如氧化，扩散，外延或合金工序前。

SC-1 组分：DI WATER + H2O2（30%）+ NH4OH（29%）主要去除硅片表面的颗粒，有机物以及金属杂质SC-2 组分：DI WATER + H2O2（30%）+ HCL（37%）主要去除硅片表面的原子和离子杂质沾污，SC-2不腐蚀SI和SIO2，但重新沉积在硅片表面的颗粒无法用SC-2去除。

典型的组分及工艺条件如下表：Ratio(by Vol.) Constituents Temp Time Purpose of CleanSC-1 5:1:1—5:1:0.25 DI 75℃5Min 去除硅片表面的颗粒，有water:30%H2O2:29%NH4OH机物以及金属杂质SC-2 6:1:1 DIwater:30%H2O2:37%HCL 80℃5-10Min 去除碱离子，硅片表面的金属原子和难溶金属氧化物等清洗步骤：1：预清洗: 如有胶,则先去胶,然后用DI WATER进行冲洗;2:去除有机残留及某些金属: 使用SC-1大约75-80C 10-15MIN;3:去除第2步形成的氧化膜: 在稀HF中漂20-30SEC,直接进入4;4:去除残留的金属原子及离子: 使用SC-2 75-80C,10-15MIN5:甩干片子,通热N2保存.在清洗中，化学试剂的纯度是非常重要的，同时由于H2O2很容易分解，所以如在腐蚀槽中进行清洗时须经常加入新的H2O2。

SC-1药液以很低的速率腐蚀SI，这会使硅片表面微毛从而更易去除颗粒。

当前，对SC-1药液的组分进行了优化，降低NH4OH的浓度，会使去除颗粒的效果提高。

B: Piranha Clean是指H2SO4及H2O2的混和液(98%H2SO4:30%H2O2 ==10:14:1) ，已被半导体工业长时间广泛使用，在H2SO4中加入H2O2有去除再次沉积在硅片上的颗粒，实现更有效的清洗，它主要用于去胶,去除有机残留,以及METAL 前的各层清洗,一般清洗时间为3-5MIN.当使用腐蚀槽进行清洗时有几个重要的因素需要考虑：a)：在H2SO4中加入H2O2是一个很强的放热反应，加入H2O2会使槽温升至90℃左右。

b):槽子的清洗效率可以在硅片进入腐蚀槽时用肉眼观察到，由于H2SO4和有机物反应时在H2O2的强氧化作用下生成H2O和CO2，会在硅片表面出现雾，如效率好时在硅片进入槽子几秒内出现雾。

c):H2O2在高温下易分解生成H2O和O2，此分解影响H2SO4的浓度和降低槽子的去胶效率，因此定期的加入（补充）H2O2是十分必要的。

F: SPECIALITY CLEAN具有特殊功效的清洗：如FRECKLE 药液用于去除残留的SI-渣等.常用于清洗的药液: H2O2, Dilute HF , NH4OH , NH4F，H2SO4 , HCL ,Speciality Etchant，EKC265，DMF ，AC，T-CMI四、刻蚀技术刻蚀，是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。

刻蚀的基本目的，是在涂胶(或有掩膜)的硅片上正确的复制出掩膜图形[1]。

刻蚀，通常是在光刻工艺之后进行。

我们通常通过刻蚀，在光刻工艺之后，将想要的图形留在硅片上。

从这一角度而言，刻蚀可以被称之为最终的和最主要的图形转移工艺步骤。

在通常的刻蚀过程中，有图形的光刻胶层〔或掩膜层)将不受到腐蚀源显著的侵蚀或刻蚀，可作为掩蔽膜，保护硅片上的部分特殊区域，而未被光刻胶保护的区域，则被选择性的刻蚀掉。

在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。

干法刻蚀，是利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于等离子体中的硅片行物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法[1]。

该工艺技术的突出优点在于，可以获得极其精确的特征图形。

超大规模集成电路的发展，要求微细化加工工艺能够严格的控制加工尺寸，要求在硅片上完成极其精确的图形转移。

任何偏离工艺要求的图形或尺寸，都可能直接影响产品性能或品质，给生产带来无法弥补的损害。

由于干法刻蚀技术在图形轶移上的突出表现，己成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方法。

在特征图形的制作上，已基本取代了湿法腐蚀技术。

对于湿法腐蚀，就是用液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学的方式去除硅片表面的材料。

当然，在通过湿法腐蚀获得特征图形时，也要通过经光刻开出的掩膜层窗口，腐蚀掉露出的表面材料。

但从控制图形形状和尺寸的准确性角度而言，在形成特征图形方面，湿法腐蚀一般只被用于尺寸较大的情况(大于3微米)。

由于这一特点，湿法腐蚀远远没有干法刻蚀的应用广泛。

但由于它的高选择比和批量制作模式，湿法腐蚀仍被广泛应用在腐蚀层间膜、去除干法刻蚀残留物和颗粒等工艺步骤中。

刻蚀的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。

所以整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。

整个蚀刻的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。

二者之中孰者费时较长，整个蚀刻之快慢也卡在该者，故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类蚀刻之分。

最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。

其影响被蚀刻物之蚀刻速率的因素有三：刻蚀液浓度、蚀刻液温度、及搅拌之有无。

定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但浓度之影响则较不明确。

举例来说，以49%的HF蚀刻SiO2，当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6) 快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢。

一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」，意指进行刻蚀时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质(如蚀刻掩膜；或承载被加工薄膜之基板；) 的腐蚀速度之比值。

一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。

结论21世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。

为了能够更好地适应社会的需要，微电子技术必须出现新技术来发展。

所以，集成技术，MEMS技术和纳米电子技术将会是未来发展的趋势。

当然，新技术是需要不断探究的，相信将来，作为支撑信息产业的微电子技术，会以突飞猛进的速度发展起来。

参考文献1、微电子工艺中清洗技术的现状与展望刘玉岭，李薇薇，檀柏梅- 《河北工业大学学报》2、微电子工艺中硅衬底清洗技术张远祥，刘玉岭，袁育杰- 《清洗世界》3、现代微电子行业中的新型湿法清洗技术于艳伯，张建新- 《电脑知识与技术》4、微电子行业中新型清洗技术韩恩山，王焕志，常亮《微电子学》5、 Michael Quirk & Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology，Copyright c，Published by Person Education，Inc.，publishing as Prentice HALL，2001.，page187 and page404.6、小野，武谷，大森NEC中坚技术者教育资料，Vol. 37、颜燕，半导体工艺与半导体设备的关系，微电子技术8、盛金龙，IC 制造中清洗技术发展的分析9、面向21世纪的微电子工艺王阳元，张兴- 《世界科技研究与发展》10、 J.Coburn,J.Appl. Phys.48, 3532 (1979)。