半导体晶圆的污染杂质及清洗技术分析

王本义 ，谷德鑫，邱书媛

（1.沈阳芯源微电子设备股份有限公司；2.沈阳隆泰机械制造有限公司；3.沈阳航新非标设备制造有限公司，辽宁 沈阳 110000）

近年来，随着半导体技术的发展，半导体晶圆的应用日益广泛，对工艺技术和质量要求也不断提高。但是，在半导体晶圆表面可能存在各种杂质，导致器件质量及成品率受到影响。据统计，在当前集成电路生产中，由于半导体晶圆杂质问题而造成的材料损失可能达到50%以上。半导体生产中每道工序都需要清洗，而清洗技术和清洗质量将直接影响器件性能。因此，要重视对半导体晶圆污染杂质的分析和清洗技术的掌握，以提高材料质量。

1 半导体晶圆的污染杂质

1.1 颗粒杂质

半导体晶圆的颗粒杂质，主要包括刻蚀杂质、光刻胶、聚合物等。这些污染物在圆片表面可能通过范德瓦尔斯吸引力吸附，对器件光刻工序的电学参数、几何图形形成等造成影响。对于这些污染杂质，一般需要采用化学方法或物理方法，对颗粒进行底切，使杂质和圆片表面接触面积逐渐缩小，进而达到去除杂质的目的。

1.2 金属杂质

铁、铝、钨、钠、锂、铜、铬、钛、钾等金属杂质，在半导体工艺中都十分多见，这些杂质可能是以化学试剂、管道、器皿等为主要来源。另外，在半导体圆片加工中，当金属互连形成的过程中，也会有一定的金属杂质形成。一般需要利用化学方法去除此类杂质，使用相应的化学药品和试剂等配置专用清洗液，和金属离子发生化学反应，产生金属离子络合物，进而使杂质与圆片表面脱离清除。

1.3 有机物杂质

有机物杂质具有相对广泛的来源，包括清洗溶剂、光刻胶、真空脂、机械油、细菌、人皮肤油脂等。在圆片表面，这些有机物杂质可能形成有机物薄膜，导致圆片表面和清洗液无法直接接触，进而造成无法彻底清洗圆片表面的问题。在常规清洗后，圆片表面仍然会残留各种类型的污染杂质。对于这些类型的污染杂质，通常需要在第一步的清洗工序中，使用双氧水、硫酸等试剂清除。

1.4 氧化物杂质

半导体晶圆在常规环境下，与空气中的水、氧气等成分接触，在其表面会有自然氧化层形成。由于存在这种氧化薄膜，对于半导体制造过程中的很多工序都将产生影响。其中还可能残留有一些金属杂质，会在特定条件下向圆片中逐渐转移，进而引起电学缺陷问题。一般需要使用稀氢氟酸浸泡处理，才能去除此类氧化物杂质。

2 半导体晶圆的清洗技术

2.1 干法清洗技术

2.1.1 束流清洗技术

束流清洗技术能够应用高能量束流状物质流，和圆片表面污染杂质发生相互作用，进而将圆片表面杂质有效清除。常见的应用技术方法主要包括冷凝喷雾技术、激光束技术、微集射束流清洗技术等。其中当前最有发展前景的技术方法就是微集射束流清洗技术，对电流体力学喷射原理加以运用，利用毛细管向圆片表面喷射清洗液，从而取出圆片表面的有机薄膜或颗粒杂质。该技术也能节省清洗液，同时，可避免二次污染情况。

2.1.2 汽相清洗技术

该技术在去除半导体晶圆污染杂质的过程中，主要是运用了液体工艺中对应物质汽相等效物和圆片表面污染杂质相互作用的原理。例如，MMST工程研究当中，CMOS工艺中就利用了汽相HF、水汽的相互作用，将圆片中的氧化物清除。在实际应用中，含水HF工艺需要添加颗粒清除过程，而汽相HF技术无须颗粒清除的步骤，同时，在化学消耗方面也能大大缩小，并提高清洗效率和清洗质量。

2.1.3 等离子体清洗技术

等离子体清洗技术操作方便且工艺简单，不会产生环境污染或废料处理等情况。不过，该技术对于碳杂质或非挥发性金属及金属氧化物杂质效果不佳。该技术通常应用于清除光刻胶等杂质，将少量氧气通入等离子体反应系统，受到强电场的作用，使氧气形成等离子体。能够让光刻胶快速发生氧化反应，形成可挥发性气体，进而去除杂质。在去胶工艺方面，该技术的优势主要在于无划伤、效率高、表面干净、操作简单，无须使用有机溶剂、酸碱溶液等，能避免损伤半导体晶圆，因而效果较好。

2.2 湿法清洗技术

（1）溶液浸泡法。在溶液浸泡法中，使用特定化学溶液，将圆片浸泡其中，进而使表面污染杂质得到清除。在湿法化学清洗技术中，溶液浸泡法的应用非常广泛。针对圆片表面不同类型的污染杂质，可以选择相应的溶液进行处理。例如，对于有机污染物，可以使用相应的有机溶剂清理；对于有机、无机及金属离子杂质，可使用RCA溶液进行清理等。不过，单独采用溶液浸泡法，对于污染杂质的清除可能并不彻底，因而在实际应用中，可以利用搅拌、超声、加热等无力辅助措施配合操作，以提高污染杂质清除率。

（2）机械擦洗法。对于半导体晶圆表面的有机残渣或微粒杂质，可采用机械擦洗法处理，如擦片机擦洗、手工擦洗等。手工擦洗比较简单方便，可以使用无水乙醇等有机溶剂浸泡棉球，用不锈钢镊子夹住，沿相同方向擦洗圆片表面，可将固体颗粒、残胶、灰尘、蜡膜等污染杂质去除，但是，如果操作不当，可能造成圆片表面划伤等问题。而擦片机擦洗主要借助了机械旋转作用，使用刷辊或软羊毛刷，对圆片表面进行刷擦，能够避免损伤圆片表面。如利用高压擦片机处理，不会产生机械摩擦，因而对圆片表面也不会划伤，可将槽痕中的污染杂质清理干净。

（3）超声波清洗。在半导体工业中，超声波清洗有最广泛的应用，在操作方面简单便捷，能够达到十分理想的清洗效果，对于比较复杂的容器或器件，也能有效地去除污染杂质。超声波清洗技术主要是利用了强烈的超声波作用，在液体介质内部产生密部、疏部。其中疏部将会产生空腔泡，近似真空状态。在空腔泡消失的时候，会在附近产生强大的局部压力，进而使分子内化学键断裂，从而解吸晶圆表面的污染杂质。压力、功率、温度、频率等超声参数条件，对于超声波清洗效果都会产生直接的影响。目前，该方法对于圆片表面大块污染或颗粒污染杂质的清除，效果十分显著。

（4）兆声波清洗。兆声波清洗是在超声波清洗的基础上发展而来，具备了超声波清洗的优点，同时，也解决了超声波清洗的不足。兆声波清洗利用了850kHz高能频振效应，使用化学清洗剂发生化学反应，有效清洗圆片污染杂质。操作中兆声波可推动溶液分子加速运动，能够达到30cm/s的最高瞬时速度。利用高速流体波连续对圆片表面进行冲击，进而强制除去圆片表面附着的细小微粒和污染物。该技术可发挥化学清洗、机械擦片等方面的效果，在抛光片清洗中已得到较好的应用。

（5）旋转喷淋法。旋转喷淋法中，通过机械方法使圆片达到较高的旋转速度，同时，在旋转过程中，将高纯去离子水或其他清洗液不断喷淋到圆片表面和圆片背面，从而将圆片表面及背面的污染杂质去除。该技术对圆片表面和背面的污染杂质，主要是通过喷淋液体的化学反应或溶解作用实现，结合高速旋转带来的离心力，能够使污染杂质和溶解了杂质的液体脱离圆片表面及背面。该技术融合了流体力学清洗和化学清洗的优势，同时，也可发挥一定的高压清洗作用。在实际应用中，可以结合甩干工序，喷淋去离子水清洗一段时间后停止喷水，改为惰性气体喷淋，并将转速适当提高，提升离心力，进而达到圆片表面和圆片背面快速脱水的效果。

3 结语

半导体晶圆是半导体工业中最重要的一种材料，对于其表面洁净度有着很高的要求。如果半导体晶圆存在污染杂质，将对产品质量造成很大的影响。目前，对于半导体晶圆污染杂质主要有干法清洗技术和湿法清洗技术两大类，在实际应用中，可以根据表面污染杂质的类型，选择适当的清洗技术处理，以提高半导体晶圆质量。