精品完整版硅片表面兆声清洗的研究Word文档格式.docx
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而硅片是集成电路中最重要的组成模块之一，它性能的好坏直接影响着整个系统。
所以提高硅片性能就显的至关重要。
众所周知，提高硅片洁净度就能提高硅片性能，但为了保证集成度和器件的性能,需去除的颗粒尺寸也越来越小,且硅片表面颗粒的粘附强度会随着粒径的减小成数量级地增大,去除起来将更加困难。
所以硅片清洗技术已成为现在研究的焦点。
本文介绍了硅片表面兆声清洗技术的原理，然后研究了硅片湿法清洗的原理，接着分析了硅片兆声清洗的方法及流程图，比较了这些方法各自的特性，这是进行设计的技术基础。
然后根据课题要求，基于兆声清洗的工艺流程，优化出适合于IC硅片的湿法清洗技术。
关键词：
集成电路；
IC硅片；
湿法；
兆声清洗；
优化
Abstract
Inthemoderninformationage,asaresultoftheintegration,enhancedtechnologyandtheexpansionofanalogsystem,causingthecontinuousdevelopmentofintegratedcircuits.Andtheindustryisalsoputforwardthehightechnicalrequirementsforintegratedcircuits,namely,highintegration,highperformanceandlowpowerconsumption.Andsiliconisoneofthemostimportantmodulesofintegratedcircuit,itisgoodorbadadirectimpactontheperformanceofthewholesystem.Therefore,itisveryimportanttoimprovetheperformanceofsiliconwaferisthesignificant.Asisknowntoall,improvecanimprovetheperformanceofsiliconwafercleanliness,butinordertoensurethattheintegrationandtheperformanceofthedevice,theneedtoremovetheparticlesizeisbecomingmoreandmoresmall,andtheparticlesofsiliconwafersurfaceadhesionstrengthwillincreasewiththedecreaseofthegrainsizeinorderofmagnitude,willbehardertoremove.Sonowthewafercleaningtechnologyhasbecomearesearchfocus.
Thispaperintroducestheprincipleofsoundsignsinthesiliconwafersurfacecleaningtechnology,andthentheprincipleofsiliconwetcleaningisstudied,andthenanalyzesthewafersmegasoundcleaningmethodandflowchart,comparedthecharacteristicsofthemethod,whichisthetechnicalfoundationfordesign.Thenaccordingtothetopicrequest,basedonthesignsinthecleaningprocess,optimizationofthewetmethodsuitableforICwafercleaningtechnology.
Keywords:
integratedcircuit;
ICwafer;
Wet;
Megasoundcleaning;
improved
目录
摘要I
第一章绪论1
1.1 引言1
1.2硅片清洗的基本理论1
1.2.1硅片的表面状态及其洁净度问题1
1.2.2硅片表面沾污杂质的来源和分类2
1.2.3吸附理论3
1.2.4硅片清洗的一般流程4
1.3硅片清洗的研究背景及意义5
1.4硅片湿法清洗的发展历史及最新发展5
1.4.1硅片湿法清洗的发展历史5
1.4.2硅片湿法清洗的最新发展8
1.5课题来源8
1.6论文结构和主要内容9
1.7本章小结10
第二章硅片表面兆声清洗的设计基础11
2.1污染物的分类11
2.1.1颗粒11
2.1.2金属污染物11
2.1.3有机物杂质12
2.1.4原生氧化物及化学氧化物12
2.2RCA清洗法12
2.2.1RCA清洗技术具体工艺12
2.2.2流程图14
2.3清洗液的种类15
2.3.1常用化学试剂及其性质15
2.3.2RCA标准清洗法所用清洗液17
2.4传统的半导体硅片RCA清洗技术17
2.5RCA清洗技术的改进19
2.5.1有机物的去除19
2.5.2改进的SC_1清洗19
2.5.3改进的DHF清洗20
2.6本章小结21
第三章硅片兆声清洗技术22
3.1兆声波清洗的原理22
3.2兆声波清洗的基本机理24
3.3兆声波清洗设备主要由以下组件构成25
3.4兆声波清洗特点26
3.4.1、清洗特点26
3.4.2、清洗效率26
3.4.3、清洗效果26
3.5兆声波清洗的主要参数27
3.6兆声波在清洗中的应用27
3.7硅片表面兆声清洗的大致流程28
3.7.1设备试剂28
3.7.2清洗工艺流程28
3.7.3清洗工艺流程图29
3.7.4溢流清洗29
3.7.5实验分析30
3.8本章小结31
第四章硅片兆声清洗技术的优化32
4.1、硅片兆声清洗技术影响因素32
4.2、清洗液的最佳配比的确定32
4.3、兆声清洗时间的确定32
4.4、兆声清洗温度的确定33
4.5优化后的硅片兆声清洗技术33
4.6清洗工艺流程图34
4.7本章小结35
结论36
致谢37
参考文献38
第一章绪论
本章介绍了硅片表面兆声清洗的研究价值、硅片清洗的基本理论、国内外研究的现状、研究的内容，研究的思路，课题来源与论文结构及主要内容等内容。
1.1 引言
随着近年来大规模集成电路的飞速发展，其集成度也在快速的提高，因而对硅片的性能及质量的要求也在不断提高，尤其是硅片表面的洁净度更是重中之重。
这主要是因为硅片表面的金属杂质沾污和颗粒沾污会严重影响器件的成品率和质量。
在现代的集成电路生产过程之中，由于硅片表面的沾污问题，仍有5O%以上的材料被损失掉。
在集成电路及硅晶体管生产过程中，差不多每一道工序都会有关于硅片清洗的问题，硅片表面洁净度太差会严重的降低器件的性能，如不好好的处理，极有可能会使生产的硅片全部报废，导致得不到预期的器件，也可能制造出性能低劣的器件，其可靠性及稳定性都极差。
因而熟知硅片表面清洗的原理及方法，对于从事半导体器件生产行业的人来说意义重大。
因为硅片表面清洗是半导体器件制造中极其重要的一步，并且其效率将会直接影响到器件的成品率、可靠性及性能，所以国内外一直在不断地对硅片清洗工艺进行改进。
至今人们已研制出多种可用于硅片清洗的技术工艺及方法，常见的有：
微集射束流法、高压喷射法、非浸润液体喷射法、离心喷射法、流体力学法、玲凝喷雾技术、干法清洗、激光束清洗、流体动力学法、汽相清洗、擦洗法、硅片在线真空清洗技术、鼓泡清洗法、等离子体清洗、湿法化学清洗、RCA标准清洗、原位水冲洗法、超声清洗法、兆声清洗法等。
这些技术及方法现已被广泛应用于硅片清洗工艺中。
1.2硅片清洗的基本理论
1.2.1硅片的表面状态及其洁净度问题
理想状态下的硅片表面是由硅原子有规则的排列及终止所形成，处于硅片表面内部的硅原子一般是以共价键为媒介相互结合，但处于硅片表面外部的原子则没有其它原子与其结合，所以处于表面外方向的价键是未饱和的，存在着能俘获电子的表面状态。
上述介绍的理想表面实际上是不可能存在的，硅片的表面由于暴露在外部环境中而发生氧化反应及吸附作用，其表面一般会有一层较薄的自然氧化层，厚度为几个纳米、几十个纳米甚至上百纳米。
只有通过内表面及外表面的总合才能构成一个真正的硅片表面，表面上自然氧化层和硅之间的界面一般可称为内表面，它通常是施主能级与受主能级并存的，且其能级密度一般为1011～1012个／cm2。
外部环境和自然氧化层之间的界面一般可称为外表面，外表面上存在的表面能级会吸附一些沾污原子，而且内表面能级也会对其产生不同程度上的影响，还会与内表面进行电荷的交换，由此可见外表面吸附现象的复杂性。
硅片清洗最根本的目的是获得表面洁净的硅片。
而洁净的表面是什么样的呢，至今也没有严格的定义，但仅从制造工艺的角度来说，当硅片表面沾污对器件特性的影响可以忽略不计时就可以简单的认为硅片表面是洁净的。
一般认为在硅片表面的污染杂质数量与种类越少，其洁净度也就越高，但在清洗工艺中总会有一个明显的污染容限，当污染程度处于这个容限之下时，器件的可靠性、电特性、成品率受污染物的影响几乎可以忽略不计。
而当污染程度超过这个容限时，则器件受污染物的影响就会显著上升，通常我们可以简单的认为只要污染程度在容限之下时，就可以认为硅片表面是相对洁净的。
但如果污染程度在容限之上时，则可以认为硅片表面不是洁净的。
硅片清洗过程的实质就是以氯化物的、氧化物的或其它挥发元素（或分子）的连续无害膜层代替硅片表面的微粒和有害膜层的过程。
1.2.2硅片表面沾污杂质的来源和分类
为了更好的解决硅片表面的沾污问题，提高硅片表面的洁净度，我们就要清楚杂质的种类，而后选择合适的清洗方法以达到预期的清洗目标。
在硅片生产及加工的过程中，所有的外部接触都有可能是硅片沾污杂质的来源。
这主要包括以下几个方面：
工业气体造成的污染，人体造成的污染，环境污染，试剂带来的污染，水造成的污染，工艺本身造成的污染，硅片加工成型过程中的污染等。
虽然硅片表面的沾污杂质的来源是不同的，但它们一般可以分为几类，如表1-1所示
表1-1硅片表面沾污杂质的分类
分类依据
沾污类别
被吸附物质的存在形态
离子型、分子型、原子型吸附杂质
沾污杂质的形态
膜层污染质、微粒型污染质
物化性质
金属离子（原子）、有机沾污、无机盐及机械微粒等
吸附力的性质
化学吸附型杂质、物理吸附型杂质
1.2.3吸附理论
硅片表面主要是由硅晶体断面构成，则根据结晶学原理可得，硅片表面晶格结构处于破坏状态下，即硅原子的键处于打开状态下，此时的化学键又称之为不饱和键。
又根据物化性质可以得知，此时的化学键处于不稳定状态并且其活性很高，特别容易与四周的原子及分子结合起来，即形成所谓的“吸附”效应。
又被吸附的杂质粒子并不是固定不动的，而是在不断的振动着，当其获得足够大的能量后就可以再一次回到周围的介质（如空气）中去，即形成所谓的“解吸”效应。
与此同时，处于介质中的沾污粒子也会有一部分会被吸附到硅片表面。
因此一般来说，吸附在硅片表面层沾污粒子是处一在种动态平衡的状态。
一般说来，吸附的过程需要放热，而与此相反，解吸的过程则是一种吸热的过程。
温度升高大大有利于杂质粒子的解吸。
根据此性质，清洗过程中提供能量的多少往往构成了不同名目的清洗。
吸附可分为化学吸附及物理吸附，此二者的区别主要表现在于吸附力的大小及产生形式的不同。
对于物理吸附，其吸附力来自于固体和被吸附分子间的范德瓦斯引力，而化学吸附则来源于化学键力，其化学吸附的吸附热远大于物理吸附的吸附热，因此要解吸化学吸附需要更大的能量。
化学吸附时，吸附层内被吸附的原子数等于硅片表面原子数，又因为硅在不同晶面的原子数是不同的，所以吸附在各面吸附层的原子数也是不同的。
发生物理吸附时，固相或液相状态下表面层被吸附分子的大小决定了吸附层所吸附的原子数目，也就是其只取决于分子吸着面积及表面面积，而不是取决于物质表面性质，且气体分子种类的不同也造成了其各自的吸着面积的不同。
因为吸附具有不可避免性，所以就造成了硅片洁净表面概念的相对性。
以硅片表面氢原子作为终端已成为目前大多数处理方法的共同期望，其优点是具有很小的表面态密度，可使器件的电结构特性稳定。
1.2.4硅片清洗的一般流程
硅片表面吸附的沾污可分为原子型、分子型和离子型三种状况。
其中以分子型沾污与硅片表面之间产生的吸附力最为弱小，就此而言去除此类沾污粒子相对比较容易一些。
一般它们多属与油脂类沾污，而此类沾污多具有疏水性，会对于其它杂质的去除具有遮蔽效果。
所以一般在对硅片表面进行化学清洗处理时，分子型沾污的去除大多放在第一步。
原子型及离子型的杂质属于化学吸附杂质，其具有较强吸附力。
一般来说，量较小的吸附杂质是原子型，因此在化学清洗时，离子型吸附杂质一般放在首位，之后再清除少量的原子型杂质和离子型杂质。
最后再用高纯去离子水冲冼硅片直至干净为止，进而就可得到洁净表面的硅片。
综上所述，硅片清洗的大致工艺流程如图1-1所示。
图1-1硅片清洗的大致工艺流程
此外，硅片表面氧化层的去除，一般都要使用稀氢氟酸浸泡法。
1.3硅片清洗的研究背景及意义
大规模集成电路制造已成为信息产业的核心，它在向高集成度和低成本方向发展的过程中，遵循了Intel公司创始人之一GordonE．Moore预言的发展规律（摩尔定律），即：
集成电路的集成度每3年增长4倍，特征尺寸每3年缩小平方根2倍。
这一预言的实现和持续，带动了大规模集成电路制造技术的不断发展与进步。
其中硅片清洗技术，是半导体制造的基础工艺之一，也是其它半导体制造技术，诸如硅片制备、光刻与刻蚀、薄膜制备、掺杂等多项技术能够得以实现的根本保证，同时也是在整个半导体制造过程中被重复使用最多的工序。
随着特征尺寸的不断缩小，需要被去除的缺陷（Particle等）也随之变得更小；
而各种新加工技术的不断导入以及新材料不断采用，也带来了新的污染可能，为清洗技术带来了难题，这些都推动了清洗技术的不断发展。
而硅片清洗技术的发展，也是伴随着薄膜制备技术、微细加工技术、半导体设备制造技术、材料科学、分析技术等共同发展与进步的。
在集成电路及硅晶体管生产过程中，差不多每一道工序都会有关于硅片清洗的问题，硅片表面洁净度太差会严重的降低器件的性能，如不好好的处理，极有可能会使生产的硅片全部报废，导致得不到预期的器件，也可能制造出性能低劣的器件，可靠性及稳定性极差。
1.4硅片湿法清洗的发展历史及最新发展
1.4.1硅片湿法清洗的发展历史
硅片湿法清洗技术的发展大致可分为4个阶段。
第一阶段：
从50年代初到1960年为初创时期。
建立了最初的化学及机械清洗方法，但往往由于处理不当，造成金属杂质的重新沉积以及有机物、粒子的二次污染，达不到预期的清洗目标。
第二阶段：
从1961年至1967年。
期间污染物的形成与清洗过程的研究多采用同位素示踪等方法，由此溶液清洗技术得到了飞速的发展，极大的提高了器件的成品率。
Kern在1970年发表的RCA硅片标准清洗方法是这一阶段中最显著的标志，此技术使用了SC-2（H2O2与盐酸的混合溶液）、SC-1（H2O2与氨水的混合溶液）两种清洗液。
该清洗技术的发表为现代清洗技术发展奠定了坚实的基础。
第三阶段：
从1972年至1989年。
关于硅片清洗国际会议得以第一次召开。
对RCA清洗技术的影响因素、化学原理及适用情况等的研究成为了此阶段的主要工作。
此外，还对RCA清洗技术的改进进行了深入的研究。
以满足一些对清洗效果特殊要求。
例如上海绿波洗净科技有限公司生产改进后的RCA清洗机（如图1-2所示）。
图1-2上海绿波洗净科技有限公司生产的RCA清洗机
第四阶段：
从1989年至今。
侧重于对溶液清洗机理和动力学的研究以及新型清洗技术的开发与研究。
如高压喷射法、微集射束流法、离心喷射法、流体力学法、玲凝喷雾技术、激光束清洗、流体动力学法、硅片在线真空清洗技术、等离子体清洗、原位水冲洗法、超声清洗法、兆声清洗法等。
其中又以超声清洗法应用最为广泛。
例如深圳市科泰超声自动化设备有限公司生产的全自动超声波硅片清洗机（如图1-3所示）。
图1-3科泰超声自动化设备有限公司生产的全自动超声波硅片清洗机
1.4.2硅片湿法清洗的最新发展
（1）.电解离子水清洗硅片:
电解离子水具有强氧化性或强还原性，此溶液对硅片表面的金属、颗粒和有机物的去除具有相当高的作用。
此物质一般是通过对超净水或添加电解质的超净水电解得到的，一般通过对其电解液的电流密度、浓度等的调节来控制其氧化还原电位及ＰＨ值，得到不同化学性质的电解离子水。
此清洗方法具有化学试剂的用量少、超净水的用量低、设备简化、低成本和低污染等优点。
电解粒子水清洗技术极可能是未来硅片清洗技术的发展的主要方向之一。
（2）只用ＨＦ清洗：
在湿式清洗技术工艺过程中，沾污源主要是硅片表面上的那一层化学氧化膜。
去除这层氧化膜可大大降低硅片表面沾污的数量。
硅片表面氧化层可以用ＨＦ清洗而去除，而且用ＨＦ清洗后，其有利于硅片表面氢终端的稳定，减少了其被污染的概率，具有优良的钝化特性。
清洗后硅片表面有水迹及颗粒增加无规律是此种工艺的最大缺点。
经研究表明，液、气界面处是颗粒增加的主要部位。
因为硅片表面经ＨＦ清洗后表现为疏水性，而在硅片表面形成水膜，进而造成了液、气界面处易受到颗粒的沾污。
ＨＦ清洗可以降低与周围环境的接触，进而形成一个理想的钝化表面，使颗粒不易吸附到硅片表面。
这对硅片清洗的工艺设备是一个不小的挑战。
（3）臭氧超净水清洗：
作为一种不稳定的气体，臭氧具有强烈的氧化性和腐蚀性。
放电法与光化学法等技术是目前制造臭氧的主要方法。
当溶有臭氧的超净水与硅片接触后，一层氧化膜会在硅片表面快速生成，且其生成的速度将远快于其在空气中生成的速度。
自由基和氧离子迅速氧化硅片表面是这一现象的主要原因。
随着臭氧浓度的增高硅氧化层的厚度也会不断增加。
臭氧生成的氧化膜的过程是呈规律性生成的，如果对硅片表面形貌进行观察，就会发现有氧化膜的表面比无氧化膜的硅表面平坦得多，而且用溶有氢氟酸与双氧水的溶液清除氧化膜之后，并不会对硅片表面微粗糙度造成破坏。
1.5课题来源
1959年世界上第一块集成电路在美国德州仪器和西屋电器公司正式诞生。
从此以后，集成电路一直保持着惊人的速度发展和完善。
它的发展大致经历了小规模集成电路（SSI），中规模集成电路（MSI），大规模集成电路（LSI），超大规模集成电路（VLSI）和特大规模集成电路（ULSI）五个不同的阶段。
于是集成电路的制造工艺渐渐地发展到深亚微米和纳米阶段。
接着随半导体集成电路产品的种类日益增多，电子产品技术的应用已经逐步渗透到生活的各个领域，很大程度上影响和改善了人们的日常生活。
同时人们对电子产品的性能要求也渐渐地越来越高。
随着大规模集成电路的发展，集成度的不断提高，线宽的不断减小，对硅片的质量要求也越来越高，特别是对硅抛光片的表面质量要求越来越严。
为了确保器件的性能及集成度,需要对尺寸更小的颗粒进行去除,而颗粒的粘附强度与粒径成反比,因此去除难度也越来越大。
一旦硅片表面杂质未去除干净,不但会导致芯片性能降低,还会对集成电路构成致命的缺陷,并且还会对集成电路的进一步发展造成巨大的不良影响。
于是硅片清洗技术研究应运而生。
清洗技术，尤其是硅片表面清洗技术，是精密及超精密加工中的一个重要环节。
据资料统计，在半导体工业中，由于表面清洗不干净引起的芯片失效已超过制造环节总损失的一半以上，其清洗质量、清洗效率的高低将直接影响到产品的性能乃至可靠性、稳定性。
因此，对于硅片表面清洗技术的研究，已引起当今国内外电子、微电子、半导体及光学等许多领域高度重视。
很多企业开发并生产硅片清洗设备，所以目前市面上有多种用于硅片清洗的工艺，比如超声清洗法、RCA标准清洗、兆声清洗法、高压喷射法、离心喷射法、等离子清洗、气相清洗、激光束清洗等等，形成了百花齐放的势态。
使用何种清洗工艺方法，需要根据不同客户不同硅片上的表面状态、洁净度、污染情况等进行选择。
据业内反馈，在众多的清洗方法中，使用较多的是RCA标准清洗与超声波清洗法。
但现在要求在RCA标准清洗技术基础上更进一步，所以这里就引出了本论文的主要研究内容：
硅片表面兆声清洗的研究。
1.6论文结构和主要内容
论文阐述设了设计的主要过程，并根据设计要求选取了设计方案。
因此对论文进行了如下几个章节的划分：
第一章是绪论。
介绍了硅片表面兆声清洗技术的基本理论、背景及意义，课题来源，国内外的发展状况和及最新发展等内容。
第二章介绍了硅片表面清洗技术的基本知识。
第三章介绍了硅片表面兆声清洗技术的原理及其清洗过程中的有关知识。
第四章推出了根据之前介绍的知识所优化出来的适用于IC硅片表面兆声清洗技术的工艺流程。
1.7本章小结
本章主要就是介绍了论文的研究背景和意义以及硅片清洗的研究现状和最新发展。
也为本次设计的展开指明了道路为后面的工作做基础。
通过对课题背景的研究可以发现，本次硅片表面兆声清洗的研究对当今的集成电路设计有着很重要的影响，也是能够成为推动IC产业迅速发展的动力。
因此，我们将在以后的工作中投入更多的精力，专注于研发，专注于探索，争取为电子产业做出贡献。
第二章硅片表面兆声清洗的设计基础
在设计硅片表面兆声清洗技术之前要对硅片清洗技术的基础知识进行深刻的了解，而兆声清洗技术是以RCA清洗法为基础的，逐步改进，现在被广泛应用于集成电路硬盘驱动器鬼片粗加工掩膜版平板显示器等制造业中，以便去除亚微颗粒污染物。
所以不应该仅仅将其看作一个简单的清洗方法，要从根源深入的进行了解，本章对RCA清洗法作个初步的了解
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