單晶硅拋光片表面質量探究

范紅娜，楊洪星

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220）

單晶硅拋光片表面質量探究

范紅娜，楊洪星

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220）

LED集成度越來越高，集成電路線寬不斷收窄，對硅襯底表面的質量提出了越來越嚴苛的要求，拋光片表面質量對器件制造有重要影響。RCA清洗是晶片清洗最為成熟的工藝，其工藝穩定性受到多重因素影響。從DHF溶液使用及PFA花籃質量兩方面分析了RCA清洗過程的兩個關鍵因素對晶片表面質量的影響。

清洗技術；花籃；氫氟酸；顆粒度

自20世紀50年代固體元器件誕生以來，LED、集成電路等領域的發展都離不開Si材料的進步。LED集成度越來越高，集成電路線寬也歷經更迭，90 nm、65 nm到現今的14 nm。這些都對硅襯底表面的質量提出了越來越嚴苛的要求，拋光片表面顆粒沾污對器件制造有著重要影響，在超大規模集成電路的制造過程中有90%的失效是由于粒子引起的［1-4］。

在硅拋光片制作過程中，晶片經過切片、倒角、磨片、化學機械拋光等不同的工序加工后，其表面已受到嚴重沾污。其表面沾污通常以原子、離子、分子或膜的形式通過物理或化學吸附的方式附著在晶片表面。RCA結合兆聲濕法清洗的方式，推動了晶片清洗技術的跨越式發展。其采用0.8～1.0 MHz的高頻兆聲結合DHF、SC-1、SC-2等溶液對晶片進行清洗，清洗液分子在高頻兆聲的作用下加速運動，利用高頻聲波能量在清洗液中形成的高速微水流連續沖擊晶片表面，使物體

RCA清洗是保障晶片表面質量最為關鍵的工藝，對于晶片表面質量有重大影響，其受到諸多因素影響。如研究較多的清洗溫度、SC-1藥液配比、原料純度等。

1　實驗流程

所選用的硅晶片為：

晶片尺寸：φ150 mm（6英寸）

導電類型：N

晶向：＜100>

本實驗通過是否使用DHF溶液探究DHF溶液對晶片表面質量的影響；通過晶片花籃是否清洗來探究花籃質量對晶片表面質量的影響。具體實驗流程如圖1。

圖1　晶片清洗流程圖

2　實驗結果與分析

2.1DHF及SC-1溶液對晶片氧化層形成及去除影響

根據熱力學和動力學原理，H2O的參與可以有效降低HF腐蝕硅氧化層的能量勢壘，促進SiO2+4HF=SiF4+2H2O反應發生，最終完全剝離硅晶片表面氧化層，形成以F離子為終端的硅拋光面，使晶片表面能降低，在晶片上形成疏水表面。該過程示意圖如圖2（a）所示。

SC-1清洗液由 NH4OH、H2O2和 H2O組成。NH4OH可對晶片表面的自然氧化層進行刻蝕，使附著在晶片表面的顆粒，隨兆聲作用脫離晶片表面，從而達到去除顆粒的目的。在NH4OH對晶片進行刻蝕的同時，H2O2又可在晶片表面形成新的相對較為潔凈的氧化層。該過程示意圖如圖2（b）所示。

圖2　晶片表面氧化層變化示意圖

2.2DHF溶液對晶片表面質量影響

圖3　晶片表面顆粒分布

如圖3所示，晶片經由DHF清洗后進行SC-1清洗的表面潔凈度明顯高于晶片未經DHF清洗后進行SC-1清洗的晶片。其原因為經由拋光等一系列工藝處理后的晶片接觸了多種有機、無機物質，在硅表面形成的自然氧化層及其表面引入了大量有機物質、金屬及顆粒沾污。自然氧化層作為“沾污陷阱”束縛很多雜質。在H+存在條件下，稀釋的HF可以有效去除晶片表面的金屬沾污。此外，HF通過腐蝕氧化層可以將附著在氧化層上的顆粒去除，在兆聲波作用下，可使顆粒去除的效率更高。未經DHF清洗進行SC-1清洗的晶片由于自然氧化層及其表面的沾污存在，使顆粒的去除能力下降，因此雖經整個RCA清洗過程，仍有較多的顆粒留存。經由表面分析儀分析測得，晶片表面主要顆粒為≥0.1 μm的微粒，晶片經由DHF清洗后進行SC-1清洗的晶片≥0.1 μm的微粒數量為173個/片；晶片未經DHF清洗進行SC-1清洗的晶片≥0.1 μm的數量為291個/片。因此，可知經由DHF溶液清洗去除自然氧化層，可明顯改善晶片的表面質量。然而無論是否使用DHF溶液進行清洗，在靠近晶片邊緣位置（如圖3中圈線區域所示）都會出現密集的顆粒沾污。經表面分析該區域沾污主要為≤0.2 μm的微粒。

2.3花籃清洗對晶片表面質量影響

晶片的清洗過程需要借助花籃進行，作為清洗載體的晶片花籃，一般為PFA材質。PFA材料可在-80～260℃溫度范圍內良好使用，且具有卓越的耐化學腐蝕性，其在塑料中摩擦系數較低。但由于材料本身多孔的特性，PFA花籃經過反復烘干，“孔”結構被擴大，少量的化學藥品及沾污易吸附在PFA微孔內。并且在晶片清洗過程中，花籃不可避免的會接觸到操作者手套和衣物上的沾污，多次使用而未進行清洗處理的花籃也成為影響晶片表面質量的關鍵因素。圖4為使用未經清洗處理的花籃和使用經由清洗處理的花籃清洗的晶片表面質量。

如圖4所示，使用經過清洗處理的花籃清洗的晶片表面質量較未經清洗處理的花籃清洗的晶片表面質量高。經由表面分析儀分析測得，使用經過清洗處理的花籃清洗的晶片表面≥0.1 μm的微粒數量為52個/片；使用未經過清洗處理的花籃清洗的晶片表面≥0.1 μm的微粒數量為173個/片。其原因為多次使用未經過清洗處理的花籃表面沾污較多，嚴重影響晶片的清洗效果；另一方面在甩干過程中，晶片與花籃一同高速旋轉，晶片表面質量易受到花籃質量影響。經由清洗處理后，PFA花籃沾污減少，質量提升，晶片表面質量得到改善。

3　結　論

在RCA清洗過程中，DHF溶液使用可去除晶片表面自然氧化層，有利于晶片制作過程中引入沾污的去除，可明顯改善晶片表面質量。PFA花籃作為晶片清洗過程的重要載體，其質量嚴重影響晶片的表面質量。即使在RCA過程中使用DHF溶液，但由于多次使用的花籃潔凈程度較差，在晶片與花籃接觸部位，仍會殘留有過多的≤0.2 μm的沾污。通過對花籃進行清洗處理，可減少花籃對晶片表面質量影響，改善晶片表面質量。

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［4］ 張偉才，趙權.拋光片IPA干燥技術研究［J］.電子工業專用設備，2013，42（11）：22-25.

［5］ 劉玉嶺，古海云，檀柏梅，等.ULSI襯底硅單晶片清洗技術現況與展望［J］.稀有金屬，2001，25（2）：134-138.

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Investigation on the Surface Quality of Silicon Wafers

FAN Hongna，YANG Hongxing

（The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300200，China）

As the integration of LEDs increases and the technology node of ULSI decreases，extremely tight requirements are being placed on the quality of wafers'surface.The quality of wafers'surface has important influence on the device manufacture.RCA is most used in wafer cleaning，which is influenced by many factors.In this study，DHF solution and PFA cassette was investigated on the quality of silicon wafers.

Cleaning；Cassette；Hydrofluoric acid；Particles

TN305.2

B

1004-4507（2016）08-0027-04

2016-05-29表面附著的污染物和細小顆粒被強制除去并進入到清洗液中，從而實現對晶片的清洗［5-8］。

范紅娜（1989-），女，助理工程師，2015年畢業于天津大學材料工程專業，獲碩士學位。現在中國電子科技集團公司第四十六研究所從事半導體材料的晶體加工工作。