高頻聲波技術(shù)在晶圓清洗上的應(yīng)用

王磊

摘 ?要：聲表面波器件作為一種新型的電子器件，近年來(lái)備受關(guān)注。它在科學(xué)研究領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，并在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)高頻聲表面波器件用壓電晶圓清洗技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)論述。

關(guān)鍵詞：高頻聲表面波器件;半導(dǎo)體晶圓;清洗技術(shù)

利用兆聲清洗技術(shù)清洗后，晶圓表面粘附的顆粒已大幅度降低，顆粒從晶圓表面脫落后，進(jìn)入兆聲槽內(nèi)清洗液中，循環(huán)過(guò)濾清洗液帶走溶液中的顆粒，使顆粒不再沉積在表面上。該清洗技術(shù)已成功應(yīng)用于高頻聲表面波器件批量生產(chǎn)中。

一、聲表面波器件概述

聲表面波是一種能量只集中在彈性體表面附近傳播的波，它具有很多優(yōu)點(diǎn)：①其傳播速度比電磁波要小5個(gè)數(shù)量級(jí)，利用這一特性不但能使電子設(shè)備體積縮小，重量減輕，而且能極大地改善其性能;②在聲表面波傳播途中，可任意存取信號(hào);③完全可利用集成電路技術(shù)制造聲表面波器件。作為新型電子器件的聲表面波器件，近年來(lái)引起了人們的極大關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。而聲表面波器件是利用聲-電換能器的特征對(duì)壓電材料基片表面上傳播的聲信號(hào)進(jìn)行各種處理，并完成各種功能的固體器件。它是近代聲學(xué)中的表面波理論、壓電學(xué)研究成果和微電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。

SAW器件由具有壓電特性的基底材料和在該材料的拋光面上制作的由金屬薄膜組成的相互交錯(cuò)的叉指狀換能器（IDT）組成。若在IDT電極兩端加入高頻電信號(hào)，壓電材料的表面就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)并同時(shí)激發(fā)出與外加電信號(hào)頻率相同的表面聲波，這種表面聲波會(huì)沿基板材料表面?zhèn)鞑ァＨ粼赟AW傳播途徑上再制作一對(duì)IDT電極，則可將SAW檢測(cè)并使其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。IDT叉指狀金屬電極借助于半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)可制作。

電信號(hào)通過(guò)叉指發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)（聲表面波），在介質(zhì)中傳播一定距離后到達(dá)接收叉指換能器，又轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在這電-聲-電轉(zhuǎn)換傳遞過(guò)程中進(jìn)行處理加工，從而得到對(duì)輸入電信號(hào)模擬處理的輸出電信號(hào)。

二、晶圓清洗技術(shù)的發(fā)展

1、超聲清洗技術(shù)。該技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代早期，并在20世紀(jì)50年代有了很大的發(fā)展。超聲波可對(duì)工件施加非常巨大的能量，尤其適用于清除牢固附著在基底上的污垢。超聲清洗在強(qiáng)烈的超聲波作用下（常用的超聲波頻率為22～120kHz），液體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疏部和密部，疏部產(chǎn)生近乎真空的空腔泡，當(dāng)空腔泡消失的瞬間，其附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓力，使分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂，因此使晶片表面的雜質(zhì)解吸附。超聲清洗對(duì)去除直徑≥ 0.4?m的附著顆粒較為有效，對(duì)直徑在 O.2?m以下的附著顆粒清除效果不佳，不能滿(mǎn)足亞微米線(xiàn)寬高頻SAW器件清洗工藝要求，必須引入兆聲清洗技術(shù)。

2、兆聲清洗技術(shù)。兆聲清洗在1～3MHz頻率范圍內(nèi)的聲波作用下，利用高頻振動(dòng)效應(yīng)并結(jié)合化學(xué)清洗劑的化學(xué)反應(yīng)對(duì)晶圓進(jìn)行清洗。清洗時(shí)只以高速的流體波連續(xù)沖擊晶片表面，使晶片表面附著的污染物和亞微米級(jí)顆粒被強(qiáng)制除去并進(jìn)入到清洗液中。兆聲去除顆粒度與聲波流的空穴作用、氣體溶解度和振蕩效應(yīng)都有關(guān)系。兆聲清洗頻率較高，不同于會(huì)產(chǎn)生駐波的超聲波清洗，兆聲清洗不會(huì)損傷晶片，同時(shí)在兆聲清洗過(guò)程中，無(wú)機(jī)械移動(dòng)部件，因此可減少在清洗過(guò)程本身所造成的沾污。目前，兆聲清洗與傳統(tǒng)的濕法工藝相結(jié)合，已成為高頻SAW器件拋光晶圓清洗的一種有效方法。此外，兆聲清洗與28kHz、48kHz、68kHz等傳統(tǒng)的超聲波清洗相比，兆聲清洗適用于更高潔凈度的清洗行業(yè)，其被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體硅片、高清鏡頭、顯示屏等清洗行業(yè)。

三、壓電晶圓兆聲清洗技術(shù)

高頻SAW器件用壓電晶圓基本清洗工藝流程為：晶圓片準(zhǔn)備→酸性洗液浸泡→體積清洗液+超聲→溢流沖洗→QDR-1快排沖洗→堿性過(guò)氧化氫清洗液+兆聲→QDR-2快排沖洗。

晶圓表面清除顆粒沾污必須克服范德瓦爾斯附著力（Van der Waals），把顆粒與晶圓層分離開(kāi)，需利用相應(yīng)濃度的堿性過(guò)氧化氫清洗液兆聲清洗物理和化學(xué)綜合作用有效去除亞微米級(jí)小顆粒，提高去除顆粒的效率和效果。

四、壓電晶圓兆聲清洗實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)方案。將鉭酸鋰拋光片分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別放入堿性過(guò)氧化氫清洗液中在槽式清洗機(jī)中（超聲、兆聲功率均為300W）清洗。

2、兆聲清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1）去除晶圓表面有機(jī)污染雜質(zhì)。在晶圓表面滴水檢測(cè)接觸角、光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x滴水檢測(cè)。接觸角≤18°為合格，晶片表面無(wú)有機(jī)污染物，接觸角越小表明晶圓表面受有機(jī)污染越小，其表面潔凈度越高。同樣的清洗時(shí)間、溫度條件下，堿性過(guò)氧化氫清洗液濃度以8.38%效果最好，得到接觸角等于10°以下的超潔凈的晶圓表面結(jié)果。

2）去除直徑≤ 0.2?m微小顆粒污染雜質(zhì)在同一臺(tái)清洗機(jī)相同時(shí)間、溫度條件下進(jìn)行兆聲清洗，8.38%堿性過(guò)氧化氫清洗液效果最好，去除微小顆粒達(dá)95%。采用粒子檢測(cè)儀檢測(cè)晶圓表面顆粒度，清洗后晶圓表面尺寸≤0.2?m的殘余微小顆粒較少。

五、兆聲清洗技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

在現(xiàn)有清洗設(shè)備基礎(chǔ)上，改進(jìn)的兆聲清洗技術(shù)在亞微米線(xiàn)寬高頻SAW器件生產(chǎn)中提高了清洗效果，從而有效地提升了其合格率，已成功用于亞微米線(xiàn)寬高頻SAW器件生產(chǎn)，低濃度過(guò)氧化氫清洗液兆聲清洗大量節(jié)約了化學(xué)品，去離子水的消耗量大幅度地減少，這不僅降低了成本，而且降低了對(duì)環(huán)境的污染。

六、高頻聲表面波器件今后的發(fā)展趨勢(shì)

高頻聲表面波器件在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，在要求高頻的同時(shí)，也要求較高的穩(wěn)定性和較好的綜合性能。

針對(duì)聲表面波器件的頻率越來(lái)越高，高頻聲表面波器件的制備研究正沿著3個(gè)方向進(jìn)行：

1、薄膜材料的應(yīng)用，隨著聲表面波器件使用頻率的提高，各種性能的薄膜材料將越來(lái)越多地應(yīng)用于聲表面波器件的制作。

2、電極的刻蝕技術(shù)，由光刻到電子束刻蝕、X射線(xiàn)刻蝕等，能制出周期越來(lái)越小的電極。

3、基體材料越來(lái)越硬，以便獲得很高的聲速，金剛石在所有材料中具有最高的楊氏模量，能得到最高的聲表面波傳播速度，成為制作高頻聲表面波器件基體的首選材料。

綜上所述，隨著3G、4G通信系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，2GHz以上低損耗聲表面波（SAW）濾波器已成為系統(tǒng)射頻前端信號(hào)處理的主要器件，SAW濾波器芯片最細(xì)指寬達(dá)0.2?m，大面積、亞微米工藝已成為當(dāng)前SAW器件制造的主流工藝。傳統(tǒng)的超聲和刷片清洗技術(shù)雖能去除晶圓表面的大尺寸顆粒污染，但對(duì)亞微米級(jí)小顆粒去除有限，而刷子直接接觸晶圓表面，易造成劃傷，壓電晶圓具有熱釋電效應(yīng)特性，易吸附顆粒，已不能滿(mǎn)足亞微米線(xiàn)寬高頻SAW器件的生產(chǎn)要求。為了改變這一現(xiàn)象，在不破壞晶圓表面特性的前提下，開(kāi)展了壓電晶圓堿性過(guò)氧化氫清洗液兆聲清洗技術(shù)的研究，利用物理與化學(xué)綜合作用，對(duì)壓電晶圓表面的微小顆粒解吸而離開(kāi)晶圓表面進(jìn)行清洗。

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