硅片的超聲和兆聲清洗技術(shù).doc

硅片的超聲和兆聲清洗技術(shù)172化學(xué)工程與裝備ChemicalEngineering&Equipment2011年第1I期2011年l1月硅片的超聲和兆聲清洗技術(shù)趙獻(xiàn)雷(保定天威英利新能源有限公司,河北保定071051)摘要:本文介紹了超聲清洗技術(shù)和兆聲清洗技術(shù)在硅片清洗工藝中的應(yīng)用,詳細(xì)闡述了兩種清洗技術(shù)的原理,特點(diǎn),存在的問(wèn)題以及兩者的區(qū)別.關(guān)鍵詞:硅片:清洗:超聲波;兆聲波前言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,集成度不斷提高,器件尺寸不斷減小,所以對(duì)硅襯底片的質(zhì)量要求越來(lái)越高,特別是對(duì)硅拋光片的表面質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格.在集成電路制程中幾乎每一道工序都有清洗的問(wèn)題,清洗是半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中最重要最頻繁的步驟.i硅片的清洗工藝原理硅片經(jīng)過(guò)切片,倒角,雙面研磨,拋光等不同的工序加工后,其表面已受到嚴(yán)重沾污,清洗的目的主要是清除品片表面的沾污.硅片表面的污染物通常以原子,離子,分子,粒子或膜的形式以物理吸附或化學(xué)吸附的方式存在于硅片表面.一般來(lái)講可分在三類:(1)有機(jī)雜質(zhì)沾污:通過(guò)有機(jī)試劑的溶解作用,結(jié)合超聲波清洗技術(shù)來(lái)去除.(2)顆粒沾污:運(yùn)用物理的方法,采用機(jī)械擦洗或超聲波清洗技術(shù)來(lái)去除粒徑>10.4tim顆粒,利用兆聲波清洗技術(shù)可去除O.2n顆粒.(3)金屬離子沾污:必須采用化學(xué)的方法才能去除.在化學(xué)品清洗槽或水沖洗系統(tǒng)中,增加額外的超聲波振動(dòng),宵助于并可加速濕法工藝的進(jìn)行.超聲波是通過(guò)蒸氣漩渦來(lái)輔助沖洗的.振動(dòng)在液體中形成極微小的氣泡而這些氣泡快速地崩潰而產(chǎn)生極微小的擦洗的動(dòng)作從而除去顆粒.這一現(xiàn)蘇稱為氣渦.圖l為超聲清洗效果.兆聲波的輔助作用是通過(guò)另外一種機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)的.依據(jù)流體力學(xué),固體表面與液體之間有一個(gè)靜止或緩慢移動(dòng)的界面,例如晶片的表面.小的顆?？杀槐３衷谶@層界面中而不會(huì)接觸化學(xué)清洗液.兆聲波的能量可以消除這一界面,從而使顆粒得以清洗.另外,一種叫做聲流的現(xiàn)象使得水或清洗液流過(guò)晶片的速度加快,從而提高清洗效率.圖2為兆聲清洗效果.圖I超聲清洗效果圖2兆聲清洗效果I,?I3l珊2超聲清洗技術(shù)超聲清洗屬物理清洗,把清洗液放入槽內(nèi),在槽內(nèi)作用超聲波.由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動(dòng)波,在傳播過(guò)程中,介質(zhì)的壓力作交替變化.在負(fù)壓區(qū)域,液體中產(chǎn)生撕裂的力,并形成真空的氣泡.當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí),氣泡迅速增長(zhǎng),在正壓區(qū)域氣泡由于受到壓力擠破滅,閉合.此時(shí),液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波.雖然位移,速度都非常小.但加速度卻非常大,局部壓力可達(dá)幾千個(gè)大氣壓,趙獻(xiàn)雷:硅片的超聲和兆聲清洗技術(shù)173這就是所謂的空化效應(yīng).超聲清洗的原理是:在強(qiáng)烈的超聲波作用下(常用的超聲波頻率為2OkHz到40kHz左右),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,其附近便產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓力,使分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂,因此使硅片表面的雜質(zhì)解吸.當(dāng)超聲波的頻率和空腔泡的振動(dòng)頻率共振時(shí),機(jī)械作用力達(dá)到最大,泡內(nèi)聚集的大量熱能,使溫度升高,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生.圖3為超聲清洗示意圖.酸fij艘仆圖3清;杰旌衙l撬格挾碰jI;超聲清洗主要由超聲空化引起,空化效應(yīng)是主要因素.氣泡的爆破產(chǎn)生的高壓高溫沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的粘著力,引起污垢的破壞和離;同時(shí)氣泡的振動(dòng)能對(duì)被清洗物表面進(jìn)行擦洗.氣泡還能鉆入裂縫中振動(dòng),使污層脫落.當(dāng)某些固體表面被油粘附時(shí),油被超聲波乳化.迅速脫離被清洗件表面.超聲空化在被清洗件表面會(huì)產(chǎn)生很高的速度梯度和聲流,能進(jìn)一步削弱或除去邊界層污染,同時(shí)超聲振動(dòng)還會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈振動(dòng),使被清洗件表面受到強(qiáng)烈的沖擊,使污物迅速脫離表面.超聲清洗的效果與超聲條件(如溫度,壓力,超聲頻率,功率等)有關(guān),而且提高超聲波功率往往有利于清洗效果的提高.該技術(shù)多用于去除硅片表面附著的大塊污染和顆粒,但隨著粒子尺寸的減小,清洗效果下降,對(duì)于小于1m的顆粒的去除效果并不太好.為了增加超聲波清洗效果,有時(shí)在清洗液中加入表面活性劑.但表面活性劑和其他化學(xué)試劑一樣,也存在污染.無(wú)機(jī)物被除去后,化學(xué)試劑本身的粒子卻留下了.同時(shí)由于聲波能的作用,會(huì)對(duì)硅片造成損傷.超聲清洗是半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種清洗方法,它具有以下特點(diǎn):(1)清洗效果好:(2)操作簡(jiǎn)單:(3)對(duì)于復(fù)雜的器件和容器也能清除:(4)噪音較大:(5)換能器易壞.3兆聲清洗技術(shù)兆聲是指頻率在500kHz499GHz范圍內(nèi)的聲波.兆聲清洗的原理是主要由于聲壓梯度,粒子速度及聲流的作用,而空化效應(yīng)是次要的,由高能頻振效應(yīng)并結(jié)合化學(xué)清洗荊的化學(xué)反應(yīng)對(duì)硅片進(jìn)行清洗的.圖4為兆聲清洗系統(tǒng)示意圖.圖4兆聲清洗是用0.81.OMHz的聲波去除晶片上的顆粒,由換能器發(fā)出波長(zhǎng)為lPm,頻率為0.8兆赫的高能聲波,通過(guò)兆聲振板傳遞到清洗液中,清洗液分子在這種聲波的推動(dòng)下作加速運(yùn)動(dòng),最大瞬時(shí)速度可達(dá)到30c=/s.由于頻率太高,聲波在清洗液中很難發(fā)生空化效應(yīng),清洗時(shí)不形成超聲波清洗那樣的氣泡,而是利用高頻聲波能量在清洗液中形成的高速微水流連續(xù)沖擊晶片表面.使物體表面附著的表面小于O.2m污染物和細(xì)小顆粒被強(qiáng)制除去并進(jìn)入到清洗液中.這種清洗的特點(diǎn)是清洗方向性強(qiáng),清洗時(shí)一般將零件表面置于與聲束平行的方向(見(jiàn)圖5).滏j憲;液踮虢聲拔墓姜/薅聶一一,去除的顆粒襯贏t,01,披廠,圈5(下轉(zhuǎn)第177頁(yè))王成華:新型復(fù)合鋼管的開(kāi)發(fā)及工業(yè)運(yùn)用前景l(fā)77物空冷器(A-53IOI/A,H)而言.采用l0l鋼換熱管的設(shè)各總價(jià)約400萬(wàn)元人民幣,采用復(fù)合鋼管換熱管的設(shè)各總價(jià)約450萬(wàn)元人民幣,而如采用INCONL0Y825換熱管的設(shè)備總價(jià)約5000萬(wàn)元人民幣.可見(jiàn),直接投資可一次性節(jié)約4550萬(wàn)元人民幣,若使用壽命達(dá)三年以上,則直接經(jīng)濟(jì)效益為:(400*3450)/3:250萬(wàn)元人民幣/年.從減少非計(jì)劃停車和消除安全隱患方面來(lái)看,意義更加重大.間接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1000萬(wàn)元/年.而對(duì)于整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這種復(fù)合鋼管的成功應(yīng)用,必將因其在節(jié)約一次性投資和直接經(jīng)濟(jì)效益上的明顯優(yōu)勢(shì),從而在設(shè)計(jì),選材策略方面,發(fā)生重大變化,為我國(guó)國(guó)民經(jīng)(上接第173頁(yè))濟(jì)的發(fā)展,做出巨大的貢獻(xiàn).參考文獻(xiàn)1高壓空冷器用復(fù)合襯管技術(shù)條件.2GB/T17897-1999不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法S.3GB6479-2000高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管S.4錢樂(lè)中.內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管介紹rj3.焊管,2005(11).5賈建波,徐巖.雙金屬?gòu)?fù)合管塑性成形工藝J.北京大學(xué).2009.10(3).兆聲清洗的顆粒去除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.為了達(dá)到清洗目的.也常使用表面活性劑,使粒子不再沉淀在表面上.兆聲清洗能同時(shí)起到機(jī)械擦片和化學(xué)清洗兩種方法的作用.兆聲清洗不但保持了超聲清洗的優(yōu)點(diǎn),而且克服了它的不足.這種方法避免了因空化作用而造對(duì)某些物體表面的損傷;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.兆聲清洗技術(shù)己成為拋光片清洗的一種有效方法,它具有以下的特點(diǎn):(1)去除小于0.2m的微小顆粒;(2)避免了空化現(xiàn)象可能引起的對(duì)物件表面的損傷;(3)高密度的能量提供高效的清洗效果;(4)線性方向的高速流動(dòng)可以防止雜質(zhì)重新附著在物件表面.4超聲和兆聲清洗技術(shù)的比較5結(jié)束語(yǔ)在集成電路的制程中有多達(dá)20%的步驟為清洗工藝,不同的工藝技術(shù)所要求的最終表面