硅片的超声和兆声清洗技术

随着科学技术的飞速发展，集成度不断提高，器件尺寸不断减小，对硅抛光片的表面质量要求越来越严格。清洗是半导体器件制造过程中最重要的步骤。

1、硅片的清洗工艺原理

硅片经过切片、倒角、双面研磨、抛光等不同的工序加 工后，其表面已受到严重沾污，清洗的目的主要是清除晶片表面的沾污。硅片表面的污染物通常以原子、离子、分子、 粒子或膜的形式以物理吸附或化学吸附的方式存在于硅片表面。有以下两种清洗方式：

超声波是通过蒸气漩涡来辅助冲洗的。振动在液体中形 成极微小的气泡而这些气泡快速地崩溃而产生极微小的擦 洗的动作从而除去颗粒。这一现象称为气涡。图1为超声清洗效果。

▲ 图1 超声清洗效果

兆声波的辅助作用是通过另外一种机理来实现的。依据流体力学，固体表面与液体之间有一个静止或缓慢移动的界面，例如晶片的表面。小的颗粒可被保持在这层界面中而不会接触化学清洗液。兆声波的能量可以消除这一界面，从而 使颗粒得以清洗。另外，一种叫做声流的现象使得水或清洗 液流过晶片的速度加快，从而提高清洗效率。图2为兆声清 洗效果。

▲ 图2 兆声清洗效果

2、超声清洗技术

超声清洗属物理清洗，把清洗液放入槽内，在槽内作用 超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在传 播过程中，介质的压力作交替变化。在负压区域，液体中产 生撕裂的力，并形成真空的气泡。当声压达到一定值时，气 泡迅速增长，在正压区域气泡由于受到压力挤破灭、闭合。 此时，液体间相互碰撞产生强大的冲击波。虽然位移、速度 都非常小，但加速度却非常大，局部压力可达几千个大气压，这就是所谓的空化效应。

超声清洗的原理是：在强烈的超声波作用下（常用的超 声波频率为20 kHz到40kHz左右），液体内部会产生疏部 和密部，疏部产生近乎真空的空腔泡，当空腔泡消失的瞬间， 其附近便产生强大的局部压力，使分子内的化学键断裂，因 此使硅片表面的杂质解吸。当超声波的频率和空腔泡的振动 频率共振时，机械作用力达到最大，泡内聚集的大量热能， 使温度升高，促进化学反应的发生。图3为超声清洗示意图。

▲ 图3 超声清洗示意图

超声清洗主要由超声空化引起，空化效应是主要因素。 气泡的爆破产生的高压高温冲击波减小了污垢与被清洗件 之间的粘着力，引起污垢的破坏和离；同时气泡的振动能对 被清洗物表面进行擦洗，气泡还能钻入裂缝中振动，使污层 脱落。当某些固体表面被油粘附时，油被超声波乳化，迅速 脱离被清洗件表面。超声空化在被清洗件表面会产生很高的 速度梯度和声流，能进一步削弱或除去边界层污染，同时超 声振动还会引起介质质点的强烈振动，使被清洗件表面受到 强烈的冲击，使污物迅速脱离表面。

超声清洗的效果与超声条件（如温度、压力、超声频率、 功率等）有关，而且提高超声波功率往往有利于清洗效果的 提高。该技术多用于去除硅片表面附着的大块污染和颗粒， 但随着粒子尺寸的减小，清洗效果下降，对于小于1um的 颗粒的去除效果并不太好。为了增加超声波清洗效果，有时 在清洗液中加入表面活性剂。但表面活性剂和其他化学试剂 一样，也存在污染。无机物被除去后，化学试剂本身的粒子 却留下了。同时由于声波能的作用，会对硅片造成损伤。

超声清洗是半导体工业中广泛应用的一种清洗方法，它 具有以下特点：

（1）清洗效果好；

（2）操作简单；

（3）对于复杂的器件和容器也能清除；

（4）噪音较大；

（5）换能器易坏。

3、兆声清洗技术

兆声是指频率在500kHz〜499GHz范围内的声波。

兆声清洗的原理是主要由于声压梯度、粒子速度及声流 的作用，而空化效应是次要的，由高能频振效应并结合化学 清洗剂的化学反应对硅片进行清洗的。图4为兆声清洗系统示意图。

▲ 图4 兆声清洗系统示意图

兆声清洗是用0.8〜1.0MHz的声波去除晶片上的颗粒， 由换能器发出波长为1um、频率为0.8兆赫的高能声波， 通过兆声振板传递到清洗液中，清洗液分子在这种声波的推 动下作加速运动，最大瞬时速度可达到30cm/s。由于频率 太高，声波在清洗液中很难发生空化效应，清洗时不形成超 声波清洗那样的气泡，而是利用高频声波能量在清洗液中形 成的高速微水流连续冲击晶片表面，使物体表面附着的表面 小于0.2um污染物和细小颗粒被强制除去并进入到清洗液 中。这种清洗的特点是清洗方向性强，清洗时一般将零件表 面置于与声束平行的方向（见图5）。

▲ 图5 

物空冷器（A-53101/A~H)而言，采用10#钢换热管的设备 总价约400万元人民币，采用复合钢管换热管的设备总价约 450万元人民币，而如采用INCONLOY825换热管的设备总价 约5000万元人民币。

可见，直接投资可一次性节约4550万元人民币，若使 用寿命达三年以上，则直接经济效益为：（400*3-450)/3=250 万元人民币/年。从减少非计划停车和消除安全隐患方面来 看，意义更加重大，间接经济效益可达1000万元/年。

而对于整个工业系统来说，这种复合钢管的成功应用， 必将因其在节约一次性投资和直接经济效益上的明显优势， 从而在设计、选材策略方面，发生重大变化，为我国国民经 济的发展，做出巨大的贡献。

兆声清洗的颗粒去除度与声波流的空穴作用、气体溶解 度和振荡效应都有关系。为了达到清洗目的，也常使用表面 活性剂，使粒子不再沉淀在表面上。

兆声清洗能同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的 作用。兆声清洗不但保持了超声清洗的优点，而且克服了它 的不足。这种方法避免了因空化作用而造对某些物体表面的 损伤；同时在兆声清洗过程中，无机械移动部件，因此可减 少在清洗过程本身所造成的沾污。

兆声清洗技术已成为抛光片清洗的一种有效方法，它具 有以下的特点：

（1）去除小于0.2um的微小颗粒；

（2）避免了空化现象可能引起的对物件表面的损伤；

（3）高密度的能量提供高效的清洗效果；

（4）线性方向的高速流动可以防止杂质重新附着在物 件表面。

4、超声和兆声清洗技术的比较

▲超声和兆声清洗技术的比较