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1、分类号： TN219 密 级： U D C： 编 号： 半导体清洗技术的发展SEMICONDUCTOR CLEANING TECHNIQUE学位授予单位及代码：长春理工大学 学科专业名称及代码：物理电子学 研 究 方 向：成像与显示技术 学位级别：硕 士 指 导 教 师：端木庆铎 教授 研 究 生：王大鹏 论文起止时间：2011.03.92011.03.28 摘 要半导体硅作为现代电子工业的基础材料己有半个世纪的历史，随着硅材料的精密化发展，基体表面的亚微米污物足以导致大量缺陷产生并对生产领域造成一系列影响，给硅片表面质量提出了越来越苛刻的要求。硅材料表面的颗粒、有机物、金属、吸附分子、微粗糙
2、度、自然氧化层等严重影响器件性能，清洗不佳引起的器件失效已超过集成电路制造中总损失的一半。因此，硅片清洗技术成为硅材料加工和半导体工艺研究的一大热点.本文在分析硅片表面污染物基础上，对硅片目前流行的清洗工艺原理作概述，并介绍其最新进展。关键词：多孔硅 电化学腐蚀 硅微通道 孔隙率ABSTRACTSilicon as the most extensive material in the micro electronics device is a kind of indirect band gap semiconductor,its band gap is only 1.12ev and the
3、luminous efficiency is very low, so it can not be the device material of visible region and has the limited application in the field of photoelectron. Since Canham found the phenomenon of photoluminescence performance of porous silicon with high efficiency, the study of porous silicon lead to the ex
4、treme interest.Porous silicon is the product of the electronchemistry corrosion of single crystal silicon, this paper mainly study the mechanism of n-type silicon electrochemistry and the related theory. On this basis, the formation and application of the silicon micro channel is also studied.Key wo
5、rds: MCP CMP Ultrasonic cleaning silicon microchannel porosity目 录摘 要ABSTRACT目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 微通道板及主要特征性能21.3 本文研究的主要内容5第二章 半导体工艺62.1 CMP的发展72.2 微通道板抛光技术82.3 微通道板清洗技术92.4 清洗方法及清洗技术的分类142.5 硅微通道简介21第三章 展望与总结25参考文献44下边距2.5cm第一章 绪论1.1研究背景半导体产业是现代电子工业的核心，而半导体产业的基础是硅材料工业。虽然有各种各样新型的半导体材料不断出现，但 90%以上
6、的半导体器件和电路，尤其是超大规模集成电路（ULSI）都是制作在高纯优质的硅单晶抛光片和外延片上的。硅片清洗对半导体工业的重要性早在50年代初就已引起人们的高度重视，这是因为硅片表面的污染物会严重影响器件的性能、可靠性、和成品率。随着微电子技术的飞速发展以及人们对原料要求的提高，污染物对器件的影响也愈加突出。20世纪70年代在单通道电子倍增器基础上发展起来一种多通道电子倍增器。微通道板具有结构简单、增益高、时间响应快和空间成像等特点，因而得到广泛应。它主要应用于各种类型的像增强器、夜视仪、量子位置探测器、射线放大器、场离子显微镜、超快速宽频带示波器、光电倍增器等。微通道板是一种多阵列的电子倍增
7、器,是微光像增强器的核心部件。MCP的制作工艺周期长且复杂,表观疵病是制约MCP成品率的关键因素之一。在MCP的工艺制造过程中,不可避免遭到尘埃、金属、有机物和无机物的污染。这些污染很容易造成其表面缺陷及孔内污垢,产生发射点、黑点、暗斑等,导致MCP的良品率下降,使得管子质量不稳定以至失效,因此在MCP的制造过程中利用清洗技术去除污染物十分重要。1.2微通道板及主要特征性能微通道板是于20世纪60年代末开发成功的一种简单紧凑的电子倍增器件，可以探测带荷粒子电子、X射线和UV光子，具有低功耗自饱和、高速探测和低噪声等优点，并以多种形式应用于各类探测器中。微通道板的形状如一聚集了上百万个细微的平行
8、空心玻璃管的薄圆片，每一空心管通道的作用犹如一个连续 的打拿极倍增器，薄片两端面镀有镍铬金属薄膜。外环为一圈镀有镍铬金属薄膜但没有通道的实体边，用于提供良好的端面接触以便施加电压。微通道板必须工作于真空环境中，因其工作机理是利用通道内表层产生二次电子，在薄片两面加上电压。当电子或其它粒子以一定能量撞击低电势输入面的通道内壁时产生二次电子，二次电子在场强 的作 用下沿着通道加速前进。重复多次碰撞过程，最后在高电势的输出端 面产生大量的电子。这个倍增器件的增益取决于施加的电压值、长径比和通道内壁材料的二 次电子发射特性。调节微通道板端 面间的电压，可以控制这个倍增器的增益。由于增益取决于长径比而非
9、通道的绝对尺寸、所以微通道板的尺寸及孔径可以做得很小而不改变其基本性能。在提供信号倍增的同时，还可以获得良好的空间分辨能力。因此，微通道板主要应用于微光像增强器 。 微通道板 (MCP)是一种二维电子倍增器，构成微通道板的材料是硅酸盐玻璃。由于对像增强器高增益、高分辨率的要求，微通道板的表面质量尤其重要。表面平整度、表面粗糙度、表面缺陷会影响表面电极质量，也容易引起 MCP产生发射点和黑点。同时，制管中的荧光屏和MCP输出面之间的场强为 8000 10000 Vnun，MCP表面缺陷会引起MCP和荧光屏之问的电击穿。高质量的抛光工艺是满足MCP超光滑表面的保证。传统的单面抛光方法是利用柏油、松
10、香、石蜡等按照一定比例做成抛光模，将微通道板粘在抛光镜盘上，利用二轴机将 MCP抛光到要求的表面质量。由于构成微通道的玻璃是 3种材料，3种玻璃的硬度、耐水性、耐酸碱性各不相同，容易在抛光时存在表面缺陷(擦痕、抛光雾、麻点等)。这种方法需要翻盘，抛光速度低，面型不易保证，重复性差，对抛光工作者的技术要求较高。1.3 本文主要研究的内容 本文主要研究半导体的清洗工艺，特别针对硅微通道杂质的去除及保护做详细描述，此外研究微通道填充物的去除，最后介绍了硅微通道的形成及应用。第二章 半导体工艺2.1 CMP的发展2.1.1 CMP登场化学机械抛光（CMP）平坦化技术自登场来已经过了十几年。以半导体制造
11、层面来看，这种技术对原本的半导体技术带来了新的突破。在以往，硅晶片上的器件制作层是传统机械加工无法实现的。随着精密加工技术的进步，CMP已经被广泛应用在半导体的器件制作过程中。另一方面是器件本身的构造不断地被细微化，慢慢地接近了半导体制程的极限，只有接着CMP技术的帮助才能有所突破。 2.1.2 CMP技术改良CMP的技术改良大多重在增加研磨效率。探讨磨料、研磨液、研磨设备的材质、研磨压力与研磨速率等因素对CMP研磨效果的影响。目前最大的课题是如何检测平坦化惊醒是的最佳研磨终点。在实现全面平坦化的同时，也要控制整个器件上的研磨压力均匀度。注意研磨垫与晶片间的相对运动之外，研磨表面由于有弹性介质
12、介于其中，也可以采用液体或空气压力的方法来保持加压的均匀行。至于微观的局部平坦化部分，可将研磨垫硬质化将凸起的部分选择性地加以去除。一般而言，研磨垫的硬质化会使研磨表面粗糙儿增加刮伤的机会，但为了达到高度平坦化的表面，即使表面上的品质有某种程度的恶化，也应该以增进平坦化的程度为优先。随着半导体技术的演进，CMP平坦化制程已变成不可或缺的技术之一，应用在各种不同材质的CMP技术也正被许多专业研究单位与技术人员积极地开发当中。 2.2微通道板抛光技术 2.2.1 MCP抛光机理分析 目前制作微通道板的皮料玻璃的主要成分是铅硅酸盐玻璃,芯料成分主要是镧系硼硅酸盐玻璃。皮料玻璃的成分:w(SiO2+
13、B2O3)w(Pb)w(Cs2O)w(RO)w(R2O3) =4731.54.315.02.2,芯料为:w(SiO2+B2O3)w(RO)w(LaO+NdO+SmO+TiO2)w(R2O3)=4517(33.5)。实体边料属于钡冕玻璃。抛光时，通过抛光盘的回转和对MCP玻璃的压力，消除MCP玻璃经研磨后残存的凹凸层和裂纹层，以获得光滑透明表面。MCP玻璃表面在外加压力下，受机械摩擦作用的同时，水对硅酸盐玻璃进行侵蚀。反应开始于水中的H 和玻璃中的Na离子进行交换，Na+离子进行交换,反应为SiONa+H+OH-SiOH+NaOH,这一交换反应又会引起下列反应:SiOH+3/2H2OSi(OH)
14、4, Si(OH)4+NaOHSi(OH)3O-Na+H2O,另一方面,H2O分子(区别于H+离子)会和硅氧骨架直接起反应,SiOSi+H2O2 (SiOH),这一反应造成水对硅氧骨架的直接破坏，形成Si(OH) nH20，通常称为硅酸凝胶或硅胶薄膜，厚度约为157 nm，其生成时间约05min。同时，抛光粉被硅胶薄膜和抛光盘表面吸附，从而使该薄膜和抛光盘表面互相粘结，在抛光盘与玻璃作相对运动时，先将研磨后形成凹陷层顶部的硅胶薄膜抛光除去。水与新表面再发生水解作用，薄膜又被抛去，生成铈硅酸络合物而形成硅氧表层，从局部透明逐步扩大到全部透明。如此不断重复，MCP玻璃表面被抛光。从抛光机理分析,结合MCP自身的特性,MCP抛光是机械磨削与化学反应共同作用的一个过程,要想获得质量好的抛光表面,必须使这两个作用在整个抛光过程中保持平衡。与化学反应有关的参数有抛光温度、抛光液pH值等;与机械作用有关的参数有抛光压力、抛光转速、抛光粉及其粒度与浓度等。因此在MCP抛光时,抛光粉的硬度、粒度选择,抛光压力和时间工艺过程,抛光液的pH值控制尤其重要。2.2.2 抛光粉由表1可知, MCP玻璃皮料材料中由于含有较多铅和碱性氧化物,因此硬度较小;芯料是含有B2O3的硼硅酸盐,硬度最高;而实体边材料硬度较高, 3种玻璃的硬度在36,属于软玻璃,因此选莫氏硬度为6的氧化铈。太高的硬度会
