各种洗浄方法原理

各种洗净方法原理1、湿式清洗技术(1)湿式化学清洗所谓湿式化学清洗(wet chemical cleaning)技术，是以液状酸碱溶剂与去离子水之混合液清洗晶圆表面，随后加以润湿再干燥的程序在清洗程序上，去除有机物为第一步骤，因为有机物会让表面形成疏水性，造成水溶液的清洗效果不佳，去除有机物可利用NH4OH-H2O2溶液(RCA Standard Cleaning-1,SC-1)或铬酸-硫酸混合液清洗，其中铬酸-硫酸混合液比较不受欢迎，是因为有关铬离子废弃物丢弃的问题当有机物被去除后，水溶液就可比较容易的去除无机残余物，无机残余物可能与晶圆表面的二氧化硅层复合，可使用稀薄的氢氟酸溶液入行第二步骤的清洗，以便去移除二氧化硅薄膜层清洗程序的第三个步骤为移除无机残余物，过氧化氢酸的溶液可用来达成这个目的特别是含氢氯酸的过氧化氢溶液(RCA Standard Cleaning-2,SC-2)，氢氯酸对去除铁原子、钠原子及硫特别有效假使SC-1伴随着SC-2使用，则必须小心两者的蒸气混合物，以避免氯化铵微粒产生最后必须再以去离子水润湿(rinse)以清洗残余的HF，最后干燥(dry)完成整个湿式清洗程序基本上在半导体制程中会有许多微粒产生，而上述湿式化学清洗法有时不但不能去除微粒，更会增加微粒在晶圆表面附着的可能性在湿式清洗程序中，微粒污染主要是来自润湿槽及旋转干燥器(spin dryer)，利用各种不同润湿方法以减低微粒污染，亦为清洗技术发展的重点，最新的干燥技术为利用IPA来干燥晶圆，可以减低微粒的污染，但IPA燃点低，会有工业安全的问题产生。

(2)刷洗(Scrubbing)结合微粒去除的技术，则湿式清洗即可称为具有吸引力的清洗程序，一般使用在湿式程序中的微粒清除技术有刷洗、超声波、二流体、高压喷淋等擦洗是利用刷子在晶圆表面滚动而去除微粒及有机薄膜的一种机械方法，当使用此种技术擦洗晶圆表面时，由于考虑到刷毛对基板图形的损伤，因此刷毛(特别是上表面)往往并不直接接触晶圆表面，刷毛与晶圆中间隔一层清洗溶液的薄膜，晶圆表面最好是疏水性的，如此在亲水性刷毛周围的溶液会被晶圆所排斥，而将悬浮在薄膜上的微粒扫除而擦洗的溶液经常为去离子水加上一些清洁剂，以降低水的表面张力刷毛材料技术改入后，刷毛相对变得柔软，对基板膜层的损伤减少，因此在清洗一些线宽较宽的膜层时，也可使用接触式清洗(3)高压液体喷淋(High pressure fluid jets)利用液体喷淋在物体表面以清除微粒已发展许多年了，此法是利用液体与微粒间的应剪力将微粒清除，故与边界层的厚度及流体的速度有很大的关系典型的液体压力为100psig以去除微粒，但如此高压会对晶圆表面图形产生伤害此法受限于表面边界层的影响，对于较小微粒而言，去除效率并不高。

(4)超声波(Ultrasonic)与百万赫次赫兹超声波(Mega sonic)此法是将晶圆置于液体中，使用超声波换能器将功率超声波频源的声能转化为机械振动，并通过清洗槽壁向槽中清洗液辐射超声波，以音波震动的能量去除晶圆表面的微粒超声波作用包括超声波本身具有的能量作用，空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的搅拌流动作用等。

①超声波的能量作用：超声波具有很高的能量，它在传媒液体中传播时，把能量传递给传媒质点，传媒质点再将能量传递到清洗对象物表面并造成污垢解离分散声波是一种纵波，即传媒质点的振动方向与波的传播方向一致在纵波传播过程中，传媒质点运动造成质点分布不匀，出现疏密不同的区域，在质点分布稀疏区域声波形成负声压，在分布致密区域声波形成正声压，并形成负声压、正声压的交替连续变化，这种变化不仅使传媒质点获得一定动能而且获得一定加速度高频超声波的能量作用是异常巨大的在具有能量的传媒质点与污垢粒子相互作用时，把能量传递给污垢并造成它们的解离分散。

②空穴破坏时释放的能量作用：超声波与通常声波一样在媒液中传播是直线运动方式运动速度与媒液有关，在不同媒液中传播速度不同，超声波的频率比通常的声波频率高，所以波长短，能量高在媒液中直线前进的超声波，到达与其它物质的界面时，要发生透射和反射运动，发生透射与反射的程度是由构成界面物质的声阻抗率决定的，声阻抗率是传声媒质某一给定表面的声压与质点速度之比各种传声媒质都有固定的声阻抗率当超声波行入到声阻抗率相差很大的两种媒质的界面时，主要发生反射，而在声阻抗率相近的两种媒质的界面上主要发生透射如当超声波行入到水-空气界面时，由于空气密度远小于水，因此声阻抗率也相差较遥，所以此时声波主要发生反射；同样超声波行进到水-钢铁界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相差很大，所以主要也发生反射而当超声波行进到水-塑料界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相近，所以超声波主要发生透射反射来回来的超声波与前入中的超声波合成后，当每一点的位相差保持稳定不变时，发生共振，而在某些固定位置上相互叠加而加强，媒液在这些位置上容易产生空穴。

另外，由于超声波以正压和负压重复交替变化的方式向前传播，负压时在媒液中造成微小的真空洞穴，这时溶解在媒液中的气体会很快进渗入渗出空穴并形成气泡；而在正压阶段，空穴气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击，气泡周围产生上千个大气压的高压及局部高温，放出巨大的能量，这种超声空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分化于溶液中这种现象在低频率范围的超声波领域激烈地产生。

另外，超声波在清洗液中传播时除了产生正负交变的声压形成射流，冲击清洗件以外，同时还由于非线性效应会产生声流和激声流，而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射流，所有这些作用，都能够破坏污物，除去或消弱边界污层另外超声波能起到搅拌作用，使媒液发生运动，新鲜媒液不断作用于污垢加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用所以超声波强大的冲击力如果作用发挥适当的话，可促使顽固附着的污垢解离，而且清洗力不均匀的情况得以避免凡是液体能浸润到且声场存在的地方就存在清洗作用当使用的超声波频率在28~100khz范围内时，超声波的几种作用都存在,而空穴消失过程产生的巨大压力作用十分突出由于超声波使用过程中存在对清洗对象造成损伤的可能性，所以当清洗对象很脆弱的情况不宜采用低频超声波清洗当使用的超声波频率在特高频率范围时，超声波的作用主要是其本身巨大的能量作用，并不产生空穴，但这种巨大的能量对细微污垢的去除清洗作用很大。

如上所述，超声清洗的主要机理是超声空化作用.超声空化的强弱与声学参数、清洗液的物理化学性质及环境条件有关，所以要得到良好的清洗效果必须选择适当的声学参数和清洗液。

③影响超声清洗效果的因素：a.声强或声压的选择：在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压而负压要超过液体的强度才能产生空化使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈各种液体具有不同的空化阈值，在超声清洗槽中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化对于一般液体，空化阈值约为每平方厘米1/3瓦(声压的千方正比于声强)声强增加时，空化泡的最大半径与起始半径的比值增大，空化强度增大，即声强愈高，空化愈强烈，有利于清洗作用但不是声功率越大越好；声强过高，会产生大量无用的气泡，增加散射衰减，形成声屏障，同时声强增大也会增加非线性衰减，这样都会削弱远离声源地方的清洗效果对于一些难清洗干净的污物，例如金属表面的氧化物，化纤喷丝板孔中污物的清洗，则需要采用较高的声强，此时被清洗面应贴近声源，这时大多不采用槽式清洗器，而用棒状聚焦式换能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面进行清洗b.频率的选择：超声空化阈值和超声波的频率有密切关系频率越高，空化阈越高，换句话说，频率越高，在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大；频率低，空化容易产生，同时在低频情况下，液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔，使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸，增高空化强度，有利于清洗作用目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象，大致分为三个频段；低频超声清洗(20一50KHz)，高频超声清洗(50-200KHz)和兆赫超声清洗(700KHz一1MHz以上)低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合频率的低端，空化强度高，易腐蚀清洗件表面，不适宜清洗表面光洁度高的部件，而且空化噪声大40KHz左右的频率，在相同声强下，产生的空化泡数量比频率为20KHz时多，穿透力较强，宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件，空化噪声较小，但空化强度较低，适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合高频超声清洗适用于计算机、微电子元件的精细清洗，如磁盘、驱动器，读写头，液晶玻璃及平面显示器、微组件和抛光金属件等的清洗这些清洗对象要求在清洗过程中不能受到空化腐蚀，要能洗掉微米级的污物兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及薄膜等的清洗，能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有任何损伤，因为此时不产生空化，其清洗机理主要是声压梯度、粒子速度和声流的作用；特点是清洗方向性强，被清洗件一般置于与声束平行的方向。

c.清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响：清洗剂的选择要从两个方面来考虑：一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂；另一方面要选择表面张力、蒸气压及粘度合适的清洗剂，因为这些特性与超声空化强弱有关液体的表面张力大则不容易产生空化，但是当声强超过空化阈值时，空化泡崩溃释放的能量也大，有利于清洗高蒸气压的液体会降低空化强度，而液体的粘滞度大也不容易产生空化因此蒸气压高和粘度大的洁洗剂都不利于超声清洗此外，清洗液的温度和静压力都对清洗效果有影响，清洗液温度升高时，空化核增加，对空化的产生有利，但是温度过高，气泡中的蒸气压增大，空化强度会降低，所以温度的选择要同时考虑对空化强度的影响，也要考虑清洗液的化学清洗作用每一种液体都有一空化活跃的温度，水较适宜的温度是60℃，此时空化最活跃清洗液的静压力大时，不容易产生空化，所以在密闭加压容器中进行超声清洗或处理时效果较差。

d.液体的流动速度：清洗液的流动速度对超声清洗效果也有很大影响最好是在清洗过程中液体静止不流动，这时泡的生长和闭合运动能够充分完成，如果清洗液的流速过快，则有些空化核会被流动的液体带走有些空化核则在没有达到生长闭合运动全过程时就离开声场，因而使总的空化强度降低在实际清洗过程中有时为避免污物重新粘附在清洗件上，清洗液需要不断流动更新，此时应注重清洗液的流动速度不能过快，以免降低清洗效果。

e.超声洗净的不均匀性：如前所述，空穴是沿着最大声压带不均匀地产生的当清洗对象在洗液中处于静置状态时，就会由于空穴产生的不均匀造成清洗的不均匀现象另外，当超声波反射发生在清洗对象内侧的表面，金属管道的内表面，金属物品深陷处的凹面以及碰到金属网做的清洗物容器时，会在这些反射面形成驻波，驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小，而在另外一些地方声压最大.这样会造成清洗不均匀的现象这两者是超声波清洗中常出现的问题通常为克服这种现象的发生，常采用以下方法：①.移动清洗对象：当清洗对象在洗槽中移动时，空穴能较均匀地作用于对象的表面，最常用的方法是让清洗对象发生旋转，当物体位于空穴最大声压带垂直相交的平面上清洗效果比较专一；②.改变洗液深度：当洗槽液面上下变动时，空穴最大声压带的位置也发生相应变化可以克服不均匀性；③.形成矩形波形：把几种不同波长的超声波合成在一起，所产生的超声驻波，最大声压带范围扩大，可以克服不均性；④.防止共振波的生成：如果使液面与清洗对象表面不相互垂直，可防止在清洗对象表面发生受迫振动并形成共振波这样，一方面可减少清洗不匀，同时也可避免清洗对象损伤⑤.减少驻波的影响，有时清洗槽特意做成不规则的形状以避免驻波的形成，有时在超声电源方面采取扫频的工作方式，使声压最小处不固定在一个地方而是不断地移动，以达到较均匀的清洗(5)二流体喷淋清洗(AAJET)二流体是利用压缩空气高速流动的原理，使液体变微粒化的一种高压喷淋方式，二流体喷嘴和只用pump喷雾的一流体喷嘴比较，具有以下的特征：①微粒化性能优越：一流体喷嘴使液体微粒化的最大限度，只能达到平均粒径50μm的程度，而利用压缩空气高速流动原理的二流体喷嘴，则可能达到10μm以下；②调整范围大：二流体方式的喷嘴在液体流量分布保持一定的情况下，可加大喷雾流量的调整范围，是可调整喷量之喷嘴；③异物通过粒径大：与同一水量的一流体喷嘴比较，异物通过粒径较大，因此能够有效防止阻塞情况的发生。