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，對(duì)硅拋光片的表面質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。清洗是半導(dǎo)體器件制造過程中最重要的步驟。

1、硅片的清洗工藝原理

硅片經(jīng)過切片、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晶片表面的沾污。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。有以下兩種清洗方式：

超聲波是通過蒸氣漩渦來輔助沖洗的。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)象稱為氣渦。圖1為超聲清洗效果。

▲ 圖1 超聲清洗效果

兆聲波的輔助作用是通過另外一種機(jī)理來實(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。小的顆粒可被保持在這層界面中而不會(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2 兆聲清洗效果

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，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20 kHz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。

▲ 圖3 超聲清洗示意圖

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1um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500kHz?499GHz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) 清洗劑的化學(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 兆聲清洗系統(tǒng)示意圖

兆聲清洗是用0.8?1.0MHz的聲波去除晶片上的顆粒， 由換能器發(fā)出波長(zhǎng)為1um、頻率為0.8兆赫的高能聲波， 通過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30cm/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0.2um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（見圖5）。

▲ 圖5 

物空冷器（A-53101/A~H)而言，采用10#鋼換熱管的設(shè)備 總價(jià)約400萬(wàn)元人民幣，采用復(fù)合鋼管換熱管的設(shè)備總價(jià)約 450萬(wàn)元人民幣，而如采用INCONLOY825換熱管的設(shè)備總價(jià) 約5000萬(wàn)元人民幣。

可見，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*3-450)/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 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)來說，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) 濟(jì)的發(fā)展，做出巨大的貢獻(xiàn)。

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)在兆聲清洗過程中，無機(jī)械移動(dòng)部件，因此可減 少在清洗過程本身所造成的沾污。

兆聲清洗技術(shù)已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0.2um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

▲超聲和兆聲清洗技術(shù)的比較