CN101979160A - 一种清洗碳化硅晶片表面污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于碳化硅晶片表面污染物的清洗工艺，该清洗工艺包括有机清洗和无机清洗两部分内容。有机清洗包括去除表面黏着的蜡质和表面其余的部分有机污染物的步骤；无机清洗包括通过氧化-去除氧化层来去除碳化硅表面残留的有机污染物和其它强吸附性物质的步骤，还包括通过酸洗来去除表面的无机污染物的步骤。该清洗工艺能够最大限度的去除表面的污染和粒子，极大地提高了碳化硅晶片的即时使用效率。
Description
技术领域
本发明属于晶片清洗领域，具体来说涉及一种清洗碳化硅晶片表面污染物的清洗方法。
背景技术
以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，是继硅(Si)、砷化镓(GaAs)之后的第三代半导体。与Si和GaAs传统半导体材料相比，SiC具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景。此外，由于SiC与GaN相近的晶格常数和热膨胀系数，使其在光电器件领域也具有极其广阔的应用前景。
用于制作上述器件的碳化硅晶片表面必须是清洁无污染的，因此在使用或出厂前，碳化硅晶片要经过一系列的清洗过程。目前常用的方法用氢氟酸、浓硫酸或其他的混合酸(如氢氟酸和硝酸等)清洗表面，之后用去离子水将留在表面的杂质冲洗干净(JP-A No.6-77310)。另一种常用的清洗方法是先用氧气等物质氧化表面生成二氧化硅膜，之后再通过酸洗等步骤去除表面氧化层，露出新鲜的碳化硅表面(JP-ANo.5-17229)。其它常用的方法包括有机酸洗、无机酸洗、氮气或卤气吹干表面等。
由于碳化硅晶片的清洗过程包括去除表面的有机物、无机物、氧化层等复杂的过程，且清洗工艺的探索的起步时间比较晚，经验积累远小于硅等其他半导体的清洗方法，目前尚无统一的简单有效的清洗工艺。
发明内容
针对目前碳化硅晶体生长和加工过程中引入的表面污染物，本发明的目的在于提供一种能够有效清除碳化硅晶片表面污染物的清洗工艺。该清洗工艺的使用能显著清除晶片表面的污染，提高晶片的应用质量。
本发明的清洗碳化硅晶片表面污染物的工艺，要求能够去除表面黏着的蜡质，去除表面的其余有机污染物，无机污染物和其它强吸附性物质。为实现上述目的，该清洗方法包括有机清洗和无机清洗两部分，有机清洗包括去除表面黏着的蜡质和去除其余部分有机污染物的步骤；无机清洗包括通过氧化-去除氧化层的反复作用来去除碳 化硅表面残留的有机污染物和其它强吸附性物质的步骤，以及通过酸洗来去除表面的无机污染物(如金属和金属氧化物等)的步骤。清洗过程中加入超声波或兆声波清洗工艺，有效地去除了表面的残留粒子。
进一步地，有机清洗时去除表面蜡质的有机溶剂与蜡质成分极性相当，能够在蜡质成分熔点温度加热以溶解去除蜡质。。
进一步地，根据石蜡的成分和熔点范围，上述有机溶剂可选用丙酮和/或乙醇。
进一步地，用乙醇超声来去除晶片表面的残留的石蜡和其它部分有机污染物。
进一步地，无机清洗时去除表面残留的有机污染物和强吸附性物质的步骤使用化学反应法，选用的化学试剂不破坏碳化硅的内部结构，只与碳化硅晶片表面反应，并通过去除表面的反应层露出新鲜干净的碳化硅层，该化学试剂与碳化硅表面的反应缓慢可控制。
进一步地，无机清洗时所述氧化-去除氧化物的步骤为首先用加热的双氧水氧化表面残留的有机污染物和强吸附性物质，使表面生成一层致密的氧化层，然后用氢氟酸剥离表面反应层、洗去氧化物和碳化硅表面的氧化层。通过这一步骤的反复作用来达到清洁表面的目的。
进一步地，无机清洗时去除表面无机污染物的化学试剂与碳化硅晶片表面的金属和/或金属氧化物反应生成可溶性金属离子，通过去离子水冲洗干净，不引入新的污染物。
进一步地，无机清洗时选用稀硫酸或盐酸与表面金属和/或金属氧化物反应生成可溶性金属离子，再通过去离子水清洗和超声波震荡去除金属污染物。
本发明的清洗工艺，首先通过有机物的相似相溶原理去除表面黏着的蜡质和大量有机物，再通过氧化-去除氧化层的反复作用去除表面残留有机污染物和强吸附性物质。最后通过酸洗来去除表面的金属污染物。该方法快速有效地清除了碳化硅晶片表面的污染物，极大地提高了碳化硅晶片的即时使用效率。
附图说明
图1是清洗后碳化硅晶片表面的显微镜图片。图片放大倍数为50倍，视野范围约4mm2。将碳化硅晶片放在清洁的样品台上，将显微镜视野范围依次在晶片表面扫描，观察整个晶片表面，可以看到碳化硅晶片表面清洁无污染。
图2是清洗后碳化硅晶片表面的原子力显微镜图片，使用接触模式测量，扫描 范围10*10μm。每个晶片表面扫描5个区域，发现晶片表面无附着颗粒。图中标注“祄”是指长度单位微米。
图3是清洗后碳化硅晶片表面的X射线光电子能谱图(XPS)。图中可以看出，清洗后的碳化硅晶片表面由于暴露在空气中，表面有一层吸附氧。碳化硅晶片表面无其他污染元素存在。实验所用X射线光电子能谱仪是英国VG公司的MARK-2，测量面积0.8*0.8cm2。
图4是4H晶型的碳化硅晶片表面的原子力显微镜图片，使用接触模式测量，扫描范围45*45μm。从图中可以看出，经过氧化-去除氧化层的反复作用后，碳化硅表面呈现出原子台阶。台阶高度0.456nm，约是晶格常数c(1.0053nm)的一半，即2个Si-C双原子层的高度。实验所用仪器是日本Vicle公司的Dimension 3000。图中标注“祄”是指长度单位微米。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本发明使用的试剂、条件的选择根据碳化硅晶片表面的污染程度的不同而不同，可以由有机清洗剂的组成、氧化作用的强弱来加以改变。
实施例1：一般碳化硅晶片表面的清洗
首先将丙酮和乙醇按照3∶1的比例配成混合溶液，加热到50℃。清洗过程中放置3杯上述热的混合溶液，碳化硅晶片在每杯溶液中浸泡3分钟，依次清洗。每清洗6片晶片后将第一杯较浑浊的溶液换掉，其余三杯依次前提，最后一杯换新的干净的混合溶液。之后每洗3片碳化硅晶片再用同样的方法换用一杯混合溶液。清洗过程中可根据蜡质的多少和溶液的浑浊状况决定换用的比例，以达到最好的清洗效果和最节约成本的效益。
经过丙酮清洗后的碳化硅晶片应达到如下的效果：在强关灯下观察表面无可见的污染物。之后用去离子水冲洗碳化硅晶片正反面各30秒，在频率为700kHz的超声波清洗机中用乙醇溶液清洗碳化硅晶片5分钟，以去除表面残留的石蜡和减少其它有机污染物。本步骤通过去离子水的冲击压力、超声波的震荡和乙醇的溶解作用来进 一步去除晶片表面的有机污染物。
经过上述清洗后的碳化硅晶片在无尘布上自然晾干。之后，将30％的双氧水溶液加热到约70℃，将碳化硅晶片在热的双氧水溶液中浸泡3分钟，氧化表面残留的其余有机物和强吸附性物质，同时碳化硅晶片表面也被氧化生成致密氧化层。取出的晶片用去离子水冲洗正反面各30秒，去除表面残留的双氧水溶液。将晶片放入常温的氢氟酸溶液中浸泡3分钟，去除表面的氧化层。重复上述氧化-去除氧化的清洗步骤2次，使碳化硅晶片表面的污染物去除干净。
上述晶片拿出后用去离子水冲洗正反面各30秒，去除表面的残留溶液。在稀硫酸中浸泡约1分钟，去除表面剩余金属和/或金属氧化物杂质。
最后，用去离子水冲洗晶片正反面各30秒，并在去离子水中用超声波震荡清洗3-5分钟，使晶片表面完全清洗干净。
清洗完毕的碳化硅晶片在显微镜下观测无污染，如图1所示；在原子力显微镜下无颗粒，如图2所示，X射线光电子能谱(XPS)检测无杂质元素存在，如图3所示。
实施例2：污染较严重的碳化硅晶片表面的清洗。
用加热到50℃的丙酮将碳化硅晶片表面的石蜡清洗干净。清洗过程与实施例1相同，放置3杯热的丙酮溶液依次清洗碳化硅晶片，每清洗6片晶片后换掉第一杯较浑浊的丙酮，之后每洗3片碳化硅晶片再用同样的方法换用一杯丙酮。
经过丙酮清洗后的碳化硅晶片在强光灯下观察表面应无可见的污染物。之后分别用去离子水冲洗碳化硅晶片表面和在乙醇溶液中超声波清洗碳化硅晶片，具体清洗方法同实施例1。
在70℃的30％的双氧水溶液中加热碳化硅晶片3min，取出晶片用去离子水冲洗 正反面各30秒，再将晶片放入常温的氢氟酸溶液中浸泡3分钟。为达到较强的氧化效果和较好的去污能力，可依次放置3杯双氧水和氢氟酸溶液，重复上述氧化-去除氧化的清洗步骤3次，使碳化硅晶片表面的污染物去除干净。
上述晶片拿出后用去离子水冲洗正反面各30秒，在稀硫酸中浸泡约1分钟，将晶片表面剩余金属和/或金属氧化物等杂质去除干净。
最后，与实施例1方法相同，用去离子水冲洗晶片正反面各30秒，并在去离子水中用超声波震荡清洗3-5分钟，使晶片表面完全清洗干净。
清洗完毕的碳化硅晶片在在原子力显微镜出现明显的原子台阶，如图4所示。
Claims (6)
1.一种用于清洗碳化硅晶片表面的方法，该清洗方法包括有机清洗和无机清洗两部分，有机清洗包括去除表面黏着的蜡质和去除表面其余的部分有机污染物的步骤；无机清洗包括通过氧化-去除氧化层来去除碳化硅表面残留的有机污染物和其它强吸附性物质的步骤，还包括通过酸洗来去除表面的无机污染物的步骤。
2.如权利要求1所述的清洗方法，其中，有机清洗时去除残留表面蜡质的有机溶剂，要求对蜡有很好的溶解能力，包括但不限于丙酮、酒精及其混合物。
3.如权利要求1所述的清洗方法，其中，无机清洗时所述氧化-去除氧化层的步骤为首先用双氧水氧化表面残留的有机污染物和强吸附性物质，使表面生成致密的氧化层，然后用氢氟酸剥离表面反应层。
4.如权利要求1所述的清洗方法，其中，无机清洗时去除无机污染物金属和/或金属氧化物的化学试剂可选用稀硫酸或盐酸。
5.如权利要求1所述的清洗方法，其中，无机清洗时去除表面无机污染物的化学试剂与碳化硅表面的金属和/或金属氧化物反应生成可溶性金属离子，通过去离子水冲洗干净，不引入新的污染物。
6.如权利要求1所述的清洗方法，其中在清洗过程中加入超声波或兆声波清洗，有效地去除表面的残留粒子。
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Address after: 100190, room 1, building 66, No. 2005 East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District Patentee after: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Patentee after: SUZHOU TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Patentee after: INSTITUTE OF PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Address before: 100190, room 1, building 66, No. 2005 East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District Patentee before: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Patentee before: SUZHOU TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Patentee before: INSTITUTE OF PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200106 Address after: Room 301, Building 9, Tianrong Street, Daxing Biomedical Industry Base, Zhongguancun Science and Technology Park, Daxing District, Beijing 102600 Patentee after: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Address before: 100190, room 1, building 66, No. 2005 East Zhongguancun Road, Beijing, Haidian District Co-patentee before: SUZHOU TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Patentee before: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Co-patentee before: INSTITUTE OF PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20110223 Assignee: Shenzhen Reinvested Tianke Semiconductor Co.,Ltd. Assignor: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Contract record no.: X2023990000683 Denomination of invention: A Method for Cleaning Surface Contaminants on Silicon Carbide Wafers Granted publication date: 20140514 License type: Common License Record date: 20230725 |