硅片的化学清洗总结

硅片的化学清洗总结（精选3篇）

篇1：硅片的化学清洗总结

硅片的化学清洗总结

硅片清洗的一般原则是首先去除表面的有机沾污；然后溶解氧化层(因为氧化层是“沾污陷阱”，也会引入外延缺陷)；最后再去除颗粒、金属沾污，同时使表面钝化。

清洗硅片的清洗溶液必须具备以下两种功能:(1)去除硅片表面的污染物。溶液应具有高氧化能力，可将金属氧化后溶解于清洗液中，同时可将有机物氧化为CO2和H2O；(2)防止被除去的污染物再向硅片表面吸附。这就要求硅片表面和颗粒之间的Z电势具有相同的极性，使二者存在相斥的作用。在碱性溶液中，硅片表面和多数的微粒子是以负的Z电势存在，有利于去除颗粒；在酸性溶液中，硅片表面以负的Z电势存在，而多数的微粒子是以正的Z电势存在，不利于颗粒的去除。传统的RCA清洗法 1.1 主要清洗液

1.1.1 SPM（三号液）（H2SO4∶H2O2∶H2O）

在120～150℃清洗 10min左右，SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。经SPM清洗后，硅片表面会残留有硫化物，这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。由Ohnishi提出的SPFM(H2SO4/H2O2/HF)溶液，可使表面的硫化物转化为氟化物而有效地冲洗掉。由于臭氧的氧化性比H2O2的氧化性强，可用臭氧来取代H2O2(H2SO4/O3/H2O称为SOM溶液)，以降低H2SO4的用量和反应温度。H2SO4(98%):H2O2(30%)=4:1 1.1.2 DHF（HF(H2O2)∶H2O）

在20～25℃清洗30s 腐蚀表面氧化层，去除金属沾污，DHF清洗可去除表面氧化层，使其上附着的金属连同氧化层一起落入清洗液中，可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，但不能充分地去除Cu。HF：H2O2=1：50。1.1.3 APM(SC-1)（一号液）（NH4OH∶H2O2∶H2O）

在65～80℃清洗约10min 主要去除粒子、部分有机物及部分金属。由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(Si02)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。此溶液会增加硅片表面的粗糙度。Fe，Zn，Ni等金属会以离子性和非离子性的金属氢氧化物的形式附着在硅片表面，能降低硅片表面的Cu的附着。体积比为(1∶1∶5)~(1∶2∶7)的NH4OH(27 %)、H2O2(30%)和H2O组成的热溶液。稀释化学试剂中把水所占的比例由1∶5增至1∶50，配合超声清洗，可在更短时间内达到相当或更好的清洗效果。

SC-1清洗后再用很稀的酸(HCl∶H2O为1∶104)处理，在去除金属杂质和颗粒上可收到良好的效果，也可以用稀释的HF溶液短时间浸渍，以去除在SC-1形成的水合氧化物膜。最后，常常用SC-1原始溶液浓度1/10的稀释溶液清洗，以避免表面粗糙，降低产品成本，以及减少对环境的影响。

1.1.4 HPM(SC-2)（二号液）（HCl∶H2O2∶H2O）

在65～85℃清洗约10min用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。H2O2会使硅片表面氧化，但是HCl不会腐蚀硅片表面，所以不会使硅片表面的微粗糙度发生变化。(1∶1∶6)~(2∶1∶8)的H2O2(30%)、HCl(37%)和水组成的热混合溶液。对含有可见残渣的严重沾污的晶片，可用热H2SO4-H2O(2∶1)混合物进行预清洗。1.2 传统的RCA清洗流程

1.3 各洗液的清洗说明 1.3.1 SC-1洗液 1.3.1.1 去除颗粒

硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(约6mm呈亲水性)，该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。

①自然氧化膜约0.6nm厚，其与NH4OH、H2O2浓度及清洗液温度无关。②SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快，其与H2O2的浓度无关。

③Si的腐蚀速度，随NH4OH的浓度升高而快当，到达某一浓度后为一定值，H202浓度越高这一值越小。

④NH4OH促进腐蚀，H2O2阻碍腐蚀。

⑤若H2O2的浓度一定，NH4OH浓度越低，颗粒去除率也越低，如果同时降低H2O2浓度可抑制颗粒的去除率的下降。

⑥随着清洗液温度升高，颗粒去除率也提高在一定温度下可达最大值。

⑦颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关为确保颗粒的去除要有一定量以上的腐蚀。

⑧超声波清洗时由于空化现象只能去除≥0.4μm颗粒。兆声清洗时由于0.8Mhz的加速度作用能去除≥0.2μm颗粒，即使液温下降到40℃也能得到与80℃超声清洗去除颗粒的效果，而且又可避免超声清洗对晶片产生损伤。

⑨在清洗液中硅表面为负电位有些颗粒也为负电位，由于两者的电的排斥力作用可防止粒子向晶片表面吸附，但也有部分粒子表面是正电位，由于两者电的吸引力作用，粒子易向晶片表面吸附。1.3.1.2 去除金属杂质

①由于硅表面氧化和腐蚀，硅片表面的金属杂质，随腐蚀层而进入清洗液中。

②由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应，生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上。如:Al、Fe、Zn等便易附着在自然氧化膜上而Ni、Cu则不易附着。③Fe、Zn、Ni、Cu的氢氧化物在高pH值清洗液中是不可溶的有时会附着在自然氧化膜上。④清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。

⑤清洗时，硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对Al、Fe、Zn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此在选用化学试剂时按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。

⑥清洗液温度越高，晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降有利去除金属沾污。⑦去除有机物

由于H2O2的氧化作用，晶片表面的有机物被分解成CO2、H2O而被去除。⑧微粗糙度Ra 晶片表面Ra与清洗液的NH4OH组成比有关，组成比例越大，其Ra变大。Ra为0.2nm的晶片在NH4OH：H202：H2O=1:1:5的SC-1清洗后Ra可增大至0.5nm。为控制晶片表面Ra有必要降低NH4OH的组成比例如0.5:1:5。⑨COP(晶体的原生粒子缺陷)对于CZ(直拉)硅单晶片经反复清洗后经测定每次清洗后硅片表面的颗粒≥2μm的颗粒会增加，但对外延晶片，即使反复清洗也不会使≥0.2μm的颗粒增加。1.3.2 DHF 在DHF清洗时将用SC-1清洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉，Si几乎不被腐蚀；硅片最外层的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性；在酸性溶液中硅表面呈负电位，颗粒表面为正电位，由于两者之间的吸引力粒子容易附着在晶片表面。

①用HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中，同时DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成故可容易去除表面的Al、Fe、Zn、Ni等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等贵金属(氧化还原电位比氢高)，会附着在硅表面，DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。

②如硅表面外层的Si以H键结构，硅表面在化学上是稳定的，即使清洗液中存在Cu等贵金属离子也很难发生Si的电子交换，因Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中存在Cl-、Br-等阴离子，它们会附着于Si表面的终端氢键不完全地方，附着的Cl-、Br-阴离子会帮助Cu离子与Si电子交换，使Cu离子成为金属Cu而附着在晶片表面。

③因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0.337V)比Si的氧化还原电位(E0=-0.857V)高得多，因此Cu2+离子从硅表面的Si得到电子进行还原，变成金属Cu从晶片表面析出；另一方面被金属Cu附着的Si释放与Cu的附着相平衡的电子，自身被氧化成SiO2。

④从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核。这个Cu粒子核比Si的负电性大，从Si吸引电子而带负电位，后来Cu离子从带负电位的Cu粒子核得到电子析出金属Cu，Cu粒子就这样生长起来。Cu下面的断一面供给与Cu的附着相平衡的电子一面生成Si02。

⑤在硅片表面形成的SiO2，在DHF清洗后被腐蚀成小坑，其腐蚀小坑数量与去除Cu粒子前的Cu粒子量相当腐蚀小坑直径为0.01～0.1cm，与Cu粒子大小也相当，由此可知这是由结晶引起的粒子，常称为Mip(金属致拉子)。1.3.3 SC-2洗液

(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生，在酸性溶液中不易发生，并具有较强的去除晶片表面金属的能力，但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属，但晶片表面形成的自然氧化膜的附着(特别是Al)问题还未解决。

(2)硅片表面经SC-2清洗后，表面Si大部分以O键为终端结构，形成成一层自然氧化膜，呈亲水性。

(3)由于晶片表面的SiO2和Si不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。

如在SC-1和SC-2的前、中、后加入98%的H2SO4、30%的H2O2和HF。HF终结中可得到高纯化表面，阻止离子的重新沾污。在稀HCl溶液中加氯乙酸，可极好地除去金属沾污。表面活性剂的加入，可降低硅表面的自由能，增强其表面纯化。它在HF中使用时，可增加疏水面的浸润性，以减少表面对杂质粒子的吸附。2 清洗技术的改进 2.1 SC-1液的改进

a.为抑制SC-1时表面Ra变大，应降低NH4OH组成比即NH4OH:H202：H20=0.05:1:1，当Ra=0.2nm的硅片清洗后其值不变在APM洗后的DIW漂洗应在低温下进行。b.可使用兆声波清洗去除超微粒子，同时可降低清洗液温度，减少金属附着。

c.SC-1液中添加表面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm下降到19dyn/cm。选用低表面张力的清洗液可使颗粒去除率稳定维持较高的去除效率。使用SC-1液洗，其Ra变大，约是清洗前的2倍。用低表面张力的清洗液，其Ra变化不大(基本不变)。

d.SC-1液中加入HF，控制其pH值，可控制清洗液中金属络合离子的状态抑制金属的再附着，也可抑制Ra的增大和COP的发生。

e.SC-1加入鳌合剂可使洗液中的金属不断形成赘合物有利于抑制金属的表面的附着。2.2 有机物的去除

(1)如硅片表面附着有机物，就不能完全去除表面的自然氧化层和金属杂质，因此清洗时首先应去除有机物。(2)添加2~10ppmO3超净水清洗对去除有机物很有效，可在室温进行清洗而不必进行废液处理，比SC-1清洗的效果更好。2.3 DHF的改进 2.3.1 HF+H202清洗

(1)HF 0.5%+H2O2 10%可在室温下清洗可防止DHF清洗中的Cu等贵金属附着。(2)由于H202氧化作用可在硅表面形成自然氧化膜，同时又因HF的作用将自然氧化层腐蚀掉，附着在氧化膜上的金属被溶解到清洗液中。在APM清洗时附着在晶片表面的金属氢氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不会再生长。

(3)Al、Fe、Ni等金属同DHF清洗一样，不会附着在晶片表面。

(4)对n+、P+型硅表面的腐蚀速度比n、p型硅表面大得多，可导致表面粗糙因而不能使用于n+、p+型硅片清洗。

(5)添加强氧化剂H202(E。=1.776V)，比Cu2+离子优先从5i中夺取电子，因此硅表面由于H202被氧化，Cu以Cu2+离子状态存在于清洗液中。即使硅表面附着金属Cu也会从氧化剂H202夺取电子呈离子化。硅表面被氧化形成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和5i电子交换很难发生，并越来越不易附着。2.3.2 DHF+表面活性剂清洗

在HF 0.5%的DHF液中加入表面活性剂，其清洗效果与HF+H202清洗相同。2.3.3 DHF+阴离子表面活性剂清洗

在DHF液中，硅表面为负电位，粒子表面为正电位，当加入阴离子表面活性剂，可使得硅表面和粒子表面的电位为同符号，即粒子表面电位由正变为负，与硅片表面正电位同符号，使硅片表面和粒子表面之间产生电的排斥力，可以防止粒子的再附着。2.4 ACD清洗 2.4.1 AC清洗

在标准的AC清洗中，将同时使用纯水、HF，03，表面活性剂与兆声波。由于03具有非常强的氧化性，可以将硅片表面的有机沾污氧化为CO2和H2O，达到去除表面有机物的目的，同时可以迅速在硅片表面形成一层致密的氧化膜；HF可以有效的去除硅片表面的金属沾污，同时将03氧化形成的氧化膜腐蚀掉，在腐蚀掉氧化膜的同时，可以将附着在氧化膜上的颗粒去除掉，兆声波的使用将使颗粒去除的效率更高，而表面活性剂的使用，可以防止已经清洗掉的颗粒重新吸附在硅片表面。2.4.2 AD清洗

在AD干燥法中，同样使用HF与03。整个工艺过程可以分为液体中反应与气相处理两部分。首先将硅片放入充满HF/03的干燥槽中，经过一定时间的反应后，硅片将被慢慢地抬出液面；由于HF酸的作用，硅片表面将呈疏水性，因此，在硅片被抬出液面的同时，将自动达到干燥的效果。

在干燥槽的上方安装有一组03的喷嘴，使得硅片被抬出水面后就与高浓度的03直接接触，进而在硅片表面形成一层致密的氧化膜。

在采用AD干燥法的同时，可以有效地去除金属沾污。该干燥法可以配合其他清洗工艺来共同使用，干燥过程本身不会带来颗粒沾污。2.5酸系统溶液 2.5.1 SE洗液

HNO3（60%）：HF(0.025%一0.1%)，SE能使硅片表面的铁沾污降至常规清洗工艺的十分之一，各种金属沾污均小于1010原子/cm2，不增加微粗糙度。这种洗液对硅的腐蚀速率比对二氧化硅快10倍，且与HF含量成正比，清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层。2.5.2 CSE洗液 HNO3：HF：H2O2=50：（0.5~0.9）：（49.5~49.1），35℃，3~5min。用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层，微粗糙度较SE清洗的降低；对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度，这样有利于工艺控制。当HF浓度控制在0.1%时效果较好。3 几种的清洗方案

3.1 硅片衬底的常规清洗方法

① 三氯乙烯（除脂）80℃，15分钟； ② 丙酮、甲醇20℃，依次2分钟； ③ 去离子水流洗2分钟；

④ 2号液(4∶1∶1)90℃，10分钟； ⑤ 去离子水流洗2分钟； ⑥ 擦片(用擦片机)； ⑦ 去离子水冲5分钟；

⑧ 1号液(4∶1∶1)90~95℃，10分钟； ⑨ 去离子水流洗5分钟； ⑩ 稀盐酸(50∶1)，2.5分钟； 11 去离子水流洗5分钟； 12 甩干(硅片)。

该方案的清洗步骤为:先去油，接着去除杂质，其中10步用于进一步去除残余的杂质(主要是碱金属离子)。

3.2 DZ-

1、DZ-2清洗半导体衬底的方法 ① 去离子水冲洗；

② DZ-1(95∶5)，50~60℃超声10分钟； ③ 去离子水冲洗(5分钟)；

④ DZ-2(95∶5)，50~60℃超声10分钟； ⑤ 去离子水冲洗(5分钟)； ⑥ 甩干或氮气吹干。

该方案中用电子清洗剂代替方案一中的酸碱及双氧水等化学试剂，清洗效果大致与方案一相当。3.3 硅抛光片的一般清洗方法 ① 无钠清洗剂加热煮三次； ② 热去离子水冲洗； ③ 3号液；

④ 热去离子水冲洗； ⑤ 去离子水冲洗； ⑥ 稀氢氟酸漂洗； ⑦ 去离子水冲洗； ⑧ 1号液； ⑨ 去离子水冲洗； ⑩ 甩干。

对于用不同的抛光方式(有蜡或无蜡)得到的抛光片，其被各种类型的污染杂质沾污的情况各不相同，清洗的侧重点也就各不相同，因此上述各清洗步骤的采用与否及清洗次数的多少也就各不相同。

3.4某一化学清洗流程

以下所有试剂配比均为体积比。所用有机试剂均是分析级试剂。部分试剂的浓度如下:w(H2O2)≥20%；w(HF)≥40%；w(H2SO4):95~98%.① 除脂

三氯乙烯溶液中旋转清洗3次，每次3 min；异丙醇中旋转清洗3次，每次3 min；去离子水漂洗3次；高纯氮气吹干； ② 氧化

在新配的H2SO4∶H2O2(1∶1)溶液中氧化3 min；在70℃温水中漂洗3 min(避免Si表面因骤冷出现裂纹)；去离子水中漂洗2次，每次3 min； ③ 刻蚀

HF∶C2H5OH(1∶10)溶液中刻蚀3 min；C2H5OH中漂洗3次，每次3 min；高纯氮气吹干。

化学清洗后，把样品快速传入真空系统，这是因为H钝化的硅表面在空气中只能维持几分钟内不被重新氧化。若清洗后的Si片不能及时进入超高真空系统，可将清洗后的Si片放入无水C2H5OH中，这既可以延缓表面被氧化的速度，又可以避免清洗后的表面被空气中的杂质所污染。传统的RCA清洗法 1.1 主要清洗液

1.1.1 SPM（三号液）（H2SO4∶H2O2∶H2O）

在120～150℃清洗 10min左右，SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。经SPM清洗后，硅片表面会残留有硫化物，这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。由Ohnishi提出的SPFM(H2SO4/H2O2/HF)溶液，可使表面的硫化物转化为氟化物而有效地冲洗掉。由于臭氧的氧化性比H2O2的氧化性强，可用臭氧来取代H2O2(H2SO4/O3/H2O称为SOM溶液)，以降低H2SO4的用量和反应温度。H2SO4(98%):H2O2(30%)=4:1 1.1.2 DHF（HF(H2O2)∶H2O）

在20～25℃清洗30s 腐蚀表面氧化层，去除金属沾污，DHF清洗可去除表面氧化层，使其上附着的金属连同氧化层一起落入清洗液中，可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，但不能充分地去除Cu。HF：H2O2=1：50。1.1.3 APM(SC-1)（一号液）（NH4OH∶H2O2∶H2O）

在65～80℃清洗约10min 主要去除粒子、部分有机物及部分金属。由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(Si02)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。此溶液会增加硅片表面的粗糙度。Fe，Zn，Ni等金属会以离子性和非离子性的金属氢氧化物的形式附着在硅片表面，能降低硅片表面的Cu的附着。体积比为(1∶1∶5)~(1∶2∶7)的NH4OH(27 %)、H2O2(30%)和H2O组成的热溶液。稀释化学试剂中把水所占的比例由1∶5增至1∶50，配合超声清洗，可在更短时间内达到相当或更好的清洗效果。

SC-1清洗后再用很稀的酸(HCl∶H2O为1∶104)处理，在去除金属杂质和颗粒上可收到良好的效果，也可以用稀释的HF溶液短时间浸渍，以去除在SC-1形成的水合氧化物膜。最后，常常用SC-1原始溶液浓度1/10的稀释溶液清洗，以避免表面粗糙，降低产品成本，以及减少对环境的影响。

1.1.4 HPM(SC-2)（二号液）（HCl∶H2O2∶H2O）

在65～85℃清洗约10min用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。H2O2会使硅片表面氧化，但是HCl不会腐蚀硅片表面，所以不会使硅片表面的微粗糙度发生变化。(1∶1∶6)~(2∶1∶8)的H2O2(30%)、HCl(37%)和水组成的热混合溶液。对含有可见残渣的严重沾污的晶片，可用热H2SO4-H2O(2∶1)混合物进行预清洗。1.2 传统的RCA清洗流程

1.3 各洗液的清洗说明 1.3.1 SC-1洗液 1.3.1.1 去除颗粒

硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(约6mm呈亲水性)，该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。

①自然氧化膜约0.6nm厚，其与NH4OH、H2O2浓度及清洗液温度无关。②SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快，其与H2O2的浓度无关。

③Si的腐蚀速度，随NH4OH的浓度升高而快当，到达某一浓度后为一定值，H202浓度越高这一值越小。

④NH4OH促进腐蚀，H2O2阻碍腐蚀。

⑤若H2O2的浓度一定，NH4OH浓度越低，颗粒去除率也越低，如果同时降低H2O2浓度可抑制颗粒的去除率的下降。

⑥随着清洗液温度升高，颗粒去除率也提高在一定温度下可达最大值。

⑦颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关为确保颗粒的去除要有一定量以上的腐蚀。

⑧超声波清洗时由于空化现象只能去除≥0.4μm颗粒。兆声清洗时由于0.8Mhz的加速度作用能去除≥0.2μm颗粒，即使液温下降到40℃也能得到与80℃超声清洗去除颗粒的效果，而且又可避免超声清洗对晶片产生损伤。

⑨在清洗液中硅表面为负电位有些颗粒也为负电位，由于两者的电的排斥力作用可防止粒子向晶片表面吸附，但也有部分粒子表面是正电位，由于两者电的吸引力作用，粒子易向晶片表面吸附。1.3.1.2 去除金属杂质

①由于硅表面氧化和腐蚀，硅片表面的金属杂质，随腐蚀层而进入清洗液中。

②由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应，生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上。如:Al、Fe、Zn等便易附着在自然氧化膜上而Ni、Cu则不易附着。③Fe、Zn、Ni、Cu的氢氧化物在高pH值清洗液中是不可溶的有时会附着在自然氧化膜上。④清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。

⑤清洗时，硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对Al、Fe、Zn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此在选用化学试剂时按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。

⑥清洗液温度越高，晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降有利去除金属沾污。⑦去除有机物

由于H2O2的氧化作用，晶片表面的有机物被分解成CO2、H2O而被去除。⑧微粗糙度Ra 晶片表面Ra与清洗液的NH4OH组成比有关，组成比例越大，其Ra变大。Ra为0.2nm的晶片在NH4OH：H202：H2O=1:1:5的SC-1清洗后Ra可增大至0.5nm。为控制晶片表面Ra有必要降低NH4OH的组成比例如0.5:1:5。⑨COP(晶体的原生粒子缺陷)对于CZ(直拉)硅单晶片经反复清洗后经测定每次清洗后硅片表面的颗粒≥2μm的颗粒会增加，但对外延晶片，即使反复清洗也不会使≥0.2μm的颗粒增加。1.3.2 DHF 在DHF清洗时将用SC-1清洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉，Si几乎不被腐蚀；硅片最外层的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性；在酸性溶液中硅表面呈负电位，颗粒表面为正电位，由于两者之间的吸引力粒子容易附着在晶片表面。

①用HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中，同时DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成故可容易去除表面的Al、Fe、Zn、Ni等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等贵金属(氧化还原电位比氢高)，会附着在硅表面，DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。

②如硅表面外层的Si以H键结构，硅表面在化学上是稳定的，即使清洗液中存在Cu等贵金属离子也很难发生Si的电子交换，因Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中存在Cl-、Br-等阴离子，它们会附着于Si表面的终端氢键不完全地方，附着的Cl-、Br-阴离子会帮助Cu离子与Si电子交换，使Cu离子成为金属Cu而附着在晶片表面。

③因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0.337V)比Si的氧化还原电位(E0=-0.857V)高得多，因此Cu2+离子从硅表面的Si得到电子进行还原，变成金属Cu从晶片表面析出；另一方面被金属Cu附着的Si释放与Cu的附着相平衡的电子，自身被氧化成SiO2。

④从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核。这个Cu粒子核比Si的负电性大，从Si吸引电子而带负电位，后来Cu离子从带负电位的Cu粒子核得到电子析出金属Cu，Cu粒子就这样生长起来。Cu下面的断一面供给与Cu的附着相平衡的电子一面生成Si02。

⑤在硅片表面形成的SiO2，在DHF清洗后被腐蚀成小坑，其腐蚀小坑数量与去除Cu粒子前的Cu粒子量相当腐蚀小坑直径为0.01～0.1cm，与Cu粒子大小也相当，由此可知这是由结晶引起的粒子，常称为Mip(金属致拉子)。1.3.3 SC-2洗液

(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生，在酸性溶液中不易发生，并具有较强的去除晶片表面金属的能力，但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属，但晶片表面形成的自然氧化膜的附着(特别是Al)问题还未解决。

(2)硅片表面经SC-2清洗后，表面Si大部分以O键为终端结构，形成成一层自然氧化膜，呈亲水性。

(3)由于晶片表面的SiO2和Si不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。

如在SC-1和SC-2的前、中、后加入98%的H2SO4、30%的H2O2和HF。HF终结中可得到高纯化表面，阻止离子的重新沾污。在稀HCl溶液中加氯乙酸，可极好地除去金属沾污。表面活性剂的加入，可降低硅表面的自由能，增强其表面纯化。它在HF中使用时，可增加疏水面的浸润性，以减少表面对杂质粒子的吸附。2 清洗技术的改进 2.1 SC-1液的改进

a.为抑制SC-1时表面Ra变大，应降低NH4OH组成比即NH4OH:H202：H20=0.05:1:1，当Ra=0.2nm的硅片清洗后其值不变在APM洗后的DIW漂洗应在低温下进行。b.可使用兆声波清洗去除超微粒子，同时可降低清洗液温度，减少金属附着。

c.SC-1液中添加表面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm下降到19dyn/cm。选用低表面张力的清洗液可使颗粒去除率稳定维持较高的去除效率。使用SC-1液洗，其Ra变大，约是清洗前的2倍。用低表面张力的清洗液，其Ra变化不大(基本不变)。

d.SC-1液中加入HF，控制其pH值，可控制清洗液中金属络合离子的状态抑制金属的再附着，也可抑制Ra的增大和COP的发生。e.SC-1加入鳌合剂可使洗液中的金属不断形成赘合物有利于抑制金属的表面的附着。2.2 有机物的去除

(1)如硅片表面附着有机物，就不能完全去除表面的自然氧化层和金属杂质，因此清洗时首先应去除有机物。

(2)添加2~10ppmO3超净水清洗对去除有机物很有效，可在室温进行清洗而不必进行废液处理，比SC-1清洗的效果更好。2.3 DHF的改进 2.3.1 HF+H202清洗

(1)HF 0.5%+H2O2 10%可在室温下清洗可防止DHF清洗中的Cu等贵金属附着。(2)由于H202氧化作用可在硅表面形成自然氧化膜，同时又因HF的作用将自然氧化层腐蚀掉，附着在氧化膜上的金属被溶解到清洗液中。在APM清洗时附着在晶片表面的金属氢氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不会再生长。

(3)Al、Fe、Ni等金属同DHF清洗一样，不会附着在晶片表面。

(4)对n+、P+型硅表面的腐蚀速度比n、p型硅表面大得多，可导致表面粗糙因而不能使用于n+、p+型硅片清洗。

(5)添加强氧化剂H202(E。=1.776V)，比Cu2+离子优先从5i中夺取电子，因此硅表面由于H202被氧化，Cu以Cu2+离子状态存在于清洗液中。即使硅表面附着金属Cu也会从氧化剂H202夺取电子呈离子化。硅表面被氧化形成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和5i电子交换很难发生，并越来越不易附着。2.3.2 DHF+表面活性剂清洗

在HF 0.5%的DHF液中加入表面活性剂，其清洗效果与HF+H202清洗相同。2.3.3 DHF+阴离子表面活性剂清洗

在DHF液中，硅表面为负电位，粒子表面为正电位，当加入阴离子表面活性剂，可使得硅表面和粒子表面的电位为同符号，即粒子表面电位由正变为负，与硅片表面正电位同符号，使硅片表面和粒子表面之间产生电的排斥力，可以防止粒子的再附着。2.4 ACD清洗 2.4.1 AC清洗

在标准的AC清洗中，将同时使用纯水、HF，03，表面活性剂与兆声波。由于03具有非常强的氧化性，可以将硅片表面的有机沾污氧化为CO2和H2O，达到去除表面有机物的目的，同时可以迅速在硅片表面形成一层致密的氧化膜；HF可以有效的去除硅片表面的金属沾污，同时将03氧化形成的氧化膜腐蚀掉，在腐蚀掉氧化膜的同时，可以将附着在氧化膜上的颗粒去除掉，兆声波的使用将使颗粒去除的效率更高，而表面活性剂的使用，可以防止已经清洗掉的颗粒重新吸附在硅片表面。2.4.2 AD清洗

在AD干燥法中，同样使用HF与03。整个工艺过程可以分为液体中反应与气相处理两部分。首先将硅片放入充满HF/03的干燥槽中，经过一定时间的反应后，硅片将被慢慢地抬出液面；由于HF酸的作用，硅片表面将呈疏水性，因此，在硅片被抬出液面的同时，将自动达到干燥的效果。

在干燥槽的上方安装有一组03的喷嘴，使得硅片被抬出水面后就与高浓度的03直接接触，进而在硅片表面形成一层致密的氧化膜。

在采用AD干燥法的同时，可以有效地去除金属沾污。该干燥法可以配合其他清洗工艺来共同使用，干燥过程本身不会带来颗粒沾污。2.5酸系统溶液 2.5.1 SE洗液 HNO3（60%）：HF(0.025%一0.1%)，SE能使硅片表面的铁沾污降至常规清洗工艺的十分之一，各种金属沾污均小于1010原子/cm2，不增加微粗糙度。这种洗液对硅的腐蚀速率比对二氧化硅快10倍，且与HF含量成正比，清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层。2.5.2 CSE洗液

HNO3：HF：H2O2=50：（0.5~0.9）：（49.5~49.1），35℃，3~5min。用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层，微粗糙度较SE清洗的降低；对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度，这样有利于工艺控制。当HF浓度控制在0.1%时效果较好。3 几种的清洗方案

3.1 硅片衬底的常规清洗方法

① 三氯乙烯（除脂）80℃，15分钟； ② 丙酮、甲醇20℃，依次2分钟； ③ 去离子水流洗2分钟；

④ 2号液(4∶1∶1)90℃，10分钟； ⑤ 去离子水流洗2分钟； ⑥ 擦片(用擦片机)； ⑦ 去离子水冲5分钟；

⑧ 1号液(4∶1∶1)90~95℃，10分钟； ⑨ 去离子水流洗5分钟； ⑩ 稀盐酸(50∶1)，2.5分钟； 11 去离子水流洗5分钟； 12 甩干(硅片)。

该方案的清洗步骤为:先去油，接着去除杂质，其中10步用于进一步去除残余的杂质(主要是碱金属离子)。

3.2 DZ-

1、DZ-2清洗半导体衬底的方法 ① 去离子水冲洗；

② DZ-1(95∶5)，50~60℃超声10分钟； ③ 去离子水冲洗(5分钟)；

④ DZ-2(95∶5)，50~60℃超声10分钟； ⑤ 去离子水冲洗(5分钟)； ⑥ 甩干或氮气吹干。

该方案中用电子清洗剂代替方案一中的酸碱及双氧水等化学试剂，清洗效果大致与方案一相当。3.3 硅抛光片的一般清洗方法 ① 无钠清洗剂加热煮三次； ② 热去离子水冲洗； ③ 3号液；

④ 热去离子水冲洗； ⑤ 去离子水冲洗； ⑥ 稀氢氟酸漂洗； ⑦ 去离子水冲洗； ⑧ 1号液； ⑨ 去离子水冲洗； ⑩ 甩干。

对于用不同的抛光方式(有蜡或无蜡)得到的抛光片，其被各种类型的污染杂质沾污的情况各不相同，清洗的侧重点也就各不相同，因此上述各清洗步骤的采用与否及清洗次数的多少也就各不相同。

3.4某一化学清洗流程

以下所有试剂配比均为体积比。所用有机试剂均是分析级试剂。部分试剂的浓度如下:w(H2O2)≥20%；w(HF)≥40%；w(H2SO4):95~98%.① 除脂

三氯乙烯溶液中旋转清洗3次，每次3 min；异丙醇中旋转清洗3次，每次3 min；去离子水漂洗3次；高纯氮气吹干； ② 氧化

在新配的H2SO4∶H2O2(1∶1)溶液中氧化3 min；在70℃温水中漂洗3 min(避免Si表面因骤冷出现裂纹)；去离子水中漂洗2次，每次3 min； ③ 刻蚀

HF∶C2H5OH(1∶10)溶液中刻蚀3 min；C2H5OH中漂洗3次，每次3 min；高纯氮气吹干。

化学清洗后，把样品快速传入真空系统，这是因为H钝化的硅表面在空气中只能维持几分钟内不被重新氧化。若清洗后的Si片不能及时进入超高真空系统，可将清洗后的Si片放入无水C2H5OH中，这既可以延缓表面被氧化的速度，又可以避免清洗后的表面被空气中的杂质所污染。

篇2：硅片的化学清洗总结

1.3各洗液的清洗说明；1.3.1SC-1洗液；1.3.1.1去除颗粒；硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(约6mm；①自然氧化膜约0.6nm厚，其与NH4OH、H2；②SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快；③Si的腐蚀速度，随NH4OH的浓度升高而快当，；④NH4OH促进腐蚀，H2O2阻碍腐蚀；⑤若H2O2的浓度一定，NH4OH浓度越低，颗粒

1.3

各洗液的清洗说明

1.3.1

SC-1洗液

1.3.1.1

去除颗粒

硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(约6mm呈亲水性)，该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。

①自然氧化膜约0.6nm厚，其与NH4OH、H2O2浓度及清洗液温度无关。

②SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快，其与H2O2的浓度无关。

③Si的腐蚀速度，随NH4OH的浓度升高而快当，到达某一浓度后为一定值，H202浓度越高这一值越小。

④NH4OH促进腐蚀，H2O2阻碍腐蚀。

⑤若H2O2的浓度一定，NH4OH浓度越低，颗粒去除率也越低，如果同时降低H2O2浓度可抑制颗粒的去除率的下降。

⑥随着清洗液温度升高，颗粒去除率也提高在一定温度下可达最大值。

⑦颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关为确保颗粒的去除要有一定量以上的腐蚀。

⑧超声波清洗时由于空化现象只能去除≥0.4μm颗粒。兆声清洗时由于0.8Mhz的加速度作用能去除≥0.2μm颗粒，即使液温下降到40℃也能得到与80℃超声清洗去除颗粒的效果，而且又可避免超声清洗对晶片产生损伤。

⑨在清洗液中硅表面为负电位有些颗粒也为负电位，由于两者的电的排斥力作用可防止粒子向晶片表面吸附，但也有部分粒子表面是正电位，由于两者电的吸引力作用，粒子易向晶片表面吸附。

1.3.1.2

去除金属杂质

①由于硅表面氧化和腐蚀，硅片表面的金属杂质，随腐蚀层而进入清洗液中。

②由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应，生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上。如:Al、Fe、Zn等便易附着在自然氧化膜上而Ni、Cu则不易附着。

③Fe、Zn、Ni、Cu的氢氧化物在高pH值清洗液中是不可溶的有时会附着在自然氧化膜上。

④清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。

⑤清洗时，硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对Al、Fe、Zn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此在选用化学试剂时按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。

⑥清洗液温度越高，晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降有利去除金属沾污。

⑦去除有机物

由于H2O2的氧化作用，晶片表面的有机物被分解成CO2、H2O而被去除。

⑧微粗糙度Ra

晶片表面Ra与清洗液的NH4OH组成比有关，组成比例越大，其Ra变大。Ra为0.2nm的晶片在NH4OH：H202：H2O=1:1:5的SC-1清洗后Ra可增大至0.5nm。为控制晶片表面Ra有必要降低NH4OH的组成比例如0.5:1:5。

⑨COP(晶体的原生粒子缺陷)

对于CZ(直拉)硅单晶片经反复清洗后经测定每次清洗后硅片表面的颗粒≥2μm的颗粒会增加，但对外延晶片，即使反复清洗也不会使≥0.2μm的颗粒增加。

1.3.2

DHF

在DHF清洗时将用SC-1清洗时表面生成的自然氧化膜腐蚀掉，Si几乎不被腐蚀；硅片最外层的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性；在酸性溶液中硅表面呈负电位，颗粒表面为正电位，由于两者之间的吸引力粒子容易附着在晶片表面。

①用HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中，同时DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成故可容易去除表面的Al、Fe、Zn、Ni等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等贵金属(氧化还原电位比氢高)，会附着在硅表面，DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。

②如硅表面外层的Si以H键结构，硅表面在化学上是稳定的，即使清洗液中存在Cu等贵金属离子也很难发生Si的电子交换，因Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中存在Cl-、Br-等阴离子，它们会附着于Si表面的终端氢键不完全地方，附着的Cl-、Br-阴离子会帮助Cu离子与Si电子交换，使Cu离子成为金属Cu而附着在晶片表面。

③因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0.337V)比Si的氧化还原电位(E0=-0.857V)高得多，因此Cu2+离子从硅表面的Si得到电子进行还原，变成金属Cu从晶片表面析出；另一方面被金属Cu附着的Si释放与Cu的附着相平衡的电子，自身被氧化成SiO2。

④从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核。这个Cu粒子核比Si的负电性大，从Si吸引电子而带负电位，后来Cu离子从带负电位的Cu粒子核得到电子析出金属Cu，Cu粒子就这样生长起来。Cu下面的断一面供给与Cu的附着相平衡的电子一面生成Si02。

⑤在硅片表面形成的SiO2，在DHF清洗后被腐蚀成小坑，其腐蚀小坑数量与去除Cu粒子前的Cu粒子量相当腐蚀小坑直径为0.01～0.1cm，与Cu粒子大小也相当，由此可知这是由结晶引起的粒子，常称为Mip(金属致拉子)。

1.3.3

SC-2洗液

(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生，在酸性溶液中不易发生，并具有较强的去除晶片表面金属的能力，但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属，但晶片表面形成的自然氧化膜的附着(特别是Al)问题还未解决。

(2)硅片表面经SC-2清洗后，表面Si大部分以O键为终端结构，形成成一层自然氧化膜，呈亲水性。

(3)由于晶片表面的SiO2和Si不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。

如在SC-1和SC-2的前、中、后加入98%的H2SO4、30%的H2O2和HF。HF终结中可得到高纯化表面，阻止离子的重新沾污。在稀HCl溶液中加氯乙酸，可极好地除去金属沾污。表面活性剂的加入，可降低硅表面的自由能，增强其表面纯化。它在HF中使用时，可增加疏水面的浸润性，以减少表面对杂质粒子的吸附。

清洗技术的改进

2.1

SC-1液的改进

a.为抑制SC-1时表面Ra变大，应降低NH4OH组成比即NH4OH:H202：H20=0.05:1:1，当Ra=0.2nm的硅片清洗后其值不变在APM洗后的DIW漂洗应在低温下进行。

b.可使用兆声波清洗去除超微粒子，同时可降低清洗液温度，减少金属附着。

c.SC-1液中添加表面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm下降到19dyn/cm。选用低表面张力的清洗液可使颗粒去除率稳定维持较高的去除效率。使用SC-1液洗，其Ra变大，约是清洗前的2倍。用低表面张力的清洗液，其Ra变化不大(基本不变)。

d.SC-1液中加入HF，控制其pH值，可控制清洗液中金属络合离子的状态抑制金属的再附着，也可抑制Ra的增大和COP的发生。

e.SC-1加入鳌合剂可使洗液中的金属不断形成赘合物有利于抑制金属的表面的附着。

2.2

有机物的去除

(1)如硅片表面附着有机物，就不能完全去除表面的自然氧化层和金属杂质，因此清洗时首先应去除有机物。

(2)添加2~10ppmO3超净水清洗对去除有机物很有效，可在室温进行清洗而不必进行废液处理，比SC-1清洗的效果更好。

2.3

DHF的改进

2.3.1

HF+H202清洗

(1)HF

0.5%+H2O2

10%可在室温下清洗可防止DHF清洗中的Cu等贵金属附着。

(2)由于H202氧化作用可在硅表面形成自然氧化膜，同时又因HF的作用将自然氧化层腐蚀掉，附着在氧化膜上的金属被溶解到清洗液中。在APM清洗时附着在晶片表面的金属氢氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不会再生长。

(3)Al、Fe、Ni等金属同DHF清洗一样，不会附着在晶片表面。

(4)对n+、P+型硅表面的腐蚀速度比n、p型硅表面大得多，可导致表面粗糙因而不能使用于n+、p+型硅片清洗。

(5)添加强氧化剂H202(E。=1.776V)，比Cu2+离子优先从5i中夺取电子，因此硅表面由于H202被氧化，Cu以Cu2+离子状态存在于清洗液中。即使硅表面附着金属Cu也会从氧化剂H202夺取电子呈离子化。硅表面被氧化形成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和5i电子交换很难发生，并越来越不易附着。

2.3.2

DHF+表面活性剂清洗

在HF

0.5%的DHF液中加入表面活性剂，其清洗效果与HF+H202清洗相同。

2.3.3

DHF+阴离子表面活性剂清洗

在DHF液中，硅表面为负电位，粒子表面为正电位，当加入阴离子表面活性剂，可使得硅表面和粒子表面的电位为同符号，即粒子表面电位由正变为负，与硅片表面正电位同符号，使硅片表面和粒子表面之间产生电的排斥力，可以防止粒子的再附着。

2.4

ACD清洗

2.4.1

AC清洗

在标准的AC清洗中，将同时使用纯水、HF，03，表面活性剂与兆声波。由于03具有非常强的氧化性，可以将硅片表面的有机沾污氧化为CO2和H2O，达到去除表面有机物的目的，同时可以迅速在硅片表面形成一层致密的氧化膜；HF可以有效的去除硅片表面的金属沾污，同时将03氧化形成的氧化膜腐蚀掉，在腐蚀掉氧化膜的同时，可以将附着在氧化膜上的颗粒去除掉，兆声波的使用将使颗粒去除的效率更高，而表面活性剂的使用，可以防止已经清洗掉的颗粒重新吸附在硅片表面。

2.4.2

AD清洗

在AD干燥法中，同样使用HF与03。整个工艺过程可以分为液体中反应与气相处理两部分。

首先将硅片放入充满HF/03的干燥槽中，经过一定时间的反应后，硅片将被慢慢地抬出液面；由于HF酸的作用，硅片表面将呈疏水性，因此，在硅片被抬出液面的同时，将自动达到干燥的效果。

在干燥槽的上方安装有一组03的喷嘴，使得硅片被抬出水面后就与高浓度的03直接接触，进而在硅片表面形成一层致密的氧化膜。

在采用AD干燥法的同时，可以有效地去除金属沾污。该干燥法可以配合其他清洗工艺来共同使用，干燥过程本身不会带来颗粒沾污。

2.5酸系统溶液

2.5.1

SE洗液

HNO3（60%）：HF(0.025%一0.1%)，SE能使硅片表面的铁沾污降至常规清洗工艺的十分之一，各种金属沾污均小于1010原子/cm2，不增加微粗糙度。这种洗液对硅的腐蚀速率比对二氧化硅快10倍，且与HF含量成正比，清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层。

2.5.2

CSE洗液

HNO3：HF：H2O2=50：（0.5~0.9）：（49.5~49.1），35℃，3~5min。用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层，微粗糙度较SE清洗的降低；对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度，这样有利于工艺控制。当HF浓度控制在0.1%时效果较好。

几种的清洗方案

3.1

硅片衬底的常规清洗方法

①

三氯乙烯（除脂）80℃，15分钟；

②

丙酮、甲醇20℃，依次2分钟；

③

去离子水流洗2分钟；

④

2号液(4∶1∶1)

90℃，10分钟；

⑤

去离子水流洗2分钟；

⑥

擦片(用擦片机)；

⑦

去离子水冲5分钟；

⑧

1号液(4∶1∶1)

90~95℃，10分钟；

⑨

去离子水流洗5分钟；

⑩

稀盐酸(50∶1)，2.5分钟；

去离子水流洗5分钟；

甩干(硅片)。

该方案的清洗步骤为:先去油，接着去除杂质，其中10步用于进一步去除残余的杂质(主要是碱金属离子)。

3.2

DZ-1、DZ-2清洗半导体衬底的方法

①

去离子水冲洗；

②

DZ-1

(95∶5)，50~60℃超声10分钟；

③

去离子水冲洗(5分钟)；

④

DZ-2

(95∶5)，50~60℃超声10分钟；

⑤

去离子水冲洗(5分钟)；

⑥

甩干或氮气吹干。

该方案中用电子清洗剂代替方案一中的酸碱及双氧水等化学试剂，清洗效果大致与方案一相当。

3.3

硅抛光片的一般清洗方法

①

无钠清洗剂加热煮三次；

②

热去离子水冲洗；

③

3号液；

④

热去离子水冲洗；

⑤

去离子水冲洗；

⑥

稀氢氟酸漂洗；

⑦

去离子水冲洗；

⑧

1号液；

⑨

去离子水冲洗；

⑩

甩干。

对于用不同的抛光方式(有蜡或无蜡)得到的抛光片，其被各种类型的污染杂质沾污的情况各不相同，清洗的侧重点也就各不相同，因此上述各清洗步骤的采用与否及清洗次数的多少也就各不相同。

3.4某一化学清洗流程

以下所有试剂配比均为体积比。所用有机试剂均是分析级试剂。部分试剂的浓度如下:w(H2O2)≥20%；w(HF)≥40%；w(H2SO4):95~98%.①

除脂

三氯乙烯溶液中旋转清洗3次，每次3

min；异丙醇中旋转清洗3次，每次3

min；去离子水漂洗3次；高纯氮气吹干；

②

氧化

在新配的H2SO4∶H2O2(1∶1)溶液中氧化3

min；在70℃温水中漂洗3

min(避免Si表面因骤冷出现裂纹)；去离子水中漂洗2次，每次3

min；

③

刻蚀

HF∶C2H5OH(1∶10)溶液中刻蚀3

min；C2H5OH中漂洗3次，每次3

min；高纯氮气吹干。

化学清洗后，把样品快速传入真空系统，这是因为H钝化的硅表面在空气中只能维持几分钟内不被重新氧化。若清洗后的Si片不能及时进入超高真空系统，可将清洗后的Si片放入无水C2H5OH中，这既可以延缓表面被氧化的速度，又可以避免清洗后的表面被空气中的杂质所污染。

传统的RCA清洗法

1.1

主要清洗液

1.1.1

SPM（三号液）（H2SO4∶H2O2∶H2O）

在120～150℃清洗

10min左右，SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。经SPM清洗后，硅片表面会残留有硫化物，这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。由Ohnishi提出的SPFM(H2SO4/H2O2/HF)溶液，可使表面的硫化物转化为氟化物而有效地冲洗掉。由于臭氧的氧化性比H2O2的氧化性强，可用臭氧来取代H2O2(H2SO4/O3/H2O称为SOM溶液)，以降低H2SO4的用量和反应温度。H2SO4(98%):H2O2(30%)=4:1

1.1.2

DHF（HF(H2O2)∶H2O）

在20～25℃清洗30s

腐蚀表面氧化层，去除金属沾污，DHF清洗可去除表面氧化层，使其上附着的金属连同氧化层一起落入清洗液中，可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，但不能充分地去除Cu。HF：H2O2=1：50。

1.1.3

APM(SC-1)（一号液）（NH4OH∶H2O2∶H2O）

在65～80℃清洗约10min

主要去除粒子、部分有机物及部分金属。由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(Si02)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。此溶液会增加硅片表面的粗糙度。Fe，Zn，Ni等金属会以离子性和非离子性的金属氢氧化物的形式附着在硅片表面，能降低硅片表面的Cu的附着。体积比为(1

∶1∶5)~(1∶2∶7)的NH4OH

(27

%)、H2O2(30%)和H2O组成的热溶液。稀释化学试剂中把水所占的比例由1∶5增至1∶50，配合超声清洗，可在更短时间内达到相当或更好的清洗效果。

SC-1清洗后再用很稀的酸(HCl∶H2O为1∶104)处理，在去除金属杂质和颗粒上可收到良好的效果，也可以用稀释的HF溶液短时间浸渍，以去除在SC-1形成的水合氧化物膜。最后，常常用SC-1原始溶液浓度1/10的稀释溶液清洗，以避免表面粗糙，降低产品成本，以及减少对环境的影响。

1.1.4

HPM(SC-2)（二号液）（HCl∶H2O2∶H2O）

在65～85℃清洗约10min用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。H2O2会使硅片表面氧化，但是HCl不会腐蚀硅片表面，所以不会使硅片表面

37硅片的化学清洗总结的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性；在酸；①用HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附着在自然；②如硅表面外层的Si以H键结构，硅表面在化学上是；③因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0；④从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核；⑤在硅片表面形成的SiO2，在DHF清洗后被腐蚀；1.3.3SC-2洗液；(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中的Si几乎是以H键为终端结构.表面呈疏水性；在酸性溶液中硅表面呈负电位，颗粒表面为正电位，由于两者之间的吸引力粒子容易附着在晶片表面。

①用HF清洗去除表面的自然氧化膜，因此附着在自然氧化膜上的金属再一次溶解到清洗液中，同时DHF清洗可抑制自然氧化膜的形成故可容易去除表面的Al、Fe、Zn、Ni等金属。但随自然氧化膜溶解到清洗液中一部分Cu等贵金属(氧化还原电位比氢高)，会附着在硅表面，DHF清洗也能去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物。

②如硅表面外层的Si以H键结构，硅表面在化学上是稳定的，即使清洗液中存在Cu等贵金属离子也很难发生Si的电子交换，因Cu等贵金属也不会附着在裸硅表面。但是如液中存在Cl-、Br-等阴离子，它们会附着于Si表面的终端氢键不完全地方，附着的Cl-、Br-阴离子会帮助Cu离子与Si电子交换，使Cu离子成为金属Cu而附着在晶片表面。

③因溶液中的Cu2+离子的氧化还原电位(E0=0.337V)比Si的氧化还原电位(E0=-0.857V)高得多，因此Cu2+离子从硅表面的Si得到电子进行还原，变成金属Cu从晶片表面析出；另一方面被金属Cu附着的Si释放与Cu的附着相平衡的电子，自身被氧化成SiO2。

④从晶片表面析出的金属Cu形成Cu粒子的核。这个Cu粒子核比Si的负电性大，从Si吸引电子而带负电位，后来Cu离子从带负电位的Cu粒子核得到电子析出金属Cu，Cu粒子就这样生长起来。Cu下面的断一面供给与Cu的附着相平衡的电子一面生成Si02。

⑤在硅片表面形成的SiO2，在DHF清洗后被腐蚀成小坑，其腐蚀小坑数量与去除Cu粒子前的Cu粒子量相当腐蚀小坑直径为0.01～0.1cm，与Cu粒子大小也相当，由此可知这是由结晶引起的粒子，常称为Mip(金属致拉子)。

1.3.3

SC-2洗液

(1)清洗液中的金属附着现象在碱性清洗液中易发生，在酸性溶液中不易发生，并具有较强的去除晶片表面金属的能力，但经SC-1洗后虽能去除Cu等金属，但晶片表面形成的自然氧化膜的附着(特别是Al)问题还未解决。

(2)硅片表面经SC-2清洗后，表面Si大部分以O键为终端结构，形成成一层自然氧化膜，呈亲水性。

(3)由于晶片表面的SiO2和Si不能被腐蚀，因此不能达到去除粒子的效果。

如在SC-1和SC-2的前、中、后加入98%的H2SO4、30%的H2O2和HF。HF终结中可得到高纯化表面，阻止离子的重新沾污。在稀HCl溶液中加氯乙酸，可极好地除去金属沾污。表面活性剂的加入，可降低硅表面的自由能，增强其表面纯化。它在HF中使用时，可增加疏水面的浸润性，以减少表面对杂质粒子的吸附。

清洗技术的改进

2.1

SC-1液的改进

a.为抑制SC-1时表面Ra变大，应降低NH4OH组成比即NH4OH:H202：H20=0.05:1:1，当Ra=0.2nm的硅片清洗后其值不变在APM洗后的DIW漂洗应在低温下进行。

b.可使用兆声波清洗去除超微粒子，同时可降低清洗液温度，减少金属附着。

c.SC-1液中添加表面活性剂、可使清洗液的表面张力从6.3dyn/cm下降到19dyn/cm。选用低表面张力的清洗液可使颗粒去除率稳定维持较高的去除效率。使用SC-1液洗，其Ra变大，约是清洗前的2倍。用低表面张力的清洗液，其Ra变化不大(基本不变)。

d.SC-1液中加入HF，控制其pH值，可控制清洗液中金属络合离子的状态抑制金属的再附着，也可抑制Ra的增大和COP的发生。

e.SC-1加入鳌合剂可使洗液中的金属不断形成赘合物有利于抑制金属的表面的附着。

2.2

有机物的去除

(1)如硅片表面附着有机物，就不能完全去除表面的自然氧化层和金属杂质，因此清洗时首先应去除有机物。

(2)添加2~10ppmO3超净水清洗对去除有机物很有效，可在室温进行清洗而不必进行废液处理，比SC-1清洗的效果更好。

2.3

DHF的改进

2.3.1

HF+H202清洗

(1)HF

0.5%+H2O2

10%可在室温下清洗可防止DHF清洗中的Cu等贵金属附着。

(2)由于H202氧化作用可在硅表面形成自然氧化膜，同时又因HF的作用将自然氧化层腐蚀掉，附着在氧化膜上的金属被溶解到清洗液中。在APM清洗时附着在晶片表面的金属氢氧化物也可被去除。晶片表面的自然氧化膜不会再生长。

(3)Al、Fe、Ni等金属同DHF清洗一样，不会附着在晶片表面。

(4)对n+、P+型硅表面的腐蚀速度比n、p型硅表面大得多，可导致表面粗糙因而不能使用于n+、p+型硅片清洗。

(5)添加强氧化剂H202(E。=1.776V)，比Cu2+离子优先从5i中夺取电子，因此硅表面由于H202被氧化，Cu以Cu2+离子状态存在于清洗液中。即使硅表面附着金属Cu也会从氧化剂H202夺取电子呈离子化。硅表面被氧化形成一层自然氧化膜。因此Cu2+离子和5i电子交换很难发生，并越来越不易附着。

2.3.2

DHF+表面活性剂清洗

在HF

0.5%的DHF液中加入表面活性剂，其清洗效果与HF+H202清洗相同。

2.3.3

DHF+阴离子表面活性剂清洗

在DHF液中，硅表面为负电位，粒子表面为正电位，当加入阴离子表面活性剂，可使得硅表面和粒子表面的电位为同符号，即粒子表面电位由正变为负，与硅片表面正电位同符号，使硅片表面和粒子表面之间产生电的排斥力，可以防止粒子的再附着。

2.4

ACD清洗

2.4.1

AC清洗

在标准的AC清洗中，将同时使用纯水、HF，03，表面活性剂与兆声波。由于03具有非常强的氧化性，可以将硅片表面的有机沾污氧化为CO2和H2O，达到去除表面有机物的目的，同时可以迅速在硅片表面形成一层致密的氧化膜；HF可以有效的去除硅片表面的金属沾污，同时将03氧化形成的氧化膜腐蚀掉，在腐蚀掉氧化膜的同时，可以将附着在氧化膜上的颗粒去除掉，兆声波的使用将使颗粒去除的效率更高，而表面活性剂的使用，可以防止已经清洗掉的颗粒重新吸附在硅片表面。

2.4.2

AD清洗

在AD干燥法中，同样使用HF与03。整个工艺过程可以分为液体中反应与气相处理两部分。

首先将硅片放入充满HF/03的干燥槽中，经过一定时间的反应后，硅片将被慢慢地抬出液面；由于HF酸的作用，硅片表面将呈疏水性，因此，在硅片被抬出液面的同时，将自动达到干燥的效果。

在干燥槽的上方安装有一组03的喷嘴，使得硅片被抬出水面后就与高浓度的03直接接触，进而在硅片表面形成一层致密的氧化膜。

在采用AD干燥法的同时，可以有效地去除金属沾污。该干燥法可以配合其他清洗工艺来共同使用，干燥过程本身不会带来颗粒沾污。

2.5酸系统溶液

2.5.1

SE洗液

HNO3（60%）：HF(0.025%一0.1%)，SE能使硅片表面的铁沾污降至常规清洗工艺的十分之一，各种金属沾污均小于1010原子/cm2，不增加微粗糙度。这种洗液对硅的腐蚀速率比对二氧化硅快10倍，且与HF含量成正比，清洗后硅片表面有1nm的自然氧化层。

2.5.2

CSE洗液

HNO3：HF：H2O2=50：（0.5~0.9）：（49.5~49.1），35℃，3~5min。用CSE清洗的硅片表面没有自然氧化层，微粗糙度较SE清洗的降低；对硅的腐蚀速率不依赖于HF的浓度，这样有利于工艺控制。当HF浓度控制在0.1%时效果较好。

几种的清洗方案

3.1

硅片衬底的常规清洗方法

①

三氯乙烯（除脂）80℃，15分钟；

②

丙酮、甲醇20℃，依次2分钟；

③

去离子水流洗2分钟；

④

2号液(4∶1∶1)

90℃，10分钟；

⑤

去离子水流洗2分钟；

⑥

擦片(用擦片机)；

⑦

去离子水冲5分钟；

⑧

1号液(4∶1∶1)

90~95℃，10分钟；

⑨

去离子水流洗5分钟；

⑩

稀盐酸(50∶1)，2.5分钟；

去离子水流洗5分钟；

甩干(硅片)。

该方案的清洗步骤为:先去油，接着去除杂质，其中10步用于进一步去除残余的杂质(主要是碱金属离子)。

3.2

DZ-1、DZ-2清洗半导体衬底的方法

①

去离子水冲洗；

②

DZ-1

(95∶5)，50~60℃超声10分钟；

③

去离子水冲洗(5分钟)；

④

DZ-2

(95∶5)，50~60℃超声10分钟；

⑤

去离子水冲洗(5分钟)；

⑥

甩干或氮气吹干。

该方案中用电子清洗剂代替方案一中的酸碱及双氧水等化学试剂，清洗效果大致与方案一相当。

3.3

硅抛光片的一般清洗方法

①

无钠清洗剂加热煮三次；

②

热去离子水冲洗；

③

3号液；

④

热去离子水冲洗；

⑤

去离子水冲洗；

⑥

稀氢氟酸漂洗；

⑦

去离子水冲洗；

⑧

1号液；

⑨

去离子水冲洗；

⑩

甩干。

对于用不同的抛光方式(有蜡或无蜡)得到的抛光片，其被各种类型的污染杂质沾污的情况各不相同，清洗的侧重点也就各不相同，因此上述各清洗步骤的采用与否及清洗次数的多少也就各不相同。

3.4某一化学清洗流程

以下所有试剂配比均为体积比。所用有机试剂均是分析级试剂。部分试剂的浓度如下:w(H2O2)≥20%；w(HF)≥40%；w(H2SO4):95~98%.①

除脂

三氯乙烯溶液中旋转清洗3次，每次3

min；异丙醇中旋转清洗3次，每次3

min；去离子水漂洗3次；高纯氮气吹干；

②

氧化

在新配的H2SO4∶H2O2(1∶1)溶液中氧化3

min；在70℃温水中漂洗3

min(避免Si表面因骤冷出现裂纹)；去离子水中漂洗2次，每次3

min；

③

刻蚀

HF∶C2H5OH(1∶10)溶液中刻蚀3

min；C2H5OH中漂洗3次，每次3

min；高纯氮气吹干。

化学清洗后，把样品快速传入真空系统，这是因为H钝化的硅表面在空气中只能维持几分钟内不被重新氧化。若清洗后的Si片不能及时进入超高真空系统，可将清洗后的Si片放入无水C2H5OH中，这既可以延缓表面被氧化的速度，又可以避免清洗后的表面被空气中的杂质所污染。

传统的RCA清洗法

1.1

主要清洗液

1.1.1

SPM（三号液）（H2SO4∶H2O2∶H2O）

在120～150℃清洗

10min左右，SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。经SPM清洗后，硅片表面会残留有硫化物，这些硫化物很难用去粒子水冲洗掉。由Ohnishi提出的SPFM(H2SO4/H2O2/HF)溶液，可使表面的硫化物转化为氟化物而有效地冲洗掉。由于臭氧的氧化性比H2O2的氧化性强，可用臭氧来取代H2O2(H2SO4/O3/H2O称为SOM溶液)，以降低H2SO4的用量和反应温度。H2SO4(98%):H2O2(30%)=4:1

1.1.2

DHF（HF(H2O2)∶H2O）

在20～25℃清洗30s

腐蚀表面氧化层，去除金属沾污，DHF清洗可去除表面氧化层，使其上附着的金属连同氧化层一起落入清洗液中，可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，但不能充分地去除Cu。HF：H2O2=1：50。

1.1.3

APM(SC-1)（一号液）（NH4OH∶H2O2∶H2O）

在65～80℃清洗约10min

主要去除粒子、部分有机物及部分金属。由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(Si02)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。此溶液会增加硅片表面的粗糙度。Fe，Zn，Ni等金属会以离子性和非离子性的金属氢氧化物的形式附着在硅片表面，能降低硅片表面的Cu的附着。体积比为(1∶1∶5)~(1∶2∶7)的NH4OH

(27

%)、H2O2(30%)和H2O组成的热溶液。稀释化学试剂中把水所占的比例由1∶5增至1∶50，配合超声清洗，可在更短时间内达到相当或更好的清洗效果。

SC-1清洗后再用很稀的酸(HCl∶H2O为1∶104)处理，在去除金属杂质和颗粒上可收到良好的效果，也可以用稀释的HF溶液短时间浸渍，以去除在SC-1形成的水合氧化物膜。最后，常常用SC-1原始溶液浓度1/10的稀释溶液清洗，以避免表面粗糙，降低产品成本，以及减少对环境的影响。

1.1.4

HPM(SC-2)（二号液）（HCl∶H2O2∶H2O）

在65～85℃清洗约10min用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。H2O2会使硅片表面氧化，但是HCl不会腐蚀硅片表面，所以不会使硅片表面的微粗糙度发生变化。(1∶1∶6)~

(2∶1∶8)的H2O2(30%)、HCl(37%)和水组成的热混合溶液。对含有可见残渣的严重沾污的晶片，可用热H2SO4-H2O(2∶1)混合物进行预清洗。

1.2

传统的RCA清洗流程

1.3

各洗液的清洗说明

1.3.1

SC-1洗液

1.3.1.1

去除颗粒

硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(约6mm呈亲水性)，该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。

①自然氧化膜约0.6nm厚，其与NH4OH、H2O2浓度及清洗液温度无关。

②SiO2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快，其与H2O2的浓度无关。

③Si的腐蚀速度，随NH4OH的浓度升高而快当，到达某一浓度后为一定值，H202浓度越高这一值越小。

④NH4OH促进腐蚀，H2O2阻碍腐蚀。

⑤若H2O2的浓度一定，NH4OH浓度越低，颗粒去除率也越低，如果同时降低H2O2浓度可抑制颗粒的去除率的下降。

⑥随着清洗液温度升高，颗粒去除率也提高在一定温度下可达最大值。

⑦颗粒去除率与硅片表面腐蚀量有关为确保颗粒的去除要有一定量以上的腐蚀。

⑧超声波清洗时由于空化现象只能去除≥0.4μm颗粒。兆声清洗时由于0.8Mhz的加速度作用能去除≥0.2μm颗粒，即使液温下降到40℃也能得到与80℃超声清洗去除颗粒的效果，而且又可避免超声清洗对晶片产生损伤。

⑨在清洗液中硅表面为负电位有些颗粒也为负电位，由于两者的电的排斥力作用可防止粒子向晶片表面吸附，但也有部分粒子表面是正电位，由于两者电的吸引力作用，粒子易向晶片表面吸附。

1.3.1.2

去除金属杂质

①由于硅表面氧化和腐蚀，硅片表面的金属杂质，随腐蚀层而进入清洗液中。

②由于清洗液中存在氧化膜或清洗时发生氧化反应，生成氧化物的自由能的绝对值大的金属容易附着在氧化膜上。如:Al、Fe、Zn等便易附着在自然氧化膜上而Ni、Cu则不易附着。

③Fe、Zn、Ni、Cu的氢氧化物在高pH值清洗液中是不可溶的有时会附着在自然氧化膜上。

④清洗后硅表面的金属浓度取决于清洗液中的金属浓度。其吸附速度与清洗液中的金属络合离子的形态无关。

⑤清洗时，硅表面的金属的脱附速度与吸附速度因各金属元素的不同而不同。特别是对Al、Fe、Zn。若清洗液中这些元素浓度不是非常低的话清洗后的硅片表面的金属浓度便不能下降。对此在选用化学试剂时按要求特别要选用金属浓度低的超纯化学试剂。

⑥清洗液温度越高，晶片表面的金属浓度就越高。若使用兆声波清洗可使温度下降有利去除金属沾污。

⑦去除有机物

由于H2O2的氧化作用，晶片表面的有机物被分解成CO2、H2O而被去除。

⑧微粗糙度Ra

篇3：机械手在硅片清洗机中的应用

硅片清洗机一般由清洗槽、机械手、人机界面和电控柜等几部分组成。工艺流程如图1所示, 先将插在载片盒中的硅片手动放在订制的提篮中, 设备通过传送装置并通过设备的机械手将提篮依次放在每个清洗槽中进行清洗, 最后进入烘干炉进行烘干而得到干燥且干净的硅片, 从而进入下一道工序进行包装。

在硅片清洗机整个的生产运行过程中, 装载着载片盒的提篮在不同水槽内的运动需要靠机械手来完成。机械手的运动有两个方向, 一个是按照设备纵向轴线水平移动, 每个水槽作为一个工位, 自动状态下机械手会停在相应的工位;另一个方向是沿着机械手自身的与地面垂直的方向上下运动, 目的是对提篮进行升降操作。机械手水平运动的机械结构是齿轮齿条式的, 由伺服电机带动齿轮, 通过齿轮齿条副的啮合实现行走, 垂直运动的机械结构是滚珠丝杠式, 由直线导轨支撑的。因此, 机械手对于此设备的作用非常重要, 其运行的准确性和稳定性都必须有可靠的保证才能使整个设备可靠地运行。

1 系统存在问题分析及改进方案

1.1 存在问题分析

在水平运动中, 机械手需要不断地停在每个清洗槽进行提篮的吊起和放置的工作, 而且每个槽内的硅片清洗的时间是有工艺要求的, 按照预先设定好的时间完成清洗后, 机械手就需要负责将这个提篮从这个槽内吊起, 并放入下一个槽内继续进行清洗。为了实现以上的工作, 需要在每个清洗槽的后面也就是齿条轨道上安装光电式的限位开关。

依靠光电开关定位机械手启停槽位是此种工况较常用的解决方案, 制造成本相对较低, 但是机械手的运行精度较低, 启停位置完全取决于光电开关的位置和其感应的灵敏度。如果光电开关的支架在长时间使用过程中出现松动的问题, 感应头和挡片之间的缝隙会变大, 从而会影响的感应效果, 会造成感应位置不准确, 机械手行走不到位, 甚至造成机械手错过目的槽位的情况, 造成不必要的生产事故。

1.2 改进方案

鉴于以上情况, 还有一种比较好的工程解决方案, 就是采用电机加装编码器, 它可以直接将距离转化成转角, 通过脉冲信号输出。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B、Z相, A、B两组脉冲相位差90°, C、Z为每转一个脉冲, 用于基准点定位, 增量式编码器构造简单, 机械平均寿命可在几万小时以上, 抗干扰能力强, 可靠性高, 特点是需要对脉冲进行计数[1]。欧姆龙型号为E6B2-CWZ6C编码器相应频率能达到100 k Hz, 分辨率最高3600脉冲/转, 有A、B、Z三路信号, 采用TTL电平, A脉冲在前, B脉冲在后, A、B脉冲相差90°, 每圈发出一个Z脉冲, 可作为参考机械零位。

在设备调试阶段需要手动将电机编码器与定义好的水槽的位置进行识别, 确认好此位置对于机械手到位后机械臂装、卸篮的升降有无障碍, 完全调试好后, 即可进行全自动状态的运行。此种方式机械手的定位完全是数字式的, 可以精确到1%, 这取决于编码器的分辨率。而且不用安装光电开关, 避免了光电开关精度不高容易松动需要经常维护的问题。因此, 对于设备稳定性要求更加可靠, 设备运行精度要求较高的工况下, 可以选用此种编码器控制的方式。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计及连线

机械手水平移动系统采用闭环控制, 触摸屏为人机操作界面, 西门子S7-300为控制器、MM440变频器为执行机构、旋转编码器为反馈装置、水平方向电机为控制对象, 硬件接线图如图2所示, 控制核心为西门子S7-300系列PLC, 它是模块化的中小型PLC, 为了完成输入输出点的连接, 还需配置电源模块PS307、数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322和通信模块等。变频器采用西门子MM440, 它能够把矢量的控制达到一个很高的性能, 输出是低速度、高转矩还有非常优秀的动态性能, 而且拥有非常强力的过载性能。由于控制系统有高速和低速运行需要, 因此采用多段变频控制的方式。先恢复变频器参数为出厂设置, 再设置变频器参数。

PLC根据程序运行的结果给变频器发出向左 (向右) 和高速 (低速) 运行的指令, 变频器启动电机旋转, 通过齿轮齿天机构拖动水平方向运动, 同时编码器检测到电机的旋转信号并将其转化成脉冲信号反馈给PLC的输入单元, 通过PLC的程序执行, 将结果存入PLC的输出单元, 控制变频器。

2.2 PLC控制程序的设计

2.2.1 槽位位置的确定

通过与水平机构电机同轴安装的编码器, 在机械手水平左右移动时输出与电机转速及水平位移成比例的脉冲数, 引入到PLC的计数器的输入端进行脉冲计数。设每个清洗槽的距离为L, 按照公式 (1) 转化成脉冲数[2]:

式中, I为脉冲数, L为槽间距, S为计数精度, S由公式 (2) 计算:

式中:D为曳引轮节圆直径, i1为曳引减速箱减速比 (传动比) , i2为曳引比, P为电动机每转脉冲数。

当计数器的数值与设定值一致时发出中断信号, 根据当前距离与目标距离的差值, 向变频器发出相应的升或降信号, 以控制水平电机的加速、保持、减速和停车。

2.2.2 槽位位置程序设计

编程软件STEP7是用于SIMATIC的plc s7-300创建程序的标准软件, 程序可以使用梯形图逻辑 (LD) 、顺序功能图 (SFC) 和功能模块 (FBD) 进行编程操作。

机械手需要在多个清洗槽之间完成动作, 由于在每个清洗槽位置上完成的动作相同, 因此就以超声清洗为例, 说明机械手的控制要求及程序。机械手在每个工位需要完成以下动作。

(1) 机械手水平机构前伸; (2) 机械手垂直机构下降; (3) 手爪张开, 放下硅片; (4) 清洗完成后, 手爪夹紧; (5) 机械手垂直机构上升。

每个工步之间转换的条件是编码器计数和限位开关。文章主要改进的是水平方向的运动, 因此只列举了水平方向的PLC梯形图程序, 如图3所示, 将编码器采集的信号给PLC内部的计数器, 并将结果存在辅助寄存器M2.0中, 再将这个数值转化为每分钟的转数, 进行升速和减速的判断, 结果给变频器的多段变频控制, 实现速度和位置的判断。

3 结语

通过对机械手水平方向的改进, 采用PLC、变频器和编码器控制的机械手, 有效提高了系统的控制精度, 满足了控制要求, 同时PLC控制系统具有较大的灵活性, 可以根据不同的工况进行系统的升级改造。

摘要：硅片清洗机是太阳能行业中硅片制造环节的一种重要的自动化设备, 它的主要作用是将多线切割机生产出来的多晶硅或者单晶硅片清洗干净并进行烘干, 以达到进行最终硅片包装的目的。根据硅片清洗机的工艺流程和控制要求, 分析了清洗机的机械手存在的缺陷, 提出采用编码器代替限位开关的改造方案, 并采用PLC、变频器完成了机械手的控制。

关键词：机械手,编码器,PLC

参考文献

[1]罗平, 罗志勇, 岂兴明, 等.西门子S7-300/400工程实例讲解[M].北京:人民邮电出版社, 2012:91.