化学清洗所用的化学溶液种类繁多,具体选择取决于需要去除的污染物类型、基材性质以及工艺要求。以下是半导体和相关行业中常用的化学清洗液及其典型应用:
一、基础酸性清洗剂
1. 氢氟酸(HF)
功能:唯一能与二氧化硅(SiO₂)快速反应的强酸,用于去除自然氧化层或有意生长的栅极氧化膜。
配方示例:缓冲氧化物刻蚀液(BOE)= HF:NH₄F:H₂O(比例可调,如1%HF+缓冲剂)。
安全提示:剧毒且腐蚀性极强,需在防腐蚀通风柜中操作,并佩戴护目镜/手套。
2. 盐酸(HCl)
作用:溶解金属离子污染物(如钠、钾)、分解某些难溶性盐类残留物。常用于铝制程后的清洗以去除铝腐蚀产物。
混合方案:与双氧水(H₂O₂)组成“Piranha溶液”(浓硫酸型更安全),增强氧化能力。
3. 硝酸(HNO₃)
特性:强氧化性酸,适用于剥离厚重的光刻胶层及有机污染物炭化处理。对金属杂质也有络合作用。
注意:易挥发产生有害气体NOₓ,需严格控制温度。
二、碱性清洗体系
1. 氨水(NH₄OH)
核心用途:配合过氧化氢形成RCA标准流程中的SC1溶液,有效分解有机物并悬浮颗粒物。
反应式:NH₄OH + H₂O₂ → 自由基·OH + 其他活性物种,攻击碳氢键断裂大分子链。
优势:对硅衬底损伤极低,适合预处理步骤。
2. 四甲基氢氧化铵(TMAH)
应用场景:替代传统苛性碱的水溶液,用于剥离正胶或负性光刻胶而不损伤铝互连线。挥发性强,便于后续干燥。
缺点:长期接触可能导致皮肤灼伤,需密闭系统输送。
3. 单乙醇胺(MEA)
特殊功能:作为缓蚀剂添加到碱性槽液中,保护铜互连结构免受过度腐蚀。常用于先进封装工艺后的清洗。
三、氧化型清洗液
1. 硫酸双氧水混合物(SPM)
组成:H₂SO₄ + H₂O₂(体积比通常为4:1)。高温下可去除顽固金属污染和有机沾污。
机理:过氧化氢分解产生的原子氧具有强亲电性,能氧化分解大多数有机化合物至CO₂和H₂O。
2. 臭氧化去离子水(O₃/DIW)
环保方案:在线生成臭氧注入超纯水,利用臭氧的高反应活性破坏有机物分子结构。适用于敏感器件的最终漂洗步骤。
优点:无残留离子污染,减少废水处理负担。
四、络合剂与螯合型溶液
1. 乙二胺四乙酸(EDTA)
作用机制:通过配位键稳定过渡金属离子(Fe³⁺、Cu²⁺等),防止其在晶圆表面形成沉淀。常作为添加剂融入其他酸液提高金属去除效率。
典型应用:清洗CMP抛光后的钨塞孔洞内部残留浆料中的金属颗粒。
2. 柠檬酸三钠(Sodium Citrate)
生物基选项:可降解的绿色螯合剂,用于去除钙镁沉积物而不引入卤素污染风险。适合MEMS器件微流控通道疏通。
五、溶剂型清洗液
化学品主要用途物理特性安全警示NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶解交联型光刻胶、树脂类残渣高沸点(~200℃),低挥发性神经毒性,需防吸入PGMEA(丙二醇甲醚醋酸酯)边缘珠粒去除、先进封装助焊剂清理低表面张力,良好润湿铺展性易燃液体,远离明火DMAC(二甲基乙酰胺)聚酰亚胺固化前的预清洗强极性非质子溶剂刺激呼吸道,通风必备六、特殊工艺专用配方
1. 稀释的氟化铵溶液(NH₄F)
精准控制应用:选择性蚀刻Si₃N₄掩膜而不影响下层多晶硅层,用于DRAM电容孔的形成过程监控。
2. 王水(Aqua Regia)
极端情况使用:由浓盐酸与浓硝酸按3:1混合而成,能溶解金、铂等贵金属。仅用于特殊材料体系的异常处理。
3. TMAH+表面活性剂复合体系
多层结构清洗:针对3D NAND闪存堆叠结构的层间残胶剥离,添加非离子型表面活性剂降低界面张力实现深层渗透。
七、选择原则与优化方向
兼容性优先:确保化学品不与目标材料发生不可逆反应(如铝遇碱迅速腐蚀);
废液可处理性:含氟废水需经石灰沉淀法预处理后再排放;重金属络合物应回收再利用;
成本效益比:高纯度试剂价格昂贵但杂质含量低,适合关键工序;工业级原料可通过精馏提纯重复使用;
自动化适配性:在线混配系统可实时调节pH值/浓度,提升批次稳定性并减少人工干预误差。
八、行业趋势与创新
替代溶剂开发:超临界CO₂流体清洗技术减少有机溶剂依赖;
纳米粒子催化:负载型TiO₂催化剂辅助光催化降解有机污染物;
机器学习优化:基于历史数据的AI算法推荐最佳配方组合,缩短工艺调试周期。
通过合理选择和使用化学清洗液,结合先进的设备控制技术,可以实现从原子级洁净度到微观形貌控制的全面优化,满足不同应用场景的需求。