化学清洗与安全介绍

在半导体器件工艺实验中．化学清洗是指清除吸附在半导体、金属材料以及用具表面上的各种有害杂质或油污。清洗方法是利用各种化学试剂和有机熔剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应和溶解作用，或伴以超声．加热、抽真空等物理措施，使杂质从被清洗物体的表面脱附（或称解吸），然后用大量高纯冷热去离子水冲洗，从而获得洁净的物体表面。
　　1.1化学清洗的重要性
　　工艺实验中每个实验都有化学清洗的问题，化学清洗的好坏对实验结果有严重的影响，处理不当，则得不到实验结果或实验结果不好。因此弄清楚化学清洗的作用和原理，对做好工艺实验有着重要的意义。大家知道，半导体的重要特性之一是对杂质十分敏感，只要有百万分之一，甚至微量的杂质，就会对半导体的物理性质有所影响，我们就是利用这一特性，通过掺杂的方法．制作各种功能的半导体器件。但也由于这一特性，给半导体器件工艺实验带来麻烦和困难．所使用的化学试剂、生产工具，清洗用的水等都可能成为有害杂质的沾污源．即使是清洁的半导体晶片，较长时间暴露于空气之中．也会引入明显的杂质沾污。化学清洗就是消除有害杂质沾污，保持硅片表面清洁。
　　1.2化学清洗的范围
　　化学清洗主要包括三个方面的清洗，一是硅片表面的清洗；二是使用的金属材料（如作蒸发电极用的钨丝，作蒸发垫板用的钼片、作蒸发源用的铝合金，制铬板用的铬等）的清洗；三是所用工具、器皿（如金属镊子．石英管、玻璃容器、石墨模具、塑料和橡胶制品等）的清洗。
　　1.3硅片表面沾污杂质的类型
　　（1）分子型杂质吸附
　　以分子形式吸附在硅片表面上的典型沾污杂质，主要是天然或合成油脂、树脂和油类等物质。在衬底制备中的切、磨、抛引入的杂质多属于此种类型。此外，操作者手指上的油脂，光刻胶以及有机溶剂的残渣等也均属于这一类型。
　　分子型杂质吸收的特点是它们与硅片表面的接触通常是依靠静电引力来维持，是一种物理吸附现象。由于天然或合成油脂、树脂和油类的分子一般以非极性分子存在，它是靠杂质的中性分子与硅片表面硅原子没有被平衡的那部分剩余力相互吸引而结合的。结合的力与分子型晶体结构中分子与分子间存在的范德瓦耳斯力是一样的。这种吸引力比较弱，它随着分子间距的增加很快被削弱，所以这种力所涉及的范围只不过在2～3×10－8厘米（即2－3埃）左右，也就是象分子直径那么大小的距离，因此要彻底清除这些分子型杂质是比较容易的。分子型杂质的另一个重要特点是，大多是不溶于水的有机化合物，当它们吸附在硅片表面时将使硅片表面呈现疏水性，从而妨碍了去离子水或酸、碱溶液与硅片表面的有效接触，使得去离子水或酸．碱溶液无法与硅片表面或其它杂质粒子相互作用，因此无法进行有效的化学清洗。
　　（2）离子型杂质吸附
　　以离子形式吸附在硅片表面的杂质一般有K+、Na+、Ga2+、Mg2+、Fe2+、H+、（OH）-、F-、Cl-、S2-、（CO3）2-等。这类杂质的来源最广,可以来自于空气、用具和设备、化学药品、纯度不高的去离子水、自来水、操作者的鼻和嘴呼出的气体、汗液等各个方面。
　　离子型杂质吸附多属于化学吸附的范畴，其主要特点是杂质离子和硅片表面之间依靠化学键力相结合，这些杂质离子与硅片表面的原子所达到的平衡距离极小，以至于可以认为这些杂质离子已成为硅片整体的一部分。根据化学吸附杂质的性质，有的可以是晶格自由电子的束缚中心，充当电子的陷阱，起着受主的作用；有的可以作为自由空穴的束缚中心，起着施主的作用。由于化学吸附力较强，所以对这种杂质离子的清除较之分子型杂质困难得多。
　　（3）原子型杂质吸附
　　以原子形式吸附在硅片表面形成沾污的杂质．主要是指如金、银、铜、铁、镍等金属原子。这些金属原子一般是来自于酸性的腐蚀液，通过置换反应将金属离子还原成为原子而吸附在硅片表面。
　　原子型杂质吸附力最强,比较难以清除。兼之金、铂等重金属原子不容易和一般酸、碱溶液起化学反应，因此必须采用诸如王水之类的化学试剂，使之形成络合物并溶于试剂中，然后才能用高纯去离子水冲除。
　　1.4硅片清洗的一般程序
　　通过上面分析，分子型杂质比较容易清除。这种杂质的存在，对于清除离子型和原子型杂质具有掩蔽作用。因此在对硅片进行化学清洗时，首先应该把它们清除干净。
　　离子型和原子型吸附的杂质属于化学吸附杂质，其吸附力都较强，在一般情况下，原子型吸附杂质的量较小，而且它们不和酸、碱发生化学反应，必须用王水或酸性双氧水才能溶除。王水和酸性双氧水还能溶除离子型杂质，因此在化学清洗时，一般都采用酸、碱溶液或碱性双氧水先清除掉离子型吸附杂质，然后再用王水或酸性双氧水清除残存的离子型杂质及原子型杂质。最后用高纯去离子水冲洗干净。
　　综上所述，清洗硅片的一般程序为：去油→去离子→去原子→去离子水冲洗
　　每个实验前，硅片都必须进行化学清洗。但由于每次清洗前硅片表面情况不一样，因此每次清洗所用的化学药品，清洗的侧重点就不一样，具体的清洗过程存在着灵活性。所以必须根据具体情况，考虑清洗的实际效果，确定每次清洗工作的具体方法和步骤。
　　1.5常用金属和器皿的清洁处理
　　实验中所用的金属材料和用具也是硅片受沾污的主要原因之一．为了保证硅片表面清洁。必须认真做好金属和器皿的清洁处理工作。金属和器皿的清洗的一般原则是，首先应该清洗油脂类物质，然后用酸、碱或洗液和王水腐蚀清洗或清洗，最后用高纯去离子水冲洗干净。
　　2安全知识
　　实验中经常使用各种化学药品和气体。其中有些是易燃品，易爆品，毒品，以及酸碱等腐蚀品。如果使用不当，会发生事故。首先要避免事故－发生，万一出了事故，不要惊慌失措，要及时采取正确措施，排除故障。
　　2.1有机溶剂的安全使用
　　常用的有机溶剂有甲苯、丙酮、乙醇、丁酮、三氯乙烯、四氯化碳等。这些有机溶剂大多易燃，遇高温或明火时会燃烧，要贮存在阴凉处，不要靠近火源。使用时不要直接放在电炉上加热，若需加热，一般采用水浴加热，如果万一着火，可用湿布或细沙扑灭，最好用二氧化碳、四氯化碳灭火机或泡沫灭火机灭火，不要用水浇或用含水的酸碱灭火机喷射。
　　这些有机溶剂易挥发，并有不同程度的毒性，因此使用时应在通风橱中操作，加强排气。
　　2.2酸碱的安全使用
　　实验中常用硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸和王水等强酸溶液及氢氧化纳、氢氧化钾等强碱溶液。它们对人体及衣物有强烈的腐蚀作用，因此必须注意安全使用。
　　（1）有酸、碱蒸气的地方要安装良好的通风排气设备。
　　（2）操作者要穿戴适当的防护服（如橡皮手套，戴口罩等）。
　　（3）严禁用嘴将酸、碱等液体吸入移液管内，应该使用带橡皮球的移液管去吸取。
　　（4）搬运时要谨慎，防止酸、碱瓶倾倒或破裂，起封时瓶口应向无人的地方。
　　（5）稀释硫酸时必须将硫酸慢慢注入水中，切勿把水倒入硫酸。
　　（6）中和浓酸或浓碱时．必须先将它们倒入水中稀释，然后再用碱或酸溶液进行中和。
　　（7）盛过强酸、强碱的容器，应先倾倒干净，用水冲洗多遍，然后再进行一般清洁处理。
　　如果受到酸碱灼伤，首先用大量水冲洗，万一有酸碱溅入眼内时，应速用大量自来水冲洗眼睛。不管严重灼伤还是溅入眼，冲洗后，立即到医院治疗。
　　2.3气体的安全使用
　　使用的气体一般用钢瓶贮送或用输气管道输送。有些气体混合时，容易引起燃烧或爆炸。
　　为便于识别气瓶中装何种气体，常用不同颜色和字样来标明各种气体所用钢瓶，此外还标着气体名称的字样。
　　气瓶内的气体通常具有较高的气压，新装的气瓶内的气压约150公斤/厘米2左右，因此存放和使用时应注意安全。
　　（1）夏季不要把气瓶放在日光曝晒的地方。存放气瓶的附近禁放易燃物品和使用火源。
　　（2）对于装有相互接触能引起燃烧或爆炸的气瓶（如氢、氧气瓶）必须分开单间存放，避免由于漏气等引起事故。
　　（3）气瓶内的气体不能全部用完，一般应留下一定的剩余气体。
　　（4）气瓶嘴及搬子严禁沾染油脂。
　　（5）使用氢气时必须用惰性气体赶净设备内的空气，检查系统是否漏气，要装回火装置。
　　2.4有毒物质的安全使用
　　在实验中用到有毒化学试剂和化合物时应注意防止中毒。其安全使用的原则是：
　　（1）操作应在通风橱内进行，用完的残渣残液应处理后倒在安全处。
　　（2）操作者应带口罩、手套，严禁与皮肤接触和误入口中。
　　（3）实验完毕手套必须用水冲洗干净后才能脱掉。