CN108655101A - 一种红光GaAs晶片的清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红光GaAs晶片的清洗方法，属于半导体加工技术领域，包括以下基本步骤(1)用刀片沿解理边垂直方向匀速刮晶片表面；(2)擦片处理；(3)进行超声清洗；(4)使用去离子水冲洗；(5)用硫酸双氧水混合溶液进行清洗；(6)使用去离子水冲洗；(7)使用甩干机甩干或热氮烘干机烘干；利用本发明的方法和器具能有效去除GaAs晶片外延层表面的GaP的凸起缺陷，使表面平整光滑，有效降低后续光刻工步中因为接触式曝光而导致的裂片率高的情况，同时也可有效去除掉表面一些粘附性极强的有机物和脏污。
Description
技术领域
本发明涉及一种红光GaAs晶片的清洗方法，属于半导体加工技术领域。
背景技术
砷化镓是现阶段应用非常广泛的一种重要的半导体材料，属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体，属闪锌矿型晶格结构，熔点为1237℃，禁带宽度1.4电子伏，晶格常数为5.65×10-10m，是一种性能优异的电子信息功能材料，基于以上的原因，GaAs的应用极其广泛。例如，以GaAs材料为基础制出的高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。砷化镓材料也可以通过加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应，以此来制作成光电元件。GaAs作为光电元件应用时，通常应用在家用电器、工业仪表、大屏幕显示、办公自动化设备、交通管理等方面。此外，GaAs材料也广泛应用在武器装备领域，例如电子战***、卫星通讯***、C3I***、卫星导航***、相控阵雷达、精确制导、电子对抗、超高速军用或野外用大型计算机等军事电子领域中往往采用GaAs器件及集成电路。
目前，红光LED普遍采用GaAs作为生长外延层的衬底，使用GaAs作为红光LED的衬底相对于传统的硅材料相比，它的电子移动率约为硅材料的5.7倍，它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性。随着半导体市场对晶片的产出良率的要求越来越高，所以就对生长有外延层的砷化镓衬底的清洗质量的有着更高的要求，因为晶片表面的平整度直接影响到之后的加工工艺以及晶片的裂片率，表面的有机物残留非常容易直接影响到晶片的光电参数和外观效果。以GaAs为衬底的外延生长主要为利用MOCVD在GaAs衬底上生长N型限制层、量子阱、P型限制层等，最外侧表面为GaP，生长过程中受生长速度、生长温度波动等的影响，在生成最外侧GaP后容易在表面产生凸起，由于GaAs晶片厚度很薄，在后续接触曝光的过程中，曝光仪器压在晶片上，容易因表面不平整而出现裂片现象。而现在普遍采用硫酸双氧水的混合溶液进行清洗，有的也采取氨水双氧水的混合溶液进行清洗，如中国专利文件(申请号201010513860.7)公开了化合物半导体晶片的清洗方法，尤其是以砷化镓(GaAs)为代表的III-V族化合物半导体晶片的清洗方法，包括用稀释氨水、过氧化氢和水体系处理晶片，去离子水冲洗后再用一种稀酸或稀碱溶液处理晶片等。但这样的清洗方法无法清理晶片表面因为外延生长不均匀导致的GaP凸起。
发明内容
针对现有技术采用有机溶剂超声加热清洗方法存在的清洗不完全、裂片率高的缺陷，本发明提供了一种清洗完全且能有效降低裂片率的红光GaAs清洗工艺。
术语解释
解理边：外延层表面的直线边，与外延片晶向垂直的平边，以此调整刀片方向。
常温：本发明所述的常温为18～26℃。
GaAs晶片：本发明所述GaAs晶片为在GaAs衬底上按常规工艺生长外延层后的晶片。
本发明的技术方案如下：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，所述红光GaAs晶片包括GaAs衬底和衬底上的外延层，所述外延层的最上面为GaP层，包括步骤：
(1)刮片：沿GaAs晶片解理边垂直方向用刀片匀速刮所述晶片表面，刀片与所述晶片表面的角度为30°-60°，刮掉所述晶片的GaP层表面凸起颗粒；
(2)擦片处理：用浸有有机溶液的棉球擦拭步骤(1)处理后的GaAs晶片表面1-3遍，每遍换用新棉球；
(3)超声：将步骤(2)处理完成的GaAs晶片置于氨水双氧水混合溶液中，进行超声处理1.5-10分钟，超声波频率为10-50KHz，超声加热温度50-90℃；
(4)水洗：将步骤(3)处理完成的GaAs晶片用去离子水冲洗3-5分钟；
(5)溶液清洗：将步骤(4)处理完成的GaAs晶片置于硫酸-双氧水混合溶液中涮洗25-60秒；
(6)水洗：将步骤(5)处理完成的GaAs晶片用去离子水冲洗3-5分钟；
(7)干燥：将步骤(6)处理完成的GaAs晶片在甩干机内甩干或者使用热氮烘干机烘干。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述刀片移动的速度为0.8-1.2cm/s。进一步优选1cm/s。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述刀片一端连接有固定杆，固定杆通过连接杆和气缸连接有移动架，移动架通过滚柱丝杠与座架相连。刀片体积小，通过固定杆延伸固定，利用滚柱丝杠使移动架在座架上水平移动，从而通过连接杆和气缸带动刀片移动进行刮片，连接杆与固定杆铰接，气缸可通过伸缩调节刀片角度。
根据本发明优选的，步骤(2)擦片处理时，先将GaAs晶片水平摆放整齐，使用玻璃棒固定住晶片解理边。
根据本发明优选的，步骤(2)中所述的有机溶液为无机碱溶液、碱性盐溶液中的一种或多种混合；无机碱溶液为NaOH或Ca(OH)2，其中NaOH或Ca(OH)2的质量百分浓度为10％～60％；碱性盐溶液为Na2CO3或NaHCO3，其中Na2CO3或NaHCO3的质量百分浓度为10％～60％。
根据本发明优选的，步骤(2)中擦片后冲洗去离子水。将晶片表面的残留有机物冲洗干净。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述的超声处理的超声波频率为20-30KHz。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述氨水双氧水的混合溶液中氨水：双氧水的体积比为1:(0.2～1)，混合溶液温度为常温。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述的氨水浓度为25％～28％质量分数，双氧水浓度为30％质量分数。
根据本发明优选的，步骤(5)中所述硫酸双氧水的混合溶液中硫酸：双氧水的体积比为1:(0.2～1)，混合溶液温度为50～70℃。
根据本发明优选的，步骤(7)中，使用热氮烘干机烘干时，氮气纯度≥99.999％；氮气压力为0.1-0.3MPa。
本发明所述GaAs衬底上生长外延层的工艺不同于其余如蓝宝石上生长外延层的工艺，GaAs上生长外延层的工艺有时会因为生长工艺的原因表面有GaP凸起，常规清洗往往只注重清洗掉表面粘附的有机物和无机物的污染，而不能去除掉外延层表面的GaP凸起，而GaP凸起过多会对后面的工步增加裂片的风险，利用本发明步骤去掉GaP凸起，有助降低裂片率。
本发明有益效果如下：
1、利用本发明的方法和器具能有效去除GaAs晶片外延层表面的GaP的凸起缺陷，使表面平整光滑，有效降低后续光刻工步中因为接触式曝光而导致的裂片率高的情况，同时可以去除掉表面一些粘附性极强的有机物和脏污。
2、蘸有碱性溶液的棉球擦片方法可以有效去除刮片刮不掉的晶片表面粘附性较强的油污和脏污以及刮片后的残留物；之后使用氨水双氧水混合溶液配合超声进一步清洗，可更好清洗掉表面残留脏污。
3、使用硫酸双氧水混合溶液进行进一步清洗可以保证表面彻底清洗掉表面的有机物和残留的脏污。
4、本发明降低裂片率的措施操作简单、装置高效便捷、成本很低，可控性强。
附图说明
图1为本发明的清洗步骤流程图；
图2为本发明的刀片结构示意图；
其中：1、刀片，2、固定杆，3、连接杆，4、气缸，5、移动架，6、座架，7、滚珠丝杠。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，本实施例中在GaAs衬底上用常规方法生长外延层，外延层最外表面材料为GaP，清洗方法包括采用刮片去除GaAs表面外延层的GaP凸起缺陷，物理擦片配合氨水双氧水溶液超声的步骤去除晶片表面粘附性较强的脏污及油污，然后采用硫酸双氧水溶液去除表面残留的脏污及油污。
包括以下步骤：
(1)刮片：将晶片摆放到超净台上，下面垫上无尘布，用刀片沿解理边垂直方向匀速刮晶片表面，控制刀片移动速度为1cm/s，刀片与晶片表面的角度保持在45°，刀片遇到GaP凸起颗粒时需增加刮片力度确保晶片表面颗粒都被刮掉，刮后注意用卤素灯检查是否有划伤，如刀片表面有毛刺需进行刀片更换；
(2)擦片：将步骤(1)处理完成后的GaAs晶片水平摆放整齐，使用玻璃棒固定住晶片解理边，用镊子夹取蘸有有机溶液的棉球沿与解理边垂直方向均匀擦拭晶片表面，每个晶片用棉球擦拭三遍，每遍换用尚未使用的新棉球，有机溶液为Na2CO3溶液，Na2CO3溶液的配置比例为200g Na2CO3：300ml水；将擦片结束的晶片放入花篮用去离子水冲洗5分钟；
(3)超声：将步骤(2)处理完成的GaAs晶片放入氨水双氧水混合溶液中超声处理90s，并每30s上下晃动花篮，其中氨水：双氧水的体积比为1:0.6，氨水的浓度为25％质量分数，双氧水浓度为30％质量分数，超声频率为30KHz，超声加热温度50℃；
(4)水洗：将步骤(3)处理完成的GaAs晶片使用去离子水清洗晶片5分钟；
(5)溶液清洗：将步骤(4)处理完成的GaAs晶片放入硫酸双氧水的混合溶液中清洗，在溶液中要上下提动花篮，在混合溶液中清洗60s，其中硫酸：双氧水的体积比为1:0.4，双氧水浓度为30％质量分数，硫酸的浓度为98％质量分数，混合溶液温度为50℃；
(6)水洗：将步骤(5)处理完成的GaAs晶片使用去离子水清洗晶片5分钟；
(7)干燥，将步骤(6)处理完成的GaAs晶片在甩干机内甩干。
实施例2：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中刀片与晶片表面的角度为30°。
实施例3：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中刀片与晶片表面的角度为60°。
实施例4：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，刀片一端连接有固定杆，如图2所示，固定杆通过连接杆和气缸连接有移动架，移动架通过滚柱丝杠与座架相连。刀片体积小，通过固定杆延伸固定，利用滚柱丝杠使移动架在座架上水平移动，从而通过连接杆和气缸带动刀片移动进行刮片，连接杆与固定杆铰接，气缸可通过伸缩调节刀片角度，在进行步骤(1)的过程中，机械移动可避免人工移动时速度、力度不便掌握的缺点。
实施例5：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中有机溶液为NaOH溶液，其中NaOH的质量百分浓度为10％。
实施例6：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中有机溶液为NaOH溶液，其中NaOH的质量百分浓度为60％。
实施例7：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中有机溶液为Ca(OH)2溶液，其中Ca(OH)2的质量百分浓度为10％。
实施例8：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中有机溶液为Ca(OH)2溶液，其中Ca(OH)2的质量百分浓度为60％。
实施例9：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中有机溶液为NaHCO3溶液，其中NaHCO3的质量百分浓度为10％。
实施例10：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中有机溶液为NaHCO3溶液，其中NaHCO3的质量百分浓度为60％。
实施例11：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中超声频率为20KHz。
实施例12：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中超声频率为10KHz，超声加热温度90℃。
实施例13：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中超声频率为50KHz，超声处理10分钟。
实施例14：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中步骤(3)中所述氨水双氧水的混合溶液中氨水：双氧水的体积比为1:0.2，混合溶液温度为常温26℃。
实施例15：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中步骤(3)中所述氨水双氧水的混合溶液中氨水：双氧水的体积比为1:1，氨水浓度为28％质量分数，双氧水浓度为30％质量分数，混合溶液温度为常温18℃。
实施例16：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中，将步骤(3)处理完成的GaAs晶片使用去离子水清洗晶片3分钟。
实施例17：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)中，将步骤(4)处理完成的GaAs晶片置于硫酸双氧水混合溶液中涮洗25秒。
实施例18：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)中，所述硫酸双氧水的混合溶液中硫酸：双氧水的体积比为1:0.2。
实施例19：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)中，所述硫酸双氧水的混合溶液中硫酸：双氧水的体积比为1:1，混合溶液温度为70℃。
实施例20：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(6)中，将步骤(5)处理完成的GaAs晶片使用去离子水清洗晶片3分钟。
实施例21：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(7)中，将步骤(6)处理完成的GaAs晶片使用热氮烘干机烘干，氮气纯度≥99.999％；氮气压力为0.3MPa。
实施例22：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中擦片处理时用棉球擦拭一遍。
实施例23：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中刀片移动速度为0.8cm/s。
实施例24：
一种红光GaAs晶片的清洗方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中刀片移动速度为1.2cm/s。
对比例1：
利用现有的清洗方法进行晶片清洗，步骤为：
(1)混合溶液清洗：使用清洗花篮，将水洗后的GaAs晶片放入氨水双氧水的混合溶液中清洗2分钟，在溶液中要上下提动花篮直至清洗结束；
(2)水洗：使用去离子水清洗晶片5分钟。
(3)将水洗后的晶片放入浓硫酸双氧水中溶液中清洗1分钟，在溶液中上下提动花篮直至清洗结束；
(4)干燥，将处理完成的GaAs晶片在甩干机内甩干。
实验例
将利用实施例1和对比例1的方法清洗生长有外延片的晶片，统计后续工艺中的裂片率，如表1、表2所示，从以上的对比可以发现，采用本发明的方法裂片率有了很明显的降低。
表1为实施例1中采取刮片步骤的裂片率统计：
| 工艺 | 外延片 |
| 投料数 | 3500 |
| 裂片数 | 82 |
| 裂片率 | 2.34％ |
表2为对比例中未采取刮片步骤的裂片率统计：
| 工艺 | 外延片 |
| 投料数 | 6100 |
| 裂片数 | 562 |
| 裂片率 | 9.21％ |
Claims (10)
1.一种红光GaAs晶片的清洗方法，所述红光GaAs晶片包括GaAs衬底和衬底上的外延层，所述外延层的最上面为GaP层，包括步骤：
(1)刮片：沿GaAs晶片解理边垂直方向用刀片匀速刮所述晶片表面，刀片与所述晶片表面的角度为30°-60°，刮掉所述晶片的GaP层表面凸起颗粒；
(2)擦片处理：用浸有有机溶液的棉球擦拭步骤(1)处理后的GaAs晶片表面1-3遍，每遍换用新棉球；
(3)超声：将步骤(2)处理完成的GaAs晶片置于氨水双氧水混合溶液中，进行超声处理1.5-10分钟，超声波频率为10-50KHz，超声加热温度50-90℃；
(4)水洗：将步骤(3)处理完成的GaAs晶片用去离子水冲洗3-5分钟；
(5)溶液清洗：将步骤(4)处理完成的GaAs晶片置于硫酸-双氧水混合溶液中涮洗25-60秒；
(6)水洗：将步骤(5)处理完成的GaAs晶片用去离子水冲洗3-5分钟；
(7)干燥：将步骤(6)处理完成的GaAs晶片在甩干机内甩干或者使用热氮烘干机烘干。
2.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(1)中所述刀片移动的速度为0.8-1.2cm/s；进一步优选1cm/s。
3.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(1)中，所述刀片一端连接有固定杆，固定杆通过连接杆和气缸连接有移动架，移动架通过滚柱丝杠与座架相连。
4.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(2)擦片处理时，先将GaAs晶片水平摆放整齐，使用玻璃棒固定住晶片解理边。
5.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(2)中所述的有机溶液为无机碱溶液、碱性盐溶液中的一种或多种混合；无机碱溶液为NaOH或Ca(OH)2，其中NaOH或Ca(OH)2的质量百分浓度为10％～60％；碱性盐溶液为Na2CO3或NaHCO3，其中Na2CO3或NaHCO3的质量百分浓度为10％～60％。
6.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(2)中擦片后冲洗去离子水。
7.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(3)中所述的超声处理的超声波频率为20-30KHz。
8.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(3)中所述氨水双氧水的混合溶液中氨水：双氧水的体积比为1:(0.2～1)，混合溶液温度为常温；优选的，步骤(3)中所述的氨水浓度为25％～28％质量分数，双氧水浓度为30％质量分数。
9.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(5)中所述硫酸双氧水的混合溶液中硫酸：双氧水的体积比为1:(0.2～1)，混合溶液温度为50～70℃。
10.根据权利要求1所述的红光GaAs晶片的清洗方法，其特征在于，步骤(7)中，使用热氮烘干机烘干时，氮气纯度≥99.999％；氮气压力为0.1-0.3MPa。
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