蓝宝石晶片的净化包括清洗方式、清洗剂的配方、清洗设备、清洗环境和清洗工艺。清洗方式主要分为湿式清洗和干式清洗, 目前湿式清洗在蓝宝石晶片表面净化中仍处于主导地位。下面主要就蓝宝石晶片的湿式清洗的清洗剂性质、清洗设备、清洗环境分别阐述。
清洗剂的性质
清洗剂的去污能力, 对湿式清洗的清洗效果有决定性的影响, 根据蓝宝石晶片清洗目的和要求, 选择适当的清洗剂是湿式清洗的首要步骤。蓝宝石晶片清洗中常用的化学试剂和洗液主要有无机酸、氧化剂、络合剂、双氧水溶剂、有机溶剂、合成洗涤剂、电子清洗剂等七大类
清洗设备
●超声波清洗机 超声波清洗机是微电子工业中广泛应用的一种清洗设备, 超声波的清洗原理是: 在强烈的超声波作用下(常用的超声波频率为20-40kHz), 清洗剂内部会产生疏部和密部, 疏部产生近乎真空的空穴, 当空穴消失的瞬间, 其附近便产生强大的局部压力, 使分子内的化学键断裂, 从而使蓝宝石晶片表面的杂质解吸。当超声波的频率和空穴的振动频率共振时, 机械作用力达到最大, 泡内积聚的大量热能, 使温度升高, 促进化学反应的发生。提高超声波功率, 有利于促进清洗效果。由于超声波清洗机对于小于1μm的微小颗粒的去除效果并不太理想, 所以超声波清洗机多用于清除蓝宝石晶片表面附着的大块污染颗粒。
●兆声波清洗机 兆声波清洗机不但保存了超声波清洗机的优点,而且克服了超声波清洗机的不足。兆声波清洗的机理是: 通过高频振动效应, 对蓝宝石晶片进行清洗。在清洗时, 由换能器发出波长为1.5μm 频率为0.8MH z的高能声波。溶液分子在这种声波的推动下作高速运动, 最大瞬时速度可达到300 mm/s。因此形成不了超声波清洗那样的空穴, 只能形成高速的流体波连续冲击晶片表面, 使蓝宝石晶片表面附着的沾污和细小微粒被强制除去并进入到清洗液中。兆声波清洗抛光片可去掉晶片表面上小于0.2μm 的粒子, 起到超声波起不到的作用。目前兆声波清洗机已成为蓝宝石晶片清洗的一种有效设备。
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清洗环境
整个蓝宝石的加工环境对最终蓝宝石晶片的表面质量有很大的影响,对开盒即用的蓝宝石晶片,通常抛光、清洗需要在100级以下的净化室中进行,最后的净化和封装需要在10级的净化台中进行。同时操作人员需要着防尘服,人员进入净化室要经过风淋处理。
清洗工艺
针对开盒即用蓝宝石晶片的表面质量要求, 根据上述的净化原理, 对切割、磨削、研磨、抛光等不同工序的晶片清洗工艺进行了优化, 由于抛光后的清洗是最复杂的清洗, 也是要求最高的最后一道净化工序, 清洗后就封装, 交用户进行GaN 外延生长。所以这里详细分析抛光后蓝宝石晶片的清洗方法, 抛光后的蓝宝石晶片的具体清洗工艺和清洗剂的配方如下:
a 抛光后的蓝宝石晶片在50℃-60℃的三氯乙烷中用兆声波清洗15分钟；
b 在20℃-25℃的丙酮中清洗2分钟；
c 用去离子水流清洗2分钟；
d 在80℃-90℃的2号液（该清洗剂各组分的体积比是1:4:20）中，兆声波清洗10分钟；
e 用去离子水流清洗2分钟；
f 擦蓝宝石晶片（可用擦片机）；
g 在90℃-95℃的1号液（该清洗剂各组分的体积比是1:5:30）中，兆声波清洗10分钟；
h 用去离子水流清洗5分钟；
i 在100℃的硫酸和硝酸的混合溶液中（两酸的体积比是1:1），浸泡10分钟；
j 用去离子水流清洗5分钟；
k 甩干蓝宝石晶片。
清洗效果
根据上面优化后的清洗工艺和清洗剂的配方, 对抛光后的2英寸蓝宝石晶片净化效果分析如下。具体的净化试验条件是:晶片为Ø50.8 mm*0.3mm 蓝宝石晶片;去离子水的电阻率为18 MΩ•cm;兆声清洗机为HPQ - 200 型; 蓝宝石抛光机为日本产LMP- 36型; 颗粒检测设备为激光检测器LS - 5000型; 蓝宝石晶片表面微观形貌由产自美国DI(Digital Instruments)公司生产的Nanoscope IIIA 型原子力显微镜(Atomic Force Microscope简称AFM )检测。对一组25片Φ50.8 mm的蓝宝石晶片清洗, 然后进行检测, 蓝宝石晶片表面的最大颗粒长度方向尺寸0.13μm, 颗粒总数最多为8个/片, 最少为2个/片。清洗后蓝宝石抛光面的AFM 检测结果反映其表面粗糙度Ra为0.275nm。
小结
这里提出的蓝宝石晶片净化工艺和清洗剂的配方, 对蓝宝石晶片进行清洗, 能够使表面微粒长度尺寸小于0.13μm, 颗粒总数小于8个/片, 已经满足了GaN外延生长的表面质量要求。