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化學清洗與安全知識

2021-01-07
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化學清洗與安全知識

1、化學清洗

在半導體器件工藝實驗中.化學清洗是指清除吸附在半導體、金屬材料以及用具表面上的各種有害雜質或油污。清洗方法是利用各種化學試劑和有機熔劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質及油污發生化學反應和溶解作用,或伴以超聲.加熱、抽真空等物理措施,使雜質從被清洗物體的表面脫附(或稱解吸),然后用大量高純冷熱去離子水沖洗,從而獲得潔凈的物體表面。

1.1、化學清洗的重要性

工藝實驗中每個實驗都有化學清洗的問題,化學清洗的好壞對實驗結果有嚴重的影響,處理不當,則得不到實驗結果或實驗結果不好。因此弄清楚化學清洗的作用和原理,對做好工藝實驗有著重要的意義。大家知道,半導體的重要特性之一是對雜質十分敏感,只要有百萬分之一,甚至微量的雜質,就會對半導體的物理性質有所影響,我們就是利用這一特性,通過摻雜的方法.制作各種功能的半導體器件。但也由于這一特性,給半導體器件工藝實驗帶來麻煩和困難.所使用的化學試劑、生產工具,清洗用的水等都可能成為有害雜質的沾污源.即使是清潔的半導體晶片,較長時間暴露于空氣之中.也會引入明顯的雜質沾污?;瘜W清洗就是消除有害雜質沾污,保持硅片表面清潔。

1.2、化學清洗的范圍

化學清洗主要包括三個方面的清洗,一是硅片表面的清洗;二是使用的金屬材料(如作蒸發電極用的鎢絲,作蒸發墊板用的鉬片、作蒸發源用的鋁合金,制鉻板用的鉻等)的清洗;三是所用工具、器皿(如金屬鑷子.石英管、玻璃容器、石墨模具、塑料和橡膠制品等)的清洗。

1.3、硅片表面沾污雜質的類型

(1)分子型雜質吸附 

以分子形式吸附在硅片表面上的典型沾污雜質,主要是天然或合成油脂、樹脂和油類等物質。在襯底制備中的切、磨、拋引入的雜質多屬于此種類型。此外,操作者手指上的油脂,光刻膠以及有機溶劑的殘渣等也均屬于這一類型。 

分子型雜質吸收的特點是它們與硅片表面的接觸通常是依靠靜電引力來維持,是一種物理吸附現象。由于天然或合成油脂、樹脂和油類的分子一般以非極性分子存在,它是靠雜質的中性分子與硅片表面硅原子沒有被平衡的那部分剩余力相互吸引而結合的。結合的力與分子型晶體結構中分子與分子間存在的范德瓦耳斯力是一樣的。這種吸引力比較弱,它隨著分子間距的增加很快被削弱,所以這種力所涉及的范圍只不過在2~3×10-8厘米(即2-3埃)左右,也就是象分子直徑那么大小的距離,因此要徹底清除這些分子型雜質是比較容易的。分子型雜質的另一個重要特點是,大多是不溶于水的有機化合物,當它們吸附在硅片表面時將使硅片表面呈現疏水性,從而妨礙了去離子水或酸、堿溶液與硅片表面的有效接觸,使得去離子水或酸.堿溶液無法與硅片表面或其它雜質粒子相互作用,因此無法進行有效的化學清洗。

(2)離子型雜質吸附 

以離子形式吸附在硅片表面的雜質一般有K+、Na+、Ga2+、Mg2+、Fe2+、H+、(OH)-、F-、Cl-、S2-、(CO3)2-等。這類雜質的來源最廣,可以來自于空氣、用具和設備、化學藥品、純度不高的去離子水、自來水、操作者的鼻和嘴呼出的氣體、汗液等各個方面。 

離子型雜質吸附多屬于化學吸附的范疇,其主要特點是雜質離子和硅片表面之間依靠化學鍵力相結合,這些雜質離子與硅片表面的原子所達到的平衡距離極小,以至于可以認為這些雜質離子已成為硅片整體的一部分。根據化學吸附雜質的性質,有的可以是晶格自由電子的束縛中心,充當電子的陷阱,起著受主的作用;有的可以作為自由空穴的束縛中心,起著施主的作用。由于化學吸附力較強,所以對這種雜質離子的清除較之分子型雜質困難得多。

(3)原子型雜質吸附

以原子形式吸附在硅片表面形成沾污的雜質.主要是指如金、銀、銅、鐵、鎳等金屬原子。這些金屬原子一般是來自于酸性的腐蝕液,通過置換反應將金屬離子還原成為原子而吸附在硅片表面。

原子型雜質吸附力最強,比較難以清除。兼之金、鉑等重金屬原子不容易和一般酸、堿溶液起化學反應,因此必須采用諸如王水之類的化學試劑,使之形成絡合物并溶于試劑中,然后才能用高純去離子水沖除。

1.4、硅片清洗的一般程序

通過上面分析,分子型雜質比較容易清除。這種雜質的存在,對于清除離子型和原子型雜質具有掩蔽作用。因此在對硅片進行化學清洗時,首先應該把它們清除干凈。

離子型和原子型吸附的雜質屬于化學吸附雜質,其吸附力都較強,在一般情況下,原子型吸附雜質的量較小,而且它們不和酸、堿發生化學反應,必須用王水或酸性雙氧水才能溶除。王水和酸性雙氧水還能溶除離子型雜質,因此在化學清洗時,一般都采用酸、堿溶液或堿性雙氧水先清除掉離子型吸附雜質,然后再用王水或酸性雙氧水清除殘存的離子型雜質及原子型雜質。最后用高純去離子水沖洗干凈。

綜上所述,清洗硅片的一般程序為:去油→去離子→去原子→去離子水沖洗

每個實驗前,硅片都必須進行化學清洗。但由于每次清洗前硅片表面情況不一樣,因此每次清洗所用的化學藥品,清洗的側重點就不一樣,具體的清洗過程存在著靈活性。所以必須根據具體情況,考慮清洗的實際效果,確定每次清洗工作的具體方法和步驟。

1.5、常用金屬和器皿的清潔處理

實驗中所用的金屬材料和用具也是硅片受沾污的主要原因之一.為了保證硅片表面清潔。必須認真做好金屬和器皿的清潔處理工作。金屬和器皿的清洗的一般原則是,首先應該清洗油脂類物質,然后用酸、堿或洗液和王水腐蝕清洗或清洗,最后用高純去離子水沖洗干凈。

2、安全知識

實驗中經常使用各種化學藥品和氣體。其中有些是易燃品,易爆品,毒品,以及酸堿等腐蝕品。如果使用不當,會發生事故。首先要避免事故-發生,萬一出了事故,不要驚慌失措,要及時采取正確措施,排除故障。

2.1、有機溶劑的安全使用

常用的有機溶劑有甲苯、丙酮、乙醇、丁酮、三氯乙烯、四氯化碳等。這些有機溶劑大多易燃,遇高溫或明火時會燃燒,要貯存在陰涼處,不要靠近火源。使用時不要直接放在電爐上加熱,若需加熱,一般采用水浴加熱,如果萬一著火,可用濕布或細沙撲滅,最好用二氧化碳、四氯化碳滅火機或泡沫滅火機滅火,不要用水澆或用含水的酸堿滅火機噴射。

這些有機溶劑易揮發,并有不同程度的毒性,因此使用時應在通風櫥中操作,加強排氣。

2.2、酸堿的安全使用

實驗中常用硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸和王水等強酸溶液及氫氧化納、氫氧化鉀等強堿溶液。它們對人體及衣物有強烈的腐蝕作用,因此必須注意安全使用。

(1)有酸、堿蒸氣的地方要安裝良好的通風排氣設備。

(2)操作者要穿戴適當的防護服(如橡皮手套,戴口罩等)。 

(3)嚴禁用嘴將酸、堿等液體吸入移液管內,應該使用帶橡皮球的移液管去吸取。 

(4)搬運時要謹慎,防止酸、堿瓶傾倒或破裂,起封時瓶口應向無人的地方。

(5)稀釋硫酸時必須將硫酸慢慢注入水中,切勿把水倒入硫酸。

(6)中和濃酸或濃堿時.必須先將它們倒入水中稀釋,然后再用堿或酸溶液進行中和。 

(7)盛過強酸、強堿的容器,應先傾倒干凈,用水沖洗多遍,然后再進行一般清潔處理。

如果受到酸堿灼傷,首先用大量水沖洗,萬一有酸堿濺入眼內時,應速用大量自來水沖洗眼睛。不管嚴重灼傷還是濺入眼,沖洗后,立即到醫院治療。

2.3、氣體的安全使用 

使用的氣體一般用鋼瓶貯送或用輸氣管道輸送。有些氣體混合時,容易引起燃燒或爆炸。 

為便于識別氣瓶中裝何種氣體,常用不同顏色和字樣來標明各種氣體所用鋼瓶,此外還標著氣體名稱的字樣。 

氣瓶內的氣體通常具有較高的氣壓,新裝的氣瓶內的氣壓約150公斤/厘米2左右,因此存放和使用時應注意安全。 

(1)夏季不要把氣瓶放在日光曝曬的地方。存放氣瓶的附近禁放易燃物品和使用火源。 

(2)對于裝有相互接觸能引起燃燒或爆炸的氣瓶(如氫、氧氣瓶)必須分開單間存放,避免由于漏氣等引起事故。 

(3)氣瓶內的氣體不能全部用完,一般應留下一定的剩余氣體。

(4)氣瓶嘴及搬子嚴禁沾染油脂。 

(5)使用氫氣時必須用惰性氣體趕凈設備內的空氣,檢查系統是否漏氣,要裝回火裝置。

2.4、有毒物質的安全使用

在實驗中用到有毒化學試劑和化合物時應注意防止中毒。其安全使用的原則是:

(1)操作應在通風櫥內進行,用完的殘渣殘液應處理后倒在安全處。

(2)操作者應帶口罩、手套,嚴禁與皮膚接觸和誤入口中。

(3)實驗完畢手套必須用水沖洗干凈后才能脫掉。


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