LED用藍(lán)寶石晶片濕法腐蝕清洗技術(shù)的研究

鄭佳晶，孫敏，張金鳳

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

LED用藍(lán)寶石晶片濕法腐蝕清洗技術(shù)的研究

鄭佳晶，孫敏，張金鳳

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

介紹了藍(lán)寶石晶片的清洗原理；通過分析藍(lán)寶石的表面凈化原理和對濕法腐蝕清洗工藝試驗(yàn)的研究，提出了一種適用于工業(yè)化生產(chǎn)藍(lán)寶石晶片的清洗劑和凈化工藝，滿足了LED領(lǐng)域的藍(lán)寶石晶片表面潔凈度要求。

藍(lán)寶石晶片；凈化工藝；清洗劑；濕法腐蝕

近二十年來，氮化鎵基發(fā)光二極管（GaN-based LEDs）取得了飛躍式發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。GaN-based LEDs由于其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)越性能，將取代現(xiàn)有的白熾燈、熒光燈、鹵化燈等而成為主流的固態(tài)照明工具。

現(xiàn)有的外延襯底大部分為藍(lán)寶石，藍(lán)寶石的組成為氧化鋁（Al2O3）。由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光到中紅外線都具有很好的透光性。因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶（GaN）的材料品質(zhì)，而藍(lán)寶石襯底晶片拋光表面的雜質(zhì)沾污會嚴(yán)重影響LED的質(zhì)量和成品率。影響GaN生長的臨界顆粒尺寸為0.3 μm，在目前的LED生產(chǎn)中，絕大多數(shù)廢品是由于表面污染引起的，由于在襯底晶片生產(chǎn)中，幾乎每道工序都有清洗問題，所以藍(lán)寶石晶片清洗的好壞對LED的發(fā)光性能有嚴(yán)重的影響，處理不當(dāng)，可能使全部藍(lán)寶石晶片報廢，做不出管子來，或者制造出來的LED性能低劣、穩(wěn)定性和可靠性很差。因此弄清楚藍(lán)寶石晶片清洗的方法和原理具有十分重要的意義。

以下主要對藍(lán)寶石晶片的污染物進(jìn)行分類并闡述其清洗原理、工藝流程、清洗效果等方面技術(shù)問題進(jìn)行了研究，最后提出了能夠滿足GaN生長要求的藍(lán)寶石晶片的濕法腐蝕工藝和清洗液的配方。

1 濕法腐蝕清洗原理

目前半導(dǎo)體行業(yè)的清洗方式主要有干法和濕法清洗兩種，濕法清洗在藍(lán)寶石晶片表面凈化中仍處于主導(dǎo)地位，其具有高選擇比，成本低，批處理系統(tǒng)，高產(chǎn)能，清洗效果明顯等優(yōu)勢；濕法清洗是采用化學(xué)的方法來去除晶片表面上的雜質(zhì)。另外還可以通過超聲清洗的空化作用和直進(jìn)流作用使污染顆粒從晶片表面剝離。

1.1 污染物雜質(zhì)分類

藍(lán)寶石制備需要有一些有機(jī)物和無機(jī)物參與完成，另外，在PSS的制備過程中總是在人的參與下在超凈間進(jìn)行，這樣就不可避免地對藍(lán)寶石及PSS造成污染。根據(jù)污染物發(fā)生的情況，大致可將污染物分為顆粒、有機(jī)物、金屬污染物及其他。

1.1.1 顆粒

顆粒主要是一些聚合物，光刻膠及刻蝕雜質(zhì)等。通常的顆粒粘附在晶片表面，根據(jù)顆粒與表面的粘附情況分析，其粘附力主要是范德瓦爾斯吸引力，所以，對顆粒只要采取物理或化學(xué)的方式進(jìn)行清除，逐漸減少顆粒與晶片的接觸面積，最終將其去除。

1.1.2 有機(jī)物

有機(jī)物雜質(zhì)在PSS制備中以多種形式存在，如人的皮膚油脂，凈化室的空氣、機(jī)械油、機(jī)硅樹脂真空脂、光刻膠殘余物、清洗溶劑等。每種污染物都對PSS的制備過程有不同程度的影響，通常在晶片表面形成有機(jī)薄膜阻止清洗液到達(dá)晶片表面，因此，有機(jī)物的去除常常在清洗工序的第一步進(jìn)行。

1.1.3 金屬污染物

藍(lán)寶石本身的化學(xué)機(jī)械拋光過程會潛在引入金屬污染源。

1.1.4 其他污染物

在清洗過程中，也可能會引入污染物。如SPM具有強(qiáng)氧化性，會使有機(jī)殘余物被氧化、碳化、硫化等，生成物粘附在晶片表面，不易去除。

1.2 藍(lán)寶石晶片的清洗流程

根據(jù)上述分析，吸附在藍(lán)寶石晶片表面上的雜質(zhì)可分為分子型、離子型和原子型三種情況。其中分子型雜質(zhì)與藍(lán)寶石晶片表面之間的吸附力較弱，清除這類雜質(zhì)粒子比較容易。它們多屬于油脂類雜質(zhì)，但它們對其它沾污雜質(zhì)具有掩蔽作用。因此在對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行清洗時，首先應(yīng)該把它們清除干凈。離子型和原子型吸附的雜質(zhì)屬于化學(xué)吸附雜質(zhì)，其吸附力都較強(qiáng)。在一般情況下，原子型吸附雜質(zhì)的量較小，因此在清洗時，可在清除分子型雜質(zhì)后，先清除掉離子型吸附雜質(zhì)，然后再清除原子型雜質(zhì)。最后用高純度去離子水將藍(lán)寶石晶片沖冼干凈，再加溫烘干或甩干就可得到潔凈表面的藍(lán)寶石晶片。

綜上所述，凈化藍(lán)寶石晶片的工藝流程為：去分子→去離子→去原子→去離子水沖洗。另外，為去除藍(lán)寶石晶片表面的氧化層，常要增加一個硫酸+硝酸浸泡步驟。

2 藍(lán)寶石襯底片清洗工藝分析

藍(lán)寶石晶片的濕法潔凈方式主要包括清洗劑的配方、清洗環(huán)境、清洗設(shè)備和清洗工藝。下面主要就藍(lán)寶石晶片的濕法腐蝕清洗的清洗設(shè)備、清洗環(huán)境、常用清洗劑分別闡述。

2.1 清洗的設(shè)備儀器

2.1.1 超聲波/兆聲波設(shè)備

超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。

（1）空化作用?？栈饔镁褪浅暡ㄒ悦棵雰扇f次以上的壓縮力和減壓力交互性的高頻變換方式向液體進(jìn)行透射。在減壓力作用時，液體中產(chǎn)生真空核群泡的現(xiàn)象，在壓縮力作用時，真空核群泡受壓力壓碎時產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，由此剝離被清洗物表面的污垢，從而達(dá)到精密洗凈目的。

（2）直進(jìn)流作用。超聲波在液體中沿聲的傳播方向產(chǎn)生流動的現(xiàn)象稱為直進(jìn)流。聲波強(qiáng)度在0.5 W/cm2時，肉眼能看到直進(jìn)流，垂直于振動面產(chǎn)生流動，流速約為10 cm/s。通過此直進(jìn)流使被清洗物表面的微油污垢被攪拌，污垢表面的清洗液也產(chǎn)生對流，溶解污物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快，對污物的搬運(yùn)起著很大的作用。

（3）加速度。液體粒子推動產(chǎn)生的加速度。對于頻率較高的超聲波清洗機(jī)，空化作用就很不顯著了，這時的清洗主要靠液體粒子超聲作用下的加速度撞擊粒子對污物進(jìn)行超精密清洗。超聲通常選擇從40 kHz到120 kHz范圍內(nèi)的清洗頻率，兆聲是由換能器發(fā)出波長為1.5 μm，頻率為0.8 MHz的高能聲波。

2.2 清洗劑常用的化學(xué)試劑

清洗劑的去污能力，對濕法清洗的清洗效果有決定性的影響，根據(jù)藍(lán)寶石晶片清洗目的和要求，選擇適當(dāng)?shù)那逑磩┦菨穹ㄇ逑吹氖滓襟E。藍(lán)寶石晶片清洗中常用的化學(xué)試劑和洗液主要有無機(jī)酸、氧化劑、雙氧水溶劑、有機(jī)溶劑等，它們在清洗中的主要作用如表1所示（注：1號液由NH4OH、H2O2、H2O組成，簡稱APM；2號液由HCl、H2O2、H2O組成，簡稱HPM；3號液由H2SO4、H2O2、H2O組成，簡稱SPM）。

表1 常用的清洗劑的作用和分類

2.3 清洗工藝

由于清洗是交付外延生產(chǎn)前的最后一道工序，清洗后就封裝，交用戶進(jìn)行GaN外延生長。因此這里給出了拋光后藍(lán)寶石晶片的清洗方法，清洗工藝和清洗劑的配方如圖1。

主要有兩種清洗方案，分別是有機(jī)清洗和酸腐蝕清洗。有機(jī)清洗主要洗返工片，即在PSS過程中發(fā)現(xiàn)的未滿足要求的晶片，這些晶片由于主要污染物是光刻膠，所以采用有機(jī)清洗。先經(jīng)丙酮浸泡10 m in，除去有機(jī)殘余物，有機(jī)顆粒和光刻膠，浸泡過程中需要40 kHz超聲波參與清洗過程。經(jīng)丙酮浸泡的晶片已將大部分有機(jī)顆粒去除，但表面會有丙酮溶劑和有機(jī)殘余物，將其再放入異丙醇溶液中浸泡并開40 kHz超聲清洗10 min，最后放入水槽進(jìn)行溢流沖洗，待水阻值達(dá)到10 MΩ·cm即可。

酸腐蝕清洗主要去除拋光后的晶片表面殘留的金屬離子和部分有機(jī)物，為下一道的PSS工藝做準(zhǔn)備。

圖1 清洗工藝流程圖

2.4 清洗效果

根據(jù)上面優(yōu)化后的清洗工藝和清洗劑的配方，對拋光后的50 mm(2英寸)藍(lán)寶石晶片凈化效果分析。具體的凈化試驗(yàn)條件是：晶片20 mm藍(lán)寶石晶片；去離子水的電阻率為18 MΩ·cm；清洗設(shè)備為SFQZ-YJSX型；經(jīng)專業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢測顆?？倲?shù)小于8個/片，經(jīng)檢測滿足了GaN外延生長的表面質(zhì)量要求。

3 結(jié)束語

本文主要分析了LED晶片濕法腐蝕清洗的原理和對清洗工藝的分析，給出幾種常用的清洗劑和清洗工藝，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)中對藍(lán)寶石晶片的處理。

隨著MOCVD生長GaN工藝對藍(lán)寶石晶片質(zhì)量要求的提高，晶片清洗技術(shù)也面臨新的挑戰(zhàn)，其主要趨勢包括：

（1）進(jìn)一步減少清洗劑的使用和廢液處理的費(fèi)用；

（2）盡量減少去離子水的消耗；

（3）采用自動在線藍(lán)寶石晶片清洗技術(shù)，提高開盒即用的晶片合格率。

[1]胡俊達(dá).電子電器設(shè)備工藝設(shè)計與制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Study on Wet Etching Cleaning Technology of Sapphire Wafer for LED

ZHENG Jiajing，SUN Min，ZHANG Jinfeng
(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 101601，China)

The cleanliness principle of sapphire wafer is expounded in detail.By analyzing the sapphire surface purification principles and researching wet etching cleaning process.A suitable for industrial production of sapphire wafer cleaning agents and purification process are proposed.It meets the field of LED sapphire wafer surface cleanliness requirements.

Sapphire wafer;Purification process;Cleaning agents;Wet etching

TN305.97

A

1004-4507(2013)09-0008-04

2013-07-09

鄭佳晶（1986-），女，2011年畢業(yè)于東北大學(xué)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研發(fā)工作。