复配表面活性剂对氧化锌单晶衬底后清洗效果的影响_鲍冬赟.pdf

第4 1卷 第3期V o l.4 1 N o.3材 料 科 学 与 工 程 学 报J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g总第2 0 3期J u n.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3-2 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 3 4 7-0 7复配表面活性剂对氧化锌单晶衬底后清洗效果的影响鲍冬赟,潘新花,王 宁,黄靖云,叶志镇(浙江大学 材料科学与工程学院,浙江 杭州3 1 0 0 2 7)【摘 要】在Z n O单晶衬底的制造加工过程中,不可避免会引入二氧化硅磨料粒子、有机物等污染物,这会严重影响衬底上所生长薄膜的质量,从而影响半导体器件的性能和可靠性,因此后清洗工艺对外延薄膜的质量至关重要。本研究采用控制变量法研究了复配表面活性剂O-2 0和J F C的质量比及总质量对超声法后清洗效果的影响。研究发现,复配表面活性剂较单一表面活性剂对衬底表面污染的去除效果更好;不同质量比的复配表面活性剂的清洗效果不同,当O-2 0和J F C的质量比为2 1时,对衬底表面污染的去除效果最好;当O-2 0和J F C的质量比固定为2 1,增加复配表面活性剂的总质量,对衬底表面污染的去除效果更好;但当总质量增加到一定程度后,清洗效果不再提升,反而会增加表面活性剂的清除难度。【关键词】复配表面活性剂;Z n O单晶衬底;后清洗;S i O2颗粒中图分类号:T B 4 3 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 0 1E f f e c t o fM i x e dS u r f a c t a n t so nP o s tC l e a n i n gZ n OS i n g l eC r y s t a l S u b s t r a t e sB A OD o n g y u n,P A NX i n h u a,WA N GN i n g,H U A N GJ i n g y u n,Y EZ h i z h e n(S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,Z h e j i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 2 7,C h i n a)【A b s t r a c t】I nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fZ n O s i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t e s,t h ec o n t a m i n a t i o no nt h es u b s t r a t e i s i n e v i t a b l e,i n c l u d i n gs i l i c aa b r a s i v ep a r t i c l e s,o r g a n i cm a t t e r a n do t h e rp o l l u t a n t s,w h i c hw i l l s e r i o u s l ya f f e c tt h eq u a l i t y o ft h ef i l m g r o w t h o nt h es u b s t r a t e,t h u sa f f e c t i n gt h e p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y o fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s.T h e r e f o r e,t h ep o s t-c l e a n i n gp r o c e s s i s c r u c i a l t o t h e q u a l i t yo f e p i t a x i a l f i l m s.I n t h i sw o r k,w es t u d i e dt h e i n f l u e n c eo f t h em a s s r a t i oa n d t o t a lm a s so fm i x e ds u r f a c t a n t sO-2 0a n dJ F Co n t h eu l t r a s o n i cp o s tc l e a n i n gp r o c e s sb yt h ec o n t r o l v a r i a b l em e t h o d.I t i s f o u n dt h a t t h em i x e ds u r f a c t a n t ss h o wb e t t e rp e r f o r m a n c e i nr e m o v i n gs u r f a c ec o n t a m i n a t i o nt h a nt h es i n g l es u r f a c t a n t.T h ec l e a n i n ge f f e c to fm i x e ds u r f a c t a n t sv a r i e sw i t hd i f f e r e n tm a s s r a t i o s.Wh e nt h em a s s r a t i oo fO-2 0t oJ F Ci s2 1,t h er e m o v a l e f f e c to fs u r f a c ep o l l u t i o n s i st h eb e s t.Wh e nt h em a s sr a t i oo fO-2 0t oJ F Ci sf i x e da t2 1,i n c r e a s i n gt h et o t a lm a s so fm i x e ds u r f a c t a n t sw i l lb e n e f i t t h e r e m o v a l e f f e c t.H o w e v e r,w h e n t h e t o t a lm a s s i n c r e a s e s t o a c e r t a i ne x t e n t,f u r t h e r i n c r e a s i n g i tw i l l n o to p t i m i z e t h ec l e a n i n ge f f e c t a n y m o r e,b u tw i l lm a k e i th a r dt or e m o v es u r f a c t a n t s.【K e yw o r d s】M i x e ds u r f a c t a n t s;Z n Os i n g l ec r y s t a l s u b s t r a t e s;P o s t c l e a n i n g;S i l i c aa b r a s i v ep a r t i c l e s收稿日期:2 0 2 1-0 4-1 0;修订日期:2 0 2 1-0 9-1 3基金项目:浙江省重点研发计划资助项目(2 0 2 1 C 0 1 0 3 0)作者简介:鲍冬赟(1 9 9 6),女,硕士研究生,研究方向:半导体表面处理工艺。E-m a i l:b d y 1 9 9 61 6 3.c o m。通信作者:叶志镇(1 9 5 5),男,教授,研究方向:半导体材料。E-m a i l:y e z z z j u.e d u.c n。1 前 言 氧化锌(Z n O)是一种具有纤锌矿结构的直接带隙的 宽 带 隙 半 导 体 材 料,在 室 温 下 禁 带 宽 度 约 为3.3 7e V,激子束缚能为6 0 m e V1-2。由于其激子束缚能高、直接带隙宽等优良性质,在光电领域3-4、光催化5-6等领域具有广阔的应用前景。Z n O薄膜是Z n O研究和应用中的主要形态结构之一,被广泛应用于L E D行业。制备性能良好的Z n O薄膜是研制Z n O基光电器件的基础,而不同的衬底会直接影响Z n O外延薄膜的质量。理论上,在氧化锌单晶衬底上同质外延生长Z n O薄膜可以解决由于衬底与薄膜的差异导致的晶格失配、热应力、缺陷密度高等问题,从而制备出高质量的Z n O薄膜。尽管氧化锌薄膜同质外延的研究还不多,但是已有文献证明,在质量较好的Z n O单晶衬底上同质外延生长Z n O薄膜可以得到比异质外延质量更好的Z n O薄膜7-8。就Z n O薄膜的同质外延来说,成功的关键取决于Z n O单晶衬底的质量,比如衬底表面粗糙度9、表面损伤、杂质及颗粒残留1 0等。在衬底的制造加工过程中,许多污染物会残留在衬底表面,比如清洗液的残留物、抛光液中的磨料粒子及其他杂质等,导致5 0%以上的晶圆由于表面杂质及颗粒的污染被损失1 1。众所周知,化学机械平坦化(C M P)工艺是目前亚微米器件必须且唯一的在局部和全局范围内实现有效平整的方法1 2-1 3。在C M P过程中,在机械作用和化学作用的共同作用下,Z n O单晶衬底表面由于化学键发生断裂导致表面活性和能量急剧增加,从而通过吸附抛光液中的磨料粒子以达到平衡,这会极大地影响同质外延生长Z n O薄膜的质量。因此,尽可能去除衬底表面的残留物,避免后清洗时腐蚀衬底表面,制订一种合适的后清洗工艺至关重要1 4-1 5。在后清洗工艺中,清洗方法和清洗剂共同决定了清洗效果。其中,清洗剂中常常加入各种表面活性剂、螯合剂和p H调节剂等以提高清洗能力。表面活性剂一端是亲水基团,一端是疏水基团,能在溶液的表面定向排列,它可以显著降低清洗液的表面张力1 6,增强清洗液的润湿性能和渗透效果,使其能更好地吸附在衬底表面,从而使得对S i O2磨料粒子有很好的去除效果。尽管衬底的后清洗工艺对于外延薄膜质量和后续的器件制备至关重要,但就Z n O单晶衬底而言,目前对其后清洗工艺的研究相对较少,这也极大地阻碍了Z n O同质外延薄膜的研发进展。因此,从清洗剂的角度出发,采用超声法研究复配表面活性剂J F C和O-2 0对氧化锌单晶衬底表面杂质的去除效果,并得出优化的后清洗工艺,为Z n O薄膜的同质外延生长提供技术支撑。2 实验材料与方法2.1 实验材料与试剂 实验所用Z n O单晶衬底为水热法制备的1c m1c m0.5mm的Z n面单抛衬底,均购于中山大学黄丰老师 课 题 组,具 有 较 高 的 结 晶 度 和 较 低 的 缺 陷密度。使用如下两种表面活性剂:(1)平平加O-2 0:分子式为C18H3 7O(CH2CH2O)2 0H1 7,由江苏海安石油化工厂提供,常温下呈固态,易溶于水和乙醇,其水溶液在高浓度下呈凝胶状态,对环境无严重危害。(2)J F C:分子式为R O(CH2CH2O)6.5H,由江苏海安石油化工厂提供,R是C 1 2和C 1 4的羟基的混合,混合比为7 3,常温下呈固态,对环境无严重危害。2.2 表征手段 采 用H i t a c h iS-4 8 0 0型 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜(S EM)及 其 附 带 的H o r i b aX射 线 能 量 色 散 谱 仪(E D S)来分析Z n O单晶衬底清洗前的表面污染情况,从而有针对性地制定实验方案;使用n a n o I R 2-f s多功能纳米红外光谱仪中的原子力显微镜扫描探针显微镜(A FM)和O C A2 0视频光学接触角测量仪来比较Z n O单晶衬底清洗前后表面污染情况的变化,由此探究合适的后清洗工艺。2.3 实验方法 在