Si片表面污染清洗原理及注意事项

理想的硅片表面应该是硅原子有规则排列，终止于所形成的表面。表面内部的硅原子以共价键结合，而表面外部无其他原子，所以外方向的价键是未饱和的，存在着可以俘获电子的表面态。理想的表面实际上是不存在的，硅片真实表面由于暴露在环境气氛中，发生氧化和吸附，其表面往往有一层很薄的自然氧化层，厚度为几个埃、几十个埃或上百个埃。真实的硅片表面是内表面和外表面的总合。内表面是硅与自然氧化层的界面，它既存在着受主能级又存在着施主能级，能级密度为10¹¹～10¹²个/cm²。外表面是自然氧化层与环境气氛的界面。它也存在一些表面能级，并吸附一些污染杂质原子，而且不同程度地受到内表面能级的影响，可以与内表面交换电荷。外表面的吸附现象是复杂的，Si片内部的原子排列整齐有序，每个Si原子的4个价电子与周围原子的价电子结合构成共价键结构，但是经过切割工序后，Si片表面垂直切片方向的共价键遭到破坏而成为悬空键。这种不饱和键处于不稳定状态，具有可以俘获电子或其他原子的能力，以降低表面能，达到稳定状态。当周围环境中的原子或分子趋近晶片表面时，受到表面原子的吸引力，容易被拉到表面，在Si晶片表面富集，形成吸附，从而造成污染。

理想表面实际是不存在的，实际的Si片表面一般包括三个薄层：加工应变层、氧化层和吸附层。在这三层下面才是真正意义上的晶体Si。对于太阳能用Si片来说，加工应变层是指在线切工艺时所产生的应变区，氧化层是指新切出的表面与大气接触造成的氧化薄膜，厚度在几纳米到几十纳米之间，和留置在空气中的时间有关。这也是切割后的Si片如果不能马上进入下一工序，要尽快浸泡到纯水中的原因。Si片表面的最外层即为吸附层，是氧化层与环境气氛的界面，吸附一些污染杂质。这些沾污可以分为分子、离子、原子，或者分为有机杂质、金属和粒子。图7-6示出Si表面污染。

1.洁净表面 清洗的根本目的是使硅片获得洁净表面。但是，什么样的表面才是洁净表面，一直没有严格的定义。如果仅从制造工艺来说，可以简单地认为，污染物质对器件的影响应当在可以忽略的范围以下。一般污染杂质种类和数量越少，表面洁净度越高，工艺中总存在一个明显的污染容限。当污染在该容限之下，污染对器件的电特性、成品率、可靠性的影响急剧下降；当污染超过该容限时，影响显著上升。只要污染在容限之下，尽管硅片表面并非绝对洁净，仍认为硅片表面是相对洁净的。硅片表面达到原子均质的程度越高，洁净度越高，反之洁净度越低。

图7-6Si表面污染

2.吸附理论 硅片表面是硅晶体的一个断面。由结晶学可知，这个表面所有晶格都处于被破坏状态，即有一层或多层原子的键被打开，呈现一层至几层的悬挂键，又称为不饱和键。由物化性质可知，不饱和键化学活性高，处于不稳定状态，极易与周围的原子或分子结合起来，这就是所谓的“吸附”。被吸附的杂质粒子并不是固定不动的，而是在其平衡位置不停地振动，其中一些被吸附的杂质粒子由于获得较大的动能而脱离硅片表面，重新回到周围介质（如空气）中去，这种现象称为“解吸”。与此同时，在介质中的另一些粒子又会在硅面上重新被吸附。在一般情况下，硅片表面层所吸附的杂质粒子处于动平衡状态。

对于硅表面来说，吸附是一种放热过程，而解吸是一种吸热过程。升高温度有利于硅片表面杂质粒子的解吸。而以各种手段提供杂质粒子解吸所需要的能量，也就构成了不同名目的清洗。(www.xing528.com)

吸附可分为物理吸附和化学吸附，二者的区别主要在于吸附力的产生形式和大小的不同。对于物理吸附，其吸附力来自于固体和被吸附分子间的范德瓦斯引力；而化学吸附则是靠化学键力结合。这种成键的力在一定情况下是共价键力，但也或多或少混合着离子的相互作用力。化学吸附的吸附热比物理吸附要大得多，且化学吸附有小得多的平衡间距，所以要使化学吸附的杂质解吸需用更大的能量。目前大多数处理方法都希望硅片表面以氢原子为终端，其优点是具有很小的表面态密度，可使器件的电结构特性稳定。

3.硅片表面污染杂质的分类和来源

（1）分类。硅片污染大致分为三类：有机杂质污染、颗粒污染、金属离子污染。表7-2列出硅片表面污染分类。

表7-2硅片表面污染分类

（2）来源。硅片表面污染的来源有：硅片加工过程中的污染、环境污染、水造成的污染、药剂带来的污染、工业气体带来的污染、工艺本身造成的污染、人体造成的污染等。