氮化鎵外延片清洗過程是什么？

一、主要污染物類型及危害

1. 顆粒污染：來自環境粉塵、操作工具或前驅體殘留，會導致器件短路或缺陷密度上升；

2. 有機污染物：如光刻膠殘留、手指印、油污等，會阻礙薄膜均勻生長；

3. 金屬離子（如 Fe、Cu、Na 等）：會成為深能級雜質，降低載流子遷移率；

4. 自然氧化層：GaN 表面易形成 Ga?O?薄層（厚度約 1-5nm），影響歐姆接觸或異質結界面質量。

二、典型清洗流程（分步解析）

1. 預處理：去除疏松污染物

• 超聲清洗（有機溶劑）：
  用丙酮（5-10 分鐘）→異丙醇（IPA）（5-10 分鐘）依次超聲（功率 300-500W），去除表面有機物和部分顆粒。
  原理：有機溶劑溶解有機物，超聲振動剝離疏松附著的顆粒。
  注意：避免長時間超聲（>15 分鐘），防止外延層損傷或襯底（如 Si）腐蝕。
• 去離子水（DI 水）沖洗：
  用超純水（電阻≥18.2 MΩ?cm）沖洗 3-5 分鐘，去除殘留有機溶劑。

2. 深度去污：去除金屬離子與頑固顆粒

• 堿性清洗（可選，針對金屬離子）：
  采用SC1 溶液（NH?OH:H?O?:H?O = 1:1:5-10，體積比），在 50-70℃下浸泡 5-10 分鐘。
  原理：雙氧水氧化金屬離子，氨水使其形成可溶性絡合物，同時溶解部分有機物。
  注意：GaN 在強堿性溶液中穩定性較好，但 Si 襯底的 GaN 外延片需縮短時間（≤5 分鐘），避免 Si 被腐蝕。
• 酸性清洗（去除氧化層與金屬）：

  • 針對自然氧化層：用稀 HF 溶液（0.5%-5%）浸泡 30 秒 - 2 分鐘，去除 Ga?O?（反應：Ga?O? + 6HF → 2GaF? + 3H?O）。

  • 針對金屬離子：用SC2 溶液（HCl:H?O?:H?O = 1:1:5-10），在 50-70℃下浸泡 5-10 分鐘，溶解堿金屬、重金屬離子。
    注意：HF 濃度過高或時間過長會腐蝕 GaN 本體，需嚴格控制參數；SiC 襯底的 GaN 外延片可耐受稍高濃度 HF。

• 兆聲清洗（去除頑固顆粒）：
  在 DI 水中進行兆聲清洗（頻率 800kHz-2MHz）3-5 分鐘，利用高頻聲波產生的微射流剝離緊密附著的顆粒，比超聲更溫和，減少材料損傷。

3. 終洗與干燥

• DI 水沖洗：多次沖洗（至少 3 次，每次 1-2 分鐘），確保殘留化學試劑徹底去除。

• 干燥：

  • 氮氣吹干：用高純氮氣（純度≥99.999%）以傾斜 45° 角吹掃，避免水痕殘留；

  • 甩干：若批量處理，可使用甩干機（轉速 1000-2000rpm，1-2 分鐘），配合氮氣輔助干燥。

  
  

三、關鍵注意事項

1. 材料兼容性：

   • 襯底為 Si 時，避免強堿性溶液長時間浸泡（防止 Si 被腐蝕）；

   • 襯底為 SiC 時，需注意 SiC 表面氧化層（可通過稀 HF 同步去除）；

   • 異質結外延片（如 AlGaN/GaN）需控制酸性溶液濃度，避免 AlGaN 層被過度蝕刻。

2. 環境與試劑純度：

   • 清洗需在百級超凈間進行，避免二次污染；

   • 試劑需用電子級（如 UPSS 級），DI 水需經亞微米過濾。

3. 參數優化：

   • 溫度、時間、溶液配比需根據外延片表面狀態（如污染程度、氧化層厚度）微調，建議通過小批量試驗確定最佳工藝。

四、清洗效果檢測

1. 顆粒檢測：用光學顯微鏡或粒子計數器（如 KLA-Tencor）檢查表面顆粒數（目標：≤10 個 /cm2，粒徑≥0.5μm）；

2. 表面成分：通過 X 射線光電子能譜（XPS）分析，確認金屬離子濃度≤1×101? atoms/cm2，無有機物殘留；

3. 表面形貌：用原子力顯微鏡（AFM）檢測，確保表面粗糙度（Ra）≤0.5nm，無蝕刻損傷。