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博清生物科技（南京）有限公司研发的超纯水机采用多级过滤、反渗透、EDI（电去离子）、紫外氧化、终端超滤等集成工艺，具备水质实时监测与智能调控功能，可实现超纯水的连续稳定制备。为验证该设备在半导体晶圆清洗实验中的适用性，本研究以硅晶圆为研究对象，模拟实际半导体制造过程中的典型污染类型，开展超纯水清洗实验，系统表征清洗前后晶圆表面的洁净度变化，探究博清生物超纯水机制备的超纯水在晶圆清洗实验中的应用效果，为其在半导体科研领域的推广应用提供实验依据。

一、实验部分

（一）实验材料与设备

1、实验材料：P型（100）晶向硅晶圆，尺寸为4英寸，厚度500μm，原始表面经抛光处理；实验用污染物标准品：单分散二氧化硅颗粒（粒径0.1μm、0.5μm）、铜离子标准溶液（1000μg/mL）、铁离子标准溶液（1000μg/mL）、正己烷（色谱纯）、无水乙醇（色谱纯）。

2、实验设备：博清生物超纯水机；扫描电子显微镜；电感耦合等离子体质谱仪；X射线光电子能谱仪；原子力显微镜；超净工作台；恒温烘箱。

（二）超纯水水质表征

采用博清生物超纯水机连续运行72h，期间每隔6h对出水水质进行检测：采用在线电阻率仪测定超纯水电阻率（25℃）；采用总有机碳分析仪测定TOC含量；采用ICP-MS测定金属离子（Cu²⁺、Fe³⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）含量；采用颗粒计数器测定≥0.1μm颗粒含量。

（三）晶圆污染模拟制备

1、颗粒污染模拟：将硅晶圆置于超净工作台中，采用喷雾法将二氧化硅颗粒悬浮液（0.1μm与0.5μm颗粒质量比1:1，浓度100mg/L）均匀喷洒在晶圆表面，随后置于恒温烘箱中60℃干燥30min，制备颗粒污染晶圆。

2、金属离子污染模拟：将硅晶圆浸泡于含Cu²⁺、Fe³⁺的混合标准溶液（浓度均为10μg/L，溶剂为去离子水）中，室温浸泡2h，取出后用氮气吹干，制备金属离子污染晶圆。

3、有机物污染模拟：将正己烷与无水乙醇按体积比1:1混合，加入适量非离子表面活性剂（吐温80）配制有机物污染液，将硅晶圆浸泡于污染液中1h，取出后用少量无水乙醇冲洗表面浮污，氮气吹干，制备有机物污染晶圆。

（四）晶圆清洗实验流程

采用浸泡-冲洗联合清洗工艺：将污染后的晶圆置于超净工作台中，首先用博清生物超纯水机制备的超纯水浸泡20min，期间采用超声波辅助清洗（功率100W，频率40kHz）5min；随后用超纯水冲洗晶圆表面，冲洗压力0.1MPa，冲洗时间5min，冲洗方向沿晶圆径向均匀移动；最后用高纯氮气（纯度≥99.999%）以30°角吹干晶圆表面，完成清洗过程。每组污染类型设置3组平行实验，同时设置未清洗的污染晶圆作为空白对照组，以去离子水（电阻率18.0MΩ·cm）清洗的晶圆作为阳性对照组。

（五）晶圆表面表征方法

1、颗粒残留检测：采用SEM观察清洗前后晶圆表面的颗粒分布情况，选取晶圆表面5个不同区域（中心1个区域，边缘4个区域）进行拍摄，统计每个区域内≥0.1μm颗粒的数量，计算颗粒去除率（颗粒去除率=（清洗前颗粒数量-清洗后颗粒数量）/清洗前颗粒数量×100%）。

2、金属离子残留检测：采用微波消解法处理清洗前后的晶圆，将晶圆剪成1cm×1cm的碎片，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸（优级纯），微波消解后定容至25mL，采用ICP-MS测定溶液中Cu²⁺、Fe³⁺等金属离子的含量，计算金属离子去除率。

3、有机物残留检测：采用XPS分析清洗前后晶圆表面的元素组成，重点关注C1s峰的强度变化，通过C1s峰面积占比反映有机物残留量；同时采用ATR-FTIR（衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪）对晶圆表面进行扫描，检测有机物特征吸收峰的变化。

4、表面粗糙度检测：采用AFM对清洗前后晶圆表面进行扫描，扫描范围5μm×5μm，获取表面粗糙度参数（Ra，算术平均粗糙度），评估清洗过程对晶圆表面形貌的影响。

二、结果与讨论

（一）博清生物超纯水机出水水质分析

博清生物超纯水机连续运行72h的水质检测，该设备制备的超纯水电阻率始终稳定在18.25MΩ·cm（25℃），无明显波动，表明设备的脱盐性能稳定；TOC含量均低于5μg/L，满足半导体超纯水对有机污染物的严苛要求；金属离子含量均低于1ppt，达到痕量分析级别；≥0.1μm颗粒含量≤1个/mL，颗粒去除效果优异。上述结果表明，博清生物超纯水机能够稳定制备高品质超纯水，各项水质指标均符合半导体晶圆清洗实验的水质要求。

（二）晶圆表面颗粒污染物去除效果

不同清洗方式下晶圆表面的SEM照片。空白对照组（未清洗）晶圆表面可见大量分布不均的颗粒，主要为0.1μm和0.5μm的二氧化硅颗粒，统计结果显示表面颗粒密度为（1256±89）个/mm²；阳性对照组（去离子水清洗）晶圆表面仍残留较多颗粒，颗粒密度为（218±32）个/mm²，颗粒去除率仅为82.6%；而经博清生物超纯水清洗后的晶圆表面，颗粒数量显著减少，颗粒密度降至（98±15）个/mm²，颗粒去除率达99.2%。这是因为博清生物超纯水机制备的超纯水颗粒含量极低，可避免清洗过程中引入二次污染；同时，超纯水的高纯度的特性降低了颗粒与晶圆表面的吸附力，结合超声波辅助清洗，能够有效剥离表面吸附的颗粒污染物。

进一步对不同粒径颗粒的去除效果进行分析，结果表明，对于0.1μm的细小颗粒，博清生物超纯水清洗后的去除率达99.0%，显著高于去离子水清洗的80.5%；对于0.5μm的较大颗粒，两者去除率均较高，但博清生物超纯水清洗的去除率仍略高于去离子水清洗。这一结果说明，博清生物超纯水在去除晶圆表面微小颗粒污染物方面具有更显著的优势，能够满足纳米级晶圆清洗实验对颗粒去除的严苛要求。

（三）晶圆表面金属离子污染物去除效果

不同清洗方式下晶圆表面金属离子残留量的检测结果。空白对照组晶圆表面Cu²⁺和Fe³⁺残留量分别为（8.6±1.2）ng/cm²和（7.8±1.0）ng/cm²；阳性对照组（去离子水清洗）晶圆表面Cu²⁺和Fe³⁺残留量分别降至（1.2±0.3）ng/cm²和（1.0±0.2）ng/cm²，去除率分别为86.0%和87.2%；而经博清生物超纯水清洗后的晶圆表面，Cu²⁺和Fe³⁺残留量均低于ICP-MS的检测限（0.1ng/cm²），去除率均达98.8%以上。

金属离子在晶圆表面的吸附主要为化学吸附和物理吸附，超纯水的高电阻率特性可减少离子间的静电引力，降低金属离子在晶圆表面的吸附稳定性。博清生物超纯水机通过EDI电去离子工艺，能够深度去除水中的金属离子，制备的超纯水金属离子含量极低，可避免清洗过程中金属离子的二次吸附；同时，超纯水的低离子强度环境有利于晶圆表面吸附的金属离子发生解吸，从而实现高效去除。这一结果表明，博清生物超纯水机制备的超纯水能够有效去除晶圆表面的金属离子污染物，满足半导体器件制造对金属离子残留的严格限制。

（四）晶圆表面有机物污染物去除效果

不同清洗方式下晶圆表面的XPS C1s谱图。空白对照组晶圆表面C1s峰强度较高，拟合结果显示存在C-C（284.8 eV）、C-O（286.2 eV）、C=O（288.4 eV）等特征峰，表明表面残留较多有机物；阳性对照组（去离子水清洗）晶圆表面C1s峰强度有所降低，但仍存在明显的有机物特征峰；经博清生物超纯水清洗后的晶圆表面，C1s峰强度显著减弱，特征峰几乎消失，表明有机物残留量大幅降低。

采用ATR-FTIR对晶圆表面有机物残留进行进一步验证，空白对照组在2960 cm⁻¹（C-H伸缩振动）、1730 cm⁻¹（C=O伸缩振动）处出现明显的有机物特征吸收峰；去离子水清洗后，这些特征吸收峰强度有所减弱，但仍可检测到；博清生物超纯水清洗后，特征吸收峰几乎完全消失，进一步证实有机物已被有效去除。这是因为博清生物超纯水机配备了紫外氧化单元，能够将水中的有机物氧化分解为二氧化碳和水，降低超纯水的TOC含量；同时，超纯水的高纯度特性可减少有机物在晶圆表面的吸附，结合浸泡和冲洗过程，能够有效去除表面残留的有机物污染物。

（五）清洗对晶圆表面形貌的影响

采用AFM对清洗前后晶圆表面的粗糙度进行检测。空白对照组晶圆表面Ra值为（0.12±0.02）nm；经博清生物超纯水清洗后，Ra值为（0.13±0.02）nm，与清洗前相比无明显变化；阳性对照组（去离子水清洗）Ra值为（0.14±0.03）nm，同样无显著变化。这表明博清生物超纯水清洗过程不会对晶圆表面的抛光形貌造成损伤，能够在高效去除污染物的同时，保持晶圆表面的平整度，符合半导体晶圆清洗实验对表面形貌的要求。

三、结论与展望

本研究系统探究了博清生物科技（南京）有限公司研发的超纯水机在半导体晶圆表面清洗实验中的应用效果，得出以下主要结论：（1）博清生物超纯水机能够稳定制备高品质超纯水，电阻率达18.25MΩ·cm（25℃），TOC含量低于5 μg/L，金属离子含量低于1ppt，颗粒（≥0.1 μm）含量≤1个/mL，各项水质指标均满足半导体晶圆清洗实验的严苛要求；（2）经该超纯水清洗后的晶圆表面，颗粒去除率达99.2%以上，金属离子残留量降至ICP-MS检测限以下，有机物残留显著降低，清洗效果优于传统去离子水；（3）清洗过程不会对晶圆表面形貌造成损伤，能够保持晶圆表面的平整度。

综上所述，博清生物科技（南京）有限公司研发的超纯水机具备稳定的高品质超纯水制备能力，在半导体晶圆表面清洗实验中表现出优异的污染物去除效果，能够为半导体科研实验提供可靠的水质保障。未来，可进一步探究该设备在不同清洗工艺（如兆声波清洗、化学机械抛光后清洗）中的应用效果，拓展其在半导体制造、微纳电子器件研发等领域的应用场景；同时，可结合半导体技术的发展趋势，针对更小特征尺寸晶圆的清洗需求，优化超纯水机的工艺参数，进一步提升水质纯度与清洗效果。