晶圓清洗的原理、流程、方法、設(shè)備

晶圓清洗（Wet Clean）是半導體制造工藝中至關(guān)重要的步驟之一，其目的是去除晶圓表面的各種污染物，確保后續(xù)工藝步驟能夠在潔凈的表面上進行。

隨著半導體器件尺寸的不斷縮小和精度要求的不斷提高，晶圓清洗工藝的技術(shù)要求也日益嚴苛。晶圓表面任何微小的顆粒、有機物、金屬離子或氧化物殘留都可能對器件性能產(chǎn)生重大影響，進而影響半導體器件的成品率和可靠性。

一、晶圓清洗的核心原理

晶圓清洗的核心在于通過物理、化學以及其他方法有效去除晶圓表面的各類污染物，以確保晶圓具有適合后續(xù)加工的潔凈表面。

表：晶圓表面不同污染物及其影響

Type of Contamination

Main Influences on Device Characteristics

具體來說，晶圓清洗工藝的目標包括：

顆粒物的去除：利用物理或化學手段，去除附著在晶圓表面的微小顆粒物。較小的顆粒物由于與晶圓表面之間存在較強的靜電吸附力，去除的難度較大，需要特別處理。

有機物的去除：晶圓表面可能附著油脂、光刻膠殘留等有機污染物，這些污染物通常通過強氧化劑或溶劑來去除。

金屬離子的去除：金屬離子殘留在晶圓表面可能導致電性能的下降，甚至影響晶圓后續(xù)的制程，因此需要使用特定的化學溶液進行處理。

氧化物的去除：部分工藝要求晶圓表面沒有氧化物層，如氧化硅等，因此在某些清洗步驟中需要去除自然氧化層。

晶圓清洗技術(shù)的難點在于既要高效去除污染物，又不能對晶圓表面產(chǎn)生不良影響，例如不能引起表面粗糙化、腐蝕或其他物理損傷。

二、晶圓清洗工藝流程

晶圓清洗工藝通常分為多個步驟，以確保污染物的全面去除和表面的完全潔凈。

典型的晶圓清洗工藝包括以下幾個主要步驟：

1. 預清洗（Pre-Clean）

預清洗的目的是去除晶圓表面的松散污染物和大顆粒，這通常通過去離子水（DI Water）沖洗和超聲波清洗來完成。去離子水能夠初步去除晶圓表面的顆粒和溶解的雜質(zhì)，而超聲波清洗則利用空化效應(yīng)破壞顆粒與晶圓表面的結(jié)合力，使顆粒易于脫落。

2. 化學清洗（Chemical Cleaning）

化學清洗是晶圓清洗工藝的核心步驟之一，它利用化學溶液去除晶圓表面的有機物、金屬離子和氧化物。

去除有機物：通常使用丙酮或氨水/過氧化氫混合液（SC-1）來溶解和氧化去除有機污染物。SC-1溶液的典型配比為NH?OH:H?O?:H?O = 1:1:5，使用溫度約為20°C。

去除金屬離子：使用硝酸或鹽酸/過氧化氫混合液（SC-2）去除晶圓表面的金屬離子。SC-2溶液的配比通常為HCl:H?O?:H?O = 1:1:6，溫度保持在80°C左右。

去除氧化物：某些工藝要求去除晶圓表面的自然氧化層，這時會使用氫氟酸（HF）溶液。HF的典型配比為HF:H?O = 1:50，常溫下即可使用。

3. 終清洗（Final Clean）

在化學清洗后，晶圓通常需要進行終清洗，以確保表面沒有殘留的化學物質(zhì)。終清洗主要使用去離子水進行徹底的沖洗。此外，臭氧水清洗（O?/H?O）也被用于進一步去除晶圓表面的殘留污染物。

4. 干燥

清洗后的晶圓必須迅速干燥，以防止水痕或污染物的重新附著。常用的干燥方法包括旋轉(zhuǎn)甩干和氮氣吹掃，前者通過高速旋轉(zhuǎn)將晶圓表面的水分甩除，后者通過干燥氮氣的吹拂來確保表面的完全干燥。

表：用于CMOS工藝的清洗解決方案

Contaminant

Cleaning Procedure Name

Chemical Mixture Description

Chemicals

三、常見的晶圓清洗方法

1. RCA 清洗法

RCA清洗法是半導體行業(yè)中最為經(jīng)典的晶圓清洗方法之一，由RCA公司開發(fā)，已有超過40年的歷史。該方法主要用于去除有機物和金屬離子污染物，并且可以分為SC-1（標準清洗1）和SC-2（標準清洗2）兩步完成。

SC-1清洗：主要去除有機污染物和顆粒，溶液為氨水、過氧化氫和水的混合液，形成一層薄氧化硅層。

SC-2清洗：主要去除金屬離子污染物，使用鹽酸、過氧化氫和水的混合溶液，留下薄的鈍化層，防止晶圓表面再次污染。

2. 吡拉尼亞清洗法（Piranha Etch clean）

吡拉尼亞清洗法是一種高效的有機物去除方法，使用硫酸和過氧化氫的混合溶液，典型的配比為3:1或4:1。由于該溶液具有極強的氧化性，可以去除大量的有機物質(zhì)和頑固的污染物。這種方法需要在嚴格的控制條件下進行，尤其是在溫度和濃度方面，以避免對晶圓的損傷。

3. 超聲波清洗和兆聲波清洗（Megasonic Cleaning）

超聲波清洗利用高頻聲波在液體中產(chǎn)生的空化作用來去除晶圓表面的污染物。相比傳統(tǒng)的超聲波清洗，兆聲波清洗具有更高的頻率，能夠更高效地去除亞微米級別的顆粒，而不會對晶圓表面造成損傷。

4. 臭氧清洗（Ozone Cleaning）

臭氧清洗技術(shù)利用臭氧的強氧化性來分解和去除晶圓表面的有機污染物，最終將這些污染物轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水。這種方法不需要使用昂貴的化學試劑，并且對環(huán)境污染較小，因此逐漸成為晶圓清洗領(lǐng)域的一種新興技術(shù)。

四、晶圓清洗工藝設(shè)備

為了確保晶圓清洗工藝的高效和安全性，半導體制造中使用了各種先進的清洗設(shè)備。主要包括以下幾類：

1. 濕法清洗設(shè)備

濕法清洗設(shè)備包括各種浸泡槽、超聲波清洗槽和旋轉(zhuǎn)甩干設(shè)備。這些設(shè)備通過機械力和化學試劑的結(jié)合，完成晶圓表面的污染物去除。浸泡槽通常配有溫度控制系統(tǒng)，以確?；瘜W溶液的穩(wěn)定性和有效性。

2. 干法清洗設(shè)備

干法清洗設(shè)備主要包括等離子清洗機，利用等離子體中的高能粒子與污染物反應(yīng)來去除晶圓表面的殘留物。等離子清洗特別適用于需要保持表面完整性而不引入化學物質(zhì)殘留的工藝。

3. 自動化清洗系統(tǒng)

隨著半導體生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，自動化清洗系統(tǒng)已成為大批量晶圓清洗的首選。這類系統(tǒng)通常包括自動傳輸裝置、多槽清洗系統(tǒng)和精密控制系統(tǒng)，以確保每片晶圓都能達到一致的清洗效果。

五、未來趨勢

隨著半導體器件的不斷微縮化，晶圓清洗技術(shù)正朝著更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展。未來的清洗技術(shù)將更加注重：

亞納米級別顆粒物的去除：現(xiàn)有的清洗技術(shù)已經(jīng)可以處理納米級顆粒，但隨著器件尺寸的進一步縮小，亞納米級顆粒的去除將成為新的挑戰(zhàn)。

綠色環(huán)保清洗：減少對環(huán)境有害的化學品的使用，開發(fā)更環(huán)保的清洗方法，例如臭氧清洗和兆聲波清洗等。

更高的自動化和智能化：通過智能化系統(tǒng)，實時監(jiān)控和調(diào)整清洗過程中的各種參數(shù)，以進一步提高清洗效果和生產(chǎn)效率。

晶圓清洗技術(shù)作為半導體制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。通過多種清洗方法的組合使用，能夠有效去除晶圓表面的各種污染物，為后續(xù)工藝提供潔凈的基底表面。隨著技術(shù)的不斷進步，清洗工藝也在不斷優(yōu)化，以適應(yīng)更高精度、更低缺陷率的半導體制造需求。

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