半导体FAB中的清洗工艺（WET）详解

在半导体制造过程中，清洗工艺扮演着至关重要的角色。它旨在确保Wafer表面的纯净度，从而为后续工艺提供理想的基础。通过清洗，可以有效地去除在制造过程中产生的Particle，进而提升Wafer的良率和性能。这一工艺在晶圆的加工环节中尤为关键，因为在此过程中，Wafer会经过诸如LITHO、ETCH、PVD、CVD等多道关键工序。每一步工序前后，都需要进行清洗，以确保Wafer表面的洁净度，进而降低缺陷率。此外，在芯片的先进封装过程中，也涉及到多种清洗工艺，如TSV清洗、UBM清洗以及RDL清洗等。总的来说，清洗工艺是半导体制造不可或缺的一环。

清洗工艺中湿法清洗占据主导地位

在半导体制造的清洗工艺中，湿法清洗是目前主流的选择，占据了清洗步骤的90%以上。湿法清洗采用特定的化学药液和去离子水等化学溶剂，针对不同的工艺需求对Wafer表面进行无损伤的清洗。它能够有效地去除Wafer工艺过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层以及抛光残留物等杂质。同时，还可以结合超声波、加热、真空等物理方法，进一步增强清洗效果。

相比之下，干法清洗则是一种不使用化学溶剂的清洗技术，包括等离子清洗、超临界气相清洗和束流清洗等。尽管如此，湿法清洗由于其高效性和广泛适用性，在半导体制造中仍占据着不可或缺的地位。

SPM（SC3）清洗液，其配料为H2SO4与H2O按1:3的比例混合，是去除有机污染物的有效选择。硫酸的脱水性使得有机物碳化，而双氧水则进一步将碳化产物氧化为一氧化碳或二氧化碳。

稀释氢氟酸溶液，包含HF、DHFl和H2O，以1:2:10的比例混合，主要用于从特定区域去除氧化物、蚀刻硅二氧化物及硅氧化物，同时减少表面金属的残留。

UPW（DI水）在清洗过程中扮演着重要角色，它经过臭氧处理后，不仅用于稀释化学品，还是化学清洗后晶片冲洗的理想选择。

通过化学稀释法，如对SCSC2混合液的处理，可以显著节约化学品及DI水的用量，同时确保SC2混合液中的H2O2被完全去除。此外，稀释APM、HPM混合液以及HCI溶液，都能在清除金属杂质时表现出与标准SC2液体相当的效果。特别是稀释HCI溶液，即使在低浓度下也不会导致颗粒沉淀，从而优化了清洗效果。

采用RCA的化学稀释法进行清洗，可以使化学品消耗量减少高达86%。通过稀释SCSC2溶液并补充兆声搅动，不仅降低了槽中溶液的使用温度，还优化了清洗步骤的时间，延长了槽中溶液的寿命，进一步减少了化学品的消耗。同时，实验证明用热的UPW代替凉的UPW可以使UPW的消耗量减少75~80%。

另外，臭氧清洗作为一种简单高效的清洗方法，通过在氢氟酸中加入臭氧及双氧水，可以有效去除金属离子，提升清洗效果。

IMEC清洗技术：IMEC（Interuniversity Microelectronics Center）

在清洗工艺领域取得了显著的研究成果。其核心贡献在于成功应用了稀释的RCA清洗技术，为行业带来了革命性的变革。展望未来，IMEC更是描绘出清洗技术的发展蓝图：力求在减少化学液使用量及简化清洗流程方面取得更大突破。

IMEC清洗技术路线图展示了该领域的主要步骤。首先，通过硫酸混合物去除有机污染物，并生成一层化学氧化物以更有效地去除颗粒。接下来，利用HF溶液去除氧化层，同时清除颗粒和金属氧化物，其中Cu、Ag等金属离子会沉积到Si表面，这一过程是电化学的，并在光照条件下加速。最后，采用稀释的HCL/O3混合物使硅表面亲水，以防止干燥时产生斑点或水印，同时避免金属污染，并在冲洗过程中增加HNO3浓度以减少Ca表面污染。

物理方法也常被用作辅助手段来增强清洗效果。

这些方法包括机械刷洗、超声波/兆声波清洗、二流体清洗和旋转喷淋等。在当前的半导体清洗工艺中，化学药液的选择基本一致，而物理清洗方法则成为不同工艺间的关键差异。

机械刷洗法通过专用刷洗器与去离子水的结合，利用刷头与晶圆表面的摩擦力去除颗粒杂质。超声波/兆声波清洗则利用超声波的能量强化清洗效果，通过液体中的气泡在声波驱动下产生冲击力，从而驱动颗粒脱离硅片表面。但需注意，当振幅过大时，气泡可能会破裂产生局部冲击力。因此，在实际应用中，需要根据特征尺寸选择适当的超声波频率，以保持足够的冲击力同时避免图形倒塌。

超声波技术的核心在于如何实现能量的均匀分布。盛美半导体设备有限公司的专利技术SAPS（Space Alternative Phase Shift，空间交替相移技术），通过巧妙地调整超声波与硅片之间的距离，并配合间断性开关的兆声波发生器，确保在特定时间段内，传递给硅片的总能量保持一致。这一创新技术成功解决了超声波能量均匀性的难题，为实际生产带来了显著的效果。

盛美股份的兆声波清洗设备采用了独特的技术原理。其中，旋转喷淋法是一种基于喷嘴的清洗方式，通过不同的喷嘴喷出多样化的药液，如水柱、水雾等，借助这些液体颗粒的冲击力来清除硅片上的颗粒。这种方法的清洗效果与液体颗粒的大小和速度密切相关。

该技术经历了两个主要的发展阶段。在早期，Jet工艺直接将水柱喷射到旋转的硅片上，虽然冲击力强大，清洗效果显著，但有时会导致图形坍塌的问题。为了解决这一问题，后来推出了Nano Spray技术。该技术通过将N2引入去离子水中，形成细小的水雾，并以高速喷射到硅片表面，从而有效去除颗粒，同时避免了图形坍塌的风险。在此技术中，水珠颗粒的大小对冲击力有着直接影响，而喷嘴孔径和N2的调节则是控制水珠大小和冲击力的关键。

二流体清洗方法采用一种精细化的水气二流体雾化喷嘴，通过在喷嘴两端分别引入液体介质和高纯氮气来实现清洗。高纯氮气作为动力，辅助液体微雾化成极微细的液体粒子，这些粒子被喷射至晶圆表面，从而有效去除颗粒。这种方法产生的流体兼具液体和气体的优点，适用于高深宽比结构或不能沾水的表面清洗。

干法清洗则主要依赖于气相学法来去除晶片表面的污染物。其中，热氧化法和等离子清洗法是气相化学法的主要代表。在清洗过程中，热化学气体或等离子态反应气体被导入反应室，与晶片表面发生化学反应，生成易挥发的反应产物被真空抽走。

干法清洗的优点包括无废液产生和可选择性的局部处理。此外，其蚀刻的各向异性特性有助于细线条和几何特征的形成。然而，气相化学法在清洗过程中不可避免地会与硅表面发生反应，且无法仅与表面金属污染物反应。由于各种挥发性金属混合物的蒸发压力和挥发性在不同温度下有所差异，因此在特定的温度和时间条件下，可能无法完全去除所有金属污染物。因此，干法清洗通常需要与湿法清洗相结合才能达到理想的清洗效果。

在实验中，气相化学法已被证明能有效减少铁、铜、铝、锌、镍等金属污染物。同时，对于钙的低温去除，则可以采用基于CL离子的化学法实现有效挥发。在实际工艺过程中，通常会结合使用干法和湿法清洗方式来确保晶圆表面的清洁度。