晶圆清洗的原理、流程、方法、设备

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-30 14:43:59 1596

晶圆清洗（Wet Clean）是半导体制造工艺中至关重要的步骤之一，其目的是去除晶圆表面的各种污染物，确保后续工艺步骤能够在洁净的表面上进行。

图：批量的晶圆清洗

随着半导体器件尺寸的不断缩小和精度要求的不断提高，晶圆清洗工艺的技术要求也日益严苛。晶圆表面任何微小的颗粒、有机物、金属离子或氧化物残留都可能对器件性能产生重大影响，进而影响半导体器件的成品率和可靠性。

一、晶圆清洗的核心原理

晶圆清洗的核心在于通过物理、化学以及其他方法有效去除晶圆表面的各类污染物，以确保晶圆具有适合后续加工的洁净表面。

图：硅片表面的污染物

表：晶圆表面不同污染物及其影响

Type of Contamination

Main Influences on Device Characteristics


Particle Contamination		Pattern defects Ion implantation defects Insulating film breakdown defects
Metallic Contamination	Alkali Metals	MOS transistor instability Gate oxide film breakdown/degradation
Metallic Contamination	Heavy Metals	Increased PN junction reverse leakage current Gate oxide film breakdown defects Minority carrier lifetime degradation Oxide excitation layer defect generation
Chemical Contamination	Organic Material	Gate oxide film breakdown defects CVD film variations (incubation times) Thermal oxide film thickness variations (accelerated oxidation) Haze occurrence (wafer, lens, mirror, mask, reticle)
	Inorganic Dopants (B, P)	MOS transistor Vth shifts Si substrate and high resistance poly-silicon sheet resistance variations
	Inorganic Bases (amines, ammonia) & Acids (SOx)	Degradation of the resolution of chemically amplified resists Occurrence of particle contamination and haze due to salt generation
	Native and Chemical Oxide Films Due to Moisture, Air	Increased contact resistance Gate oxide film breakdown/degradation

具体来说，晶圆清洗工艺的目标包括：

颗粒物的去除：利用物理或化学手段，去除附着在晶圆表面的微小颗粒物。较小的颗粒物由于与晶圆表面之间存在较强的静电吸附力，去除的难度较大，需要特别处理。

有机物的去除：晶圆表面可能附着油脂、光刻胶残留等有机污染物，这些污染物通常通过强氧化剂或溶剂来去除。

金属离子的去除：金属离子残留在晶圆表面可能导致电性能的下降，甚至影响晶圆后续的制程，因此需要使用特定的化学溶液进行处理。

氧化物的去除：部分工艺要求晶圆表面没有氧化物层，如氧化硅等，因此在某些清洗步骤中需要去除自然氧化层。

晶圆清洗技术的难点在于既要高效去除污染物，又不能对晶圆表面产生不良影响，例如不能引起表面粗糙化、腐蚀或其他物理损伤。

二、晶圆清洗工艺流程

晶圆清洗工艺通常分为多个步骤，以确保污染物的 .去除和表面的完全洁净。

图：Batch类型和单片清洗对比

典型的晶圆清洗工艺包括以下几个主要步骤：

1. 预清洗（Pre-Clean）

预清洗的目的是去除晶圆表面的松散污染物和大颗粒，这通常通过去离子水（DI Water）冲洗和超声波清洗来完成。去离子水能够初步去除晶圆表面的颗粒和溶解的杂质，而超声波清洗则利用空化效应破坏颗粒与晶圆表面的结合力，使颗粒易于脱落。

2. 化学清洗（Chemical Cleaning）

化学清洗是晶圆清洗工艺的核心步骤之一，它利用化学溶液去除晶圆表面的有机物、金属离子和氧化物。

去除有机物：通常使用丙酮或氨水/过氧化氢混合液（SC-1）来溶解和氧化去除有机污染物。SC-1溶液的典型配比为NH?OH:H?O?:H?O = 1:1:5，使用温度约为20°C。

去除金属离子：使用硝酸或盐酸/过氧化氢混合液（SC-2）去除晶圆表面的金属离子。SC-2溶液的配比通常为HCl:H?O?:H?O = 1:1:6，温度保持在80°C左右。

去除氧化物：某些工艺要求去除晶圆表面的自然氧化层，这时会使用氢氟酸（HF）溶液。HF的典型配比为HF:H?O = 1:50，常温下即可使用。

3. 终清洗（Final Clean）

在化学清洗后，晶圆通常需要进行终清洗，以确保表面没有残留的化学物质。终清洗主要使用去离子水进行彻底的冲洗。此外，臭氧水清洗（O?/H?O）也被用于进一步去除晶圆表面的残留污染物。

4. 干燥

清洗后的晶圆必须迅速干燥，以防止水痕或污染物的重新附着。常用的干燥方法包括旋转甩干和氮气吹扫，前者通过高速旋转将晶圆表面的水分甩除，后者通过干燥氮气的吹拂来确保表面的完全干燥。

表：用于CMOS工艺的清洗解决方案

Contaminant

Cleaning Procedure Name

Chemical Mixture Description

Chemicals


Particles	Piranha (SPM)	Sulfuric acid/hydrogen peroxide/DI water	H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C
Particles	SC-1 (APM)	Ammonium hydroxide/hydrogen peroxide/DI water	NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C
Metals (not copper)	SC-2 (HPM)	Hydrochloric acid/hydrogen peroxide/DI water	HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85°C
	Piranha (SPM)	Sulfuric acid/hydrogen peroxide/DI water	H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90°C
	DHF	Dilute hydrofluoric acid/DI water (will not remove copper)	HF/H2O1:50
Organics	Piranha (SPM)	Sulfuric acid/hydrogen peroxide/DI water	H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90°C
	SC-1 (APM)	Ammonium hydroxide/hydrogen peroxide/DI water	NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80°C
	DIO3	Ozone in de-ionized water	O3/H2O Optimized Mixtures
Native Oxide	DHF	Dilute hydrofluoric acid/DI water	HF/H2O 1:100
Native Oxide	BHF	Buffered hydrofluoric acid	NH4F/HF/H2O

三、常见的晶圆清洗方法

1. RCA 清洗法

RCA清洗法是半导体行业中最为经典的晶圆清洗方法之一，由RCA公司开发，已有超过40年的历史。该方法主要用于去除有机物和金属离子污染物，并且可以分为SC-1（标准清洗1）和SC-2（标准清洗2）两步完成。

SC-1清洗：主要去除有机污染物和颗粒，溶液为氨水、过氧化氢和水的混合液，形成一层薄氧化硅层。

SC-2清洗：主要去除金属离子污染物，使用盐酸、过氧化氢和水的混合溶液，留下薄的钝化层，防止晶圆表面再次污染。

2. 吡拉尼亚清洗法（Piranha Etch clean）

吡拉尼亚清洗法是一种高效的有机物去除方法，使用硫酸和过氧化氢的混合溶液，典型的配比为3:1或4:1。由于该溶液具有极强的氧化性，可以去除大量的有机物质和顽固的污染物。这种方法需要在严格的控制条件下进行，尤其是在温度和浓度方面，以避免对晶圆的损伤。

3. 超声波清洗和兆声波清洗（Megasonic Cleaning）

超声波清洗利用高频声波在液体中产生的空化作用来去除晶圆表面的污染物。相比传统的超声波清洗，兆声波清洗具有更高的频率，能够更高效地去除亚微米级别的颗粒，而不会对晶圆表面造成损伤。

4. 臭氧清洗（Ozone Cleaning）

臭氧清洗技术利用臭氧的强氧化性来分解和去除晶圆表面的有机污染物，最终将这些污染物转化为无害的二氧化碳和水。这种方法不需要使用昂贵的化学试剂，并且对环境污染较小，因此逐渐成为晶圆清洗领域的一种新兴技术。

四、晶圆清洗工艺设备

为了确保晶圆清洗工艺的高效和安全性，半导体制造中使用了各种先进的清洗设备。主要包括以下几类：

1. 湿法清洗设备

湿法清洗设备包括各种浸泡槽、超声波清洗槽和旋转甩干设备。这些设备通过机械力和化学试剂的结合，完成晶圆表面的污染物去除。浸泡槽通常配有温度控制系统，以确保化学溶液的稳定性和有效性。

2. 干法清洗设备

干法清洗设备主要包括等离子清洗机，利用等离子体中的高能粒子与污染物反应来去除晶圆表面的残留物。等离子清洗特别适用于需要保持表面完整性而不引入化学物质残留的工艺。

3. 自动化清洗系统

随着半导体生产规模的不断扩大，自动化清洗系统已成为大批量晶圆清洗的 .。这类系统通常包括自动传输装置、多槽清洗系统和精密控制系统，以确保每片晶圆都能达到一致的清洗效果。

五、未来趋势

随着半导体器件的不断微缩化，晶圆清洗技术正朝着更高效、更环保的方向发展。未来的清洗技术将更加注重：

亚纳米级别颗粒物的去除：现有的清洗技术已经可以处理纳米级颗粒，但随着器件尺寸的进一步缩小，亚纳米级颗粒的去除将成为新的挑战。

绿色环保清洗：减少对环境有害的化学品的使用，开发更环保的清洗方法，例如臭氧清洗和兆声波清洗等。

更高的自动化和智能化：通过智能化系统，实时监控和调整清洗过程中的各种参数，以进一步提高清洗效果和生产效率。

晶圆清洗技术作为半导体制造中的关键环节，其重要性不言而喻。通过多种清洗方法的组合使用，能够有效去除晶圆表面的各种污染物，为后续工艺提供洁净的基底表面。随着技术的不断进步，清洗工艺也在不断优化，以适应更高精度、更低缺陷率的半导体制造需求。

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