半导体 | 清洗工艺

清洗作业是目前去除污染唯一有效方式，因此从半导体芯片制造、封装，到后面的PCAB封装环节，几乎每完成一道加工工序，都紧接着会有一道清洗作业。清洗贯穿整个半导体制造。从硅片制造时需要对抛光好的硅晶圆进行清洗，去除表面的污染物，到芯片制备中去除光刻胶、湿法刻蚀、CVD 等，再到最后的材料质检。每一个环节都需要清洗以保证下一步不受杂质的干扰，保持产品的良率。同时随着芯片制程的不断缩小，所需要的进行的清洗次数也就越来越多。据统计，清洗工艺的次数占到了在整个芯片制造工艺步骤的三分之一，是芯片制造的重要环节。

一、污染物分类

IC的制造过程中需要使用一些有机和无机化合物。制造过程一直在洁净室进行，但存在人为干预，因此会导致晶圆的各种环境污染。污染物根据其存在形式分为四类：颗粒物、有机物、金属污染物和氧化物。

1） 颗粒物

聚合物、光刻胶以及刻蚀杂质组成了大部分的颗粒物。一般而言，颗粒会附着在硅表面，对后续工艺的几何特征与电性能的发展造成影响。尽管颗粒与表面之间的附着力存在多种类型，但主要是以范德华力为主，所以通过物理或化学的方式对颗粒进行底切（undercut）从而逐步将其去除是主要的方法。由于这样会使颗粒与硅表面的接触面积减小，最终得以将其去除。

2） 有机物

人体皮肤油脂、洁净室空气、机械油、有机硅真空油脂、光刻胶、清洗溶剂以及其他有机污染物都能够在集成电路（IC）工艺中发现。每种污染物会以不同的方式对工艺产生影响，但主要是通过形成有机层来阻碍清洗溶液抵达晶圆表面。故而，去除有机物通常是清洗的首要步骤。3） 金属污染物在集成电路制造工艺中，金属互连材料被用于连接独立的器件。光刻和刻蚀被用于在绝缘层上创建接触窗口，接着运用蒸发、溅射或者化学气相沉积（CVD）来构建金属互连。为了构建互连，首先需要对 Al-Si、Cu 等薄膜进行刻蚀，然后对沉积的介电层实施化学机械抛光（CMP）。该工艺在构建金属互连的过程中有可能产生各类金属污染。为了去除金属污染，必须采取适宜的清洗步骤。4）氧化物在含有氧气和水的环境里，硅原子很容易被氧化而形成氧化层，被称作天然氧化层。由于过氧化氢具有很强的氧化能力，在用 APM 和 HPM 溶液清洗过后，会在硅表面形成化学氧化层。一旦晶圆被清洗，表面的氧化物必须被清除掉，以确保栅极氧化物的质量。在工艺过程中由化学气相沉积产生的氧化物，例如氮化硅和氧化硅也应该在清洗中被有选择性地去除。对于不同来源的污染物，若是不进行清洗或者清洗不彻底的话，会致使芯片的良率大大降低。

二、清洗方法

I）物理方法

刷洗器比较适合去除较大的杂质颗粒。刷洗器将晶圆承载在一个旋转的真空吸盘上。在一般去离子水直接冲洗晶圆表面的同时，一个旋转的刷子近距离地接触旋转的晶圆。刷子和品圆旋转的结合在晶圆表面产生了高能量的清洗动作。液体被迫进入品圆表面和刷子末端之间极小的空间，从而达到很高的速度，以辅助清洗。必须注意的是,要保持刷子和清洗液管道的清洁以防止二次污染。另外刷子到晶圆的距离要保持一定以防止在晶圆表面造成划痕。

超声波在半导体工艺中很常用，超声波是人耳听不到的20kHz以上的振动波，利用振动去除附着在晶圆表面的污染和颗粒。频率在100kHz以下的超声波和100kHz以上的超声波也都有使用，其产生的作用不同，如下图：

高压水喷洒清洗对由于静电作用附着的颗粒去除效果很好，成为玻璃和铬光刻掩模版的清洗的首选方式。将一注小的水流施加2000~4000psi的压力，水流连续不断地喷洒掩膜或晶片的表面，除去大小不一的颗粒。在水流中经常加入少剂量的表面活性剂作为去静电剂。

2）化学方法液体的化学清洗工艺通常称为湿法工艺(wet process)或湿法清洗(wet cleaning)。
RCA清洗是化学清洗的典型方法。它是20世纪60年代由RCA公司的Kern和Puotinen提出的，使用化学溶液的组合作为清洗液，是化学清洗的代表方法。基本上针对各种污染的清洗液组合、混合比例、温度等都已确定，下图中显示了RCA清洗液的例子。氨和双氧水(称为APM)的混合物也简称为“氨双水”，对去除有机污染和颗粒有效，这里叫作SC-1清洗，SC是SemiconductorClean的缩写。盐酸和双氧水的混合物称为 HSM，简称为“盐酸双氧水”，对去除金属污染有效，这也称为SC-2清洗。此外，硫酸和双氧水的混合物称为 SPM，简称为“硫酸双氧水”可有效去除光刻胶及其残留物。通常的清洗设备中都有盛放上述化学药品组合的清洗槽。

下图显示了不同用途的RCA清洁组合示例，但这只是一个例子而已。另外RCA清洗主要用于前端工序。因为在后端工序中形成金属布线，RCA清洗液会溶解金属布线。

喷洒清洗:标准的清洗技术是浸泡在湿法清洗台或全自动机器的化学池中进行的。当湿法清洗被应用到0.35~0.50um的技术时代时，也相应出现了一些顾虑。化学品越来越多.浸泡在池中会导致污染物的再次沉积，而且晶片表面越来越小,越来越深的图形阻碍了清洗的有效性。多样的清洗方法于是开始结合。喷洒清洗具有几个优越性。化学品直接喷到品圆表面而无须在池中保持大量的储备，导致化学品的成本降低。化学品用量的减少也使得处理和除去运输化学废物的开销降低。清洗效果也有所提高。喷洒的压力有助于清洗晶圆表面带有深孔的很小图形。而且，再次污染的概率也会变小。喷洒的方法由于品圆每次接触的都是新鲜的化学品，使允许清洗后立即进行清水冲淋，而无须移至另外的一个清水冲洗台上进行。

低温清洗:高压的二氧化碳(CO2)或雪清洗(snowcleaning)是一种新兴的技术。CO2从一个喷嘴中直接喷到晶圆表面。当气体从喷嘴中喷出时，其压力下降从而导致快速冷却，然后形成CO2颗粒，或叫做雪花。相互撞击颗粒的压力驱散表面的颗粒并由气流将其携带走。表面的物理撞击提供了一种清洗作用。

氩气的喷雾是另外一种低温清洗。氩气相对较重。它的较大原子在压力下直喷到晶片表面可以除去颗粒。一种结合了氧气和氩气的综合方法，称为低温动力(Cryokinelie)法。在压力下将气体预冷使其形成液气混合物并流入一个真空反应室中。在反应室中,液体迅速膨胀形成极微小的结晶将颗粒从晶片表面击走。

总的来讲，半导体中常见的清洗技术、要针对不同的污染物来选择，涉及到的清洁源、容器、清洁效果如下图：工艺清洁源容器清洁效果剥离光刻胶氧等离子体平板反应器刻蚀胶去聚合物硫酸溶液槽除去有机物去自然氧化层氢氟酸溶液槽产生无氧表面旋转甩干氮气甩干机无任何残留物RCA1（碱性）氨水+双氧水溶液槽除去表面颗粒RCA2（酸性）盐酸+双氧水溶液槽除去重金属粒子DI清洗去离子水溶液槽除去清洗溶剂

三、干燥技术

旋转淋洗甩干机(SRD):在旋转淋洗甩干机中，完全的甩干是在一个类似离心分离机的设备中完成的。一种方式是将晶圆承载器装入一个圆筒状容器内部的片匣固定器中。在这一圆筒状容器的中心是一排连接着去离子水和热氨气的带孔的管子。甩干的过程实际起始于晶圆的冲洗，因为晶圆是围绕着喷水的中心管柱旋转的。然后，当热氮气从中心管柱中喷出时，SRD转换为高速旋转。不难想象，旋转把水从品圆表面用掉。热氮气可以帮助去除紧附于晶圆上的小水珠。

SRD还可以设计用来做单个晶圆承载器的甩干。承载器可以被滑动推入反应室内部的一个旋转固定器中。水和氮气从其侧壁进入反应室而不是通过一个位中心的管柱。冲洗和甩干是在承载器绕其自身的轴线旋转时进行的。这种类型的SRD称为轴线甩干机(axial dryer)。这两种烘干机均被应用于全自动的晶圆清洗和刻蚀工艺。作为晶圆清洗机其所需的化学品通过管道连接到机器上，又由用微处理器控制的阀门将正确的化学品输送到反应室中。

异丙醇(IPA)蒸气蒸干法:一种近来又被重新发现的烘干技术是醇类蒸干法。在烘干器的底部有一个液体IA的储液罐。其上部充满蒸气(气相)。当一片表面带水的晶圆悬置于蒸气中时，IPA将晶圆表面的水取代。IPA蒸气区域周围的冷却管使IPA蒸气中的水蒸气凝结，从而除去晶圆表面的水。另一种为直接取代型气相蒸干机(direct displacement vapor dryer)。在这一系统中，晶圆被直接从水池中拿出放入IPA蒸气中，IPA对水的取代干燥IPA蒸气在其中发生。

表面张力/马拉高尼(Marangoni)烘干:当晶圆从水中被慢慢拿出水面时，水的表面张力产生一种特殊条件。张力吸走表面的水，使晶圆变干。一种有机物，如IPA或N2的气流在晶圆和水的界面出现，将使上述效果增强。IPA/N2的气流产生一种表面张力梯度从而使得晶圆上的水从其表面流人水中。这一内部流动进一步加强了晶圆去水的效果。在实际应用中，晶圆会从水池中拿出或者冲洗池中的水会慢慢下降使晶圆露出水面。四、总结芯片制造中最常见的工艺是半导体清洗。清洗效果的好坏对IC工艺和性能有重大影响。清洁溶液处理不当会严重污染环境，并且大量的清洗循环将消耗大量的化学品和去离子水。稀释化学品法，IMEC法，干法清洗以及干洗和湿洗的组合都有助于减少各种化学品和去离子水的使用。人们仍在研究更有效的清洗技术，例如在面对制程更小、集成度更高的工艺时，清洗与超声波的有效配合可以去除更细颗粒物。在更高精度的制造工艺中，半导体清洗将面临越来越多的问题。

参考文献：

1.【美】Peter Van Zant ，韩郑生译，芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版），电子工业出版社；
2.【日】佐藤淳一，王艺文，王姝娅译，图解入门半导体制造工艺基础精讲（第四版），机械工业出版社；；3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社；4.Wechat~ ICPMS冷知识，半导体清洗：工艺、方法和原理https://mp.weixin.qq.com/s/p6MPCJ0UTbwI16sUxFEeSA。