文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了晶圓清洗的污染源來源、清洗技術和優化。

晶圓清洗降低外來污染物對晶圓影響的措施，特別是在半導體生產過程中，是至關重要的。

在芯片生產過程中，確保晶圓表面的潔凈度是基礎且關鍵的要求。盡管并非每個高溫操作前都需要進行清洗，但清洗工藝貫穿了整個芯片生產過程，且占比高達20%的步驟。隨著半導體工藝的發展，對無污染晶圓的需求不斷增長，清洗工藝也隨之不斷進化，本文分述如下：

概念概述

顆粒去除技術

化學清洗方案的應用

水的沖洗在濕法清洗中的重要性及優化

概念概述

環境污染源及分類

半導體器件制造過程中，主要的環境污染源包括：

1.微塵顆粒：這些顆粒可能附著在晶圓表面，影響器件性能。

2.重金屬離子：如Na+、Fe、Ni、Cu、Zn等，它們會改變器件的電性特征。

3.有機物殘留物：這些殘留物可能來自生產過程中的各種化學試劑。

4.輕金屬離子：如鈉離子等，同樣會對器件性能產生不良影響。

晶圓清洗工藝的要求

晶圓清洗工藝必須滿足以下要求：

1.全面去除污染物：在去除所有污染物的同時，還要求不刻蝕或損害晶圓表面。

2.安全性與經濟性：清洗工藝在生產配制上必須是安全的、經濟的，并為業內所接受。

3.適應不同晶圓狀況：清洗工藝的設計應適應前端工序（FEOL）和后道工序（BEOL）的不同需求。

清洗工藝的選擇與實施

根據不同的工藝步驟和器件要求，選擇合適的清洗工藝至關重要。典型的FEOL清洗工藝包括顆粒去除、化學清洗、氧化物去除、有機物和金屬去除等步驟。

此外，還需根據晶圓表面的敏感度和清潔程度要求，選擇非HF結尾或HF結尾的清洗工藝。

顆粒去除技術

晶圓表面的顆粒污染是半導體制造中的一個重要問題，這些顆粒的大小可以從約50微米變化到小于1微米。為了有效去除這些顆粒，需要采用一系列的技術和工藝。

大顆粒去除

傳統化學浸泡與沖洗：對于較大的顆粒（如50微米以上），傳統的化學浸泡池和相應的清水沖洗通常就足以將其去除。這些顆粒由于體積較大，與晶圓表面的附著力相對較弱，因此容易被沖洗掉。

小顆粒去除

靜電引力控制：對于較小的顆粒，它們被幾種很強的力量吸附在晶圓表面，特別是靜電引力，控制垂直電勢即可達到減小靜電引力的目的。例如，通過調整清洗液的pH值、電解質濃度以及使用表面活性劑。

表面張力引力克服：表面張力引力是另一個需要克服的問題。它形成了顆粒與晶圓表面之間的液體橋。為了去除這些顆粒，可以使用表面活性劑或機械輔助（如超聲波）。表面活性劑能夠降低液體表面張力，從而削弱顆粒與晶圓表面之間的附著力。超聲波則可以通過產生高頻振動來破壞顆粒與表面之間的結合。

化學清洗方案的應用

有機與無機殘余物去除，需要采用一系列的清洗方案，如使用特定的化學試劑和工藝條件，不同制造區域對清潔度的要求各異，故存在多種清洗方案。

濕法工藝與浸泡型清洗

濕法工藝，又稱濕法清洗，是半導體清洗中的主流方法。其中，浸泡型清洗最為常見，通常在嵌入清洗臺的反應池中進行，這些反應池由玻璃、石英或聚四氟乙烯制成。若需加熱清洗液，反應池則置于加熱盤上，加熱方式可能是電阻線纏繞或內置浸入式加熱器。

清洗溶液與溫度控制

熱硫酸加氧化劑是常見的清洗溶液。在90至125℃的溫度范圍內，硫酸展現出卓越的清洗效果，能有效去除晶圓表面的無機殘余物和顆粒。氧化劑的加入，如過氧化氫、亞硫酸銨、硝酸和臭氧，則能去除含碳殘余物，通過化學反應將碳轉化為二氧化碳氣體排出。

Piranha刻蝕與Caro酸

Piranha刻蝕：結合硫酸和過氧化氫，強效去除硅片表面的有機物和金屬雜質。常用于工藝前的清洗，如sC1和sC2步驟前。典型配比為7份濃硫酸加3份30%體積的過氧化氫，硅片需浸入19分鐘，隨后用去離子水清洗。

Caro酸：Piranha的變種，由濃硫酸、過氧化氫和超純水混合而成，配比為380份濃硫酸、17份30%過氧化氫和1份超純水。

除上述方案以外，還有手動清洗系統、自動清洗系統與臭氧與去離子水混合清洗等。半導體工業中的化學清洗方案多種多樣，需根據具體工藝需求和晶圓污染情況選擇。通過合理的清洗溶液配比、溫度控制和自動化手段，可確保晶圓表面的高清潔度，為后續的摻雜、沉積和金屬沉積等工藝奠定堅實基礎。

水的沖洗在濕法清洗中的重要性及優化

在半導體制造過程中，濕法清洗是去除晶圓表面污染物的重要步驟，其中必不可缺的步驟就是去離子水沖洗。

沖洗的雙重功效

1.去除化學清洗液：清洗液中可能含有對晶圓表面有害的化學成分，通過清水沖洗可以將其徹底去除，防止對后續工藝造成不良影響。

2.終止刻蝕反應：在濕法清洗過程中，某些清洗液可能會對晶圓表面產生刻蝕作用。通過及時沖洗，可以終止這些刻蝕反應，保護晶圓表面的完整性。

沖洗方法的多樣性

為了實現有效的沖洗，可以采用多種不同的方法，包括但不限于：

浸泡沖洗：將晶圓浸泡在去離子水中，通過浸泡和攪拌的方式去除表面殘留物。

噴淋沖洗：使用高壓噴淋裝置將去離子水均勻地噴灑在晶圓表面，利用水流的沖擊力去除殘留物。

超聲波沖洗：利用超聲波的振動作用，使晶圓表面的殘留物松動并脫落，同時結合去離子水的沖洗作用，實現更徹底的清潔。

提高沖洗效果和減少水用量的未來趨勢

隨著半導體技術的不斷發展，對晶圓表面清潔度的要求也越來越高。因此，提高沖洗效果和減少水用量成為未來濕法清洗工藝的重要發展方向。

提高沖洗效果：通過優化沖洗方法和參數，如增加沖洗時間、提高沖洗壓力等，可以進一步提高沖洗效果，確保晶圓表面的清潔度達到要求。

減少水用量：為了降低生產成本和減少對環境的影響，需要采取措施減少水用量。例如，可以采用循環沖洗系統，將用過的去離子水經過處理后再次利用；或者開發新的節水型沖洗設備和技術。