半导体芯片制程中“清洗工艺”技术的详解

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2026-09-02              环球过滤分离技术网                  cowinfiltration8






      20世纪50年代后，半导体行业发明了四种基本工艺（离子注入、扩散、外延生长和光刻），行业IC工艺逐渐发展起来。如果被灰尘颗粒和金属污染，产生短路或开路等，导致集成电路故障和几何特性的产生，很容易损害芯片中的电路功能。因此，除了在整个生产过程中避免外部污染源外，还需要对集成电路制造过程进行湿法或干法清洁，如高温扩散和离子注入。干式和湿式清洁工作包括使用化学溶液或气体成功地去除留在晶圆（Wafer）上的灰尘、金属离子和有机杂质，同时保持晶圆（Wafer）的表面和电气财产。

所以，半导体清洗工艺便成了半导体制造过程中最关键环节之一，它直接影响着最终产品的性能和可靠性。清洗工艺的主要目的是去除晶圆表面的各类污染物，包括颗粒物、有机物、金属离子和氧化物，以确保后续工艺（如光刻、离子注入、沉积等）能够在洁净的表面上进行。本期跟大家分享的就是半导体清洗工艺原理、工艺步骤、所用原材料及工艺设备原理几个方面进行详细介绍，在介绍前，我们还是有必要了解一下当前半导体IC制程中所涉及到的污染分类的问题，以便我们更好的切入到清洗工艺技术的阐述。

一、污染物和杂质的分类

在IC制造工艺中需要一些有机和无机化合物。此外，制造过程总是在洁净室中进行，有人为干预，导致硅片的各种环境污染。污染物根据其发生情况分为四类：颗粒物、有机物、金属污染物和氧化物。

1、颗粒

聚合物、光致抗蚀剂和蚀刻杂质构成了颗粒的大部分。通常，颗粒会粘附在硅表面，影响后续工艺的几何特征和电气财产的发展。尽管颗粒与表面之间的粘附力是多种多样的，但主要是范德华引力，因此颗粒去除方法主要是使用物理或化学方法削弱颗粒，并逐渐去除颗粒。颗粒与硅表面的接触面积减小，颗粒最终被去除。

2、有机物

人体皮肤油、洁净室空气、机械油、有机硅真空润滑脂、光刻胶、清洁溶剂和其他有机污染物都可以在IC工艺中找到。每种污染物都以不同的方式影响IC工艺，主要是通过在晶片表面产生有机层来防止清洁溶液到达晶片表面。因此，去除有机材料通常是清洁过程中的第一步。

3、金属污染物

在IC电路制造工艺中，金属互连材料被用来连接单独的器件。光刻和蚀刻用于在绝缘层上创建接触窗口，然后蒸发、溅射或化学气相沉积用于创建金属互连（CVD）。为了构造互连线，蚀刻诸如Al-Si、Cu等的互连膜，然后对沉积的介电层进行化学机械抛光（CMP）。该程序有可能污染集成电路的生产过程。在构建金属互连时会产生各种金属污染物。为了去除金属污染，必须采取适当的措施。4、原生氧化物和化学氧化物在包括氧气和水的环境中，硅原子很容易被氧化，形成一层氧化物层，称为天然氧化物层。由于过氧化氢的氧化能力很强，用SC-1和SC-2溶液清洗后，硅片表面会形成化学氧化层。一旦晶片被清洁，就必须去除该表面氧化物，以确保栅极氧化物的质量。IC工艺中化学气相沉积（CVD）产生的氧化物，如氮化硅和二氧化硅，也应在清洁工艺中选择性去除。

二、清洗工艺的原理

半导体清洗的核心在于去除晶圆表面的各种污染物，并保持晶圆表面的洁净度和电性能。具体原理包括：

1、物理清洗：利用机械力（如超声波）或压力（如喷淋）去除颗粒物。2、化学清洗：通过化学反应去除有机物和金属离子。3、等离子清洗：利用等离子体中的活性粒子与污染物反应，从而去除污染物。

表面改性：通过化学或物理方法改变晶圆表面的性质，以提高后续工艺的效果。

三、清洗工艺的步骤

半导体清洗工艺通常包括以下几个步骤：

1、预清洗

（1）去离子水（DI Water）冲洗：使用高纯度的去离子水初步去除晶圆表面的颗粒和松散污染物。这一步骤是为了去除大颗粒和易于去除的杂质，为后续的深度清洗做准备。（2）超声波清洗：将晶圆置于装有去离子水的超声波槽中，通过超声波产生的空化效应，破坏颗粒与晶圆表面的结合力，从而去除颗粒。

2、化学清洗

（1）去除有机物

丙酮清洗：使用丙酮溶解油脂和其他有机物。硫酸/过氧化氢混合液（SC-1）：使用硫酸和过氧化氢的混合液去除有机物。SC-1的典型配比为H2SO4:H2O2:H2O = 5:1:1，温度在180°C左右。

（2）去除金属离子

a、硝酸清洗：使用硝酸去除金属离子。

b、盐酸/过氧化氢混合液（SC-2）：使用盐酸和过氧化氢的混合液去除金属离子。SC-2的典型配比为HCl:H2O2:H2O = 1:1:5，温度在80°C左右。

（3）去除氧化物

氢氟酸（HF）：使用氢氟酸去除晶圆表面的氧化层。HF的典型配比为HF:H2O = 1:50，温度在室温左右。

3、终清洗

（1）去离子水冲洗：再次使用去离子水彻底冲洗晶圆，确保表面无残留的化学物质。

（2）臭氧水清洗：使用臭氧水（O3/H2O）进一步氧化并去除残留的有机物和金属离子。

（3）旋转甩干：在高速旋转下，利用离心力去除晶圆表面的液体。氮气吹扫：使用氮气吹扫晶圆表面，确保表面干燥，防止水痕留下。

四、清洗工艺所用的原材料

1、去离子水（DI Water）：用于预清洗和终清洗，去除颗粒和溶解的杂质。

2、酸性溶液：如硫酸-过氧化氢混合液（SC-1）、氢氟酸（HF）等，用于去除金属离子和氧化物。

3、碱性溶液：如氨水-过氧化氢混合液（SC-2），用于去除颗粒物和部分有机物。

4、溶剂：如丙酮、异丙醇（IPA）等，用于去除油脂和其他有机物。

5、络合剂：如乙二胺四乙酸（EDTA）等，用于与金属离子形成稳定的络合物，便于去除。6、等离子气体：如氧气、氩气等，用于等离子清洗。

五、清洗工艺设备的原理

1、湿法清洗设备

浸泡槽：将晶圆浸入化学溶液中，通过浸泡和搅拌去除污染物。浸泡槽通常配有加热系统，以维持溶液的温度。

超声波清洗槽：利用超声波产生的空化效应，破坏颗粒与晶圆表面的结合力，从而去除颗粒。超声波清洗槽通常配有超声波发生器和换能器，以产生超声波振动。

旋转甩干机：在高速旋转下，利用离心力去除晶圆表面的液体。旋转甩干机通常配备高速电机和精确的控制系统，以确保晶圆在高速旋转时的安全性和稳定性。

喷淋系统：通过高压喷嘴将化学溶液喷射到晶圆表面，以去除污染物。喷淋系统通常配有精密的喷嘴和流量控制系统，以确保均匀的喷淋效果。

2、干法清洗设备

等离子清洗机：通过等离子体处理晶圆表面，利用等离子体中的活性粒子与污染物反应，从而去除污染物。等离子清洗机通常配备等离子发生器、反应腔室和真空系统，以确保等离子体的生成和处理效果。

3、自动化清洗系统

单片清洗机：用于单片晶圆的清洗，自动化程度高，适合大批量生产。单片清洗机通常配备自动传输系统、化学供液系统和控制系统，以实现晶圆的自动清洗。

批量清洗机：一次处理多片晶圆，效率较高，但对清洗质量的要求较高。批量清洗机通常配备多个清洗槽和自动传输系统，以实现多片晶圆的同时清洗。

湿法清洗是针对不同的工艺需求，采用特定的化学药液和去离子水对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除晶圆制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质，可同时采用超声波、加热、真空等辅助技术手段；

干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术，主要包括等离子清洗、超临界气相清洗、束流清洗等技术。

目前湿法清洗是主流的清洗技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。

4、未来技术发展及迭代趋势

干法清洗主要是采用气态的氢氟酸刻蚀不规则分布的有结构的晶圆二氧化硅层，虽然具有对不同薄膜有高选择比的优点，但可清洗污染物比较单一，目前在28nm及以下技术节点的逻辑产品和存储产品有应用。

晶圆制造产线上通常以湿法清洗为主，少量特定步骤采用湿法和干法清洗相结合的方式互补所短，构建清洗方案。

未来清洗设备的湿法工艺与于法工艺仍将并存发展，均在各自领域内向技术节点更先进、功能多样化、体积小、效率高能耗低等方向发展，在短期内湿法工艺和干法工艺无相互替代的趋势。

半导体制造过程中，清洗工艺是重复次数最多 的工艺，使用合适的清洗技术可以极大提高芯片制 造的良率。随着硅片的大尺寸化和器件结构的微小化,堆积密度指数增加,对晶圆清洗技术的要求也越来越高,对晶圆表面的洁净度、表面的化学态、粗糙程度和氧化膜的厚度都有了更加严格的要求。

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