半导体清洗工艺——湿法清洗和干法清洗

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2026-09-20             环球过滤分离技术网             guolvfenlitech6

       上世纪50年代以后，随着离子注入、扩散、外延生长和光刻四种基本工艺的发明，半导体工艺逐渐发展起来。芯片被颗粒和金属污染，容易导致短路或开路等失效，因此除了在整个生产过程中避免外部污染外，在制造过程中（如高温扩散和离子注入等）都需要湿法或干法清洗。这些清洗工作涉及使用化学溶液或气体去除残留在晶圆上的颗粒物、金属离子和有机杂质，同时保持晶圆表面洁净和良好的电性能。

一,污染物的分类

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、光刻胶和刻蚀杂质构成了大部分颗粒物。通常，颗粒粘附在硅表面，影响后续工艺的几何特征和电性能的发展。虽然颗粒与表面之间的附着力是多种多样的，但以范德华力为主，因此去除颗粒的主要方法是用物理或化学方式将颗粒底切（undercut）来逐渐去除。由于颗粒与硅表面的接触面积减少，最终被去除。

2 金属污染物

在IC制工艺中，金属互连材料用于连接独立器件。光刻和刻蚀用于在绝缘层上创建接触窗口，然后使用蒸发、溅射或化学气相沉积（CVD）来构建金属互连。为了构建互连，首先需要刻蚀Al-Si、Cu等薄膜，然后对沉积的介电层进行化学机械抛光（CMP）。该工艺有可能在构建金属互连时产生各种金属污染。为了去除金属污染，必须采取适当的清洗步骤。

3 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、清洗溶剂和其它有机污染物都可以在IC工艺中找到。每种污染物以不同的方式影响工艺，但主要是通过产生有机层来阻止清洗溶液到达晶圆表面。因此，去除有机物通常是清洗的第一步。

4 氧化物

在含氧气和水的环境中，硅原子很容易被氧化形成氧化层，称为天然氧化层。由于过氧化氢具有很强的氧化能力，用APM和HPM溶液清洗后，会在硅表面形成化学氧化层。一旦晶圆被清洗，表面氧化物必须被清除，以保证栅极氧化物的质量。CVD在工艺中产生的氧化物，如氮化硅和氧化硅也应在清洗中被选择性去除。

二、清洗工艺

1,湿法清洗

湿法清洗是半导体制造中应用最广泛的清洗技术（市场占比超80%），核心逻辑是“化学反应+物理冲洗”——通过高纯度化学试剂与硅片表面的杂质发生溶解、氧化、剥离等反应，再用超纯水将污染物彻底冲洗，实现清洁目的。

湿法清洗的核心在于“试剂配方的精准匹配”，不同污染物对应特定的化学体系，典型工艺被行业归纳为“标准清洗流程（RCA清洗）”，包含四大核心步骤：

1.1，SPM清洗（硫酸-双氧水体系）：由浓硫酸与双氧水按3:1比例混合，在120-150℃下产生强氧化性的羟基自由基，可快速分解光刻胶残留、指纹油脂等有机污染物，如同“化学除油剂”，清洁效率达99%以上。

1.2，APM清洗（氨水-双氧水体系）：氨水、双氧水与超纯水按1:1:5-10比例混合，在70-80℃下形成碱性环境，既能通过氧化作用去除金属离子，又能借助气泡效应剥离微米级颗粒杂质，同时可轻微刻蚀硅片表面，改善表面均匀性。

1.3，HPM清洗（盐酸-双氧水体系）：盐酸、双氧水与超纯水按1:1:6比例混合，在70-80℃下针对性去除钠、铁、铜等金属离子污染，尤其对重金属的清洗效果突出，被称为“金属离子清除剂”。

1.4，HF清洗（氢氟酸体系）：通过稀释后的氢氟酸选择性刻蚀硅片表面的氧化层（SiO₂），同时溶解氧化层中包裹的颗粒与金属杂质，清洗后需立即用超纯水冲洗，避免硅片表面过度腐蚀。

湿法清洗的核心优势的是成本可控、清洁均匀性好、适配性广，比如：化学试剂成本相对较低，设备结构简单，适合大规模量产场景；清洁范围覆盖有机污染物、金属离子、颗粒杂质等全类型污染物；对平面硅片、常规器件结构的清洁效果稳定，在28nm及以上成熟制程中应用占比超90%。

湿法清洗也有技术局限，比如：依赖液体介质，表面张力可能导致3D NAND深孔、Chiplet微结构等复杂器件的缝隙处残留污染物；化学试剂需高纯度（如超纯水电阻率≥18.2MΩ·cm），且废水处理需符合环保标准，增加了生产环节的管控难度；对5nm及以下先进制程的原子级清洁精度难以完全满足。

2、干法清洗

随着芯片制程向5nm及以下演进，器件结构从平面转向3D堆叠，湿法清洗的液体局限性逐渐显现，干法清洗凭借“无液体、高精度、低损伤”的优势快速崛起。其核心逻辑是通过物理能量（如等离子体、离子束）或真空环境，直接剥离、气化污染物，无需化学试剂参与。

干法清洗的技术核心是“能量的精准控制”，确保在去除杂质的同时不损伤器件结构，典型工艺包括：

1，等离子体清洗：最主流的干法清洗技术，通过射频放电使气体（如氧气、氩气、氟气）电离形成等离子体，高能粒子（离子、自由基）与污染物发生化学反应或物理轰击，将其分解为挥发性气体，再通过真空泵排出。其中，氧气等离子体主要去除有机污染物，氩气等离子体以物理轰击为主剥离颗粒杂质，氟气等离子体可针对性去除氧化层。

2，离子束清洗：通过加速后的高能离子束（如氩离子）直接轰击硅片表面，利用动量传递剥离杂质原子，清洁精度可达原子级，适用于先进制程的原子级清洁需求。

3，真空烘烤清洗：在高温（200-400℃）、高真空环境下，使硅片表面的挥发性杂质（如水分、轻质有机物）蒸发去除，适用于对化学试剂敏感的特殊制程环节。

干法清洗的核心优势是低损伤、高精度、适配复杂结构，比如：无液体参与，避免了表面张力导致的残留问题，完美适配3D堆叠、深孔窄缝等复杂器件结构；清洁精度可达1nm以下，满足5nm及以下先进制程的原子级清洁要求；无化学废水产生，环保性更优，且对硅片表面的腐蚀风险极低。其主要应用场景包括：先进制程（5nm及以下）的关键工序清洁，如FinFET晶体管栅极、3D NAND深孔结构清洗；对液体敏感的器件结构（如Chiplet封装互连区）清洁；原子级精度要求的表面预处理（如沉积前的硅片表面清洁）。

而干法清洗的技术局限包括：设备成本较高（是湿法清洗设备的3-5倍），运行维护费用高，不适用于大规模成熟制程；对部分重金属离子的清洁效果不如湿法清洗，需与湿法工艺协同使用；高能粒子可能对器件表面造成轻微损伤，需严格控制能量参数。

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。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，清洗与兆声波的有效配合可以去除更细颗粒物。

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