晶圓清洗的原理、流程、方法、設備

發布時間：2024-09-30作者來源：薩科微瀏覽：1396

晶圓清洗（Wet Clean）是半導體制造工藝中至關重要的步驟之一，其目的是去除晶圓表面的各種污染物，確保后續工藝步驟能夠在潔凈的表面上進行。

圖：批量的晶圓清洗

隨著半導體器件尺寸的不斷縮小和精度要求的不斷提高，晶圓清洗工藝的技術要求也日益嚴苛。晶圓表面任何微小的顆粒、有機物、金屬離子或氧化物殘留都可能對器件性能產生重大影響，進而影響半導體器件的成品率和可靠性。

一、晶圓清洗的核心原理

晶圓清洗的核心在于通過物理、化學以及其他方法有效去除晶圓表面的各類污染物，以確保晶圓具有適合后續加工的潔凈表面。

圖：硅片表面的污染物

表：晶圓表面不同污染物及其影響

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

具體來說，晶圓清洗工藝的目標包括：

顆粒物的去除：利用物理或化學手段，去除附著在晶圓表面的微小顆粒物。較小的顆粒物由于與晶圓表面之間存在較強的靜電吸附力，去除的難度較大，需要特別處理。

有機物的去除：晶圓表面可能附著油脂、光刻膠殘留等有機污染物，這些污染物通常通過強氧化劑或溶劑來去除。

金屬離子的去除：金屬離子殘留在晶圓表面可能導致電性能的下降，甚至影響晶圓后續的制程，因此需要使用特定的化學溶液進行處理。

氧化物的去除：部分工藝要求晶圓表面沒有氧化物層，如氧化硅等，因此在某些清洗步驟中需要去除自然氧化層。

晶圓清洗技術的難點在于既要高效去除污染物，又不能對晶圓表面產生不良影響，例如不能引起表面粗糙化、腐蝕或其他物理損傷。

二、晶圓清洗工藝流程

晶圓清洗工藝通常分為多個步驟，以確保污染物的全面去除和表面的完全潔凈。

圖：Batch類型和單片清洗對比

典型的晶圓清洗工藝包括以下幾個主要步驟：

1. 預清洗（Pre-Clean）

預清洗的目的是去除晶圓表面的松散污染物和大顆粒，這通常通過去離子水（DI Water）沖洗和超聲波清洗來完成。去離子水能夠初步去除晶圓表面的顆粒和溶解的雜質，而超聲波清洗則利用空化效應破壞顆粒與晶圓表面的結合力，使顆粒易于脫落。

2. 化學清洗（Chemical Cleaning）

化學清洗是晶圓清洗工藝的核心步驟之一，它利用化學溶液去除晶圓表面的有機物、金屬離子和氧化物。

去除有機物：通常使用丙酮或氨水/過氧化氫混合液（SC-1）來溶解和氧化去除有機污染物。SC-1溶液的典型配比為NH?OH:H?O?:H?O = 1:1:5，使用溫度約為20°C。

去除金屬離子：使用硝酸或鹽酸/過氧化氫混合液（SC-2）去除晶圓表面的金屬離子。SC-2溶液的配比通常為HCl:H?O?:H?O = 1:1:6，溫度保持在80°C左右。

去除氧化物：某些工藝要求去除晶圓表面的自然氧化層，這時會使用氫氟酸（HF）溶液。HF的典型配比為HF:H?O = 1:50，常溫下即可使用。

3. 終清洗（Final Clean）

在化學清洗后，晶圓通常需要進行終清洗，以確保表面沒有殘留的化學物質。終清洗主要使用去離子水進行徹底的沖洗。此外，臭氧水清洗（O?/H?O）也被用于進一步去除晶圓表面的殘留污染物。

4. 干燥

清洗后的晶圓必須迅速干燥，以防止水痕或污染物的重新附著。常用的干燥方法包括旋轉甩干和氮氣吹掃，前者通過高速旋轉將晶圓表面的水分甩除，后者通過干燥氮氣的吹拂來確保表面的完全干燥。

表：用于CMOS工藝的清洗解決方案

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