科普 | 浅谈半导体湿法清洗技术

一、湿法清洗介绍及其重要性

湿法清洗：是指利用各种无机或有机化学试剂对晶片表面附着的杂质进行清除。

在芯片制造过程中，空气、人体、厂房、生产设备、化学药剂、辅助材料等，都会携带各种微尘、有机物、无机物和金属离子等杂质。这些杂质会影响芯片良率、电学性能以及可靠性，因此，清洗技术是贯穿芯片制造的重要工艺环节。

随着芯片制造进入纳米时代，对晶圆表面清洁度的要求是严上加严，清洗技术复杂且不可缺失。清洗步骤占据了芯片制造过程的三分之一左右。扩散、沉积、注入等工序前后都需要进行清洗，并且每一步清洗都需要不同的设备、化学液配方、工艺条件来完成。

                                                                                                                             Fig1：中科汉韵芯片制造车间

二、化学试剂的选择

化学试剂与湿法清洗紧密相关，化学试剂纯净级别是反应清洗效果优劣的主要因素之一。为规范世界超净高纯试剂的标准，适应电子信息产业微处理工艺技术水平的不断提高，国际半导体设备与材料组织（SEMI）将超净高纯试剂按照金属杂质、控制粒径、颗粒个数和应用范围等相关标准，制定了国际标准等级。

中科汉韵专注于第三代半导体SiC MOSFET芯片研发与制造，在芯片制造过程中采用SEMI高标准等级的化学液进行晶圆清洗。为使化学试剂达到更好的清洁效果，中科汉韵采用一些特殊的技术方法，使晶片的清洁环境更加适宜。

三、湿法清洗方法

半导体清洗方法多样，如RCA清洗、稀释化学法、IMEC清洗法、单片清洗、干法清洗、擦片清洗、高压喷射清洗等方法，RCA清洗是目前最常用的。

1. RCA清洗简介

历史由来

工业标准湿法清洗工艺称作为RCA清洗工艺，是由美国无线电公司（RCA）于20世纪60年代提出，首次发表于1970年。RCA清洗主要是由两种不同的化学液组成：1号标准清洗液（SC1）和2号标准清洗液（SC2）。

配方

1号标准清洗液是 NH4OH/H2O2/H2O(氨水/双氧水/水)按照1:1:5的比例混合。

2号标准清洗液是 HCL/H2O2/H2O(盐酸/双氧水/水)按照1:1:6的比例混合。

这两种化学溶液都是以双氧水作为基础。

后期优化

随着清洗工艺日益精进，SPM（H2SO4/H2O2）按照5:1-2:1比例混合的溶液被引进。之后，稀释氢氟酸(DHF)也被引入。

2. RCA清洗原理

1号标准清洗液

SC1清洗液是碱性溶液，能够去除颗粒、金属和有机物质。对于颗粒，SC1主要通过氧化颗粒和电化学的排斥力达到清洁晶片的效果。

（1）双氧水是强氧化剂，能够氧化碳化硅表面的颗粒，部分颗粒直接分解；

（2）氢氧化铵是碱性溶液，其氢氧根能够轻微腐蚀氧化硅使颗粒下方与碳化硅脱离，并在晶片表面和颗粒上集聚负电荷，如Fig2。

（3）晶片表面和颗粒上的负电荷相互排斥，使颗粒从硅片表面脱离进入SC1溶液。同时，负电荷又阻止了颗粒在硅片上的重新附着，如Fig3。

                                                                                                                Fig2：氧化去除原理               Fig3：电斥力去除原理

2号标准清洗液

SC2清洗液是酸性溶液，主要作用是去除金属离子。作用机理是使晶片表面的金属形成可溶盐而被去除。

（1）双氧水是强氧化剂，能够氧化碳化硅表面的金属；

（2）盐酸与金属离子生成可溶性氯化物而溶解。

H2SO4+H2O2 (Piranha)

H2SO4能够去除金属以及有机物。在进行RCA清洗前，如果晶片表面附带有机物污染，会造成表面疏水，使后续的RCA清洗效果降低。所以使用 H2SO4+ H2O2按照5:1-2:1比例的混合液加温至120℃左右去除。

（1）硫酸使有机物脱水碳化；

（2）双氧水将碳化物氧化成 CO 或者 CO2气体。

稀释氢氟酸（DHF）

稀释氢氟酸（H2O:HF=100:1~20:1）常被用于去除晶片表面的氧化膜，同时将吸附在氧化膜上的微粒和部分金属离子溶解于化学剂中。

由于工艺上的不同，DHF或被用于SPM后、或SC1后、或SC2后，甚至多道DHF被引入RCA清洗中。大部分公司将RCA清洗中的DHF设置于SPM后。标准的RCA清洗流程如下：

                                                                                                                                    Fig4：RCA清洗流程

3. 影响RCA清洗的因素

外界因素、设备、工艺条件等，均会影响RCA清洗的效果。在此，从工艺条件方面，列举了以下影响因素：

溶液温度的上下浮动；

溶液成分浓度的变化；

溶液颗粒的不断增多；

清洗时溶液是否流动；

晶片表面溶液的冲洗。

4. 介绍为什么要从以下几点控制

溶液温度控制

在合理范围内，温度越高，反应越剧烈，清洗效果越彻底。考虑氨水腐蚀硅且易挥发的特性，所以建议适当增加温控即可，通常约30-70℃。中科汉韵目前采用的是根据实际需求而定制的设备，在某一特定的温度设定值下，能够严格控制温度的上下浮动，维持清洗效果的稳定性。

定期定量补液

由于双氧水同样易挥发，氨水占比越高，对晶片的腐蚀性越高（Ra越高），所以需要定期、定量添加双氧水，减小氨水占比。一般使用液位传感器监控液位，使用定量泵进行自动补液。

化学试剂过滤

在晶片清洗过程中，颗粒在槽体内不断地累积，为保证化学试剂的纯净度，需要持续不断地净化化学试剂。DHF/SC1/SC2均配有循环过滤装置，PTFE材质滤芯（如Fig5），PVDF材质滤壳（如Fig6），可有效控制微小颗粒在槽体内的累积，提高清洗效果。

                                                                                                                  Fig5：PTFE滤芯                         Fig6：PVDF滤壳

溶液循环流动

清洗晶片时，为提高槽体内化学液浓度和温度的均匀性，一般使用外置设备让内槽溶液流动起来，同时也能起到配合过滤装置的作用。

（1）配置气动风囊泵增加溶液循环功能（如Fig7）；

（2）增加超声波/兆声波功能（如Fig8）。

                                                                                                                  Fig7：气动风囊泵                Fig8：IMTEC兆声波

超声波工作原理：以40KHZ频段为例

在超声波作用下，机械振动传到液体中时，迫使液体内部产生疏密相间的振动，液体不断被拉伸和压缩。疏的区域形成微小的空穴气泡，密的区域受到压缩，在不断拉伸和压缩的环境下，空穴气泡不断破裂，对晶片表面的颗粒连续施加短暂且强烈的作用力，迫使颗粒从晶片表面脱落，从而达到清洗效果。一般用于大于0.5微米的颗粒清洗。

兆声波工作原理：以950KHZ频段为例

在兆声波清洗中，很少形成超声波那样的气泡，主要以高速的流体(最大瞬时速度可达到30cm/s)冲击晶片表面，强制除去细小的污染物，使之进入到清洗液中。一般可以去除0.1-0.3微米的颗粒清洗。

                                                                                                                                Fig9：兆声波工作示意图

DIW(去离子水)冲洗

晶片完成清洗后，表面残留化学试剂，所以需要使用去离子水进行冲洗。

传统的水槽

结构：单一；

特点：有很大区域的水体迟滞区，冲洗不彻底，近似“死水”，水体净化效率很低，且不能有效排出密度较高（ρ＞1g/cm3）的污染物。

                                                                                                                                       Fig10：传统的水槽设计

优化后的水槽（QDR：Quick Dump Rinse）

结构：喷淋槽、溢流槽、匀流板、快排气缸、喷嘴喷管、内置气体管路等；

特点：可编写程序，使各部件协调工作，最大限度激活水体。

                                                                                                                                      Fig11：优化后的水槽设计

QDR水槽介绍

QDR（Quick Dump Rinser）快排冲洗槽是湿法工艺不可缺少的一部分，主要用于去除晶圆表面微粒杂质和残留化学试剂，洁净晶圆表面。工作原理是先从槽体上部喷淋以及底部注入去离子水，等到槽体达到一定水量后再把去离子水快速排空。通过把去离子水快速排走的方式，带走杂质，这个过程要反复循环多次。

喷淋管路：一般会以形成相互交叉喷淋的方式来设计喷淋管路，在去离子水的喷淋过程中，需要对冲洗水压、水量、方向和角度作出调整测试，喷淋范围应覆盖全部晶圆及cassette，否则，未被喷淋冲洗的死角地带，微粒、杂质及化学药液残留含量仍然很高，达不到良好的清洗效果。

氮气鼓泡：喷淋同时，底部两侧不断进水，而后由内槽上端沿四周溢出，这样槽体内部的去离子水都能得到更新净化。同时，纯净氮气（或CO2）由槽体底部气体管路进入槽体。气体鼓泡主要作用：增加去离子水的冲刷力，对槽体本身以及晶片有很好的清洗作用；晶圆在水流中颤动，防止气泡的沾附，提高冲洗效果。

快排：QDR排水时间对晶圆清洗质量有很大的影响。QDR排水时间越短，排水流速就会越大，有利于去离子水带走晶圆表面上的微粒杂质。一般设定时间3-10秒。

水阻检测：在溢流排放口安装有DIW电阻率检测仪，可对溢流排放口的水质进行实时监控，溢流出去的水阻值越高，说明水体越纯净，进而表明晶圆已经得到很好的清洗效果。

写在最后

随着大规模和超大规模电路的发展，芯片制造的工艺流程呈现复杂化和精细化。工艺流程的复杂化使芯片受到污染的机会大大增加，而精细化让芯片对于杂质颗粒的敏感度更高，因此湿法清洗技术大大影响了芯片良率。

目前，我国湿法设备还处于萌芽期，中高端设备所需的高纯度材料、高精细配件仍需从国外引进。但半导体行业对先进湿法清洗设备的依赖性却越来越高，加大半导体技术及各类相关材料的研发，攻克技术壁垒，志在必行。

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