芯片制造中的清洗工艺：原理、步骤与设备详解

芯片制造中的清洗工艺：原理、步骤与设备详解

半导体清洗工艺是芯片制造过程中的关键环节，直接影响着最终产品的性能和可靠性。本文将从工艺原理、步骤、所用原材料及设备原理等方面，详细介绍这一复杂而精细的制造工艺。

工艺原理

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：

• 物理清洗：利用机械力（如超声波）或压力（如喷淋）去除颗粒物。
• 化学清洗：通过化学反应去除有机物和金属离子。
• 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。

工艺步骤

半导体清洗工艺通常包括以下几个步骤：

1. 预清洗

• 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。
• 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

• 去除有机物

• 丙酮清洗：使用丙酮溶解油脂和其他有机物。

• 氨水/过氧化氢混合液（SC-1）：使用氨水和过氧化氢的混合液去除有机物。SC-1的典型配比为NH4OH:H2O2:H2O = 1:1:5，温度在20°C左右。

• 去除金属离子

• 硝酸清洗：使用硝酸去除金属离子。

• 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 = 1:1:6，温度在80°C左右。

• 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

• 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。
• 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。

4. 干燥

• 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。

所用原材料

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：如盐酸-过氧化氢混合液（SC-2）、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-1），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。

工艺设备原理

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。

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。

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。