晶圆清洗工艺有哪些类型

晶圆清洗工艺是半导体制造中的关键步骤，用于去除晶圆表面的污染物（如颗粒、有机物、金属离子和氧化物），确保后续工艺（如光刻、沉积、刻蚀）的良率和器件性能。根据清洗介质、工艺原理和设备类型的不同，晶圆清洗工艺可分为以下几类：

1. 湿法清洗（Wet Cleaning）

（1）槽式清洗（Batch Cleaning）

• 原理：
  将多片晶圆（通常25-50片）放入化学槽中，依次浸泡于不同化学液中进行清洗。
• 典型流程：
  • SC1碱洗（NH₄OH/H₂O₂/DIW）：去除有机物和金属污染。
  • SC2酸洗（HCl/H₂O₂/DIW）：去除氧化层和重金属。
  • DHF处理（稀HF）：腐蚀化学氧化层，避免界面污染。
• 适用场景：
  • 批量处理，成本低，但存在交叉污染风险（需严格DIW冲洗）。
  • 适用于成熟制程（如>1μm节点）。

（2）单片清洗（Single-Wafer Cleaning）

• 原理：
  单片晶圆通过喷淋臂或旋转刷洗的方式，在封闭腔体内完成清洗。
• 技术特点：
  • 高洁净度：化学液单向流动，无交叉污染。
  • 精准控制：喷淋压力、流量和温度可实时调节（如DNS技术）。
  • 适用先进制程：如3nm以下节点，对颗粒和金属污染控制更严。
• 典型设备：
  • 喷淋式清洗机（Spray Tool，如TEL CLEAN TRACK）。
  • 旋转刷洗机（Brush Cleaner，用于边缘清洁）。

（3）超声波清洗（Ultrasonic Cleaning）

• 原理：
  利用高频超声波（≥20kHz）产生空化效应，剥离晶圆表面颗粒和有机物。
• 适用场景：
  • 去除顽固颗粒（如光刻胶碎片）或窄缝污染物（如TSV孔内残留）。
  • 常与化学清洗结合（如先超声波预清洗，再槽式清洗）。

2. 干法清洗（Dry Cleaning）

（1）等离子体清洗（Plasma Cleaning）

• 原理：
  通过辉光放电产生等离子体，利用活性粒子（如O₂、CF₄）与污染物反应生成挥发性物质。
• 典型工艺：
  • O₂ Plasma：去除有机残留（如光刻胶）。
  • CF₄ Plasma：去除金属污染（如Al、Cu）。
• 优点：
  • 无液体残留，适合对水敏感的工艺（如EUV光刻前处理）。
  • 低温（＜100℃），避免热损伤。
• 缺点：
  • 可能引入电荷损伤（需静电消除措施）。
  • 设备成本高（如电容耦合等离子体CCP设备）。

（2）气相清洗（Vapor Cleaning）

• 原理：
  利用化学试剂蒸汽（如HMDS蒸汽）与污染物反应，或通过冷凝吸附去除杂质。
• 适用场景：
  • 去除光刻胶残留（如HMDS蒸汽溶解未曝光胶）。
  • 替代湿法清洗，避免水分引入（如干燥环境下的金属层清洗）。

3. 物理清洗（Physical Cleaning）

（1）刷洗（Brush Cleaning）

• 原理：
  使用软质刷子（如PVA刷）配合化学液，通过机械摩擦去除颗粒和有机物。
• 适用场景：
  • 边缘清洁（如去除晶圆背面切割残留）。
  • 窄缝或凹陷区域（如3D IC结构）。
• 技术要点：
  • 刷子压力控制（通常＜1N/cm²），避免划伤表面。
  • 刷子材料需耐磨且低颗粒释放（如多晶金刚石刷）。

（2）兆声波清洗（Megasonic Cleaning）

• 原理：
  利用高频声波（1-3MHz）产生微射流，剥离亚微米级颗粒（如＞0.1μm）。
• 优点：
  • 非接触式清洗，无机械损伤风险。
  • 可针对特定颗粒尺寸优化频率（如1MHz对应0.5μm颗粒）。
• 应用：
  • 光刻后清洗（如EUV光刻胶残留）。
  • 先进封装（如TSV、Bumping工艺）。

4. 复合清洗（Hybrid Cleaning）

（1）湿法+干法组合

• 示例：
  • 槽式清洗（去颗粒）→ 等离子体清洗（去有机物）→ 兆声波清洗（去残留）。
• 优势：
  • 结合湿法的高去除效率和干法的无残留特性。
  • 满足先进制程对洁净度的严苛要求（如＜0.1μm颗粒/cm²）。

（2）化学机械抛光（CMP）后清洗

• 流程：
  • CMP抛光（去除表面层）→ 湿法清洗（去除磨料颗粒）→ 兆声波清洗（去残留）。
• 技术难点：
  • 需避免CMP后的表面粗糙度（Ra＜1nm）被二次污染。

5. 特殊工艺清洗

（1）光刻胶去除（Photoresist Stripping）

• 方法：
  • 湿法：臭氧硫酸（H₂SO₄/H₂O₂）或NMethylpyrrolidone（NMP）溶剂。
  • 干法：O₂ Plasma灰化（需控制功率以避免CD偏移）。

（2）金属污染控制（如Cu、Al去除）

• 方法：
  • 湿法：稀硝酸（HNO₃）或EDTA络合剂清洗。
  • 干法：Cl₂/BCl₃等离子体刻蚀。

（3）原子层沉积（ALD）前清洗

• 要求：
  • 去除前驱体残留（如Al₂O₃ ALD前的羟基化表面处理）。
  • 采用原位清洗技术（如远程等离子体+湿法联动）。

6. 未来趋势

• 智能化监控：集成AI算法实时优化清洗参数（如化学浓度、温度、时间）。
• 绿色清洗：减少化学用量（如超临界CO₂清洗）或回收废液（如电化学再生技术）。
• 原子级洁净：面向3nm以下节点，开发更低缺陷密度的清洗工艺（如等离子体增强湿法清洗）。

晶圆清洗工艺的选择需综合考虑污染物类型、晶圆尺寸、制程节点和成本效益。湿法清洗仍是主流，但干法和复合工艺在先进制程中的应用比例逐渐提升。未来方向将是更高洁净度、更低损伤和更环保的技术融合。