半导体制造中晶圆清洗设备介绍

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

在半导体制造过程中，晶圆清洗是一道至关重要的工序。晶圆经切割后，表面常附着大量由聚合物、光致抗蚀剂及蚀刻杂质等组成的颗粒物，这些物质会对后续工序中芯片的几何特征与电性能产生不良影响。随着半导体制程的不断进步，颗粒物尺寸逐渐向纳米级趋近，去除难度显著增加，晶圆表面残留颗粒数量也激增，叠加图形尺寸持续缩小，进一步加剧了清洗工作的复杂性。因此，高性能晶圆清洗设备的重要性日益凸显。

清洗原理与技术路线

半导体清洗是指在不造成伤害的情况下去除附着于晶圆片表面异物的工艺。根据清洗介质的不同，目前主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。湿法清洗占据市场主导地位，市场份额约占85%，在可预见的未来仍将是主流技术。该方法通过液体化学溶剂对晶圆表面的污染物进行氧化、蚀刻和溶解，主要分为刷洗类和化学清洗类。

湿法清洗针对不同的工艺需求，采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除集成电路制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层和抛光残留物等。刷洗类设备以刷洗器为核心，能有效清除硅片表面1μm及以上的颗粒物。化学清洗类设备则主要包括浸入式湿法清洗槽、兆声清洗槽和旋转喷淋清洗设备等，其清洗原理基于经典的RCA清洗技术及其衍生工艺。

干法清洗是近年来发展的新型技术，无需液体溶剂，通过气相化学反应或离子轰击实现清洗，具有无废液、可局部选择性清洗等优点，主要包括热氧化法和等离子清洗法。但目前该技术仍不成熟，湿法清洗在3D NAND堆叠结构清洗、铜互连工艺等场景中仍不可替代。

主流设备与关键技术

在湿法清洗工艺路线下，根据设备形态又可分为槽式清洗机、单片式清洗机、组合式清洗机和批式旋转喷淋清洗机等。其中，单片清洗设备市场份额占比最高，已广泛用于集成电路制造前道和后道制程，涉及成膜、刻蚀、离子注入、抛光及金属沉积后的大量清洗环节。单片清洗能够提供更好的工艺控制，改善均匀性，提高产品良率，并避免槽式清洗可能带来的交叉污染风险。

单片式清洗设备一般由主体框架、晶圆传输系统、腔体模块、化学药液供给传输模块以及软件系统和电控模块组成。其工艺基础是旋转喷淋方法，通过电动机驱动晶圆高速旋转，并向其表面喷淋清洗液，利用离心作用实现流体的均匀覆盖和脱离。

一些关键清洗技术在先进制程中发挥着重要作用：高温SPM清洗工艺主要用于清除刻蚀及离子注入后残留的光刻胶聚合物;晶圆背面清洗工艺用于去除背部金属等杂质，对于保护光刻机等昂贵设备至关重要;纳米喷射清洗技术利用高压气体辅助液体雾化成极微细粒子冲击表面以去除颗粒;兆声波清洗技术则利用高频声波在液体中产生的空穴和微流现象，特别适合去除小颗粒和高深宽比图形内部的污染物。

发展历程与市场格局

从发展历程看，20世纪50年代半导体制造初期，晶圆清洗以简单刷洗为主。1965年RCA公司研发出RCA清洗法，标志着现代湿法清洗技术的开端。20世纪70年代初，首台浸入式湿法清洗机问世，随后设备通过引入兆声清洗、旋转清洗等方式不断提升效果与效率。90年代后，随着铜布线工艺普及和制程微缩，清洗工艺持续精进。2010年以来，随着制程进入14nm及以下节点，干法清洗开始探索性应用，但湿法清洗仍是绝对主流。

清洗工序是芯片制造中步骤占比最大的工序，约占所有制造工序步骤的30%以上。半导体清洗设备约占晶圆制造设备总投入的7%。随着技术节点进步，清洗工序的数量和重要性将继续提升。根据行业数据，2024年全球前道清洗设备市场规模约为53.3亿美元，其中中国大陆清洗设备市场规模约为22.7亿美元，占全球市场的42.6%，与中国半导体设备市场占全球的份额基本匹配。

未来，集成电路制程微缩和3D结构升级将是推动清洗设备发展的核心驱动力。一方面，线宽缩小导致可容忍的污染物尺寸更小、清洗量增加，需要设备进一步提升效率与精度;另一方面，3D NAND堆叠层数预计将突破500层，GAA FET结构包含多个垂直纳米片，这些复杂三维结构要求清洗液能渗透至深孔底部并在不损伤极其脆弱结构的前提下实现均匀清洗，对设备技术提出了全新挑战。

环保压力也推动着清洗技术的革新。领先企业正在通过硫酸循环利用、化学品高效回收、减少超纯水消耗等技术，大幅降低生产中的化学废液排放和资源消耗，以符合日益严格的环保标准。行业预计，全球半导体设备市场将持续增长，中国市场规模也将保持在重要地位。国内企业需继续在兆声波、干法清洗等前沿领域突破技术壁垒，同时依托政策支持，持续推进国产替代进程。

半导体清洗设备是保障芯片高成品率与高性能的关键支撑，其技术演进紧密跟随半导体制造工艺的发展。从主流的湿法清洗到探索中的干法技术，从单片式设备的精密控制到应对3D结构的创新方案，清洗设备行业正朝着更高效、更精准、更环保的方向持续发展。 ‍