科普 | 淺談半導(dǎo)體濕法清洗技術(shù)
科普 | 淺談半導(dǎo)體濕法清洗技術(shù)
一、濕法清洗介紹及其重要性
濕法清洗：是指利用各種無機(jī)或有機(jī)化學(xué)試劑對晶片表面附著的雜質(zhì)進(jìn)行清除。
在芯片制造過程中，空氣、人體、廠房、生產(chǎn)設(shè)備、化學(xué)藥劑、輔助材料等，都會攜帶各種微塵、有機(jī)物、無機(jī)物和金屬離子等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會影響芯片良率、電學(xué)性能以及可靠性，因此，清洗技術(shù)是貫穿芯片制造的重要工藝環(huán)節(jié)。
隨著芯片制造進(jìn)入納米時(shí)代，對晶圓表面清潔度的要求是嚴(yán)上加嚴(yán)，清洗技術(shù)復(fù)雜且不可缺失。清洗步驟占據(jù)了芯片制造過程的三分之一左右。擴(kuò)散、沉積、注入等工序前后都需要進(jìn)行清洗，并且每一步清洗都需要不同的設(shè)備、化學(xué)液配方、工藝條件來完成。
Fig1：中科漢韻芯片制造車間
二、化學(xué)試劑的選擇
化學(xué)試劑與濕法清洗緊密相關(guān)，化學(xué)試劑純凈級別是反應(yīng)清洗效果優(yōu)劣的主要因素之一。為規(guī)范世界超凈高純試劑的標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)電子信息產(chǎn)業(yè)微處理工藝技術(shù)水平的不斷提高，國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料組織（SEMI）將超凈高純試劑按照金屬雜質(zhì)、控制粒徑、顆粒個(gè)數(shù)和應(yīng)用范圍等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定了國際標(biāo)準(zhǔn)等級。
中科漢韻專注于第三代半導(dǎo)體SiC MOSFET芯片研發(fā)與制造，在芯片制造過程中采用SEMI高標(biāo)準(zhǔn)等級的化學(xué)液進(jìn)行晶圓清洗。為使化學(xué)試劑達(dá)到更好的清潔效果，中科漢韻采用一些特殊的技術(shù)方法，使晶片的清潔環(huán)境更加適宜。
三、濕法清洗方法
半導(dǎo)體清洗方法多樣，如RCA清洗、稀釋化學(xué)法、IMEC清洗法、單片清洗、干法清洗、擦片清洗、高壓噴射清洗等方法，RCA清洗是目前最常用的。
1. RCA清洗簡介
歷史由來
工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗工藝稱作為RCA清洗工藝，是由美國無線電公司（RCA）于20世紀(jì)60年代提出，首次發(fā)表于1970年。RCA清洗主要是由兩種不同的化學(xué)液組成：1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液（SC1）和2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液（SC2）。
配方
1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液是 NH4OH/H2O2/H2O(氨水/雙氧水/水)按照1:1:5的比例混合。
2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液是 HCL/H2O2/H2O(鹽酸/雙氧水/水)按照1:1:6的比例混合。
這兩種化學(xué)溶液都是以雙氧水作為基礎(chǔ)。
后期優(yōu)化
隨著清洗工藝日益精進(jìn)，SPM（H2SO4/H2O2）按照5:1-2:1比例混合的溶液被引進(jìn)。之后，稀釋氫氟酸(DHF)也被引入。
2. RCA清洗原理
1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液
SC1清洗液是堿性溶液，能夠去除顆粒、金屬和有機(jī)物質(zhì)。對于顆粒，SC1主要通過氧化顆粒和電化學(xué)的排斥力達(dá)到清潔晶片的效果。
（1）雙氧水是強(qiáng)氧化劑，能夠氧化碳化硅表面的顆粒，部分顆粒直接分解；
（2）氫氧化銨是堿性溶液，其氫氧根能夠輕微腐蝕氧化硅使顆粒下方與碳化硅脫離，并在晶片表面和顆粒上集聚負(fù)電荷，如Fig2。
（3）晶片表面和顆粒上的負(fù)電荷相互排斥，使顆粒從硅片表面脫離進(jìn)入SC1溶液。同時(shí)，負(fù)電荷又阻止了顆粒在硅片上的重新附著，如Fig3。
Fig2：氧化去除原理 Fig3：電斥力去除原理
2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液
SC2清洗液是酸性溶液，主要作用是去除金屬離子。作用機(jī)理是使晶片表面的金屬形成可溶鹽而被去除。
（1）雙氧水是強(qiáng)氧化劑，能夠氧化碳化硅表面的金屬；
（2）鹽酸與金屬離子生成可溶性氯化物而溶解。
H2SO4+H2O2 (Piranha)
H2SO4能夠去除金屬以及有機(jī)物。在進(jìn)行RCA清洗前，如果晶片表面附帶有機(jī)物污染，會造成表面疏水，使后續(xù)的RCA清洗效果降低。所以使用 H2SO4+ H2O2按照5:1-2:1比例的混合液加溫至120℃左右去除。
（1）硫酸使有機(jī)物脫水碳化；
（2）雙氧水將碳化物氧化成 CO 或者 CO2氣體。
稀釋氫氟酸（DHF）
稀釋氫氟酸（H2O:HF=100:1~20:1）常被用于去除晶片表面的氧化膜，同時(shí)將吸附在氧化膜上的微粒和部分金屬離子溶解于化學(xué)劑中。
由于工藝上的不同，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。大部分公司將RCA清洗中的DHF設(shè)置于SPM后。標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗流程如下：
Fig4：RCA清洗流程
3. 影響RCA清洗的因素
外界因素、設(shè)備、工藝條件等，均會影響RCA清洗的效果。在此，從工藝條件方面，列舉了以下影響因素：
溶液溫度的上下浮動(dòng)；
溶液成分濃度的變化；
溶液顆粒的不斷增多；
清洗時(shí)溶液是否流動(dòng)；
晶片表面溶液的沖洗。
4. 介紹為什么要從以下幾點(diǎn)控制
溶液溫度控制
在合理范圍內(nèi)，溫度越高，反應(yīng)越劇烈，清洗效果越徹底。考慮氨水腐蝕硅且易揮發(fā)的特性，所以建議適當(dāng)增加溫控即可，通常約30-70℃。中科漢韻目前采用的是根據(jù)實(shí)際需求而定制的設(shè)備，在某一特定的溫度設(shè)定值下，能夠嚴(yán)格控制溫度的上下浮動(dòng)，維持清洗效果的穩(wěn)定性。
定期定量補(bǔ)液
由于雙氧水同樣易揮發(fā)，氨水占比越高，對晶片的腐蝕性越高（Ra越高），所以需要定期、定量添加雙氧水，減小氨水占比。一般使用液位傳感器監(jiān)控液位，使用定量泵進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)液。
化學(xué)試劑過濾
在晶片清洗過程中，顆粒在槽體內(nèi)不斷地累積，為保證化學(xué)試劑的純凈度，需要持續(xù)不斷地凈化化學(xué)試劑。DHF/SC1/SC2均配有循環(huán)過濾裝置，PTFE材質(zhì)濾芯（如Fig5），PVDF材質(zhì)濾殼（如Fig6），可有效控制微小顆粒在槽體內(nèi)的累積，提高清洗效果。
Fig5：PTFE濾芯 Fig6：PVDF濾殼
溶液循環(huán)流動(dòng)
清洗晶片時(shí)，為提高槽體內(nèi)化學(xué)液濃度和溫度的均勻性，一般使用外置設(shè)備讓內(nèi)槽溶液流動(dòng)起來，同時(shí)也能起到配合過濾裝置的作用。
（1）配置氣動(dòng)風(fēng)囊泵增加溶液循環(huán)功能（如Fig7）；
（2）增加超聲波/兆聲波功能（如Fig8）。
Fig7：氣動(dòng)風(fēng)囊泵 Fig8：IMTEC兆聲波
超聲波工作原理：以40KHZ頻段為例
在超聲波作用下，機(jī)械振動(dòng)傳到液體中時(shí)，迫使液體內(nèi)部產(chǎn)生疏密相間的振動(dòng)，液體不斷被拉伸和壓縮。疏的區(qū)域形成微小的空穴氣泡，密的區(qū)域受到壓縮，在不斷拉伸和壓縮的環(huán)境下，空穴氣泡不斷破裂，對晶片表面的顆粒連續(xù)施加短暫且強(qiáng)烈的作用力，迫使顆粒從晶片表面脫落，從而達(dá)到清洗效果。一般用于大于0.5微米的顆粒清洗。
兆聲波工作原理：以950KHZ頻段為例
在兆聲波清洗中，很少形成超聲波那樣的氣泡，主要以高速的流體(最大瞬時(shí)速度可達(dá)到30cm/s)沖擊晶片表面，強(qiáng)制除去細(xì)小的污染物，使之進(jìn)入到清洗液中。一般可以去除0.1-0.3微米的顆粒清洗。
Fig9：兆聲波工作示意圖
DIW(去離子水)沖洗
晶片完成清洗后，表面殘留化學(xué)試劑，所以需要使用去離子水進(jìn)行沖洗。
傳統(tǒng)的水槽
結(jié)構(gòu)：單一；
特點(diǎn)：有很大區(qū)域的水體遲滯區(qū)，沖洗不徹底，近似“死水”，水體凈化效率很低，且不能有效排出密度較高（ρ＞1g/cm3）的污染物。
Fig10：傳統(tǒng)的水槽設(shè)計(jì)
優(yōu)化后的水槽（QDR：Quick Dump Rinse）
結(jié)構(gòu)：噴淋槽、溢流槽、勻流板、快排氣缸、噴嘴噴管、內(nèi)置氣體管路等；
特點(diǎn)：可編寫程序，使各部件協(xié)調(diào)工作，最大限度激活水體。
Fig11：優(yōu)化后的水槽設(shè)計(jì)
QDR水槽介紹
QDR（Quick Dump Rinser）快排沖洗槽是濕法工藝不可缺少的一部分，主要用于去除晶圓表面微粒雜質(zhì)和殘留化學(xué)試劑，潔凈晶圓表面。工作原理是先從槽體上部噴淋以及底部注入去離子水，等到槽體達(dá)到一定水量后再把去離子水快速排空。通過把去離子水快速排走的方式，帶走雜質(zhì)，這個(gè)過程要反復(fù)循環(huán)多次。
噴淋管路：一般會以形成相互交叉噴淋的方式來設(shè)計(jì)噴淋管路，在去離子水的噴淋過程中，需要對沖洗水壓、水量、方向和角度作出調(diào)整測試，噴淋范圍應(yīng)覆蓋全部晶圓及cassette，否則，未被噴淋沖洗的死角地帶，微粒、雜質(zhì)及化學(xué)藥液殘留含量仍然很高，達(dá)不到良好的清洗效果。
氮?dú)夤呐荩簢娏芡瑫r(shí)，底部兩側(cè)不斷進(jìn)水，而后由內(nèi)槽上端沿四周溢出，這樣槽體內(nèi)部的去離子水都能得到更新凈化。同時(shí)，純凈氮?dú)猓ɑ駽O2）由槽體底部氣體管路進(jìn)入槽體。氣體鼓泡主要作用：增加去離子水的沖刷力，對槽體本身以及晶片有很好的清洗作用；晶圓在水流中顫動(dòng)，防止氣泡的沾附，提高沖洗效果。
快排：QDR排水時(shí)間對晶圓清洗質(zhì)量有很大的影響。QDR排水時(shí)間越短，排水流速就會越大，有利于去離子水帶走晶圓表面上的微粒雜質(zhì)。一般設(shè)定時(shí)間3-10秒。
水阻檢測：在溢流排放口安裝有DIW電阻率檢測儀，可對溢流排放口的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，溢流出去的水阻值越高，說明水體越純凈，進(jìn)而表明晶圓已經(jīng)得到很好的清洗效果。
寫在最后
隨著大規(guī)模和超大規(guī)模電路的發(fā)展，芯片制造的工藝流程呈現(xiàn)復(fù)雜化和精細(xì)化。工藝流程的復(fù)雜化使芯片受到污染的機(jī)會大大增加，而精細(xì)化讓芯片對于雜質(zhì)顆粒的敏感度更高，因此濕法清洗技術(shù)大大影響了芯片良率。
目前，我國濕法設(shè)備還處于萌芽期，中高端設(shè)備所需的高純度材料、高精細(xì)配件仍需從國外引進(jìn)。但半導(dǎo)體行業(yè)對先進(jìn)濕法清洗設(shè)備的依賴性卻越來越高，加大半導(dǎo)體技術(shù)及各類相關(guān)材料的研發(fā)，攻克技術(shù)壁壘，志在必行。
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