半导体清洗设备：芯片良率的重要保障
导读：近几年，全球半导体技术不断更新迭代，对工艺技术的要求也日渐提高，尤其是对晶圆表面质量要求愈发严格。在半导体芯片制造过程中，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。人类经常洗澡，以防止有害病菌和细菌的感染。同样，纳米级的晶圆需要反复清洗才能制造出完美的芯片。
随着特征尺寸的不断缩小，半导体对杂质含量越来越敏感，制造和封装中不可避免会引入污染物。
对于微观尺度的半导体工艺，晶片表面上的任何颗粒、金属碎片、有机物、自然形成的氧化层和痕量杂质都会导致图案缺陷和电性能的恶化。
而小颗粒可能难以去除，因为颗粒和晶片衬底之间存在强静电力。这些问题会损害半导体产量和可靠性。在目前的集成电路生产中，由于晶圆片表面沾污问题，导致50%以上的材料被损耗掉和80%的芯片电学失效。
因此，清洗技术是贯穿芯片制造的重要工艺环节。
何为“清洗”
清洗是通过化学处理、气体或物理方法去除晶片表面杂质的过程。通常在工艺之间进行，用于去除芯片制造中上一道工序所遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、有机物残留物，去除光阻掩膜或残留，也可根据需要进行硅氧化膜、氮化硅或金属等薄膜材料的湿法腐蚀，为下一步工序准备好良好的表面条件。
清洗是重复进行的，使其进行的次数大约是其他过程的两倍甚或更多，并作为过程之间的桥梁。
▲清洗工艺
晶圆清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤30%以上，而且随着节点的推进，清洗工序的数量和重要性会继续提升，清洗设备的需求量也将相应增加。在80~60nm的工艺制程中，清洗工艺约有100个步骤，而当工艺节点来到20nm以下时，清洗步骤增加至200道以上。而越往下走，要得到较高的良率，几乎每步工序都离不开清洗。据盛美公司估计，每月十万片的DRAM工厂，1%的良率提升可为客户每年提高利润3000-5000万美元。
根据清洗介质的不同，目前半导体清洗技术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。
湿法清洗是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，以去除晶圆制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质，可同时采用超声波、加热、真空等辅助技术手段。
干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术，主要包括等离子清洗、超临界气相清洗、束流清洗等技术。干法清洗主要是采用气态的氢氟酸刻蚀不规则分布的有结构的晶圆二氧化硅层，虽然具有对不同薄膜有高选择比的优点，但可清洗污染物比较单一，目前在28nm及以下技术节点的逻辑产品和存储产品有应用。
▲湿法&干法清洗对比
晶圆制造产线上通常以湿法清洗为主，少量特定步骤采用湿法和干法清洗相结合的方式互补所短，构建清洗方案。未来清洗设备的湿法工艺与干法工艺仍将并存发展，均在各自领域内向技术节点更先进、功能多样化、体积小、效率高、能耗低等方向发展，在短期内湿法工艺和干法工艺无相互替代的趋势。目前湿法清洗是主流的清洗技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。
批量清洗&单硅片清洗
在湿法清洗工艺路线下，目前主流的清洗设备主要包括单片清洗设备、槽式清洗设备、组合式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等。
槽式批量清洗，就是把硅片浸没在化学溶剂或者超纯水的方式，一般一批处理20-50片硅片，槽式清洗具备良好的设备稳定性、高处理性能和批量生产的高生产率，可以清除金属、材料及微粒子。槽式清洗的批量生产效果好，但交叉污染风险较大。
▲槽式批量清洗
单硅片清洗，这是把液体或者气体射击在旋转的一张硅片上去除各种杂质，一次就处理一张硅片，可以减少材料损伤，防止晶片结构损伤，清除交叉污染 ，改善晶圆可靠性，但是设备产能较低，成本较大。
▲单硅片清洗
在90-65nm工艺中，为节约成本、提高效率，通常以槽式设备清洗为主；而在更低线宽nm级工艺中，对杂质的容忍度较低，工艺越先进，单片清洗技术的占比往往越高。因此先进制程中，单片清洗逐渐取代槽式批量清洗，并且占据最高的市场份额。
清洗设备占据半导体产业链核心地位，直接影响芯片良率和芯片产品性能
在芯片制造中，不可避免地会产生或者接触到各种杂质，为最大限度地减少杂质对芯片良率的影响，在芯片制造的各个环节均设置了清洗工序，针对不同的工艺需求对晶圆表面进行无损伤清洗以去除半导体制造过程中的颗粒、自然氧化层、金属污染、有机物、牺牲层、抛光残留物等杂质的工序，为最大限度地减少杂质对芯片良率的影响，确保芯片产品性能，清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤的30%以上，而且随着技术节点的继续进步，对清洗设备的需求量也将相应增加。
