日益发展的半导体晶圆清洁技术

如今半导体已成为现代技术的重要组成部分。随着半导体技术的不断进步，确保其可靠性变得日益重要。

当今的电子设备集成了错综复杂的电路、微型化印刷电路板和精密半导体晶圆，复杂性和密度不断提高，要求其设计和制造过程不能有一丝马虎。这一前沿技术有众多的考虑因素，就实现端到端的设计和制造能力而言，清洁发挥着至关重要的作用。

尽早开始

在半导体设计过程中，清洁问题应尽早考虑，因为它对所用材料、元器件结构和制造工艺都有重大影响。遗憾的是，在早期规划阶段，清洁液、工具和方法往往会被忽视。比如忽视刻蚀后的清洁会导致半导体性能不可靠。

在不损坏或改变晶圆的情况下，清除半导体表面的杂质是非常重要的。即使是留在表面的微小杂质也会导致蚀刻、腐蚀或点蚀，最终影响半导体的可操作性和一致性。

图1：半导体表面的微小杂质会导致蚀刻、腐蚀或点蚀问题。本文图片来源：MicroCare

随着半导体公司越来越多地将包括清洁在内的所有工艺都自主完成，设计人员逐渐认识到主动解决方案的好处。如果在流程早期就确定清洁选项，在原型设计和生产之前，发现并解决清洁问题将会变得更加容易。在制造军用或医疗产品所用的高可靠性半导体时，这种积极主动的方法尤为重要，因为在这些产品中，清洁度对于所需的验证至关重要。

污染风险

为了保护复杂的芯片免受污染，半导体通常在无尘环境中制造，但污染的风险仍然存在。在芯片生产、存储、处理和运输过程中，水、油脂和指纹也可能发生扩散转移。

半导体上最常见的污染物是微粒，包括灰尘颗粒、皮屑、纤维和工艺碎片等。这些微粒可能来自空气、运动部件的磨损、衣物或未经过滤的肮脏蚀刻液。微粒会通过静电方式粘结到基底上，或陷在晶圆基底的几何结构中。

如果微粒积聚在晶圆表面，就会干扰沉积的薄膜，进而导致薄膜质量下降。微粒还会在光刻过程中造成阴影，降低接触曝光分辨率，或造成表面的不平整，从而导致曝光过程中出现裂纹。

此外，用于晶圆运输的前开式晶圆盒(FOUP)上也经常会发现微粒，这就强调了清洁对于防止FOUP和晶圆被污染的重要性。传统的清洁液无法溶解微粒，必须通过化学或机械方法清除。

图2：晶圆运输所用的FOUP上经常出现颗粒污染。

清洁液和清洁方法

选择正确的清洁液和清洁方法至关重要，因为它直接关系到半导体的功能和可靠性。随着洁净水越来越稀少，能源成本持续上升，可以考虑使用特种颗粒置换液和蒸汽脱脂剂进行溶剂清洁。

蒸汽脱脂器是一个闭环系统，它有两个空间：沸腾槽和冲洗槽。在沸腾槽中，半导体元器件(如FOUP部件和MOSFET)被浸入加热过的液体中进行清洁。搅拌可提高清洁液的效果。通过沸腾作用、振动超声波能量或喷淋棒的组合，颗粒就会从元器件表面脱落。

图3：蒸汽脱脂是一种可重复、稳定和节能的晶圆清洁方法。

由于强大的静电力，要从晶圆上清除更小的颗粒特别具有挑战性。专用清洁液可减少板状边界层的厚度，破坏粘结力，使颗粒从基底上脱落。

清洁完毕后，部件被机械转移到冲洗槽，在冲洗槽的纯净、无污染流体或流体蒸汽毯中进行冲洗。清洁后的部件触感凉爽且无污点，可立即用于下一个生产步骤。整个蒸气脱脂操作大约需要6～20分钟，极大地加快了整个清洁和干燥过程。

蒸汽脱脂的优点

蒸汽脱脂工艺一旦确立并通过测试后，就可保持不变，并能通过自动化来提高效率。清洁结果是可重复的，并且有很好的一致性。溶剂型清洁液在蒸汽脱脂器内即便是使用数千次，仍能保持稳定，无需每日监控，从而使洁净室操作流程的控制更简单。

此外，现代的清洁液可以通过蒸汽脱脂器不断得到循环使用，无需对配方进行微调，就能实现数百次的净化、循环和重复使用。这就确保了产品的一致性，没有任何意外变化需要处理。蒸汽脱脂剂还能浓缩土壤，极大地减少了废弃物处理的数量和频率。

蒸气脱脂可节省大量的资源和能源。与水基清洁不同，蒸汽脱脂不用水，可节省非再生资源，另外，也无需废水处理。

蒸汽脱脂剂中使用的许多现代可持续清洁液的沸点和汽化热也很低。这意味着与水基清洁系统不同，蒸汽脱脂剂运行时的能耗通常极低。此外，现代蒸气脱脂器不需要气刀或鼓风机等额外设备来干燥半导体，从而减少了能耗和碳排放，也相当于降低了成本。

通过测试获得最佳效果

为了达到最佳的清洁效果，最好在大批量生产之前，对半导体洁净工艺进行小批量测试。这可以让设计人员深入了解所选择清洁液的性能如何，以及是否能有效地去除晶圆上的难溶微粒以及溶解其他污染物。

总之，清洁度是半导体设计中的一个关键因素，可确保长期功能和可靠性。微粒污染会对复杂的半导体和硅晶圆产生有害影响，因此清除所有污染、以实现最佳性能的重要性不言而喻。

在设计过程中尽早选好清洁液和清洁方法，可以最大限度地减少生产过程中的意外和困难，包括返工和零件报废等不可预见的问题。因此将清洁纳入设计计划尤为重要。

(参考原文：/why-wafer-cleaning-matters-in-chip-design-and-production）

本文为《电子工程专辑》2023年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅