文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

在半導體制造過程中，晶圓清洗是一道至關重要的工序。晶圓經(jīng)切割后，表面常附著大量由聚合物、光致抗蝕劑及蝕刻雜質(zhì)等組成的顆粒物，這些物質(zhì)會對后續(xù)工序中芯片的幾何特征與電性能產(chǎn)生不良影響。隨著半導體制程的不斷進步，顆粒物尺寸逐漸向納米級趨近，去除難度顯著增加，晶圓表面殘留顆粒數(shù)量也激增，疊加圖形尺寸持續(xù)縮小，進一步加劇了清洗工作的復雜性。因此，高性能晶圓清洗設備的重要性日益凸顯。

清洗原理與技術路線

半導體清洗是指在不造成傷害的情況下去除附著于晶圓片表面異物的工藝。根據(jù)清洗介質(zhì)的不同，目前主要分為濕法清洗和干法清洗兩種工藝路線。濕法清洗占據(jù)市場主導地位，市場份額約占85%，在可預見的未來仍將是主流技術。該方法通過液體化學溶劑對晶圓表面的污染物進行氧化、蝕刻和溶解，主要分為刷洗類和化學清洗類。

濕法清洗針對不同的工藝需求，采用特定的化學藥液和去離子水，對晶圓表面進行無損傷清洗，以去除集成電路制造過程中的顆粒、自然氧化層、有機物、金屬污染、犧牲層和拋光殘留物等。刷洗類設備以刷洗器為核心，能有效清除硅片表面1μm及以上的顆粒物?；瘜W清洗類設備則主要包括浸入式濕法清洗槽、兆聲清洗槽和旋轉噴淋清洗設備等，其清洗原理基于經(jīng)典的RCA清洗技術及其衍生工藝。

干法清洗是近年來發(fā)展的新型技術，無需液體溶劑，通過氣相化學反應或離子轟擊實現(xiàn)清洗，具有無廢液、可局部選擇性清洗等優(yōu)點，主要包括熱氧化法和等離子清洗法。但目前該技術仍不成熟，濕法清洗在3D NAND堆疊結構清洗、銅互連工藝等場景中仍不可替代。

主流設備與關鍵技術

在濕法清洗工藝路線下，根據(jù)設備形態(tài)又可分為槽式清洗機、單片式清洗機、組合式清洗機和批式旋轉噴淋清洗機等。其中，單片清洗設備市場份額占比最高，已廣泛用于集成電路制造前道和后道制程，涉及成膜、刻蝕、離子注入、拋光及金屬沉積后的大量清洗環(huán)節(jié)。單片清洗能夠提供更好的工藝控制，改善均勻性，提高產(chǎn)品良率，并避免槽式清洗可能帶來的交叉污染風險。

單片式清洗設備一般由主體框架、晶圓傳輸系統(tǒng)、腔體模塊、化學藥液供給傳輸模塊以及軟件系統(tǒng)和電控模塊組成。其工藝基礎是旋轉噴淋方法，通過電動機驅(qū)動晶圓高速旋轉，并向其表面噴淋清洗液，利用離心作用實現(xiàn)流體的均勻覆蓋和脫離。

一些關鍵清洗技術在先進制程中發(fā)揮著重要作用：高溫SPM清洗工藝主要用于清除刻蝕及離子注入后殘留的光刻膠聚合物;晶圓背面清洗工藝用于去除背部金屬等雜質(zhì)，對于保護光刻機等昂貴設備至關重要;納米噴射清洗技術利用高壓氣體輔助液體霧化成極微細粒子沖擊表面以去除顆粒;兆聲波清洗技術則利用高頻聲波在液體中產(chǎn)生的空穴和微流現(xiàn)象，特別適合去除小顆粒和高深寬比圖形內(nèi)部的污染物。

發(fā)展歷程與市場格局

從發(fā)展歷程看，20世紀50年代半導體制造初期，晶圓清洗以簡單刷洗為主。1965年RCA公司研發(fā)出RCA清洗法，標志著現(xiàn)代濕法清洗技術的開端。20世紀70年代初，首臺浸入式濕法清洗機問世，隨后設備通過引入兆聲清洗、旋轉清洗等方式不斷提升效果與效率。90年代后，隨著銅布線工藝普及和制程微縮，清洗工藝持續(xù)精進。2010年以來，隨著制程進入14nm及以下節(jié)點，干法清洗開始探索性應用，但濕法清洗仍是絕對主流。

清洗工序是芯片制造中步驟占比最大的工序，約占所有制造工序步驟的30%以上。半導體清洗設備約占晶圓制造設備總投入的7%。隨著技術節(jié)點進步，清洗工序的數(shù)量和重要性將繼續(xù)提升。根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)，2024年全球前道清洗設備市場規(guī)模約為53.3億美元，其中中國大陸清洗設備市場規(guī)模約為22.7億美元，占全球市場的42.6%，與中國半導體設備市場占全球的份額基本匹配。

未來，集成電路制程微縮和3D結構升級將是推動清洗設備發(fā)展的核心驅(qū)動力。一方面，線寬縮小導致可容忍的污染物尺寸更小、清洗量增加，需要設備進一步提升效率與精度;另一方面，3D NAND堆疊層數(shù)預計將突破500層，GAA FET結構包含多個垂直納米片，這些復雜三維結構要求清洗液能滲透至深孔底部并在不損傷極其脆弱結構的前提下實現(xiàn)均勻清洗，對設備技術提出了全新挑戰(zhàn)。

環(huán)保壓力也推動著清洗技術的革新。領先企業(yè)正在通過硫酸循環(huán)利用、化學品高效回收、減少超純水消耗等技術，大幅降低生產(chǎn)中的化學廢液排放和資源消耗，以符合日益嚴格的環(huán)保標準。行業(yè)預計，全球半導體設備市場將持續(xù)增長，中國市場規(guī)模也將保持在重要地位。國內(nèi)企業(yè)需繼續(xù)在兆聲波、干法清洗等前沿領域突破技術壁壘，同時依托政策支持，持續(xù)推進國產(chǎn)替代進程。

半導體清洗設備是保障芯片高成品率與高性能的關鍵支撐，其技術演進緊密跟隨半導體制造工藝的發(fā)展。從主流的濕法清洗到探索中的干法技術，從單片式設備的精密控制到應對3D結構的創(chuàng)新方案，清洗設備行業(yè)正朝著更高效、更精準、更環(huán)保的方向持續(xù)發(fā)展。 ?