1 引言
以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)一大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大引擎和技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IC已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈、競(jìng)爭(zhēng)的籌碼和國(guó)家 的保障。
集成電路制造過(guò)程中清洗硅片表面的污染和雜質(zhì)是清洗的主要目的，在制造過(guò)程中，幾乎每道工序都涉及到清洗，而且集成電路的集成度越高，制造工序越多，所需的清洗工序也越多[1]。在諸多的清洗工序中，只要其中某一工序達(dá)不到要求，則將前功盡棄，導(dǎo)致整批芯片的報(bào)廢，所以可以毫不夸張地說(shuō)，沒有 的清洗技術(shù)，便沒有集成電路和 規(guī)模集成電路的 。
傳統(tǒng)清洗技術(shù)主要使用酸、堿、雙氧水、甲苯、三氯乙烯、氟利昂等化學(xué)試劑，成本高，而且有毒，有腐蝕性，危害 與健康并污染環(huán)境，特別是氟利昂等ODS物質(zhì)研究破壞地球臭氧層，危及人類生態(tài)環(huán)境，上限期禁止生產(chǎn)和使用的物質(zhì)。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家就致力于研究 ，無(wú)腐蝕性的清洗工藝，但尚未取得突破。
隨著芯片尺寸加大，工藝線寬減小，從90nm工藝開始，以往在清洗過(guò)程中使用的超聲波清洗遇到一些問題，如造成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)損傷，在65nm及以下工藝，其損傷程度可能會(huì)加劇。芯片中的深溝槽結(jié)構(gòu)清洗時(shí)清洗液和漂洗去離子水很難進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，難以達(dá)到清洗目的。高堆疊式和深溝槽式結(jié)構(gòu)清洗后的干燥過(guò)程也是很關(guān)鍵的技術(shù)問題。一般小于130nm工藝中，要求 所有大于或等于100nm的顆粒，而由于表面邊界層的限制，現(xiàn)行清洗技術(shù)，如液體或高壓(液體)噴射清洗已無(wú)法洗去100nm的顆粒。還有如何在后段 光刻膠，同時(shí)保證不腐蝕銅導(dǎo)線和不改變低k電介質(zhì)的電介常數(shù)等都是當(dāng)前清洗技術(shù)面臨的問題。
2 現(xiàn)代清洗技術(shù)中的關(guān)鍵要求
在未來(lái)90～65nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)工藝中，除了要考慮清洗后的硅片表面的微粗糙度及自然氧化物 率等技術(shù)指標(biāo)外，也要考慮對(duì)環(huán)境的污染以及清洗的效率其經(jīng)濟(jì)效益等。
硅片清洗技術(shù)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)可以歸納為：
(1)微粗糙度(RMS);
(2)自然氧化物 率;
(3)金屬沾污、表面顆粒度以及有機(jī)物沾污，其他指標(biāo)還包括：
(4)芯片的破損率;
(5)清洗中的再沾污;
(6)對(duì)環(huán)境的污染;
(7)經(jīng)濟(jì)的可接受性(包括設(shè)備與運(yùn)行成本、清洗效率)等。
金屬沾污在硅片上是以范德華引力、共價(jià)鍵以及電子轉(zhuǎn)移等三種表面形式存在的[2]。這種沾污會(huì)破壞薄氧化層的完整性，增加漏電流密度，影響MOS器件的穩(wěn)定性，重金屬離子會(huì)增加暗電流，情況為結(jié)構(gòu)缺陷或霧狀缺陷。何良恩等人對(duì)300mm硅片表面清洗要求的演變做了總結(jié)
表面顆粒度會(huì)引起圖形缺陷、外延前線、影響布線的完整性以及鍵合強(qiáng)度和表層質(zhì)量。顆粒的 與靜電排斥作用有關(guān)，所以硅片表面呈正電時(shí)，容易降低顆粒 效率，甚至出現(xiàn)再沉淀。
傳統(tǒng)的濕法化學(xué)清洗中所需要解決的主要問題有：化學(xué)片的純度、微粒的產(chǎn)生、金屬雜質(zhì)的污染、干燥技術(shù)的困難、廢水廢氣的處理等。尋求解決上述問題的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)改用氣相清洗技術(shù)是一個(gè) 途徑。
隨著微電子新材料的使用和微器件特征尺寸的進(jìn)一步減小，迫切需要一種更具選擇性、更 、更容易控制的清潔清洗技術(shù)，在后道工序中銅引線、焊盤、鍵合等都需要進(jìn)行有機(jī)污染物的清洗，用濕法清洗也很難達(dá)到目的。
在執(zhí)行晶圓的前、后段工藝過(guò)程時(shí)，晶圓需要經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的清洗步驟，其次數(shù)取決于晶圓的設(shè)計(jì)和互連的層數(shù)。此外，由于清洗工藝過(guò)程不僅要?jiǎng)冸x晶圓表面的光刻膠，同時(shí)還 復(fù)雜的腐蝕殘余物質(zhì)，金屬顆粒以及其他污染物等，所以清洗過(guò)程是及其復(fù)雜的過(guò)程。
3 清洗介質(zhì)的選擇
從濕法清洗的實(shí)踐中，越來(lái)越多出現(xiàn)難于解決的問題時(shí)，迫使科技人員探索和尋找替代的技術(shù)，除了如增加超聲頻率(采用MHz技術(shù))等補(bǔ)救方法之外，途徑就是選擇氣相清洗技術(shù)來(lái)替代(熱氧化法、等離子清洗法等)。選擇清洗介質(zhì)，即清洗劑是設(shè)備設(shè)計(jì)、清洗流程、工藝的前提，根據(jù)現(xiàn)代清洗技術(shù)中的關(guān)鍵要求，結(jié)合當(dāng)前材料科技發(fā)展中出現(xiàn)的新觀念、新成果，把目光集中到超臨界、超凝態(tài)，常壓低溫等離子體等介于氣、液相的臨界狀態(tài)物質(zhì)是順理成章的事。
3.1 超臨界清洗劑
氣相清洗方法，使晶圓在氣相加工過(guò)程中可以一直保持在真空是內(nèi)，避免污染，因而增加了成品率，并降低了成本，氣相清洗方法采用了非常重要的CO2，超臨界CO2技術(shù)是使CO2成為液態(tài)，用高壓壓縮成一種介于液體和氣體之間的流體物質(zhì)，"超臨界"狀態(tài)。這種流體與固體接觸時(shí)，不帶任何表面張力，因此能滲透到晶圓內(nèi)部深的光刻位置，因而可以剝離更小的顆粒。此外，流體的粘度很低，可以 掉晶圓表面的無(wú)用固體。采用超臨界流體清洗給組合元件圖案造成的損傷少并可以對(duì)Si基板的侵蝕和不純物的消費(fèi)?？蓪?duì)注入離子的光敏抗腐·蝕劑掩模用無(wú)氧工藝進(jìn)行剝離。
引進(jìn)超臨界流體清洗技術(shù)，清洗方法以不使用液體為主流，預(yù)計(jì)到2020年，可達(dá)到幾乎 不使用液體的超臨界流體清洗或者針點(diǎn)清洗成為主要的清洗方法，超臨界流體清洗的革新點(diǎn)在于可以解決現(xiàn)有清洗方法中的兩個(gè)弊端，即清洗時(shí)，損傷晶片、或組合元件和污染環(huán)境的問題。
3.2 超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗
運(yùn)用氬和氮的懸浮來(lái)清洗，是一種干法氣相無(wú)感光系統(tǒng)，不會(huì)損壞薄膜層，環(huán)境的影響小，不易燃等優(yōu)點(diǎn)外，還具有廉價(jià)并易于操作的特點(diǎn)。氣霧與晶圓表面污染粒子相撞將動(dòng)能傳遞到污染粒子上，當(dāng)該能量大于污染粒子與晶圓表面的附著能時(shí)，污染粒子便脫離晶圓表面，攜帶被排走。清洗方法使用的是惰性氣體，可以 的置于IC生產(chǎn)線的任何地方。此類清洗設(shè)備以超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)為技術(shù)核心，可用于清洗集成電路關(guān)鍵尺寸在90nm以下、片徑φ200-300mm的晶圓，單片清洗，具有很高自動(dòng)化程度。該清洗工藝的典型插入點(diǎn)為淀積前后清洗、CMP后清洗、刻蝕后清洗以及在線電子質(zhì)量測(cè)量后清洗，應(yīng)對(duì)各種與擴(kuò)散前清洗相關(guān)的挑戰(zhàn)、前段制造光刻膠剝離和去膠灰化后清洗、后段制造去膠灰化后清洗和塵埃 等，目前，掌握超凝態(tài)過(guò)冷動(dòng)力學(xué)清洗技術(shù)并應(yīng)用該技術(shù)生產(chǎn)的清洗設(shè)備基本上被FSI公司所壟斷。
3.3 常壓低溫等離子體清洗
等離子清洗有物理清洗和化學(xué)清洗(表面改性)兩種方式。前者稱為RIE方式，后者稱為PE方式。將激發(fā)到等離子態(tài)的活性粒子與表面分子反應(yīng)，而產(chǎn)物分析進(jìn)一步解析形成氣相殘余物而脫離表面。
光阻材料，一般利用酸或堿水溶劑、無(wú)水有機(jī)溶液，或用氧或氟等強(qiáng)氧化元素的射頻等離子反應(yīng)。經(jīng)上述方法處理后，芯片要用高純度的水進(jìn)行清洗，再用異丙醇干燥芯片表面。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的芯片廠正常生產(chǎn)一·天，要產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)加侖的污水。如果利用常壓輝光冷等離子體所產(chǎn)生的活性物質(zhì)對(duì)有機(jī)污染和光刻膠進(jìn)行清洗是替代濕法化學(xué)方法的一種綠色手段，是被人們十分關(guān)注的根本治理污染的技術(shù)。國(guó)內(nèi)在常壓低溫等離子體清洗設(shè)備的研制是從2003年開始，由中科院光電研究所和中科院微電子研究所聯(lián)合成立了常壓均勻冷等離子體技術(shù)研制課題組，在短短的兩年時(shí)間內(nèi)，先后成功研制出各種噴口直徑和形狀的常壓射頻冷等離子體噴槍設(shè)備，并申請(qǐng)了幾個(gè)相關(guān)設(shè)備專利。
3.4 低溫冷凝噴霧技術(shù)
隨著90nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度還是從技術(shù)發(fā)展角度看，單純依靠損失原料換取硅片表面潔凈的方法必將被淘汰。這種干法清洗技術(shù) 地避免了由兆聲清洗等傳統(tǒng)清洗技術(shù)所造成的硅片表面物理?yè)p傷，并 地降低了由濕法腐蝕清洗所造成的原材料損失，并且不會(huì)改變硅片的表面物理特征以及化學(xué)特性，同時(shí)還克服了由于使用低k半導(dǎo)體材料的疏水特性所帶來(lái)的的清洗困難等難題。
4 清洗方式的改進(jìn)
整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷著重要的技術(shù)轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的批式處理方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)濕式清洗應(yīng)用，制造工藝過(guò)程也需探索其他新型清洗步驟，從而確保重要的器件規(guī)格、性能以及可靠性不會(huì)受到污染物的影響。此外，批式濕式處理也無(wú)法滿足如快速熱處理(RTP)等工藝的關(guān)鍵擴(kuò)散和CVD技術(shù)。
4.1 針點(diǎn)式清洗
將清洗晶片的清洗方式轉(zhuǎn)換為針點(diǎn)式的技術(shù)革新，使得清洗技術(shù)的作用已經(jīng)能夠達(dá)到原子級(jí)的表面控制。這種清洗技術(shù)可以降低半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的環(huán)境負(fù)荷。
針點(diǎn)式清洗是將粒子一點(diǎn)一點(diǎn)地 的方式，故又被稱為針點(diǎn)清洗方式。"針點(diǎn)清洗"，能夠 通過(guò)濕式清洗和超臨界流體清洗不能 除去的在晶片上殘留的粒子。針點(diǎn)清洗時(shí)，用激光 粒子的激光清洗或是使用端部尖銳的微小探針除去粒子的納米針點(diǎn)清洗等。這些技術(shù)與超臨界流體的清洗相同，它不使用藥液和純水。此項(xiàng)工作現(xiàn)在還只限于對(duì)除去粒子的原理進(jìn)行驗(yàn)證的階段，今后應(yīng)該將高處理能力的裝置開發(fā)和粒子檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)合的技術(shù)開發(fā)。
4.2 單晶圓處理技術(shù)
通過(guò)使用單晶圓技術(shù)可以有提高100nm及其以下工藝的成品率。對(duì)于更小線寬的300mm晶圓，晶圓的成本太高，清洗晶圓的風(fēng)險(xiǎn)也高，使用單晶圓技術(shù)可使制造商能夠在更小規(guī)模的生產(chǎn)線上以更少的設(shè)備投入生產(chǎn)出與大型生產(chǎn)線數(shù)量相同的芯片。單晶圓處理技術(shù)與批式處理系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵之處在于產(chǎn)能，即它 能夠達(dá)到要求的濕式清洗平臺(tái)每小時(shí)150～200只晶圓的產(chǎn)能。
5 環(huán)境保護(hù)與IC清洗
環(huán)境問題是個(gè)社會(huì)性問題，清洗對(duì)環(huán)境的影響已被提到日程上來(lái)，開發(fā) 能減低環(huán)境負(fù)荷的新技術(shù)，可以說(shuō)是當(dāng)前清洗技術(shù)迫切需要解決的一項(xiàng)重大課題。
半導(dǎo)體架構(gòu)導(dǎo)致的環(huán)境污染是半導(dǎo)體制造商大量用H2SO4或HCl，
NH4OH等的藥液和水進(jìn)行RCA清洗所引起的環(huán)境污染。
清洗技術(shù)中使用的氟利昂等ODS物質(zhì)，破壞地球高空的臭氧層，形成度臭氧洞"，危害人類生態(tài)環(huán)境。1987年通過(guò)了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，規(guī)定了消耗臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)量和消費(fèi)量限制的進(jìn)程，加快了淘汰步伐，要求清洗行業(yè)提前到2006年。研究使用于 規(guī)模集成電路的用的新型電子工業(yè)清洗劑和替代氟利昂等ODS物質(zhì)的清洗劑是當(dāng)務(wù)之急。
氣相清洗技術(shù)中的清洗劑應(yīng)該探索容易與污染物進(jìn)行分離再·生，重新凈化的技術(shù)方案，循環(huán)使用的清洗劑必然會(huì)減輕環(huán)境壓力。
6 清洗設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化道路
集成電路制造業(yè) 清洗設(shè)備以及相應(yīng)的清洗工藝技術(shù)的研究 與集成電路技術(shù)日新月異的發(fā)展相協(xié)調(diào)。面對(duì)晶圓尺寸的不斷擴(kuò)大與芯片關(guān)鍵尺寸的不斷縮小的實(shí)際情況，硅片清洗技術(shù) 同步快速發(fā)展以滿足芯片制造業(yè)對(duì) 設(shè)備的要求。同時(shí)，新型的 清洗設(shè)備及其相關(guān)工藝技術(shù)的研究與開發(fā)是對(duì)下一代芯片技術(shù)的高成品率和高性能特點(diǎn)的重要保證。各清洗設(shè)備廠家已經(jīng)開始在提供面向新一代無(wú)損傷和刻蝕損耗新設(shè)備、新工藝領(lǐng)域展開了激戰(zhàn)。
面對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)被世界少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)備制造商壟斷的局勢(shì)與 大陸地區(qū)半導(dǎo)體行業(yè)及微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展形勢(shì)，過(guò)程實(shí)施了863計(jì)劃，國(guó)產(chǎn)的硅片研磨清洗機(jī)、化學(xué)濕臺(tái)，等離子清洗機(jī)、管殼封裝清洗及為代表的設(shè)備已進(jìn)入了半導(dǎo)體芯片制作和后封裝全過(guò)程。
但是行業(yè)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體清洗設(shè)備的需求不斷增加，而現(xiàn)有的半導(dǎo)體清洗技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足需求的情況，導(dǎo)致大量半導(dǎo)體設(shè)備依靠進(jìn)口。2005年 芯片設(shè)備的采購(gòu)和使用量占 采購(gòu)量的25%，其中清洗設(shè)備將占到請(qǐng)求清洗設(shè)備市場(chǎng)的5%。
一代技術(shù)、需要一代設(shè)備，我國(guó)的半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)是一個(gè)相對(duì)落后的產(chǎn)業(yè)，芯片制造過(guò)程的 產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備、材料等幾乎 依賴進(jìn)口，這種形勢(shì)的改變是需要時(shí)日，需要工程技術(shù)界的不懈努力，更需要國(guó)家加大投入，組織 才智攻破技術(shù)禁區(qū)，使得我們?cè)诎雽?dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域真正占領(lǐng)一席之地。
