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半导体 FAB 中的清洗工艺指的是对 Wafer 表面进行无损伤的清洗，主要是用于去除再制造工艺中可能产生的 Particle，为下一道工艺提供更好的前提条件，避免 Particle 影响 Wafer 的良率和性能。清洗工艺在整个半导体的生产过程中都用得到：
1）在硅片制造过程中，经过 CMP 后的硅片，需要通过清洗工艺保证硅片表面的平整度和性能，从而提高在后续工艺中的良率。
2）在晶圆的加工过程中，Wafer 经过 LITHO、ETCH、PVD、CVD 等关键工序前后均需要清洗，去除 Wafer 表面的的 Particle，减小缺陷率。
3）在芯片的先进封装过程中，芯粒 (Die) 需要根据封装工艺进行 TSV（硅穿孔）清洗、UBM（凸点底层金属）清洗、RDL（薄膜再分布技术）清洗。
在半导体的这三大生产过程中，晶圆的加工过程中需要的的清洗步骤是最多的，清洗设备也使用的最多，几乎每一步 LITHO、ETCH、PVD、CVD、IMPLANT、CMP 均需要经历清洗工艺。
清洗工艺中湿法清洗占据主导
根据清洗的介质，半导体中清洗工艺主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。目前主流的工艺是湿法清洗，约估占清洗步骤中 90% 以上。
- 湿法清洗：指的是针对不同的工艺需求，采用特定化学药液和去离子水等化学溶剂，对 Wafer 表面进行无损伤的清洗，用来除 Wafer 工艺过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等 Particle，可同时采用超声波、加热、真空等物理方法。
- 干法清洗：指的是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。
湿法清洗又可以分为化学方法、物理方法
1）化学方法
化学方法指的是采用化学液实现清洗。
随着工艺的改进，化学清洗方法朝着减少化学液的使用量和减少清洗步骤两个方向发展。
化学清洗方法包括包括 RCA、化学稀释法、臭氧、IMEC 等。
①RCA 清洗：由美国无线电公司（RCA）于 20 世纪 60 年代提出。RCA 清洗法依靠溶剂、酸、表面活性剂和水，在不破坏晶圆表面特 征的情况下通过喷射、净化、氧化、蚀刻和溶解晶片表面污染物、有机物及金属离子污染。在每次使用化学品后都要在超纯水（UPW）中彻底清洗。目前被认为是工业标准湿法清洗工艺。
该清洗工艺主要由 AMP（SC1），HPM（SC2），SPM（SC3），稀释氢氟酸溶液，UPW（DI 水）等化学液体组成。
- AMP（SC1）：配料为 NH404:H2O2:H2O(1:1:5)，用途：以氧化和微蚀刻来底切和去除表面颗粒；也可以去除轻微有机 污染物及部分金属化合物。但硅氧化和蚀刻的同时会发生表面粗糙。
- HPM（SC2）：配料为 HCI: H2O2:H2O(1:1:6)，用途：可溶解碱金属离子和铝、铁及镁之氢氧化物，另外盐酸中氯离子与残留金属离子发生络合反应形成易溶于水溶液的络合物，可以硅的底层去除金属污染物。
- SPM（SC3）：配料为 H2SO4:H20(1:3)，用途：典型的用于去除有机污染物的清洗液，硫酸可以使有机物脱水 而碳化，而双氧水可以将碳化产物氧化成一氧化碳或二氧化碳。
- 稀释氢氟酸溶液：配料为 HF: DHFl: H20(1:2:10)，用途：主要用于从特殊区域去除氧化物、蚀刻硅二氧化物及硅氧化 物，减少表面金属。
- UPW（DI 水），用途：UPW 采用臭氧化的水稀释化学品以及化学清洗后晶片的冲洗液。
②化学稀释法：主要就是在 RCA 的基础上中进行了优化，对 SC1、SC2 混合液采用化学稀释法可以大量节约化学品及 DI 水的消耗量，且可以完全去除 SC2 混合液中的 H2O2。
稀释 APM 的混合液（1:1:5->1:1:50）可以有效地从晶片表面去除颗粒和碳氢化合物。
稀释 HPM 混合液（1:1:6->1:1:60）和稀释 HCI（1:100）在清除金属时可以像标准 SC2 液体一样有效。稀释 HCI 溶液的另外一个优点是，在低 HCI 浓度下颗粒不会沉淀。
采用 RCA 的化学稀释法进行清洗可以使全部化学品消耗减少 86%。稀释 SC1,SC2 溶液及 HF 补充兆声搅动后，可以降低槽中溶液使用温度，并优化了各种清洗步骤的时间，因此导致槽中溶液寿命加长，使化学品消耗量减少 80~90%。实验证明采用热的 UPW 代替凉的 UPW 可以使 UPW 消耗量减少 75~80%。稀释化学液不仅减少了化学液的使用，还对人体健康安全有改善，同时又降低了工厂成本及对环境的污染。
③臭氧清洗：臭氧清洗是一种简单而高效的清洗方法。通过加入臭氧及双氧水到氢氟酸中进行金属离子的去除。
④IMEC 清洗：IMEC（Interuniversity Microelectronics Center）在清洗工艺技术中做了大量的研究工作，其中最重要的贡献是应用了稀释的 RCA 清洗技术，并且 IMEC 已经描绘出未来的清洗技术发展方向：清洗技术是朝着减少化学液及清洗流程的方向发展。
IMEC 清洗技术路线图（来源 CNKI）
主要的步骤如下
① . 去除有机污染物，生成一薄层化学氧化物以便有效去除颗粒。通常采用硫 酸混合物。
② . 去除氧化层，同时去除颗粒和金属氧化物。Cu, Ag 等金属离子存在于 HF 溶液时会沉积到 Si 表面。其沉积过程是一个电化学过程，在光照条件下，铜的表 面沉积速度加快。
③ . 在硅表面产生亲水性，以保证干燥时不产生干燥斑点或水印。通常采用稀 释 HCL/O3 混合物，在低 pH 值下使硅表面产生亲水性，同时避免再发生金属污染，并且在最后冲洗过程中增加 HNO3 的浓度以减少 Ca 表面污染。
2）物理方法
物理方法通常作为辅助方法，结合化学液实现更好的清洗效果。
物理清洗方法包括机械刷洗法、超声波 / 兆声波清洗法、二流体清洗法、旋转喷淋法等。当今半导体清洗工艺，化学药液基本相同，辅助的物理方法往往成为不同工艺的主要差别，也成为半导体清洗工艺的核心难点。
①机械刷洗法：配置专用刷洗器，利用刷头与晶圆表面的摩擦力，配合去离子水以达到去除颗粒杂质的清洗方法。
②超声波 / 兆声波清洗：超声波常被用作一种辅助的能量来源，它可以配合 SC1 等药液，加强清洗效果。其原理是超声波通过清洗液体传播，液体中的气泡在声波的驱动下，会快速的变大变小，产生冲击力，从而驱动颗粒脱离硅片表面。但当振幅很大时，有些气泡会破裂，在局部产生非常大的冲击力。
- 超声波的频率是重要的参数，频率越低，气泡破裂的可能性越大，冲击力越大；频率越高，气泡振幅越小，来不及破裂就进入缩小周期，同时也减少了气泡数量，降低了冲击力。通常将频率 20-40kHz 称为超声波清洗，1-4MHz 工艺频率称为兆声波清洗。随着特征尺寸的减小，冲击力大容易导致图形倒塌，因此常用的频率为 1 -4MHZ，以保持适当的冲击力。
- 超声波技术的关键是如何得到均匀的能量，盛美专利技术 SAPS（Space Alternative Phase Shift，空间交替相移技术），通过周期性变化的超声波与硅片的距离，以及间断性的开关兆声波发生器，使得一定时间内，传递到硅片上的总能量相等。克服了超声波能量均匀性难题，在实际运用中效果良好。
盛美股份兆声波清洗设备原理图（来源 CNKI）
③旋转喷淋法：基于喷嘴的清洗方法（Nozzle based），特点是通过不同的喷嘴，喷出不同的药液，例如水柱、水雾等，利用冲击力去除颗粒。冲击力的大小取决于液体颗粒的大小以及速度。该技术的发展分为两个阶段：
- 早期的 Jet 工艺：直接喷水柱到旋转的硅片上，冲击力大，清洗效果不错，但容易导致图形坍塌。
- 之后推出 Nano Spray 技术：将 N2 通入去离子水中，形成水雾，以很高的速度喷到硅片表面，成为去除颗粒的动力，以解决图形坍塌问题。这种技术中，水珠颗粒越大，冲击力越大。如何得到小且均匀的水珠是关键技术。水珠的大小主要通过改变喷嘴孔径实现，通过调节 N2 的大小也能改变冲击力。
- 旋转喷淋法原理示意图（来源 CNKI）
④二流体清洗方法：一种精细化的水气二流体雾化喷嘴，在喷嘴的两端分别通入液体介质和高纯氮气，使用高纯氮气为动力，辅助液体微雾化成极微细的液体粒子被喷射至晶圆表面，从而达到去除颗粒的效果。这样的流体接近液体的密度，接近气体的表面张力以及粘性，适用于高深宽比结构，或是不能沾水表面的清洗。
干法清洗用的比较少，主要分为 等离子体、气相、束流
干法清洗采用气相学法去除晶片表面污染物。气相化学法主要有热氧化法和等离子清洗法，清洗过程就是将热化学气体或等离子态反应气体导入反应室，反应气体与晶片表面 发生化学反应生成易挥发性反应产物被真空抽去。在 CI 包容环境中退火是一种典型的热氧 化过程，在氧化炉中进行，氩（Ar）溅射通常在溅射淀积前现场进行。
干法清洗的优点在于清洗后无废液，可有选择性的进行局部处理。另外，干法清洗蚀 刻的各向异性有利于细线条和几何特征的形成。但气相化学法无法有选择性的只与表面金 属污染物反应，都不可避免的与硅表面发生反应。各种挥发性金属混合物蒸发压力不同，在低温下各种金属挥发性不同，所以在一定的温度、时间条件下，不能将所有金属污染物 完全去除，因此干法清洗不能完全取代湿法清洗。实验证明，气相化学法可按要求的标准 减少的金属污染物有铁、铜、铝、锌、镍等，另外，钙在低温下采用基于 CL 离子的化学法 也可有效挥发。工艺过程中通常采用干、湿法相结合的清洗方式。
①等离子体清洗：在强电场作用下，使氧气产生等离子体，迅速使光刻胶气化成为可挥发性气体状态物质并被抽走。
②气相清洗：利用化学液体工艺中对应物质的气相等效物与圆片表面的沾污杂质相互作用。
③束流清洗：利用高能量的、呈束流状的物质流，与圆片表面的沾污杂质发生相互作用，从而清除晶圆表面杂质。
