晶圆制造中的清洗环节、工艺方式与新材料

晶圆制造清洗环节

晶圆清洗是芯片制造过程中不可或缺的核心环节，其目的是去除晶圆表面的污染物（如颗粒、金属离子、有机物、自然氧化层等），确保后续工艺的顺利进行和芯片的最终良率。清洗步骤贯穿芯片生产全流程，包括硅片制造、光刻、刻蚀、沉积等关键环节。

清洗工序的数量相当多，而且随着技术节点缩小，对清洁度的要求更高，步骤也越多。例如在10纳米节点，清洗工艺步骤甚至能达到约800个。清洗步骤占芯片制造总工序的30%以上。

晶圆制造的清洗环节主要包括以下几个阶段和类型：

1. 预清洗阶段：主要是去除表面的大颗粒、松散污染物以及可溶性杂质，为后续的深度清洗打下基础。包括去离子水冲洗和超声波清洗。

2. 化学清洗阶段：使用特定的化学溶液去除有机物、金属离子和氧化物。例如采用SC-1（氨水/过氧化氢混合液）去除有机物和颗粒，SC-2（盐酸/过氧化氢混合液）去除金属离子，稀释氢氟酸（DHF）去除氧化物。

3. 终清洗与干燥阶段：确保无任何化学物质残留，并进行干燥。包括二次去离子水冲洗、臭氧水氧化处理、旋转甩干与氮气吹扫。

4. 湿法清洗与干法清洗：湿法清洗是主流技术，占90%以上的步骤，主要包括槽式清洗（多片晶圆集中清洗，成本低、产能高）和单片式清洗（单片晶圆独立清洗，精度高、均匀性好）。干法清洗则主要包括等离子清洗、超临界CO₂清洗和气相清洗等，适用于更先进制程和特殊结构清洗。

下表概述了不同制程节点下晶圆制造中典型的清洗步骤数量，帮助你更直观地理解其复杂性：

需要注意的是，上表中的步骤数量是一个估算值，实际数量会因具体工艺配方、fab厂的技术路线以及不同产品结构（如逻辑芯片与存储芯片）而有所差异。但趋势是明确的：制程越先进，清洗步骤越多。

 晶圆制造工艺方式

晶圆制造包含多种复杂的工艺方式，它们共同协作才能完成芯片的制造。除了上述的清洗工艺外，核心的工艺方式还包括：

1. 光刻 (Photolithography)：通过光刻胶、掩模版和光线曝光，将电路图案转移到晶圆表面。极紫外（EUV）光刻是目前最先进的技术。

2. 刻蚀 (Etching)：按照光刻转移的图案，选择性地去除硅片或其他薄膜材料的部分区域，形成所需的电路结构。分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

3. 薄膜沉积 (Thin Film Deposition)：在晶圆表面生长或沉积各种材料的薄膜层，如氧化硅、氮化硅、金属层等。主要技术包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和原子层沉积（ALD）。

4. 掺杂 (Doping)：将有目的的杂质（如硼、磷）引入硅晶格中，改变其电学性质，形成PN结等器件结构。主要方法有扩散和离子注入。

5. 化学机械抛光 (CMP)：通过化学腐蚀和机械研磨的组合，使晶圆表面全局平坦化，为后续的光刻和其他工艺步骤创造平坦的基础。

6. 金属化 (Metallization)：制作集成电路内部的连接导线，通常通过沉积金属层（如铜、铝）并图形化来实现。

7. 测试与封装 (Testing and Packaging)：制造完成后，对单个芯片进行电学测试，然后将合格的芯片封装保护起来，并引出引脚。

这些工艺方式在技术上不断演进，例如台积电的2nm制程计划采用全新的GAA（全环绕栅极）纳米片晶体管来取代FinFET，以期获得更高的性能和能效58。

最新的晶圆材料

硅（Si）仍然是目前半导体工业绝对主导的衬底材料。然而，为了满足高性能计算、高频通信、高温高压应用等特定需求，许多新型半导体材料正在被研究和应用，它们常被称为“第三代半导体”或“宽禁带半导体”材料。

1. 金刚石 (Diamond)：

• 金刚石被认为是下一代功率器件和高温高频器件的理想衬底材料之一。它具有目前已知材料中最高的热导率，能有效散热；同时拥有超宽的禁带宽度、高的击穿电场和高的载流子迁移率6。

• 目前面临的主要挑战是大尺寸、高质量单晶金刚石的制备和加工成本非常高。化学气相沉积（CVD）法是制备半导体用金刚石衬底的主流方法，但在切割、抛光和掺杂等工艺上仍有难度6。

2. 碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)：

• 虽然你问的是“晶圆材料”，但值得注意的是，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN） 作为宽禁带半导体材料，已经在市场上得到了实际应用，特别是在新能源汽车、高速轨道交通、智能电网和5G基站等领域的功率器件和射频器件中。

• 它们通常以异质外延的形式生长在特定衬底（如SiC衬底上长GaN）上，或者制作成单晶SiC衬底。

3. 其他新兴材料与技术：

• 二维材料：如石墨烯、二硫化钼（MoS₂）等，因其独特的电学特性而被探索用于未来更小尺寸的晶体管。

• 氧化物半导体：如氧化铟镓锌（IGZO），主要用于显示背板技术。

• 硅基异质集成：通过先进封装技术（如2.5D/3D IC、Chiplet），将不同材料（如硅、化合物半导体、光子芯片等）制造的芯片集成在一起，发挥各自优势，这可看作是在系统层面“扩展”了晶圆材料的概念2。

4. 新材料研发动态：

• 台湾科技大学的研究团队成功研发出非晶金属合金（金属玻璃）的奈米管阵列，并将其整齐排列在硅晶圆上。这项技术有望应用于生物感测芯片，提供更快速精准的检测，解决传统半导体硅奈米元件高成本及定量检测不易的问题9。

• 宏昌电子材料股份有限公司开发了下一代碳氢树脂技术，旨在实现较高的粘结力和较低的介电损耗，主要应用于高频高速覆铜板，并为下一世代增层膜（主体树脂非环氧树脂）蓄势，应用于晶圆和晶片等半导体元件上3。

为了更直观地对比这些新兴半导体材料的主要特性，请看下表：

总结与未来展望

晶圆制造是一个极其复杂精密的系统工程。清洗环节贯穿始终，步骤繁多且随技术演进不断增加，其洁净度直接决定芯片良率。制造工艺方式多样，各司其职又紧密协同，持续向更精细、更高效发展。而新材料的探索和应用，则是突破硅基半导体物理极限、满足未来多样化需求的关键。

未来，我们可以预见以下几个趋势：

• 清洗技术将向更环保（如化学液闭环回收）、更智能化（AI实时监控与调整）、更集成化（清洗-检测闭环）以及应对新结构挑战（如3D NAND的高深宽比结构、GAA纳米片结构的无损清洗）的方向发展4。

• 制造工艺将继续追求更小的线宽（如向2nm、1.6nm进军）58，并更多地与先进封装技术（如2.5D/3D、Chiplet）相结合，从系统层面提升性能2。

• 新材料方面，硅基主导地位短期内不会改变，但SiC、GaN的应用会越来越广泛，金刚石等超宽禁带半导体材料的制备技术有望逐步突破6。不同材料的异质集成将成为重要的发展路径。

希望以上信息能帮助你更全面地了解晶圆制造的清洗环节、工艺方式以及最新晶圆材料。

晶圆制造之 芯片封装前锡膏助焊剂清洗剂介绍：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

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致力于为SMT电子表面贴装清洗、功率电子器件清洗及先进封装清洗提供高品质、高技术、高价值的产品和服务。  （13691709838）Unibright 是一家集研发、生产、销售为一体的国家高新技术、专精特新企业，具有二十多年的水基清洗工艺解决方案服务经验，掌握电子制程环保水基清洗核心技术。水基技术产品覆盖从半导体芯片封测到 PCBA 组件终端的清洗应用。是IPC-CH-65B CN《清洗指导》标准的单位。 全系列产品均为自主研发，具有深厚的技术开发能力，拥有五十多项知识产权、专利，是国内为数不多拥有完整的电子制程清洗产品链的公司。 致力成为芯片、电子精密清洗剂的领先者。以国内自有品牌，以完善的服务体系，高效的经营管理机制、雄厚的技术研发实力和产品价格优势，为国内企业、机构提供更好的技术服务和更优质的产品。 的定位不仅是精湛技术产品的提供商，另外更具价值的是能为客户提供可行的材料、工艺、设备综合解决方案，为客户解决各类高端精密电子、芯片封装制程清洗中的难题，理顺工艺，提高良率，成为客户可靠的帮手。

凭借精湛的产品技术水平受邀成为国际电子工业连接协会技术组主席单位，编写全球首部中文版《清洗指导》IPC标准（标准编号：IPC-CH-65B CN）(“Guidelines for Cleaning of Printed Boards and Assemblies”)，IPC标准是全球电子行业优先选用标准，是集成电路材料产业技术创新联盟会员成员。

主营产品包括：集成电路与先进封装清洗材料、电子焊接助焊剂、电子环保清洗设备、电子辅料等。

半导体技术应用节点：FlipChip ;2D/2.5D/3D堆叠集成;COB绑定前清洗；晶圆级封装；高密度SIP焊后清洗；功率电子清洗。