晶圓制造中的清洗環節、工藝方式與新材料

晶圓制造清洗環節

晶圓清洗是芯片制造過程中不可或缺的核心環節，其目的是去除晶圓表面的污染物（如顆粒、金屬離子、有機物、自然氧化層等），確保后續工藝的順利進行和芯片的最終良率。清洗步驟貫穿芯片生產全流程，包括硅片制造、光刻、刻蝕、沉積等關鍵環節。

清洗工序的數量相當多，而且隨著技術節點縮小，對清潔度的要求更高，步驟也越多。例如在10納米節點，清洗工藝步驟甚至能達到約800個。清洗步驟占芯片制造總工序的30%以上。

晶圓制造的清洗環節主要包括以下幾個階段和類型：

1. 預清洗階段：主要是去除表面的大顆粒、松散污染物以及可溶性雜質，為后續的深度清洗打下基礎。包括去離子水沖洗和超聲波清洗。

2. 化學清洗階段：使用特定的化學溶液去除有機物、金屬離子和氧化物。例如采用SC-1（氨水/過氧化氫混合液）去除有機物和顆粒，SC-2（鹽酸/過氧化氫混合液）去除金屬離子，稀釋氫氟酸（DHF）去除氧化物。

3. 終清洗與干燥階段：確保無任何化學物質殘留，并進行干燥。包括二次去離子水沖洗、臭氧水氧化處理、旋轉甩干與氮氣吹掃。

4. 濕法清洗與干法清洗：濕法清洗是主流技術，占90%以上的步驟，主要包括槽式清洗（多片晶圓集中清洗，成本低、產能高）和單片式清洗（單片晶圓獨立清洗，精度高、均勻性好）。干法清洗則主要包括等離子清洗、超臨界CO?清洗和氣相清洗等，適用于更先進制程和特殊結構清洗。

下表概述了不同制程節點下晶圓制造中典型的清洗步驟數量，幫助你更直觀地理解其復雜性：

需要注意的是，上表中的步驟數量是一個估算值，實際數量會因具體工藝配方、fab廠的技術路線以及不同產品結構（如邏輯芯片與存儲芯片）而有所差異。但趨勢是明確的：制程越先進，清洗步驟越多。

 晶圓制造工藝方式

晶圓制造包含多種復雜的工藝方式，它們共同協作才能完成芯片的制造。除了上述的清洗工藝外，核心的工藝方式還包括：

1. 光刻 (Photolithography)：通過光刻膠、掩模版和光線曝光，將電路圖案轉移到晶圓表面。極紫外（EUV）光刻是目前最先進的技術。

2. 刻蝕 (Etching)：按照光刻轉移的圖案，選擇性地去除硅片或其他薄膜材料的部分區域，形成所需的電路結構。分為濕法刻蝕和干法刻蝕。

3. 薄膜沉積 (Thin Film Deposition)：在晶圓表面生長或沉積各種材料的薄膜層，如氧化硅、氮化硅、金屬層等。主要技術包括化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）和原子層沉積（ALD）。

4. 摻雜 (Doping)：將有目的的雜質（如硼、磷）引入硅晶格中，改變其電學性質，形成PN結等器件結構。主要方法有擴散和離子注入。

5. 化學機械拋光 (CMP)：通過化學腐蝕和機械研磨的組合，使晶圓表面全局平坦化，為后續的光刻和其他工藝步驟創造平坦的基礎。

6. 金屬化 (Metallization)：制作集成電路內部的連接導線，通常通過沉積金屬層（如銅、鋁）并圖形化來實現。

7. 測試與封裝 (Testing and Packaging)：制造完成后，對單個芯片進行電學測試，然后將合格的芯片封裝保護起來，并引出引腳。

這些工藝方式在技術上不斷演進，例如臺積電的2nm制程計劃采用全新的GAA（全環繞柵極）納米片晶體管來取代FinFET，以期獲得更高的性能和能效58。

最新的晶圓材料

硅（Si）仍然是目前半導體工業絕對主導的襯底材料。然而，為了滿足高性能計算、高頻通信、高溫高壓應用等特定需求，許多新型半導體材料正在被研究和應用，它們常被稱為“第三代半導體”或“寬禁帶半導體”材料。

1. 金剛石 (Diamond)：

• 金剛石被認為是下一代功率器件和高溫高頻器件的理想襯底材料之一。它具有目前已知材料中最高的熱導率，能有效散熱；同時擁有超寬的禁帶寬度、高的擊穿電場和高的載流子遷移率6。

• 目前面臨的主要挑戰是大尺寸、高質量單晶金剛石的制備和加工成本非常高。化學氣相沉積（CVD）法是制備半導體用金剛石襯底的主流方法，但在切割、拋光和摻雜等工藝上仍有難度6。

2. 碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)：

• 雖然你問的是“晶圓材料”，但值得注意的是，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN） 作為寬禁帶半導體材料，已經在市場上得到了實際應用，特別是在新能源汽車、高速軌道交通、智能電網和5G基站等領域的功率器件和射頻器件中。

• 它們通常以異質外延的形式生長在特定襯底（如SiC襯底上長GaN）上，或者制作成單晶SiC襯底。

3. 其他新興材料與技術：

• 二維材料：如石墨烯、二硫化鉬（MoS?）等，因其獨特的電學特性而被探索用于未來更小尺寸的晶體管。

• 氧化物半導體：如氧化銦鎵鋅（IGZO），主要用于顯示背板技術。

• 硅基異質集成：通過先進封裝技術（如2.5D/3D IC、Chiplet），將不同材料（如硅、化合物半導體、光子芯片等）制造的芯片集成在一起，發揮各自優勢，這可看作是在系統層面“擴展”了晶圓材料的概念2。

4. 新材料研發動態：

• 臺灣科技大學的研究團隊成功研發出非晶金屬合金（金屬玻璃）的奈米管陣列，并將其整齊排列在硅晶圓上。這項技術有望應用于生物感測芯片，提供更快速精準的檢測，解決傳統半導體硅奈米元件高成本及定量檢測不易的問題9。

• 宏昌電子材料股份有限公司開發了下一代碳氫樹脂技術，旨在實現較高的粘結力和較低的介電損耗，主要應用于高頻高速覆銅板，并為下一世代增層膜（主體樹脂非環氧樹脂）蓄勢，應用于晶圓和晶片等半導體元件上3。

為了更直觀地對比這些新興半導體材料的主要特性，請看下表：

總結與未來展望

晶圓制造是一個極其復雜精密的系統工程。清洗環節貫穿始終，步驟繁多且隨技術演進不斷增加，其潔凈度直接決定芯片良率。制造工藝方式多樣，各司其職又緊密協同，持續向更精細、更高效發展。而新材料的探索和應用，則是突破硅基半導體物理極限、滿足未來多樣化需求的關鍵。

未來，我們可以預見以下幾個趨勢：

• 清洗技術將向更環保（如化學液閉環回收）、更智能化（AI實時監控與調整）、更集成化（清洗-檢測閉環）以及應對新結構挑戰（如3D NAND的高深寬比結構、GAA納米片結構的無損清洗）的方向發展4。

• 制造工藝將繼續追求更小的線寬（如向2nm、1.6nm進軍）58，并更多地與先進封裝技術（如2.5D/3D、Chiplet）相結合，從系統層面提升性能2。

• 新材料方面，硅基主導地位短期內不會改變，但SiC、GaN的應用會越來越廣泛，金剛石等超寬禁帶半導體材料的制備技術有望逐步突破6。不同材料的異質集成將成為重要的發展路徑。

希望以上信息能幫助你更全面地了解晶圓制造的清洗環節、工藝方式以及最新晶圓材料。

晶圓制造之合明科技芯片封裝前錫膏助焊劑清洗劑介紹：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運用自身原創的產品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。

推薦使用合明科技水基清洗劑產品。

合明科技致力于為SMT電子表面貼裝清洗、功率電子器件清洗及先進封裝清洗提供高品質、高技術、高價值的產品和服務。合明科技 （13691709838）Unibright 是一家集研發、生產、銷售為一體的國家高新技術、專精特新企業，具有二十多年的水基清洗工藝解決方案服務經驗，掌握電子制程環保水基清洗核心技術。水基技術產品覆蓋從半導體芯片封測到 PCBA 組件終端的清洗應用。是IPC-CH-65B CN《清洗指導》標準的單位。合明科技全系列產品均為自主研發，具有深厚的技術開發能力，擁有五十多項知識產權、專利，是國內為數不多擁有完整的電子制程清洗產品鏈的公司。合明科技致力成為芯片、電子精密清洗劑的領先者。以國內自有品牌，以完善的服務體系，高效的經營管理機制、雄厚的技術研發實力和產品價格優勢，為國內企業、機構提供更好的技術服務和更優質的產品。合明科技的定位不僅是精湛技術產品的提供商，另外更具價值的是能為客戶提供可行的材料、工藝、設備綜合解決方案，為客戶解決各類高端精密電子、芯片封裝制程清洗中的難題，理順工藝，提高良率，成為客戶可靠的幫手。

合明科技憑借精湛的產品技術水平受邀成為國際電子工業連接協會技術組主席單位，編寫全球首部中文版《清洗指導》IPC標準（標準編號：IPC-CH-65B CN）(“Guidelines for Cleaning of Printed Boards and Assemblies”)，IPC標準是全球電子行業優先選用標準，是集成電路材料產業技術創新聯盟會員成員。

主營產品包括：集成電路與先進封裝清洗材料、電子焊接助焊劑、電子環保清洗設備、電子輔料等。

半導體技術應用節點：FlipChip ;2D/2.5D/3D堆疊集成;COB綁定前清洗；晶圓級封裝；高密度SIP焊后清洗；功率電子清洗。