受讀者鼓舞，在繼“磨料進化篇”之后，小編盡可能貼近原文，并與讀者共同學習進步，一起了解關于CMP拋光的相關知識。本章側重于清洗發展及其他一些超精益技術相關的介紹。

相關鏈接：CMP拋光的起源與創新（磨料進化篇）

什么是晶圓清洗

首先明確，晶圓清洗遠比我們平時洗瓜果蔬菜復雜。伴隨CMP進行的清洗工藝在晶圓制備中非常重要。如上圖所示，在經過CMP工藝處理后，晶圓表面上會殘留磨料和切削物顆粒、化學物質、有機物和金屬離子等污染物，而它們則嚴重影響后續的工藝步驟（如光刻、蝕刻和沉積）。隨著集成電路尺寸的不斷縮小，對污染物的容忍度也不斷降低。污染的多樣性可能會造成各種不可控結果，進而導致性能受損甚至電路失效。清洗發展至今，也是一步一步演變成為一項專業能力，它涉及到不同類型污染物的去除、高潔凈度要求、材料兼容性、化學和物理清洗方法的結合，以及在極高標準的潔凈環境中進行。

清洗技術發展概述

在硅片清洗的早期階段，使用了諸如三氯乙烯這樣的有機溶劑來進行清洗，而乙醇則用于干燥。然而，這些方法并不適合去除顆粒和金屬污染物，導致了較低的成品率。該問題在1970年由RCA公司的Kern和Puotinen發表的“RCA清洗法”中得到了顯著改進。具體所謂RCA清洗由NH?OH/H?O?/H?O(SC1)清洗和HCl/H?O?/H?O(SC2)清洗組成，前者去除有機物和顆粒，后者用于去除金屬污染物。再后來，在這種清洗方法中加入了稀釋的氫氟酸(DHF)清洗，以去除本征氧化層中的污染物。基于RCA清洗的方法至今仍在硅片制造過程中以及銅互連結構形成之前的半導體器件前端工藝(FEOL)中廣泛使用。隨著技術的進步，這些清洗方法也在不斷優化和發展，以滿足更高精度和更小尺寸器件的需求。

一、超精益技術

超精益技術的目標是消除半導體工藝的污染和波動。從超純水到潔凈室的超純技術的研究和開發始于20世紀80年代末，當時日本東北大學的大明教授領導團隊與半導體有關的各種制造商合作，廣泛包括半導體裝置、設施、設備、化學、純凈水、氣體、管道和閥門等等。而除了前文提及的典型污染物之外，濕度、振動、靜電、溫度變化等也被列入應當避免的污染和波動范圍。

為了便于直觀說明超精益技術對清洗技術的進一步改進和發展。以Zeta電位和Pourbaix圖的引入為例，在RCA清洗中，雖然SC1清洗（堿性清洗）可以去除顆粒，但是存在SC2清洗（酸性清洗）和DHF清洗后顆粒粘附的問題，Zeta電位則可用于表征和解釋；類似還有盡管金屬污染可以通過SC2清洗去除，但在DHF清洗和SC1清洗后仍存在金屬粘附于硅表面的問題，Pourbaix圖則用于解釋該機制。其他在超精益技術研究推動的還有揭示了像銅這樣的金屬污染不僅影響器件的電氣特性，還會在晶圓表面上造成缺陷，等等。而在它的加持之下，不斷解決RCA清洗過程所遇到問題的同時，也提高了整體的清潔效率和晶圓表面的質量，半導體化學品的純化水平才能從ppb級提高到目前的ppt級。

二、清洗技術的改進

1、污染重新吸附的解決

RCA清洗法存在每次清洗后污染物重新吸附的問題。研究發現，螯合劑有助于在堿性清洗（SC1）過程中抑制金屬的吸附，而陰離子表面活性劑有助于在酸性清洗（DHF）過程中抑制顆粒的吸附。但是由于RCA清洗法已經在半導體前端工藝（FEOL）中被依賴了幾十年，另外業內更關注半導體表面上的殘留問題。因此這項研究最初并沒有引起重視。直到銅化學機械平坦化（Cu-CMP）的引入，由于RCA清洗法中存在的金屬布線腐蝕問題，使用螯合劑和表面活性劑變得必不可少。如今，在半導體器件制造中的CMP后清洗過程中，廣泛采用了含有表面活性劑和螯合劑的溶液清洗結合PVA刷子擦洗的方式。此外，人們發現基于RCA清洗的晶圓清洗過程還存在一個問題……

2、微粗糙度（霧度）增加的解決

晶圓表面在CMP后立即開始出現粗糙度增加，并且隨著時間推移不斷加重。在1990年代，通過降低清洗溫度和減少溶液中的氨水混合比例來減少SC1清洗步驟中導致的粗糙度增加。進入2000年代，CMP后立即使用超純水沖洗期間以及濕式運輸過程中的表面粗糙度成為一個問題。經過深入研究，人們終于發現導致粗糙度增加的原因——主要是由于超純水溶解氧和/或光照的影響，導致硅局部氧化，相比于硅，氧化物被水蝕刻的速度較低，因此它們保留在表面形成凸起，從而增加了粗糙度。并且，硅之外還有銅在CMP后處理過程中局部氧化或局部腐蝕抑制劑的吸附也會影響粗糙度的增加。

微粗糙度增加機理

在CMP之后立即使用臭氧化水處理硅表面，以在其上形成一層薄的氧化膜，這種方法因其易于實施而被主流硅片制造商所采用。最初，臭氧化水被提議用來代替H?SO?/H?O?/H?O (SPM) 清洗以去除光刻膠，因為臭氧化水可以分解有機污染物。但由于水中可溶解的臭氧濃度有限，其在半導體清洗中的應用受到了限制。近年來，一種單片清洗方法被用于硅片的CMP后清洗，該方法包括反復使用DHF去除由臭氧化水形成的化學氧化膜，隨后重復這一過程數次（大約每隔十秒一次），以去除表面層上的污染物。這種清洗方法正在逐步取代在硅片制造過程中長期使用的RCA清洗。

3、CMP漿料的進一步純化

由于持續追求清潔度，減少CMP后晶圓上的納米缺陷數量，即便FUJIMI在1985年引入基于醇鹽的超純二氧化硅之后，仍繼續進行減少漿料中污染物的研究——徹底審查包括原材料在內的制造過程，并追求過濾和凈化技術，漿料中的金屬雜質和大顆粒進一步減少。像這樣的污染減少技術被應用于CMP漿料中，并廣泛應用于半導體晶圓制造過程和器件制造過程（特別是在前端工藝FEOL中），支持了半導體的微型化和成品率的提高。

FUJIMI對CMP漿料大顆粒減少影響晶圓納米缺陷的研究

三、未來技術展望

未來，預計減少CMP過程中的粗糙度、缺陷和污染的要求將會變得更加嚴格，從納米級別向埃級別推進。隨著半導體結構的三維集成和復雜性的增加，CMP步驟的數量將進一步增加，需要對各種材料進行精確加工。面對這些挑戰，追求表面的均勻作用和減少污染物仍然是至關重要的。然而，在進一步的追求中，表面粗糙度不應該僅用Ra（平均粗糙度）或Rms（均方根粗糙度）來表示，而應該分析每個波長下的情況，調查對應每個波長的粗糙度原因，并采取相應的措施。我們應該認識到不僅是顆粒和金屬雜質，還包括看不見的污染物，如反應副產品、溶解氣體、振動、電子和光子，這些都可能影響CMP和清洗過程，并據此采取適當的措施。在掌握這些領域方面還有很長的路要走。然而，仍然有許多來自不同領域的技術可以被利用。未來的CMP技術應該與我們今天甚至都無法想象的新元素相集成。

小結

清潔技術既獨立于拋光，又和拋光密不可分。不同領域的技術在某個時間節點之前并未相互交叉，但當這些技術根據市場需求相互結合時，就會產生創新。本文和之前磨料篇的章節內容，揭示了技術的組合和創新不僅僅局限于最新技術的融合，而是可以利用過去的舊技術和未充分利用的技術來創造出新的價值。

編譯整理 YUXI