摘自：《半导体芯科技》2020-10/11月刊

链接：盛美热衷于晶圆清洗工艺

随着半导体IC朝着先进节点的迈进，晶圆清洗的重要性日益提高。随着芯片的几何尺寸缩小，即便是微小的污染颗粒也会产生巨大的影响。在28nm节点，10nm以上的颗粒会成为影响芯片性能的“杀手”。ACM Research通过减少沾污（颗粒）以及废料，并着眼于在竞争激烈的全球IC工艺设备专有领域建立“双赢”的客户关系，将晶圆片的清洗重要性提高到了新的高度。

ACM Research（简称“盛美”或“ACM”）于1998年在加州Fremont市成立，并于2006年成立子公司盛美半导体设备（上海）有限公司。2017年ACM在纳斯达克交易所上市，2018年在上海增设第二个研发和生产厂。2020年7月ACM在上海自由贸易试验区临港特区的新工厂破土动工，计划在2022年下半年开始量产；新工厂面积100,000平方米，距离盛美半导体中国总部约30英里。

盛美对晶圆清洗了解甚深，也深刻认识到晶圆清洗对于先进节点技术的重要性，因此有效而快速的清洗工艺能给客户提供竞争优势，以应对下一代IC生产时所面临的复杂挑战。

随着硅基晶圆产品的种类逐渐增多，与之相关的晶圆清洗方案亦是层出不穷。这是一个价值50亿美元（总体有效市场TAM）的半导体供应链，盛美正在构建自己的堡垒。尽管全球疫情仍在肆虐，在国外开始蔓延的首季，销售额仍保持同比19%的提升，设备交付达1,200万美元。

核心技术

2009年，ACM凭借其空间交变相位移技术（SAPS）系统以及兆声波清洗技术成功地验证了它的有效性。具体而言，传统的喷淋清洗方式无法达到去除小微粒的目的，原因是晶圆表面喷涂速度接近于零。而传统的兆声波清洗方式，其兆声波能量传送不均匀、颗粒去除效率极低，不能达到很好的清洗效果。ACM独有的SAPS兆声波设计可解决这个问题，兆声波能量传送均匀，具有极高的颗粒去除效率（图1）。因此，与传统的喷淋式、传统兆声波技术相比，ACM的SAPS兆声波更适合清洗小颗粒，工艺节点越小清洗效率更加明显。

“ TEBO（时序能激气穴震荡）”气泡振荡系统，被证明可以有效清洗先进工艺节点上的图形化晶圆片。盛美的TEBO清洗技术适用于28nm或以下的图形硅片清洗，通过一系列频率高达100万次/秒的压力变化，使得气泡在受控温度下，以稳定的尺寸和形状进行振荡。这些气泡被控制在稳定的振荡状态下，不会内爆或塌陷，因此不会破坏晶圆表面的微结构，晶圆表面的图形结构也被清洗干净，同时避免遭到破坏。在产品结构从2D向3D的技术转型过程中，基于TEBO的清洗设备可以应用于FinFET、DRAM、新兴的3D NAND等更复杂的3D结构产品。据悉，ACM第二代TEBO设备，已交付给一家领先的IC制造商，并在生产环境中进行评估。

由于客户端产品的良率得到提升，该配套方案为存储器巨头SK Hynix提供了支持。随着SK Hynix订单的持续，2015年ACM在3D结构的清洗方面取得了成功；在韩国、中国以及台湾地区的客户基础得到加强。ACM继续开发新的Ultra C Tahoe系统，并于2019年开始针对主要客户实行交付。

从工艺需求出发

随着元器件的几何尺寸不断缩小，技术节点朝着5nm及以下方向发展，工艺日益复杂、工艺步骤也在不断增长。对于极其先进的结构来说，无论是采用干法工艺还是哪种湿法工艺，通常被认为需要重复200多次的晶圆清洗步骤。

由于整个产业中IC和微电路的制程差异很大，因此无法精确地计算出每个新的技术节点需要增加多少道清洗步骤。于是晶圆制造商认清一个事实：满足28nm技术节点要求的设备不能在10nm及以下制程中工作。较早的清洗方法，例如槽式清洗系统（wet bench），待处理晶圆基本上都浸没在循环使用的化学药液中，并用DIW一遍遍冲洗酸/碱性化学物质（QDR）；但这种方法不能去除足够多的污染物，以确保7nm及5nm器件的使用寿命控制在可接受范围内，并实现盈利生产。随着整条供应链不断推出新的清洗技术来满足先进节点的设备需求，ACM为其Ultra C Tahoe系统开发一种独特的方法（图2）。站在ACM首席执行官王晖先生的角度，市面上已出现一些更先进的清洗系统，但这些设备的硫酸（H2SO4）耗量增加了很多，为此带来硫酸的废液处理以及随之而来的一系列环境问题。ACM公司认为，某些清洗系统受制于技术能力，或者耗费太多的药液，或者去除沾污不力从而导致芯片缺陷；再或者两者兼而有之。

王晖强调说，“在典型的槽式清洗系统中，将一批晶圆静态地浸入药液槽中是无法达到Single Wafer Process（单晶圆清洗工艺，也即单片式清洗）的清洗效率的。然而对于单片式清洗机，晶圆以及表面覆盖一层非常薄的边缘化学扩散层在经过高速旋转后，其清洗效率相对要高很多。”

“此外，独立的槽式清洗工艺无法解决因晶圆不均匀性造成的清洗效率低下的问题。由于药液槽的尺寸所限以及晶向问题，晶圆边缘的清洗效率达不到晶圆中心的水平；且每块晶圆片之间（W2W）以及每批次晶圆片之间（B2B）的清洗效果也不能得到很好的控制。然而，采用单片式清洗法更为先进，因为它能将化学药液喷涂到每块晶圆上并同时旋转。此外，可以在单片式清洗工艺中加入辅助的清洗工艺，例如氮气雾化二流体清洗（N2+DIW），以及兆声波清洗。”

模块化配置

2019年12月，ACM正式发布Ultra C Tahoe清洗系统，新设备支持光刻胶去胶（高温硫酸）以及刻蚀（高温磷酸）、离子注入及CMP后清洗制程，可显著减少批量型生产（HVM）中的硫酸和其他工业化学品的消耗量。

新的Ultra C Tahoe系统是全球首台将槽式和单片式清洗系统结合起来的设备。在槽式清洗模块中进行SPM（H2SO4:H2O2 = 3:1）以及QDR清洗，SPM清洗工艺使用的化学药液也像独立的槽式清洗机那样循环往复。在Tahoe进行槽式清洗过后，将晶圆片立刻转移到单晶圆清洗模块中，以便在晶圆片润湿时进行下一步更先进的清洗工艺。据悉，这种Bench+single wafer的方式适合20%的半导体湿法工艺；有测试数据表明，它的清洗效果可与单片式清洗设备相媲美。

Ultra C Tahoe的单晶圆腔室非常灵活，可以按照客户的特定需求配置，例如我们熟悉的一号液SC1（标准清洗液）、氢氟酸（HF）、臭氧化去离子水（DI-O3）或其他工艺化学品的配液。它最多可以容纳四个机械臂，每个臂上最多可配备三种化学药液。此外还有几个配置选项，如N2喷雾、或使用ACM的Smart Megasonix兆声波清洗。该系统还提供用于图形化晶圆片的异丙醇（IPA）干燥功能（图3）。

王晖强调，ACM开发的专用型Tahoe系统，为客户提供了单片式清洗所需的良好性能和工艺灵活性，而且化学药液消耗量却很小——这些都是客户所期待的。ACM认为这是一个成功的组合方案，半导体产业可以利用一种环保型解决方案来满足技术路线的延展，从而节省大量的废品处理成本。

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