随着半导体制造行业的飞速发展,我们在享受高科技带来的新生活体验的同时,也给环境带来了一定的影响。半导体芯片制造过程中要消耗大量的化学药液如硫酸、氢氟酸、盐酸等,还有大量的水资源,如果处理不好就会污染当地环境。一个中等体量的芯片制造厂每天就要消耗近 5000 吨的水,产生同量的废水。因此,降低化学药品的消耗,节水和安全处理废水成为半导体绿色制造的关键环节,为此很多半导体芯片制造厂和工艺设备厂商都在孜孜不断努力,位于太湖之畔的无锡华瑛微电子就是其中的一家佼佼者。最近,利用 SEMICON CHINA 2018 的空间,记者采访了华瑛创始人兼 CEO 温子瑛女士。
 
01
重复次数最多的“硅片湿处理”工艺
采访开始,温子瑛女士向我们介绍了什么是“晶圆表面准备”?
 
“晶圆表面准备”,是指在氧化、光刻、刻蚀、注入、扩散和抛光等主要工序前后,采用物理或化学的方法对晶圆表面进行清洗、腐蚀或改变晶圆表面性质(钝化)的过程。目的是得到符合下一道工序要求的硅片表面。“硅片湿处理”工艺通常是指采用液态或蒸汽态化学流体来完成“晶圆表面准备”的方法。
 
在芯片制造过程中“硅片湿处理”工艺是重复次数最多的工艺。例如,生产一块存储芯片一般需要经过 200 以上道工序,而生产一块 CPU 则需要经过近 600 道工序。其中的 20%-30%工序属“硅片湿处理工艺“。
 
为什么要反复地清洗硅片?因为在芯片生产过程中,即使是微量的污染也会导致器件失效。清洗的目的是去除晶圆表面的污染物质,包括有机物和无机物。
 
温子瑛女士告诉我们,由于集成电路内部各元件及连线相当微细,在纳米级,因此在制造过程中,即使是非常微量的颗粒、金属或化学残留的污染,都有可能造成芯片内电路功能的损坏,形成短路或断路,导致芯片的失效。在现代 VLSI 工厂中,75%的产品率下降都来源于硅芯片上的各种污染。
 
图一、集成电路生产工艺流程图
 
02
半导体晶圆清洗工艺的技术演进
半导体工艺主要是在 20 世纪 50 年代发明的四项基础工艺 (离子注入、 扩散、外延生长及光刻)为基础逐渐发展起来的。在制作过程中除了要排除外界的污染源外, 在制造工序如高温扩散、离子注入前均需要进行清洗。清洗必须不能破坏晶圆表面特性及电特性, 还要有效地使用化学溶液或气体清除残留在晶圆上之微尘、金属离子及有机物之杂质。
 
传统的清洗方法主要有两大类:湿法清洗和干法清洗。
 
湿法清洗:
湿法清洗采用液体化学溶剂和去离子水。大多通常采用的湿法清洗是 RCA(1965 年由美国无线电公司研发)清洗法,RCA 清洗法是经过多年的发展经不断改进才形成的。它对于线宽为 0.25 和 0.3μm 工艺尚能满足要求, 但对线宽为 0.09~0.13μm 工艺就不行了。另外由于 RCA 清洗法大量使用高纯度化学试剂(如 NH4OH,HCl,H2O2 ,H2O 等), 将会增加工艺成本, 同时产生大量的生产废液和废气,容易对环境产生污染。
 
干法清洗:
干法清洗主要是利用等离子体技术和气态化学药品,通过化学和物理作用去除圆片表面的污染物。干法清洗的优点在于无废液,可有选择性的进行局部处理,但缺点是不能将所有金属污染物去处。传统做法一般是湿法和干法清洗一起使用。
 
单圆片清洗技术
随着 300mm 圆片和 90nm 工艺的到来, 传统的批处理清洗技术(lot 清洗)已难以适应更小刻线对工艺过程的新要求,需要引入新型的清洗工艺。驱使清洗技术向单圆片式发展的主要因素有:
 
降低大直径圆片批处理中低成品率产生重大损失的风险;
 
排除批处理工艺中圆片之间的交叉污染;
 
提高圆片的背面、斜面和边缘清洗的质量;
 
减少薄膜材料的损失;
 
化学机械抛光(CMP)后的刷洗技术;
 
适用于多品种、小批量的产品。
 
单圆片清洗技术能满足上述要求,得到了半导体业界的认同。目前众多的 300mm 晶圆芯片生产工厂的重要清洗步骤都逐步倾向于引进单片晶圆湿法清洗技术。
 
03
单圆片清洗:一块“不大也不算小的蛋糕”
根据 BBC Research 报告,2010 年的集成电路制造“晶圆表面准备”市场规模为$34 亿美元,包括设备、耗材及服务。根据 Grand View Research 预测,从 2016 年至 2024 年,该市场规模的增长率将维持在 15%以上。
 
目前单片晶圆处理技术主要有以日本 Dainippon Screen(DNS)为代表的喷淋旋转式清洗技术和以美国 Lam Research 的 SEZ 为代表的硅片高速旋转式清洗技术。两个技术都是基于将化学处理液喷淋到正在旋转中的晶圆上。喷淋技术重点利用射流产生的动力,而旋转技术主要利用旋转晶圆产生的离心力。国内晶圆湿处理设备领头公司有国企的七星华创和民营的盛美。均属喷淋式技术。
 
喷淋式技术
单片晶圆喷淋式技术属最早应用的单片晶圆湿处理技术,其工作原理是利用由化学药液或超纯水形成的射流体所产生的动力和化学力,作用在晶圆表面,达到清洗或腐蚀的目的。
 
单片晶圆高速旋转技术
单片晶圆高速旋转技术是通过高速旋转晶圆所产生的离心力,带动处理介质(可以是液态的或气态的)在硅片表面高速运动来实现对晶圆表面有机污染物、颗粒和离子污染的去除作用。
 
“进入 32 纳米级节点以下集成电路制造技术,‘晶圆表面准备’将要面临的挑战不仅仅是 20 纳米以下超微小颗粒的有效去除及每平方厘米小于 109 个金属原子的清洗效果,同时还要面对新器件结构、新工艺要求、新材料引进和更大尺寸晶圆(300 和 450 毫米)所带来的新问题,及在晶圆表面准备过程中对晶圆表面无损伤、无丢失、无变性的超高要求,传统的晶圆表面处理技术和工艺设备正在面临多个难以克服的挑战。“ 温子瑛女士说。
 
04
世界首创的“动态薄膜处理技术”
面对众多家半导体清洗设备的公司,如何在市场上取胜?温子瑛女士告诉我们,华瑛靠的是技术和创新这把“双刃剑”。
 
华瑛的“动态薄层晶圆表面处理技术”属世界首创,与目前市场上广泛使用的浸没、喷淋和旋转技术技术相比,动态薄层技术和设备具有以下优点:
 
更强的处理过程控制能力。如:可采用不同的化学配方同时处理晶圆的正面和背面;
 
更灵活的处理条件选择。如可使用有机或无机化学液或气液混合流体;
 
显著的低消耗、低排放、低运行和低维护成本;
 
独特的封闭微处理腔设计,为晶圆表面准备提供多个其它技术设备无法或难以实现的功能。如:使用易挥发流体;利用真空和低压条件。
 
采用“动态薄层技术”的设备更容易与生产线其它工艺设备集成,从而提高清洗质量,还可以减少超净间的使用面积,简化生产流程、降低工厂建设、运行和维护成本。温总向我们展示了“国际半导体发展路线图(ITRS 2013 年)”列出的“晶圆表面准备”工艺面临的多方面挑战,华瑛的“动态薄层技术”将为这些挑战提供有效的解决途径,并从多个方面降低集成电路制造成本,提高芯片制造生产的灵活性。
 
图二、华瑛的“动态薄层晶圆表面处理”示意图
 
05
“看家秘笈”:密封微处理腔技术
温总自豪地向我们展示了华瑛独有的“看家秘笈”: 密封微处理腔技术。该技术相比其他厂家技术具有如下优点:
 
几乎不受限制的选择各种化学处理液配方,应用广泛;
 
最大限度地减小超纯化学药水和超纯水的消耗。节省化学液耗材 50%以上,超纯水消耗 90%以上,在降低生产成本的同时减少排放。提高芯片制造业的环境、安全、健康生态指数;
 
使能够采用在线产生化学处理液(point-of-use chemicals),获得更纯净的化学处理液,提高清洗工艺质量,降低生产成本;
 
易于实施在线化学处理液回收及处理,尽可能减少生产排放,降低废液的处理成本;
 
实现(Enable)湿处理工艺的在线监测,降低工艺失误率,确保工艺质量;
 
易于与生产线其它设备联机,减少晶圆的搬运距离及超净间的使用面积。降低晶圆的污染风险、简化生产线的晶圆搬运系统,提高生产管理效率。
 
华瑛的“动态薄层”设备还可以帮助新旧 IC 生产厂节省投资资金,提高生产效率,同时还能大幅度减少资源消耗和生产废物排放,促进环保,完美地吻合了中国半导体生产产业和设备制造业可持续健康发展的需要。
 
图三、华瑛生产的“动态薄层技术”晶圆表面湿处理设备
 

 

06
华瑛:太湖之畔的半导体设备新兵
温总告诉我们,公司自开始运营以来,已完成了 02 专项(国家十一五极大规模集成电路制造装备及成套工艺国家科技重大专项)“32nm 以下设备关键技术研究”的子课题项目, 现正在完成国家十二五 02 专项项目“45nm 技术代化学污染检测方法和设备的研发及产业化”。 
 
在国家 02 专项的支持下,公司现已完成 A 系列产品和 B 系列产品的设计、制造。目前已有一台晶圆表面湿处理设备在南京某个 FAB 实验室使用近 1 年半,停机时间小于 1 天。另一台同样设备计划近期也将进入上海某公司试用。
 
华瑛公司拥有近 200 平方米、具有国内先进技术水平的超净化学实验室,配有世界一流的检测设备及实验室管理、质量保证和质量控制系统,支持新设备、新工艺和新配方的研发。公司下一步将会整合行业及国家、地方资源,加快动态薄层技术及设备在各个领域的应用步伐。力争在 1 年内产品进入国内集成电路制造市场,3 年内产品进入国际市场。
 
公司成立以来已申请国内、国外发明专利 70 项以上、应用新型专利 3 项和外观设计专利 5 项,拥有软件著作权 4 项。正在申请专利 5 项。
 
温子瑛女士告诉记者:“华瑛还是半导体设备制造业的一员新兵,我们还处在创业中,公司也有待于发展中。但从华瑛建立的那一天起,就把环境保护问题看作大问题,不是小问题。 华瑛坚持从人类、社会、国家及顾客的长远利益出发的理念,坚持把满足客户需求、降低客户生产成本、节省资源和保护环境贯穿在整个产品的功能设计及产品研发中。华瑛是这么说的,也是这么做的。”
 
我们衷心期待,华瑛微电子这颗太湖湖畔的明珠在中国半导体绿色制造的道路上能够越走越远,坚持原创,坚守绿色制造的初心,贯穿研发和生产始终,为半导体芯片制造提供运行可靠可重复、功能可灵活变通、低使用成本、且节能环保具有世界先进水平的晶圆表面湿处理设备。为提升中国半导体制造水平、促进半导体制造的绿色化和可持续性发展做贡献,造福子孙、造福千秋万代。
 
如温总说:是大事,非小事!
 
在美国航天城的温子瑛(1991 年,美国休斯顿)
 
温子瑛简历
 
一位“视事业为终身爱好”的女人,出生于广东一个化学世家,父亲为暨南大学化学系教授,子瑛毕业于中国地质大学化学系,承父业巾帼不让须眉。当“海归”一词称为流行词以后,子瑛成为了其中一员。当然她是有备而来,离开了工作多年待遇优厚的 Intel 实验室,带着她和团队八年自费研发的成果,有备而来。
 
子瑛在美国生活了 20 多年,拿到了绿卡和身份,可总觉得生活缺点儿什么,房子?No,金钱?No,家庭?子瑛在美国有一个让周围朋友羡慕的家庭:丈夫高大帅,女儿佼靓丽。她利用自己在 Intel 实验室工作的机会,观察到晶圆清洗,流失大量的水,心疼犹如自己的孩子。发明一种单圆片清洗机,既节约水资源,又能提高清洗效率。这就成了子瑛的发明梦想。为此,她辞掉了在 INTEL 的高薪工作,和几个志同道合的人开始了她的创业之旅。最终,子瑛的“8-12 英寸硅片单片清洗设备”项目落户无锡集成电路产业园,“华瑛微电子技术有限公司”落户太湖湖畔。子瑛也随之把自家的家搬到了那里。