晶圓清洗是什麼？為什麼要洗那麼多次

晶圓清洗，就是在做晶片的步驟之間，用藥液把晶圓表面看不見的髒東西洗掉，再用超純水沖乾淨、弄乾。要洗掉的有四種：小顆粒、有機物、金屬，還有矽在空氣裡自己長出來的一層很薄的氧化層。晶片是一層一層疊出來的，每做一步都會留下一點東西，下一步又最怕表面不乾淨，所以幾乎每一大步的前後都要洗。清洗也因此是整條流程裡重複次數最多的步驟之一。廠裡多半叫它「濕式清洗」，英文是 wafer cleaning 或 wet clean。

晶圓上到底有什麼要洗？

晶圓看起來亮得像鏡子，表面卻常常不乾淨。要洗掉的大概是這四種：

• 顆粒：灰塵、機台零件磨下來的碎屑、研磨留下的細粒。晶片上最細的線只有幾十奈米，甚至更細，一顆微粒落上去，線就可能斷掉，或讓兩條線連在一起。空氣裡的微粒靠無塵室擋（見「無塵室有多乾淨？」），可是晶圓進出機台、泡藥液，還是會沾上。
• 有機物：光阻留下的殘渣、空氣裡微量的有機氣體。表面多了一層看不見的薄膜，下一層就長不好、黏不牢。
• 金屬：鐵、銅這類，可能來自藥液或機台零件。留在表面，很薄的絕緣層會變得不耐電；遇到高溫鑽進矽裡，電晶體就容易漏電。
• 自然氧化層：矽碰到空氣和水，表面會自己長出一層只有幾層原子厚的氧化層。有些步驟留著它當保護；有些步驟要先把它拿掉，讓下一層直接接在乾淨的矽上。

為什麼幾乎每一步前後都要洗？

每一步都會留下東西，下一步又各有各怕的事：

• 蝕刻和去光阻之後：刻下來的殘渣、沒去乾淨的光阻，不能帶到下一站（蝕刻怎麼刻，見「蝕刻是什麼？乾蝕刻和濕蝕刻差在哪」）。
• CMP 磨完之後：研磨液裡滿是細小的磨粒，磨完一定要洗（見「CMP 是什麼？」）。
• 進爐管之前：表面的金屬和有機物，會被高溫一起「烤」進去，長出來的氧化層品質就差。所以進爐管這類高溫步驟之前，一定要洗得很完整（見「爐管在做什麼？」）。
• 長薄膜之前：表面不乾淨，新的膜就長不均勻。

晶片要疊幾十層，每一層都要在好幾個區之間繞一圈（見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」）。一片晶圓做完之前，要進清洗機很多很多次。

洗完也不能放太久。乾淨的矽放在空氣裡，氧化層會慢慢長回來，也會吸附空氣裡的東西。所以清洗和下一站之間常有時間上限，叫 Q-time（見「Q-time 是什麼？為什麼晶圓不能放太久」）。

用什麼洗？一套常見的標準流程

就像洗衣服，油漬和鐵鏽要用不同的東西洗，晶圓也一樣。最常見的一套標準濕式清洗，幾十年前就訂下來，到今天還是很多配方的基礎。順序是：先去有機物和顆粒，再去金屬。

1. 第一道，鹼性的藥液：氨水、過氧化氫（就是雙氧水）和水，加熱使用。過氧化氫是氧化劑，把有機物分解掉；表面同時被很輕地吃掉一點，黏在上面的顆粒跟著鬆開、被帶走。
2. 用超純水沖，把第一道的藥液沖乾淨。
3. 第二道，酸性的藥液：鹽酸、過氧化氫和水，把表面的金屬溶掉、帶走。
4. 再用超純水沖，最後弄乾。

要拿掉自然氧化層時，會再加一道很稀的氫氟酸。光阻這種比較厚的有機物，常先用硫酸加過氧化氫這種很強的氧化劑處理。廠裡常把前面那兩道藥液叫 SC-1、SC-2。

一槽一槽泡，還是一片一片噴？

• 批次式：一整批晶圓一起，一槽一槽依序泡下去：藥液槽、沖水槽、下一個藥液槽……最後弄乾。一次洗很多片，產量大。缺點是同一槽藥液要洗很多批，洗下來的東西有一部分留在槽裡，有的又黏回晶圓上，所以洗到一定的批數就要整槽換。
• 單片式：一次只洗一片。晶圓在一個密閉的小空間裡轉，噴嘴把藥液和超純水噴在表面，最後高速甩乾。前一片洗下來的東西，不容易帶到下一片，條件也好控制；代價是一次只洗一片，要更多台機器。

兩種在廠裡都有，看那一步最在意的是什麼。不管哪一種，最後都是用超純水沖、再弄乾：水裡有什麼，就可能留在晶圓上，所以要用幾乎只剩水分子的水（見「超純水有多純？為什麼晶圓廠很耗水」）。水沒有乾得均勻，還會留下一圈一圈的水痕。

濃度、溫度、時間，為什麼都要管？

藥液洗的力道，看三件事：多濃、多熱、泡多久。濃一點、熱一點、泡久一點，力道比較強，表面也被吃掉比較多。

麻煩的是，藥液自己會變。加熱的槽裡，過氧化氫會慢慢分解，氨會一點一點跑掉；洗過的批數越多，槽裡的髒東西也越多。所以濃度、溫度、浸泡時間都寫進 Recipe，機台照著跑；藥液定時補，到了次數就整槽換；再定時跑監控片，量洗掉了多少、洗完多了幾顆微粒，看機台有沒有在變。

洗太久，也會傷晶圓嗎？

會。清洗多半也是一種很輕的蝕刻：藥液拿掉髒東西的時候，表面也會被吃掉一點點。泡太久、藥液太強，就可能把底下不該動的那一層吃薄，或把矽的表面弄粗糙。吃掉的，放不回去。

一次只吃掉一點點，可是一片晶圓要洗很多次，線又越做越細，加起來就得算。所以清洗要的不是越久越好，而是剛好：髒東西拿掉，底下最好一點都不動。這也是它和濕蝕刻不一樣的地方：兩個都泡藥液，濕蝕刻要拿掉一層材料，清洗只想拿掉髒東西。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」、左右滑到製程工程師，名字下面再點「清洗」，就是清洗製程工程師。你顧的是 WET-05 這一排槽，洗要進爐管和 CMP 磨完的貨。四個班：

• 深夜班「撐不到十點」：你在家 on-call。爐管 FURN-02 半夜跳機，昨晚洗完的兩批 Q-time 只有四個小時，要改走另一座爐管，還是等天亮重洗；三點多，WET-05 的槽液也到了該換的次數。
• 早班「往上爬的顆粒」：洗完的顆粒數一路往上爬，要現在停機處理，還是先把浸泡時間加長撐著。
• 午班「看不到的金屬」：表面看起來乾淨，金屬卻偏高；傍晚那一爐整爐一起進，要先擋下來、重洗多加一道去金屬的藥液，還是照原本的配方。
• 晚班「比較強的槽液」：新換的槽液比較強，早上加長的浸泡時間要改回來；CMP 還送來幾片露出金屬線的濕片，要決定怎麼洗。

滑到設備工程師再點「清洗」，顧的是 WET-05 的硬體；研發線也有清洗的位子。遊戲裡的廠、人物、機台編號和時間都是虛構的；清洗要洗掉什麼、為什麼要管濃度、溫度和時間，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。