晶圓清洗機作為半導體制造過程中的關鍵設備，其性能直接影響芯片的良率和可靠性。隨著半導體工藝節點的不斷縮小，對晶圓表面潔凈度的要求日益嚴苛，不同類型的晶圓清洗機應運而生，各自針對特定工藝需求設計。本文將系統分析濕法清洗機、干法清洗機、單晶圓清洗機與批式清洗機的技術差異及應用場景，并探討未來技術發展趨勢。
一、濕法清洗機與干法清洗機的本質區別
濕法清洗機采用化學溶液（如SC1、SC2、氫氟酸等）配合去離子水進行清洗，通過化學反應和物理沖刷去除顆粒、有機殘留及金屬污染物。其核心優勢在于對復雜污染物的廣譜去除能力，尤其是對金屬離子的溶解效果顯著。典型設備如RCA清洗系統，通過多槽體設計實現分步清洗，但存在化學廢液處理成本高、可能造成圖形結構側蝕等問題。目前濕法清洗仍占據市場70%以上份額，廣泛應用于90nm以上成熟制程。
干法清洗機則依賴等離子體、氣相化學或超臨界流體等非液相介質，代表性技術包括等離子灰化（去除光刻膠）和低溫氣相清洗（使用HF/H2O混合蒸汽）。以SUSS MicroTec的Supercritical CO2系統為例，其利用超臨界流體的高滲透性實現無損傷清洗，特別適合FinFET和GAA等三維結構。干法清洗的突出優勢在于無廢水排放、避免毛細效應導致的圖案倒塌，但對某些金屬污染物的去除效率較低，設備復雜度高，多用于28nm以下先進制程的關鍵清洗步驟。
二、單晶圓與批式清洗機的架構差異
單晶圓清洗機（Single Wafer）采用旋轉噴淋設計，如TEL的CELLESTA系列，每個反應腔獨立處理一片晶圓。其工藝控制精度可達±0.1°C溫度波動和±1%化學配比誤差，能實現納米級均勻性，特別適合HighK金屬柵極等敏感工藝。但產能相對較低（通常60120片/小時），設備占地面積大，主要被臺積電等高端產線用于7nm以下制程。
批式清洗機（Batch System）則采用FOUP載具一次處理2550片晶圓，如DNS的SU3000系列通過巧妙的晶圓籃設計實現高效傳質。其優勢在于單位成本低（約單晶圓設備的1/3）、產能高（可達300片/小時），但存在交叉污染風險和邊緣效應（Edge Exclusion可達3mm）。中芯國際等廠商在28nm以上制程仍大量采用批式系統，通過優化藥液循環系統將顆粒控制到<5個/片（0.1μm尺度）。
三、特殊功能機型的創新設計
針對特定工藝需求，混合式清洗機成為新趨勢。應用材料公司的Producer GTX結合了濕法預清洗與干法后處理，在3D NAND制造中可將氧化物殘留從1012 atoms/cm²降至109 atoms/cm²。而東京電子的Ultra C VI則集成兆聲波（950kHz）與雙流體噴霧技術，對EUV光刻膠的去除效率提升40%，同時將晶圓應力控制在0.1GPa以下。
邊緣清洗專用設備如Lam Research的EdgeBeam 300，采用局部等離子體束掃描，可將邊緣金屬污染從常規設備的1011 atoms/cm²量級降至108 atoms/cm²，使晶圓有效面積增加2%。這類設備雖單價超300萬美元，但在存儲芯片制造中已成為必備選項。
四、技術參數對比與選型要點
關鍵指標對比顯示：在顆粒去除率方面，濕法單晶圓設備可達99.9%（針對30nm顆粒），而干法批式系統通常為98.5%；金屬污染控制上，采用臭氧水的先進濕法系統能使鐵、銅等重金屬含量<5E9 atoms/cm²；兆聲波輔助設備可將納米線結構的損傷率從3%降至0.2%。
選型需綜合考慮：①制程節點（<7nm優先單晶圓系統）②產品類型（存儲芯片傾向批式，邏輯芯片多用單晶圓）③成本結構（批式設備綜合持有成本低30%）④廠房條件（干法系統需特殊排氣處理）。如長江存儲在其64層3D NAND產線就混用了DNS批式清洗機和TEL單晶圓設備。
五、未來技術發展方向
極紫外（EUV）時代催生新的清洗需求，電子束激發清洗技術（如ASML與Bruker合作開發的eBeam系統）能實現原子級選擇性去除。人工智能的引入也帶來變革，KLA的檢測閉環系統可實時調整清洗參數，使工藝窗口擴大15%。
綠色制造要求推動新型化學藥劑研發，IMEC開發的低溫（40°C）堿性清洗液可降低60%能耗。而自組裝單分子層（SAM）技術有望實現"零化學品消耗"的清洗模式，目前實驗室階段已證明對5nm以下節點的可行性。
從材料角度看，二維材料（如hBN）保護層的應用將改變清洗邏輯，可能需要全新的設備架構。東京大學與SCREEN聯合研發的石墨烯輔助清洗技術，已在實驗線實現300mm晶圓的零損傷處理。
晶圓清洗機的技術分化正隨著半導體工藝演進加速，未來將呈現"基礎清洗標準化、特殊工藝定制化"的格局。設備商需在模塊化設計（如AMAT的"LEAP"架構）與工藝knowhow積累之間找到平衡，而芯片制造商則要建立更精細的清洗策略矩陣，以應對異構集成時代的多維挑戰。
