先进封装的“清道夫”：气体干法清洗技术的应用

随着摩尔定律的持续演进，半导体行业正迈入“超越摩尔”的时代，先进封装技术如2.5D/3D集成、扇出型晶圆级封装（FOWLP）和系统级封装（SiP）已成为提升芯片性能、功耗和集成度的关键。然而，这些日趋复杂的三维结构和微缩尺寸，也给制造过程中的清洗环节带来了前所未有的挑战。传统的湿法化学清洗面临着液体渗透性差、易损伤精细结构、化学残留以及环境污染等诸多瓶颈。

在此背景下，以气体为介质的干法清洗工艺应运而生，并迅速发展成为先进封装领域不可或缺的核心技术。它如同一场在微观世界进行的“精准干洗”，凭借其无损、高效和环保的特性，为延续芯片微缩的传奇铺平了道路。

为何先进封装“青睐”干法清洗？

先进封装的结构特点，如高深宽比的硅通孔（TSV）、密集的倒装焊球（Bumps）以及脆弱的低介电常数（low-k）材料，使得传统的湿法清洗“力不从心”：

• 结构坍塌风险：液体的表面张力在高深宽比结构中极易导致精细的图形发生坍塌。

• 清洗死角：液体难以渗透到微米甚至纳米级别的复杂空隙中，导致焊盘、通孔底部的残留物（如助焊剂、刻蚀聚合物）无法被有效去除。

• 材料兼容性差：化学清洗液可能腐蚀敏感的金属焊盘或损伤low-k等高分子材料。

• 环境与成本压力：湿法工艺消耗大量高纯水和化学品，后续的废水处理也带来了高昂的成本和环境负担。

干法清洗技术不依赖液体介质，而是利用气体或气态衍生物种与污染物进行物理或化学作用，从根本上规避了上述难题，展现出卓越的优势。

主流气体辅助干法清洗工艺及其发展

目前，在先进封装领域，主流的气体辅助干法清洗工艺主要包括等离子体清洗、二氧化碳（CO₂）雪清洗以及超临界CO₂清洗。

1. 等离子体清洗 (Plasma Cleaning)：功能最多样的“全能选手”

等离子体清洗是目前应用最广泛的干法清洗技术。其原理是在真空环境下，通过射频（RF）或微波能量将工艺气体激发成由离子、电子和高活性自由基组成的等离子体。这些活性粒子通过多种机制协同作用，实现对晶圆表面的清洁和改性。

• 发展与演进：

• 化学主导的清洗：早期的等离子体清洗主要利用**氧气（O₂）**等离子体产生氧自由基，通过化学反应将光刻胶、助焊剂等有机污染物氧化成CO2和H2O等挥发性物质而被去除。这种方法效率高，应用广泛。

• 物理与化学协同：随着封装结构日益复杂，单纯的化学反应已不足以应对。引入**氩气（Ar）**等惰性气体，利用其离子在电场下的物理轰击作用（Sputtering），可以有效去除金属表面的氧化层和无机残留物。Ar离子轰击还能打断顽固污染物的化学键，辅助化学反应的进行。

• 还原性气体清洗：在倒装焊和混合键合（Hybrid Bonding）工艺中，铜（Cu）焊盘表面的氧化层是实现高质量互连的“天敌”。为此，**氢气（H₂）或氢气/氮气（H₂/N₂）混合气（Forming Gas）*等离子体被引入。氢自由基能够将金属氧化物还原成金属单质和水蒸气，从而在不损伤金属本身的情况下，实现焊盘的无氧化物“激活”，为后续的键合提供理想的表面条件。 $$CuO + 2H^ \rightarrow Cu + H_2O \uparrow$$

• 精细化控制：现代等离子体清洗设备能够实现对气体流量、能量、压力和时间的精确控制，甚至采用脉冲气体注入等方式，针对不同的污染物和封装结构，定制“清洗配方”，在保证去除效率的同时，最大限度地减少对基底的损伤。

2. 二氧化碳雪清洗 (CO₂ Snow Cleaning)：温和高效的“物理擦洗”

CO₂雪清洗是一种利用动量传递原理的物理清洗技术。高压液态CO₂通过特殊喷嘴喷射时，会迅速膨胀并凝结成细小的干冰颗粒（即“雪花”），这些颗粒高速撞击晶圆表面。

• 发展与演进：

• 颗粒物去除：CO₂雪花在撞击污染物颗粒时，将其动量传递给颗粒，使其脱离表面。同时，CO₂颗粒在撞击后会瞬间升华成气体，产生的体积膨胀效应能进一步“吹走”污染物，且自身不留下任何残留。该技术对去除后道切割、研磨等工序产生的微粒污染极为有效。

• 有机薄膜去除：除了物理撞击，低温的CO₂雪花还能冻结并脆化表面的有机薄膜污染物，使其更容易在冲击下破碎并被剥离。

• 应用拓展：随着对敏感器件（如MEMS、光学元件）清洗需求的增加，CO₂雪清洗凭借其低温、无化学反应、不产生表面电荷的温和特性，应用场景不断拓宽，特别适用于去除那些既不能“湿洗”也不耐等离子体轰击的敏感结构表面的污染物。

3. 超临界二氧化碳清洗 (Supercritical CO₂ Cleaning)：无孔不入的“终极溶剂”

当温度和压力超过临界点（31.1°C, 7.38 MPa）时，CO₂会进入超临界状态。超临界CO₂流体兼具液体的溶解能力和气体的低粘度、高渗透性，使其成为一种近乎完美的“绿色溶剂”。

• 发展与演进：

• 深层渗透清洗：对于3D堆叠芯片中极度复杂的深槽和窄缝，超临界CO₂凭借其“无孔不入”的特性，能够轻松渗透并溶解内部的助焊剂、有机粘合剂等残留物。

• 协同清洗：为了增强其清洗能力，通常会在超临界CO₂中加入少量的助溶剂（Co-solvent），以溶解特定种类的污染物。清洗完成后，通过降压使CO₂恢复气态，即可轻松去除，无任何液体残留。

• 未来潜力：尽管设备成本较高，但超临界CO₂清洗在去除光刻胶、清洗高深宽比结构以及在混合键合前进行最终清洗等方面展现出巨大潜力，被视为应对未来更小尺寸、更复杂封装结构挑战的终极解决方案之一。

从功能多样的等离子体清洗，到温和高效的CO₂雪清洗，再到具备终极渗透能力的超临界CO₂清洗，气体辅助干法清洗技术的发展，始终紧密围绕着先进封装对“更精细、更洁净、更无损”的极致追求。

未来，随着芯片封装向异构集成和更高密度发展，单一的清洗技术可能难以满足所有需求。混合式干法清洗工艺（如等离子体与CO₂雪清洗的结合）以及与原子层沉积（ALD）等技术集成的**原位清洗（In-situ Cleaning）**将成为重要发展方向。气体辅助干法清洗技术的持续创新，将继续作为支撑先进封装技术不断前行的关键基石，为高性能计算、人工智能和物联网时代的到来提供坚实的制造保障。