兆声波清洗 (megasonic cleaning) 是在清洗液中引入兆赫兹量级的高频声场，借助声场在液体中产生的定向流动和微小气泡振荡，把附着在晶圆表面的亚微米乃至纳米级颗粒剥离下来的非接触式物理清洗 (non-contact physical cleaning)技术。它通常与稀释的 SC-1 等化学清洗液配合使用，是前道湿法清洗、化学机械抛光 (CMP) 后清洗以及先进封装键合前清洗中去除颗粒的主力手段。

它和实验室里常见的超声波清洗 (ultrasonic cleaning) 原理同源，区别在于频率：超声波清洗一般工作在 20～350 kHz，兆声波清洗工作在约 0.5～2 MHz，工业上最常用的是 1 MHz 附近。频率提高了几十倍，带来的不只是"更细"，而是主导清洗的物理机制发生了改变——这是理解兆声清洗的关键。

兆声清洗的起点可以追溯到 RCA 公司：1974 年，Alfred Mayer 与 Stanley Shwartzman 申请了名为"Megasonic cleaning system"的美国专利（US 3,893,869，1975 年授权），系统工作在 1 MHz 附近，换能器发出的声束平行于晶圆表面传播。1980 年，同属 RCA 的 William Hall 又申请了兆声射流清洗专利（US 4,326,553），把声能经锥形喷嘴聚焦到旋转的单片晶圆上——今天槽式与单片式两大设备路线的雏形，在那时就都已出现。

图 1　一台实验室用超声波清洗器（Bandelin Sonorex，1970 年代末至 1980 年代初产品）：左为不锈钢清洗槽，换能器贴在槽底，右为电源与定时器。兆声清洗与它原理同源，但频率高出数十倍，作用机制也随之改变；图为超声设备，并非半导体兆声清洗设备。

1. 难点：颗粒越小，越难洗

颗粒附着在晶圆表面主要靠范德华力 (van der Waals force)，其大小与颗粒半径 R 近似成正比；而流体能施加在颗粒上的拖曳力 (drag force) 既与半径有关，又与颗粒所处位置的流速有关——贴近壁面的流速本身也随高度线性减小，最终拖曳力近似与 R² 成正比。两者相比，"去除力 / 附着力"的比值与 R 成正比：颗粒尺寸缩小十倍，清洗难度大约放大十倍。这就是为什么常规喷淋冲洗对微米级颗粒有效，对 100 nm 以下的颗粒却几乎无能为力。

2. 机制一：声学边界层被"压薄"

任何流体流过固体表面，都会在紧贴表面处形成一层流速很低的边界层 (boundary layer)。小颗粒如果整个"躲"在边界层里，外面的流动再快也碰不到它。振荡流场中的声学边界层厚度 δ 由流体运动黏度 ν 和角频率 ω 决定：

δ = √(2ν / ω)

以水 (ν ≈ 1×10⁻⁶ m²/s) 计算：40 kHz 时 δ ≈ 2.8 µm，1 MHz 时 δ ≈ 0.56 µm，2 MHz 时约 0.4 µm。也就是说，频率从超声提高到兆声，边界层薄了五倍左右，原本被"屏蔽"的亚微米颗粒第一次暴露在流场中，新鲜化学液也能更快地进出颗粒与表面之间的缝隙。

3. 机制二：声流 (acoustic streaming)

声波在液体中传播时会被逐渐吸收，被吸收的声动量转化为液体的定向宏观流动，这就是声流。兆声场中的声流包括三种尺度：沿声束方向的体相声流 (Eckart streaming)，贴近壁面、发生在边界层内部的 Schlichting 流，以及围绕振荡气泡产生的微声流 (microstreaming)。声流速度随声强和频率线性增加、随离声源距离增大而衰减。它们共同在晶圆表面产生持续的剪切力，把松动的颗粒推离表面并带走。

4. 机制三：空化 (cavitation)——既是功臣，也是祸首

声波的稀疏相 (rarefaction) 会让局部压力瞬间降低，液体中溶解的气体或蒸气在此析出形成微气泡，气泡随声压周期性地膨胀与压缩，这就是空化。空化有两种截然不同的形态：

● 稳态空化 (stable cavitation)：气泡在平衡半径附近反复振荡而不破裂，周围产生微声流，对表面的作用温和，是兆声清洗想要的状态。

● 瞬态空化 / 惯性空化 (transient / inertial cavitation)：气泡在数个周期内长大到临界尺寸后剧烈内爆 (implosion)，泡内局部温度可达数千摄氏度，并释放冲击波和指向壁面的微射流 (micro-jet)——它清洗力极强，但也正是图形损伤和表面点蚀的主要来源。

频率决定了气泡能长多大。按 Minnaert 共振关系，水中空气泡的共振半径与频率的乘积约为 3.26 m/s：40 kHz 时共振半径约 82 µm，1 MHz 时只有约 3.3 µm，2 MHz 时约 1.6 µm。气泡越小，储存的能量越少，内爆也越温和——这才是兆声比超声"温和"的物理本质，而不只是"频率高、振幅小"这么简单。

图 2　空化气泡内爆的极端条件。左：空化"热点 (hot spot)"示意，气泡剧烈压缩时形成高温核心与较冷的外壳；右：单泡声致发光 (sonoluminescence) 实验照片，烧瓶中央的亮点就是在驻波声场中被囚禁、反复内爆并发光的单个气泡。它们直观说明了瞬态空化为什么既能"撬"下颗粒，也能损伤图形。两图均为声空化的通用物理示意，非晶圆清洗现场。

一句话概括三种机制的分工：边界层变薄让小颗粒"露出来"，声流负责持续"推走"，空化负责局部"撬松"。三者缺一不可，但其中只有空化具有破坏性——所以兆声清洗工艺开发的核心，从来都不是把能量加到最大，而是把空化控制在"刚好够用"的程度。

单靠声能很难把颗粒彻底"拔"下来，兆声几乎总是与碱性的 SC-1 清洗液 (standard clean 1，即氨水—双氧水—水混合液，NH₄OH/H₂O₂/H₂O，也称 APM) 配合，三种作用缺一不可：

● 化学底切 (undercut)：H₂O₂ 不断把硅表面氧化成一薄层 SiO₂，NH₄OH 又以很慢的速率把这层氧化物刻蚀掉，相当于把颗粒脚下的"地基"挖掉一层，大幅削弱附着力。

● 静电排斥：在高 pH 溶液中，晶圆表面和绝大多数颗粒的 ζ 电位 (zeta potential) 都为负值，同种电荷相互排斥，被剥离的颗粒不容易再粘回去。

● 兆声提供动量：颗粒被底切松动之后，由声流与稳态空化把它推离表面并带出边界层。

Kern 与 Puotinen 在 1970 年提出的经典 RCA 配比是 1:1:5、75～80 °C。引入兆声之后，化学液可以大幅稀释、温度也可以降低，因为"撬"颗粒的任务很大一部分交给了声场，从而减少硅的刻蚀损失和表面粗糙化——这对栅氧化层前清洗和超薄薄膜尤为重要。在对硅损失极为敏感的场合，还会改用溶氢水 (hydrogen-dissolved DIW)、超稀氨水或臭氧水 (DIO₃) 等"功能水"配合兆声使用。

1. 槽式 (batch) 兆声

压电换能器 (piezoelectric transducer，通常为锆钛酸铅 PZT 陶瓷) 贴在清洗槽底部的石英或不锈钢底板上，声束向上传播、与竖直插在片架中的晶圆表面平行——这正是 RCA 原始专利的几何构型。一槽可同时处理 25 或 50 片，产能高、成本低，但存在三个固有问题：槽内驻波 (standing wave) 造成声强周期性起伏、片架与相邻晶圆形成声"阴影"、从一片上洗下的颗粒可能污染同槽其他晶圆。单槽处理时间一般在 10～20 min 量级，向 300 mm 晶圆扩展时声场均匀性也更难保证。

图 3　槽式湿法处理的典型形态。左：丹麦技术大学 Danchip 洁净室的湿法工作台，槽位上方标签可见 "RCA 1: H₂O₂ + NH₄OH + H₂O"（即 SC-1）与 "RCA 2"，晶圆连同片架整体浸入槽中；右：8 英寸晶圆片架 (cassette)，晶圆竖直平行插放。槽式兆声即在此类槽的底部加装换能器，声束沿晶圆表面方向传播。

2. 单片式 (single-wafer) 兆声

先进节点与先进封装几乎全面转向单片式：晶圆在卡盘上旋转，化学液从上方喷淋，兆声换能器以不同方式把声能耦合到液膜中，单片清洗周期可缩短到一分钟以内。主要的耦合方式有三类：

● 石英棒式 (quartz rod)：一根水平石英棒悬于旋转晶圆上方，经棒与晶圆之间的液膜弯月面 (meniscus) 把声能传入，声波还能穿透晶圆实现背面清洗。早期 Verteq 公司的单片设备即采用此结构，晶圆以约 20 rpm 低速旋转，配合 0.6 % 稀氨水、60 °C 进行颗粒去除。

● 喷嘴 / 射流式 (megasonic nozzle / jet)：换能器装在喷嘴内，声能随液柱聚焦到晶圆的一个小区域，功率密度高、清洗力强，但也最容易造成损伤，需要严格控制能量的强度与均匀性。

● 扇形或大面积平板式：换能器做成扇形或条形覆盖晶圆半径，配合晶圆旋转，使每一点接受的累计声剂量沿半径方向尽量均匀。

无论哪种形式，一台兆声模块的关键部件都包括压电换能器、射频功率源与阻抗匹配网络、反射功率监测，以及越来越重要的溶解气体控制单元（脱气或按设定浓度注入气体）。

当线宽缩到几十纳米、深宽比 (aspect ratio) 越来越大时，多晶硅栅线、FinFET 鳍片、高深宽比电容结构的机械强度急剧下降，瞬态空化内爆产生的微射流足以把它们折断、推倒或剥离。清洗效率与图形损伤，本质上来自同一个空化过程的两面，这也是 2010 年代以后不少产线一度用无兆声的二流体喷雾 (two-fluid spray) 取代兆声的原因。

近年的解决思路是"控制空化而不是消灭空化"。代表性的方案之一来自盛美半导体 (ACM Research) 的 TEBO 技术 (Timely Energized Bubble Oscillation)：气泡每被压缩一次温度就升高一些，在泡内温度达到内爆温度之前及时关断声能，让气泡冷却，再重新施加——用"间歇供能"把空化稳定在不内爆的状态。该公司与华力微电子在 UCPSS 2018 上报告，在线宽 28 nm、深宽比 1:5 的多晶硅栅图形上，多数 TEBO 模式在 30～50 W 下均未产生图形损伤，只有最激进的模式在 50 W 时出现线条剥落；作者据此认为损伤主要来自空化导致的气泡内爆。该公司另一项 SAPS (Space Alternated Phase Shift) 技术，则是在晶圆旋转的同时移动或倾斜换能器，使换能器与晶圆之间液膜中的兆声波相位交替变化，让包括翘曲晶圆在内的每一点都获得较均匀的声能，主要面向随机缺陷与颗粒的去除。

图 4　空化侵蚀 (cavitation erosion) 的宏观实例：一只水上摩托螺旋桨的叶片外缘被反复内爆的空化气泡"啃"出成片麻点，而外缘正是线速度最高、空化最强的部位。这是水力空化而非声空化，但气泡内爆冲击固体表面的机理相同——放到纳米尺度，同样的冲击就足以折断几十纳米宽的栅线。

其他常用手段还包括：降低功率或采用脉冲调制、提高工作频率、精确控制溶解气体种类与浓度、添加表面活性剂，以及在工艺开发阶段用带图形的测试片专门建立"PRE—损伤"二维工艺窗口。

清洗效果用颗粒去除效率 (particle removal efficiency, PRE)，即清洗前后颗粒数之差占清洗前颗粒数的百分比来衡量；另一个对应指标是图形损伤 (pattern damage, PD)。几乎每个参数都同时牵动这两项：

溶解气体的影响值得单独强调。Sahoo 等人 2021 年在 Ultrasonics Sonochemistry 上的研究（0.83 MHz，Si₃N₄ 颗粒约 350 nm，多晶硅线宽 70 nm、高 250 nm）给出了一组很能说明问题的数据：纯去离子水中 PRE 仅 43 %，损伤率却高达 51 %；把溶解氢提高到 0.8 ppm，PRE 升到约 71 %，损伤率也升到 65 %；再加入 20 ppm 表面活性剂十二烷基硫酸钠 (SDS)，PRE 进一步升到 82 %，而 SDS 浓度增至 100 ppm 时损伤率可降到 20 % 以下。作者的解释是，表面活性剂吸附在气泡表面，抑制了气泡合并与瞬态空化，使空化更多地以小气泡的稳态形式存在。

兆声清洗并不只属于前道。随着封装进入微米乃至亚微米互连时代，它在后道的用武之地越来越多：

● 混合键合 (hybrid bonding) 前清洗：铜—介质直接键合对颗粒零容忍，一颗百纳米级颗粒就可能在键合界面撑出一圈远大于自身的未键合空洞 (void)，兆声清洗是键合前去除颗粒的标准手段之一。

● CMP 后清洗：晶圆级封装中的铜/介质平坦化、TSV 露头 (TSV reveal) 后都会留下研磨颗粒与浆料残留。

● 减薄与切割后清洗：去除硅屑和研磨残留；但薄晶圆、带悬空结构的 MEMS 对声场更敏感，需降低功率并优化支撑方式。

● 光掩模清洗：尤其是 EUV 掩模，对颗粒与吸收层损伤都极其敏感，兆声的均匀性和损伤控制是掩模清洗设备的核心指标。

兆声模块供应商 ProSys 在其 MegPie 产品资料中列出的应用，就同时包括前后道颗粒去除、CMP 后清洗、掩模清洗、键合前清洗、切割后清洗和 MEMS 清洗，并宣称对 19 nm 以上颗粒 PRE 可达 98 % 以上。

● 先建立"PRE—损伤"二维窗口：用标准颗粒（如 PSL 或 Si₃N₄）污染的光片测 PRE，用带最脆弱图形的测试片测损伤，从低功率起步逐级上调。

● 把溶解气体当成一级工艺参数来管理：明确气体种类与浓度，并在设备端在线监测，而不是只看功率设定值。

● 持续监控反射功率与换能器状态：反射功率异常往往意味着液膜断裂、夹带气泡或换能器老化，此时实际传入的声能已与设定值不符。

● 关注径向均匀性：单片设备的晶圆中心与边缘线速度不同、声剂量不同，颗粒分布图 (defect map) 上的环状或中心聚集图案往往就是信号。

● 化学液与声场一起优化：降低 SC-1 浓度和温度可减少硅损失，但需要相应补偿声能或时间，两者不应分开调。

一句话总结：兆声清洗的全部工程智慧，可以浓缩为一句话——用更高的频率把边界层压薄、把气泡变小，用化学液把颗粒底切松动，再把空化稳稳地控制在"只振荡、不内爆"的区间里。频率、功率、气体和化学液，每一个旋钮都同时拧动着清洗效率和损伤风险。