【原创】晶圆干燥技术与设备

晶圆干燥技术与设备

半导体制造过程是通过一系列复杂步骤在晶圆衬底上精确产生极小的特征。对于任一半导体制造工艺过程，都不希望外来固体粒子（灰尘和烟雾）以及从先前工艺步骤留下的材料粘附在晶圆上造成缺陷，这些缺陷可能导致最终元件不可用或损坏。因此，在整个制造工艺过程中需要对晶圆进行必要的清洗和洁净化处理，尤其在ULSI的整个制备过程中，清洗工序达八十多次。晶圆经过清洗后，表面会残留很多水或清洗液的残留物，这些水或清洗液的残留物中溶有杂质，如果让这些残留液体自行蒸发干燥，这些杂质就会重新黏结在晶圆表面上，造成污染，为此，需要对晶圆表面进行干燥处理，以除去这些残留液体。干燥工序均被安排在湿处理工艺完成之后，干燥处理很大程度上决定了湿处理的结果。因此干燥处理是最重要的湿处理工序。

1  引言

干燥工艺必须能在因水蒸发而留下残留物之前，将水从晶圆表面去除掉。有三种基本的干燥机制：物理分离，如离心干燥；先用溶剂替换去离子水，然后再去除溶剂，如汽化干燥；蒸发，如慢提拉干燥技术。

2 离心干燥

离心干燥是利用晶圆高速旋转产生的离心力使液体从晶圆表面分离，然后残留的一个水的薄膜，在通过蒸发过程去除。通常有两种类型的设备：一种是批处理式，如旋转冲洗甩干设备；另一种单晶圆式，如单晶圆清洗干燥设备。

2.1旋转冲洗甩干设备

传统的旋转冲洗甩干设备是利用晶圆高速旋转产生的离心力使液体从晶圆表面分离，再利用热N2吹干表面，工艺过程为：DIW喷淋冲洗→旋转甩干→热N2烘干。该类设备主要用于前道工艺的裸片或外延片干燥，主要由密闭而洁净的腔体、低速和高速旋转下均能保持平稳运行的片架载体、高压静电消除器、电阻率检测、高纯管路等部分组成。

旋转冲洗甩干类设备的技术难点主要包括：

1）氮气密封晶圆片在冲洗甩干腔内时，要有一个密闭而洁净的环境空间，转轴处及门处的密封即隔离腔体与外界之间连接的通道是保证产生密闭而洁净的甩干环境的关键。

2）高压静电晶圆片在清洗甩干过程中，由于高压水喷射冲洗和高速旋转甩干的作用会在晶圆片表面产生静电，晶圆表面带静电一是容易形成颗粒吸附影响冲洗效果；二是产生的静电可能破坏高敏感度器件的性能。在清洗工作腔中形成电离化氮气允斥整个工作腔体以防止形成静电吸附是目前解决静电吸附问题的有效方法。

3）高速动平衡工作中片架载体以2000-3000r/min转速高速旋转，保持片架载体在低速和高速运行时的平稳性是保证晶圆甩干后无损伤的关键因素。以上关键技术是旋转冲洗甩干类设备甩干质量的重要保证。

随着300mm晶圆和90nm工艺时期的到来，高堆叠式和深沟槽式结构晶圆几何图形和结构几经达到了机械强度的极限，任何工序引入晶圆的机械应力必须减到最少或完全避免。这几乎决定结束了旋转式甩干机在未来先进领域的应用。

2.2 单晶圆清洗干燥设备

晶圆干燥与清洗相结合的设备形成单晶圆清洗干燥设备, 清洗工艺过程后利用晶圆高速自转产生的离心力使液体从晶圆表面分离，再利用安装在可移动摆臂上喷嘴喷热N2吹干表面，工艺过程为：清洗工艺→DIW喷水冲洗→旋转甩干→热N2吹干。该类设备主要用于大尺寸晶圆与腐蚀清洗干燥相结合工艺。设备主要由工艺腔、晶圆卡盘(吸盘)、安装有喷射各种溶液喷嘴的摆臂、旋转电机、高纯管路等部分组成。

单晶圆清洗干燥设备的技术难点主要包括：

1）工艺腔结构晶圆在工艺腔内时，要有一个相对密闭而洁净的环境空间，由于有各种工艺溶液，转轴处的密封。

2）气液温度流量控制技术晶圆在清洗干燥过程中，由于喷头喷射各种工艺溶液和气体，气液温度流量控制技术影响晶圆成品率。

单晶圆干燥的方式不仅保留了良好的干燥效果，还避免了多片干燥中的相互污染。

3 汽化干燥

汽化干燥设备常使用的溶剂是异丙醇(IPA)，IPA汽化干燥是利用IPA的低表面张力和易挥发的特性，取代硅片表面的具有较高表面张力的水分，然后用热氮气吹干，达到彻底干燥晶圆表面水膜的目的。其工艺过程为：DIW喷淋→通入IPA与热N2混合蒸汽→热N2置换空间的IPA残余气体。异丙醇蒸汽干燥设备结构主要由反应腔、蒸汽发生器、废液处理槽、冷却管路等部分组成。

IPA汽化干燥设备的技术难点主要包括：

a IPA与热N2混合气体的洁净度，IPA蒸气干燥是利用IPA蒸汽代替晶圆表面水膜，再利用IPA蒸汽的高挥发性使晶圆表面干燥，IPA与热N2混合气体在进入反应腔之前需要经由过滤器过滤，而过滤方式及过滤精度的选择决定了IPA与热N2混合气体在晶圆烘干过程中引入新的污染颗粒的多少。因此，IPA与热N2混合气体的洁净度是影响干燥后晶圆表面颗粒度的关键因素之一。

b 反应腔中IPA与热N2混合气体的流量控制，IPA与热N2混合气体流量大小与晶圆表面亲水性质有关，不同的表面亲水性质的晶圆要达到理想的干燥效果需配合不同的IPA/N2流量。

c 反应腔中IPA与热N2混合气体的流量大小的控制。这样才能达到即节约能源又避免晶圆烘干后表面产生水痕等缺陷的效果；不过IPA汽化干燥技术中所使用的高温异丙醇存在安全隐患，因此这种干燥技术需要配备昂贵的柜式灭火系统，不是所有生产现场都能接受这样的工艺。另外高化学药品消耗，特别是在IPA再回收和去离子水中有机碳量去除增加了客户的成本。

4 慢提拉干燥技术

慢提拉干燥技术是基于水的表面张力和毛细作用设计的干燥系统，常使用的溶剂是异丙醇(IPA)，利用IPA/N2干燥的方式称为Marangoni表面张力梯度干燥，Marangoni表面张力梯度干燥是将浸泡在水浴中的晶圆以一定速度升出水浴液面的同时将N2通入IPA 液体并以鼓泡形式穿出液体层，将夹带有有机蒸汽的N2流喷射到晶圆表面上，靠Marangoni效应产生的表面张力梯度，使晶圆表面的水膜被剥离除去，得到表面干燥而超洁净的晶圆。 IPA/N2的气流产生一种表面张力梯度从而使得芯片上的水从其表面流入水中。这一内部流动进一步加强了芯片去水的效果。在实际设备中，可通过排水和将晶圆托出水面两种方式实现水与晶圆的相对运动。排水方式的表面张力干燥设备结构如图5所示，主要有溢流槽、IPA贮存罐、排水流量控制器等部分组成。

该类设备的技术难点主要有：

a IPA/N2混合气体流量，IPA/N2混合气体流量与晶圆面积、晶圆表面亲水性质等因素有关，选用合理的IPA/N2混合气体流量能够有效避免晶圆干燥后产生水痕缺陷；

b 芯片与水脱离的相对速度，芯片与水脱离过程中芯片的脱离面积是由小增大再减小的一个过程，因此芯片与水脱离的相对速度不能采用恒速或线性速比，需要根据表面面积的变化和表面亲疏水性质采用二段式或曲线式速比；

c IPA/N2混合气体的洁净度控制技术；以上参数的合理匹配是产生洁净干燥晶圆表面的关键。

5 四十五所晶圆干燥设备

四十五所数十年来一直致力于半导体专用设备的研究和开发，在半导体清洗和干燥工艺和设备领域处于国内领先水平，目前在各种晶圆干燥技术方面均积累了大量经验。

5.1旋转冲洗甩干机

四十五所作为国内第一家推出旋转冲洗甩干机的厂商，以优良的产品性能和周到的售后服务，17年来向市场累计销售3000多台设备，市占率稳居国内第一名。现以形成1150、2150、1200、1300等多个系列，C、D、E、S等多个型号的产品，全面覆盖IC集成电路、LED芯片制造、半导体材料加工、分立器件等行业，以及各个工艺段的晶圆干燥工艺。

5.2单晶圆清洗干燥设备

        单晶圆湿法处理设备作为四十五所重点发展的产品，近几年取得了很大的进展，已经向市场推出金属膜剥离清洗干燥设备、晶圆背面化学减薄清洗干燥设备、光刻版清洗干燥设备、晶圆双面腐蚀清洗干燥设备等。

5.3IPA脱水干燥单元

        四十五所研制了具有完全自主知识产权的IPA脱水单元，其结构有效解决了超薄片干燥时的碎片问题、非标准晶圆片的干燥问题、高温氮气安全可靠输送问题等。

5.4Marangoni干燥单元

四十五所开发研制了行业内较高标准和规格的Marangoni干燥单元，并成功应用于高要求的全自动RCA清洗设备中。Marangoni干燥单元在8英寸和12英寸等大直径晶圆、高颗粒度要求的超薄片等干燥工艺中具有非常明显的优势。

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6 结论

   随着晶圆尺寸的不断扩大，半导体工艺由亚微米、深亚微米向纳米的不断发展，晶圆干燥技术要求越来越高，目前根据工艺要求的不同，上述几种干燥方式各有优缺点，用于不同的工艺过程。