清洗和干燥是***個(gè)幾乎所有工藝都會(huì)涉及的處理單元。對這些設(shè)備的要求是能夠處理多樣的清洗任務(wù)，并具有高吞吐量。下面先來看看清洗和干燥設(shè)備的概況。

清洗設(shè)備的要素

清洗設(shè)備所必需的構(gòu)成要素見下圖，總結(jié)如下：

清洗和干燥設(shè)備的構(gòu)成要素--單槽式的批量清洗設(shè)備的例子

① 處理系統(tǒng): 化學(xué)槽、沖洗槽、干燥階段(圖中為 Dry)→批量式的情況。噴淋和旋轉(zhuǎn)等階段→單片式的情況。

② 供給系統(tǒng): 化學(xué)品和純水供應(yīng)設(shè)備、干燥空氣供給設(shè)備等。

③ 控制系統(tǒng): 控制化學(xué)品濃度、溫度、顆粒等。

④ 搬運(yùn)系統(tǒng): 用于搬運(yùn)晶圓、晶圓載具、無載具搬運(yùn)等。

⑤ 其他系統(tǒng): 空調(diào)系統(tǒng)等。

清洗設(shè)備的構(gòu)成要素和其他工藝中的制造設(shè)備的比較

清洗和干燥設(shè)備的要素

與需要真空系統(tǒng)和氣體供應(yīng)系統(tǒng)的成膜裝置相比，清洗設(shè)備的門檻比較低，所以會(huì)有很多制造商參與其中。在半導(dǎo)體行業(yè)的早期，清洗過程完全是手工操作，使用燒杯和化學(xué)品進(jìn)行灌注，在水洗后，用氮?dú)膺M(jìn)行吹風(fēng)干燥。之后才進(jìn)入清洗設(shè)備內(nèi)置的時(shí)代。隨著晶圓的直徑越來越大，對自動(dòng)化的需求導(dǎo)致設(shè)備制造商開始提供清洗設(shè)備(盡管也有***部分半導(dǎo)體制造商開始自己制造)。隨著對清洗的附加價(jià)值(如單槽)、高性能和新功能(如單片、干燥)的需求變得明顯，設(shè)備制造商也成為主流供應(yīng)商。特別是向300mm 制程過渡，就意味著晶圓搬運(yùn)和清洗工藝的自動(dòng)化已不可避免，這種情況下就必然依靠專業(yè)設(shè)備制造商了。也有這樣的意見:向300mm制程發(fā)展導(dǎo)致開發(fā)成本急劇上升，現(xiàn)在只有頂***的制造設(shè)備制造商才能進(jìn)入市場。

在工廠中，清洗設(shè)備也稱為WS(WetStation)或者WB(Wet Bench)。單片式的設(shè)備也稱為自旋處理器(Spin Processor)。

二、清洗設(shè)備的分類

雖然有很多不同的分類方法，但是這里介紹的是***般意義上的分類情況。

***般的清洗設(shè)備分類

清洗設(shè)備不需要特殊的光學(xué)設(shè)備或者真空系統(tǒng)，只要有化學(xué)品和純水(當(dāng)然還需要排氣、排液等***低限度的輔助設(shè)施)就可以進(jìn)行工作了。也就是這個(gè)原因，清洗設(shè)備也經(jīng)歷了手動(dòng)和半自動(dòng)的階段。但隨著晶圓的大直徑化，清洗設(shè)備也開始由專業(yè)的設(shè)備制造商進(jìn)行生產(chǎn)了。***常見的分類是基于晶圓的加工方法，分為批量式(包括半批量式)和單片式，見下圖。

清洗設(shè)備分類

如上表所示，批量式和單片式兩種設(shè)備的取舍在于選擇吞吐量(單位時(shí)間內(nèi)可加工的晶圓數(shù)量)，還是選擇設(shè)備的小型化(減小占地面積)。

這個(gè)取舍與其說和技術(shù)問題相關(guān)，不如說和各個(gè)晶圓廠自身的情況有關(guān)。例如和無塵室中的設(shè)備布局有關(guān)。如果有***個(gè)相對較大的無塵室，可以選擇***個(gè)批量式清洗設(shè)備。如果空間太小，可以選擇單槽批量式設(shè)備或單片式設(shè)備。然而，潔凈室的建造和維護(hù)成本很高，而且 300mm 的批量式清洗設(shè)備已經(jīng)變得非常大，占用了大量的地面空間和排氣能力。此外，OTAT（Quick Tumaround Time(快速周轉(zhuǎn)周期)的縮寫。指快速交貨的生產(chǎn)，也有 Q-TAT 這樣的記法）會(huì)選擇單片式設(shè)備。這是出于確保制造設(shè)備的產(chǎn)能均衡，并縮短交貨時(shí)間的考慮。

根據(jù)方法論的清洗設(shè)備的分類

根據(jù)方法論上的分類，可分為兩大類:正常的濕式清洗和干式清洗。高頻蒸汽清洗設(shè)備在過去取得了***些成功。紫外線清洗設(shè)備在LCD面板陣列工藝（形成液晶開和關(guān)的元件 TFT的有源矩陣）中使用得比較普遍。

三、批量式清洗設(shè)備

清洗和干燥是在前段制程中***頻繁的工藝。因此減少單枚晶圓清洗和干燥所需的時(shí)間就是***個(gè)比較常見的需求。在有效減少清洗和干燥時(shí)間方面，批量式清洗設(shè)備可以發(fā)揮很大的優(yōu)勢。

什么是批量式清洗設(shè)備?

批量式是指用于***次加工多個(gè)晶圓的工藝設(shè)備。晶圓的數(shù)量是由載具和工藝室共同決定的。清洗設(shè)備的選擇則由載體中可儲(chǔ)存的晶圓數(shù)量決定。通常容量是25或50枚。***次性處理大量晶圓的能力意味著可以降低芯片的成本，這對于需要大量晶圓的清洗和干燥類似的工藝來說是***個(gè)優(yōu)勢。

然而，在設(shè)備運(yùn)行方面也存在***些課題。第***個(gè)課題是吞吐量的提高。批量式清洗設(shè)備需要將晶圓轉(zhuǎn)移到裝載/裝卸口的特殊晶圓載體上。無論在微環(huán)境FOUP還是開放載具中的晶圓都是水平放置的。在清洗過程中晶圓需要垂直地浸入清洗槽，所以需要對晶圓實(shí)行調(diào)轉(zhuǎn)方向的操作。這個(gè)過程阻礙了設(shè)備吞吐量的提高。

第二個(gè)課題是清洗耗時(shí)和耗材。如果晶圓沾染到載體中的清洗液后，進(jìn)入純水沖洗槽，清洗則需要很長時(shí)間的沖洗才能完全去除化學(xué)品。而且對于***個(gè)能容納 300mm 晶圓載體的槽來說，化學(xué)品的使用量會(huì)很大。為了應(yīng)對這種情況，已經(jīng)開發(fā)出了使用特殊晶圓搬運(yùn)機(jī)器人的無載具清洗機(jī)，見下圖。和有載具相比，自然是無載具清洗更有優(yōu)勢。

無載具清洗設(shè)備的示例

① 吞吐量大。

② 清洗和沖洗槽可以按順序排列

也有如下問題

①設(shè)備不可避免地變大，對無塵室的負(fù)荷會(huì)很大

②化學(xué)品和純水的使用量很大。

③晶圓在移入和移出浸液槽時(shí)，會(huì)穿過氣-液界面日

但是可以通過使用單槽式設(shè)備避免***些問題，

多槽式批量清洗設(shè)備如下圖所示，優(yōu)點(diǎn)如下。

多槽式批量清洗設(shè)備的構(gòu)成 

多槽式和單槽式

有兩種類型的批量式設(shè)備:多槽和單槽。多槽式設(shè)備由***系列的化學(xué)槽和沖洗槽組成，這些槽按照清洗過程所需的化學(xué)品依次排列。因而化學(xué)品和沖洗槽的數(shù)量增加，這使得設(shè)備變得更大，但也充分發(fā)揮了批量式設(shè)備的優(yōu)勢。由于清洗設(shè)備較大，在無塵室中有較大的占地面積，空調(diào)(通風(fēng))負(fù)荷也較大。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)新的半導(dǎo)體無塵室時(shí)，***先需要決定清洗和干燥設(shè)備的規(guī)格和數(shù)量。如下圖所示，單槽式清洗設(shè)備只有***個(gè)化學(xué)品槽和***個(gè)沖洗槽，解決了設(shè)備較大的問題，但每次清洗都需要加入和排放新的不同化學(xué)品，化學(xué)品的成本較高。盡管不能完全發(fā)揮批量式清洗設(shè)備的優(yōu)勢但由于無塵室占地面積的限制，有時(shí)也會(huì)采用這種系統(tǒng)。如上所述，化學(xué)品和純水都是清洗時(shí)注人，完成時(shí)排出，這樣就***定程度上避免了晶圓在進(jìn)出浸液槽時(shí)穿過氣液界面的問題。

單槽式批量清洗設(shè)備的形態(tài)

四、單片式清洗設(shè)備

批量式清洗設(shè)備的吞吐量很大。另***方面，晶圓直徑越來越大，***大可達(dá) 300mm，意味著清洗設(shè)備必須更大。這就是單片式清洗設(shè)備發(fā)揮其作用的地方。

什么是單片式清洗設(shè)備?

與***次性加工多枚晶圓的批量式設(shè)備相比，單片式是***種將晶圓逐***處理的方法，見下圖。設(shè)備的組成部分與批量式相同。不***于清洗設(shè)備，從晶圓直徑增大到200mm 左右以后，單片式設(shè)備的使用量在增加，當(dāng)然這種趨勢也體現(xiàn)在了清洗設(shè)備上。因?yàn)殡S著晶圓直徑的增大，整個(gè)晶圓表面的加工結(jié)果變得不太均勻。單片式設(shè)備可以認(rèn)為是這種不均勻加工的***種對策。另外，批量式設(shè)備的優(yōu)勢可以在大規(guī)模生產(chǎn)相同芯片(例如存儲(chǔ)器)的巨型晶圓廠中得到發(fā)揮，但是像ASIC這樣量少樣多的LSI的生產(chǎn)過程中反而沒有那么大的優(yōu)勢。

單片式清洗設(shè)備的形態(tài)

QTAT生產(chǎn)線出現(xiàn)了采用單片式設(shè)備的趨勢。然而，與批量式設(shè)備相比，如何縮短每個(gè)晶圓處理所需的時(shí)間，或者說，在單位時(shí)間內(nèi)增大可處理的晶圓數(shù)量(吞吐量)成為生產(chǎn)效率的***個(gè)難題。單片式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)如下。

① 沒有化學(xué)品導(dǎo)致的顆粒和清洗槽之間的污染轉(zhuǎn)移。

②易于刷子和超聲波設(shè)備的裝載。

③ 節(jié)省空間，降低對無塵室的負(fù)荷(排氣量)。

④可以與其他工藝設(shè)備集群。

⑤具有高度的加工靈活性。

但也有如下缺點(diǎn)。

①化學(xué)品等循環(huán)的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜

②化學(xué)品的回收和濃度控制比較困難，

③難以監(jiān)控和控制晶圓的清洗效果(清洗后的潔凈度)。

在批量式清洗設(shè)備中，晶圓被浸入化學(xué)槽或純水槽中，而在單片式設(shè)備中，晶圓的處理則是噴霧式的，見單片式清洗設(shè)備圖。從處理順序的角度來看，即便是單片式設(shè)備，在進(jìn)行下***輪清洗的同時(shí)，總是要用純水對上***輪殘留化學(xué)品進(jìn)行沖洗的。這種方式有效地消除了批量式設(shè)備中通過晶圓載具對晶圓進(jìn)行搬運(yùn)轉(zhuǎn)移時(shí)遇到的問題，參下圖。

批量式和單片式的排列布置比較

單片式干燥設(shè)備

在單片式清洗設(shè)備的情況下，干燥設(shè)備不是批量式清洗設(shè)備中使用的IPA干燥，更常見的是***種稱為旋轉(zhuǎn)干燥的方法。后面給出了各種干燥方法的比較。

關(guān)于縮寫，目前為止的清洗流程以RCA清洗為例。它是由RCA公司的Kern和Puotinen在1960年提出的。

APM: 氨水/過氧化氫。

HPM: 鹽酸/過氧化氫。

DHF: 稀氫氟酸。

五、新型清洗設(shè)備

環(huán)境和能源問題使得清洗設(shè)備必須節(jié)能省料(化學(xué)品)。比較可行的***個(gè)思路就是干洗，這里將介紹三種干洗的方法。

高頻蒸汽清洗設(shè)備

這是***種由來已久的干洗方法。用來去除晶圓表面和細(xì)孔中自然形成的氧化膜。表面氧化膜的去除屬于晶圓氧化或者 CVD成膜的前處理。細(xì)孔的氧化膜去除則屬于濺射成膜的前處理。這種方法是在工藝室中引入無水氟化氫(anhydrous HF)氣體和水蒸氣，這些氣體在晶圓表面形成 HF 和 H2O的凝結(jié)層，氧化膜會(huì)被凝結(jié)層中的稀氟化氫腐蝕，從而達(dá)到去除的效果。***后反應(yīng)產(chǎn)物 SiF4會(huì)和多余的H2O***起氣化。因?yàn)闆]有水滴，所以不會(huì)形成水印，而且裸晶圓在表面還能形成氫終止（通過將氫原子結(jié)合到硅表面來穩(wěn)定硅的過程，因?yàn)楣柙佑?**個(gè)額外的共價(jià)鍵），但是現(xiàn)在好像已經(jīng)沒有這種設(shè)備在賣了。

紫外線(UV)/臭氧清洗設(shè)備

***近，通過 UV照射進(jìn)行干洗的方法引起了人們的注意。具體做法是在臭氧(O3)包圍的環(huán)境中用 300nm 以下波長的紫外線照射晶圓。由于干式工藝不需要真空設(shè)備或其他的輔助設(shè)備，***近已開始廣泛使用。它能有效地去除有機(jī)污染，比起半導(dǎo)體工藝，在TFT（TFT:Thin Film Transistor(薄膜品體管)的縮寫，用于驅(qū)動(dòng)液品顯示器(LCD)。）工藝中使用得更多，見下圖。

UV/臭氧清洗設(shè)備的概要

超低溫氣溶膠清洗設(shè)備

其想法是，氙氣通過低溫條件形成氬冰顆粒，然后通過噴嘴吹到晶圓上，利用顆粒的物理作用進(jìn)行清洗。這個(gè)想法已經(jīng)存在了很長時(shí)間。不需要使用化學(xué)品，這有助于減少對環(huán)境的污染。而且氬冰顆粒在加熱氣化后無殘留。下圖顯示了這***過程的概況。為方便起見，圖中只畫了***個(gè)噴嘴。市面上的設(shè)備***般都是使用覆蓋整個(gè)晶圓的***個(gè)大的噴嘴來提高效率，但是吞吐量可能沒有那么理想。另外還有***種利用CO2的臨界狀態(tài)進(jìn)行清洗的方法，但目前還沒有商業(yè)化。當(dāng)然，這些干洗設(shè)備是否能應(yīng)用于所有的清潔工藝并足夠有效，還有待觀察。

超低溫氣溶膠顆粒清洗設(shè)備的概要

晶圓廠中各式各樣的清洗設(shè)備

本內(nèi)容以制造設(shè)備為重點(diǎn)介紹了相關(guān)的晶圓清洗設(shè)備，但晶圓廠除了這些清洗設(shè)備以外，還需要各種各樣的夾具、晶圓盒和其他清洗設(shè)備。其中還有大型的清洗設(shè)備:芯管清洗系統(tǒng)，它清洗熱壁型成膜設(shè)備和熱處理設(shè)備中的石英爐管。

六、清洗后必備的干燥設(shè)備

“干進(jìn)干出”的原則是指晶圓在清洗后必須先將其烘干，才能從制造設(shè)備中取出來，這意味著清洗和干燥設(shè)備是配套的。

都有哪些干燥設(shè)備?

前面提到過IPA（IPA:iso-Proply Alcohol(異丙醇，***種易燃的有機(jī)溶劑)的縮寫）干燥，但干燥有很多種方法。各種干燥方法總結(jié)在下表中，每種方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。使用***多的方法是旋轉(zhuǎn)干燥和IPA 干燥。新型的馬蘭戈尼干燥法將在下***節(jié)中討論。

旋轉(zhuǎn)干燥法

在旋轉(zhuǎn)干燥法中，晶圓被放在特殊的盒中，以高速旋轉(zhuǎn)來吹走水分。這種方法可用于單片式和批量式。在單片式中，每枚晶圓都以高速旋轉(zhuǎn)，并利用離心力去除水分。在批量式中，則是整個(gè)晶圓載體(如果沒有足夠的晶圓，則用平衡晶圓補(bǔ)足)高速旋轉(zhuǎn)。這類似于洗衣機(jī)的脫水和干燥。這種方法利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和ji晶圓表面附近的氣流來干燥。這種方法的問題是有許多旋轉(zhuǎn)部件可能成為灰塵的來源，而且不可避免地會(huì)產(chǎn)生靜電(回想***下摩擦塑料尺來吸引紙片或頭發(fā)的實(shí)驗(yàn))。靜電會(huì)導(dǎo)致顆粒吸附在晶圓表面。

IPA 干燥法

在IPA干燥法中，晶圓表面的水分被揮發(fā)性的IPA蒸汽取代。這消除了對高速旋轉(zhuǎn)的需要，并消除了靜電問題，但使用IPA這種化學(xué)品也可能成為***個(gè)問題。下圖顯示了單片式旋轉(zhuǎn)干燥設(shè)備和IPA干燥設(shè)備的概況。

干燥設(shè)備概念圖

七、開發(fā)中的新型干燥設(shè)備

***近干燥工藝也正在從環(huán)境的角度被重新審視。節(jié)能的干燥技術(shù)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其是在努力減少IPA有機(jī)物的使用這***方面。

馬蘭戈尼設(shè)備的要素

馬蘭戈尼(Marangoni)干燥法之所以被稱為馬蘭戈尼，是因?yàn)樗褂昧笋R蘭戈尼力（由表面張力的梯度產(chǎn)生的***種力。由這種力引起的流動(dòng)稱為馬蘭戈尼流）。在這個(gè)過程中，晶圓從沖洗的純水槽中被迅速提升到IPA和氮?dú)饬鞯目臻g中，水被產(chǎn)生的馬蘭戈尼流去除。下圖顯示了馬蘭戈尼干燥法的機(jī)制，它的優(yōu)點(diǎn)是比IPA 干燥法使用的IPA 少(當(dāng)然 IPA也是使用的)。這種方法是在20世紀(jì) 90年代末由歐洲設(shè)備制造商引入市場的。為方便起見，圖中只顯示了***個(gè)晶圓，但馬蘭戈尼干燥法是***種在批量生產(chǎn)中具有很大優(yōu)勢的干燥方法。

馬蘭戈尼干燥設(shè)備的概要

Rotagoni 干燥設(shè)備的要素

Rotagoni 干燥法是另***種在歐洲發(fā)明的干燥方法。它結(jié)合了旋轉(zhuǎn)干燥法和馬蘭戈尼干燥法。其機(jī)制如下圖所示。當(dāng)晶圓在單片式旋轉(zhuǎn)干燥設(shè)備中高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，純水和IPA蒸汽從噴嘴噴出，使 IPA蒸汽朝向晶圓的外圍。因此，Rotagoni 干燥法是***種適用單晶圓的單片式工藝。在這個(gè)過程中，馬蘭戈尼力是沿著晶圓外圍的方向產(chǎn)生的，所以馬蘭戈尼干燥法也是在同時(shí)進(jìn)行的。這種方法與馬蘭戈尼干燥法相比，因?yàn)榧尤肓诵D(zhuǎn)干燥法，所以可進(jìn)***步減少 IPA 的使用。從環(huán)境和能源的角度來看，未來將需要對環(huán)境影響更小的干燥方法。

Rotagoni 干燥設(shè)備的概要

(文章來源于儀器網(wǎng))