在材料加工科學的不斷推動下,半導體器件和集成電路制作工藝取得了長足進步,發生了巨大變化,但是其中的濕法清洗工藝作為最為有效的半導體晶片洗凈技術,一直未能被取代。隨著晶片表面潔凈要求的不斷提高,清洗工藝的焦點已逐步由清洗液、兆聲波等轉移到晶片干燥上。干燥作為濕法清洗的最后一個步驟,最終決定了晶片的表面質量,是清洗工藝的核心所在。
在各種晶片的干燥中,尤以襯底拋光片的干燥最為困難,它不僅要求表面達到脫水效果,還要避免在表面留下任何水痕缺陷或顆粒。為達到這種要求,以設備為依托的各類干燥技術發展迅速。
1.1離心甩干技術
離心甩干是通過外力使晶片短時間內達到高速旋轉的狀態,晶片表面的水受到離心力作用而從表面消失的干燥技術。這種干燥方式由于簡單可靠,在晶片清洗領域得到了廣泛應用。根據晶片運動方式的不同,離心甩干又分為立式離心甩干和水平式離心甩干(見圖 1 和圖 2),雖然二者的脫水原理相似,但是由于運動方式的不同,在工藝上有很大的差異。為保證晶片的潔凈,一般在干燥步驟之前,會增加一步藥液、去離子水旋轉噴淋過程,對表面進行二次潔凈。為保證干燥效果,甩干過程中將引入熱氮氣,對晶片進行吹拂。
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影響甩干效果的因素有很多,如轉速的設置, 氮氣的流量,排氣通路的設計、腔體的密閉性和旋轉產生的共振等。
離心甩干的優點是技術成熟穩定,干燥后的表面均一性好,不易產生水印;缺點是僅適合半導體前道的裸片或外延片,對于存在深窄溝渠的晶圓, 干燥效果并不理想,而且由于制程中的高速旋轉, 會影響晶片的機械強度,不適合超薄晶片的干燥。
1.2IPA干燥
IPA干燥是一種利用 IPA (異丙醇)加熱汽化、蒸發及表面張力作用達到脫水干燥目的的技術,其工作原理如圖 3 所示。
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在 IPA Vapor 系統是由三部分組成的,蒸汽槽、蒸汽區和冷凝槽。蒸汽槽中的 IPA 在加熱器的作用下形成蒸汽,蒸汽向上形成濃度、溫度相對穩定的蒸汽區,最上層則是冷卻水管構成的冷凝區。晶片在干燥之前,需要浸入 IPA 液體中,由于互溶性,晶片表面的水會溶解到 IPA 中,取而代之的是液態的 IPA。晶片通過鏈條在系統中升降,到達蒸汽區時,由于晶片溫度低,蒸汽在表面凝結,形成大量液態 IPA 淋洗表面,晶片溫度升高后,攜帶 I- PA 蒸汽的晶片回到冷凝區,IPA 蒸汽冷凝液化, 通過重力、表面張力和揮發等多重作用離開表面, 實現干燥的效果。
受溫度、升降行程和時間等多方面影響,尤其是 IPA 的純度,對干燥效果有著至關重要的影響。這種干燥方法避免了晶片的高速旋轉, 在一定程度上與甩干機互補,但是由于 IPA 用量很大,成本高,安全性差,已逐漸被新型干燥方式所取代。
1.3Marangoni?干燥
這是基于 Marangoni 效應發展起來的干燥技術。典型的 Marangoni 干燥過程如圖 4 所示。晶片進入干燥系統后,在水槽內溢流。由氮氣攜帶 IPA 氣體充滿系統,在水面上形成 IPA 氣體環境。隨后晶片與水面緩慢脫離(可通過晶片提拉上升或緩慢排水兩種方式實現) 由于 IPA 的表面張力比水小得多(25 ℃下,IPA 表面張力為 20.9×10-3? N/m;水的表面張力為 72.8×10-3? N/m),所以會在坡狀水流表層形成表面張力梯度,產生 Marangoni 對流,水被“吸回”水面,如圖 5 所示。
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雖然同樣是 IPA 干燥,但是 Marangoni 干燥與 IPA Vapor 干燥有本質的不同,前者是通過表面張力梯度將水拉回水面,后者則是靠水的蒸發。 相比于IPA Vapor 干燥 ,Marangoni 干燥IPA 用量很少,且能夠克服深窄溝渠的脫水困難,比較適合直徑 150 mm ( 6 英寸) 以上晶片的干燥。Marangoni 干燥存在的問題是晶片易出現水痕缺陷,晶片與晶舟接觸處、晶片下方是常見的水痕區域 。為消除水痕缺陷,這類設備中一般配備簡易晶舟,以減少晶片與晶舟的接觸面積,另外,采用溫水浴、超聲波震蕩 IPA Bub- bler 和變速提拉等也是常用的消除水痕缺陷的手段。
干燥受多種因素影響,如晶片的提拉速度,IPA/N2? 流量和排風的設置等,因此此種方法技術難度較高。
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