半导体 | 清洗和干燥设备

清洗和干燥是***个几乎所有工艺都会涉及的处理单元。对这些设备的要求是能够处理多样的清洗任务，并具有高吞吐量。下面先来看看清洗和干燥设备的概况。

清洗设备的要素

清洗设备所必需的构成要素见下图，总结如下：

清洗和干燥设备的构成要素--单槽式的批量清洗设备的例子

① 处理系统: 化学槽、冲洗槽、干燥阶段(图中为 Dry)→批量式的情况。喷淋和旋转等阶段→单片式的情况。

② 供给系统: 化学品和纯水供应设备、干燥空气供给设备等。

③ 控制系统: 控制化学品浓度、温度、颗粒等。

④ 搬运系统: 用于搬运晶圆、晶圆载具、无载具搬运等。

⑤ 其他系统: 空调系统等。

清洗设备的构成要素和其他工艺中的制造设备的比较

清洗和干燥设备的要素

与需要真空系统和气体供应系统的成膜装置相比，清洗设备的门槛比较低，所以会有很多制造商参与其中。在半导体行业的早期，清洗过程完全是手工操作，使用烧杯和化学品进行灌注，在水洗后，用氮气进行吹风干燥。之后才进入清洗设备内置的时代。随着晶圆的直径越来越大，对自动化的需求导致设备制造商开始提供清洗设备(尽管也有***部分半导体制造商开始自己制造)。随着对清洗的附加价值(如单槽)、高性能和新功能(如单片、干燥)的需求变得明显，设备制造商也成为主流供应商。特别是向300mm 制程过渡，就意味着晶圆搬运和清洗工艺的自动化已不可避免，这种情况下就必然依靠专业设备制造商了。也有这样的意见:向300mm制程发展导致开发成本急剧上升，现在只有顶***的制造设备制造商才能进入市场。

在工厂中，清洗设备也称为WS(WetStation)或者WB(Wet Bench)。单片式的设备也称为自旋处理器(Spin Processor)。

二、清洗设备的分类

虽然有很多不同的分类方法，但是这里介绍的是***般意义上的分类情况。

***般的清洗设备分类

清洗设备不需要特殊的光学设备或者真空系统，只要有化学品和纯水(当然还需要排气、排液等***低限度的辅助设施)就可以进行工作了。也就是这个原因，清洗设备也经历了手动和半自动的阶段。但随着晶圆的大直径化，清洗设备也开始由专业的设备制造商进行生产了。***常见的分类是基于晶圆的加工方法，分为批量式(包括半批量式)和单片式，见下图。

清洗设备分类

如上表所示，批量式和单片式两种设备的取舍在于选择吞吐量(单位时间内可加工的晶圆数量)，还是选择设备的小型化(减小占地面积)。

这个取舍与其说和技术问题相关，不如说和各个晶圆厂自身的情况有关。例如和无尘室中的设备布局有关。如果有***个相对较大的无尘室，可以选择***个批量式清洗设备。如果空间太小，可以选择单槽批量式设备或单片式设备。然而，洁净室的建造和维护成本很高，而且 300mm 的批量式清洗设备已经变得非常大，占用了大量的地面空间和排气能力。此外，OTAT（Quick Tumaround Time(快速周转周期)的缩写。指快速交货的生产，也有 Q-TAT 这样的记法）会选择单片式设备。这是出于确保制造设备的产能均衡，并缩短交货时间的考虑。

根据方法论的清洗设备的分类

根据方法论上的分类，可分为两大类:正常的湿式清洗和干式清洗。高频蒸汽清洗设备在过去取得了***些成功。紫外线清洗设备在LCD面板阵列工艺（形成液晶开和关的元件 TFT的有源矩阵）中使用得比较普遍。

三、批量式清洗设备

清洗和干燥是在前段制程中***频繁的工艺。因此减少单枚晶圆清洗和干燥所需的时间就是***个比较常见的需求。在有效减少清洗和干燥时间方面，批量式清洗设备可以发挥很大的优势。

什么是批量式清洗设备?

批量式是指用于***次加工多个晶圆的工艺设备。晶圆的数量是由载具和工艺室共同决定的。清洗设备的选择则由载体中可储存的晶圆数量决定。通常容量是25或50枚。***次性处理大量晶圆的能力意味着可以降低芯片的成本，这对于需要大量晶圆的清洗和干燥类似的工艺来说是***个优势。

然而，在设备运行方面也存在***些课题。第***个课题是吞吐量的提高。批量式清洗设备需要将晶圆转移到装载/装卸口的特殊晶圆载体上。无论在微环境FOUP还是开放载具中的晶圆都是水平放置的。在清洗过程中晶圆需要垂直地浸入清洗槽，所以需要对晶圆实行调转方向的操作。这个过程阻碍了设备吞吐量的提高。

第二个课题是清洗耗时和耗材。如果晶圆沾染到载体中的清洗液后，进入纯水冲洗槽，清洗则需要很长时间的冲洗才能完全去除化学品。而且对于***个能容纳 300mm 晶圆载体的槽来说，化学品的使用量会很大。为了应对这种情况，已经开发出了使用特殊晶圆搬运机器人的无载具清洗机，见下图。和有载具相比，自然是无载具清洗更有优势。

无载具清洗设备的示例

① 吞吐量大。

② 清洗和冲洗槽可以按顺序排列

也有如下问题

①设备不可避免地变大，对无尘室的负荷会很大

②化学品和纯水的使用量很大。

③晶圆在移入和移出浸液槽时，会穿过气-液界面日

但是可以通过使用单槽式设备避免***些问题，

多槽式批量清洗设备如下图所示，优点如下。

多槽式批量清洗设备的构成 

多槽式和单槽式

有两种类型的批量式设备:多槽和单槽。多槽式设备由***系列的化学槽和冲洗槽组成，这些槽按照清洗过程所需的化学品依次排列。因而化学品和冲洗槽的数量增加，这使得设备变得更大，但也充分发挥了批量式设备的优势。由于清洗设备较大，在无尘室中有较大的占地面积，空调(通风)负荷也较大。根据笔者的经验，在设计新的半导体无尘室时，***先需要决定清洗和干燥设备的规格和数量。如下图所示，单槽式清洗设备只有***个化学品槽和***个冲洗槽，解决了设备较大的问题，但每次清洗都需要加入和排放新的不同化学品，化学品的成本较高。尽管不能完全发挥批量式清洗设备的优势但由于无尘室占地面积的限制，有时也会采用这种系统。如上所述，化学品和纯水都是清洗时注人，完成时排出，这样就***定程度上避免了晶圆在进出浸液槽时穿过气液界面的问题。

单槽式批量清洗设备的形态

四、单片式清洗设备

批量式清洗设备的吞吐量很大。另***方面，晶圆直径越来越大，***大可达 300mm，意味着清洗设备必须更大。这就是单片式清洗设备发挥其作用的地方。

什么是单片式清洗设备?

与***次性加工多枚晶圆的批量式设备相比，单片式是***种将晶圆逐***处理的方法，见下图。设备的组成部分与批量式相同。不***于清洗设备，从晶圆直径增大到200mm 左右以后，单片式设备的使用量在增加，当然这种趋势也体现在了清洗设备上。因为随着晶圆直径的增大，整个晶圆表面的加工结果变得不太均匀。单片式设备可以认为是这种不均匀加工的***种对策。另外，批量式设备的优势可以在大规模生产相同芯片(例如存储器)的巨型晶圆厂中得到发挥，但是像ASIC这样量少样多的LSI的生产过程中反而没有那么大的优势。

单片式清洗设备的形态

QTAT生产线出现了采用单片式设备的趋势。然而，与批量式设备相比，如何缩短每个晶圆处理所需的时间，或者说，在单位时间内增大可处理的晶圆数量(吞吐量)成为生产效率的***个难题。单片式设备的优点如下。

① 没有化学品导致的颗粒和清洗槽之间的污染转移。

②易于刷子和超声波设备的装载。

③ 节省空间，降低对无尘室的负荷(排气量)。

④可以与其他工艺设备集群。

⑤具有高度的加工灵活性。

但也有如下缺点。

①化学品等循环的实现比较复杂

②化学品的回收和浓度控制比较困难，

③难以监控和控制晶圆的清洗效果(清洗后的洁净度)。

在批量式清洗设备中，晶圆被浸入化学槽或纯水槽中，而在单片式设备中，晶圆的处理则是喷雾式的，见单片式清洗设备图。从处理顺序的角度来看，即便是单片式设备，在进行下***轮清洗的同时，总是要用纯水对上***轮残留化学品进行冲洗的。这种方式有效地消除了批量式设备中通过晶圆载具对晶圆进行搬运转移时遇到的问题，参下图。

批量式和单片式的排列布置比较

单片式干燥设备

在单片式清洗设备的情况下，干燥设备不是批量式清洗设备中使用的IPA干燥，更常见的是***种称为旋转干燥的方法。后面给出了各种干燥方法的比较。

关于缩写，目前为止的清洗流程以RCA清洗为例。它是由RCA公司的Kern和Puotinen在1960年提出的。

APM: 氨水/过氧化氢。

HPM: 盐酸/过氧化氢。

DHF: 稀氢氟酸。

五、新型清洗设备

环境和能源问题使得清洗设备必须节能省料(化学品)。比较可行的***个思路就是干洗，这里将介绍三种干洗的方法。

高频蒸汽清洗设备

这是***种由来已久的干洗方法。用来去除晶圆表面和细孔中自然形成的氧化膜。表面氧化膜的去除属于晶圆氧化或者 CVD成膜的前处理。细孔的氧化膜去除则属于溅射成膜的前处理。这种方法是在工艺室中引入无水氟化氢(anhydrous HF)气体和水蒸气，这些气体在晶圆表面形成 HF 和 H2O的凝结层，氧化膜会被凝结层中的稀氟化氢腐蚀，从而达到去除的效果。***后反应产物 SiF4会和多余的H2O***起气化。因为没有水滴，所以不会形成水印，而且裸晶圆在表面还能形成氢终止（通过将氢原子结合到硅表面来稳定硅的过程，因为硅原子有***个额外的共价键），但是现在好像已经没有这种设备在卖了。

紫外线(UV)/臭氧清洗设备

***近，通过 UV照射进行干洗的方法引起了人们的注意。具体做法是在臭氧(O3)包围的环境中用 300nm 以下波长的紫外线照射晶圆。由于干式工艺不需要真空设备或其他的辅助设备，***近已开始广泛使用。它能有效地去除有机污染，比起半导体工艺，在TFT（TFT:Thin Film Transistor(薄膜品体管)的缩写，用于驱动液品显示器(LCD)。）工艺中使用得更多，见下图。

UV/臭氧清洗设备的概要

超低温气溶胶清洗设备

其想法是，氙气通过低温条件形成氩冰颗粒，然后通过喷嘴吹到晶圆上，利用颗粒的物理作用进行清洗。这个想法已经存在了很长时间。不需要使用化学品，这有助于减少对环境的污染。而且氩冰颗粒在加热气化后无残留。下图显示了这***过程的概况。为方便起见，图中只画了***个喷嘴。市面上的设备***般都是使用覆盖整个晶圆的***个大的喷嘴来提高效率，但是吞吐量可能没有那么理想。另外还有***种利用CO2的临界状态进行清洗的方法，但目前还没有商业化。当然，这些干洗设备是否能应用于所有的清洁工艺并足够有效，还有待观察。

超低温气溶胶颗粒清洗设备的概要

晶圆厂中各式各样的清洗设备

本内容以制造设备为重点介绍了相关的晶圆清洗设备，但晶圆厂除了这些清洗设备以外，还需要各种各样的夹具、晶圆盒和其他清洗设备。其中还有大型的清洗设备:芯管清洗系统，它清洗热壁型成膜设备和热处理设备中的石英炉管。

六、清洗后必备的干燥设备

“干进干出”的原则是指晶圆在清洗后必须先将其烘干，才能从制造设备中取出来，这意味着清洗和干燥设备是配套的。

都有哪些干燥设备?

前面提到过IPA（IPA:iso-Proply Alcohol(异丙醇，***种易燃的有机溶剂)的缩写）干燥，但干燥有很多种方法。各种干燥方法总结在下表中，每种方法都有自己的优缺点。使用***多的方法是旋转干燥和IPA 干燥。新型的马兰戈尼干燥法将在下***节中讨论。

旋转干燥法

在旋转干燥法中，晶圆被放在特殊的盒中，以高速旋转来吹走水分。这种方法可用于单片式和批量式。在单片式中，每枚晶圆都以高速旋转，并利用离心力去除水分。在批量式中，则是整个晶圆载体(如果没有足够的晶圆，则用平衡晶圆补足)高速旋转。这类似于洗衣机的脱水和干燥。这种方法利用旋转产生的离心力和ji晶圆表面附近的气流来干燥。这种方法的问题是有许多旋转部件可能成为灰尘的来源，而且不可避免地会产生静电(回想***下摩擦塑料尺来吸引纸片或头发的实验)。静电会导致颗粒吸附在晶圆表面。

IPA 干燥法

在IPA干燥法中，晶圆表面的水分被挥发性的IPA蒸汽取代。这消除了对高速旋转的需要，并消除了静电问题，但使用IPA这种化学品也可能成为***个问题。下图显示了单片式旋转干燥设备和IPA干燥设备的概况。

干燥设备概念图

七、开发中的新型干燥设备

***近干燥工艺也正在从环境的角度被重新审视。节能的干燥技术成为关注的焦点。尤其是在努力减少IPA有机物的使用这***方面。

马兰戈尼设备的要素

马兰戈尼(Marangoni)干燥法之所以被称为马兰戈尼，是因为它使用了马兰戈尼力（由表面张力的梯度产生的***种力。由这种力引起的流动称为马兰戈尼流）。在这个过程中，晶圆从冲洗的纯水槽中被迅速提升到IPA和氮气流的空间中，水被产生的马兰戈尼流去除。下图显示了马兰戈尼干燥法的机制，它的优点是比IPA 干燥法使用的IPA 少(当然 IPA也是使用的)。这种方法是在20世纪 90年代末由欧洲设备制造商引入市场的。为方便起见，图中只显示了***个晶圆，但马兰戈尼干燥法是***种在批量生产中具有很大优势的干燥方法。

马兰戈尼干燥设备的概要

Rotagoni 干燥设备的要素

Rotagoni 干燥法是另***种在欧洲发明的干燥方法。它结合了旋转干燥法和马兰戈尼干燥法。其机制如下图所示。当晶圆在单片式旋转干燥设备中高速旋转时，纯水和IPA蒸汽从喷嘴喷出，使 IPA蒸汽朝向晶圆的外围。因此，Rotagoni 干燥法是***种适用单晶圆的单片式工艺。在这个过程中，马兰戈尼力是沿着晶圆外围的方向产生的，所以马兰戈尼干燥法也是在同时进行的。这种方法与马兰戈尼干燥法相比，因为加入了旋转干燥法，所以可进***步减少 IPA 的使用。从环境和能源的角度来看，未来将需要对环境影响更小的干燥方法。

Rotagoni 干燥设备的概要

(文章来源于仪器网)