清洗和干燥设备介绍

本章将讨论清洗和干燥设备。 在前段制程中， 晶圆在从一个工艺单元转移到下一个单元之前， 总是要进行清洗和干燥的， 因此可以说这是前段制程中最常用的设备。

什么是清洗和干燥设备？

清洗和干燥是一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图3-1, 总结如下。

以上这些内容将在后面介绍，各个清洗和干燥设备所需要素不尽相同。 当然， 批鼠式和单片式的设备是完全不一样的构成。 批量式指的是， 设备对多个晶圆同时进行相关工艺的处理， 单片式指的是设备对晶圆处理是一枚一枚地进行的。 对清洗和干燥设备而言， 单片式和批量式都是存在的，但是光刻设备基本上都是单片式的。 相关内容将在之后的章节中介绍。

此外， 根据 “干进干出 ＂ 的原则， 晶圆在清洗后必须经过干燥后， 才能从设备中出来。 所以清洗和干燥是一个配套组件。 必须干燥的理由是， 如果晶圆上有水分， 会导致氧化。 即便是肉眼看不到的水分， 也会造成晶圆的水印(Watermark) 0。 清洗设备的构成要素和其他工艺中的制造设备的比较在表3-1中进行了总结。 由于用到化学品和纯水， 所以会产生废液， 这和第9章的CMP设备是相同的。

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（尽管也有一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，现在只有顶级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 (Wet Station) 或者WB (Wet Bench)。 单片式的设备也称为自旋处理器(Spin Processor)。批酰式和单片式将在后面讨论。

清洗设备的分类

虽然有很多不同的分类方法，但是这里介绍的是一般意义上的分类情况。

一般的清洗设备分类

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、 排液等最低限度的辅助设施）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。

最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， 见图3-2。如表3-2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。 如果有一个相对较大的无尘室， 可以选择一个批最式清洗设备。 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， 正如第2章中提到的， 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， 如表3-2所示，QTAT8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（如2-9节所述）。

根据方法论的清洗设备的分类

第2类是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一些成功。紫外线清洗设备在LCD面板阵列工艺e中使用得比较 普遍。关于干式清洗会在3-5节中再次讨论。

批量式清洗设备

清洗和干燥是在前段制程中最频繁的工艺。因此减少单枚晶圆清洗和干燥所需的时间就是一个比较常见的需求。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？

批量式是指用于一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。 一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一个优势。然而， 在设备运行方面也存在一些课题。 第一个课题是吞吐瞿的提高。 批鼠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。 如2-4节所示， 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。而且对千一个能容纳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， 见图3-3。 和有载具相比， 自然是无载具清洗更有优势。 多槽式批量清洗设备如图3-4所示， 优点如下。

也有如下问题。

但是可以通过使用单槽式设备避免一些问题。

多槽式和单槽式

有两种类型的批量式设备：多槽和单槽。多槽式设备由一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，见图3-4,这使得设备变得更大，但也充分发挥了批量式设备的优势。由千清洗设备较大，在无尘室中有较大的占地面积，空涸（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，首先需要决定清洗和干燥设备的规格和数最。如图3-5所示，单槽式清洗设备只有一个化学品槽和一个冲洗槽，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入，完成时排出，这样就一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。

单片式清洗设备

批量式清洗设备的吞吐量很大。 另一方面， 晶圆直径越来越大， 最大可达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？

与一次性加工多枚晶圆的批量式设备相比，单片式是一种将品圆逐一处理的方法，见图 3-6。设备的组成部分与批量式相同。不仅限于清洗设备，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。因为随着品圆直径的增大，整个品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一种对策。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)的巨型品圆厂中得到发挥，但是像 ASICP这样量少样多的 ISI的生产过程中反而没有那么大的优势。

如3-2节所述，QTAT生产线也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）成为生产效率的一个难题。单片式设备的优点如下。

但也有如下缺点。

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， 见图3-6。从处理顺序的角度来看， 即便是单片式设备， 在进行下一轮清洗的同时， 总是要用纯水对上一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， 参见图3-7。

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， 更常见的是一种称为旋转干燥的方法。在3-6节中给出了各种干燥方法的比较。

另外3-3~3-4节中， 关于清洗工艺的种类和流程有所涉及， 但没有篇幅做具体介绍。感兴趣的读者可以参考《图解入门——半导体制造工艺基础精讲（原书第4版）》的第3章内容。

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e的Kern和Puotinen在1960年提出的。

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）。比较可行的一个思路就是干洗， 这里将介绍三种干洗的方法。

高频蒸汽清洗设备

这是一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氪化氢(anhydrous HF)气体和水蒸气， 这些气体在晶圆表面形成HF和H 2 0的凝结层， 氧化膜会被凝结层中的稀氪化氢腐蚀， 从而达到去除的效果。最后反应产物S凡会和多余的H 2 0一起气化。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鱼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

最近， 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(03 )包围的环境中用300nm以下波长的紫外线照射晶圆。由千千式工艺不需要真空设备或其他的辅助设备， 最近已开始广泛使用。它能有效地去除有机污染， 比起半导体工艺， 在TFT e工艺中使用得更多， 见图3-8。

超低温气溶胶清洗设备

其想法是， 氯气通过低温条件形成氯冰颗粒， 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。而且氢冰颗粒在加热气化后无残留。图3-9显示了这一过程的概况。

为方便起见， 图中只画了一个喷嘴。市面上的设备一般都是使用覆盖整个晶圆的一个大的喷嘴来提高效率，但是吞吐量可能没有那么理想。另外还有一种利用CO2的临界状态进行清洗的方法， 由于篇幅原因在此不做介绍，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。

虽然不属于清洗设备的范畴，但 8-5 节中描述的溅射蚀刻(也称为反向溅射)其实也算是一种干洗。

晶圆厂中各式各样的清洗设备

本书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。 请参考5-2节和8-4节。

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千， 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干燥， 但干燥有很多种方法。 各种干燥方法总结在表 3-3 中， 每种方法都有自己的优缺点。 使用最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一节中讨论。

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。 在批麓式中， 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千燥。 这种方法利用旋转产生的离心力和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（回想一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一个问题。 图3-10显示了单片式旋转干燥设备和IPA干燥设备的概况。

开发中的新型干燥设备

最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有机物的使用这一方面。

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Θ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。图 3-11 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人市场的。为方便起见，图中只显示了一个品圆，但马兰戈尼干燥法是一种在批量生产中具有很大优势的干燥方法。

Rotagoni 干燥设备的要素

Rotagoni 干燥法是另一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。 其机制如图3-12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干燥法是一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千燥法相比， 因为加入了旋转干燥法， 所以可进一步减少IPA的使用。

在笔者看来， 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。