半导体湿式清洗设备.docx
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半导体湿式清洗设备.docx
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半导体湿式清洗设备
半导体湿式清洗设备
湿式清洗
.晶圆洗净的目的
-主要清除晶圆表面的脏污,如微粒(Particle)、有机物(Organic)及金属离子等杂质,此外如Gateoxide层的微粗糙(Micro-roughness)及自然氧化物(NativeOxide)清除亦在洗净制程的范畴
.效果包含
-芯片清洗
-蚀刻
-Lift-off
污染源对电子组件的影响
影响洗净效果的因素.洗净制程的化学配方(Recipe)
.洗净程序(Sequence)
.除湿干燥的技术
配方与洗净目标
.化学配方与洗净目标,RCA-recipe
1.微粒与污染源
微粒来源
.微粒来源
-来自洗净用的去离子纯水(DIwater),化学品(Chemicals)及气体(Gases)或其它制程遗留的杂质或洁净室中所沾染的dust.微粒附着于晶圆表面所受的吸附力
-Electrostaticforce
-VarderWalsforce
-Capillaryforce
-Chemicalbond
-Surfacetopographyforce微粒去除的机制
微粒去除的机制
.超音波振荡器去除微粒的过程
金属杂质.来源–洗净材料的化学品,纯水、气体的金属杂质及制程所引发的,如离子植入,RIE干蚀刻、光阻去灰等
.金属杂质含量需在1010atom/cm2以下,方可确保电子组件的品质及良率有机污染源.有机污染源
-来自光阻残留物、晶舟、晶盒及洁净室环境的建材,如油漆,机台等
.污染源造成-阻绝洗净的效果,或阻绝离子化学蚀刻形成蚀刻不良-对Gateoxide的厚度均匀性与Breakdownvoltage
2.光阻与配方光阻去除溶液
.主要光阻去除溶液
-CaroCleanorPiranhaClean(SPM,H2SO4:
H2O2=4:
1@110oC~130oC)
缺点:
H2O2不易维持稳定浓度
-H2SO4+O3
O3易含有重金属,需经纯化处理
-ChilledDI+O3
利用O3分解的氧原子和有机光阻反应,可免H2SO4使用,低残留硫含量自然氧化物
.晶圆表面因曝露在空氧中或浸泡在纯水中,造成表面的氧化,约5~10A厚度,或在化学洗净过程中,接触强氧化剂,如H2O2而在表面生成一层氧化物
.影响
-对Gateoxide的厚度均匀性与Breakdownvoltage自然氧化物的去除
.DHF-Last–在最后一站浸入(100:
1DHF)中,以去除NativeOxide
.HF+H2O2(FPM-Last)–在最后一站,浸入FPM混合液(0.5%HF+10%H2O2)溶液中,HF去除Oxide,H2O2去除金属杂质
.HF+IPA(HF/IPA-Last)–在最后一站,浸入(0.5%HF+IPA<1000ppm)溶液中,HF去除Oxide,IPA去除微粒
.HFVapor–将晶圆放入蒸气室中,将其抽成真空后,利用氮气作为载气,通
入HFVapor,可去除Oxide
表面微粗糙度
.化学药剂的使用是影响表面粗糙度的主因:
-浓度比例
-温度
-浸泡时间
-洗净制程以SC1洗净影响最大,可达Ra=0.6nm
-蚀刻制程以ConventionalBHF影响最大,可达Ra=0.9nm
湿式洗净技术
.RCA-Clean配方
-去除微粒,金属杂质及有机污染
-应用于空白芯片进入炉管长Oxide前之清洗
RCA-Clean配方
.RCA-cleanisthefirstdevelopedcleaningprocessforbareandoxidizedsiliconwafer
.ProcesswasintroducedtoRCAdevicefabricationcenterin1965andreleasedin1970
.Chemicalprinciples:
-H2O2athighpHconditionisapowerfuloxidant
-NH4OHisastrongcomplexantformetallicimpurities
-HClinH2O2formssolubleAlkaliandmetalsalts
-MixturesformulatednottoattackSiorSiO2
湿式洗净配方
.ModifiedRCA-Clean–加上清除光阻及有机物能力,增加硫酸清洗,如SPM/SOM(SPM=H2SO4+H2O2,SOM=H2SO4+O3)
湿式洗净配方
.SPMClean
-用于PSG,BPSG沈积或全面离子植入后的清洗。
主要功能乃将析出表面的磷玻璃(P2O5)及硼玻璃(B2O5)溶于H2SO4中;或在离子植入后,去除芯片表面的Polymer(有机物)
3.湿式清洗设备制程设备
.HardwareconfigurationVendorVendor
-Wetstation
.ConventionalBenchSugai,DNS,TEL,SCP.SingleBatchPlugFlowDNS,CFM,Steag.MultipleBatchPlugFlowDNS,Sugai,TEL.BatchSprayDNS,FSI
.SingleWaferCleanerDNS,SEZ
-Drycleaner
.HFVaporCleanFSIFSI湿式洗净设备
ConventionalWetBench
传统湿式洗净设备
.设备模块
-中央控制系统及晶圆输入端-串联式化学酸槽(左侧)与洗濯槽(Rinse)-机器手与传输单元
-侦测系统,包含流量侦测,温度侦侧,酸槽化学浓度校准-旋干/干燥设备
传统湿式洗净设备规格
传统湿式洗净设备
.系统参数包含
-Chemicalchange
-Chemicalratio
-Tanktemperature
-Cleaningprocesstime
-Chemicalconcentration
-Rinsetime
-Rinseresistivity
-Robotoperation
-Alarm
传统湿式洗净设备.洗净功能(RecipeCapabilities)
-RCA-B-Clean
-Pre-gateClean-BClean-HFLast-BClean-NoHF
-SPM-Clean
-Pre-metal-Clean
传统湿式洗净设备
.优点
a.节省化学用品
,则每片
可放入2个
-化学槽换酸可依洗净的晶圆批数,作为下次换酸依据,故连续使用芯片洗净的费用成本较低
b.连续洗净,提高机器用率(MachineUpTime)-机台换酸后,预热约一小时方可使用,洗货时则每10~15分钟,批量的晶舟(50Pcs)
c.技术成熟
-Fieldproven传统湿式洗净设备.缺点:
a.Footprint大
b.酸槽溶液越洗越脏
c.开放式加热酸槽,溶液浓度随时变化
d.纯水消耗量大
e.浸入时芯片下端先入后出,拉出时,DHF由上往下流,易造成不均匀封密式容器洗净设备.PlugFlow(Enclosed-VesselCleaningSystem)
原理–将晶圆置于密闭单容器(EnclosedVessel)内,依设定的Recipe,通入不同的化学洗净溶液,至容器内,经DI纯水洗濯残留酸碱液,再通入IPA将晶圆干燥
封密式容器洗净设备.特点-晶圆在密闭容器内进行洗净程序,芯片不接触空气,因此可减少微粒污染
.优点
-Footprint较小
-较少微粒污染
-系统较简单-溶液浓较易控制
-较少化学品及DI纯水消耗
.缺点
-废液处理因难
-受限于低浓度的化学溶液
SprayChemicalCleaningProcessor
原理–将晶舟置于洗净槽内的转盘,新鲜的洗净化学液经由N2加压,自中央喷洗柱均匀喷洒在芯片上清洗
SprayChemicalCleaningProcessor
.系统方块图
.优点
-1.Smallfootprint
-2.Nocrosscontaminationduetofreshchemicalsusedineachcycle
-3.LowDIwaterconsumption
.缺点
-1.Pooruniformity
-2.HFlastdifficult
-3.Highmaintenanceduetomanyrotatingparts
WaferDryTechnology
.晶圆干燥技术
主要功能是脱水干燥,理论上需达到不增加芯片上的微粒的需求
.干燥机可分为
-Down-FlowSpinDryer
-IPADryer
-MarangoniDryer
Down-FlowSpinDryer
原理–利用高速旋转下产生的离心力,并配合空气过滤器所喷下的干净气流,将芯片上的水滴旋干,并蒸发干而无微粒及水痕(WaterMark)
Down-FlowSpinDryer
.设备示意
Down-FlowSpinDryer
.机械特性
-转速需在3~4秒内,加速至800rpm
-振动的克服-内部压力的克服(高速易生低压,导致排气倒灌)
-腔壁几何形状设计不当,易积沈积物或使水滴反弹至芯片表面
IPADryer
.原理–将潮湿的芯片传至IPA(IsopropylAlcohol,异丙醇)VaporChamber内。
IPA由N2作为传输气体,导入蒸汽干燥室内由底部的加热器,使IPA受热
蒸发为蒸汽。
IPA高挥发性可将将晶圆表面水份脱水干燥,避免水痕、微粒及金属杂质
IPADryer
IPA脱水技术的主要变量-a.IPA的纯度与排水量
-b.IPA蒸汽的流量及流速
-c.IPA蒸汽的洁净度
MarangoniDryer
.原理:
利用IPA与DIWater表面张力的不同,将晶圆表面残留的水分子吸收流回水槽,而脱水干燥
.程序
-a.洗涤完毕后,将晶圆自DIW缓慢拉出
-b.以N2作为传输气体,吹向潮湿芯片
-c.芯片表面的IPA浓度大于DIW浓度,故表面张力减小,因此水分子被吸回水面
MarangoniDryer
.制程
-1.在Overflow槽洗净达到设定阻值
-2.晶圆缓慢拉出DIW,同时通入IPA+N2气体
-3.IPA流下晶圆入DIW液面,产生Marangonieffect表面张力差
-4.晶圆表面水分子受表面张力影响,流入溢流DI槽
.优点:
可克服深窄沟渠(Deeptrench)内的水分子脱水之因难(表面张力克服分子力)
MarangoniDryer
.系统示意图
化学酸槽的设计.QuartzTank
-用于不含氟化学药液的场合,可用于高温-波浪锯齿状可利液面overflow及recirculate
.TeflonTank(PVDFTank)
-用于含HF液之场合,但不适于高温
Note:
overflow与recirculate的目的
DisposalTank
DryCleanTechnology.干式洗净/去除的机构
.技术–主要应用Plasma,RFenergy,或Radiationenergy来提升化学反应的活化能,增进表面清洗能力
DryCleanTechnology
.HF/H2OVaporClean
-通入HF于低压的反应室内,HF蒸气生成SiF4气体,并经由抽气排出
DryCleanTechnology
.UV/O3DryClean
-利用Photochemically-enhancedcleaning的原理,通入O2后,利用UV能
量激发,使O2分子分解形成O及O3,而将有机碳氢化合物氧化成挥发性化合物,
抽气排出;
可通入不同气体(如HF或IPA+N2+Cl2),作其它之制程用
物理洗净技术.以物理原理及作用来清洗晶圆,主要用于微粒的清洗
-Ultrasonic(20k~50kHz)芯片浸于液中再施予超音波之能量,由于液体分子振动而产生微小气泡,冲激质点而使之脱落
.注意:
(1)有重附着的可能
(2)晶膜机械式损伤-SuperUltrasonic(~850KHz).对较小质点去除功能.配合湿式化学清洗方法增加效果物理洗净技术
.Jetspray/Scrubbing
-常应用在metallization,CVD,Epi前-晶背或晶面清洗
-以高压DIW喷洗并以刷子刷洗
SurfaceScan
Measurementofparticlesonthewafer
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- 半导体 清洗 设备
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