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Gate oxide 层的微粗糙(Micro-roughness)及自然氧化物(Native Oxide)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(DI water)，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
－Electrostatic force
－Varder Wals force
－Capillary force
－Chemical bond
－Surface topography force
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1010 atom/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Gate oxide 的厚度均匀性与Breakdown voltage
2.光阻与配方
光阻去除溶液
．主要光阻去除溶液
－Caro Clean or Piranha Clean
(SPM, H2SO4:H2O2=4:1 @110 oC~130 oC)
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
－Chilled DI + 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Gate oxide 的厚度均匀性与Breakdown voltage
自然氧化物的去除
．DHF-Last –在最后一站浸入(100:1 DHF)中，以去除Native Oxide
．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
．HF Vapor –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HF Vapor ，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=0.6 nm
－蚀刻制程以Conventional BHF影响最大，可达 Ra=0.9 nm
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-clean is the first developed cleaning process for bare and oxidized silicon wafer
．Process was introduced to RCA device fabrication center in 1965 and released in 1970
．Chemical principles:
－H2O2 at high pH condition is a powerful oxidant
－NH4OH is a strong complexant for metallic impurities
－HCl in H2O2 forms soluble Alkali and metal salts
－Mixtures formulated not to attack Si or SiO2
湿式洗净配方
．Modified RCA-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
．SPM Clean
－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
．Hardware configuration Vendor Vendor
－Wet station
．Conventional Bench Sugai, DNS, TEL, SCP ．Single Batch Plug Flow DNS, CFM, Steag ．Multiple Batch Plug Flow DNS, Sugai, TEL ．Batch Spray DNS, FSI
．Single Wafer Cleaner DNS, SEZ
－Dry cleaner
．HF Vapor Clean FSI FSI
湿式洗净设备
．Conventional Wet Bench
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
－Chemical change
－Chemical ratio
－Tank temperature
－Cleaning process time －Chemical concentration －Rinse time
－Rinse resistivity
－Robot operation
－Alarm
传统湿式洗净设备
．洗净功能(Recipe Capabilities)
－RCA
－B-Clean
－Pre-gate Clean
－B Clean-HF Last
－B Clean-No HF
－SPM-Clean
－Pre-metal-Clean
传统湿式洗净设备
．优点
a.节省化学用品
－化学槽换酸可依洗净的晶圆批数，作为下次换酸依据，故连续使用下，则每片芯片洗净的费用成本较低
b.连续洗净，提高机器用率(Machine Up Time)
－机台换酸后，预热约一小时方可使用，洗货时则每10~15分钟，可放入2个批量的晶舟(50 Pcs)
c. 技术成熟
－Field proven
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
．Plug Flow (Enclosed-Vessel Cleaning System)
原理–将晶圆置于密闭单容器(Enclosed Vessel)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
Spray Chemical Cleaning Processor
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
Spray Chemical Cleaning Processor
．系统方块图
Spray Chemical Cleaning Processor
．优点
－1. Small footprint
－2. No cross contamination due to fresh chemicals used in each cycle －3. Low DI water consumption
．缺点
－1. Poor uniformity
－2. HF last difficult
－3. High maintenance due to many rotating parts
Wafer Dry Technology
．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-Flow Spin Dryer
－IPA Dryer
－Marangoni Dryer
Down-Flow Spin Dryer
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(Water Mark)
Down-Flow Spin Dryer
．设备示意
Down-Flow Spin Dryer
．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
IPA Dryer
．原理–将潮湿的芯片传至IPA(Isopropyl Alcohol，异丙醇) Vapor Chamber 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
IPA Dryer
．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
Marangoni Dryer
．原理: 利用IPA与DI Water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
Marangoni Dryer
．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Marangoni effect 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(Deep trench)内的水分子脱水之因难(表面张力克服分子力)
Marangoni Dryer
．系统示意图
化学酸槽的设计
．Quartz Tank
－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
．Teflon Tank (PVDF Tank)
－用于含HF液之场合，但不适于高温
Recirculation Design
．Note: overflow与recirculate的目的
Disposal Tank
Dry Clean Technology
．干式洗净/去除的机构
．技术–主要应用Plasma，RF energy，或Radiation energy 来提升化学反应的活化能，增进表面清洗能力
Dry Clean Technology
．HF/H2O Vapor Clean
－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
Dry Clean Technology
．UV/O3 Dry Clean
－利用 Photochemically-enhanced cleaning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
－Super Ultrasonic (~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
．Jet spray/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
Surface Scan
．Measurement of particles on the wafer