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1、半导体湿式清洗设备湿式清洗晶圆洗净的目的主要去除晶圆外表的脏污，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)去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)除湿枯燥的技术配方与洗净目标化学配方与洗净目标，RCA-recipe1.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(Gas
2、es)或其它制程遗留的杂质或干净室中所沾染的 dust微粒附着于晶圆外表所受的吸附力Electrostatic forceVarder Wals forceCapillary forceChemical bondSurface 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、晶盒及干净室环境的建材，如油漆，机台等污染源造成阻绝洗净
3、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 oC130 oC)缺点: H2O2 不易维持稳定浓度H2SO4 + O3O3 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响，可免 H2SO4 使用，低残留硫含量自然氧化物晶圆外表因曝露在空氧中或浸泡在纯水中，造成外表的氧化，约510A 厚度， 或在化学洗净过程中，接触强氧化剂，如 H2O
4、2 而在外表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 在最终一站浸入(100:1 DHF)中，以去除 Native OxideHF + H2O2 (FPM-Last) 在最终一站，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) 在最终一站，浸入(0.5%HF+ IPA1000ppm)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
5、为载气，通入 HF Vapor ，可去除 Oxide外表微粗糙度化学药剂的使用是影响外表粗糙度的主因: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 waferProcess was intro
6、duced to RCA device fabrication center in 1965 and released in 1970Chemical principles:H2O2 at high pH condition is a powerful oxidantNH4OH is a strong complexant for metallic impuritiesHCl in H2O2 forms soluble Alkali and metal saltsMixtures formulated not to attack Si or SiO2 湿式洗净配方Modified RCA-Cl
7、ean 加上去除光阻及有机物力量，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。主要功能乃将析出外表的磷玻璃(P2O5)及硼玻璃(B2O5)溶于 H2SO4 中;或在离子植入后，去除芯片外表的Polymer(有机物)3. 湿式清洗设备制程设备Hardware configuration Vendor VendorWet stationConventional Bench Sugai, DNS, TEL, SCPSingle Batch Plug Flow D
8、NS, CFM, SteagMultiple Batch Plug Flow DNS, Sugai, TELBatch Spray DNS, FSISingle Wafer Cleaner DNS, SEZDry cleanerHF 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心掌握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/枯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 changeChemical r
9、atioTank temperatureCleaning process timeChemical concentrationRinse timeRinse resistivityRobot operationAlarm传统湿式洗净设备洗净功能(Recipe Capabilities)RCAB-CleanPre-gate CleanB Clean-HF LastB Clean-No HFSPM-CleanPre-metal-Clean传统湿式洗净设备优点a. 节约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本钱较低b. 连续洗净，提高机器用率(Ma
10、chine Up Time)机台换酸后，预热约一小时方可使用，洗货时则每 1015 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
11、DI 纯水洗濯残留酸碱液，再通入 IPA 将晶圆枯燥封密式容器洗净设备特点晶圆在密闭容器内进展洗净程序，芯片不接触空气，因此可削减微粒污染优点Footprint 较小较少微粒污染系统较简洁溶液浓较易掌握较少化学品及 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，颖的洗净化学液经由 N2 加压，自中心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 foot
12、print2.No cross contamination due to fresh chemicals used ineachcycle3.Low DI water consumption缺点1. Poor uniformity2. HF last difficult3. High maintenance due to many rotating parts Wafer Dry Technology晶圆枯燥技术主要功能是脱水枯燥，理论上需到达不增加芯片上的微粒的需求枯燥机可分为Down-Flow Spin DryerIPA DryerMarangoni Dryer Down-Flow Spi
13、n Dryer原理 利用高速旋转下产生的离心力，并协作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 34 秒内，加速至 800rpm振动的抑制内部压力的抑制(高速易生低压，导致排气倒灌腔壁几何外形设计不当，易积沈积物或使水滴反弹至芯片外表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，导入蒸汽枯燥室内由底部的加热器，使 IPA 受
14、热蒸发为蒸汽。IPA 高挥发性可将将晶圆外表水份脱水枯燥 ，避开水痕、微粒及金属杂质IPA DryerIPA 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 蒸汽的干净度Marangoni Dryer原理: 利用 IPA 与 DI Water 外表张力的不同，将晶圆外表残留的水分子吸取流回水槽，而脱水枯燥程序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. 芯片外表的 IPA 浓度大于 DIW 浓度，故外表张力减小，因此水分子被吸回水面Marangoni Dryer制程1. 在 Overflow 槽洗净到达设定
15、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 外表张力差4. 晶圆外表水分子受外表张力影响，流入溢流 DI 槽优点: 可抑制深窄沟渠(Deep trench)内的水分子脱水之因难(外表张力抑制分子力)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 recirculateTeflon Tank (PVDF Tank)用于含 HF 液之场合，但不适于高温Recirculation DesignNot
16、e: overflow 与 recirculate 的目的Disposal TankDry Clean Technology干式洗净/去除的机构技术主要应用 Plasma，RF energy，或 Radiation energy 来提升化学反响的活化能，增进外表清洗力量Dry Clean TechnologyHF/H2O Vapor Clean通入 HF 于低压的反响室内， HF 蒸气生成 SiF4 气体，并经由抽气排出Dry Clean TechnologyUV/O3 Dry Clean利用 Photochemically-enhanced cleaning 的原理，通入 O2 后，利用 U
17、V 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(20k50kHz) 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留意:(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协作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 ScanMeasurement of particles on the wafer