摘要：干燥的目的是去除晶片表面的液体，保证晶片的洁净度。 干燥技术作为湿法清洗最后的步骤，最终决定了晶片清洗的表面质量。 分别探讨了离心甩干干燥单元、IR 干燥、Marangoni 干燥等技术，同时介绍了各自的优缺点，这些技术在高洁净湿法批处理清洗设备中都有非常广泛

晶片干燥技术在高洁净湿法清洗设备中的应用

祝福生，郭立刚，夏楠君，王文丽

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所)

摘要：

干燥的目的是去除晶片表面的液体，保证晶片的洁净度。 干燥技术作为湿法清洗最后的步骤，最终决定了晶片清洗的表面质量。 分别探讨了离心甩干干燥单元、IR 干燥、Marangoni 干燥等技术，同时介绍了各自的优缺点，这些技术在高洁净湿法批处理清洗设备中都有非常广泛的应用。

在整个半导体芯片制造工艺过程中几乎每道工序都涉及到清洗工艺，伴随着集成度的不断提高，制造工序和清洗工序越来越多。一般来说，全部半导体制造中晶片清洗工序高达 20%～50%。特别是随着芯片特征尺寸的不断缩小，器件的高度集成化，芯片制造过程中的各种污染，如颗粒、金属离子污染、薄膜污染、有机污染等，直接影响着器件的性能及良品率。因此，对清洗后晶片表面洁净度、金属离子含量等技术指标提出更高要求，清洗的难度也随之增加。目前，广泛应用的清洗方法分为湿法清洗和干法清洗两种，湿法清洗以其自身特点，是当前普遍采用的方法。

干燥的目的是去除晶片表面的液体，保证晶片表面洁净度，为晶片进入下一道工艺做好准备。它是湿法清洗工艺中最后一个步骤，最终决定了晶片清洗的表面质量。干燥工序处理不当，极易导致晶片碎裂、表面损伤、氧化、水渍、颗粒的引入和沾污等缺陷，影响器件的性能及良率，严重时甚至致使整个晶片报废。由于干燥技术的重要性使其越来越受到人们的关注。

清洗设备中槽式批处理清洗设备（wet bench）和单片清洗设备（single spray tool）所使用的干燥方法多种多样，旋转配合氮气吹扫干燥是单片清洗设备采用的主要方法。槽式批处理清洗设备干燥方式主要有热 N2 干燥、离心甩干干燥、慢提拉与 IR 干燥 、Marangoni 干燥 、IPA Vapor 干燥 、HF/O3 干燥等。本文所介绍的离心甩干干燥单元、慢拉与 IR 干燥、Marangoni 干燥等技术主要应用于高洁净全自动槽式批处理清洗设备中。

1 离心 甩 干 干 燥 单 元

离心甩干依据旋转主轴轴线所处水平或竖直的位置可分为卧式甩干和立式甩干两种。甩干机在生产线上比较常见，本文讨论的离心干燥单元属于立式甩干，是集成于高洁净全自动槽式批处理清洗设备中，与设备传输机械手相配合，实现晶片清洗干进干出的干燥技术单元。

离心 甩 干 干 燥 单 元 的 结 构 示 意 图 如 图 1 所示。其工作原理是：通过旋转机构驱动，使旋转架及晶片达到高速旋转状态，旋转架的高速旋转致使干燥腔体内形成负压，由于腔外的空气压力大于腔内压力，外部的空气通过净化单元进入腔体，在腔内形成高洁净空气流，通过离心力和腔内高洁净空气对流的双重作用，辅以防静电控制技术、工作腔密封技术，来实现对晶片的洁净干燥。离心甩干干燥单元主要用于直径 200 mm （8 英寸）及以下晶片干燥，通常单次可处理 2 盒 50 片，不但提高了产能，而且承载架对称布置，更易实现旋转部分整体的动平衡。在不更换任何部件的情况下，兼容实现两种不同规格尺寸晶片的干燥。这种干燥方式由于在干燥过程中主要使用洁净空气，仅使用少量的氮气。因此，减少了氮气的消耗量，降低了使用成本，并且干燥效果好，晶片表面洁净，颗粒少且不易产生水痕。不足之处是对于存在深窄沟渠的晶圆，干燥效果不甚理想，且对于超薄晶片，在干燥过程中易产生碎片，因此不适合超薄晶片的干燥。

离心甩干干燥单元主要由机架、干燥腔体、自动盖、旋转机构、减震 机 构 、空气 净 化 单 元 、旋转架、片盒架、排风系统、排水系统、片盒翻转机构等组成。自动盖内置高效空气净化单元，通过两气缸实现自动盖打开与关闭。干燥腔体由不锈钢采用无缝激光焊接技术焊接成型并进行电化学抛光处理，以保证腔体的洁净度。旋转机构由伺服电机，编码器等构成，为旋转架转动提供动力。定位机构使旋转架精准定位，以便自动清洗设备机械手能准确抓取其上的片盒。减震机构用于消除旋转架高速旋转时引起的机架震动。该单元的工作流程是：首先打开自动盖，通过片盒翻转机构将转架上的片架翻转 90°，机械手将片盒放入片架内，片盒翻转机构将翻转复位，使晶片轴线保持竖直方向，启动旋转电机，带动转架转动按设定的转速转动，同时打开排风系统，使空气经过净化单元流经甩干腔体并排至排风管道，保持甩干腔中的气体始终处于流动状态。当到达设定处理的时间，完成对晶片的干燥后，电机停止转动，自动盖开启，片盒翻转机构将片架翻转 90°，机械手将片盒取出传送到下一个工位。

在干燥过程中，旋转轴的转速、腔体的洁净度、自动盖的密封、空气净化单元高效过滤器的过滤精度、旋转机构与腔体的密封、静电的消除等均是影响晶片干燥及洁净度的重要因素。甩干单元一般最大转速为 1000 r/min，工作转速为 800 r/min，为了保证干燥后晶片表面颗粒度指标，干燥腔体与自动盖以及干燥腔体与旋转机构之间均设有密封结构，防止腔外的不洁净气体进入腔内造成晶片的污染。另外，由于旋转架高速转动易在腔体内产生静电，颗粒通过静电吸附在晶片上导致颗粒度指标超标，这一问题可通过安装静电消除装置解决。

2 慢提 拉 与 IR 干燥

热水慢 提 拉 与 IR（红 外）干 燥 是 一 种 行 之 有效的晶片干燥方式，特别是对于衬底抛光片等要求较高的晶片干燥，不仅能够避免水痕等干燥缺陷的产生，而且干燥彻底，晶片表面洁净，能够达到较高的颗粒度指标。由于在干燥过程中不用 I-PA 等化学药液，该干燥方式更安全而且环保。

这种 干 燥 方 式 分 为“ 脱水 ”和“ 干燥 ”两个 步骤，分别由热水慢提拉和 IR 干燥实现。脱水是除去晶片表面的水分，干燥是借助热能将晶片表面的湿份蒸发掉。单独使用 IR 干燥与此方式相比，由于没有经过慢提拉脱水，晶片表面及片盒都存有水分，要将其汽化蒸发需要较高的温度。因此干燥温度和时间均较长，且易产生水痕等干燥缺陷。

图 2 是应用于无片盒（Cassette-less）清洗的热水慢提拉的结构示意图。在晶片的清洗干燥过程中不 使 用 Cassette 仅有 晶 片 支 撑 及 定 位 装 置 ，目的是减少晶片和 Cassette 的接触面积，更有利于提高晶片腐蚀清洗及干燥效果。其结构主要包括晶片提升机构、晶片支持架、热水槽等部分。工作原理是：超纯水通过在线加热系统加热后不断进入热水槽内，当需要干燥的晶片放入热水槽时，为了保证槽内水的洁净度，水处于小流量（3L/min）溢流状态，持续一定时间后，停止热水注入，使液面处于静止状态，提升机构带动晶片缓慢提升并脱离水面，在水的表面张力作用下，晶片表面的水分脱离晶片，达到脱水的目的。影响脱水效果的主要因素有纯水的温度、纯水的洁净度、提升机构提升速度等。随着水温的增加，水的表面张力逐渐减小，当水的温度是 80 ℃时，水的表面张力最适合脱水，但会伴有蒸汽，晶片会再次被湿化。实验证明，纯水温度在 60～70 ℃时是较好的工艺温度，脱水效果最好。晶片提升速度对脱水影响很大，速度较高时不能完全脱水，速度较低时，脱水过程时间过长，影响生产效率，通过应用验证，速度为1～2mm/s 时是最佳的脱水提升速度。

IR 干燥是利用红外灯产生的热能以辐射方式传递到晶圆表面，使其吸收并使湿份汽化，用以实现晶片的干燥。其结构如图 3 所示。主要包括红外加热系统、温度探头、烘干槽及反光罩等几部分。通过脱水步骤后，晶片在 IR 干燥时已经不需要较高温度，一般维持烘干槽内温度 45～50 ℃即可使晶片彻底干燥。对于颗粒和表面金属离子含量有较高要求的晶片干燥，可在晶片和烘干槽之间加装一 石 英 槽 ， 可有 效 减 少 颗 粒 和 金 属 离 子 的 污染，干燥槽排风流场也是影响干燥洁净度的重要因素。

3Marangoni 干燥

基于 Marangoni 效应的 Marangoni 干燥技术，是利用 IPA（异丙醇）与高纯水不同的表面张力将晶圆表面的水分子吸收到干燥水槽内以实现对晶片的干燥。适用于直径 150 mm（6 英寸）以上，特别是带有深窄沟槽晶片的干燥，其干燥效果好，洁净度高，IPA 消耗少，也是大规模集成电路制造中通常使用的干燥方法之一。

图 4 是 Marangoni 干燥结构示意图，由提升机构、干燥腔、平移机构、干燥水槽等部分组成。干燥过程主要分三个阶段：晶片脱水、花篮脱水、减压排风干燥。开始工作时，平移机构移动，干燥腔打开，清洗设备配置的机械手将带有晶片的 Cassette放入干燥水槽中的提升机构定位块内，干燥水槽快速注入水阀打开，对晶片进行溢流冲洗，之后，平移气缸反向移动，干燥腔闭合。当干燥水槽 DI水水阻率达到设定值或达到设定时间确保晶片冲洗干净后，快速注水阀门关闭，慢注阀门打开，工艺槽处于非常缓慢溢流状态。此时，鼓氮阀门打开，氮气进入装有 IPA 液体的雾化槽内进行鼓氮，使 IPA 和氮气混合气体进入干燥腔内，在水面上形成 IPA 气体环境。之后，提升机构中 Dry knife以极慢的速度将晶片顶起，进行慢拉脱水，当晶片完全进入干燥腔中，干燥腔内锁止气缸转动，将晶片锁住并留于干燥腔内。关闭慢注阀停止注水，再次打开鼓氮阀门，氮气和 IPA 混合气体进入干燥腔，到设定时间后，将上述两个阀门关闭，此时，在水面上形成 IPA 气体环境，打开干燥腔氮气注入阀和水槽慢排阀，水以极慢的速度排放，利用表面张力对 Cassette 进行脱水。

当 Cassette 已经 完 全 脱 离 水 面 并完 成 脱 水后，快排阀门打开，将 干 燥 水 槽 排 空 ，同 时 ，打 开干燥水槽侧部的排风，将槽内残存的 IPA 气体抽走。氮气阀门关闭，Dry knife 再次上升将晶片托起，锁紧气缸旋转解锁，Dry knife 下降将晶片放入干 燥 后 的 Cassette 内 。 平移 机 构 移 动 ，干 燥 腔打开 ， 机 械 手 将 干 燥 后 Cassette 及晶 片 取 出 ，干燥过程结束。

提升机构 Dry knife 慢提拉速度、IPA 流量、慢排水的速度、氮气的流量、干燥水槽排风等均是影响干燥效果的重要因素。实验表明，当 IPA 流量在20 L/min，Dry knife 慢提 拉 速 度 为 0.5 ～1mm/s时，能够达到较好地干燥效果。同时，采用 IPA 雾化槽温水浴加热，在加热温度不高（30 ℃左右）时，更有利于 IPA 的挥发，与常温使用比较，在保证安全的情况下，不但干燥效果稳定，而且能够避免水痕等干燥缺陷产生。

4 结束 语

离心甩干干燥单元、慢提拉与IR 干燥 、Marangoni 干燥等干燥技术在湿法清洗特别是在全自动干进干出高洁净槽式批处理清洗设备有着广泛的应用。随着干燥技术的不断发展，干燥过程中晶片安全性和污染问题仍将是今后需要重点解决的课题。

来源：小高科技观