半導(dǎo)體硅片清洗設(shè)備研究進(jìn)展

林曉杰，劉麗君，王維升

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032;2.沈陽硅基科技有限公司，沈陽 110169)

1 引言

早在50年代初期，硅片清洗對半導(dǎo)體工業(yè)的重要性就已經(jīng)引起人們的高度重視，這是由于硅片表面的污染物會嚴(yán)重影響器件的性能、可靠性和成品率。尤其是當(dāng)集成電路由大規(guī)模向超大規(guī)模(VLSI)和甚大規(guī)模(ULSI)發(fā)展時，電路的集成度日益提高、單元圖形的尺寸日益微化，污染物對器件的影響也愈加突出，以致于潔凈表面的制備技術(shù)已成為制作新一代 DRAM 的關(guān)鍵技術(shù)［1－3］。

集成電路制造過程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、擴散和引線蒸發(fā)等工序前，采用物理或化學(xué)方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清潔度要求的硅片表面的過程。

硅片表面的污染物通常以原子、離子、分子、粒子或膜的形式以化學(xué)或物理吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身的氧化膜中。硅片清洗要求既能去除各類雜質(zhì)又不損壞硅片。常見的清洗技術(shù)可分為物理清洗和化學(xué)清洗，化學(xué)清洗又包括濕法清洗和氣相清洗等。不同的清洗技術(shù)需要專門的設(shè)備與之配合。隨著清洗技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，硅片清洗設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新工作獲得了長足的發(fā)展，并已經(jīng)逐步形成了一個趨于完善同時不斷走向?qū)I(yè)和細(xì)化的行業(yè)。其中濕法清洗設(shè)備一直占據(jù)主導(dǎo)地位［4－7］。

2 常用硅片清洗設(shè)備及裝置

2.1 浸入式濕法清洗槽

濕法化學(xué)清洗系統(tǒng)既可以是浸入式的又可以是旋轉(zhuǎn)式的。一般設(shè)備主要包括一組濕法化學(xué)清洗槽和相應(yīng)的水槽，另外還可能配有甩干裝置。硅片放在一個清洗專用花籃中放入化學(xué)槽一段指定的時間，之后取出放入對應(yīng)的水槽中沖洗。

對于清洗設(shè)備的設(shè)計來說，材料的選擇至關(guān)重要。使用時根據(jù)化學(xué)液的濃度、酸堿度、使用溫度等條件選擇相應(yīng)的槽體材料。從材質(zhì)上來說一般有NPP、PVDF、PTFE、石英玻璃等［8］。例如:PVDF、PTFE、石英玻璃等一般用在需加熱的強酸強堿清洗，其中石英玻璃不能用在HF清洗中，NPP一般用在常溫下的弱酸弱堿清洗。而常溫化學(xué)槽，一般為NPP材料。

圖1 石英加熱槽

槽內(nèi)溶液可加熱到180℃甚至更高，它一般由石英內(nèi)槽、保溫層、塑料(PP)外槽組成。石英槽加熱可以通過粘貼加熱膜或者直接在石英玻璃上涂敷加熱材料實現(xiàn)。石英槽內(nèi)需安裝溫度和液位傳感器，以實現(xiàn)對溫度的精確控制以及槽內(nèi)液位的檢測，防止槽內(nèi)液位過低造成加熱器干燒。

除此之外PVDF(PTFE)加熱槽也較為常用，這類加熱槽常用于HF溶液的清洗中。由于受到槽體材料的限制，這類加熱槽只能使用潛入式加熱，潛入式加熱器一般有盤管式和平板式兩種，加熱器外包覆PFA管。

2.2 兆聲清洗槽

RCA或者改進(jìn)的RCA清洗配合兆聲能量是目前使用非常廣泛的清洗方法。在附加了兆聲能量后，可大幅降低溶液的使用溫度以及工藝時間，而清洗效果更加有效。常用兆聲清洗的頻率為800kHz－1MHz，兆聲功率在 100 － 600W［9－10］。兆聲換能器有平板式、圓弧板式等形式。兆聲換能器可直接安裝于槽體底部，石英清洗槽則可以采用水浴的方式，兆聲換能器安裝于外槽底部，這樣可以避免清洗液對兆聲換能器的浸蝕。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 兆聲槽

兆聲換能器在工作過程中會在石英槽底部產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡會大量吸收兆聲能量，大大降低了兆聲清洗的效果。因此內(nèi)槽石英缸底部一般要有10－15度的傾斜角度，當(dāng)有氣泡產(chǎn)生時，由于浮力的作用氣泡沿傾斜的石英槽底向上移動，脫離石英槽壁浮出水面，減少了氣泡對兆聲能量的損耗。另外水浴外槽可根據(jù)不同的需要采用不銹鋼槽、石英槽等。圓弧板兆聲換能器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，使其在兆聲能量的傳播方向、能量分布上更加合理，清洗效果更加顯著，一般情況下，圓弧板兆聲換能器只需要平板兆聲換能器使用減半的功率即可達(dá)到相同的清洗效果。

2.3 旋轉(zhuǎn)噴淋清洗

旋轉(zhuǎn)噴淋清洗是浸入型清洗的變型。系統(tǒng)中一般包括自動配液系統(tǒng)、清洗腔體、廢液回收系統(tǒng)。噴淋清洗在一個密封的工作腔內(nèi)一次完成化學(xué)清洗、去離子水沖洗、旋轉(zhuǎn)甩干等過程，減少了在每一步清洗過程中由于人為操作因素造成的影響。在噴淋清洗中由于旋轉(zhuǎn)和噴淋的效果，使得硅片表面的溶液更加均勻，同時，接觸到硅片表面的溶液永遠(yuǎn)是新鮮的，這樣就可以做到通過工藝時間設(shè)置，精確控制硅片的清洗腐蝕效果，實現(xiàn)很好的一致性。密封的工作腔可以隔絕化學(xué)液的揮發(fā)，減少溶液的損耗以及溶液蒸氣對人體和環(huán)境的危害。各系統(tǒng)分別貯于不同的化學(xué)試劑，在使用時到達(dá)噴口之前才混合，使其保持新鮮，以發(fā)揮最大的潛力，這樣在清洗時會反應(yīng)最快。用N2噴時使液體通過很小的噴口，使其形成很細(xì)的霧狀，至硅片表面達(dá)到更好的清洗目的［11］。

此方法適用于除去氧化膜或有機物。因為化學(xué)物質(zhì)在硅片表面停留的時間比較短，對反應(yīng)需要一定時間的清洗效果不好。在噴洗過程中所使用的化學(xué)試劑很少，對控制成本及環(huán)境保護(hù)有利。

2.4 刷洗器

刷洗器主要用于硅片拋光后的清洗，可有效地去除硅片正反兩面lμm以及更大的顆粒。主要配置包括專用刷洗器、優(yōu)化的化學(xué)清洗液及超純水或者IPA。在水動力條件下，顆粒被旋轉(zhuǎn)的海綿狀刷子趕出，其結(jié)構(gòu)如圖3所示［8］。

圖3 硅片刷洗裝置

一個典型的POST－CMP清洗裝置包括兩個刷洗箱和一個兆聲波清洗模塊。早期使用的尼龍毛刷易造成硅片的損傷，現(xiàn)在一般采用聚乙烯醇(PVA)毛刷，PVA毛刷配合去離子水，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PVA材質(zhì)刷洗器

3 硅片清洗設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 全自動濕法清洗設(shè)備

高產(chǎn)能的12寸浸入槽體設(shè)備可以通過機械傳動系統(tǒng)實現(xiàn)全自動清洗。某些設(shè)備通過機械臂的設(shè)計，采用機械手完全代替花籃來承載硅片。這類設(shè)計可以減少傳動中在硅片上的觸點，減小劃傷硅片的可能性。由于浸入式清洗可能造成同樣的化學(xué)藥品重復(fù)使用，帶來交叉沾污硅片的可能性。因此，在槽體中設(shè)計化學(xué)液的循環(huán)和過濾系統(tǒng)是非常必要的。這一設(shè)計目前已被廣泛采用。

化學(xué)槽體之后的沖洗步驟也非常重要，對于SPM這樣粘度較大的化學(xué)液來說，使用快排槽(quick dump tanks，ODR)進(jìn)行沖洗是非常必要的。這種沖洗方式對于快速去掉硅片表面殘留的化學(xué)液十分有效，并且已經(jīng)被應(yīng)用在浸入式清洗設(shè)備上。但是這種方法也有一定的缺點，噴淋和快排的交替進(jìn)行需要大量的超純水，同時噴淋的管口也有帶來沾污的可能［12］。

3.2 氣相干洗設(shè)備

在集成電路的制作過程中，清洗是重復(fù)次數(shù)最多的工序。有些工藝甚至需要100多次的清洗步驟。而這些步驟中所使用的化學(xué)品和清洗工藝并不是完全相同的，需要配合清洗硅片的性質(zhì)特點以及前后工序?qū)η逑床襟E的要求。

首先，濕式化學(xué)清洗對于工藝整合提出挑戰(zhàn)。要做到盡量減少壓力，熱處理及刻蝕過程的表面準(zhǔn)備控制，氣相干洗可以獲得更理想的效果。另外，對于使用表面活性劑使硅片與化學(xué)液融合來說，使化學(xué)液徹底離開硅片要困難得多，有的時候甚至需要采用促進(jìn)蒸發(fā)的辦法。另外濕式清洗對于顆粒的控制難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于全干的環(huán)境［13］。然而氣相清洗也有它自身的缺陷，對于硅片清洗中最難去除的金屬沾污，包括過渡金屬、重金屬和Al離子等。而具有硅刻蝕功能的濕法化學(xué)清洗卻可以克服這一缺點。

3.3 等離子體清洗設(shè)備

等離子加工技術(shù)在集成電路的制造工藝中非常普遍。通常一個硅片要經(jīng)過許多等離子體加工的步驟。主要涉及薄膜沉積，刻蝕，光刻剝離以及清洗等工序。等離子體是通過調(diào)節(jié)無線電頻率或微波能量而獲得的離子化氣體分子，通常由不同電子狀態(tài)的化學(xué)物種構(gòu)成。其中正負(fù)電荷近似相等，可能包括自由基、中性分子以及自由電子。與器壁或者與其它物種的碰撞不斷造成這些物種的再結(jié)合。因此，必須供給等離子體足夠的能量以維持其高能氣體。

等離子體清洗技術(shù)在硅片清洗中比較成熟的應(yīng)用便是等離子體去膠(干法去膠)。所謂等離子體去膠是指在反應(yīng)系統(tǒng)中通入少量的氧氣，在強電場作用下，使低氣壓的氧氣產(chǎn)生等離子體，其中活化氣(或稱活潑的原子態(tài)氣)占有適當(dāng)比例，可以迅速地使光刻膠氧化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)并被機械泵抽走，這樣把硅片上的光刻膠膜去除掉。該法工藝簡單、操作方便，而且沒有廢料處理和環(huán)境污染等問題。但是不能去除碳和其它非揮發(fā)性金屬或金屬氧化物。如錫的殘質(zhì)會留在硅表面上，因此還要加一道去除金屬雜質(zhì)的洗液清洗。

目前有多種類型的商業(yè)化的等離子加工系統(tǒng)被用于剝離和清洗工藝中。其中，最常用的反應(yīng)類型是誘導(dǎo)耦合離子源以及遠(yuǎn)程微波和射頻離子源等。等離子體反應(yīng)器有一個較長的發(fā)展歷史。第一個應(yīng)用在IC制造業(yè)的反應(yīng)器叫做“賴因伯格”反應(yīng)器。技術(shù)發(fā)展到今天，它們已經(jīng)廣泛應(yīng)用于硅片表面清洗、制備和圖形制作。

4 結(jié) 束 語

在各種集成電路的制造過程中，隨著清洗方法的不斷創(chuàng)新與聯(lián)合應(yīng)用，目前的硅片清洗工藝已不再是一個簡單的制作步驟，而是一個系統(tǒng)的清洗工程。硅片清洗技術(shù)的革新與發(fā)展，推動了清洗設(shè)備制造企業(yè)加大研發(fā)力度，不僅僅是制造出設(shè)備，從某個角度來說，還需根據(jù)各家硅片生產(chǎn)企業(yè)的具體情況提供不同的清洗方案和設(shè)備定制設(shè)計，幫客戶最大限度地降低成本和減少損失，同時盡量減少清洗設(shè)備本身可能帶來的沾污。未來的硅片清洗設(shè)備將向整合性，集成化與全自動的方向發(fā)展。

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