旋轉(zhuǎn)式晶圓自動(dòng)干燥裝置的設(shè)計(jì)與研究

摘 要：闡述了制造半導(dǎo)體器件的晶圓在清洗過程中的高潔凈度自動(dòng)烘干環(huán)節(jié)的重要性，介紹了旋轉(zhuǎn)式晶圓自動(dòng)干燥裝置的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適合于工業(yè)化生產(chǎn)的晶圓自動(dòng)干燥裝置，滿足了半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)對(duì)晶圓表面的烘干要求。

關(guān)鍵詞：晶圓干燥；氮?dú)饧訜?；半?dǎo)體生產(chǎn)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)和科研方面都大大加快了發(fā)展速度，并已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。作為信息產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，而半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展是與工藝技術(shù)及工藝設(shè)備的開發(fā)息息相關(guān)的。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在半導(dǎo)體工藝設(shè)備的研究和開發(fā)方面還處于落后地位，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)單位往往不得不高價(jià)購(gòu)買國(guó)外被淘汰的二手設(shè)備[2]。這樣一方面增大了生產(chǎn)成本，另一方面也嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。因此，積極研究開發(fā)可靠實(shí)用的半導(dǎo)體工藝技術(shù)及工藝設(shè)備刻不容緩。

目前，在半導(dǎo)體制造工藝中，濕法刻蝕和清洗占有很大的比重，而在這些工藝流程中有30%左右是晶圓的刻蝕和清洗工藝。晶圓廣泛應(yīng)用于各種集成電路、半導(dǎo)體元器件、計(jì)算機(jī)、信息工業(yè)以及民用產(chǎn)品中。晶圓在經(jīng)過濕法刻蝕或者清洗的環(huán)節(jié)后，表面會(huì)留下一些水或者清洗液的殘留物，由于這些水或者清洗液的殘留物中溶解有雜質(zhì)，如果等待這些殘留的液體自行蒸發(fā)干燥，則這些雜質(zhì)會(huì)重新粘到晶片的表面上，造成污染，甚至破壞晶片的結(jié)構(gòu)，所以需要對(duì)晶圓進(jìn)行干燥處理來(lái)去除這些殘留的液體。

現(xiàn)有晶圓清洗及烘干多采用手動(dòng)清洗方式，在晶圓干燥環(huán)節(jié)也多是采用手動(dòng)放片，設(shè)備利用率低，操作人員在各清洗工序搬運(yùn)晶圓，勞動(dòng)強(qiáng)度較大；另外，晶圓清洗所用的化學(xué)液多為強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或有機(jī)溶液，長(zhǎng)時(shí)間接觸對(duì)人體有一定的危害；所以實(shí)現(xiàn)清洗設(shè)備自動(dòng)化，盡量減少人的干預(yù)是濕法清洗設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。

目前使用較多的自動(dòng)清洗機(jī)大體結(jié)構(gòu)包括依次排列的自動(dòng)上料裝置、化學(xué)處理工藝裝置、自動(dòng)清洗裝置和自動(dòng)下料裝置，采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)基片片盒的傳遞過程。由于晶圓干燥設(shè)備占用空間較大，與自動(dòng)清洗機(jī)不好兼容，所以晶圓干燥仍是作為一種獨(dú)立的工藝單元，采用人工搬運(yùn)放片的方式。有鑒于此，筆者嘗試設(shè)計(jì)一套旋轉(zhuǎn)式晶圓自動(dòng)干燥裝置，所占用空間更少，與自動(dòng)清洗設(shè)備兼容，從而實(shí)現(xiàn)晶圓清洗、烘干工藝的連續(xù)性，減少人員參與。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置能較好的滿足自動(dòng)清洗設(shè)備的晶圓干燥要求，且成本較低。

2 裝置總體設(shè)計(jì)與構(gòu)成

氮?dú)饩哂谐杀镜?、易獲取、惰性強(qiáng)、無(wú)毒害的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造過程中。經(jīng)過加熱后的氮?dú)饬魇呛芎玫母稍锝橘|(zhì)，一方面高速氣流可以沖離附著在晶圓表面的液體，另一方面高溫能也能促進(jìn)液體的揮發(fā)。本裝置采用向晶圓表面連續(xù)吹熱氮?dú)獾姆椒▉?lái)進(jìn)行晶圓表面的干燥。同時(shí)裝置主體采用潔凈聚乙烯材質(zhì)，以減少裝置內(nèi)的熱量散失，提高干燥效率并防止外界雜質(zhì)、顆粒的混入。

旋轉(zhuǎn)式晶圓自動(dòng)干燥裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由晶圓定位及旋轉(zhuǎn)單元、干燥槽體單元、氮?dú)饧訜釂卧热糠纸M成。其中，片盒定位及旋轉(zhuǎn)單元用來(lái)安裝固定待干燥的晶圓，并使片盒進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；干燥槽體單元由干燥槽體和自動(dòng)槽蓋組成，方便機(jī)械手完成抓取及放置片盒的動(dòng)作，并提供隔熱密閉的干燥處理環(huán)境；氮?dú)饧訜釂卧獮樵诰€加熱裝置，可實(shí)時(shí)向干燥槽提供連續(xù)不斷的熱氮?dú)?，通過干燥槽體四壁安置的噴嘴以一定流速和方向噴入干燥槽內(nèi)。

本裝置的工作原理是：當(dāng)機(jī)械手在上道工序完成抓取片盒的動(dòng)作時(shí)，旋轉(zhuǎn)式晶圓自動(dòng)干燥裝置的自動(dòng)槽蓋打開，通過檢測(cè)定位片盒旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的位置，確保機(jī)械手帶著抓取的片盒能正確放置入片盒定位及旋轉(zhuǎn)單元上，然后，機(jī)械手上抬，自動(dòng)槽蓋關(guān)閉。電機(jī)驅(qū)動(dòng)片盒定位及旋轉(zhuǎn)單元做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，噴嘴噴出熱氮?dú)鈱?duì)片盒中的晶圓進(jìn)行噴吹，形成環(huán)繞氣場(chǎng)，干燥晶圓。通過設(shè)置用于在各工位之間輸送基片的機(jī)械手，使整個(gè)清洗烘干過程無(wú)需人工干預(yù)，從上料位到下料位，只需機(jī)械手來(lái)完成基片的傳遞工作。

3 各單元設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

本裝置主體可分為晶圓定位及旋轉(zhuǎn)單元、干燥槽體單元、氮?dú)饧訜釂卧糠?，下面分別進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 晶圓定位及旋轉(zhuǎn)單元

晶圓有各種尺寸，如常用的2寸，4寸，6寸，8寸等，由于晶圓本身較薄，易碎，為方便進(jìn)行搬運(yùn)及工藝處理，晶圓一般放置于專用尺寸的片盒中。晶圓定位及旋轉(zhuǎn)單元主要由片盒、片盒定位盤、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電機(jī)等組成，其設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)如圖2所示。片盒采用鏤空結(jié)構(gòu)，有定位槽，方便晶圓片的擺放。片盒定位盤可對(duì)片盒進(jìn)行定位，并能兼容常用尺寸的片盒。機(jī)械手將片盒放置于片盒定位盤，并檢測(cè)放置無(wú)誤后，電機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)片盒定位及旋轉(zhuǎn)單元做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)從槽體內(nèi)均勻安置的噴嘴中噴出熱氮?dú)鈱?duì)片盒中的晶圓進(jìn)行噴吹，形成環(huán)繞氣場(chǎng)，從而達(dá)到較好的干燥效果。另外，晶圓清洗等工藝所用的化學(xué)液多為強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或有機(jī)溶液，在這種環(huán)境中，電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電源線、信號(hào)線等需要進(jìn)行必要的物理防護(hù)。

3.2 干燥槽體單元

干燥槽體單元的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，干燥槽體單元由干燥槽體和自動(dòng)槽蓋組成，兩者通過滑軌連接，用汽缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。槽體底部開有可調(diào)節(jié)氣量的排氣口，可根據(jù)通入氮?dú)饬康拇笮∵M(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，便于廢氣的排出。根據(jù)片盒的位置及旋轉(zhuǎn)方向，槽體內(nèi)壁安裝有均布并帶一定噴射角度的噴嘴，通過多次試驗(yàn)，確定了最佳的噴射角度及方向。另外，高溫氮?dú)鉁囟容^高，操作不當(dāng)可能容易燙傷操作人員，因此在槽體邊緣設(shè)置有檢測(cè)開關(guān)以確保槽蓋打開后氮?dú)夤苈逢P(guān)閉；當(dāng)自動(dòng)槽蓋關(guān)閉時(shí)，檢測(cè)開關(guān)輸出檢測(cè)信號(hào)，通過控制器打開氮?dú)夤苈?，噴熱氮?dú)?；相反，?dāng)自動(dòng)槽蓋打開時(shí)，控制器關(guān)閉氮?dú)夤苈罚瑫r(shí)切斷氮?dú)饧訜釂卧碾娫础?/p>

3.3 氮?dú)饧訜釂卧?/p>

如圖3所示，氮?dú)饧訜釂卧饕杉訜嵫b置、氮?dú)馊肟?、氮?dú)獬隹诘冉M成。加熱裝置一般采用功率較大的電熱絲加熱方式，功率根據(jù)氮?dú)饬髁俊⒌獨(dú)饧訜釡囟榷?。為了防止加熱電源線、管體內(nèi)部被酸霧等腐蝕，可對(duì)導(dǎo)線以及接口等進(jìn)行防腐密封處理。為提高加熱效率，加熱腔內(nèi)壁與加熱管外壁均留有一定間隙，這樣所有通過的氮?dú)怆x加熱管的距離都較近，可達(dá)到較好的加熱效果；同時(shí)，為減少加熱過程中的熱量損失，可在氮?dú)饧訜嵫b置主體及外延氮?dú)獬隹诠苈纷霰靥幚?，如外套保溫材料。氮?dú)饧訜釂卧?jīng)過加熱后的氮?dú)鈴某隹诮尤氲獨(dú)鈬娮?，通過噴嘴進(jìn)入干燥槽體內(nèi)。為了對(duì)氮?dú)獬隹跍囟冗M(jìn)行有效控制，加熱裝置外壁安裝有高、低溫兩個(gè)溫度探頭，當(dāng)溫度超過高溫探頭設(shè)定值時(shí)，加熱管斷電停止加熱；而當(dāng)溫度低于低溫探頭設(shè)定值時(shí)，加熱管接通電源開始加熱。

4 結(jié)論

在晶圓的處理工藝中，晶圓烘干是不可或缺的關(guān)鍵工藝之一，而目前仍是作為獨(dú)立的工藝單元，采用手工放片的方式，這樣不利于產(chǎn)線工藝及設(shè)備的自動(dòng)化。因此我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了本文所述的旋轉(zhuǎn)式晶圓自動(dòng)干燥裝置，該裝置占用設(shè)備空間小，可與自動(dòng)清洗設(shè)備兼容，減少人員參與。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和用戶使用驗(yàn)證，它能夠滿足客戶生產(chǎn)工藝中的晶圓烘干要求，相比于單獨(dú)的干燥設(shè)備而言，成本較低，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]胡俊達(dá). 電子電器設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]H.C.Chao and G.W.Neudeck. electronics letters[J]. 1994：12-14.

作者簡(jiǎn)介：陳平（1983-），男，2010年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)在主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研究工作。