淺析晶圓濕法清洗方式中常見的電氣控制

張　峰，呂麒鵬，張　潤，杜　斌

(太原藝星科技有限公司，山西 太原 030024)

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淺析晶圓濕法清洗方式中常見的電氣控制

張峰，呂麒鵬，張潤，杜斌

(太原藝星科技有限公司，山西 太原 030024)

摘要：晶圓濕法清洗設(shè)備是半導(dǎo)體行業(yè)中最普遍和必須的設(shè)備，其電氣控制由于環(huán)境的因素有其特殊性和專業(yè)性，清洗設(shè)備中的電氣控制需要配合其清洗的特殊工藝而實(shí)現(xiàn)。同時(shí)清洗中具有強(qiáng)腐蝕性，也應(yīng)該考慮電氣設(shè)備的安全耐腐防護(hù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)量泵；流量計(jì)；QDR；旋轉(zhuǎn)甩干

1概述

半導(dǎo)體工藝的發(fā)展過程在很多方面可以說是清洗工藝隨著對無污染晶圓需求不斷增長而發(fā)展的過程。晶圓表面有4大常見類型的污染：1、顆粒；2、有機(jī)殘留物；3、無機(jī)殘留物；4、需要去除的氧化層。半導(dǎo)體濕法清洗設(shè)備就是利用各種化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑清除附著在半導(dǎo)體、金屬材料以及用具表面上各種有害雜質(zhì)或油污的。其中晶圓清洗是以整個(gè)批次或單一晶圓借助各種無機(jī)或有機(jī)化學(xué)試劑的浸泡和噴灑來去除臟污，并用超純水來洗滌雜質(zhì)，最后再用甩干機(jī)(SRD)等烘干技術(shù)將晶片烘干。

2化學(xué)試劑的配制

晶圓清洗最常見的RCA清洗中，使用的化學(xué)溶劑是99%的濃硫酸、雙氧水、HF酸、HCL等強(qiáng)腐蝕性溶液[1]。在以往的濕法清洗設(shè)備中，都是人工配制，存在一定的安全隱患和配制誤差，在每次清洗中都存在較大的偏差?，F(xiàn)在的濕法清洗設(shè)備自動(dòng)溶液的配制，其中一種方式是基于計(jì)量泵(添加酸液)、流量計(jì)(添加純水)來實(shí)現(xiàn)的。

2.1計(jì)量泵的控制

計(jì)量泵的過流端材質(zhì)務(wù)必根據(jù)配置溶液的性質(zhì)選型，在RCA清洗中常用材質(zhì)是PVDF的泵頭和膜片[4]。

常見的計(jì)量泵一般有四種控制方式：1) 手動(dòng)控制，2) 比例控制，3) 脈沖控制，4) 計(jì)數(shù)控制。

計(jì)量泵吐出量受沖程長度和沖程頻率雙重控制。吐出量的精度還受出液口壓力的限制，所以一般在配置出液口管路時(shí)需要增加止回閥或者背壓閥。計(jì)量泵的輸入控制需要使用PLC或單片機(jī)的輸出脈沖信號給計(jì)量泵的控制器，計(jì)量泵控制器通過計(jì)數(shù)控制方式，按乘法運(yùn)算法則響應(yīng)外部脈沖信號。即輸入一個(gè)外部脈沖信號泵動(dòng)作n次。一般計(jì)量泵的脈沖控制存儲(chǔ)器有脈沖的最大存儲(chǔ)數(shù)，所以在設(shè)定響應(yīng)外部脈沖信號的泵動(dòng)作時(shí)，需考慮最大添加量。

在計(jì)數(shù)控制方式下，計(jì)量泵的沖程頻率默認(rèn)為最大，所以決定計(jì)量泵的吐出量就是脈沖數(shù)和沖程長度了。首先需要得出每個(gè)脈沖的單位添加量。多次添加，用標(biāo)準(zhǔn)量筒來測量添加量，已知脈沖數(shù)，即可得出單位脈沖添加量。單位脈沖添加量成為每次添加的單位量，然后每次添加的量都是單位添加量的整數(shù)倍，通過輸出脈沖到計(jì)量泵添加。

圖1　外部脈沖信號控制泵的動(dòng)作

為使添加的準(zhǔn)確和可靠，添加溶液應(yīng)該有一個(gè)緩沖罐，并配有液位指示，當(dāng)液位過低時(shí)發(fā)出報(bào)警，且不能再添加。

2.2流量計(jì)添加純水

計(jì)量純水的添加有兩種方式，一種是使用PLC的高速計(jì)數(shù)器功能，采集流量計(jì)通過純水時(shí)的脈沖數(shù)，根據(jù)走水配管截面，有一個(gè)系數(shù)，可以計(jì)算出流過水量，需要校準(zhǔn)[1]。第二種方式是用模擬量模塊采集流量計(jì)的4 mA~20 mA模擬量信號，該信號有兩種，一種是瞬時(shí)流量，一種是累計(jì)流量。設(shè)定好純水流量，模擬量采集的累計(jì)流量到達(dá)設(shè)定值時(shí)關(guān)閉水閥。瞬時(shí)流量可以采用模糊控制的方式，通過10 ms或20 ms的流量值來計(jì)算總的流量，當(dāng)總流量到達(dá)設(shè)定值時(shí)關(guān)閉水閥。

根據(jù)溶液的配比和添加槽的體積，決定溶液添加量和純水添加量。添加順序是先添加純水，再注入溶液。這樣清洗液就配制好了。

圖2　配制溶液管路

3超聲波清洗

超聲波清洗就是發(fā)生器對置于溶液或純水中的振板上發(fā)出高頻振動(dòng)，振板發(fā)出的高頻振動(dòng)波會(huì)在液體中形成小氣泡并快速膨脹，產(chǎn)生孔蝕現(xiàn)象，有助于晶圓微粒的去除[2]。這種頻率常用的有20 kHz、40 kHz、60 kHz、80 kHz、120 kHz。頻率超過750 kHz為兆聲波，可以有效用于清除更小的雜質(zhì)顆粒。

超聲波發(fā)生器一般的頻率都是固定的或者切換選擇幾種固定頻率，需要控制的只是一個(gè)啟動(dòng)信號，和超聲波的功率。啟動(dòng)信號用一個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)，功率調(diào)節(jié)可以使用一個(gè)電位器來實(shí)現(xiàn)模擬量的調(diào)節(jié)。頻率切換可以用切換按鈕實(shí)現(xiàn)。上述功能也可用手持的觸屏來代替。

4QDR去離子水洗

晶圓濕法清洗中有一道重要的工序就是去離子水洗，水洗前保證供水的純凈度，一般工廠檢測出水管的水阻不小于15 MΩ·cm。水洗結(jié)束后，還需要水阻率儀檢測洗完后排放水的或溢流水的水阻值來保證清洗的顆粒度要求。

流動(dòng)的水通過稀釋的機(jī)械原理將晶圓表面水溶性化學(xué)物質(zhì)除去。最表層的化學(xué)物質(zhì)溶解于水并被水流攜帶走。這種動(dòng)作在一次一次不間斷的進(jìn)行。較快的水流速度可以更快的將化學(xué)物質(zhì)溶解，從而提高沖洗速度。水的更換次數(shù)直接決定了沖洗的速度。這可以通過想象以一個(gè)非?？斓乃魉俣仍谝粋€(gè)非常大的沖洗槽中進(jìn)行沖洗來理解。從晶圓表面去除掉的化學(xué)物質(zhì)會(huì)均勻的分布在沖洗槽中，因此一部分化學(xué)物質(zhì)也仍然將會(huì)附著在晶圓表面。只有通過足夠多的水流進(jìn)，并攜帶著化學(xué)物質(zhì)最終從槽中排出[1]。

QDR清洗就是用去離子水來快排沖洗的過程，QDR槽主要由槽體，快排閥，噴淋管路，鼓氮管路，注水管路組成。QDR清洗將全部過程在一個(gè)槽中進(jìn)行，節(jié)約設(shè)備和空間。它還是一個(gè)可以自動(dòng)操作的系統(tǒng)，操作員只需將晶片放入槽中然后按下啟動(dòng)鍵即可。

QDR槽底部也可加入超聲波清洗或兆聲波清洗加強(qiáng)清洗效果，減少Q(mào)DR次數(shù)，節(jié)約純水。

QDR槽側(cè)部增加水阻率測試儀，在水洗溢流或者排放時(shí)檢測溢流水的水阻率，來決定水洗的效果，當(dāng)然這不是準(zhǔn)確的，水阻率測試儀也會(huì)有誤差時(shí)候，所以QDR清洗必須指定次數(shù)或時(shí)間，清洗一定次數(shù)或時(shí)間后再檢測當(dāng)前的水阻率，來決定QDR是否停止。即使QDR清洗結(jié)束后在關(guān)閉按鈕之前也應(yīng)該用流動(dòng)水對晶圓進(jìn)行沖洗。

圖3　QDR槽結(jié)構(gòu)圖

QDR清洗就是集噴淋、快排、注水、鼓氮的一道連續(xù)清洗，需要設(shè)定程序決定清洗次數(shù)或清洗時(shí)間，以及清洗步驟。其流程圖如圖4。

圖4　QDR程序流程圖

電阻率/Ω·cm(25℃)溶解固體量(ppm)180000000.0277150000000.0333100000000.050010000000.5001000005.001000050.00

5旋轉(zhuǎn)淋洗甩干

在去離子水沖洗后，必須將晶圓片烘干。這并不是一個(gè)無關(guān)緊要的過程。任何保留在晶片上的水(甚至是原子)都可能對以后的任何一步操作產(chǎn)生潛在的影響。

現(xiàn)在常用清洗甩干技術(shù)就是甩干機(jī)(SRD)。完全的甩干是在一個(gè)類似離心分離機(jī)的設(shè)備中完成的。將裝有晶圓的花籃裝入甩干機(jī)的轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是一般由無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子側(cè)壁上是一排連著去離子水和熱氮?dú)獾膸Э椎墓埽Ω傻倪^程實(shí)際起始于晶圓的沖洗，低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，去離子水從噴淋管噴出，清洗晶圓表面。一定時(shí)間后，開始高速旋轉(zhuǎn)，去離子水噴淋關(guān)閉，熱氮?dú)鈬姵?，可以有效去除附著在晶圓表面的小水珠[3]。

旋轉(zhuǎn)甩干機(jī)的外部要求是供電、供水、供氮?dú)?、排放。供水壓力一般低? MPa，氮?dú)鈮毫σ膊桓哂? MPa。旋轉(zhuǎn)甩干過程中，由于腔體內(nèi)負(fù)壓，門處于緊閉狀態(tài)，此時(shí)不能用力開門，腔體門有微動(dòng)開關(guān)，門檢測到開啟時(shí)會(huì)強(qiáng)制停止旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)甩干機(jī)一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)就是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，根據(jù)放置晶圓的花籃尺寸定做清洗甩干機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸，然后旋轉(zhuǎn)修整轉(zhuǎn)子，使其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，保持平衡，這樣甩干機(jī)既保證了腔體內(nèi)晶圓花籃的穩(wěn)定，也保證了在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)身的穩(wěn)定和噪音。

6結(jié)束語

半導(dǎo)體工業(yè)中存在大范圍的清洗工藝，每個(gè)制造領(lǐng)域?qū)τ谇鍧嵍扔兄煌男枰?，也對不同的清洗方案有著不同的?jīng)驗(yàn)。不同的化學(xué)物質(zhì)與清洗方法相結(jié)合以適應(yīng)工藝過程特殊步驟的需要。現(xiàn)在的濕法清洗設(shè)備也越來越傾向于無人化操作，機(jī)械手的引入使得清洗更加高效和安全。濕法設(shè)備中的電氣控制存在其特殊性，也在往更加智能的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]Peter Van Zant(美).芯片制造:半導(dǎo)體工藝制程實(shí)用教程[M].韓鄭生，譯.北京：電子工業(yè)出版社,2015：174.

[2]Michael Quirk.Julian Serda(美).半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].韓鄭生等譯.北京：電子工業(yè)出版社,2004：187.

[3]Lei W N.Pluse Plating Ni Nanocrystalline[J].Trans IMF,2002,80(6)：205-209.

[4]王玉，郭帝江，常志，等.基于計(jì)量泵的自動(dòng)化學(xué)供酸系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù),2015(3)：39.

The Common Electrical Control of Wafer Wet Cleaning Method

Zhang Feng, Lv Qipeng, Zhang Run, Du Bin

(TaiyuanYixingScienceandTechnologyCo.,Ltd,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:Wafer wet cleaning equipment is the most common and necessary equipment in the semiconductor industry, its electrical control parts have its particularity and specialization because of the environmental factors. The electrical control in the cleaning equipment needs to be matched with the special process of cleaning. At the same time it has strong corrosivity in cleaning, so the durability corrosion protection should also be considered for the safety of electrical equipment.

Key words:metering pump; flowmeter; QDR; rotary dryer

中圖分類號：TN305.97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1674- 4578(2016)01- 0019- 02

作者簡介：張峰(1985- )，男，山西榆社人，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事半導(dǎo)體清洗方面設(shè)備研發(fā)。

收稿日期：2015-10-10