基于空間節(jié)約功能復合的晶圓清洗干燥檢測集成裝置研究

孫 進，梁 立，劉芳軍，楊志勇

(1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225100；2.揚州思普爾科技有限公司，江蘇 揚州 225129)

現(xiàn)有集成方式主要包括機構(gòu)集成、軟件集成和控制集成.李懷兵等[1]設(shè)計一種集成式高精度流量調(diào)節(jié)機構(gòu)，針對固體沖壓發(fā)動機的特殊空間和精度要求，進行了小型化、輕質(zhì)化設(shè)計，有效利用空間尺寸；周東等[2]研究的火星車機構(gòu)集成控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，針對傳統(tǒng)火星車機構(gòu)以及控制系統(tǒng)，將火星車上所有機構(gòu)的控制功能集中在一臺控制器上實現(xiàn)；趙德文等[3]針對晶圓干燥關(guān)鍵工藝參數(shù)的可調(diào)性較差的問題，設(shè)計一種晶圓干燥裝置，能夠便捷地調(diào)整干燥工藝參數(shù)并觀察干燥過程.滕宇等[4]發(fā)明一種圖形晶圓無損傷超聲波/兆聲波清洗裝置，通過合理設(shè)計底部石英部件的石英微共振腔陣列結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)去除污染物.

現(xiàn)有晶圓生產(chǎn)廠家大多采用分離式后處理技術(shù)，不能夠滿足集成化的要求.因此，研發(fā)基于空間節(jié)約功能復合的晶圓清洗干燥檢測集成裝置有著重要的實際工程價值和很好的市場前景.

1 晶圓后處理工藝流程

1.1 晶圓清洗

圖1 旋轉(zhuǎn)噴淋裝置

當前最常用的是濕法清洗技術(shù)，用吸盤吸附晶圓進行高速旋轉(zhuǎn)，通過定向噴淋和晶圓片的高速旋轉(zhuǎn)可將晶圓表面的污染物甩出.李東旭等[5]提出利用先進旋轉(zhuǎn)噴淋技術(shù)，同時采用氣液混合的清洗方式對硅片表面進行清洗，清洗后用惰性氣體直接干燥，裝置如圖1所示.針對新一代超晶圓薄的特點，采用超聲清洗的方法，可以對多片晶圓同時進行清洗，避免了吸盤吸附力或高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的過載力而導致晶圓片的破碎.Kim等[6]研究氣泡振蕩在超聲波清洗中的作用，根據(jù)聲壓和氣泡的大小不同，測定它們所產(chǎn)生的力對清洗件產(chǎn)生的效果.

1.2 晶圓干燥

當前國內(nèi)外用于干燥的技術(shù)主要有旋轉(zhuǎn)干燥、Marangoni干燥等，其中最常用的是旋轉(zhuǎn)干燥.陳平等[7]在原有旋轉(zhuǎn)干燥的基礎(chǔ)上提出了改進的方法，將晶舟放置在旋轉(zhuǎn)托盤上進行旋轉(zhuǎn)干燥，如圖2所示.針對靜態(tài)干燥技術(shù)(如Marangoni干燥)仍存在干燥效果不佳的問題，設(shè)計微動搖擺結(jié)構(gòu)，使晶圓及載具接觸面形成瞬態(tài)間隙，保證超薄晶圓完全干燥.

圖2 旋轉(zhuǎn)干燥裝置

劉盈楹[8]研究了如何提高晶圓干燥效果，消除晶圓表面直徑尺寸為0.2 μm的水痕缺陷.如圖3所示，定義200 mm晶圓表面的有效面積為以晶圓片圓心為中心，半徑為44 mm以內(nèi)的區(qū)域，此區(qū)域為晶圓片的核心區(qū)域，所以要求干燥程度比較高.其他區(qū)域干燥程度要求目測無水痕即可.光學顯微鏡下拍攝到水痕的圖片如圖4所示.

圖3 有效面積圖

圖4 光學顯微鏡下水痕圖

1.3 晶圓檢測

當前國內(nèi)外用于檢測技術(shù)的儀器主要有掃描電子顯微鏡和顆粒測試儀.針對新一代超薄晶圓，雖然檢測精度較高，但無法實現(xiàn)產(chǎn)線實時檢測，不能適應晶圓全自動化后處理技術(shù)的要求.

Tien等[9]在晶圓檢測方面研究中，采用缺陷模式特征來創(chuàng)建模糊規(guī)則.特征參數(shù)是最小外接矩形(MBR)的長軸和短軸之間的比率和平均灰度級，用于判斷模糊缺陷識別的類型是劃痕還是污染.

2 集成裝置及其優(yōu)化

2.1 集成裝置簡介

為滿足后處理技術(shù)的集成化，需將對應的3種技術(shù)裝置進行模塊化設(shè)計，使之集成在一臺裝置上，如圖5所示.為實現(xiàn)整個處理流程的自動化，增加了晶圓搬運裝置，從而提高了自動化的程度.

圖5 集成裝置整機圖

圖5中：1—機身；2—超聲波清洗模塊；3—晶圓干燥模塊；4—晶舟擺臂機構(gòu)；5—晶舟翻轉(zhuǎn)機構(gòu)；6—晶圓檢測模塊.通過將機構(gòu)進行小型化、模塊化設(shè)計，可以有效利用空間尺寸，具體工作過程如下：

2.2 優(yōu)化的機構(gòu)

2.2.1 氣體霧化機構(gòu)

改進的氣體霧化機構(gòu)，可以進行橫向的移動，只有在干燥工作時可以移動至干燥水箱上，當干燥完成后，霧化機構(gòu)平移至清洗水箱上，節(jié)省機構(gòu)行程空間.

圖6所示為氣體霧化機構(gòu)，主要包括固定板31、氣泵32、軸承座33、槽板34、霧化器38、軸35、滑塊36、下軸37.

2.2.2 晶舟擺臂機構(gòu)

為了實現(xiàn)空間節(jié)約、功能復合，設(shè)計晶舟擺臂機構(gòu)，不僅可以作為晶舟承載機構(gòu)，也可以作為晶舟搬運機構(gòu)，承擔清洗和干燥之間的搬運工作.

圖7所示為晶舟擺臂機構(gòu)，主要包括連板41、旋轉(zhuǎn)桿42、連桿43、提框44、晶舟8.

圖6 氣體霧化機構(gòu)圖

圖7 晶舟擺臂機構(gòu)圖

2.2.3 干燥微動搖擺機構(gòu)

圖8 干燥微動搖擺機構(gòu)圖

為了解決現(xiàn)有晶圓片在干燥過程中與晶舟接觸的部分無法得到充分干燥等問題，設(shè)計了一種晶圓片搖擺干燥裝置.

圖8所示為干燥微動搖擺機構(gòu)機構(gòu)，主要構(gòu)成有夾板71、框架72、光軸73、滑塊74、連塊75、氣泵76、U型連桿77、連臂78.

3 實驗結(jié)果與分析

對上文提出的氣體霧化機構(gòu)，研究成膜過程中氣體的壓力、濃度、排氣對成膜效果的影響特性.在成膜過程中，采用試驗獲取大量數(shù)據(jù)，通過建立關(guān)系折圖，來研究氣體壓力、濃度，以及排風量對成膜效果的影響，并后期對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化.具體關(guān)系如圖9所示.

圖9 成膜效果的影響因素分析圖

根據(jù)圖9(a)可知，當氣體壓力到達10 MPa以后，IPA成膜效果可以趨近98%且逐漸趨于穩(wěn)定；根據(jù)圖9(b)可知，氣體流量到達10 L/min這個節(jié)點時，氣體成膜效果比之前提升25%，氣體流量到達15 L/min節(jié)點時，氣體成膜效果也逐漸趨于穩(wěn)定，可達到96%左右；根據(jù)圖9(c)可知，排氣量在區(qū)間100～200 L/min之間，IPA成膜效果穩(wěn)定在97%左右.

采用基于改進GoogleNet晶圓檢測分類模型,將原有的9個inception塊精簡到6個，減少了輸出特征圖深度，起到降維作用，減少了參數(shù)量和運算量.收集大量圖像，類別分別是落灰(編號為01)；劃痕(編號為02)；水漬(編號為03)；污漬(編號為04).圖像經(jīng)過縮放，尺寸均為224×224像素，將數(shù)據(jù)集分為2部分，70%為訓練集，30%為測試集.經(jīng)過109 min 40 s的運行后，運行結(jié)果如圖10所示，驗證準確度(虛線)為99.12%.

圖10 MATLAB運行結(jié)果圖

4 討論

4.1 方法討論

設(shè)計微動搖擺機構(gòu)，將裝有晶圓的載具放在裝置上整體干燥，使晶圓及載具接觸面形成瞬態(tài)間隙，保證超薄晶圓水分干燥完全.與傳統(tǒng)的Marangoni干燥方式不同的是，改進的異丙醇霧化法使得異丙醇形成霧汽，可把溝槽內(nèi)的水分子帶走，減少晶圓表面對微粒的吸附.

計算水痕面積S1如公式(1)所示.先計算檢測到的水痕像素在200 mm晶圓像素的占比:

(1)

式中:pt1為水痕像素，pt2為晶圓像素，D為晶圓直徑.

4.2 方法比較

改進的異丙醇霧化法與傳統(tǒng)Marangoni干燥技術(shù)實驗結(jié)果比較如表1.

表1 方法比較

集成裝置處理技術(shù)與傳統(tǒng)獨立后處理技術(shù)實驗結(jié)果比較如表2.

表2 方法比較

通過仿真實驗結(jié)果的對比，可以得到以下結(jié)論：

1)改進的異丙醇霧化法比傳統(tǒng)Marangoni干燥技術(shù)，每片有效面積內(nèi)殘留水痕面積減少38.4%，達到0.08 μm2.其他區(qū)域內(nèi)殘留水痕面積減少42.85%，搖擺干燥方法顯著.

2)相比于相較于傳統(tǒng)獨立后處理技術(shù)，基于集成裝置處理技術(shù)，整體清洗干燥等待時間平均提高47.5%，且占地面積節(jié)省15%.

5 結(jié)論

通過各單元模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效地將晶圓的后處理技術(shù)集成起來，整體工藝處理流程時間平均縮短47.5%.通過改進異丙醇霧化法，可有效提高晶圓干燥的效率，相較于傳統(tǒng)的干燥方式，每片晶圓有效面積內(nèi)殘留水痕面積減少38.4%，采用深度學習方法檢測晶圓表面缺陷，檢測正確率達到了99.12%.實驗結(jié)果驗證了該裝置集成方式對于晶圓后處理工藝優(yōu)化的優(yōu)越性.