上一期給大家講解了濕法刻蝕與清洗的基本藥液，那濕法刻蝕清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理是什么？今天就帶大家瞧一瞧。
1、刻蝕清洗設(shè)備分類
濕法刻蝕清洗機(jī)按清洗的結(jié)構(gòu)方式可以分為槽式批量清洗和單片清洗機(jī)兩種類型。而槽式清洗又可分為半自動清洗和全自動清洗兩種機(jī)臺。
2、 清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)組成
清洗設(shè)備主要由耐腐蝕機(jī)架、 酸槽、 水槽、 干燥槽、 控制單元、 排風(fēng)單元以及氣體和液體管路單元等幾大部分構(gòu)成。其中酸槽和管路單元是清洗設(shè)備的主要組成部分。 按照材料的差異， 槽體可分為用不銹鋼材質(zhì)的生產(chǎn)的槽、 用NPP 材質(zhì)生產(chǎn)的抗腐蝕的槽、 用PVDF材質(zhì)生產(chǎn)的槽、 用PTFE材質(zhì)生產(chǎn)的槽、 用石英材質(zhì)生產(chǎn)的槽等， 按照功能的差異槽體又可分為酸堿刻蝕槽、 溢流清洗槽、 快速排水槽和使晶圓快速干燥的干燥槽等， 根據(jù)清洗工藝要求的不同， 還可以增加腐蝕液的超聲及兆聲清洗、 腐蝕液加熱或制冷、攪拌、 循環(huán)及去離子水加熱等清洗功能。
▲濕法刻蝕清洗機(jī)的組成部分
在材料選擇上， 不銹鋼槽主要用于有機(jī)溶液或堿性溶液； 而石英加熱槽主要用于酸性溶液， 而且該槽耐高溫， 一般為二百攝氏度， 最高可以達(dá)到四百攝氏度；高純度聚丙烯槽主要用于溫度小于八十?dāng)z氏度的酸堿溶液；聚氟乙烯槽常常用來承裝 BOE 以及氫氟酸， 要求溫度最高不能高于一百二十?dāng)z氏度。 聚四氟乙烯槽可用于幾乎所有的酸堿以及有機(jī)溶液，其耐溫小于150攝氏度。
在功能選擇上， QDR槽即快速排水清洗槽常常使用在酸堿刻蝕后對去離子水的沖洗工藝上。 其工作原理是先從該槽體上部噴淋以及底部注入去離子水， 等到一定量后在把去離子水快速排空。 通過把去離子水快速排走帶走雜質(zhì)離子。 這一過程一般要反復(fù) 進(jìn)行 3-4 個循環(huán)。其工作原理如圖1所示。
▲ 圖1 QDR槽清洗原理圖
超聲槽是指利用槽體底部或側(cè)面超聲發(fā)出振板產(chǎn)生超聲波，超聲波，超聲波在水中或溶液中生成大量的氣泡， 氣泡破裂釋放強大的動能。 超聲波的頻率通常為28kHz 或 48kHz。頻率越高，清洗的顆粒越小。工藝腐蝕槽是指利用各類酸堿刻蝕液以及有機(jī)溶液，實現(xiàn)某些刻蝕過程或清洗的效果。
溢流槽的工作原理為底部持續(xù)注入去離子水，從上部四周外溢，從而通過水流帶走污染物。其工作原理如圖2所示。
▲ 圖2?溢流槽工作原理圖
3、清洗設(shè)備干燥方式
通過去離子水清洗后， 需要在最短的時間里把晶圓表面的水分去除， 而且去除后晶圓的外表不要有任何水痕， 否則會降低晶圓的良率。 半導(dǎo)體生產(chǎn)上常采用以下幾種干燥方式：旋轉(zhuǎn)甩干、熱氮氣烘干、異丙醇慢提拉干燥及 Marangoni。
a.旋轉(zhuǎn)甩干：目前對晶圓的清洗以及脫水處理方式主要有旋轉(zhuǎn)沖洗、離心甩干和氮氣烘干三種工藝，該工藝主要用于在潔凈度上要求很高的晶圓的沖洗干燥， 這種工藝雖然簡單， 但清洗甩干效果好， 所以從發(fā)明帶現(xiàn)在的幾十年里一直被廣泛使用。這種工藝的最重要的地方有以下幾點：一邊使晶圓轉(zhuǎn)動一邊清洗，然后快速旋轉(zhuǎn)而甩干， 同時加入熱的氮氣促使晶圓烘干流程， 該甩干工藝原理見圖3。
▲ 圖3 旋轉(zhuǎn)沖洗甩干機(jī)工作原理圖
b. 熱氮氣烘干方式：熱氮氣烘干槽采用了桶狀的加熱槽結(jié)構(gòu)，氮氣通過在線加熱器加熱后從槽體頂部周邊噴淋下來，在槽體底部安裝有可以調(diào)節(jié)的排水以及排氣的結(jié)構(gòu)。其工作原理見圖4。
▲?圖4 熱N2 烘干槽工作原理圖
c. IPA 慢提拉干燥方式：其利用了水易于溶于IPA 溶液的特點，先要把晶圓放在異丙醇中使晶圓進(jìn)行預(yù)脫水，預(yù)脫水后再將其放入裝有 IPA溶液的槽體底部， 該槽體底部帶有一個加熱裝置， 而且該加熱裝置是可控制的， 它可將液體的異丙醇加熱成熱的異丙醇蒸汽。 在槽體的上部安裝有冷凝管， 它可使揮發(fā)的異丙醇?xì)怏w冷卻成液體的異丙醇， 從而實現(xiàn)對異丙醇的循環(huán)利用； 并且在此槽體里裝有緩慢上升的機(jī)械裝置，可將硅片緩慢提升到熱的IPA 蒸汽里并使硅片干燥。其工作原理如圖5所示。
▲ 圖5 IPA慢提拉干燥原理圖
d. Marangoni dryers干燥：該干燥方式利用了硅片表面張力的梯度變化原理， 達(dá)到使晶圓干燥的目的。 先用流動的去離子水在晶圓外表面產(chǎn)生很薄的一層水膜，之后再通入大量的異丙醇?xì)怏w把晶圓上的水層去掉，從而使硅片干燥。這種工藝重中之重是要控制去離子水層和異丙醇?xì)怏w層在硅片表面移動的快慢。工作原理如圖6所示。 目前半導(dǎo)體工廠里常用的移動速度是 1--1.5mm/s,現(xiàn)在還有一種好的方法是增加去離子水兆省噴頭并且控制移動速度在0.3--2.5mm/s.這種方式一般用于高端的單片腐蝕清洗上。
▲ 圖6 Marangoni dryers干燥原理圖
目前， 由于清洗效率、 清洗工藝和操作工安全健康等因素的考慮， 半導(dǎo)體工廠里越來越多的使用全自動清洗設(shè)備。這種系統(tǒng)將以上所提及的清洗技術(shù)有機(jī)的集成在一個封閉的機(jī)臺里，利用自動機(jī)器手臂在各酸槽以及水槽和干燥槽之間進(jìn)行晶舟的傳遞并協(xié)助清洗以及干燥等過程。 最近幾年來， 由于集成電路關(guān)鍵尺寸的不斷縮小和對硅片背面保護(hù)的需要，業(yè)界研發(fā)了一種用不同酸液一邊噴淋清洗旋轉(zhuǎn)著的硅片的單片清洗技術(shù)。因為清洗硅片往往需要多種酸堿刻蝕液以及清洗液共同作用， 如果只使用單腔單層的清洗方式和清洗工藝， 那么各種溶液就會相互融合而不能回收再使用， 從而增加了半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠的使用成本， 后來的單片清洗機(jī)臺已升級為單腔多層的機(jī)臺類型。該腔體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。
▲ 圖7 單腔多層腔體結(jié)構(gòu)示意圖
有多種溶液在一個反應(yīng)腔里相繼進(jìn)行腐蝕清洗工作。該設(shè)備里配有承接晶片的承片臺， 它載著硅片變換不同的高度。 在不同高度處， 會有不同的溶液噴到正在旋轉(zhuǎn)的晶片表面，完成特定的功能后按不同的溶液回收到不同的回收區(qū)域，酸液即可被循環(huán)使用。