四种常用的半导体硅片清洗设备及装置

随着集成电路制程工艺节点越来越先进，对实际制造的几个环节也提出了新要求，清洗环节的重要性日益凸显。

清洗的关键性则是由于随着特征尺寸的不断缩小，半导体对杂质含量越来越敏感，而半导体制造中不可避免会引入一些颗粒、有机物、金属和氧化物等污染物。为了减少杂质对芯片良率的影响，实际生产中不仅仅需要提高单次的清洗效率，还需要在几乎所有制程前后都频繁的进行清洗，清洗步骤约占整体步骤的33％。

今天《半导体小课堂》带大家细数一下，常用的四种半导体硅片清洗设备及装置：

1、浸入式湿法清洗槽

湿法化学清洗系统既可以是浸入式的又可以是旋转式的。一般设备主要包括一组湿法化学清洗槽和相应的水槽，另外还可能配有甩干装置。硅片放在一个清洗专用花篮中放人化学槽一段指定的时间，之后取出放人对应的水槽中冲洗。

对于清洗设备的设计来说，材料的选择至关重要。使用时根据化学液的浓度、酸碱度、使用温度等条件选择相应的槽体材料。从材质上来说一般有NPP、PVDF、PrFE、石英玻璃等。例如：PVDF、IyIFE、石英玻璃等一般用在需加热的强酸强碱清洗，其中石英玻璃不能用在HF清洗中，NPP一般用在常温下的弱酸弱碱清洗。而常温化学槽，一般为NPP材料。

图1 石英加热槽

内溶液可加热到180℃甚至更高，它一般由石英内槽、保温层、塑料（PP）外槽组成。石英槽加热可以通过粘贴加热膜或者直接在石英玻璃上涂敷加热材料实现。石英槽内需安装温度和液位传感器，以实现对温度的精确控制以及槽内液位的检测，防止槽内液位过低造成加热器干烧。

除此之外PVDF（PTEE）加热槽也较为常用，这类加热槽常用于HF溶液的清洗中。由于受到槽体材料的限制，这类加热槽只能使用潜入式加热，潜入式加热器一般有盘管式和平板式两种，加热器外包覆PFA管。

2、兆声清洗槽

RcA或者改进的RcA清洗配合兆声能量是目前使用非常广泛的清洗方法。在附加了兆声能量后，可大幅降低溶液的使用温度以及工艺时间，而清洗效果更加有效。常用兆声清洗的频率为800kHz—1 MHz，兆声功率在100一600W。兆声换能器有平板式、圆弧板式等形式。兆声换能器可直接安装于槽体底部；石英清洗槽则可以采用水浴的方式，兆声换能器安装于外槽底部，这样可以避免清洗液对兆声换能器的浸蚀。其结构如图2所示。

图2 兆声槽

声换能器在工作过程中会在石英槽底部产生大量的气泡。这些气泡会大量吸收兆声能量，大大降低了兆声清洗的效果。因此内槽石英缸底部一般要有10－15度的倾斜角度，当有气泡产生时，由于浮力的作用气泡沿倾斜的石英槽底向上移动，脱离石英槽壁浮出水面，减少了气泡对兆声能量的损耗

另外水浴外槽可根据不同的需要采用不锈钢槽、石英槽等。圆弧板兆声换能器由于其结构的特殊性，使其在兆声能量的传播方向、能量分布上更加合理，清洗效果更加显著，一般情况下，圆弧板兆声换能器只需要平板兆声换能器使用减半的功率即可达到相同的清洗效果。

3、旋转喷淋清洗

旋转喷淋清洗是浸入型清洗的变型。系统中一般包括自动配液系统、清洗腔体、废液回收系统。喷淋清洗在一个密封的工作腔内一次完成化学清洗、去离子水冲洗、旋转甩干等过程，减少了在每一步清洗过程中由于人为操作因素造成的影响。在喷淋清洗中由于旋转和喷淋的效果，使得硅片表面的溶液更加均匀，同时，接触到硅片表面的溶液永远是新鲜的，这样就可以做到通过工艺时间设置，精确控制硅片的清洗腐蚀效果，实现很好的一致性。密封的工作腔可以隔绝化学液的挥发，减少溶液的损耗以及溶液蒸气对人体和环境的危害。各系统分别贮于不同的化学试剂，在使用时到达喷口之前才混合，使其保持新鲜，以发挥最大的潜力，这样在清洗时会反应最快。用N2喷时使液体通过很小的喷口，使其形成很细的雾状，至硅片表面达到更好的清洗目的。

此方法适用于除去氧化膜或有机物。因为化学物质在硅片表面停留的时间比较短，对反应需要一定时间的清洗效果不好。在喷洗过程中所使用的化学试剂很少，对控制成本及环境保护有利。

4、刷洗器

刷洗器主要用于硅片抛光后的清洗，可有效地去除硅片正反两面1μm以及更大的颗粒。主要配置包括专用刷洗器、优化的化学清洗液及超纯水或者IPA。在水动力条件下，颗粒被旋转的海绵状刷子赶出，其结构如图3所示。

图3　硅片刷洗装置

一个典型的POST—CMP清洗装置包括两个刷洗箱和一个兆声波清洗模块。早期使用的尼龙毛刷易造成硅片的损伤，现在一般采用聚乙烯醇（PVA）毛刷，PVA毛刷配合去离子水，其结构如图4所示。

图4　PVA材质刷洗器