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(dòng)清洗和全自動(dòng)清洗兩種機(jī)臺(tái)。
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(duì)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(gè)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(qiáng)大的動(dòng)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(shí)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(shí)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(huì)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?dú)夂娓?、異丙醇慢提拉干燥?Marangoni。
a.旋轉(zhuǎn)甩干：目前對(duì)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?dú)夂娓扇N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(jiǎn)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(diǎn)：一邊使晶圓轉(zhuǎn)動(dòng)一邊清洗，然后快速旋轉(zhuǎn)而甩干， 同時(shí)加入熱的氮?dú)獯偈咕A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?dú)夂娓煞绞剑?/strong>熱氮?dú)夂娓刹鄄捎昧送盃畹募訜岵劢Y(jié)構(gòu)，氮?dú)馔ㄟ^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(diǎn)，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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)封閉的機(jī)臺(tái)里，利用自動(dòng)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(duì)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?yàn)榍逑垂杵枰喾N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(huì)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(tái)已升級(jí)為單腔多層的機(jī)臺(tái)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(gè)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(tái)， 它載著硅片變換不同的高度。 在不同高度處， 會(huì)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。