[讨论] 清洗工艺

ruopu 2007-4-15 12:50 楼主

湿法的设备是最简单的，但工艺是最少有理论支持的，称之玄妙不为过。随着线宽的急剧缩小，对清洗的工艺也就越来越高。0.13u宽的feature,如果线和线之间的距离也是0.13u，那么任何一个颗粒大于0.13都可能造成两条线之间的短路，所以清洗工艺的要求也会越来越高， 0.20u到0.16u，到0.10u大小的颗粒去除。现有湿法工艺需要一个很大的理论上的提高才能适应现在的急速发展，也就是说湿法工艺可能会成为下一个工艺的瓶颈。

清洗工艺

最初由RCA实验室发明了SC1(Standard Clean 1, APM (Ammonia Peroxide Mixture), NH4OH,+H2O2+H2O) 和SC2 (HPM, Hydrochloric Peroxide Mixture, HCl+H2O2+H2O)的组合。理论上SC1是去除颗粒，SC2是去除重金属沾污。最初的SC1比例是1：1：5，但随着对NH4OH对硅基板刻蚀的担心，使用越来越稀释的比例。还有使用DHF(Diluted HF)去除自然氧化层。有不同的顺序衍生成不同的工艺，如A clean, B clean, HF last等，但最核心的还是RCA洗净。随之设备的配置中就要使用多个药液槽，药液槽之间还要使用水洗槽，避免上一步药液混入下一个药液槽，最后是干燥。这种长长的，有多个槽的设备被称为Wet Station 或Wet Bench。每个药液槽都有包含泵和过滤器的循环系统，延长药液的使用寿命，还有补充系统，定时补充新鲜药液，可以保持药液成分稳定。由于湿法步骤多，需要最大的产量，所以Wet Station 都是50枚处理，即槽可以容纳50枚片子。槽的配置每个公司都不一样。

清洗工艺要使用在所有高温工艺之前，因为一旦成膜后，颗粒被盖在下层就不能被去除，更重要的是表面的金属离子在高温时会非常活跃，渗入底层器件结构，导致器件失效。

主要的厂商有：日本的DNS(DAI NIPPON SCREEN)， TEL(TOKYO ELECTRONICS), SUGAI, KAIJO, 德国的STEAG HAMATECH, 美国的SCP(SANTA CLARA PLASTIC), FSI, VERTEQ。

美国的SEMITOOL和奥地利的SEZ最近异军突起。SEMITOOL是Spray Tool，在密闭的金属Chamber中处理，有Nozzle 喷出药液，水（洗净），氮气（干燥）。这样片子就不用从一个槽移到另外一个槽。这种设计不是出于偶然，因为SEMITOOL 本来是用同样的结构生产甩干机（就像滚筒洗衣机），而且也受到了FSI MERCURY的启发。 SEZ更是发展了单片处理的设备，可以解决关键洗净工艺的高要求不能被Wet Station 达到的问题。一个重要应用是背面的刻蚀。没有SEZ前都是采用光刻胶保护正面，然后浸入Wet Station 刻蚀背面，然后再去除正面的光刻胶的办法。但有SEZ可以简单的把片子翻过来，正面有氮气吹浮保护。处理时片子高速旋转，有nozzle可以在片子上方移动提供药液和水。解决使用多钟药液的办法是，有多个专用Nozzle 提供不同药液，而且整个结构有多个竖直叠加的喇叭结构，在一层使用一种药液，垂直移动到另一层使用另外的药液或水或甩干。FSI发展了一种单片干法洗净结构，也是很有特色。

金属化后的洗净：Cu,W, Al金属布线生成后，就不能使用RCA洗净，因为APM,HPM都会腐蚀金属，要使用有机药液或纯机械方式（刷子）。最近有使用干冰的工艺出现。

干燥的方法：常规都使用机械甩干，即高速旋转，可以选择同时吹热氮气。但有Water Mark (其实就是水残留，因为水中含有氧气，和硅反应生成很薄的氧化层）。在深的Contact结构，考离心力是无法甩出在底部的水残留的。解决这只有使用Maragoni IPA干燥，运用Maragoni 表面张力原理和范德华分子力。有很多公司都提供产品，名字虽然不一样，但都是同一个原理。具体的步骤是，片子进入，加水漫过片子，密闭Chamber，向Chamber内喷IPA蒸汽，在水面形成IPA薄层，缓慢提起片子（或排水降低水平面），Maragoni表面张力原理作用去除片子上的水，同时继续提供IPA蒸汽，片子提到水面上（或水排完）然后排水，最后加热氮气或同时减压干燥。

湿法的其他运用：

刻蚀，虽然干法刻蚀占主要作用，但湿法还是多用于全面的刻蚀，背面的刻蚀，假片的再利用等方面。不同的膜使用不同的化学药液。浓度高，温度高，刻蚀速度就高。化学药剂都是可以买到的，主要提供商有：General Chemical, Ashland, EKC等。

氧化膜：使用含HF的药剂，加有NH4F缓冲剂的被称为BHF(Buffered HF)或BOE(Buffer of Etchant)，还可以加界面活性剂可以减小表面张力，深入Contact。

氮化膜：使用热磷酸。

Poly：使用硝酸和HF的混合液。

最后想谈谈湿法工艺布局的问题。通常有两种解决方法：

1。就近安排在各个工艺的附近，这样可以避免过多搬运的问题，而且可以就近最快到湿法的下一步。但这只是理论，实际大生产中绝大多数制品都不能享受到这个优势，搬运是少，但往往WIP(Wafer In Progress)都很高，所以不可能马上到Furnace或CVD设备里。再者在越来越多使用自动搬运的厂里，搬运不再是一个问题。

2。采取集中放置。这样动力（下层部管，如Drain, Supply)可以集中，设计方便。而且集中设置可以方便气氛控制，因为虽然设备内部有抽排风，但一旦动力故障，化学气氛会快速扩散到整个Fab，对涂有光刻胶等待曝光显影的制品会有灾难性影响，还有安全考虑。应该考虑各个fab的实际情况来定，折衷的办法也不失为一个好办法。