大尺寸晶圆Marangoni干燥系统的设计与研究

谢振民，刘广杰，陈钊，段荣鑫

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

Design and Research of Marangoni Drying System for Large-sized Wafers

摘要：晶圆湿法清洗工艺是芯片制造中占比最大的关键工艺，晶圆干燥则是湿法清洗工艺中最后且最为关键的一环。干燥的目的是去除晶圆表面的残留液体，保证晶圆表面最终的洁净度。基于机械设计理论及Marangoni效应，设计研究了一种大尺寸晶圆Marangoni干燥系统，详细介绍了系统的工作原理、工作流程及其结构组成。经过实验验证，该系统能够很好的满足大尺寸及超薄晶圆的干燥要求。

关键词：湿法清洗；晶圆干燥；Marangoni干燥；表面张力

0.引言

晶圆制造是整个半导体芯片制造三大环节中最为核心和复杂的工艺，包括氧化、光刻、刻蚀、离子注入/扩散、退火、薄膜沉积、金属化、抛光、清洗和量测等步骤[1]。尽管晶圆制造的各步骤都在千级百级无尘净化间内进行，但仍不可避免的会引入一些有机物和金属颗粒，加之氧化、光刻等步骤会在晶圆表面残留下光刻胶和氧化物等，晶圆表面的洁净度是影响芯片良率和性能的最重要因素之一[2-3]。这些污染物如果不及时清理会导致晶圆后续加工工艺的失败，严重时会影响芯片的性能甚至报废。晶圆的清洗工序已经贯穿整个芯片制造的流程，在所有芯片制造工艺中清洗工艺占比达到了30%以上，是所有工艺中占比最大的工艺[4]。随着“后摩尔时代”的到来，芯片制程的特征尺寸已经推进到3/5nm技术节点，特征尺寸的缩小导致芯片对微小颗粒的污染物更加敏感，对晶圆表面的洁净度要求越来越高，从而大大提高了晶圆清洗关键技术的各项要求。

晶圆清洗工艺主要分为干法清洗和湿法清洗两大类，湿法清洗采用特定的化学药液和去离子水（DIW），对晶圆表面进行无损伤清洗，是目前主流的技术路线[5]。在晶圆经过湿法清洗后，晶圆表面会残留化学药液和DIW，这些残留物中常常会溶有一些污染物杂质，若等待晶圆自行干燥，一方面会增加晶圆清洗的工艺时间，另一方面这些污染物杂质会附着在晶圆表面，降低晶圆表面洁净度[6-7]。因此，需要在晶圆清洗后对晶圆进行干燥，这一工艺步骤常常作为晶圆湿法清洗设备的最后一步。

1.晶圆干燥技术

晶圆湿法清洗设备主要分为槽式清洗设备和单片清洗设备。单片清洗设备常采用晶圆旋转加之N2吹扫使其干燥，槽式清洗设备的干燥方式较为多元化，本文主要讨论槽式清洗设备的干燥方式。槽式清洗设备的干燥方式常根据清洗工艺来区分，清洗工艺以HF去除结尾时，晶圆表面是斥水性的，此时可以通过烘干而不留下任何水印，常常采用带有红外加热的烘干槽对晶圆进行干燥；清洗工艺以非HF结尾时，晶圆表面是亲水性的，采用烘干工艺容易在晶圆表面留下水印，此时常采用的晶圆干燥方式有旋转淋洗甩干（SRD，spin rinse dry）、异丙醇蒸汽蒸干（IPA Vapor dry）和Marangoni干燥等。

SRD干燥单元结构如图1所示，该单元主要由机架、主轴驱动机构、工作腔、旋转架、排风系统、净化系统和自动盖等组成。在对晶圆进行干燥时，由主轴驱动机构驱动固定在旋转架上的晶圆进行高速旋转，此时工作腔内处于负压状态，由于腔外的压力大于腔内，外部空气和N2通过净化系统进入工作腔，腔内通过高速旋转带来的离心力和净化空气的对流作用将晶圆进行干燥。目前SRD干燥单元技术成熟稳定，干燥时仅需少量N2，且一次可干燥50片6/8寸晶圆，使用成本低，晶圆表面不易产生水印。但该种干燥方式对于大尺寸及超薄晶圆干燥时，容易发生碎片；对于印刷图形的晶圆，晶圆上的沟渠部分不易干燥，因此常用于6/8寸晶圆裸片或外延片的干燥。

图1 SRD干燥单元结构图

IPA Vapor干燥单元的结构示意图如图2所示，该单元主要由IPA蒸发槽和提升机构等组成。IPA蒸发槽分为三个区域，分别为IPA液态区、IPA蒸汽区及IPA冷凝区，在对晶圆进行干燥时，提升机构首先将晶圆及其Cassette浸入到IPA液态区，由于IPA与DIW具有良好的互溶性，晶圆表面上的DIW会溶解到IPA中。然后提升机构将晶圆提升到IPA蒸汽区，此时晶圆表面上只存在液态IPA，由于此时晶圆温度较低，IPA蒸汽会在晶圆表面大量凝结。待晶圆温度升高后，提升机构将晶圆提升到IPA冷凝区，此时IPA蒸汽全部冷凝液化，通过重力及表面张力作用即可将晶圆干燥。IPA Vapor干燥避免了晶圆的高速旋转，降低了晶圆发生碎片的风险，但该种干燥方式IPA用量极大，干燥效果主要取决于IPA的纯度，成本高，且大量IPA蒸汽充斥在IPA蒸发槽内，容易发生燃烧的风险，安全性差。

图2 IPA Vapor结构单元示意图

Marangoni干燥是基于IPA与DIW之间产生的Marangoni效应而发展起来的晶圆干燥技术，该技术相较于SRD和IPA Vapor具有很少的IPA用量，更加良好的干燥效果以及更加安全的使用环境，成为了目前半导体湿法设备厂商选择的主流干燥方式[8]。本文基于机械设计理论及Marangoni效应，设计研究了一种晶圆Marangoni干燥单元，该干燥单元可用于大尺寸晶圆及后道超薄晶圆的干燥。

2. Marangoni干燥机理

Marangoni效应于20世纪90年代首先应用于集成电路湿法工艺的干燥中，其主要是利用界面张力梯度作用，即低界面张力梯度处的流体会向高界面张力梯度处的流体流动，以此来克服界面张力差异带来的界面不稳定[9]。界面张力会随温度和浓度的变化而改变，形成张力梯度，所以改变流体的温度或者浓度均会引起Marangoni效应，从而使晶圆干燥。

图3为晶圆Marangoni干燥机理的示意图。在对晶圆进行干燥时，主要采用异丙醇（IPA）与DIW之间的不同表面张力，达到将晶圆表面残留的液滴脱离回流到IPA干燥槽及回收管路中，以此使得晶圆表面干燥。当清洗工艺以非HF结尾时，晶圆表面表现为亲水性，晶圆首先完全浸没在DIW中，然后IPA加热成气体后由N2带入到IPA干燥槽中，由于IPA的密度小于DIW的密度（IPA密度：0.7855g/cm3，DIW密度：1g/cm3），IPA在DIW表面形成一层薄膜，即区域Ⅰ的IPA浓度大于区域Ⅱ的IPA浓度，当晶圆从DIW中提出暴露在IPA中时，IPA在晶圆表面的浓度大于在DIW中的浓度，区域Ⅰ的表面张力小于区域Ⅱ的表面张力，根据Marangoni效应，此时晶圆表面的液滴会流向低浓度位置，即液滴流向两侧，从而将晶圆干燥。

图3 晶圆Marangoni干燥机理示意图

3. Marangoni干燥系统总体构成及工作流程

晶圆Marangoni干燥的关键条件为IPA蒸汽、DIW以及晶圆在两者之间环境的相对运动。图4为本文设计研究的大尺寸晶圆Marangoni干燥系统，该系统由干燥腔、摆动机构和自动盖等部分组成。其中，干燥腔用来提供晶圆干燥的微环境；摆动机构用来固定晶圆料盒以及摆动晶圆；自动盖一方面用来封闭干燥腔，防止晶圆干燥过程中受到污染，另一方面可将外部提供的IPA蒸汽以及N2/热N2以一定的流速和方向喷入干燥腔内。

图4 晶圆Marangoni干燥系统

晶圆干燥过程主要分为三个阶段：Marangoni干燥、循环干燥以及晶圆净化。首先，干燥腔内注满DIW并利用腔体的溢流区对整个干燥腔进行清洁，该步骤作为晶圆干燥前的准备工序。晶圆干燥的主要流程分为以下几点：

（1）干燥模块开始工作时，自动盖的平移机构将盖体平移，干燥腔打开，清洗设备配置的机械手将带有晶圆的Cassette放入到摆动机构的定位块内。

（2）机械手退出，自动盖盖体平移关闭干燥腔，盖体上部通入IPA和N2的混合气体，喷入到干燥腔内，在DIW水面上形成IPA蒸汽微环境。然后打开干燥腔体的慢排阀，DIW以极慢的速度从干燥腔内流出，同时摆动机构的滑台带动机构上摆臂左右移动，由于摆动机构下摆臂由轴承固定，所以当摆动机构上摆···················································································································································································································································································································臂左右移动时，定位块带动晶圆以及Cassette在干燥腔内摆动，控制晶圆摆动角度为-15°~15°之间循环摆动，当DIW慢排到晶圆以及Cassette时，利用表面张力对其进行干燥脱水。当DIW水面低于Cassette时，快排阀打开，快速将干燥腔内的DIW排空。

（3）停止注入IPA和N2的混合气体，盖体注入热N2（温度约120℃），喷入到干燥腔内，此时摆动机构仍然带动晶圆左右摆动，热N2吹拂可以进一步对晶圆和Cassette进行干燥，尤其将Cassette上可能残存的水滴冲离，促进水滴挥发。

（4）停止注入热N2，盖体注入纯净的N2，喷入到干燥腔内，此时摆动机构仍然带动晶圆左右摆动。

（5）停止注入N2，摆动机构停止摆动，自动盖盖体平移打开干燥腔，清洗设备配置的机械手将带有晶圆的Cassette取出，干燥腔注入阀打开，将干燥腔注满DIW并对干燥腔进行清洁，为下一次晶圆干燥做准备。

4.各单元设计及关键技术

4.1干燥腔单元

干燥腔单元结构如图5所示，干燥腔整体为溢流结构，腔体左右两边为溢流区，每边溢流区分别配有排放口；腔体由四个螺杆结构固定在设备机架上，螺杆结构还可以对腔体进行调平；腔体后方为两个排风口，同时排风底部设有两个冷凝水排放口，可以及时将排风口处冷凝而滴落的水滴排出；腔体左侧设有一个IPA气体辅助接口，可以调节腔体内IPA蒸汽的浓度；腔体底部设有DIW注入口，慢排口，快排口以及液位口，慢排和快排出口处安装有过滤网，液位口的液位管安装有五个液位传感器，可以检测干燥腔内DIW的液位，其分别为低液位、高液位、中间液位（快排开始液位）以及两个保护液位。

图5 干燥腔结构图

4.2摆动机构单元

摆动机构单元结构如图6所示，其主要由Cassette定位机构、移动滑台和固定座等组成。Cassette定位机构用来固定晶圆Cassette，如图7所示，该结构可在X和Y两个方向微调，并可在水平方向上进行调平找正，中间设有两个knife，当摆动机构倾斜时，knife可将晶圆顶起。移动滑台可带动摆动机构上臂在X方向上移动，滑台由电机驱动，并在滑台上部设有光电开关用以控制滑台移动距离，间接控制摆动机构的摆动角度。固定座由深沟球轴承、轴承盖、轴承转子卡套及轴承座等组成，轴承座固定在机架上，用来限制摆动机构下臂的移动，深沟球轴承可使下臂进行转动。当移动滑台带动摆动机构上臂左右移动时，由于摆动机构下臂只能进行转动，所以Cassette定位机构的运动形式为左右摆动，通过限制移动滑台的移动距离，将Cassette定位机构的摆动角度限制在-15°~15°之间。

图6 摆动机构单元结构图

图7 Cassette定位机构结构图

4.2自动盖单元

自动盖单元结构如图8所示，其主要由盖体、IPA进气管、N2进气块以及无杆气缸等组成。如图9（a）所示，盖体上开有IPA进气孔，IPA气体从进气孔进入后，在盖体上分为四路，随后进入带有许多小孔的四根IPA进气管，IPA气体通过这些小孔喷入到干燥腔内；设备内部配有IPA雾化槽，将IPA溶液通入到雾化槽内，并将槽体温度加热到30℃，可以有效的将IPA液体雾化为IPA蒸汽；如图9（b）所示，N2进气孔固定在盖体上，N2及热N2在进气块内被分为两路，通过N2进气块两侧的许多小孔喷入到干燥腔内；无杆气缸可带动盖体左右滑动，用以打开和关闭干燥腔。

图8 自动盖单元结构图

（a）IPA/ N2混合气体进气               （b）N2/热N2进气

图9 气体进气结构图

摆动机构移动滑台运动速度、IPA流量、N2/热N2的流量、干燥腔慢排DIW的速率、干燥腔排风等均是影响晶圆干燥效果的重要因素。通过实验表明，当滑台移动速度为10mm/s，IPA/ N2混合气体流量为80L/min（此时IPA雾化槽物温度为35℃），干燥腔慢排DIW的速率为1mm/s，热N2流量为100L/min，热N2加热温度为120℃，N2流量为80L/min时，能够对晶圆达到良好的干燥效果。

5.结论

晶圆清洗工艺是芯片制造中占比最大的关键工艺，而晶圆干燥系统则是晶圆湿法清洗设备中最为关键的一环。本文基于机械设计理论及Marangoni效应，设计研究了一种晶圆Marangoni干燥系统，经过实验验证，该系统结构可以很好的满足大尺寸及超薄晶圆的干燥要求，运行稳定，发生碎片的风险较低。

参考文献

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[3]张士伟.半导体晶圆的污染杂质及清洗技术[J].电子工业专用设备,2014,43(07):18-21.

[4]张泽欣,郑伟中,徐益升等.超临界二氧化碳介质中晶圆清洗与选择性刻蚀研究进展[J].化工学报,2024,75(01):110-119.

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[9]田原,王云彪,龚一夫等.空间电池用锗抛光片的Marangoni干燥技术[J].节能技术,2018,36(06):552-555.

作者简介

谢振民（1979.12-），男，辽宁彰武人，中国电子科技集团公司第四十五研究所，高级工程师，工程硕士，主要从事半导体设备的设计开发。

刘广杰（1981.12-），男，黑龙江哈尔滨人，中国电子科技集团公司第四十五研究所，工程师，学士，主要从事半导体设备的设计开发。

陈 钊（1999.03-），男，河北保定人，中国电子科技集团公司第四十五研究所，助理工程师，工学硕士，主要从事半导体设备的设计理论及关键技术研究。

段荣鑫（1996.01-），男，山西临汾人，中国电子科技集团公司第四十五研究所，助理工程师，工学硕士，主要从事半导体设备的设计开发。