浅析晶圆湿法清洗方式中常见的电气控制

张　峰，吕麒鹏，张　润，杜　斌

(太原艺星科技有限公司，山西 太原 030024)



浅析晶圆湿法清洗方式中常见的电气控制

张峰，吕麒鹏，张润，杜斌

(太原艺星科技有限公司，山西 太原 030024)

摘要：晶圆湿法清洗设备是半导体行业中最普遍和必须的设备，其电气控制由于环境的因素有其特殊性和专业性，清洗设备中的电气控制需要配合其清洗的特殊工艺而实现。同时清洗中具有强腐蚀性，也应该考虑电气设备的安全耐腐防护。

关键词：计量泵；流量计；QDR；旋转甩干

1概述

半导体工艺的发展过程在很多方面可以说是清洗工艺随着对无污染晶圆需求不断增长而发展的过程。晶圆表面有4大常见类型的污染：1、颗粒；2、有机残留物；3、无机残留物；4、需要去除的氧化层。半导体湿法清洗设备就是利用各种化学试剂和有机溶剂清除附着在半导体、金属材料以及用具表面上各种有害杂质或油污的。其中晶圆清洗是以整个批次或单一晶圆借助各种无机或有机化学试剂的浸泡和喷洒来去除脏污，并用超纯水来洗涤杂质，最后再用甩干机(SRD)等烘干技术将晶片烘干。

2化学试剂的配制

晶圆清洗最常见的RCA清洗中，使用的化学溶剂是99%的浓硫酸、双氧水、HF酸、HCL等强腐蚀性溶液[1]。在以往的湿法清洗设备中，都是人工配制，存在一定的安全隐患和配制误差，在每次清洗中都存在较大的偏差。现在的湿法清洗设备自动溶液的配制，其中一种方式是基于计量泵(添加酸液)、流量计(添加纯水)来实现的。

2.1计量泵的控制

计量泵的过流端材质务必根据配置溶液的性质选型，在RCA清洗中常用材质是PVDF的泵头和膜片[4]。

常见的计量泵一般有四种控制方式：1) 手动控制，2) 比例控制，3) 脉冲控制，4) 计数控制。

计量泵吐出量受冲程长度和冲程频率双重控制。吐出量的精度还受出液口压力的限制，所以一般在配置出液口管路时需要增加止回阀或者背压阀。计量泵的输入控制需要使用PLC或单片机的输出脉冲信号给计量泵的控制器，计量泵控制器通过计数控制方式，按乘法运算法则响应外部脉冲信号。即输入一个外部脉冲信号泵动作n次。一般计量泵的脉冲控制存储器有脉冲的最大存储数，所以在设定响应外部脉冲信号的泵动作时，需考虑最大添加量。

在计数控制方式下，计量泵的冲程频率默认为最大，所以决定计量泵的吐出量就是脉冲数和冲程长度了。首先需要得出每个脉冲的单位添加量。多次添加，用标准量筒来测量添加量，已知脉冲数，即可得出单位脉冲添加量。单位脉冲添加量成为每次添加的单位量，然后每次添加的量都是单位添加量的整数倍，通过输出脉冲到计量泵添加。

图1　外部脉冲信号控制泵的动作

为使添加的准确和可靠，添加溶液应该有一个缓冲罐，并配有液位指示，当液位过低时发出报警，且不能再添加。

2.2流量计添加纯水

计量纯水的添加有两种方式，一种是使用PLC的高速计数器功能，采集流量计通过纯水时的脉冲数，根据走水配管截面，有一个系数，可以计算出流过水量，需要校准[1]。第二种方式是用模拟量模块采集流量计的4 mA~20 mA模拟量信号，该信号有两种，一种是瞬时流量，一种是累计流量。设定好纯水流量，模拟量采集的累计流量到达设定值时关闭水阀。瞬时流量可以采用模糊控制的方式，通过10 ms或20 ms的流量值来计算总的流量，当总流量到达设定值时关闭水阀。

根据溶液的配比和添加槽的体积，决定溶液添加量和纯水添加量。添加顺序是先添加纯水，再注入溶液。这样清洗液就配制好了。

图2　配制溶液管路

3超声波清洗

超声波清洗就是发生器对置于溶液或纯水中的振板上发出高频振动，振板发出的高频振动波会在液体中形成小气泡并快速膨胀，产生孔蚀现象，有助于晶圆微粒的去除[2]。这种频率常用的有20 kHz、40 kHz、60 kHz、80 kHz、120 kHz。频率超过750 kHz为兆声波，可以有效用于清除更小的杂质颗粒。

超声波发生器一般的频率都是固定的或者切换选择几种固定频率，需要控制的只是一个启动信号，和超声波的功率。启动信号用一个按钮实现，功率调节可以使用一个电位器来实现模拟量的调节。频率切换可以用切换按钮实现。上述功能也可用手持的触屏来代替。

4QDR去离子水洗

晶圆湿法清洗中有一道重要的工序就是去离子水洗，水洗前保证供水的纯净度，一般工厂检测出水管的水阻不小于15 MΩ·cm。水洗结束后，还需要水阻率仪检测洗完后排放水的或溢流水的水阻值来保证清洗的颗粒度要求。

流动的水通过稀释的机械原理将晶圆表面水溶性化学物质除去。最表层的化学物质溶解于水并被水流携带走。这种动作在一次一次不间断的进行。较快的水流速度可以更快的将化学物质溶解，从而提高冲洗速度。水的更换次数直接决定了冲洗的速度。这可以通过想象以一个非常快的水流速度在一个非常大的冲洗槽中进行冲洗来理解。从晶圆表面去除掉的化学物质会均匀的分布在冲洗槽中，因此一部分化学物质也仍然将会附着在晶圆表面。只有通过足够多的水流进，并携带着化学物质最终从槽中排出[1]。

QDR清洗就是用去离子水来快排冲洗的过程，QDR槽主要由槽体，快排阀，喷淋管路，鼓氮管路，注水管路组成。QDR清洗将全部过程在一个槽中进行，节约设备和空间。它还是一个可以自动操作的系统，操作员只需将晶片放入槽中然后按下启动键即可。

QDR槽底部也可加入超声波清洗或兆声波清洗加强清洗效果，减少QDR次数，节约纯水。

QDR槽侧部增加水阻率测试仪，在水洗溢流或者排放时检测溢流水的水阻率，来决定水洗的效果，当然这不是准确的，水阻率测试仪也会有误差时候，所以QDR清洗必须指定次数或时间，清洗一定次数或时间后再检测当前的水阻率，来决定QDR是否停止。即使QDR清洗结束后在关闭按钮之前也应该用流动水对晶圆进行冲洗。

图3　QDR槽结构图

QDR清洗就是集喷淋、快排、注水、鼓氮的一道连续清洗，需要设定程序决定清洗次数或清洗时间，以及清洗步骤。其流程图如图4。

图4　QDR程序流程图

电阻率/Ω·cm(25℃)溶解固体量(ppm)180000000.0277150000000.0333100000000.050010000000.5001000005.001000050.00

5旋转淋洗甩干

在去离子水冲洗后，必须将晶圆片烘干。这并不是一个无关紧要的过程。任何保留在晶片上的水(甚至是原子)都可能对以后的任何一步操作产生潜在的影响。

现在常用清洗甩干技术就是甩干机(SRD)。完全的甩干是在一个类似离心分离机的设备中完成的。将装有晶圆的花篮装入甩干机的转子中，转子的旋转是一般由无刷直流电机驱动。在转子侧壁上是一排连着去离子水和热氮气的带孔的管，甩干的过程实际起始于晶圆的冲洗，低速旋转时，去离子水从喷淋管喷出，清洗晶圆表面。一定时间后，开始高速旋转，去离子水喷淋关闭，热氮气喷出，可以有效去除附着在晶圆表面的小水珠[3]。

旋转甩干机的外部要求是供电、供水、供氮气、排放。供水压力一般低于2 MPa，氮气压力也不高于2 MPa。旋转甩干过程中，由于腔体内负压，门处于紧闭状态，此时不能用力开门，腔体门有微动开关，门检测到开启时会强制停止旋转。

旋转甩干机一个很重要的技术指标就是转子动平衡，根据放置晶圆的花篮尺寸定做清洗甩干机的转子尺寸，然后旋转修整转子，使其在高速旋转时，保持平衡，这样甩干机既保证了腔体内晶圆花篮的稳定，也保证了在高速旋转时机身的稳定和噪音。

6结束语

半导体工业中存在大范围的清洗工艺，每个制造领域对于清洁度有着不同的需要，也对不同的清洗方案有着不同的经验。不同的化学物质与清洗方法相结合以适应工艺过程特殊步骤的需要。现在的湿法清洗设备也越来越倾向于无人化操作，机械手的引入使得清洗更加高效和安全。湿法设备中的电气控制存在其特殊性，也在往更加智能的方向发展。

参考文献

[1]Peter Van Zant(美).芯片制造:半导体工艺制程实用教程[M].韩郑生，译.北京：电子工业出版社,2015：174.

[2]Michael Quirk.Julian Serda(美).半导体制造技术[M].韩郑生等译.北京：电子工业出版社,2004：187.

[3]Lei W N.Pluse Plating Ni Nanocrystalline[J].Trans IMF,2002,80(6)：205-209.

[4]王玉，郭帝江，常志，等.基于计量泵的自动化学供酸系统[J].山西电子技术,2015(3)：39.

The Common Electrical Control of Wafer Wet Cleaning Method

Zhang Feng, Lv Qipeng, Zhang Run, Du Bin

(TaiyuanYixingScienceandTechnologyCo.,Ltd,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:Wafer wet cleaning equipment is the most common and necessary equipment in the semiconductor industry, its electrical control parts have its particularity and specialization because of the environmental factors. The electrical control in the cleaning equipment needs to be matched with the special process of cleaning. At the same time it has strong corrosivity in cleaning, so the durability corrosion protection should also be considered for the safety of electrical equipment.

Key words:metering pump; flowmeter; QDR; rotary dryer

中图分类号：TN305.97

文献标识码：A

文章编号：1674- 4578(2016)01- 0019- 02

作者简介：张峰(1985- )，男，山西榆社人，助理工程师，大学本科，主要从事半导体清洗方面设备研发。

收稿日期：2015-10-10