《炬丰科技-半导体工艺》无颗粒晶圆清洗干燥技术
该书为《炬丰科技-半导体工艺》一书中的专题论文；本研究阐述了无颗粒晶圆清洗干燥技术；其编号为JFKJ-21-986；由炬丰科技公司完成
引言
彻底清除所有可能导致污染的因素，在实现亚微米至更低亚微米特征尺寸的ULSI器件制造过程中具有不可替代的作用。当晶片表面覆盖的污染物数量随着图案密度的增长而显著下降时，则能够有效减少潜在缺陷的发生概率。湿法化学工艺作为超大规模集成电路制造中的核心技术之一，在其应用中展现出卓越的效果与广泛的适用性。随着超大规模集成电路器件图案密度不断攀升，对无污染环境下的清洗与干燥技术提出了更高的要求。针对通过化学溶液进行颗粒污染物去除的研究表明：NH OH-HCO溶液是一种理想的选择；通过调节NH OH的比例至标准值的十分之一，则能够在保证较高去污效率的同时显著降低操作能耗。研究发现：通过优化NH和OH含量的比例处理可有效减少后续工艺阶段可能出现所谓的"雾度损伤"现象的发生概率；为构建无颗粒物影响下的干燥系统基础之上；开发了一种完全不含颗粒物的新一代干燥系统设备；该设备通过严格控制干区内的颗粒物产生源并深入探究影响晶圆表面清洁度的关键参数；最终实现了零污染晶圆的有效保存。
实验
清洁实验：
在人工污染的晶圆上进行晶圆清洗测试。分别作为有机污染物源和无机污染物源的小球颗粒分别为聚苯乙烯乳胶球（直径为43nm）与二氧化硅乳胶球（直径为5nm）。用于测试的标准硅片尺寸为3英寸，在(1, 0, 0)p型（6-8Ⅱ-cm）或n型（3-5Ⅱ cm）取向上使用。将浓度调节至每毫升含有7×1e-7至1e-7颗颗粒的胶乳悬液后滴于表面后随即摊平。通过扫描电子显微镜观察晶圆表面情况，并利用晶圆检测系统评估每个样品上的颗粒数量变化情况。其中WIS- 1e2系统采用分级分类法将缺陷划分为两类：大于等于半径为2.5nm之物与小于该值之雾状区域。在实验前对WIS- 1e2系统进行了基准校准工作以确保测量准确性。随后依次对样品进行初始计数操作并完成至少十次清洗循环过程以计算出最终结果数值即清洁效率指标值计算平均值作为最终测定结果输出报告
干燥设备：
图1展示了新开发的一种晶圆干燥系统的简图。该系统包括四个主要部分：异丙醇加热和冷却系统、晶圆输送系统、异丙醇液体输送系统以及风扇过滤装置。在室内环境中通过底部加热器间接对异丙醇进行加热，在房间顶部设置了专门用于冷凝的设备来处理蒸发出来的蒸气部分。浓缩后的液态物质则通过回收机制得到有效的利用以减少浪费现象的发生情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入以防止颗粒物生成的情况发生时才会有相应的措施介入
结果和讨论
清洁：
图2详细对比了五种聚苯乙烯乳胶球清洗液在颗粒去除方面的表现。研究发现，在这些液体中采用低NH4OH浓度（如H₂S·4*H₂·²和NH₄H·H₂·²）能够显著提高针对有机粒子、雾滴等污染物的去污效果。其他清洁方案也能达到较好的去污性能。
图3进一步揭示了不同清洁方法间的相互关联性。研究结果显示，在含有二氧化硅乳胶球的应用中（如NH-OH-H₂O溶液与稀HF溶液），针对无机粒子与雾滴均有较高的去污能力；然而，在标准NH-OH-H₂O₂体系下并未观察到雾滴密度的变化。
值得注意的是，在这一情形下（即采用酸性氧化体系如硫酸与盐酸·H₂·²），尽管这些液体能有效去污（因它们能够作用于硅表面形成氧化膜），但其去污效果相对较低的原因在于其对硅材料腐蚀反应能力较弱。
表1记录了晶片运输系统运行与停止时的参数数据。研究发现，在系统运行过程中所有检测到的颗粒直径均小于1英尺（单位：微米）。此外，在实验过程中对晶片表面吸附特性进行了详细评估。经过30次连续操作后仍未发现颗粒计数的变化趋势。图9对比展示了8小时连续蒸发操作前后的底部异丙醇及冷凝异丙醇中的颗粒浓度变化情况。实验数据显示，在蒸发结束后底部异丙醇中的颗粒浓度显著降低，并且在整个8小时内未观察到浓缩异丙醇中颗粒浓度的变化。从测试结果可以看出该干燥系统的组成特性能够有效减少空气中微粒的数量
湿化学处理过程中的静电 charging: 静电 charges引发从 washing到 drying 的电位变化, 如图 II所示. 表明确实揭示了两个关键点. 一是经过 rotation drying后可测得静电势约为-25kV, 而采用 steam drying处理后可测得相对零电位(+0kV). 第二点则是通过 steam drying能够完美释放漂洗后的静电 charges, 实现中和效果. 研究表明, 异丙醇蒸气干燥技术对于解决由静电引起的微粒污染问题具有显著优势
全面分析了影响干燥后晶片表面清洁度的关键因素，并得出了相关结论：由此可知，在干燥操作中存在三个需要严格管控的技术参数。其中主要涉及的因素包括含水量、异丙醇温度分布情况以及异丙醇流动速度等指标参数。
我们对各种干燥工艺进行了全面分析，并筛选出最优组合作为理想晶体膜干燥条件：其中水分含量控制在每升溶液中少于1000 ppm（ppm），其在晶片附近的蒸气温度维持在82摄氏度，并保证蒸气输送速度稳定在每秒5.0厘米。经此工艺处理后即使后续施加稀氢氟酸仍能保持极低的缺陷率（如表5所示）。在此最佳工艺参数下持续供应无杂质的洁净异丙醇气流将能实现对晶体膜表面高度清洁的目标：即该气流需持续供应并均匀覆盖整个表面区域。
总结
湿法化学工艺在超大规模集成电路制造技术中发挥着至关重要的作用。随着超大规模集成电路器件图案密度的增加,对无污染清洗和干燥系统的需求日益增长。研究表明,在不增加表面粗糙度的情况下(即保持相同的表面粗糙度),使用NH4OH-H2O 2溶液能够有效地去除颗粒污染物,并且这种溶液中的NH4OH浓度较常规溶液显著降低(降至常规水平的1/2至1/10),从而将颗粒去除能力提升了两个数量级。通过全面调查和技术项目的深入分析可知:IPA中的水含量、加热系统的性能以及蒸汽速度均会对干燥过程中的表面清洁度产生显著影响;同时明确了实现高质量表面清洁度的最佳操作条件