湿法化学清洗设备的防护措施

RCA湿法清洗技术 (RCA, 美国无线电公司) 是1970年由RCA公司所提出的一个湿法清洗工艺, 现在大部分的清洗工艺都是在RCA湿法清洗技术的基础上。湿法化学清洗技术对电子行业, 特别是半导体制造业、光伏电池制造业是极为重要的。在集成电路的生产制造过程中, 晶圆的清洗工艺是使用最频繁、重复次数最多的一个工艺过程。晶圆清洗的目标是去除所有表面沾污:颗粒、有机物、金属和自然氧化层。每一工艺步骤都是晶圆上器件潜在的污染源, 贯穿整个ULSI制造工艺, 据估计单个晶圆表面要湿法清洗上百次, 而且集成电路的集成度愈高, 制造工序愈多, 所需清洗工艺也愈多。在诸多清洗工艺中, 只要有其中一道达不到要求, 将会导致整批芯片报废或流程不畅。所以说, 没有有效的清洗技术和先进的清洗设备, 便没有今日的半导体器件、集成电路的发展。

湿法化学清洗设备主要是用于半导体生产线上晶圆在抛光前、扩散前、氧化前、化学气相及薄膜沉积前或刻蚀后等工序的清洗, 其工作原理是使用各种化学药液与晶圆表面各种杂质、粒子发生化学反应, 生成溶于水的物质, 再用高纯水冲洗, 依次去除晶圆表面各杂质。

设备方面包括手动操作台和自动清洗机, 需要解决的主要难题包括机械手运动范围防腐、模块化设计、设备与工艺的配合等。

1 湿法化学清洗工艺的简介

晶圆表面的污染物通常以原子、离子、分子、粒子或膜的形式以物理吸附或化学吸附的方式存在于硅片表面或硅片自身氧化膜中。晶片表面吸附杂质的主要原因是, 晶片表面原子垂直向上的化学键被破坏成为悬空键, 在晶片表面形成自由力场, 极易吸附各种杂质。这些杂质和晶片之间迅速形成化学吸附, 很难去除。硅片清洗要求既能去除各类杂质又不损坏硅片。

从20世纪60年代提出至今的湿法清洗技术一直没有被一种能完全成功的非湿法清洗方式所代替, 湿法清洗正当兴盛完全占据了晶圆表面清洗方式的统治地位。湿法化学清洗做为湿法清洗的一部分, 主要用各种化学药液与晶圆表面各种杂质粒子发生化学反应和溶解作用, 或伴以超声、加热、抽真空等物理措施, 使杂质从被清除物的表面脱附 (解吸) , 然后用大量高纯冷、热DI水冲洗, 从而获得洁净表面的工程。一般的化学药液分为两种:一种为清洗液, 主要用于去除晶圆表面污染物的化学药液;另一种为腐蚀液, 主要用于可以剥离晶圆表面或其表面覆盖物的溶液。

典型RCA清洗技术常用的清洗液见表1。

晶圆清洗工艺多种多样, 所用化学药液不同, 设备和工艺各异, 清洗效果也各有不同, 清洗工艺的选择, 应根据实际晶圆表面污染情况决定。

常见的RCA湿法清洗工艺过程如图1所示。

目前, 所用的大部分的清洗工艺都是在此基础上进行改良, 对RCA中的化学配方和清洗程序做了改变, 加以组合以更加符合各种清洗工艺要求。

2 湿法化学清洗设备简介

由于湿法化学清洗在半导体制造中广泛的应用, 其对应的湿法化学清洗设备成为生产链中的关键设备。湿法化学清洗设备系统设计的核心思想是模块化设计, 将各种清洗液清洗过程模块化。比如:化学腐蚀槽 (石英或PVDF) 模块化用于各种腐蚀性溶液, 一般都具有加热功能;快排槽 (QDR) 用于高纯水冲洗;水梯槽用于层流冲洗;恒温水浴槽用于缓冲刻蚀和干燥系统等模块。以模块为核心, 将各模块有机组合成具有一种或多种清洗工艺的清洗设备。

湿法化学清洗设备分手动和全自动清洗机, 手动清洗机就是将模块化的组合加入骨架机体组成;全自动清洗机在手动清洗机的基础上增加传动装置和自动控制功能, 机械手代替操作员大量工作, 操作员只需将欲清洗花篮放入上料位, 选择编好的工艺程序, 按下启动按钮即可, 操作人员不需直接接触化学液。

3 设备的防护措施

由于湿法化学清洗工艺的特殊性, 所用清洗液都具有不同程度腐蚀性还伴有加热功能, 而且其骨架本体材料特殊, 并对洁净度有一定的要求。所以其设备所作的防护措+施对操作人员的安全保护, 和设备本身的防护都具有重要的意义。以下着重介绍几种常见的防护措施。

3.1 设备本体的防护

由于半导体制造工艺的需要, 所有的设备都需要在一个超洁净的环境中进行其主体框架主要采用304、316及316L不锈钢 (某些承重要求更高情况下使用炭钢) 外部包附工程塑料PP板 (聚丙烯:是最轻的塑料之一, 有很突出的刚性, 能耐大多数的有机和无机酸、碱和盐。在低应力下可长期使用于110℃~120℃) 。设备除门窗处需要透明结构例如使用透明PVC (聚氯乙稀) 外, 整体处于PP环境。从目前的情况来看, 本体PP材质能满足净化间对颗粒数的要求, 以及由使用的化学液所引起的耐腐蚀度的要求, 但是却因为其本体的物理特性存在安全隐患, 另外有两方面引起设备塑料结构部分的变型。

(1) 由于设备本体材料有遇明火可燃, 遇高温溶化的性质, 所以在设备设计及使用过程中首先必须在设备醒目地方贴警示标志, 严禁设备周围出现明火, 严禁将易燃、易爆化学试剂放置于设备附近, 防止意外发生。另外电源接线处密封, 紧固——防止接触不良引起火花;加热器本体作到密封、安装位置与水源隔绝——防止使用液体溅入引起短路。

防护措施: (1) 电源接线使用专用电气螺纹管, 接线点牢固, 没有毛刺。并在本体电气控制部分通入循环气体 (氮气) 保护。一方面起到防止电线老化作用, 一方面便于散热。 (2) 对所有的加热元器件必须安装过温保护传感器, 将过温保护信号串入设备总电源线, 一旦发生危险, 设备会整体断电, 起到安全保护作用。

(2) 全自动清洗机在运行过程中, 无论加热还是正常的化学反应都会导致大量的化学药剂的蒸腾或挥发, 目前广泛使用通过循环抽风系统把有害气体导入专用管道来防止其扩散对人体及环境的影响, 因此设备整体处于密封状态, 但是通过长时间的观察发现设备的门窗会在密闭情况下因强抽风产生的负压下发生形变。

防护措施:可以通过在门窗处增加适量的通风孔从而平衡设备内外压力防止形变发生。

(3) 在有些清洗工艺中, 由于所用清洗液腐蚀性较大, 所以一般采用虹吸上排方式经过稀释单独回收。由于化学槽长期使用会老化漏液, 将清洗液漏出会腐蚀漏盘, 排入排放系统会污染环境, 所以要避免这种现象发生。

防护措施:一般将化学槽底部再加一个槽体, 在增加的槽内装漏液检测装置。由于专用的漏液检测价格昂贵, 我们一般安装一次性的光电传感器代替。如图2所示。

通过液体滴在传感器表面的光学内反射原理, 给出信号提示。

3.2 加热元器件的防护

由于清洗工艺经常伴有加热功能, 加热器一般是内置投放式安装, 直接接触化学液, 所以加热器既要耐酸碱腐蚀, 还要耐高温。对其的保护主要是加热器的过温保护和防止干烧保护。

(1) 过温保护的防护措施就是在对酸碱槽温度检测的同时, 增加一路温度检测传感器作为过温保护传感器, 将其检测信号反馈给温度器, 与温度器设置最高温度比较, 超过的话, 就会自动断开加热器电源, 起到过温保护作用。

(2) 防止加热器干烧发生危险, 加液位保护装置就比较重要了。由于所用溶液的特殊性加上需要耐高温, 所以选用合适的液位控制器很难。下面介绍一种通过比较液体内部与外界大气压差从而监测液面高低的系统, 我们称其为氮气液位传感器。

其主要的组成部分包括减压阀, 压差传感器, 节流阀。如图3所示。

选用耐腐蚀的气管 (10) 直接插入待监测的槽体液面内, 通过比较 (10) 处与连接大气的压差值, 来给出信号。通过合理串联, 本系统可同时监测多处液位, 对加热环境没有要求, 基本不需要考虑的安装空间, 没有腐蚀现象, 反应灵敏。

4 管路系统的防护

设备的管路也是需要给予重视的一个重要组成部分。目前最容易出现的有两种极易堵塞的现象。

(1) 对于水路, 经常由清洗物体的碎料例如碎硅片, 在排水口形成堵塞。不仅会堵塞槽子内部单独的排水管路, 也会堵塞设备整个排水系统。

防护措施: (1) 在槽子排水口加网塞, 定时清理, 防止碎裂的晶片进入内部排水管; (2) 通过在漏盘中安装液位传感器来及时提醒设备维护人员, 对堆积在排水口隔离网处的碎片进行清除。这样可以得到有效防护。

(2) 另一种是通过清洗剂的化学反应生成的盐或者只是由于药剂结晶形成的阻塞物。其形成原因一般无法改变, 只能通过别的方式避开阻塞现象。

防护措施:通常在反应槽的进排水口处形成, 对于生成物数量不是很大的情况下, 可以使用虹吸上排的方式来达到目的。当结晶量很大或是流量过大虹吸无法提供时, 可以把容易结晶堵塞的管路做成可拆卸方式保证随时更换。

5 结语

总之, 为了达到理想的晶圆清洗效果, 湿法清洗工艺将经过一定的组合来满足各种不同针对性的清洗。湿法化学清洗设备也将在自动化操作和安全性能等方面更加完善, 这就需要我们设计人员在实践过程中不断摸索和积累经验, 来提高设备的整体性能, 做到更加精益求精。

摘要：主要介绍了半导体晶圆RCA清洗工艺及化学湿法清洗设备在使用时安全隐患和防腐保护措施的应用。在设备的主体、电气控制系统、加热系统、排放系统等部分的设计的独创性和实用性得到广泛的应用。一定程度上解决了该设备在应用中的安全隐患, 具有重要的意义。

关键词：湿法化学,RCA清洗,QDR,防护措施

参考文献

[1] 闫志瑞.半导体硅片清洗工艺发展方向[J].电子工业专用设备, 2004.

[2] 王锐延.半导体晶圆自动清洗设备[J].电子工业专用设备, 2004.

[3] 梁治齐.实用清洗技术手册[M].化学工业出版社, 2000, 1.