晶圓濕式製程中乾燥法 : 未來的挑戰

導覽

因為，運用液面溫度或液體組成濃度變化所生表面張力的Marangoni乾燥原理已有改良，及晶圓表面水痕的問題也已解決，促使濕式製程保持在晶圓製造業的龍頭地位。

　　 為了提升處理器和記憶晶片的量產，半導體業在過去15年中已使晶圓尺寸從100毫米增加到300毫米，而積體電路結合率與晶片的縮小率也在提升中。

　　 濕式製程主要用在單一或大批晶圓的表面處理、清潔及蝕刻。濕式製程在變更製程步驟的彈性和提升品質的能力，特別適合在減少晶片尺寸和提高架構的複雜性上作業。幾乎在每個濕式製程的程序最後都要乾燥處理，使乾燥處理成為濕式製程的最重要的步驟，甚至可說是它決定了濕式製程的品質。

　　 除了300毫米晶圓產能的提升，目前晶片廠已經有90奈米節點的製品，而主晶片廠商更已進入65奈米節點的研究。50-60:1的比率已是標準切刻作業，高品質的作業更已達100:1。造成晶圓的結構因幾何學與複雜程度而容易損壞，而需重新界定晶圓的一些主要乾燥處理施作︰

• 要注意粒子尺寸變小。在0.1μm直徑的粒子上，親水和疏水性的表面上只能有少於20個加法器。
• 在晶圓製造的任何步驟中應降低或完全避免機械應力產生。這淘汰了旋轉乾燥處理器。
• 結構的高對比、新材料和疏水性和親水性表面積的混合比例需要新的製程組合，需求適應各種特性的高度彈性。
• 能適應顧客複雜應用的需求，而在同一槽中同時進行乾濕蝕刻。

　　 各種乾燥處理技術都正面對如機械應力、粒子極限或處理成效，和那些有效的處理面積的限制。旋轉乾燥處理器因為機械應力，已被淘汰。異丙醇汽乾燥處理器也因嚴重的安全威脅，常需配備如CO2等昂貴的滅火系統，化學品的高消耗率，再加工的特別要求，無離子水內的純有機碳(TOC)的需求都增加這項技術的成本。其他如氟氫化合物/臭氧乾燥處理器，則不通用或無法應用於廣泛晶片或物料類型。

Marangoni的改進

　　Marangoni效應的乾燥處理技術已俱備了未來可應用的技術。具備12年的成熟技術，也受工業界所接受。它的限制在製程工作室中可用的異丙醇量太低，卻因為用劑配方限制又無法改善，特別是在較大的晶圓尺寸和較小的極限尺寸(CD)。再就是，界面層的運動必須克服煩重而複雜的機械作用。

　　 Marangoni方式有可被改進的關鍵，在需要發展出一種把酒精注入製程工作室的新技術。超音速震動噴霧嘴的創造取得突破。提供溫和的低速噴霧、微流量、多種的水霧形狀和噴嘴完全無阻塞。操作原理是利用特定的噴嘴的實體長度產生共振頻率。以25-120 kHz的頻率範圍，噴嘴長度從200毫米縮到40毫米。配置一個標準的正弦曲線弧度達到持續振動的需要。在表面張力、霧液密度外和霧滴尺寸的控制來說，超音速震動噴霧嘴更是強項。不但可以製造出特定的霧滴尺寸，還能建立這個尺寸在不同大小直徑中函數性的分佈。目前製造的典型霧滴大小平均直徑為20 μm (Fig. 1 ).

Fig. 1 資料由Lechler公司提供的超音速噴霧器US1的霧滴分佈對數表。 (水流提供率以0.02lpm的100 kHz)。

　　 震動器是以壓電的轉換器來驅動，安裝在一種非常高強度的鈦合金(Ti-6Al-4V)上。噴嘴中央有一條供水管線導引液體到震動器的底部或出口(Fig. 2). 取決于震動器形狀，特定的霧氣的幾何學形狀(如，圓錐形、扁平形、收縮噴射形) 就被噴進製程工作室(Fig. 3 )。總體汽化的效率是根據幾個優化因素，例如：輸入的功S，噴嘴類型，液體特性和供給液體率。開始霧汽化需要達到最小或臨界功率。如果功率超過最佳化的需求，液體將散開，反形成大液面而不是溫和的優良霧狀水滴。

Fig. 2 超音速噴嘴斷面圖。

Fig. 3 觀察IPA霧氣噴入開放的製程工作室，由裝在製程工作室的蓋子上的超音速噴霧器噴入(流量模式只為試驗目的)。 (消息︰AP& S)

　這些方法提供了一些新的製程特性，可用來組合新配方。 主要的是酒精量，也就是噴嘴的輸入流量率。 目前，異丙醇是用來當這酒精。 酒精，特別是異丙醇，因為是低黏性和低表面張力的一種純淨的單一成分的液體，非常合適供超音速噴嘴使用。 目前，這項技術尚未找到製程上的極限。 除了酒精量，也就是噴嘴的輸入流量率，還有其他優化選擇，如不同的酒精，改善超音速震動噴霧嘴，提供更多的震動頻率來改善現有霧滴大小。

　　 已經有不同種類的酒精能提供給製程組合來打開巨大的處理面積 (Fig. 4)。同一個噴嘴結構的輸入流量率可能從小於1 mL/min提升到20 mL/min。這導致改進乾燥處理的控制工具來控制製程。 現下通過晶圓表面用在乾燥處理的酒精量，以及在去離子純水(DI water)表面之上的酒精層的厚度，都已是製程上的一個變易特性。但是增加的酒精量在佔主要化學品的用量比例仍然顯示效率太不成比例。 在試驗期間，發現今天的標準應用上，在200mm晶圓只要求低量的酒精使用量 (5-10 mL/run 取決於大小極限和被乾燥處理的晶圓數量)。 圖5顯示一個無水印的疏水性晶圓表面經乾燥處理後，只有邊緣區可發現一些水滴。

Fig. 4 常用乾燥處理技術的表面張力率(STG)與比較新的音速氣流乾燥處理技術的微分的表面張力(DST)的典型處理面積的比較。

Fig. 5 在音速氣流乾燥處理技術中經過HF-last製程的Si3N4層的試驗晶圓(110納米技術)的顯微照片。 (來源︰Infineon)

　　 這項乾燥處理技術的第二個主要的製程特性是所謂的排水速度。這個速度是界面層(在去離子純水表面上非常薄的一層酒精)通過晶圓或基底層表面的運動速度。處理的排水速度可達0.3-2.5毫米/秒，最高能達到3.5毫米/秒。目前典型的設定是1-1.5 毫米/秒。由於不同的排水速度可用在清洗斷面上，不同的晶圓表面可以分別處理或晶圓上方的水柱可加速排水來加快乾燥處理步驟。

　　 首先，在公司內部處理實驗室進行密集試驗，隨後在生產面上評估。 粒子計數每0.12 μm小於10ppw和每0.10μm小於20 ppw已經能被達到(50塊晶圓PEC/ 200毫米)。 在這些試驗期間，用戶特別為製造過程控制和靈活性而喜歡選用。 這也吸引研究上廣泛的應用。 更因為沖洗跟乾隆是以標準清洗程序運作，更開展了一些可行性，提供給化學步驟的結合來進行乾燥處理前的表面準備工作，或進一步在小結構作業前施用表面活化劑來降低表面張力。這項特殊的同一清洗作業結合浸泡與乾燥的步驟，將促成縮減工具尺寸的可能性。一個標準的表面準備工作是在乾燥處理前的氟氫蝕刻的作業，它必須避免疏水性晶圓表面與空氣接觸。

　　 因為製程中酒精的使用量極低，這個新技術避免了安全上的危機；異丙醇濃度保持在遠低於它的燃點下。該製程在製程工作室內的運作以氮氣保持在一個鈍氣態環境。

　　 訂製的乾燥解決辦法吸引了矽晶製造商和積體電路製造廠。透過改變工具軟體中不同配方特性，就能適用到寬廣的基本物料與尺寸(Fig. 6 )。現今物料注意焦點在矽、SiO2、石英、砷化鎵、SiC或其他新材料。 其他還有微機電系統、砷化鎵、凸塊製作(Bumping)或其他基底的乾燥作業如平面顯示器(FPD)基底。

(本篇來源 : Reed Electronics Group, 汪曉陽摘譯 2004/10/19)