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摘要：干燥是湿法清洗的最后一步，极大影响晶圆片的成品率。本文阐述了干燥在湿法清洗中的作用，分析了几种干燥方式的特点，重点论述了IPA干燥技术。同时对晶圆片干燥技术进行了展望。
关键词：湿法清洗；IPA；晶圆干燥
Abstract：Drying is the last step of wet process and it greatly affects the yield of wafers. This paper expounds the function of drying in wet cleaning，analyzes the characteristics of several drying methods，and focuses on IPA drying technology. At the same time，the drying technology of wafer is prospected.
Keywords：wet clean，IPA，wafer dry
1.前言
随着半导体技术的发展，晶圆表面上集成的器件数达10亿以上。为了提高电路速度和降低功耗，必须采用多层布线。与此同时，芯片对晶圆表面洁净度的要求越来越高，这使得湿法清洗工艺在集成电路生产工艺过程中扮演者越来越重要的角色。干燥是湿法工艺的最后一步，极大影响晶圆片的成品率。
2.晶圆片湿法清洗中的干燥方法
2.1 湿法清洗在IC生产中的作用
芯片制造中的外界环境及芯片本身的各种物质都有可能造成芯片缺陷及报废，从而给晶圆生产商带来巨大损失。因此在生产过程中，除了要减少外界的污染源外，各工艺段间都需要进行清洗处理。清洗工艺过程主要以清洗硅片表面的污染和杂质为主要目的，同时也要考虑清洗的效率和成本。
随着集成电路的集成度越高，制造工序越多，所需的清洗工序也越多。举例来说，DRAM的芯片制造中，清洗工序占全部工艺量的20%以上，湿法化学清洗仍然是各厂商实施晶圆清洗工艺的主要选择。在执行晶圆的前段、后段工艺过程中，晶圆经过数次的清洗步骤，其次数取决于晶圆的设计和互连的成熟。而清洗效率的好坏，将决定产品良率、可靠度以及生产效率的高低。此外，清洗工艺过程不仅要剥离晶圆表面的光刻胶，同时还必须去除复杂的刻蚀残余物质、金属颗粒以及其他污染物等。
所有湿法清洗的最后一个步骤是干燥，干燥的目的是把晶圆表面的液体除尽，防止表面氧化再污染，使晶圆表面洁净干燥，为后续工艺打好基础。如果表面干燥没有做好，即便清洗多干净，一切都会前功尽弃。
2.2 几种干燥方式及特点
目前在集成电路FAB厂所用到的清洗设备分为批量式清洗设备（槽式清洗）、單片式清洗设备，常见的几种干燥方式：旋转干燥（Spin Dryer）、Marangoni干燥、异丙醇加热雾化干燥（IPA）。在单片式清洗设备中，配套设备采用的是旋转干燥的方式。在槽式清洗设备中，根据生产工艺要求和设备厂商的不同，干燥方式也不同，这三种方式都有运用。
2.2.1 旋转干燥
顾名思义，采用高速旋转干燥的方式，同时可以选择氮气吹扫起到加速干燥，防止晶圆表面氧化。旋转感到对于平滑的晶圆表面干燥效果较好，若晶圆表面已做各种图形工艺形成的浅沟槽，沟槽内的水滴根据伯努利原理会被吸出，晶圆表面蒸发干燥无微粒及水痕。
随着工艺尺寸的进一步缩小，在一些深沟器件中，旋转干燥已经不能满足干燥要求，主要表现为：①在沟槽内形成水汽残留，影响沟槽的后续填充；②晶圆在高速旋转中由于离心力不一致导致产生的晶圆内应力；③高速旋转造成干燥腔体内部压力降低，导致排气倒灌；④若腔体几何形状设计不当，容易使清洗去除物质或水滴反弹至晶圆表面造成缺陷。同时，在产线的自动机台上，一片晶圆的破碎会造成整批次晶圆的报废。
2.2.2 Marangoni干燥
目前在槽式批量清洗工艺机台中，使用较多的是有机溶剂脱水法，其应用最具有代表性的是Marangoni干燥法和IPA干燥法。
Marangoni效应是以19世纪意大利物理学家Carlo Marangoni的名字命名的表面效应，用于表征改变界面张力梯度后对表面液体膜形成的影响。界面张力是两相界面上分子之间的相互作用力。界面张力随着温度和浓度的变化而改变，从而形成张力梯度，使得低界面张力梯度处的流体向高界面张力梯度处流动以抵消界面张力差异所引起的界面不稳定。这种张力梯度所引起的液体流动现场就称为Marangoni效应【1】。这一物理效应在21世纪90年代应用于集成电路工业的湿法清洗干燥中。
Marangoni干燥法是利用异丙醇与去离子水不同的表面张力将晶圆表面的水滴吸收回流到槽内，达到干燥晶圆表面的作用。21世纪初，Marangoni干燥法被应用于CMP工艺中。美国Applied Meterials的CMP部门经理Lakshmanan Karuppiah表示，通过采用Marangoni干燥技术，使得CMP系统能够应用于45nm及更高节点超低k绝缘材料的抛光。
2.2.3 IPA干燥
在一些深沟道的器件和一些亲水性较强的晶圆干燥中，Marangoni干燥会在表面形成微粒或水汽残留，对后续工艺产生不良影响。
晶圆工厂中0.35μm以下的湿法清洗均采用加热异丙醇新城汽雾的干燥方式，即通常称为IPA干燥法。IPA干燥也是利用Marangoni原理，分子间作用力把水分子去除。将异丙醇雾化形成雾汽，其分子在热氮气的携带下更易进入器件的沟道内，从而带走沟道内的水分子达到干燥的作用。此方法不仅大大降低水汽残留现象的发生，而且减少晶圆表面对微粒的吸附。
3. IPA干燥技术 3.1 IPA干燥
当制程技术发展到深亚微米时代后，分子力是主要控制物质间相互作用的物理现象。在晶圆上为了形成设计特殊图形，会在前道工艺中在晶圆表面涂布一层光阻材料，保护不需要刻蚀的区域，从而形成沟槽。有些工艺的沟槽较深，若不改进干燥工艺，沟槽内的水分子在空气中暴露时间过长，一般大于60秒便会在光阻与SiO2表面形成一层薄薄的氧化层，在后续工艺进行去除光阻后，晶圆表面的这层氧化层像一道屏障影响工艺进行，这极大的降低集成电路良率。
在干燥的微观领域，尤其是带有深沟槽的器件晶圆，改良后的Marangoni干燥法可以把沟槽内的水分子有效去除且没有水汽残留。
3.2 主要几种IPA干燥方法
异丙醇和氮气的流量、温度及晶圆干燥速度是干燥的主要技术参数。对于不同的晶圆表面特性，需要采取不同的干燥步骤。
对于表面覆盖光阻的晶圆，在干燥过程中异丙醇的温度要在40℃以下防止光阻的损伤；对于表面为非有机物的晶圆，可以采用加热异丙醇雾化的干燥方式；亲水性表面的晶圆干燥速度可以适当减慢或异丙醇流量增大以达到晶圆表面充分干燥；斥水性表面的晶圆干燥时可适当减小异丙醇的流量或提高干燥速度以达到产能要求。
3.2.1 高温IPA蒸汽干燥
通过电加热器对IPA进行加热形成蒸汽，IPA蒸汽直接喷射到晶圆表面，通过IPA冷凝达到带走水分子干燥的作用。此方法存在IPA用量多、运输过程中IPA凝结多的缺陷，影响生产和干燥效果。
3.2.2 IPA超声雾化干燥
通过超声波振荡雾化IPA，IPA蒸汽流到晶圆表面，结合热N2达到干燥。此方法存在IPA不均匀缺陷，影响生产和干燥效果。
3.2.3 N2输送IPA雾化干燥
通过N2鼓入IPA使之雾化，IPA蒸汽流到晶圆表面，结合热N2达到干燥。此方法存在IPA形成雾化慢、热N2用量大等缺陷，影响生产和干燥效果。
3.3 加热N2雾化IPA干燥
3.3.1加热N2雾化IPA干燥的原理
热N2和IPA通过IPA雾化器，快速形成IPA蒸汽喷射到晶圆表面达到干燥。此方法IPA浓度足够，形成IPA蒸汽块，无高温危险，干燥较快。
3.3.2主要结构及技术指标
IPA雾化干燥机主体結构为：1.工艺取干槽及相关的进排水管路；2.IPA雾化器、存储器及相关的IPA管路；3.氮气加热及相关管路；4.PLC及触摸屏自动化控制系统。
3.3.3优势
1.处理方式
使用的是具有一定压力的经加热的多种化学气体；传统雾化处理所使用的是空气、氮气或者超声振子。其中的具体区别是：IPA干燥机所使用的是非常简单的化学处理装置，并且灵活性强、渗透性大，可以渗透到极微小（0.18μm以下）的集成电路线路排列中；传统雾化处理（特别是超声振子）中的压力作用几乎为零，所以其产生的雾化效果传送不到相应的工艺处理管路。
2.处理结果
采用的雾化产生器能够产生毫微米级的极小雾状颗粒，较好地带走沟槽内的水分子，干燥效果好。
3.化学剂用量
由于集成电路清洗行业中高纯度的化学液价格非常昂贵，采用的雾化产生器所需的化学液用量极小，随之，去离子水的冲洗水用量也就非常少，所以IPA雾化干燥机可以大大节约化学剂成本。
4.机械结构
使用的雾状化学处理器结构简单，相对于传统雾化处理而言没有运动组件，使用寿命长，且维修非常方便，降低机器故障率及维修时间等问题。
4. 全文总结
湿法清洗在45纳米、65纳米及90纳米节点具有有良好的清洗效果。在集成电路后段工艺中，为了防止金属线之间的干扰，介质层常采用低K材料，这对湿法工艺提出更高的要求。无论是槽式湿法清洗还是单片式湿法清洗工艺，对干燥技术提出更高的要求。如何更有效的干燥以及解决干燥中的安全问题和污染问题成为干燥技术中的重要课题。这也使得IPA干燥技术在未来一段时间仍旧占有无法替代的地位。
参考文献：
[1] 张峰，赵贤广，耿皎等. Marangoni效应与降膜传递过程[J].南京工业大学学报，2006，28（1）：93-99.
[2] Jurgen Funkhnel，Donaueschingen，Kristin.“Wafer Drying in Wet Processin：The Challenge of the Future”[J]. Semiconductor International.2004.
[3] 集贤实业有限公司. 半导体晶圆干燥方法[P].中国专利：CN1368755，2002.09.11.
作者简介：
赵晓明（1975-），女，高级工程师，主要从事电子专用设备的研制。
关键词：湿法清洗；IPA；晶圆干燥
Abstract：Drying is the last step of wet process and it greatly affects the yield of wafers. This paper expounds the function of drying in wet cleaning，analyzes the characteristics of several drying methods，and focuses on IPA drying technology. At the same time，the drying technology of wafer is prospected.
Keywords：wet clean，IPA，wafer dry
1.前言
随着半导体技术的发展，晶圆表面上集成的器件数达10亿以上。为了提高电路速度和降低功耗，必须采用多层布线。与此同时，芯片对晶圆表面洁净度的要求越来越高，这使得湿法清洗工艺在集成电路生产工艺过程中扮演者越来越重要的角色。干燥是湿法工艺的最后一步，极大影响晶圆片的成品率。
2.晶圆片湿法清洗中的干燥方法
2.1 湿法清洗在IC生产中的作用
芯片制造中的外界环境及芯片本身的各种物质都有可能造成芯片缺陷及报废，从而给晶圆生产商带来巨大损失。因此在生产过程中，除了要减少外界的污染源外，各工艺段间都需要进行清洗处理。清洗工艺过程主要以清洗硅片表面的污染和杂质为主要目的，同时也要考虑清洗的效率和成本。
随着集成电路的集成度越高，制造工序越多，所需的清洗工序也越多。举例来说，DRAM的芯片制造中，清洗工序占全部工艺量的20%以上，湿法化学清洗仍然是各厂商实施晶圆清洗工艺的主要选择。在执行晶圆的前段、后段工艺过程中，晶圆经过数次的清洗步骤，其次数取决于晶圆的设计和互连的成熟。而清洗效率的好坏，将决定产品良率、可靠度以及生产效率的高低。此外，清洗工艺过程不仅要剥离晶圆表面的光刻胶，同时还必须去除复杂的刻蚀残余物质、金属颗粒以及其他污染物等。
所有湿法清洗的最后一个步骤是干燥，干燥的目的是把晶圆表面的液体除尽，防止表面氧化再污染，使晶圆表面洁净干燥，为后续工艺打好基础。如果表面干燥没有做好，即便清洗多干净，一切都会前功尽弃。
2.2 几种干燥方式及特点
目前在集成电路FAB厂所用到的清洗设备分为批量式清洗设备（槽式清洗）、單片式清洗设备，常见的几种干燥方式：旋转干燥（Spin Dryer）、Marangoni干燥、异丙醇加热雾化干燥（IPA）。在单片式清洗设备中，配套设备采用的是旋转干燥的方式。在槽式清洗设备中，根据生产工艺要求和设备厂商的不同，干燥方式也不同，这三种方式都有运用。
2.2.1 旋转干燥
顾名思义，采用高速旋转干燥的方式，同时可以选择氮气吹扫起到加速干燥，防止晶圆表面氧化。旋转感到对于平滑的晶圆表面干燥效果较好，若晶圆表面已做各种图形工艺形成的浅沟槽，沟槽内的水滴根据伯努利原理会被吸出，晶圆表面蒸发干燥无微粒及水痕。
随着工艺尺寸的进一步缩小，在一些深沟器件中，旋转干燥已经不能满足干燥要求，主要表现为：①在沟槽内形成水汽残留，影响沟槽的后续填充；②晶圆在高速旋转中由于离心力不一致导致产生的晶圆内应力；③高速旋转造成干燥腔体内部压力降低，导致排气倒灌；④若腔体几何形状设计不当，容易使清洗去除物质或水滴反弹至晶圆表面造成缺陷。同时，在产线的自动机台上，一片晶圆的破碎会造成整批次晶圆的报废。
2.2.2 Marangoni干燥
目前在槽式批量清洗工艺机台中，使用较多的是有机溶剂脱水法，其应用最具有代表性的是Marangoni干燥法和IPA干燥法。
Marangoni效应是以19世纪意大利物理学家Carlo Marangoni的名字命名的表面效应，用于表征改变界面张力梯度后对表面液体膜形成的影响。界面张力是两相界面上分子之间的相互作用力。界面张力随着温度和浓度的变化而改变，从而形成张力梯度，使得低界面张力梯度处的流体向高界面张力梯度处流动以抵消界面张力差异所引起的界面不稳定。这种张力梯度所引起的液体流动现场就称为Marangoni效应【1】。这一物理效应在21世纪90年代应用于集成电路工业的湿法清洗干燥中。
Marangoni干燥法是利用异丙醇与去离子水不同的表面张力将晶圆表面的水滴吸收回流到槽内，达到干燥晶圆表面的作用。21世纪初，Marangoni干燥法被应用于CMP工艺中。美国Applied Meterials的CMP部门经理Lakshmanan Karuppiah表示，通过采用Marangoni干燥技术，使得CMP系统能够应用于45nm及更高节点超低k绝缘材料的抛光。
2.2.3 IPA干燥
在一些深沟道的器件和一些亲水性较强的晶圆干燥中，Marangoni干燥会在表面形成微粒或水汽残留，对后续工艺产生不良影响。
晶圆工厂中0.35μm以下的湿法清洗均采用加热异丙醇新城汽雾的干燥方式，即通常称为IPA干燥法。IPA干燥也是利用Marangoni原理，分子间作用力把水分子去除。将异丙醇雾化形成雾汽，其分子在热氮气的携带下更易进入器件的沟道内，从而带走沟道内的水分子达到干燥的作用。此方法不仅大大降低水汽残留现象的发生，而且减少晶圆表面对微粒的吸附。
3. IPA干燥技术 3.1 IPA干燥
当制程技术发展到深亚微米时代后，分子力是主要控制物质间相互作用的物理现象。在晶圆上为了形成设计特殊图形，会在前道工艺中在晶圆表面涂布一层光阻材料，保护不需要刻蚀的区域，从而形成沟槽。有些工艺的沟槽较深，若不改进干燥工艺，沟槽内的水分子在空气中暴露时间过长，一般大于60秒便会在光阻与SiO2表面形成一层薄薄的氧化层，在后续工艺进行去除光阻后，晶圆表面的这层氧化层像一道屏障影响工艺进行，这极大的降低集成电路良率。
在干燥的微观领域，尤其是带有深沟槽的器件晶圆，改良后的Marangoni干燥法可以把沟槽内的水分子有效去除且没有水汽残留。
3.2 主要几种IPA干燥方法
异丙醇和氮气的流量、温度及晶圆干燥速度是干燥的主要技术参数。对于不同的晶圆表面特性，需要采取不同的干燥步骤。
对于表面覆盖光阻的晶圆，在干燥过程中异丙醇的温度要在40℃以下防止光阻的损伤；对于表面为非有机物的晶圆，可以采用加热异丙醇雾化的干燥方式；亲水性表面的晶圆干燥速度可以适当减慢或异丙醇流量增大以达到晶圆表面充分干燥；斥水性表面的晶圆干燥时可适当减小异丙醇的流量或提高干燥速度以达到产能要求。
3.2.1 高温IPA蒸汽干燥
通过电加热器对IPA进行加热形成蒸汽，IPA蒸汽直接喷射到晶圆表面，通过IPA冷凝达到带走水分子干燥的作用。此方法存在IPA用量多、运输过程中IPA凝结多的缺陷，影响生产和干燥效果。
3.2.2 IPA超声雾化干燥
通过超声波振荡雾化IPA，IPA蒸汽流到晶圆表面，结合热N2达到干燥。此方法存在IPA不均匀缺陷，影响生产和干燥效果。
3.2.3 N2输送IPA雾化干燥
通过N2鼓入IPA使之雾化，IPA蒸汽流到晶圆表面，结合热N2达到干燥。此方法存在IPA形成雾化慢、热N2用量大等缺陷，影响生产和干燥效果。
3.3 加热N2雾化IPA干燥
3.3.1加热N2雾化IPA干燥的原理
热N2和IPA通过IPA雾化器，快速形成IPA蒸汽喷射到晶圆表面达到干燥。此方法IPA浓度足够，形成IPA蒸汽块，无高温危险，干燥较快。
3.3.2主要结构及技术指标
IPA雾化干燥机主体結构为：1.工艺取干槽及相关的进排水管路；2.IPA雾化器、存储器及相关的IPA管路；3.氮气加热及相关管路；4.PLC及触摸屏自动化控制系统。
3.3.3优势
1.处理方式
使用的是具有一定压力的经加热的多种化学气体；传统雾化处理所使用的是空气、氮气或者超声振子。其中的具体区别是：IPA干燥机所使用的是非常简单的化学处理装置，并且灵活性强、渗透性大，可以渗透到极微小（0.18μm以下）的集成电路线路排列中；传统雾化处理（特别是超声振子）中的压力作用几乎为零，所以其产生的雾化效果传送不到相应的工艺处理管路。
2.处理结果
采用的雾化产生器能够产生毫微米级的极小雾状颗粒，较好地带走沟槽内的水分子，干燥效果好。
3.化学剂用量
由于集成电路清洗行业中高纯度的化学液价格非常昂贵，采用的雾化产生器所需的化学液用量极小，随之，去离子水的冲洗水用量也就非常少，所以IPA雾化干燥机可以大大节约化学剂成本。
4.机械结构
使用的雾状化学处理器结构简单，相对于传统雾化处理而言没有运动组件，使用寿命长，且维修非常方便，降低机器故障率及维修时间等问题。
4. 全文总结
湿法清洗在45纳米、65纳米及90纳米节点具有有良好的清洗效果。在集成电路后段工艺中，为了防止金属线之间的干扰，介质层常采用低K材料，这对湿法工艺提出更高的要求。无论是槽式湿法清洗还是单片式湿法清洗工艺，对干燥技术提出更高的要求。如何更有效的干燥以及解决干燥中的安全问题和污染问题成为干燥技术中的重要课题。这也使得IPA干燥技术在未来一段时间仍旧占有无法替代的地位。
参考文献：
[1] 张峰，赵贤广，耿皎等. Marangoni效应与降膜传递过程[J].南京工业大学学报，2006，28（1）：93-99.
[2] Jurgen Funkhnel，Donaueschingen，Kristin.“Wafer Drying in Wet Processin：The Challenge of the Future”[J]. Semiconductor International.2004.
[3] 集贤实业有限公司. 半导体晶圆干燥方法[P].中国专利：CN1368755，2002.09.11.
作者简介：
赵晓明（1975-），女，高级工程师，主要从事电子专用设备的研制。