清洗和干燥是***個幾乎所有工藝都會涉及的處理單元。對這些設備的要求是能夠處理多樣的清洗任務，并具有高吞吐量。下面先來看看清洗和干燥設備的概況。

清洗設備的要素

清洗設備所必需的構成要素見下圖，總結如下：

清洗和干燥設備的構成要素--單槽式的批量清洗設備的例子

① 處理系統: 化學槽、沖洗槽、干燥階段(圖中為 Dry)→批量式的情況。噴淋和旋轉等階段→單片式的情況。

② 供給系統: 化學品和純水供應設備、干燥空氣供給設備等。

③ 控制系統: 控制化學品濃度、溫度、顆粒等。

④ 搬運系統: 用于搬運晶圓、晶圓載具、無載具搬運等。

⑤ 其他系統: 空調系統等。

清洗設備的構成要素和其他工藝中的制造設備的比較

清洗和干燥設備的要素

與需要真空系統和氣體供應系統的成膜裝置相比，清洗設備的門檻比較低，所以會有很多制造商參與其中。在半導體行業的早期，清洗過程完全是手工操作，使用燒杯和化學品進行灌注，在水洗后，用氮氣進行吹風干燥。之后才進入清洗設備內置的時代。隨著晶圓的直徑越來越大，對自動化的需求導致設備制造商開始提供清洗設備(盡管也有***部分半導體制造商開始自己制造)。隨著對清洗的附加價值(如單槽)、高性能和新功能(如單片、干燥)的需求變得明顯，設備制造商也成為主流供應商。特別是向300mm 制程過渡，就意味著晶圓搬運和清洗工藝的自動化已不可避免，這種情況下就必然依靠專業設備制造商了。也有這樣的意見:向300mm制程發展導致開發成本急劇上升，現在只有頂***的制造設備制造商才能進入市場。

在工廠中，清洗設備也稱為WS(WetStation)或者WB(Wet Bench)。單片式的設備也稱為自旋處理器(Spin Processor)。

二、清洗設備的分類

雖然有很多不同的分類方法，但是這里介紹的是***般意義上的分類情況。

***般的清洗設備分類

清洗設備不需要特殊的光學設備或者真空系統，只要有化學品和純水(當然還需要排氣、排液等***低限度的輔助設施)就可以進行工作了。也就是這個原因，清洗設備也經歷了手動和半自動的階段。但隨著晶圓的大直徑化，清洗設備也開始由專業的設備制造商進行生產了。***常見的分類是基于晶圓的加工方法，分為批量式(包括半批量式)和單片式，見下圖。

清洗設備分類

如上表所示，批量式和單片式兩種設備的取舍在于選擇吞吐量(單位時間內可加工的晶圓數量)，還是選擇設備的小型化(減小占地面積)。

這個取舍與其說和技術問題相關，不如說和各個晶圓廠自身的情況有關。例如和無塵室中的設備布局有關。如果有***個相對較大的無塵室，可以選擇***個批量式清洗設備。如果空間太小，可以選擇單槽批量式設備或單片式設備。然而，潔凈室的建造和維護成本很高，而且 300mm 的批量式清洗設備已經變得非常大，占用了大量的地面空間和排氣能力。此外，OTAT（Quick Tumaround Time(快速周轉周期)的縮寫。指快速交貨的生產，也有 Q-TAT 這樣的記法）會選擇單片式設備。這是出于確保制造設備的產能均衡，并縮短交貨時間的考慮。

根據方法論的清洗設備的分類

根據方法論上的分類，可分為兩大類:正常的濕式清洗和干式清洗。高頻蒸汽清洗設備在過去取得了***些成功。紫外線清洗設備在LCD面板陣列工藝（形成液晶開和關的元件 TFT的有源矩陣）中使用得比較普遍。

三、批量式清洗設備

清洗和干燥是在前段制程中***頻繁的工藝。因此減少單枚晶圓清洗和干燥所需的時間就是***個比較常見的需求。在有效減少清洗和干燥時間方面，批量式清洗設備可以發揮很大的優勢。

什么是批量式清洗設備?

批量式是指用于***次加工多個晶圓的工藝設備。晶圓的數量是由載具和工藝室共同決定的。清洗設備的選擇則由載體中可儲存的晶圓數量決定。通常容量是25或50枚。***次性處理大量晶圓的能力意味著可以降低芯片的成本，這對于需要大量晶圓的清洗和干燥類似的工藝來說是***個優勢。

然而，在設備運行方面也存在***些課題。第***個課題是吞吐量的提高。批量式清洗設備需要將晶圓轉移到裝載/裝卸口的特殊晶圓載體上。無論在微環境FOUP還是開放載具中的晶圓都是水平放置的。在清洗過程中晶圓需要垂直地浸入清洗槽，所以需要對晶圓實行調轉方向的操作。這個過程阻礙了設備吞吐量的提高。

第二個課題是清洗耗時和耗材。如果晶圓沾染到載體中的清洗液后，進入純水沖洗槽，清洗則需要很長時間的沖洗才能完全去除化學品。而且對于***個能容納 300mm 晶圓載體的槽來說，化學品的使用量會很大。為了應對這種情況，已經開發出了使用特殊晶圓搬運機器人的無載具清洗機，見下圖。和有載具相比，自然是無載具清洗更有優勢。

無載具清洗設備的示例

① 吞吐量大。

② 清洗和沖洗槽可以按順序排列

也有如下問題

①設備不可避免地變大，對無塵室的負荷會很大

②化學品和純水的使用量很大。

③晶圓在移入和移出浸液槽時，會穿過氣-液界面日

但是可以通過使用單槽式設備避免***些問題，

多槽式批量清洗設備如下圖所示，優點如下。

多槽式批量清洗設備的構成 

多槽式和單槽式

有兩種類型的批量式設備:多槽和單槽。多槽式設備由***系列的化學槽和沖洗槽組成，這些槽按照清洗過程所需的化學品依次排列。因而化學品和沖洗槽的數量增加，這使得設備變得更大，但也充分發揮了批量式設備的優勢。由于清洗設備較大，在無塵室中有較大的占地面積，空調(通風)負荷也較大。根據筆者的經驗，在設計新的半導體無塵室時，***先需要決定清洗和干燥設備的規格和數量。如下圖所示，單槽式清洗設備只有***個化學品槽和***個沖洗槽，解決了設備較大的問題，但每次清洗都需要加入和排放新的不同化學品，化學品的成本較高。盡管不能完全發揮批量式清洗設備的優勢但由于無塵室占地面積的限制，有時也會采用這種系統。如上所述，化學品和純水都是清洗時注人，完成時排出，這樣就***定程度上避免了晶圓在進出浸液槽時穿過氣液界面的問題。

單槽式批量清洗設備的形態

四、單片式清洗設備

批量式清洗設備的吞吐量很大。另***方面，晶圓直徑越來越大，***大可達 300mm，意味著清洗設備必須更大。這就是單片式清洗設備發揮其作用的地方。

什么是單片式清洗設備?

與***次性加工多枚晶圓的批量式設備相比，單片式是***種將晶圓逐***處理的方法，見下圖。設備的組成部分與批量式相同。不***于清洗設備，從晶圓直徑增大到200mm 左右以后，單片式設備的使用量在增加，當然這種趨勢也體現在了清洗設備上。因為隨著晶圓直徑的增大，整個晶圓表面的加工結果變得不太均勻。單片式設備可以認為是這種不均勻加工的***種對策。另外，批量式設備的優勢可以在大規模生產相同芯片(例如存儲器)的巨型晶圓廠中得到發揮，但是像ASIC這樣量少樣多的LSI的生產過程中反而沒有那么大的優勢。

單片式清洗設備的形態

QTAT生產線出現了采用單片式設備的趨勢。然而，與批量式設備相比，如何縮短每個晶圓處理所需的時間，或者說，在單位時間內增大可處理的晶圓數量(吞吐量)成為生產效率的***個難題。單片式設備的優點如下。

① 沒有化學品導致的顆粒和清洗槽之間的污染轉移。

②易于刷子和超聲波設備的裝載。

③ 節省空間，降低對無塵室的負荷(排氣量)。

④可以與其他工藝設備集群。

⑤具有高度的加工靈活性。

但也有如下缺點。

①化學品等循環的實現比較復雜

②化學品的回收和濃度控制比較困難，

③難以監控和控制晶圓的清洗效果(清洗后的潔凈度)。

在批量式清洗設備中，晶圓被浸入化學槽或純水槽中，而在單片式設備中，晶圓的處理則是噴霧式的，見單片式清洗設備圖。從處理順序的角度來看，即便是單片式設備，在進行下***輪清洗的同時，總是要用純水對上***輪殘留化學品進行沖洗的。這種方式有效地消除了批量式設備中通過晶圓載具對晶圓進行搬運轉移時遇到的問題，參下圖。

批量式和單片式的排列布置比較

單片式干燥設備

在單片式清洗設備的情況下，干燥設備不是批量式清洗設備中使用的IPA干燥，更常見的是***種稱為旋轉干燥的方法。后面給出了各種干燥方法的比較。

關于縮寫，目前為止的清洗流程以RCA清洗為例。它是由RCA公司的Kern和Puotinen在1960年提出的。

APM: 氨水/過氧化氫。

HPM: 鹽酸/過氧化氫。

DHF: 稀氫氟酸。

五、新型清洗設備

環境和能源問題使得清洗設備必須節能省料(化學品)。比較可行的***個思路就是干洗，這里將介紹三種干洗的方法。

高頻蒸汽清洗設備

這是***種由來已久的干洗方法。用來去除晶圓表面和細孔中自然形成的氧化膜。表面氧化膜的去除屬于晶圓氧化或者 CVD成膜的前處理。細孔的氧化膜去除則屬于濺射成膜的前處理。這種方法是在工藝室中引入無水氟化氫(anhydrous HF)氣體和水蒸氣，這些氣體在晶圓表面形成 HF 和 H2O的凝結層，氧化膜會被凝結層中的稀氟化氫腐蝕，從而達到去除的效果。***后反應產物 SiF4會和多余的H2O***起氣化。因為沒有水滴，所以不會形成水印，而且裸晶圓在表面還能形成氫終止（通過將氫原子結合到硅表面來穩定硅的過程，因為硅原子有***個額外的共價鍵），但是現在好像已經沒有這種設備在賣了。

紫外線(UV)/臭氧清洗設備

***近，通過 UV照射進行干洗的方法引起了人們的注意。具體做法是在臭氧(O3)包圍的環境中用 300nm 以下波長的紫外線照射晶圓。由于干式工藝不需要真空設備或其他的輔助設備，***近已開始廣泛使用。它能有效地去除有機污染，比起半導體工藝，在TFT（TFT:Thin Film Transistor(薄膜品體管)的縮寫，用于驅動液品顯示器(LCD)。）工藝中使用得更多，見下圖。

UV/臭氧清洗設備的概要

超低溫氣溶膠清洗設備

其想法是，氙氣通過低溫條件形成氬冰顆粒，然后通過噴嘴吹到晶圓上，利用顆粒的物理作用進行清洗。這個想法已經存在了很長時間。不需要使用化學品，這有助于減少對環境的污染。而且氬冰顆粒在加熱氣化后無殘留。下圖顯示了這***過程的概況。為方便起見，圖中只畫了***個噴嘴。市面上的設備***般都是使用覆蓋整個晶圓的***個大的噴嘴來提高效率，但是吞吐量可能沒有那么理想。另外還有***種利用CO2的臨界狀態進行清洗的方法，但目前還沒有商業化。當然，這些干洗設備是否能應用于所有的清潔工藝并足夠有效，還有待觀察。

超低溫氣溶膠顆粒清洗設備的概要

晶圓廠中各式各樣的清洗設備

本內容以制造設備為重點介紹了相關的晶圓清洗設備，但晶圓廠除了這些清洗設備以外，還需要各種各樣的夾具、晶圓盒和其他清洗設備。其中還有大型的清洗設備:芯管清洗系統，它清洗熱壁型成膜設備和熱處理設備中的石英爐管。

六、清洗后必備的干燥設備

“干進干出”的原則是指晶圓在清洗后必須先將其烘干，才能從制造設備中取出來，這意味著清洗和干燥設備是配套的。

都有哪些干燥設備?

前面提到過IPA（IPA:iso-Proply Alcohol(異丙醇，***種易燃的有機溶劑)的縮寫）干燥，但干燥有很多種方法。各種干燥方法總結在下表中，每種方法都有自己的優缺點。使用***多的方法是旋轉干燥和IPA 干燥。新型的馬蘭戈尼干燥法將在下***節中討論。

旋轉干燥法

在旋轉干燥法中，晶圓被放在特殊的盒中，以高速旋轉來吹走水分。這種方法可用于單片式和批量式。在單片式中，每枚晶圓都以高速旋轉，并利用離心力去除水分。在批量式中，則是整個晶圓載體(如果沒有足夠的晶圓，則用平衡晶圓補足)高速旋轉。這類似于洗衣機的脫水和干燥。這種方法利用旋轉產生的離心力和ji晶圓表面附近的氣流來干燥。這種方法的問題是有許多旋轉部件可能成為灰塵的來源，而且不可避免地會產生靜電(回想***下摩擦塑料尺來吸引紙片或頭發的實驗)。靜電會導致顆粒吸附在晶圓表面。

IPA 干燥法

在IPA干燥法中，晶圓表面的水分被揮發性的IPA蒸汽取代。這消除了對高速旋轉的需要，并消除了靜電問題，但使用IPA這種化學品也可能成為***個問題。下圖顯示了單片式旋轉干燥設備和IPA干燥設備的概況。

干燥設備概念圖

七、開發中的新型干燥設備

***近干燥工藝也正在從環境的角度被重新審視。節能的干燥技術成為關注的焦點。尤其是在努力減少IPA有機物的使用這***方面。

馬蘭戈尼設備的要素

馬蘭戈尼(Marangoni)干燥法之所以被稱為馬蘭戈尼，是因為它使用了馬蘭戈尼力（由表面張力的梯度產生的***種力。由這種力引起的流動稱為馬蘭戈尼流）。在這個過程中，晶圓從沖洗的純水槽中被迅速提升到IPA和氮氣流的空間中，水被產生的馬蘭戈尼流去除。下圖顯示了馬蘭戈尼干燥法的機制，它的優點是比IPA 干燥法使用的IPA 少(當然 IPA也是使用的)。這種方法是在20世紀 90年代末由歐洲設備制造商引入市場的。為方便起見，圖中只顯示了***個晶圓，但馬蘭戈尼干燥法是***種在批量生產中具有很大優勢的干燥方法。

馬蘭戈尼干燥設備的概要

Rotagoni 干燥設備的要素

Rotagoni 干燥法是另***種在歐洲發明的干燥方法。它結合了旋轉干燥法和馬蘭戈尼干燥法。其機制如下圖所示。當晶圓在單片式旋轉干燥設備中高速旋轉時，純水和IPA蒸汽從噴嘴噴出，使 IPA蒸汽朝向晶圓的外圍。因此，Rotagoni 干燥法是***種適用單晶圓的單片式工藝。在這個過程中，馬蘭戈尼力是沿著晶圓外圍的方向產生的，所以馬蘭戈尼干燥法也是在同時進行的。這種方法與馬蘭戈尼干燥法相比，因為加入了旋轉干燥法，所以可進***步減少 IPA 的使用。從環境和能源的角度來看，未來將需要對環境影響更小的干燥方法。

Rotagoni 干燥設備的概要

(文章來源于儀器網)