拋光片IPA干燥技術研究

張偉才，趙 權

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220）

拋光片IPA干燥技術研究

張偉才，趙 權

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220）

以Marangoni效應為基礎的IPA干燥技術在襯底拋光片的干燥中遇到了瓶頸，即干燥后出現水痕缺陷。Marangoni干燥過程中，拋光片表面的水符合重力場下的楊方程模型，其脫離效果與晶片提拉速率和IPA流量密切相關。研究中發現，IPA流量在20 L/min、提拉速率在1 mm/s時干燥效果最佳；另外，Marangoni干燥過程不能完全去除晶片底部的殘水，需要營造合適的蒸發環境，減壓排風下供給適量的IPA蒸汽有助于底部殘水的去除。晶片與花籃在干燥過程中有相互影響，完全分離的模式可以消除這種影響，但同時會使干燥時間增長。

異丙醇；馬蘭戈尼；底部殘水；水痕

干燥步驟作為濕法清洗的最后一個步驟，最終決定了拋光片的表面狀態，是清洗工藝的核心所在。傳統的離心甩干技術，對于大尺寸薄片和深窄溝槽結構晶片，難以獲得令人滿意的干燥效果。基于Marangoni原理的IPA干燥技術可以有效解決上述問題，已得到了越來越廣泛的應用。

在要求極高的襯底片清洗中，IPA干燥存在水痕的殘留問題。IPA干燥中的水痕難以被絕對消除，但是通過一系列工藝優化將水痕降到足夠低的比例是可行的。本文將從水痕的形成原因出發，對影響IPA干燥效果的主要因素進行研究。

1 Marangoni干燥機理分析

Marangoni干燥原理如圖1所示，晶片在IPA氣氛下與水分離（可通過晶片提拉或水慢排的方式實現），完全分離后，流體慢排使花籃干燥，開啟排風將IPA蒸汽抽掉，同時通入氮氣吹干晶片表面殘留的IPA。

圖1中的第2個步驟“晶片緩慢提拉”是Marangoni干燥的核心環節。提拉過程中，晶片表面的水會呈坡狀流下，如圖2所示，如果兩片晶片距離很近（例如處在花籃的相鄰槽中），這種坡狀水流會相連為彎月形[1]。這種坡狀水流的最高點與晶片接觸，主要受到4種力的作用，即水的重力G，晶片/水的界面張力γls，晶片的表面張力γs和水的表面張力γl，θ為水與晶片的接觸角，如圖3所示。

圖1 Marangoni干燥過程示意圖

在IPA蒸汽存在的環境中，由于IPA的表面張力比水小得多（25℃，IPA表面張力為20.9×10-3N/m；水的表面張力為 72.8×10-3N/m），所以會在坡狀水流表層形成表面張力梯度，產生Marangoni對流，使水更容易從晶片表面脫離。

圖2 晶片提拉過程中的水流方向

圖3 接觸點的受力情況

2 實驗部分

利用100 mm（4英寸）硅拋光片進行IPA干燥，分兩組實驗，干燥后利用光散射測試系統檢測水痕缺陷。

A組：分別在提拉速率1 mm/s、2 mm/s和3 mm/s下進行不同IPA流量的Marangoni干燥，減壓排風階段氮氣流量80 L/min。

B組：提拉速率1 mm/s、IPA流量20 L/min下進行Marangoni干燥，減壓排風階段氮氣流量設置為（10～100）L/min，每次增幅 10 L/min。

C組：調整提拉高度，造成晶片與花籃的不同程度脫離。

3 結果與討論

3.1 Marangoni干燥的影響因素

Marangoni對流的形成本質是IPA濃度梯度，而水從表面的脫離效果又與晶片提升速度密切相關。

圖4給出了不同提拉速率下IPA流量與水痕比例的關系。從圖4中可以看出，在沒有IPA供給時，晶片水痕的出現比例是100%，隨著IPA流量的增加，水痕比例有明顯的下降趨勢，當流量增加到一定范圍時，水痕比例又出現平緩增長的趨勢。圖5顯示了幾種IPA流量下的典型水痕缺陷。

圖4 不同提拉速率下IPA流量與水痕比例的關系

圖5 幾種典型的水痕缺陷圖（光反射掃描圖）

在沒有IPA蒸汽的情況下，晶片表面的水主要受到重力和水表面張力的作用向下流動，當晶片露出水面1/2后，晶片與水面的交界線開始收縮，晶片表面的水受到的宏觀向下的力開始變小，當晶片完全脫離水面后，晶片下半部分仍有大量水存在，這些表面附著的水在氮氣中被吹干，形成了顆粒群和氧化物構成的水痕缺陷，如圖5（a）所示，這表明單純依靠慢速提拉難以獲得良好的干燥效果。如果在晶片提拉過程中，通入IPA蒸汽，產生Marangoni效應，可使干燥效果大幅度提高，水痕缺陷變少變小，如圖 5（b）和圖 5（c）所示。但是。絕非IPA蒸汽流量越大越好，實驗中IPA流量超過60 L/min后，晶片表面會呈現無規則缺陷，如圖5（d）所示，這是因為IPA蒸汽在腔體內積聚，在晶片表面冷凝形成液體薄層，在減壓排風后揮發掉，殘留下各種形態的干燥缺陷。

從圖4中還能發現提拉速率對干燥效果有著明顯影響，低速提拉更容易獲得良好的干燥效果，但過低的提拉速率會降低干燥效率，并使得干燥效果變得不穩定。

另一個非常重要的現象是：即使在IPA蒸汽存在的情況下，無論如何設置蒸汽流量或提拉速率，當晶片脫離水面后，底部仍會有少量水存在，難以完全消除。事實上，Marangoni干燥產生的水痕大多出現在晶片底部，其直接原因即是晶片完全脫離水面后底部仍有殘水。如何不留痕跡地消除底部殘水，是IPA干燥的另一個核心環節。

3.2 底部殘水的去除

晶片完全脫離水面后，底部的殘水只能通過蒸發去除，所以此部分的核心內容是營造合適的蒸發環境。

為獲得良好的蒸發效果，此步驟進行減壓排風是必要的，同時還要持續供給氮氣，使其在去除腔體內的IPA蒸汽的同時形成流動氣流，加快底部殘水的蒸發。根據伯努利原理，氮氣的流量對殘水的蒸發效果有著重要影響，圖6是不同氮氣流量下的晶片干燥狀況，表明氮氣流量越大，晶片的干燥效果越好。

圖6 氮氣流量對底部殘水的去除效果

圖7 IPA促進水的鋪展[2]

圖6同時表明，單純依靠氮氣吹拂，會有相當一部分晶片底部的殘水不能被完全去除，這是生產工藝所不能容忍的，并且氮氣吹拂下水的蒸發速率很慢，水與晶片界面長時間存在并暴露在氣體中，較容易發生氧化反應，形成局部氧化缺陷。實驗表明，此步驟如果通入適量的IPA蒸汽，可以幫助殘水盡快在晶片表面鋪展開來，其原理如圖7所示，以加快殘水的蒸發。必須指出的是，雖然同樣是IPA的作用，但此步驟已不再是Marangoni效應范疇，對IPA流量和供給時間有了不同的要求。

3.3 干燥過程中花籃對晶片的影響

在多片干燥過程中，花籃對晶片干燥效果的影響是不能回避的。花籃是承載晶片的容器，需要與晶片一并被干燥，但是其結構遠比晶片復雜得多，在干燥中需要進行專門討論。

晶片與花籃具有面接觸，二者同時進行IPA干燥時，面接觸部位（通常為溝槽）的水難以在Marangoni干燥步驟完全消失，而長時間存留在溝槽內，最終導致氧化性缺陷。片、籃在干燥中的分離設計有助于降低水痕缺陷的比例，如表1所示，當片、籃處于半分離狀態時，二者的接觸面相對下降，晶片兩側的水流到晶片底部，造成底部水痕缺陷比例增加；當片、籃處于完全分離狀態時，接觸面的影響被消除，水痕比例有明顯下降，但是隨著片、籃分離程度的增加，整體干燥時間也會增加。

表1 片、籃在不同狀態下的干燥表現

4 結 論

本文通過對晶片IPA干燥的理論和實驗分析，研究了IPA流量和提拉速率對Marangoni干燥過程的影響，認為IPA流量在20 L/min、提拉速率在1 mm/s時干燥效果最佳；研究同時發現Marangoni干燥過程不能完全去除晶片的底部殘水，需要營造合適的蒸發環境，減壓排風下供給適量的IPA蒸汽有助于底部殘水的去除和水痕比例的降低。片、籃在干燥中存在相互影響，二者完全分離的模式可消除這種影響，但同時會使干燥時間增長。

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[1]O Zikanov，W Boos，K Wolke，A.Thess.A model for thermal Marangoni drying[J]，Journal of Engineering Mathematics，2001（4）：250-251.

[2]In-Soung Chang，Jae-Hyung Kim.Development of clean technology in wafer drying processes[J]，Journal of Cleaner Production，2001（9）：228-229.

The Research on The IPA Dry of Polished Wafer

ZHANG Weicai，ZHAO Quan
（The 46th Research Institute of CETC，Tianjin 300220，China）

Abstract:IPA drying based on Marangoni convection encountered a bottleneck in the polished wafer drying process because of watermark.The water of wafer surface followed the Young equation，and its removal efficiency depended on the IPA flow and the pulling rate.The drying result was best when the IPA flow was 20L/min and the pulling rate was 1mm/s.Appropriate evaporation environment was needed to remove the water from the bottom of wafer，and adding appropriate amount of IPA vapor under the exhaust was proved to be an effective way.Complete separation could avoid the mutual influence of wafer and cassette，however，the drying time was increased simultaneously.

Keywords:Isopropyl alcohol；Marangoni；Water of bottom；Watermark

TN305.97

A

1004-4507（2013）11-0022-04

2013-07-31

張偉才（1985-），男，漢族，工程師，河北玉田人，研究方向為半導體材料加工。

趙 權（1967-），男，漢族，研究員，河北昌黎人，研究方向為半導體材料加工。