清洗系統(tǒng)在晶圓減薄后的應(yīng)用

劉玉倩，高津平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

從集成電路的發(fā)展趨勢(shì)看，出于終端應(yīng)用特別是移動(dòng)設(shè)備對(duì)更高性能、更低成本、更小特征尺寸的器件需求，晶圓直徑在逐步增大，同時(shí)封裝用的晶圓厚度逐步減小。由于市場(chǎng)需求的不斷更新，芯片厚度減薄的趨勢(shì)越來(lái)越快，導(dǎo)致薄晶圓的加工風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，對(duì)晶圓減薄設(shè)備的技術(shù)要求也越來(lái)越高[1]。

在進(jìn)行晶圓減薄拋光后，晶圓表面不可避免地殘留有大量的拋光液以及磨削產(chǎn)生的顆粒污染物，不能以濕法狀態(tài)進(jìn)入下道揭膜工藝，更不能滿足后續(xù)的劃切、通孔電鍍及硅通孔（TSV）封裝的材料工藝要求。必須通過(guò)專門(mén)的清洗工藝對(duì)拋光后的晶圓表面殘留的拋光液以及磨削產(chǎn)生的顆粒污染物進(jìn)行有效去除，從而保證輸出的晶圓能夠滿足下一道工藝在潔凈度方面的具體要求，為下一道的加工降低技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。

1 需求分析

減薄晶圓種類主要有普通后封裝晶圓和TSV鍵合晶圓。普通后封裝晶圓減薄及去應(yīng)力拋光后，經(jīng)過(guò)清洗干燥，進(jìn)入貼膜揭膜系統(tǒng)減薄膜貼劃片膜，然后劃片，因此普通后封裝減薄晶圓對(duì)于后續(xù)清洗效果要求較低。用于3D封裝的TSV晶圓，清洗后的工藝一般為露銅，尤其是若采用干法露銅，表面顆粒對(duì)于露銅效果有較大影響，如圖1所示。因此對(duì)于TSV鍵合晶圓，減薄拋光后的清洗要求較高。

圖1 顆粒污染對(duì)于TSV減薄晶圓干法露銅工藝的影響

減薄拋光后清洗的功能就是通過(guò)濕法清洗工藝，去除在完成拋光工藝后殘留在晶圓表面的顆粒污染物，以達(dá)到較高的潔凈度要求。

為了減少晶圓在傳輸過(guò)程中引起的交叉污染，清洗系統(tǒng)集成于減薄拋光一體機(jī)的內(nèi)部，與其它分系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)相互連接。減薄拋光后的晶圓經(jīng)過(guò)本階段清洗后，可直接應(yīng)用于下道工序。同時(shí)，因?yàn)闇p薄拋光過(guò)程受顆粒污染的影響較小，對(duì)工藝環(huán)境潔凈度要求低，而清洗過(guò)程為了保證最終的清洗效果，對(duì)于工藝環(huán)境潔凈度要求高，因此，清洗要在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)完成。另外，減薄拋光后，晶圓的拋光面和背面（減薄膜或載片）都?xì)埩袅舜罅康膾伖庖旱任廴疚铮虼藘擅娑夹枰M(jìn)行清洗。

2 整體布局

清洗系統(tǒng)集成在減薄拋光一體機(jī)內(nèi)部相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)，將晶圓的拋光面和背面（減薄膜或載片）分別在兩個(gè)不同的工位進(jìn)行處理，如圖2所示。

清洗干燥系統(tǒng)工藝流程如下：

圖2 清洗系統(tǒng)在減薄拋光一體機(jī)內(nèi)的位置及晶圓傳輸路徑

（1）機(jī)械手將拋光后的晶圓傳輸?shù)奖趁媲逑磪^(qū)；

（2）機(jī)械手不脫片，背面區(qū)底部噴嘴對(duì)流到減薄膜上的拋光液等進(jìn)行沖洗；

（3）背面清洗完成后，機(jī)械手將晶圓從風(fēng)刀上面緩慢移過(guò)，將背面的水吹干；

（4）自動(dòng)門(mén)2打開(kāi)；

（5）機(jī)械手將晶圓放置到拋光面清洗區(qū)；

（6）機(jī)械手退出；

（7）自動(dòng)門(mén)2關(guān)閉；

（8）拋光面清洗區(qū)開(kāi)始清洗干燥工藝；

（9）拋光面清洗區(qū)工藝完成后，對(duì)于貼有減薄膜的后封裝減薄晶圓，自動(dòng)門(mén)3打開(kāi)，由貼膜揭膜機(jī)械手將晶圓傳輸?shù)劫N膜揭膜系統(tǒng)；對(duì)于TSV減薄晶圓，自動(dòng)門(mén)1打開(kāi)，由潔凈機(jī)械手將晶圓傳輸?shù)狡小?/p>

3 各部分功能

3.1 背面清洗

背面清洗采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)，由機(jī)械手承載晶圓到清洗位置對(duì)晶圓背面進(jìn)行清洗。

晶圓從背面清洗單元退出時(shí)，晶圓緩慢退出，采用風(fēng)刀對(duì)晶圓背面表面進(jìn)行吹掃，如圖3所示，從而保證退出后晶圓背面干燥。

3.2 減薄拋光面清洗

減薄拋光面的主要污染物為大量拋光液和研磨碎屑等，為了達(dá)到要求的清洗效果同時(shí)又能提高效率采用先粗后精的清洗步驟，依次為“DI水沖洗”、“刷洗”、“二流體沖洗”、“兆聲DI水沖洗”、“干燥”的順序。

3.2.1 DI水沖洗

DI水沖洗主要是初步清洗掉晶圓表面大量的顆粒，減輕后面清洗的負(fù)擔(dān)。本清洗步驟采用DI水固定噴嘴向晶圓中心噴射DI水，同時(shí)晶圓低速旋轉(zhuǎn)。

3.2.2 刷洗

刷洗時(shí)一種應(yīng)用廣泛、低廉、高效的接觸式清洗方式，是刷子和工件表面持續(xù)接觸的介于邊界到彈流潤(rùn)滑的摩擦學(xué)過(guò)程，通過(guò)刷子與硅片表面的接觸力結(jié)合液力的拖拽力作用，去除硅片表面拋光過(guò)程中滲入的顆粒。此方法可以有效清除硅片表面直徑大于0.2 μm的粒子污染物。同時(shí)，可以在刷洗時(shí)采用專用化學(xué)試劑提高刷洗效果。

圖3 晶圓背面清洗示意圖

圖4 風(fēng)刀干燥原理圖

3.3 二流體沖洗

二流體的原理是將N2高速氣流與DI水（或化學(xué)試劑）混合，通過(guò)特殊的噴嘴形成霧化水滴高速噴出，當(dāng)水滴噴射到被清洗面上時(shí)，就會(huì)立即崩解并對(duì)被清洗物表面形成強(qiáng)大的沖擊，如圖6所示。從而實(shí)現(xiàn)在低破壞情況下取得更好的清洗效果。該清洗方式對(duì)于1～3 μm的顆粒有著極好的去除能力，并能取得對(duì)粒徑在0.1 μm的微細(xì)顆粒的去除率達(dá)到80%以上的效果。

圖5 刷洗擺臂結(jié)構(gòu)圖

圖6 二流體沖洗原理圖

3.4 兆聲DI水沖洗

對(duì)于晶圓上的微小顆粒例如0.5 μm，由于晶圓表面靜流層（Viscous boundary layer）的存在，普通的清洗方法無(wú)法將其去除。兆聲清洗可以在晶圓產(chǎn)生高速水分子流動(dòng)，適宜清洗微小的顆粒[2]，如圖7所示。

3.5 干燥

針對(duì)大尺寸超薄晶圓片清洗后的干燥采用旋轉(zhuǎn)甩干+熱N2擺臂單向掃描烘干（由中心向邊緣慢速掃描）的方式。該方式通過(guò)甩干將晶圓表面大部分水甩掉，然后通過(guò)熱N2快速將晶圓表面的殘余水滴吹掉。由于晶圓在干燥過(guò)程中，表面與氣流摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，靜電的存在使得干燥后的晶圓極易吸附灰塵。因此設(shè)置了靜電消除裝置，其原理如圖8所示。

圖7 兆聲DI水清洗原理圖

圖8 干燥原理圖

3.6 避免二次污染

為了保證設(shè)備空間的潔凈等級(jí)，防止清洗后的晶圓被二次污染，清洗干燥獨(dú)立空間采用FFU實(shí)現(xiàn)百級(jí)凈化。

4 結(jié)束語(yǔ)

減薄拋光后，晶圓表面殘留的拋光液以及磨削產(chǎn)生的污染物無(wú)法滿足后續(xù)的劃切、通孔電鍍或TSV封裝等工藝要求。清洗系統(tǒng)集成到減薄拋光一體機(jī)內(nèi)部，通過(guò)合理的工藝配置，能夠?qū)ξ廴疚镞M(jìn)行有效去除，保證輸出的晶圓滿足后續(xù)工藝在潔凈度方面的具體要求，為后續(xù)工藝處理降低了技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。

[1]費(fèi)玖海，楊師，周志奇.集成電路工藝中減薄與拋光設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43(2)：6-10.

[2]劉永進(jìn)，杜建科，馮小強(qiáng).單晶圓兆聲清洗技術(shù)研究及兆聲噴頭方案優(yōu)化[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，40(1)：15-17.