旋轉式晶圓自動干燥裝置的設計與研究

摘 要：闡述了制造半導體器件的晶圓在清洗過程中的高潔凈度自動烘干環節的重要性，介紹了旋轉式晶圓自動干燥裝置的結構原理，設計并實現了適合于工業化生產的晶圓自動干燥裝置，滿足了半導體生產企業對晶圓表面的烘干要求。

關鍵詞：晶圓干燥；氮氣加熱；半導體生產

1 引言

進入21世紀以來，我國信息產業在生產和科研方面都大大加快了發展速度，并已成為國民經濟發展的支柱產業之一[1]。作為信息產業核心技術的半導體技術的發展也是日新月異，而半導體技術的飛速發展是與工藝技術及工藝設備的開發息息相關的。與世界發達國家相比，我國在半導體工藝設備的研究和開發方面還處于落后地位，國內半導體生產單位往往不得不高價購買國外被淘汰的二手設備[2]。這樣一方面增大了生產成本，另一方面也嚴重制約了國內半導體技術的發展。因此，積極研究開發可靠實用的半導體工藝技術及工藝設備刻不容緩。

目前，在半導體制造工藝中，濕法刻蝕和清洗占有很大的比重，而在這些工藝流程中有30%左右是晶圓的刻蝕和清洗工藝。晶圓廣泛應用于各種集成電路、半導體元器件、計算機、信息工業以及民用產品中。晶圓在經過濕法刻蝕或者清洗的環節后，表面會留下一些水或者清洗液的殘留物，由于這些水或者清洗液的殘留物中溶解有雜質，如果等待這些殘留的液體自行蒸發干燥，則這些雜質會重新粘到晶片的表面上，造成污染，甚至破壞晶片的結構，所以需要對晶圓進行干燥處理來去除這些殘留的液體。

現有晶圓清洗及烘干多采用手動清洗方式，在晶圓干燥環節也多是采用手動放片，設備利用率低，操作人員在各清洗工序搬運晶圓，勞動強度較大；另外，晶圓清洗所用的化學液多為強酸、強堿或有機溶液，長時間接觸對人體有一定的危害；所以實現清洗設備自動化，盡量減少人的干預是濕法清洗設備發展的趨勢。

目前使用較多的自動清洗機大體結構包括依次排列的自動上料裝置、化學處理工藝裝置、自動清洗裝置和自動下料裝置，采用機械手實現基片片盒的傳遞過程。由于晶圓干燥設備占用空間較大，與自動清洗機不好兼容，所以晶圓干燥仍是作為一種獨立的工藝單元，采用人工搬運放片的方式。有鑒于此，筆者嘗試設計一套旋轉式晶圓自動干燥裝置，所占用空間更少，與自動清洗設備兼容，從而實現晶圓清洗、烘干工藝的連續性，減少人員參與。經過實驗驗證，該裝置能較好的滿足自動清洗設備的晶圓干燥要求，且成本較低。

2 裝置總體設計與構成

氮氣具有成本低、易獲取、惰性強、無毒害的特點，因此被廣泛應用于半導體制造過程中。經過加熱后的氮氣流是很好的干燥介質，一方面高速氣流可以沖離附著在晶圓表面的液體，另一方面高溫能也能促進液體的揮發。本裝置采用向晶圓表面連續吹熱氮氣的方法來進行晶圓表面的干燥。同時裝置主體采用潔凈聚乙烯材質，以減少裝置內的熱量散失，提高干燥效率并防止外界雜質、顆粒的混入。

旋轉式晶圓自動干燥裝置的結構如圖1所示，該裝置由晶圓定位及旋轉單元、干燥槽體單元、氮氣加熱單元等三部分組成。其中，片盒定位及旋轉單元用來安裝固定待干燥的晶圓，并使片盒進行勻速轉動；干燥槽體單元由干燥槽體和自動槽蓋組成，方便機械手完成抓取及放置片盒的動作，并提供隔熱密閉的干燥處理環境；氮氣加熱單元為在線加熱裝置，可實時向干燥槽提供連續不斷的熱氮氣，通過干燥槽體四壁安置的噴嘴以一定流速和方向噴入干燥槽內。

本裝置的工作原理是：當機械手在上道工序完成抓取片盒的動作時，旋轉式晶圓自動干燥裝置的自動槽蓋打開，通過檢測定位片盒旋轉平臺的位置，確保機械手帶著抓取的片盒能正確放置入片盒定位及旋轉單元上，然后，機械手上抬，自動槽蓋關閉。電機驅動片盒定位及旋轉單元做勻速轉動，噴嘴噴出熱氮氣對片盒中的晶圓進行噴吹，形成環繞氣場，干燥晶圓。通過設置用于在各工位之間輸送基片的機械手，使整個清洗烘干過程無需人工干預，從上料位到下料位，只需機械手來完成基片的傳遞工作。

3 各單元設計及關鍵技術

本裝置主體可分為晶圓定位及旋轉單元、干燥槽體單元、氮氣加熱單元三部分，下面分別進行說明。

3.1 晶圓定位及旋轉單元

晶圓有各種尺寸，如常用的2寸，4寸，6寸，8寸等，由于晶圓本身較薄，易碎，為方便進行搬運及工藝處理，晶圓一般放置于專用尺寸的片盒中。晶圓定位及旋轉單元主要由片盒、片盒定位盤、旋轉機構、電機等組成，其設計機構如圖2所示。片盒采用鏤空結構，有定位槽，方便晶圓片的擺放。片盒定位盤可對片盒進行定位，并能兼容常用尺寸的片盒。機械手將片盒放置于片盒定位盤，并檢測放置無誤后，電機會驅動片盒定位及旋轉單元做勻速轉動，同時從槽體內均勻安置的噴嘴中噴出熱氮氣對片盒中的晶圓進行噴吹，形成環繞氣場，從而達到較好的干燥效果。另外，晶圓清洗等工藝所用的化學液多為強酸、強堿或有機溶液，在這種環境中，電機、旋轉機構、電源線、信號線等需要進行必要的物理防護。

3.2 干燥槽體單元

干燥槽體單元的主體結構如圖1所示，干燥槽體單元由干燥槽體和自動槽蓋組成，兩者通過滑軌連接，用汽缸進行驅動。槽體底部開有可調節氣量的排氣口，可根據通入氮氣量的大小進行相應調節，便于廢氣的排出。根據片盒的位置及旋轉方向，槽體內壁安裝有均布并帶一定噴射角度的噴嘴，通過多次試驗，確定了最佳的噴射角度及方向。另外，高溫氮氣溫度較高，操作不當可能容易燙傷操作人員，因此在槽體邊緣設置有檢測開關以確保槽蓋打開后氮氣管路關閉；當自動槽蓋關閉時，檢測開關輸出檢測信號，通過控制器打開氮氣管路，噴熱氮氣；相反，當自動槽蓋打開時，控制器關閉氮氣管路，同時切斷氮氣加熱單元的電源。

3.3 氮氣加熱單元

如圖3所示，氮氣加熱單元主要由加熱裝置、氮氣入口、氮氣出口等組成。加熱裝置一般采用功率較大的電熱絲加熱方式，功率根據氮氣流量、氮氣加熱溫度而定。為了防止加熱電源線、管體內部被酸霧等腐蝕，可對導線以及接口等進行防腐密封處理。為提高加熱效率，加熱腔內壁與加熱管外壁均留有一定間隙，這樣所有通過的氮氣離加熱管的距離都較近，可達到較好的加熱效果；同時，為減少加熱過程中的熱量損失，可在氮氣加熱裝置主體及外延氮氣出口管路做保溫處理，如外套保溫材料。氮氣加熱單元經過加熱后的氮氣從出口接入氮氣噴嘴，通過噴嘴進入干燥槽體內。為了對氮氣出口溫度進行有效控制，加熱裝置外壁安裝有高、低溫兩個溫度探頭，當溫度超過高溫探頭設定值時，加熱管斷電停止加熱；而當溫度低于低溫探頭設定值時，加熱管接通電源開始加熱。

4 結論

在晶圓的處理工藝中，晶圓烘干是不可或缺的關鍵工藝之一，而目前仍是作為獨立的工藝單元，采用手工放片的方式，這樣不利于產線工藝及設備的自動化。因此我們設計開發了本文所述的旋轉式晶圓自動干燥裝置，該裝置占用設備空間小，可與自動清洗設備兼容，減少人員參與。經過實驗和用戶使用驗證，它能夠滿足客戶生產工藝中的晶圓烘干要求，相比于單獨的干燥設備而言，成本較低，降低了企業的生產成本。

參考文獻

[1]胡俊達. 電子電器設備工藝設計與制造技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004.

[2]H.C.Chao and G.W.Neudeck. electronics letters[J]. 1994：12-14.

作者簡介：陳平（1983-），男，2010年畢業于河北工業大學，研究生學歷，現在主要從事半導體專用設備研究工作。