清洗系統在晶圓減薄后的應用

劉玉倩，高津平

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

從集成電路的發展趨勢看，出于終端應用特別是移動設備對更高性能、更低成本、更小特征尺寸的器件需求，晶圓直徑在逐步增大，同時封裝用的晶圓厚度逐步減小。由于市場需求的不斷更新，芯片厚度減薄的趨勢越來越快，導致薄晶圓的加工風險越來越高，對晶圓減薄設備的技術要求也越來越高[1]。

在進行晶圓減薄拋光后，晶圓表面不可避免地殘留有大量的拋光液以及磨削產生的顆粒污染物，不能以濕法狀態進入下道揭膜工藝，更不能滿足后續的劃切、通孔電鍍及硅通孔（TSV）封裝的材料工藝要求。必須通過專門的清洗工藝對拋光后的晶圓表面殘留的拋光液以及磨削產生的顆粒污染物進行有效去除，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難度和風險。

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力拋光后，經過清洗干燥，進入貼膜揭膜系統減薄膜貼劃片膜，然后劃片，因此普通后封裝減薄晶圓對于后續清洗效果要求較低。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，表面顆粒對于露銅效果有較大影響，如圖1所示。因此對于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，以達到較高的潔凈度要求。

為了減少晶圓在傳輸過程中引起的交叉污染，清洗系統集成于減薄拋光一體機的內部，與其它分系統通過相應的自動傳輸機構相互連接。減薄拋光后的晶圓經過本階段清洗后，可直接應用于下道工序。同時，因為減薄拋光過程受顆粒污染的影響較小，對工藝環境潔凈度要求低，而清洗過程為了保證最終的清洗效果，對于工藝環境潔凈度要求高，因此，清洗要在一個相對獨立的空間內完成。另外，減薄拋光后，晶圓的拋光面和背面（減薄膜或載片）都殘留了大量的拋光液等污染物，因此兩面都需要進行清洗。

2 整體布局

清洗系統集成在減薄拋光一體機內部相對獨立的空間內，將晶圓的拋光面和背面（減薄膜或載片）分別在兩個不同的工位進行處理，如圖2所示。

清洗干燥系統工藝流程如下：

圖2 清洗系統在減薄拋光一體機內的位置及晶圓傳輸路徑

（1）機械手將拋光后的晶圓傳輸到背面清洗區；

（2）機械手不脫片，背面區底部噴嘴對流到減薄膜上的拋光液等進行沖洗；

（3）背面清洗完成后，機械手將晶圓從風刀上面緩慢移過，將背面的水吹干；

（4）自動門2打開；

（5）機械手將晶圓放置到拋光面清洗區；

（6）機械手退出；

（7）自動門2關閉；

（8）拋光面清洗區開始清洗干燥工藝；

（9）拋光面清洗區工藝完成后，對于貼有減薄膜的后封裝減薄晶圓，自動門3打開，由貼膜揭膜機械手將晶圓傳輸到貼膜揭膜系統；對于TSV減薄晶圓，自動門1打開，由潔凈機械手將晶圓傳輸到片盒。

3 各部分功能

3.1 背面清洗

背面清洗采用如圖3所示的結構，由機械手承載晶圓到清洗位置對晶圓背面進行清洗。

晶圓從背面清洗單元退出時，晶圓緩慢退出，采用風刀對晶圓背面表面進行吹掃，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，為了達到要求的清洗效果同時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，減輕后面清洗的負擔。本清洗步驟采用DI水固定噴嘴向晶圓中心噴射DI水，同時晶圓低速旋轉。

3.2.2 刷洗

刷洗時一種應用廣泛、低廉、高效的接觸式清洗方式，是刷子和工件表面持續接觸的介于邊界到彈流潤滑的摩擦學過程，通過刷子與硅片表面的接觸力結合液力的拖拽力作用，去除硅片表面拋光過程中滲入的顆粒。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，可以在刷洗時采用專用化學試劑提高刷洗效果。

圖3 晶圓背面清洗示意圖

圖4 風刀干燥原理圖

3.3 二流體沖洗

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

圖5 刷洗擺臂結構圖

圖6 二流體沖洗原理圖

3.4 兆聲DI水沖洗

對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，普通的清洗方法無法將其去除。兆聲清洗可以在晶圓產生高速水分子流動，適宜清洗微小的顆粒[2]，如圖7所示。

3.5 干燥

針對大尺寸超薄晶圓片清洗后的干燥采用旋轉甩干+熱N2擺臂單向掃描烘干（由中心向邊緣慢速掃描）的方式。該方式通過甩干將晶圓表面大部分水甩掉，然后通過熱N2快速將晶圓表面的殘余水滴吹掉。由于晶圓在干燥過程中，表面與氣流摩擦會產生靜電，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

為了保證設備空間的潔凈等級，防止清洗后的晶圓被二次污染，清洗干燥獨立空間采用FFU實現百級凈化。

4 結束語

減薄拋光后，晶圓表面殘留的拋光液以及磨削產生的污染物無法滿足后續的劃切、通孔電鍍或TSV封裝等工藝要求。清洗系統集成到減薄拋光一體機內部，通過合理的工藝配置，能夠對污染物進行有效去除，保證輸出的晶圓滿足后續工藝在潔凈度方面的具體要求，為后續工藝處理降低了技術難度和風險。

[1]費玖海，楊師，周志奇.集成電路工藝中減薄與拋光設備的現狀及發展[J].電子工業專用設備，2014，43(2)：6-10.

[2]劉永進，杜建科，馮小強.單晶圓兆聲清洗技術研究及兆聲噴頭方案優化[J].電子工業專用設備，2011，40(1)：15-17.