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1、LCD洗净工艺Inline PR 工艺技术1－洗净 1 第一章 基板洗净技术 一、污染物的分类 二、洗净工艺的发展 三、各种洗净方式原理 四、**生产线线的洗净装置 五 **生产线建线时实验数据与工艺条件的确定 六、**生产线洗净装置洗净能力实验 七、**生产线的洗净装置简介 八、未来的液晶与半导体可能采用的洗净工艺 TFT 液晶制程以及半导体IC 制程主要以二十世纪五十年代以后发明的四项基础工艺 （离子注入、扩散、外延生长及光刻）为基础逐渐发展起来,由于集成电路内各组件及连线 相当微细，因此制造过程中，如果遭到尘粒、金属的污染，很容易造成内部电路功能的损坏， 形成
2、短路或断路等，导致几何特征发生改变，或者电器特性发生不良变化。因此在制作过程 中除了要排除外界的污染源外，集成电路制造步骤本身也需要进行湿法清洗或干法清洗工 作。干、湿法清洗工作是在不破坏基板表面特性及电特性的前提下，有效地使用化学溶液、 气体或光照等手段清除残留在基板上的微尘、金属离子及有机物等杂质 。 一． 污染物杂质分类 液晶与半导体IC制程是在人的参与下在净化室中进行，基板制程的每一个步骤，包括沉 积（溅射）、蚀刻、去光阻、氧化等，都是造成基板表面污染的来源，因而需要反复的清洗。 根据污染物发生的情况，大致可将污染物分为颗粒、有机物、金属污染物及氧化物。 1．颗粒（Pa
3、rticle） 颗粒主要是一些聚合物、光致抗蚀剂和蚀刻杂质等。通常颗粒粘附在基板表面，影响 下一工序几何特征的形成及电特性。根据颗粒与表面的粘附情况分析，粘附力表现出多样化， 如范德瓦尔斯吸引力（Van der waals force）、电偶极力（Electrostatic force）、毛细力 （Capillary force）、化学键合力（Chemical bond）以及表面地形力（Surface topography force）等，但是最主要的还是范德瓦尔斯力，所以对颗粒的去除方法主要以物理或化学的 方法对颗粒进行底切，逐渐减小颗粒与基板表面的接触面积，最终将其去除。 2
4、．有机物 有机物杂质以多种形式存在，如人的皮肤油脂、净化室空气、机械油、硅树脂真空脂、 光致抗蚀剂、清洗溶剂等。每种污染物对IC 制程都有不同程度的影响，通常在基板表面形 成有机物薄膜阻止清洗液到达基板表面，并且造成光刻胶与基板的浸润性变差。因此有机物 的去除常常在清洗工序的第一步进行。 Inline PR 工艺技术1－洗净 2 3. 金属污染物 IC 电路制造过程中采用金属互连材料将各个独立的器件连接起来，首先采用光刻、蚀 刻的方法在绝缘层上制作接触窗口，再利用蒸发、溅射或化学汽相沉积（CVD）形成金属互 连膜，如AL-Si、Cu 等，然后通过蚀刻产生互连线。这个过程对I
5、C 制程也是一个潜在的污 染过程，在形成金属互连的同时，也产生各种金属污染。必须采取相应的措施去除金属污染 物。 4. 原生氧化物及化学氧化物 硅原子非常容易在含氧气及水的环境下氧化形成氧化层，称为原生氧化层（自然氧化层）。 硅晶圆经过SC-1（NH4OH-H2O2 溶液）和SC-2（HCl-H2O2 溶液）溶液清洗或者是UV/O3 照射后，由于双氧水（O3）的强氧化力，在晶圆表面上会生成一层化学氧化层。为了确保栅 极氧化层的品质，此表面氧化层必须在晶圆清洗过后加以去除。另外，在IC 制程中采用化 学汽相沉积法（CVD）沉积的氮化硅、二氧化硅等氧化物也要在相应的清洗过程中有选择
6、 的去除。 表1.1 各污染源对金属组件的可能影响 污染物分类 微粒 金属 有机物 自然氧化物 表面微粗糙 可能污染源 基台、环境、 水气、化学 品、操作人员 等 基台、环境、 水气、化学 品、蚀刻 基台、环境、 化学品、光 抗、建筑物油 漆涂料挥发 化学品、环 境、水、气体 化学品、晶圆 原材料、洗净 液 对电子组件 的影响 低氧化层崩 溃电压、针 孔、不良、短 路、断路 低氧化层崩 溃电压、接合 界面漏电流、 起始电压漂 移 膜密着不良、 洗净不良、刻 蚀不良（不完 全） 低栅极品质、 高接触电阻、 不良金属硅 化
7、物 低氧化层崩 溃电压、低载 流子迁移率 二、洗净工艺的发展 由于液晶产业发展至今仍只有区区数年，而其洗净工艺与原理与半导体产业有共通之 处，下面以半导体产业的洗净工艺为主，结合液晶的洗净来简述洗净工艺的发展。 基板或者晶圆表面的清洗技术主要可分为干式清洗和湿式清洗两种。湿式清洗分为物理 清洗和化学清洗。化学清洗即目前半导体工艺中最常用的RCA法，物理清洗一般有如下几 种：擦洗（Scrubbing）、高压喷淋（Spray/jet）、超声波（Ultrasonic）、百万超声波（Mega sonic）、 二流体喷淋以及全部室温湿式清洗(Total room temperatur
8、e wet cleaning)等。干式清洗主要有 物理清除法、热处理法、蒸汽清除法、光化学清除法、等离子体清除法以及较新的低温气胶 清除技术、激光辅助清除技术(laser-assisted cleaning)以及空气吹除技术(air-flow cleaning)等。 Inline PR 工艺技术1－洗净 3 三、各种洗净方法原理 1、湿式清洗技术 (1) 湿式化学清洗 所谓湿式化学清洗(wet chemical cleaning)技术，是以液状酸碱溶剂与去离子水之混合 液清洗晶圆表面，随后加以润湿再干燥的程序。在清洗程序上，去除有机物为第一步骤，因 为有机物会让表面形成疏水
9、性，造成水溶液的清洗效果不佳，去除有机物可利用 NH4OH-H2O2 溶液(RCA Standard Cleaning-1, SC-1)或铬酸-硫酸混合液清洗，其中铬酸-硫酸 混合液比较不受欢迎，是因为有关铬离子废弃物丢弃的问题。当有机物被去除后，水溶液就 可比较容易的去除无机残余物，无机残余物可能与晶圆表面的二氧化硅层复合，可使用稀薄 的氢氟酸溶液进行第二步骤的清洗，以便去移除二氧化硅薄膜层。清洗程序的第三个步骤为 移除无机残余物，过氧化氢酸的溶液可用来达成这个目的。特别是含氢氯酸的过氧化氢溶液 (RCA Standard Cleaning-2, SC-2)，氢氯酸对去除铁原子、
10、钠原子及硫特别有效。假使SC-1 伴随着SC-2 使用，则必须小心两者的蒸气混合物，以避免氯化铵微粒产生。最后必须再以 去离子水润湿(rinse)以清洗残余的HF，最后干燥(dry)完成整个湿式清洗程序。基本上在半 导体制程中会有许多微粒产生，而上述湿式化学清洗法有时不但不能去除微粒，更会增加微 粒在晶圆表面附着的可能性。在湿式清洗程序中，微粒污染主要是来自润湿槽及旋转干燥器 (spin dryer)，利用各种不同润湿方法以减低微粒污染，亦为清洗技术发展的重点，最新的干 燥技术为利用IPA 来干燥晶圆，可以减低微粒的污染，但IPA 燃点低，会有工业安全的问 题产生。 (2) 刷
11、洗(Scrubbing) 结合微粒去除的技术，则湿式清洗即可称为具有吸引力的清洗程序，一般使用在湿式 程序中的微粒清除技术有刷洗、超声波、二流体、高压喷淋等。 擦洗是利用刷子在晶圆表面滚动而去除微粒及有机薄膜的一种机械方法，当使用此种 技术擦洗晶圆表面时，由于考虑到刷毛对基板图形的损伤，因此刷毛（特别是上表面）往往 并不直接接触晶圆表面，刷毛与晶圆中间隔一层清洗溶液的薄膜，晶圆表面最好是疏水性的， 如此在亲水性刷毛周围的溶液会被晶圆所排斥，而将悬浮在薄膜上的微粒扫除。而擦洗的溶 液经常为去离子水加上一些清洁剂，以降低水的表面张力。刷毛材料技术改进后，刷毛相对 变得柔软，对基板膜
12、层的损伤减少，因此在清洗一些线宽较宽的膜层时，也可使用接触式清 洗。 （3） 高压液体喷淋 (High pressure fluid jets) 利用液体喷淋在物体表面以清除微粒已发展许多年了，此法是利用液体与微粒间的应剪 力将微粒清除，故与边界层的厚度及流体的速度有很大的关系。典型的液体压力为100 psig 以去除微粒，但如此高压会对晶圆表面图形产生伤害。此法受限于表面边界层的影响，对于 较小微粒而言，去除效率并不高。 （4） 超声波 (Ultrasonic)与百万赫次赫兹超声波 (Mega sonic) Inline PR 工艺技术1－洗净 4 此法是将晶圆置于液体中
13、使用超声波换能器将功率超声波频源的声能转化为机械振 动，并通过清洗槽壁向槽中清洗液辐射超声波，以音波震动的能量去除晶圆表面的微粒。超 声波作用包括超声波本身具有的能量作用，空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的 搅拌流动作用等。 ① 超声波的能量作用：超声波具有很高的能量，它在传媒液体中传播时，把能量传递 给传媒质点，传媒质点再将能量传递到清洗对象物表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵 波，即传媒质点的振动方向与波的传播方向一致。在纵波传播过程中，传媒质点运动造成质 点分布不匀，出现疏密不同的区域，在质点分布稀疏区域声波形成负声压，在分布致密区域 声波形成正声压，并形成负
14、声压、正声压的交替连续变化，这种变化不仅使传媒质点获得一 定动能而且获得一定加速度。高频超声波的能量作用是异常巨大的。在具有能量的传媒质点 与污垢粒子相互作用时，把能量传递给污垢并造成它们的解离分散。 ② 空穴破坏时释放的能量作用：超声波与通常声波一样在媒液中传播是直线运动方 式。运动速度与媒液有关，在不同媒液中传播速度不同，超声波的频率比通常的声波频率高， 所以波长短，能量高。在媒液中直线前进的超声波，到达与其它物质的界面时，要发生透射 和反射运动，发生透射与反射的程度是由构成界面物质的声阻抗率决定的，声阻抗率是传声 媒质某一给定表面的声压与质点速度之比。各种传声媒质都有固定的
15、声阻抗率。当超声波行 进到声阻抗率相差很大的两种媒质的界面时，主要发生反射，而在声阻抗率相近的两种媒质 的界面上主要发生透射。如当超声波行进到水－空气界面时，由于空气密度远小于水，因此 声阻抗率也相差较远，所以此时声波主要发生反射；同样超声波行进到水－钢铁界面时，由 于两种媒质之间声阻抗率相差很大，所以主要也发生反射。而当超声波行进到水－塑料界面 时，由于两种媒质之间声阻抗率相近，所以超声波主要发生透射。反射回来的超声波与前进 中的超声波合成后，当每一点的位相差保持稳定不变时，发生共振，而在某些固定位置上相 互叠加而加强，媒液在这些位置上容易产生空穴。 另外，由于超声波以正压和
16、负压重复交替变化的方式向前传播，负压时在媒液中造成微 小的真空洞穴，这时溶解在媒液中的气体会很快进入空穴并形成气泡；而在正压阶段，空穴 气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击，气泡周围 产生上千个大气压的高压及局部高温，放出巨大的能量，这种超声空化所产生的巨大压力能 破坏不溶性污物而使它们分化于溶液中。这种现象在低频率范围的超声波领域激烈地产生。 另外，超声波在清洗液中传播时除了产生正负交变的声压形成射流，冲击清洗件以外，同时 还由于非线性效应会产生声流和激声流，而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射 流，所有这些作用，都能够破坏污物，除去或消
17、弱边界污层。另外超声波能起到搅拌作用， 使媒液发生运动，新鲜媒液不断作用于污垢加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗 作用。所以超声波强大的冲击力如果作用发挥适当的话，可促使顽固附着的污垢解离，而且 清洗力不均匀的情况得以避免。凡是液体能浸润到且声场存在的地方就存在清洗作用。当使 用的超声波频率在28～100khz范围内时，超声波的几种作用都存在,而空穴消失过程产生的 Inline PR 工艺技术1－洗净 5 巨大压力作用十分突出。由于超声波使用过程中存在对清洗对象造成损伤的可能性，所以当 清洗对象很脆弱的情况不宜采用低频超声波清洗。当使用的超声波频率在特高频率范围时，
18、超声波的作用主要是其本身巨大的能量作用，并不产生空穴，但这种巨大的能量对细微污垢 的去除清洗作用很大。 如上所述，超声清洗的主要机理是超声空化作用．超声空化的强弱与声学参数、清洗液 的物理化学性质及环境条件有关，所以要得到良好的清洗效果必须选择适当的声学参数和清 洗液。 ③影响超声清洗效果的因素： a.声强或声压的选择 在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压。 而负压要超过液体的 强度才能产生空化。使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈。各种液体具有不同 的空化阈值，在超声清洗槽中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化。对于一般液体，空 化阈值约为每平
19、方厘米1／3瓦(声压的千方正比于声强)。声强增加时，空化泡的最大半径与 起始半径的比值增大，空化强度增大， 即声强愈高，空化愈强烈，有利于清洗作用。但不 是声功率越大越好；声强过高，会产生大量无用的气泡，增加散射衰减，形成声屏障，同时 声强增大也会增加非线性衰减，这样都会削弱远离声源地方的清洗效果。对于一些难清洗干 净的污物，例如金属表面的氧化物，化纤喷丝板孔中污物的清洗，则需要采用较高的声强， 此时被清洗面应贴近声源，这时大多不采用槽式清洗器，而用棒状聚焦式换能器直接插入清 洗液靠近清洗件的表面进行清洗。 b.频率的选择 超声空化阈值和超声波的频率有密切关系。频率越高，空化阈
20、越高，换句话说，频率越 高，在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大；频率低，空化容易产生，同时在低 频情况下，液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔，使气泡在崩溃前能生长到较大的 尺寸，增高空化强度，有利于清洗作用。目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象，大致 分为三个频段；低频超声清洗(20一50KHz)， 高频超声清洗(50—200KHz)和兆赫超声清洗 (700KHz一1MHz以上)。低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的 场合。频率的低端，空化强度高，易腐蚀清洗件表面，不适宜清洗表面光洁度高的部件，而 且空化噪声大。40KHz左右的频率，在相
21、同声强下，产生的空化泡数量比频率为20KHz时多， 穿透力较强，宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件，空化噪声较小，但空化强度较低，适合 清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合。高频超声清洗适用于计算机、微电子元件的精 细清洗，如磁盘、驱动器，读写头，液晶玻璃及平面显示器、微组件和抛光金属件等的清洗。 这些清洗对象要求在清洗过程中不能受到空化腐蚀，要能洗掉微米级的污物。兆赫超声清洗 适用于集成电路芯片、硅片及薄膜等的清洗，能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有 任何损伤，因为此时不产生空化，其清洗机理主要是声压梯度、粒子速度和声流的作用；特 点是清洗方向性强，被清洗件一般置于与声束
22、平行的方向． Inline PR 工艺技术1－洗净 6 c.清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响 清洗剂的选择要从两个方面来考虑：一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清 洗剂；另一方面要选择表面张力、蒸气压及粘度合适的清洗剂，因 为这些特性与超声空化 强弱有关。液体的表面张力大则不容易产生空化，但是当声强超过空化阈值时，空化泡崩溃 释放的能量也大，有利于清洗。高蒸气压的液体会降低空化强度，而液体的粘滞度大也不容 易产生空化。因此蒸气压高和粘度大的洁洗剂都不利于超声清洗。此外，清洗液的温度和静 压力都对清洗效果有影响，清洗液温度升高时，空化核增加，对空化的产生有 利，但是
23、温 度过高，气泡中的蒸气压增大，空化强度会降低，所以温度的选择要同时考虑对空化强度的 影响，也要考虑清洗液的化学清洗作用每一种液体都有一空化活跃的温度，水较适宜的温度 是60℃，此时空化最活跃。清洗液的静压力大时，不容易产生空化，所以在密闭加压容器中 进行超声清洗或处理时效果较差。 d.液体的流动速度 清洗液的流动速度对超声清洗效果也有很大影响。最好是在清洗过程中液体静止不流 动，这时泡的生长和闭合运动能够充分完成，如果清洗液的流速过快，则有些空化核会被流 动的液体带走有些空化核则在没有达到生长闭合运动全过程时就离开声场，因而使总的空化 强度降低。在实际清洗过程中有时为避免污
24、物重新粘附在清洗件上，清洗液需要不断流动更 新，此时应注意清洗液的流动速度不能过快，以免降低清洗效果。 e.超声洗净的不均匀性 如前所述，空穴是沿着最大声压带不均匀地产生的。当清洗对象在洗液中处于静置状态 时，就会由于空穴产生的不均匀造成清洗的不均匀现象。另外，当超声波反射发生在清洗对 象内侧的表面，金属管道的内表面，金属物品深陷处的凹面以及碰到金属网做的清洗物容器 时，会在这些反射面形成驻波，驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小，而在另外一 些地方声压最大．这样会造成清洗不均匀的现象。这两者是超声波清洗中常出现的问题。通 常为克服这种现象的发生，常采用以下方法：①.移动清
25、洗对象：当清洗对象在洗槽中移动 时，空穴能较均匀地作用于对象的表面，最常用的方法是让清洗对象发生旋转，当物体位于 空穴最大声压带垂直相交的平面上清洗效果比较专一。②.改变洗液深度：当洗槽液面上下 变动时，空穴最大声压带的位置也发生相应变化可以克服不均匀性。③.形成矩形波形：把 几种不同波长的超声波合成在一起，所产生的超声驻波，最大声压带范围扩大，可以克服不 均性。④.防止共振波的生成：如果使液面与清洗对象表面不相互垂直，可防止在清洗对象 表面发生受迫振动并形成共振波。这样，一方面可减少清洗不匀，同时也可避免清洗对象损 伤。⑤.减少驻波的影响，有时清洗槽特意做成不规则的形状以避免驻
26、波的形成，有时在超 声电源方面采取扫频的工作方式，使声压最小处不固定在一个地方而是不断地移动，以达到 较均匀的清洗。 (5)二流体喷淋清洗(AAJET) 二流体是利用压缩空气高速流动的原理，使液体变微粒化的一种高压喷淋方式，二流体 Inline PR 工艺技术1－洗净 7 喷嘴和只用pump喷雾的一流体喷嘴比较，具有以下的特征： ①微粒化性能优越：一流体喷嘴使液体微粒化的最大限度，只能达到平均粒径50μｍ的程 度，而利用压缩空气高速流动原理的二流体喷嘴，则可能达到10μｍ以下。 ②调整范围大：二流体方式的喷嘴在液体流量分布保持一定的情况下，可加大喷雾流量 的调整范围，是可
27、调整喷量之喷嘴。 ③异物通过粒径大：与同一水量的一流体喷嘴比较，异物通过粒径较大，因此能够有效 防止阻塞情况的发生。 图1.1 二流体示意图 2、干式清洗技术 (1)、 干式表面污染物清除技术 就干式晶圆清除清洗技术而言，去除的方式主要有三 ：(a)将污染物转换成挥发性化 合物。 (b)利用动量使污染物直接扬起而去除 。 (c)应用加速离子，使污染物破碎。 对于有机物或金属污染物等化学键结的污染物，需用化学方法去除，对于微粒而言，物 理作用力是去除微粒的主要作用力。对所处理的对象污染物种不同，选择的化学物种也有所 不同，所形成的挥发性化合物可藉升高温度、减轻压力，使挥发性污
28、染物脱离晶圆表面，达 到污染物脱离晶圆表面之目的。 表1 所列为各种干式清除技术的作用原理及反应因子。由表1 显示，除了纯粹使用物理 方法破碎残留的氧化物外，其余干式清除方式皆需特定的反应因子产生源，以利去除固定对 象的表面污染物。 ①物理清除法 (Physical cleaning) 物理清除法是应用动量交换，使污染微粒直接扬起或破碎，但也可能造成污染微粒再沉 积，或破坏晶圆表面结构，形成缺陷。例如，以冷冻Ar 气胶清除晶圆表面微粒的方式。 ②热处理法 (Thermally enhanced cleaning) Inline PR 工艺技术1－洗净 8 热处理法是以加热
29、方式(700~850 o C)产生热能，使气体分子(HClN2 、H2 、H2O)转变 为高能阶的原子状态，而与晶圆表面的杂质或金属反应，配合低压条件下操作，可达到更好 效果，可见热处理法包含物理与化学作用。但此法易形成挥发性的SiO2 ，且有金属微粒在 晶圆表面时，高温的环境下易造成金属微粒陷入硅晶层中，产生缺陷晶圆。 ③ 蒸气清除法 (Vapor-gas cleaning) 蒸气清除法是利用气相化学物质与污染微粒反应，取代液相处理方式。即在充满N2 气体 的反应槽中，应用HF及H2O蒸气与SiO2反应生成H2SiF6 气体，达到清洗效果。利用CO气体 充满封装容器发现可减少晶
30、圆受金属微粒污染。 ④等离子体清除法 (Plasma cleaning) 等离子体去除法是利用等离子体产生自由基(Free radical)与污染物反应，再以气流将生 成物带出反应槽。应用的等离子体种类因污染物而异，例如：O2 等离子体可去除光阻物质 和细小有机物；HCl和Ar 混合等离子体用来去除金属污染物；NF3 、H2 及Ar 等离子体可 解决各种氧化物污染问题。 ⑤ 光化学清除法 (Photo chemically enhanced cleaning) 光化学去除法是利用紫外线照射气体分子，使其裂解成高能量的自由基，产生的自由基 再与被处理物反应，达到清除效果。使用的系
31、统包含UV/O2 、UV/O3 、UV/N2O 或UV/H2 ， 去除对象为有机污染物；激光（EX UV）/HF3/H2 系统可去除SiO2 微粒。 结合干式去除无机物制程如使用紫外光激发纯氯气方式，可变成全干式的清洗过程，可 符合下世代半导体设计的要求。与等离子体去除法比较，可产生较少的辐射损害(radiation damage)且较易控制。 （2）、干式表面微粒清除技术 纯粹应用物理作用去除表面微粒方式大致可分为五种：(1)激光辅助系统清除微粒技术 (2) 高速气流喷射法 (3)离心力去除微粒技术 (4)静电方法 (5)其它干式去除微粒的方法。 ① 激光辅助系统微粒清除技术
32、 激光表面微粒清除技术能去除0.1um 或更小的微粒，且能符合cluster tool 观念，因此非 常具有吸引力。激光清除技术依微粒去除机制不同，或可以说依激光能量照射位置不同可分 成三类：(a)入射激光由表面基板吸收，而导致表面热膨胀或者是基板上能量传递介质因吸 收能量而导致爆炸性蒸发，而去除微粒。(b)微粒因吸收激光能量，会产生热膨胀，当吸收 能量足以使微粒脱离基板表面时，则会导致微粒去除。(c)激光能量直接由在微粒周围的介 质膜（如水膜）吸收，蒸发而去除微粒。 a．藉由加热基板的激光清除技术：此种技术可分为两种形式，一种是激光直接照射干 的基板，另一种方式是利用能量传递
33、介质的爆炸性蒸发而移除微粒。用XeCl 激光照射在干 基板上，当激光脉冲的频率为5 Hz 且能量宽度为0.2～0.3 J/cm2时，可去除微粒及有机薄 膜，化学金属污染物也是去除的目标。这种微粒去除机制可能由于基质表面因激光照射而突 然膨胀有关。如果在激光照射前，在基板上加一层薄膜，可加强激光清除微粒的效果。液状 Inline PR 工艺技术1－洗净 9 薄膜会吸收激光产生爆炸性的蒸发，因而加强微粒的去除效果。一般使用的激光能量密度相 当低，对基板几乎不会造成损害，基板损害对激光微粒清除技术而言是一项非常重要的课题， 但是由于此项技术本身是对基板加热，因此微粒的去除效率与基板的
34、材质有关。 b．藉由激光加热微粒以清除微粒：假使激光能量是由沉降在基板上的微粒吸收，则微粒 会因加热膨胀而导致微粒的去除。使用此法照射微粒，微粒由于受热膨胀后产生加速度，而 导致微粒的去除。 c．藉由能量传递介质加热清除微粒：此技术利用激光加热能量传递介质，导致爆炸性的 蒸发，因此移除微粒。比如在激光照射之前将水当成能量传递介质涂布在基质上，使微粒周 围形成微米大小的水珠，再用激光照射使微粒去除；微粒去除的激光能量限值与微粒大小、 材质无关。由于这种去除微粒方式与晶圆表面的材质无关，因此这项应用技术比晶圆直接加 热方式为好。此项微粒去除技术的优点是借着改变激光照射能量密度大小控
35、制去除效率，而 非改变激光光波长来达到微粒去除效率。 ② 高速气流微粒清除技术 高速气流运用于去除表面微粒的方法可分成两类： a．含气胶的高速气流：利用高压喷嘴释出含气胶微粒的高速气流，作用在基板表面以 去除表面上的污染微粒，为新近发展出来的方法。气胶种类有固体CO2、Ar 固体、CO2或甲醇 液滴，利用冷冻法将液体或气体结成小颗粒撞击基板（或者如晶圆）表面，将气胶的动能转 换到污染微粒上，使污染微粒脱离基板表面的束缚而脱离以达到清除的目的，而气胶在温度 增高后会挥发或升华成气体脱离表面，而不致造成表面的污染。 利用产生含冰的高速气流以去除晶圆表面微粒，此法称之为冰气胶刷洗技
36、术(ice scrubber)：此法将超纯水由喷嘴喷出成细微液滴，经由液态氮蒸发成的气态氮冷却成冰颗 粒，粒径在30-300 μm 间，再利用高压氮气将冰由喷嘴释出，撞击在基板（或晶圆）上， 以去除微粒，结果显示对去除油质薄膜及微粒非常有效，但对晶圆表面可能会产生损害。如 果利用含干冰微粒的高速气流清洗半导体制程上受污染的零组件如阀门、管件与印刷电路版 等，取代传统上利用酸洗或溶剂清洗的方法，称之为冷冻CO2 气胶清洗法(cryogenic CO2) ， 其测试结果对许多污染物的清洗效率都非常好，但其气流压力很大，如果以垂直方向清洗晶 圆表面会损害晶圆，因此仅用在半导体制程上受污
37、染的零组件的清洗。 另一种新方法是使用含甲醇液滴的超音速气流清洗晶圆表面的微粒及有机污染物，称为 气胶喷射清洗法(aerosol jet cleaning)。40-50 o C的甲醇蒸气经由氮气冷却后，经过均匀 核凝形成次微米的甲醇液滴微粒，其喷嘴出口的气压维持在10-40 torr， 使气流经由喷嘴 喷出后因气体扩张，温度降低，气流被加速成超音速。而甲醇液滴除了将污染微粒撞离晶圆 表面外，还可在晶圆表面形成液状薄膜，由于因静电相斥的关系，可使微粒与表面的附着力 降低，使之易于去除。并且甲醇能溶解有机物，对某些有机物的去除也有很大的效果。这种 方法消耗的甲醇量不大，因此不会有废弃
38、溶液丢弃的问题。 b．不含气胶的高速气流 Inline PR 工艺技术1－洗净 10 利用高压气体经过喷嘴形成高速气流以去除基质表面的微粒。或者利用UV/光电法使空气带 负离子，撞击微粒使微粒带负电，并在石英基板上通上与微粒相反的电荷，使微粒与基板因 电性相反而排斥，减低微粒的附着力，再以高速气流喷嘴去除基质表面的微粒，1um 的 Particle去除效率可达80%上。另外，高压气体在薄膜破碎的瞬间会产生高速脉冲气流及震 波，撞击在基质表面，也以去除微粒，对0.337μm 的微粒而言，最大的去除效率可到达80 %。 并且震波方式可产生高速气流同时降低表面边界层流的厚度，是增加
39、去除次微米微粒的主要 原因。 ③ 离心力去除微粒技术 离心力最早是被用来量测表面微粒间的附着力，后来才被利用来去除表面微粒。离心 力方法一般对于较大或密度较高的微粒，才有较高的去除效率。 ④ 静电方法 用静电力去除表面微粒，此方法对于较小微粒或不导电表面，效果不大。结合静电和动 力方式，可增加去除微粒的效果。微粒沉积于预先带电的表面，然后利用高速空气去除表面 微粒，小微粒通过此方式可以从玻璃表面和铜表面被有效地带离。 ⑤ 其它干式去除微粒的方法 利用可剥除的聚合物的黏着力去除晶圆上的微粒。主要是利用亲水性的聚合物涂布在受 污染的晶圆表面，经烘干后，将聚合物剥除，而聚合物会
40、将污染的微粒从晶圆上黏走。在某 些情况下，这种技术对黏除次微米微粒非常有效，但是可能会有聚合物残余物留在晶圆表面 上。有实验利用黏着性的胶带黏除晶圆表面的微粒，利用滚轮将胶布黏贴在晶圆表面，再利 用紫外线照射使胶带易于剥除，在胶带黏贴前后，0.3~0.5μm 的次微米微粒去除效率非常高， 但是当晶圆表面的微粒数已经很少时，这种方法反而会增加晶圆上的微粒数，可能是因为胶 带残余物滞留在晶圆表面的结果，因此这种方法清除的效果有其限制。 Inline PR 工艺技术1－洗净 11 表1.2 各种常见晶圆（基板）清洗方法的优缺点 清洗方法 优点 缺点 湿式化学清洗 •;去除金属离子
41、及可溶性不纯物•;去除微粒效果不佳 •;会增加表面的微尘数 刷洗 •;去除大颗粒微尘非常有效 •;适合清洗疏水性的基板表面 •;不适合去除有精细图案的 基板表面的微尘；可能会损 伤基板 加压式高速流体 •;可去除有图案的晶圆表面微尘•;可能损伤晶圆 超声波 •;对去除小微粒非常有效 •;可能损伤晶圆 •;孔蚀作用强度难以控制 •;不能和具反应性的溶液使 用 兆赫兹超声波 可去除可溶和不可溶物 •;对去除小微粒非常有效 •;可和化学溶液一起使用 •;晶圆损伤较低 •;污染物可能会来自化学溶 液 可剥除的聚合物 •;可去除可溶和不可溶物 •;晶圆的搬送和储藏方
42、便 •;干式技术，环保 •;聚合物之残余物可能污染 晶圆 •;效率低 紫外光/臭氧（UV/O3） •;可去除有机物 •;干式技术，环保 •;微粒去除效果差 •;可能损伤晶圆 Inline PR 工艺技术1－洗净 12 四、**生产线的洗净装置 1、**1与**2共有的基板投入前洗净与成膜前洗净: 不管是五mask工艺还是六mask工艺，基板投入生产前以及每一道成膜工艺成膜前，都 必须经过洗净，除去前一道工序后由于基板搁置、搬运或者装置发尘原因产生的污染。**1 和**2生产线的成膜前洗净装置基本一样，装置概要图如下所示： 图4.1 **1与**2生产线成膜前洗净
43、装置图 （1）、UV单元 利用低压水银灯产生的双波长（185nm、254nm）紫外线，清除基板表面黏附的有机物质， 增加下层膜的密着性，并且使接下来的药液和纯水易与基板表面充分接触，增强清洗效果。 具体反应原理可由下面几个方程式表示： 图4.2 UV单元的具体结构图 （2）、药液Spray单元 利用TMAH碱液（与显影液同一成分，但是浓度是0.4%）清洗基板。基板原理如本报 告第三部分所述，主要是结合了化学洗净和物理冲击两者作用，一方面对颗粒进行一定程度 的冲击并且对颗粒进行底切，减小颗粒与基板之间的接触面积从而减弱颗粒与基板间的作用 力，使颗粒容易浮起而被除去；另一方面，
44、利用碱液与基板的化学反应，除去各道湿刻过程 中由于酸液腐蚀引起的基板微粗糙。 为防止药液槽中药液进入前面的UV单元以及后续的水洗单元，一般在药液槽入口以及 出口装有液切风刀；另外为了保持基板在洗净过程中的湿润性，在药液槽入口有入口shower。 O2＋O*（激发态氧原子） 185nm O2 O3 254nm CO、CO2、H2O 激发态氧原子氧化、分解 Cm’Hn’Ok’ O* 紫外线分解 185、254nm CmHnOk 30mm Inline PR 工艺技术1－洗净 13 图4.3 药液Spray槽的机械结构图 （3）、纯水Roller brush单元
45、 该单元**1生产线与**2生产线有所不同，**1生产线由于基板尺寸小，采用的是圆盘状的 Disk brush，**2基板尺寸变大，Disk brush不再适合清洗，因此采用了滚筒式洗净刷子。而 实际上，出于图形损伤以及洗净装置的生产能力等方面因素的考虑，**2线基本上就取消了 刷洗这一道程序。刷洗方式的洗净对象主要是大颗粒微尘，具体的刷洗原理见本文第三部分 之论述。 图4.4 Roller brush单元机械结构图 （4）、高压Spray/Mega sonic 刷洗方式有个很明显的弱点，就是无法清洗精细图案内的微尘。结合利用高压喷洗和超 声波（1.0~1.5MHz）洗净技术，
46、可除去中等尺寸以及小尺寸微尘颗粒。虽然两个腔室连续， 但是由于超声波清洗的特殊工作原理，因此不虞高压清洗槽清洗完的颗粒会在超声波腔室中 再次沉积下来。 Inline PR 工艺技术1－洗净 14 图4.5 Spray/Mega sonic腔室机械结构图 （5）、超纯水清洗 通过紫外干洗、药液清洗、刷洗、高压喷淋和超声波清洗，基本上各种粒径的污染物都 可被有效地除去，最后为了保证基板的清洁度，还需要用超纯水（阻抗大于等于18兆欧姆） 再次喷淋清洗一遍，一方面清除可能剩下的微粒子，另一方面洗去溶液中可能存在的金属离 子，防止金属离子污染对TFT特性造成影响。 （6）、风刀干燥
47、 相比于以往的旋转干燥方式，**1/**2的成膜前洗净以及以后**生产线的所有阵列工艺 洗净装置所使用的干燥方式都是风刀方式。风刀干燥可有效地避免以往旋转干燥所产生的水 雾飞散、水雾的再附着现象，并且减少了高速旋转机构数量，对机械的要求降低；但是风刀 的排气缝与基板的距离、基板上下表面风刀流量、风刀与基板所成的角度、以及风刀干燥腔 室的结构等，依然极大程度地影响着干燥的效果。 图4.6 风刀腔室的机械结构示意图 高压Pump Inline PR 工艺技术1－洗净 15 2、Inline PR 洗净装置 基板成膜后到光刻胶涂布并刻蚀图案，往往中间有一段在buffer 里保存
48、的时间，容易 产生积尘，因此在涂布光刻胶前要再次进行清洗，防止PR 下有异物存在，造成各种不良。 下面分别来介绍**1 和**2 生产线的Inline PR 清洗装置。 **1：入口――Spin 洗净――Spin 干燥――IR――UV **2：入口――UV－―BSCR――ASCR――－Spin 干燥――脱水干燥 **1 生产线UV 单元的安排有些异常，一般按照污染物去除顺序，必须先去掉基板表面 的有机物，才能使接下来的纯水或者药液清洗达到更好的效果，而现在**1 把UV 单元安排 在最后，可能有如下的考虑：① 洁净程度。由于基板成膜后到PR 涂布，这之间颗粒基本 上都是以一般范
49、德瓦尔斯力吸附在基板表面，附着强度不大，比较容易去除，并且PR 涂布 洗净前基板一般先经过成膜洗净工序，因此基板上颗粒可直接用水冲洗掉，不用担心有机薄 膜影响清洗能力这个因素；②干燥性考虑。由于老式的UV 腔室是跟红外腔室连在一起作为 一个单元，因此基板清洗甩干后直接送入IR/UV 腔室干燥，可以省掉一道脱水干燥工艺， 降低设备成本，另外有机薄膜层可由UV 再加以除去；③良品率。由于是小基板，并且做的 是小屏，因此对良品率对颗粒的要求没有**2 以及以后的**生产线生产线那么高。 图4.7 UV 清洗腔室结构图 **2 线考虑到大基板的原因，把UV 单元调到了最前面，当然也就取消
50、了相应的IR 腔 室。但是实际上考虑到刷子对基板上图案的影响，在金属膜的清洗过程中基板上下表面的刷 子都退避了，同时考虑到这样会造成洗净能力下降，所以在**2 线的金属膜PR 涂布前，基 板要在成膜前洗净装置中先清洗一遍，通过超声波以及高压喷淋等弥补Inline PR 线洗净能 力的不足；当然，基板上下表面的刷子同样也退避。 五、**2 生产线建线时实验数据与工艺条件的确定 生产线建立时候工艺条件的调试和确立是一件非常重要的事情，下面以**2 生产线23 号机洗净部分单元条件的调试为例加以说明。 主要考虑一下几个因素：UV 处理能力、Scrub 洗净能力、Scrub 断线Che
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