抛光片IPA干燥技术研究

张伟才，赵 权

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

抛光片IPA干燥技术研究

张伟才，赵 权

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

以Marangoni效应为基础的IPA干燥技术在衬底抛光片的干燥中遇到了瓶颈，即干燥后出现水痕缺陷。Marangoni干燥过程中，抛光片表面的水符合重力场下的杨方程模型，其脱离效果与晶片提拉速率和IPA流量密切相关。研究中发现，IPA流量在20 L/min、提拉速率在1 mm/s时干燥效果最佳；另外，Marangoni干燥过程不能完全去除晶片底部的残水，需要营造合适的蒸发环境，减压排风下供给适量的IPA蒸汽有助于底部残水的去除。晶片与花篮在干燥过程中有相互影响，完全分离的模式可以消除这种影响，但同时会使干燥时间增长。

异丙醇；马兰戈尼；底部残水；水痕

干燥步骤作为湿法清洗的最后一个步骤，最终决定了抛光片的表面状态，是清洗工艺的核心所在。传统的离心甩干技术，对于大尺寸薄片和深窄沟槽结构晶片，难以获得令人满意的干燥效果。基于Marangoni原理的IPA干燥技术可以有效解决上述问题，已得到了越来越广泛的应用。

在要求极高的衬底片清洗中，IPA干燥存在水痕的残留问题。IPA干燥中的水痕难以被绝对消除，但是通过一系列工艺优化将水痕降到足够低的比例是可行的。本文将从水痕的形成原因出发，对影响IPA干燥效果的主要因素进行研究。

1 Marangoni干燥机理分析

Marangoni干燥原理如图1所示，晶片在IPA气氛下与水分离（可通过晶片提拉或水慢排的方式实现），完全分离后，流体慢排使花篮干燥，开启排风将IPA蒸汽抽掉，同时通入氮气吹干晶片表面残留的IPA。

图1中的第2个步骤“晶片缓慢提拉”是Marangoni干燥的核心环节。提拉过程中，晶片表面的水会呈坡状流下，如图2所示，如果两片晶片距离很近（例如处在花篮的相邻槽中），这种坡状水流会相连为弯月形[1]。这种坡状水流的最高点与晶片接触，主要受到4种力的作用，即水的重力G，晶片/水的界面张力γls，晶片的表面张力γs和水的表面张力γl，θ为水与晶片的接触角，如图3所示。

图1 Marangoni干燥过程示意图

在IPA蒸汽存在的环境中，由于IPA的表面张力比水小得多（25℃，IPA表面张力为20.9×10-3N/m；水的表面张力为 72.8×10-3N/m），所以会在坡状水流表层形成表面张力梯度，产生Marangoni对流，使水更容易从晶片表面脱离。

图2 晶片提拉过程中的水流方向

图3 接触点的受力情况

2 实验部分

利用100 mm（4英寸）硅抛光片进行IPA干燥，分两组实验，干燥后利用光散射测试系统检测水痕缺陷。

A组：分别在提拉速率1 mm/s、2 mm/s和3 mm/s下进行不同IPA流量的Marangoni干燥，减压排风阶段氮气流量80 L/min。

B组：提拉速率1 mm/s、IPA流量20 L/min下进行Marangoni干燥，减压排风阶段氮气流量设置为（10～100）L/min，每次增幅 10 L/min。

C组：调整提拉高度，造成晶片与花篮的不同程度脱离。

3 结果与讨论

3.1 Marangoni干燥的影响因素

Marangoni对流的形成本质是IPA浓度梯度，而水从表面的脱离效果又与晶片提升速度密切相关。

图4给出了不同提拉速率下IPA流量与水痕比例的关系。从图4中可以看出，在没有IPA供给时，晶片水痕的出现比例是100%，随着IPA流量的增加，水痕比例有明显的下降趋势，当流量增加到一定范围时，水痕比例又出现平缓增长的趋势。图5显示了几种IPA流量下的典型水痕缺陷。

图4 不同提拉速率下IPA流量与水痕比例的关系

图5 几种典型的水痕缺陷图（光反射扫描图）

在没有IPA蒸汽的情况下，晶片表面的水主要受到重力和水表面张力的作用向下流动，当晶片露出水面1/2后，晶片与水面的交界线开始收缩，晶片表面的水受到的宏观向下的力开始变小，当晶片完全脱离水面后，晶片下半部分仍有大量水存在，这些表面附着的水在氮气中被吹干，形成了颗粒群和氧化物构成的水痕缺陷，如图5（a）所示，这表明单纯依靠慢速提拉难以获得良好的干燥效果。如果在晶片提拉过程中，通入IPA蒸汽，产生Marangoni效应，可使干燥效果大幅度提高，水痕缺陷变少变小，如图 5（b）和图 5（c）所示。但是。绝非IPA蒸汽流量越大越好，实验中IPA流量超过60 L/min后，晶片表面会呈现无规则缺陷，如图5（d）所示，这是因为IPA蒸汽在腔体内积聚，在晶片表面冷凝形成液体薄层，在减压排风后挥发掉，残留下各种形态的干燥缺陷。

从图4中还能发现提拉速率对干燥效果有着明显影响，低速提拉更容易获得良好的干燥效果，但过低的提拉速率会降低干燥效率，并使得干燥效果变得不稳定。

另一个非常重要的现象是：即使在IPA蒸汽存在的情况下，无论如何设置蒸汽流量或提拉速率，当晶片脱离水面后，底部仍会有少量水存在，难以完全消除。事实上，Marangoni干燥产生的水痕大多出现在晶片底部，其直接原因即是晶片完全脱离水面后底部仍有残水。如何不留痕迹地消除底部残水，是IPA干燥的另一个核心环节。

3.2 底部残水的去除

晶片完全脱离水面后，底部的残水只能通过蒸发去除，所以此部分的核心内容是营造合适的蒸发环境。

为获得良好的蒸发效果，此步骤进行减压排风是必要的，同时还要持续供给氮气，使其在去除腔体内的IPA蒸汽的同时形成流动气流，加快底部残水的蒸发。根据伯努利原理，氮气的流量对残水的蒸发效果有着重要影响，图6是不同氮气流量下的晶片干燥状况，表明氮气流量越大，晶片的干燥效果越好。

图6 氮气流量对底部残水的去除效果

图7 IPA促进水的铺展[2]

图6同时表明，单纯依靠氮气吹拂，会有相当一部分晶片底部的残水不能被完全去除，这是生产工艺所不能容忍的，并且氮气吹拂下水的蒸发速率很慢，水与晶片界面长时间存在并暴露在气体中，较容易发生氧化反应，形成局部氧化缺陷。实验表明，此步骤如果通入适量的IPA蒸汽，可以帮助残水尽快在晶片表面铺展开来，其原理如图7所示，以加快残水的蒸发。必须指出的是，虽然同样是IPA的作用，但此步骤已不再是Marangoni效应范畴，对IPA流量和供给时间有了不同的要求。

3.3 干燥过程中花篮对晶片的影响

在多片干燥过程中，花篮对晶片干燥效果的影响是不能回避的。花篮是承载晶片的容器，需要与晶片一并被干燥，但是其结构远比晶片复杂得多，在干燥中需要进行专门讨论。

晶片与花篮具有面接触，二者同时进行IPA干燥时，面接触部位（通常为沟槽）的水难以在Marangoni干燥步骤完全消失，而长时间存留在沟槽内，最终导致氧化性缺陷。片、篮在干燥中的分离设计有助于降低水痕缺陷的比例，如表1所示，当片、篮处于半分离状态时，二者的接触面相对下降，晶片两侧的水流到晶片底部，造成底部水痕缺陷比例增加；当片、篮处于完全分离状态时，接触面的影响被消除，水痕比例有明显下降，但是随着片、篮分离程度的增加，整体干燥时间也会增加。

表1 片、篮在不同状态下的干燥表现

4 结 论

本文通过对晶片IPA干燥的理论和实验分析，研究了IPA流量和提拉速率对Marangoni干燥过程的影响，认为IPA流量在20 L/min、提拉速率在1 mm/s时干燥效果最佳；研究同时发现Marangoni干燥过程不能完全去除晶片的底部残水，需要营造合适的蒸发环境，减压排风下供给适量的IPA蒸汽有助于底部残水的去除和水痕比例的降低。片、篮在干燥中存在相互影响，二者完全分离的模式可消除这种影响，但同时会使干燥时间增长。

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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

张伟才（1985-），男，汉族，工程师，河北玉田人，研究方向为半导体材料加工。

赵 权（1967-），男，汉族，研究员，河北昌黎人，研究方向为半导体材料加工。