全自動單晶圓鋁腐蝕清洗機工藝原理與工作過程介紹

宋文超，陳仲武，姚立新，張利軍，王 剛

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

鋁腐蝕是用適當的腐蝕液，將晶圓片上無光刻膠覆蓋的金屬鋁膜腐蝕掉，而有光刻膠覆蓋的區域保存下來。因此所選用的腐蝕液必須既能腐蝕掉裸露的金屬鋁膜，又不損傷Si片表面的光刻膠層。只有這樣，才能把所需要的圖形在金屬鋁層上完整、準確地刻蝕出來。腐蝕時，要盡量避免側向腐蝕和膠層損傷。常用腐蝕因子（F）來衡量腐蝕質量。

F=腐蝕深度/側向腐蝕寬度

若F值大則表明腐蝕效果良好，一般F值在0.5～2.5范圍，通常F值為1時即可用于生產。

腐蝕是光刻工藝重要的一環，本文介紹了幾種常用的鋁膜腐蝕工藝，并講解了全自動鋁腐蝕清洗機的工作原理。

1 工藝原理

選擇鋁腐蝕液的一般原則是：對鋁有很好的溶解性，同時對光刻膠的浸蝕作用應盡量小。目前普遍采用的腐蝕液有磷酸、高錳酸鉀腐蝕液和堿性腐蝕液。

1.1 磷酸腐蝕液

利用濃磷酸（85%）與鋁反應，產生可溶于水的酸式磷酸鋁，使鋁膜被溶除干凈。其反應式為：

鋁與濃磷酸反應激烈，會有氣泡不斷冒出。為了消除這些氣泡，使腐蝕順利進行，可在濃磷酸中加入少量的無水乙醇，也可用毛筆輕輕抹去氣泡。腐蝕溫度在80℃左右，將盛有腐蝕液的燒杯放在恒溫水浴鍋內。要注意觀察控制好腐蝕時間，既要腐蝕干凈又不至過腐蝕。

目前不少單位采用超聲腐蝕。由于超聲波振動，能將腐蝕時所產生的氣泡振碎，使腐蝕均勻，鋁引線邊緣陡直，對于鋁引線之間距離小的圖形，這種方法更顯得優越。

濃磷酸使用一段時間后酸度下降，鋁與磷酸也可能產生難溶的磷酸鋁白色沉淀，其反應為：

反應生成的白色沉淀堆積在硅片表面上，對鋁的腐蝕不利，因此必須定期更換新的磷酸。

1.2 高錳酸鉀腐蝕液

其配方為：

腐蝕溫度為40～50℃，時間約數秒鐘。這種腐蝕液的優點是刻出來的鋁條邊緣整齊，腐蝕速度快。其反應式為：

由于高錳酸鉀是強氧化劑，當腐蝕時晃動不夠或拿出觀察時，容易使腐蝕液內的二氧化硅淀積在鋁表面上，妨礙鋁的腐蝕，腐蝕時必須加小心。如果腐蝕后面發現有黃色的二氧化錳時，應放入25%的亞硫酸鈉（內加1～2滴硫酸）溶液中漂洗一下，使二氧化錳溶除。

1.3 堿性腐蝕液

其配方為：NaOH∶H2O∶甘油∶酒精=5(g)∶8(mL)∶3(mL)∶6(mL)

這種腐蝕液配置初期是乳白色，存放一周后變黃，加熱至30～50℃使其成為透明溶液，方可使用。加入甘油的作用是減弱氫氧化鈉的活潑性。這種腐蝕液一般采用40℃水浴腐蝕。鋁與氫氧化鈉反應成為可溶性偏鋁酸鈉，其反應式為：

由于堿性腐蝕液對光刻膠有浸蝕的傾向，因此不宜腐蝕較厚的鋁層。并且它橫向腐蝕較嚴重。因此一般采用較稀的堿性溶液，但腐蝕較慢，邊緣也不好。此外該腐蝕法還可能引入鈉離子玷污。

1.4 磷酸+硝酸腐蝕液

其配方為：磷酸(85%)∶硝酸(60%)=50∶1

此種腐蝕液是在工藝1基礎上的改進，加入硝酸可以改善鋁的腐蝕效果，提高腐蝕效率。腐蝕溫度通常在40～65℃之間。其反應式為：

腐蝕液使用一段時間后酸度下降，使腐蝕工藝時間延長，腐蝕工藝質量下降，因此必須定期更換新的磷酸。

2 工作過程

全自動單晶圓鋁腐蝕清洗機是用于半導體行業中晶圓片金屬鋁膜腐蝕的全自動設備。包括腐蝕清洗單元，晶圓片傳輸單元，晶圓片定位單元，酸路循環單元和溫度控制單元等幾個模塊。可以單片手動工作模式的運行，也可以自動批量處理。全自動鋁腐蝕清洗機采用以上介紹中的第4種工藝，用磷酸和硝酸的混合腐蝕液對晶圓片的鋁膜進行腐蝕。其工作原理如圖1所示。

2.1 手動工作過程

圖1 全自動單晶圓鋁腐蝕清洗機外形和工作原理圖

對于新產品、新工藝，用戶往往需要進行大量的工藝試驗，來摸索最優的工藝參數。為了節約成本，每次試驗盡可能使用最少量的晶圓片。手動工作模式是為了針對小批量的晶圓片鋁膜腐蝕工藝而設計。其工作過程為：對設備初始化，確認系統狀態正常；編輯工藝文件，設定工藝參數；設定酸液和去離子水工作溫度，啟動溫控系統；將待腐蝕的晶圓片放于1#腐蝕清洗腔或2#腐蝕清洗腔中的承片吸盤（亦可選擇卡盤固定）上，打開真空吸盤，啟動手動工藝處理程序。全自動鋁腐蝕清洗機根據設定好的工藝文件對晶圓片進行腐蝕清洗處理。表1是針對某種晶圓片鋁膜的參考工藝參數。首先進行60 s的腐蝕工藝，啟動擺臂，對晶圓片進行腐蝕處理。當第1步腐蝕結束后，再進行10 s的過腐蝕。第2個工藝步驟是可選擇的。如果第1步腐蝕已經充分，第2步的過腐蝕可以直接跳過。腐蝕步驟結束后，關閉腐蝕噴頭，打開冷水清洗噴頭，對晶圓片進行20 s的常溫去離子水清洗；然后進行20 s熱去離子水清洗；其次進行30 s的常溫去離子水清洗。清洗結束后，啟動擺臂，打開氮氣噴頭，進行20 s的氮氣烘干工藝。烘干工藝結束，擺臂復位，進行甩干工藝。甩干工藝結束，主軸電機停止，腐蝕清洗腔下降，承片吸盤抬升，關閉吸盤真空。單個晶圓片的鋁膜腐蝕清洗工藝處理結束。其腐蝕效果見圖2所示。

表1 鋁膜腐蝕清洗參考工藝參數

圖2 鋁腐蝕效果圖和形貌圖

手動工作模式操作簡單，適合小批量的晶圓片腐蝕工藝處理。在探索試驗新型工藝參數時，可以采用此種工作模式。待工藝參數穩定成熟后，產品進行規模化生產時，可以采用全自動工作模式。

2.2 自動工作過程

全自動單晶圓鋁腐蝕清洗機的自動工作模式是為了產品的批量處理而設計。這種工作模式基本不用操作人員干預，完全自動運行。其工作過程為：將裝有待腐蝕晶圓片的送片盒置于設備的指定位置，對設備進行初始化，確認系統狀態正常。編輯工藝文件，設定工藝參數。設定酸液和去離子水工作溫度，啟動溫控系統。啟動自動工藝處理程序。機械手對送片盒進行掃描，控制器記錄晶圓片的位置；機械手從送片盒取片，置于定位機構；定位機構對晶圓片位置進行校正后，機械手從定位機構取走晶圓片；承片吸盤抬升，機械手將晶圓片置于承片吸盤之上，打開吸盤真空。全自動鋁腐蝕機按照設定好的工藝文件，開始執行腐蝕清洗工藝。其過程類似手動模式下的工作過程。當腐蝕、清洗、干燥等幾個工藝過程結束后，主軸電機停止運轉，腐蝕清洗腔體罩下降，承片吸盤抬升，吸盤真空關閉。機械手從承片吸盤取走晶圓片，置于收片盒。單個晶圓片的腐蝕清洗工藝結束，機械手從送片盒取來下一片晶圓片，開始工藝處理，直至所有晶圓片腐蝕完畢。

3 溫控系統

由于鋁膜腐蝕工藝中，酸液的腐蝕溫度在40～65℃間，所以需要對酸液進行溫度控制。同時，為了提高去離子水的清洗效果，對兩路清洗去離子水中的一路同時進行溫度控制。酸液和去離子水均采用水浴加熱，酸液和去離子水經熱交換器后，溫度升高到需要的溫度。溫度控制系統采用閉環控制，溫控器對熱交換器的溫度進行實時檢測，當溫度低于設定值時，對加熱循環水進行加熱，達到目標值后，停止加熱。其原理圖如圖3所示。

圖3 酸路、水路循環加熱系統原理圖

4 酸路循環系統

為了盡量減小腐蝕酸液的消耗，節省用戶的運行成本，全自動鋁腐蝕清洗機采用了酸路循環系統，對酸液進行循環利用（見圖3）。在設備運行過程中，控制程序始終監視儲酸槽酸液的液位。當酸液充足時，酸液循環泵運行，酸液始終處于循環之中。當酸液液位低于安全液位時，控制程序報警，酸液循環泵停止運行。在進行酸液腐蝕工藝時，腐蝕清洗腔底部的排放轉換閥轉換到排酸口，酸液噴灑到晶圓片后，流經排放口，回流到儲酸槽中。在進行清洗工藝時，去離子水噴頭打開，腐蝕清洗腔底部的排放轉換閥轉換到排水口，去離子水從排水口排走。

5 結 論

介紹了4種常用的金屬鋁膜腐蝕工藝，采用第4種工藝配方，講解了全自動單晶圓鋁腐蝕清洗機的工作過程。該設備自用戶投入使用以來，大量的產品證明，采用全自動單晶圓鋁腐蝕清洗機對晶圓片進行腐蝕，腐蝕后的晶圓片圖形清晰、完整，側向腐蝕不明顯，晶圓片潔凈度高，工藝參數穩定，自動化程度高，批量處理能力強，可以廣泛用于工業生產之中。

[1] 廈門大學物理系半導體物理教研室.半導體器件工藝原理[M].北京：人民教育出版社，1977.229-231.

[2] 唐曉多.金屬鋁刻蝕工藝簡介[J].集成電路應用，2007(08)：52-54.

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