H P-6 0 2型化學(xué)腐蝕拋光機(jī)研制技術(shù)及應(yīng)用

陳仲武，宋文超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601）

H P-6 0 2型化學(xué)腐蝕拋光機(jī)研制技術(shù)及應(yīng)用

陳仲武，宋文超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601）

介紹了拋光片化學(xué)腐蝕拋光原理和HP-602型化學(xué)腐蝕拋光機(jī)設(shè)備用途、結(jié)構(gòu)組成、性能特點(diǎn)，以及解決的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用，能自動(dòng)完成晶片拋光后的堿腐蝕和清洗工藝，是材料行業(yè)晶片制備中的關(guān)鍵設(shè)備。

化學(xué)腐蝕拋光；循環(huán)溢流槽；自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)；PEEK提籃

隨著大規(guī)模集成電路和微電子技術(shù)向高密度、高集成度和高可靠性方向發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體材料的要求也越來(lái)越高，晶片表面質(zhì)量和厚度一致性等參數(shù)指標(biāo)，對(duì)后序的器件工藝及集成電路工藝有著至關(guān)重要的影響，直接影響器件成品率、性能和可靠性。化學(xué)腐蝕拋光是晶片制備中最重要的步驟，本文主要介紹化學(xué)腐蝕拋光工藝原理、設(shè)備研制和典型工藝參數(shù)。

1 工藝原理

晶片研磨之后，晶片表面還有一定量的均衡損傷，要將這些損傷去除，但盡可能低的引起附加的損傷，比較常用的就是采用化學(xué)腐蝕方法：堿腐蝕和酸腐蝕。兩種方法都被應(yīng)用于溶解晶片表面的損傷部分，而且都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。但從腐蝕速率、表面質(zhì)量、控制難易、環(huán)境影響等方面比較，一般都采用堿腐蝕為主，腐蝕清洗完成后晶片表面無(wú)堿印、無(wú)花籃印、無(wú)花紋、無(wú)色差，合格率達(dá)到99%以上。

堿腐蝕使用堿性氫氧化物如氫氧化鉀（KOH），KOH與硅片的基本反應(yīng)式為：Si+2H2O+2KOH→2H2+Si（OH）2（O）2+2K+。用這種方法，晶片浸在45%的KOH和55%純水的溶液中，溶液加熱至約100℃，溫度精度控制在±2℃以內(nèi)，腐蝕完成后，需要將晶片盡快浸入純水以阻斷KOH與晶片表面之間的繼續(xù)反應(yīng)。由于采用多片（50～100片）同時(shí)腐蝕，為了提高腐蝕速率、腐蝕表面質(zhì)量和片間均勻性，裝片盒提籃可以在腐蝕槽上下拋動(dòng)，化學(xué)液溢流循環(huán)并過(guò)濾，從腐蝕槽到快排沖洗槽時(shí)間不超過(guò)3 s，對(duì)純凈水沖洗壓力流量都有較高要求，工藝過(guò)程除了上下料外，腐蝕、傳輸和沖洗過(guò)程全自動(dòng)完成，對(duì)設(shè)備功能和可靠性要求較高，除了機(jī)架、槽體、管路、控制等設(shè)計(jì)外，工藝程序可以編程、參數(shù)可以界面設(shè)定，并有檢測(cè)、保護(hù)和安全措施。

2 設(shè)備組成和工作原理

HP-602型化學(xué)腐蝕拋光機(jī)（以下簡(jiǎn)稱設(shè)備）主要用于晶片研磨之后的腐蝕、清洗工藝，主要實(shí)現(xiàn)KOH腐蝕和快排沖洗槽（QDR）噴淋沖洗等工藝功能；設(shè)備組成包括機(jī)架、PTFE腐蝕溢流槽、QDR快排沖洗槽、PEEK提籃、傳輸機(jī)構(gòu)、管路部分、排風(fēng)排液部分和電氣控制部分（見(jiàn)圖1、圖2）；槽體設(shè)計(jì)兼容晶片 50 mm（2 英寸）、75 mm（3 英寸）、100 mm（4英寸）、125 mm（5英寸）和 150 mm（6英寸），每批次處理4盒100片。

設(shè)備工作原理：開(kāi)機(jī)后，人工手動(dòng)從設(shè)備前方QDR槽處上料，在提籃里可以同時(shí)放置4片盒，由傳輸機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)到PTFE腐蝕槽，完成腐蝕工藝后傳輸機(jī)構(gòu)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到QDR快排沖洗槽清洗，傳輸時(shí)間不超過(guò)3 s，清洗結(jié)束后提示人工手動(dòng)取出片盒，然后進(jìn)行下一批次腐蝕清洗。

圖1 設(shè)備外形圖

圖2 設(shè)備臺(tái)面布局圖

2.1 槽體功能

PTFE循環(huán)溢流腐蝕槽由PTFE工藝槽、儲(chǔ)液槽、管路在線加熱、循環(huán)泵及管件管路系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖3，具有腐蝕、溢流循環(huán)、在線加熱、過(guò)濾和排放沖洗功能，工藝過(guò)程和工藝時(shí)間可以編程。槽體由PTFE材料一體注塑成形，為四面V型循環(huán)溢流結(jié)構(gòu)；液體加熱采用管路PFA在線加熱器（12 kW），加熱溫度范圍：室溫～100℃，精度±2℃，溫度檢測(cè)采用鉑電阻（全氟保護(hù)套）溫度探頭浸沒(méi)在槽體（中間位置）溶液中的方式檢測(cè)，再利用溫控儀進(jìn)行控制；溶液循環(huán)采用高溫全氟風(fēng)囊泵實(shí)現(xiàn)溶液循環(huán)，流量最大40 L/min；管路裝有全氟過(guò)濾器，過(guò)濾精度10 μm；槽內(nèi)安裝有N2液位檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)液面過(guò)低時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警；溶液的供應(yīng)采用人工手動(dòng)配液至儲(chǔ)液槽，通過(guò)循環(huán)泵將溶液打入工藝槽中，滿足工作液位后進(jìn)行自循環(huán)工藝運(yùn)行；溶液排放時(shí)利用工作循環(huán)泵將內(nèi)外槽及管路中溶液排放至貯液槽。溶液在貯液槽自然冷卻后，人工操作按鈕控制氣控閥排放專用管道，排放溫度小于50℃，由程序互鎖保護(hù)，在排放口處安裝有手動(dòng)閥門進(jìn)行二次保護(hù)；定期對(duì)槽體和循環(huán)管路進(jìn)行DI水清洗，可以通過(guò)界面選擇操作，清洗自動(dòng)完成，避免槽體管路KOH結(jié)晶。

QDR快排沖洗槽主要由噴淋槽、溢流槽、勻流板、快排氣缸、噴管噴嘴、氮?dú)夤呐荨⒐苈泛凸芗冉M成，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖4，具有噴淋、溢流、快排和氮?dú)夤呐莸裙δ埽鞴δ艿倪\(yùn)行時(shí)間及次數(shù)可編程控制。槽體由NPP板材焊接加工而成，底部DI水注入，上部DI水噴淋，注入時(shí)間小于60 s，排放時(shí)間小于6 s；為了增加清洗效果，噴嘴采用實(shí)心圓錐，噴出的DI水不可霧化，底部增加氮?dú)夤呐荩蛔⑷雵娏蹹I水通過(guò)儲(chǔ)水槽采用磁力泵供給，滿足沖洗壓力和流量。

圖3 PTFE腐蝕溢流槽結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 QDR快排沖洗槽結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)

自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、旋轉(zhuǎn)擺臂部分和提籃組成（見(jiàn)圖5），主要功能是把放有片盒（裝有待腐蝕晶片）的提籃，自動(dòng)傳輸?shù)礁g槽內(nèi)，完成腐蝕工藝后，再自動(dòng)傳輸?shù)絈DR快排沖洗槽內(nèi)，進(jìn)行清洗工藝。主要難點(diǎn)是：（1）每批次處理4片盒100片，負(fù)載較大；（2）提籃從PTFE腐蝕槽擺動(dòng)到QDR快排沖洗槽，時(shí)間不超過(guò)3 s；（3）驅(qū)動(dòng)位置精度、可靠性和安全性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分安裝在設(shè)備頂部，與腐蝕濕區(qū)隔離，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步帶傳動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，增減速編程，可以正反轉(zhuǎn)，擺動(dòng)位置通過(guò)脈沖和信號(hào)凸輪控制，增加位置保護(hù)和自鎖功能，實(shí)現(xiàn)位置精確傳輸，避免撞車或者位置過(guò)沖，為了增加腐蝕效果和腐蝕均勻性，提籃在腐蝕槽內(nèi)上下拋動(dòng)，拋動(dòng)頻率30～60次/min，拋動(dòng)行程60～100 mm，在范圍內(nèi)可以通過(guò)界面設(shè)定。旋轉(zhuǎn)擺臂安裝在機(jī)架兩側(cè)，由同步帶驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)擺動(dòng)和腐蝕槽內(nèi)上下拋動(dòng)，速度位置可調(diào)，對(duì)提籃掛鉤采用同步帶反向定位，保證提籃位置垂直向下，避免在傳輸過(guò)程中片盒移位或者晶片掉出，同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用進(jìn)行防腐保護(hù)處理。

圖5 設(shè)備自動(dòng)傳輸和擺臂結(jié)構(gòu)圖

圖6 設(shè)備提籃結(jié)構(gòu)圖

2.3 PEEK提籃

提籃采用具有較好機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕的PEEK材料加工制造，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示，四周敞開(kāi)，上部直桿為提籃受力支撐部分，兩端與擺臂掛鉤連接，易于取放和定位；提籃底板為片盒定位，除了片盒四角定位外，片子位置部分為中空結(jié)構(gòu)，連接部分也開(kāi)孔，既減輕質(zhì)量，又易于溶液循環(huán)、提籃拋動(dòng)和DI水沖洗；兩端端板連接提籃底板和上部直桿，設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，片盒上部有壓桿，防止晶片在腐蝕和拋動(dòng)時(shí)移出片盒。另外，由于PEEK材料是一種經(jīng)受極強(qiáng)化學(xué)腐蝕的材料，具有良好的耐熱、物理電阻和環(huán)境電阻性能，易于加工也是重要的特性之一，所以在KOH溶液濃度50%，溫度在90℃～130℃的溶液和常溫DI水中交替使用，仍可保持優(yōu)良的機(jī)械性能和材料穩(wěn)定性，并通過(guò)用戶長(zhǎng)時(shí)間使用驗(yàn)證，也是實(shí)現(xiàn)晶片腐蝕清洗后晶片表面無(wú)堿印、無(wú)花籃印、無(wú)花紋、無(wú)色差的重要條件之一。

3 設(shè)備主要特點(diǎn)

（1）設(shè)備結(jié)合國(guó)外最新技術(shù)和工藝，應(yīng)用成熟單元技術(shù)，正面操作區(qū)采用左右對(duì)開(kāi)門結(jié)構(gòu)，觀察窗為透明PVC材料，側(cè)面開(kāi)有PVC活動(dòng)門（在KOH腐蝕槽位置），以便用戶觀察腐蝕情況；排風(fēng)裝置由引風(fēng)窗及排風(fēng)口等組成，引風(fēng)窗位于槽體后方，排風(fēng)口（2個(gè)）位于設(shè)備后上部，排風(fēng)口有手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置；設(shè)備前、后下方及設(shè)備左右兩側(cè)均設(shè)有維護(hù)門。

（2）設(shè)備控制部分與濕區(qū)隔離，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)控制功能，操作面板位于設(shè)備前上部，控制按鈕及主要顯示儀表設(shè)置其上，用戶可根據(jù)需要，通過(guò)觸摸屏對(duì)整機(jī)工藝實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制。制程區(qū)設(shè)有照明裝置，照明裝置和濕區(qū)隔離，設(shè)備具有風(fēng)壓檢測(cè)功能，以及氮?dú)夂蛪嚎s空氣壓力報(bào)警功能。

（3）PTFE循環(huán)溢流槽采用一體注塑成形，避免加熱變形；具有儲(chǔ)液槽和沖洗功能，避免槽體管路結(jié)晶，通過(guò)循環(huán)在線加熱，實(shí)現(xiàn)溫度精度；QDR快排沖洗槽通過(guò)磁力泵控制流量和壓力，實(shí)現(xiàn)晶片化拋后的表面質(zhì)量。

（4）自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步帶傳送，信號(hào)凸輪和脈沖控制位置，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和增減速編程，拋動(dòng)行程和頻率可以設(shè)定，位置精度高，傳輸快速平穩(wěn)，運(yùn)行安全可靠。提籃材料選用PEEK，具有耐高溫、耐腐蝕和易加工特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足工藝使用和成品率要求。

（5）管路、接頭、電磁閥、溶液閥、泵和過(guò)濾器等采用品牌產(chǎn)品，符合1000級(jí)凈化等級(jí)要求，管路設(shè)計(jì)合理，連接可靠，化學(xué)液溫度、流量、壓力控制和循環(huán)系統(tǒng)精度高，具有設(shè)定、顯示和故障報(bào)警等功能。

4 小 結(jié)

該設(shè)備研制成功投入用戶使用以來(lái)，通過(guò)連續(xù)運(yùn)行和大量產(chǎn)品證明，晶片腐蝕清洗完成后表面無(wú)堿印、無(wú)花籃印、無(wú)花紋、無(wú)色差，合格率達(dá)到99%以上，工藝參數(shù)穩(wěn)定，批量處理能力強(qiáng)，完全可以替代進(jìn)口設(shè)備。同時(shí)可以應(yīng)用到繼硅之后的砷化鎵等新一代半導(dǎo)體功能材料，其拋光片質(zhì)量將顯著提高器件的成品率、性能和可靠性，以滿足制造高性能微波變頻器件及光電器件，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)通訊、精確制導(dǎo)、新一代衛(wèi)星通信等系統(tǒng)，以縮短與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距，為國(guó)內(nèi)材料行業(yè)工藝發(fā)展和裝備制造奠定基礎(chǔ)。

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[1]劉傳軍，趙權(quán)，劉春香，等.晶片清洗原理與方法綜述[J].半導(dǎo)體情報(bào)，2000，（02）：30-36.

[2]楊洪星，呂菲，趙權(quán)，等.砷化鎵拋光片總厚度變化之研究[J].半導(dǎo)體情報(bào)，2001，（05）：55-57.

The Manufacturing Technique and Application of HP-602 Chemical Corrosion Polishing Equipment

CHEN Zhongwu，SONG Wenchao
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Abstract:The wafer chemical corrosion polishing process is introduced.The applications,structure,characteristics，and the key techniques of HP-602 chemical corrosion polishing equipment are also introduced.The alkali corrosion and cleaning process of the polished wafer can be automatically processed in the equipment.The HP-602 chemical corrosion polishing equipment is the key equipment of material manufacturing.

Keywords:Chemical corrosion polishing；Cycling and overflowing tank；Automatically transmission mechanism；PEEK basket

TN305

B

1004-4507（2013）12-0031-05

2013-10-15

陳仲武（1966-），男，甘肅合水，高級(jí)工程師，主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)，近些年主要進(jìn)行濕法腐蝕清洗設(shè)備研發(fā)、制造和技術(shù)服務(wù)，特別是對(duì)國(guó)外同類設(shè)備技術(shù)和用戶工藝技術(shù)有較深入研究。