濕法腐蝕清洗設備中的循環管路應用

吳光慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

濕法腐蝕清洗設備中的循環管路應用

吳光慶

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

濕法腐蝕清洗設備是集成電路、LED、太陽能、MEMS等芯片制造中必不可少的工藝設備，而為了更好的達到腐蝕效果，在各種腐蝕工藝中往往要配合藥液的循環完成，從而達到更好的腐蝕均勻性。介紹了幾種常用的腐蝕工藝循環原理及在濕法腐蝕清洗設備的典型應用。

循環；濕法腐蝕清洗；硅腐蝕

隨著芯片制造特征尺寸的縮小，工藝水平的不斷提高，對晶片腐蝕的均勻性，晶片表面顆粒及金屬污染等潔凈度指標提出了更高的要求，因此，濕法腐蝕清洗設備在采用晶片旋轉、抖動、超聲清洗、兆聲清洗等的同時，業內普遍采用工藝槽循環過濾方式，來凈化槽內藥液，同時均勻流場保證藥液濃度和溫度的均勻性。

1 濕法腐蝕的關鍵問題

硅的濕法腐蝕在選擇腐蝕工藝和腐蝕劑時，需考慮諸多因素影響（如濃度、時間、溫度、攪拌等）的同時，需考慮以下幾方面的問題[1]：

（1）腐蝕速率。較高的腐蝕速率將有效的縮短腐蝕時間，但所得到的腐蝕表面較粗糙。腐蝕液的濃度與腐蝕速率及腐蝕表面質量有關，當腐蝕液濃度較小時，腐蝕速率較大。

（2）腐蝕選擇性。選擇性是指要腐蝕材料的腐蝕速率與不希望腐蝕的材料（如掩模）的腐蝕速率的比率。一般地，選擇比越大越好。

（3）腐蝕均勻性。在硅腐蝕表面各處，腐蝕速率常常不相等，造成腐蝕表面出現起伏等，腐蝕尺寸比較大時表現尤為明顯。這與腐蝕液濃度有關，反應槽中腐蝕液的濃度一直在變，并且各處濃度難保持一致性。因此，有時在腐蝕過程中一直伴隨著均勻攪拌，這將有效地保持腐蝕液濃度的均勻性。

（4）腐蝕表面粗糙度。不同的腐蝕方法和腐蝕劑將得到不同程度的表面粗糙度，它與腐蝕液、腐蝕速率等密切相關，與溫度關系不大，但溫度升高會導致腐蝕速率的增大。

濕法腐蝕清洗設備使用的化學藥液很多，有酸性腐蝕劑，堿性腐蝕劑以及有機腐蝕劑等，這些化學藥液通常具有較強的腐蝕性，特別是有機藥液還具有易燃、易爆特性，同時它們的使用溫度也不盡相同，有常溫也有高溫，依據不同的藥液，以及不同的工藝要求，我們在循環管路的設計上也有所不同。主循環回路大體由儲酸槽，泵，加熱器，熱交換器，過濾器，傳感器（壓力、溫度、流量控制）等，供酸和排液的藥液閥及廢液回收管道組成。下面就總結一下常見的濕法腐蝕清洗設備中循環管路的應用。

2 濕法腐蝕工藝中循環管路的應用

2.1 硅腐蝕工藝

硅腐蝕工藝一般有酸腐蝕和堿腐蝕兩種。硅酸腐蝕通常使用HF-HNO3或用HF-HNO3-HAc（CH3-COOH，醋酸）的混合酸。硅腐蝕根據工藝的不同，腐蝕溫度也有所不同，范圍為-15°～20°不等。所用到的槽體材質一般為PVDF材質。

反應式如下：

醋酸是一種控制腐蝕速度的酸，當混合比率大時，腐蝕速度就減小，而且會影響硅中的雜質濃度。

由于反應溫度的關系，一般我們要在工藝槽的循環管路中接入制冷機、熱交換器，從而使藥液溫度達到所需的低溫度要求。除此之外，管路中還需接入磁力泵來提供藥液的循環動力。因此藥液的循環：由磁力泵、循環溢流槽、制冷機、熱交換器、流量計、管件等組成藥液的循環過濾系統。實現藥液的循環，保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。

我們既然了解了疼痛產生的原理，是不是該問一問我們為什么會需要它呢？答案其實很簡單，因為疼痛能讓我們生活得更安全，它能警示和保護我們人類以及其他生物。

圖1是低溫硅腐蝕的循環管路示意圖。

圖1 低溫硅腐蝕的循環管路示意圖

硅腐蝕工藝中另一種腐蝕即為堿腐蝕，其所用到的藥液一般為NAOH或TMAH（四甲基氫氧化銨），工藝溫度一般為90℃。對此我們在工藝槽體內直接用投入式加熱器來對藥液進行加熱達到工藝溫度或采用在線加熱方式。除此之外，管路中還需接入風囊泵來提供藥液的循環動力。因此藥液的循環由風囊泵、循環溢流槽、投入式加熱器或者在線加熱器、閥門、管件等組成藥液的循環系統。實現藥液的循環，均勻流場。保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。槽體材質一般采用PTFE材質。圖2、圖3是高溫硅腐蝕投入式加熱和在線加熱的循環管路示意圖。

圖2 高溫硅腐蝕投入式加熱的循環管路示意圖

圖3 高溫硅腐蝕在線加熱的循環管路示意圖

2.2 二氧化硅腐蝕工藝

SiO2的腐蝕是用HF來實現的。藥液一般有BOE、HF、DHF等。由于腐蝕速度快，因而均使用NH4F（氟化銨）作為緩沖劑來減慢腐蝕速度。普通叫做緩沖腐蝕。此種工藝在常溫下進行，而根據我國南北方生產的需要為了維持常溫，在北方，往往要配合小功率（200～300 W）的投入式加熱器，以防止反應結晶；而在南方則需加入冷卻盤管，以適當控制溫度。一般工藝槽體材質選用PVDF材質。除此之外，管路中還需接入泵來提供藥液的循環動力。由于隔膜泵在連續不間斷工作時膜片使用壽命較短，更換膜片較頻繁，目前這種應用方式逐漸被風囊泵所取代[2]。因此藥液的循環過濾：由風囊泵、過濾器、循環溢流槽、閥門、管件等組成藥液的循環系統。實現藥液的循環過濾，均勻流場。保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。

圖4是二氧化硅腐蝕的循環管路示意圖。

圖4 二氧化硅腐蝕的循環管路示意圖

2.3 鋁腐蝕工藝

對于Al腐蝕來說，堿和酸都能用來腐蝕它，但半導體技術中所使用的腐蝕液使用磷酸系物質作腐蝕劑較多一些。例如H3PO4-HNO3-HAc-H2O鋁在磷酸中幾乎不被腐蝕，但當混入HNO3時，腐蝕速度才快。使用的混合比率盡管多種多樣，然而如在H3PO4∶HNO3∶HAC∶H2O=15∶1∶2∶1場合下，能夠得到約0.1 μm/min的腐蝕速度。當在Al中摻有硅時，腐蝕速度可提高到1.2～1.5倍。

真空鋁腐蝕，即在抽真空的條件下，在藥液槽中進行腐蝕，工藝溫度為52℃，工藝槽材質選用不銹鋼材質，不同于其他腐蝕工藝的是此工藝槽只循環無溢流，加熱方式采取貼膜加熱，泵體的選擇為真空泵，即水環泵。因真空條件要求，槽體需要密封設計。

圖5是真空鋁腐蝕的循環管路示意圖。

圖5 真空鋁腐蝕的循環管路示意圖

非真空鋁腐蝕，是相對于真空鋁腐蝕而言。工藝溫度一般為60℃，工藝槽材質選用PVDF材質，加熱方式采取投入式加熱。除此之外，管路中還需接入風囊泵來提供藥液的循環動力。因此藥液的循環過濾：由真空泵、循環槽、閥門、管件等組成藥液的循環系統。實現藥液的循環過濾，均勻流場。保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。

圖6是非真空鋁腐蝕的循環管路示意圖。

圖6 非真空鋁腐蝕的循環管路示意圖

3 結束語

近幾年來，伴隨著硅片的大直徑化，器件結構的超微小化、高集成化，對硅片的潔凈程度、表面的化學態、微粗糙度、氧化膜厚度等表面狀態的要求越來越高，硅片的各種腐蝕技術都在不斷的發展，同時對硅片的腐蝕效果及均勻性提出了更高的要求，因此對于工藝槽體管路的研究以及器件的選擇都有非常重要的意義。

[1] Michael Quirk，Julian Serda.半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，2009

[2] 祝福生，郭春華，夏楠君.工業泵在濕法腐蝕清洗設備中的應用[J].電子工業專用設備，2016，(1)：43-46.

Application of Circulating Pipeline in Wet Etching Cleaning Equipment

WU Guangqing
(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China)

Wet cleaning equipment is the necessary equipment of integrated circuit technology，LED，MEMS，solar chip manufacturing.In order to achieve the better effect of corrosion，we often use the liquid circulation in various corrosion process，so as to achieve better corrosion uniformity.This paper introduces the principles of several common corrosion process cycles and their typical applications in wet etching cleaning equipment.

Circulation；Wet etching cleaning；Silicon etching

TN305

B

1004-4507(2017)02-0016-04

2017-02-19