噴霧腐蝕機在Ti/Al 腐蝕工藝中的應用

徐 俊，孫運璽，申 強

( 中國電子科技集團公司第五十五研究所， 江蘇 南京210016)

第三代半導體材料SiC 具有寬禁帶、電子漂移速率快、熱導率高等特性，能夠滿足大功率、高溫高頻工況下的應用需求，在新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等領域有著重要的應用[1]。

Ti/Al 復合金屬層由于性能、成本、工藝兼容性等優(yōu)勢，廣泛應用于SiC 功率器件（如SBD、MOSFET）的電極制造，其中Ti 金屬作為肖特基金屬，Al 金屬作為加厚層[2]。在SiC 功率器件生產(chǎn)工藝中，Ti/Al 層通過電子束蒸發(fā)獲得，金屬層均勻覆蓋晶圓表面，需要通過光刻膠掩膜，干法或濕法刻蝕去掉多余金屬，以獲得所需電極圖形。

濕法腐蝕是利用化學溶劑和表面材料發(fā)生反應，再通過攪拌、循環(huán)、鼓泡等手段將反應生成物從表面移除，實現(xiàn)濕法刻蝕。由于化學反應的各向同性，易在掩膜層下產(chǎn)生鉆蝕。因此，目前在先進集成電路制造中，濕法腐蝕已大部分被干法刻蝕替代[3]。但是，濕法腐蝕對材料有較高的選擇性，無等離子體損傷，設備簡單，經(jīng)濟性好，在表面剝離、大尺寸圖形腐蝕等方面依然有重要的應用[4]。

1 噴霧腐蝕機簡介

在半導體工藝中，濕法腐蝕通常分為多片浸泡式和單片噴射式。多片浸泡式是最為簡單的方式?？梢詫⒁徽芯A放置在合適大小的酸槽內(nèi)進行腐蝕，生產(chǎn)效率高，但是這種方式片間距離較小，不利于反應產(chǎn)物的排出和散熱，特別是產(chǎn)品特征尺寸較小時，難以控制工藝參數(shù)和保證材料腐蝕的均勻性。

噴霧腐蝕機采用單片噴射式，所需的化學試劑少，腐蝕速率快。工作時，晶圓高速旋轉(zhuǎn)，通過擺臂將藥液均勻噴灑在晶圓表面，離心作用可以快速帶走反應產(chǎn)物和熱量，保證了腐蝕的均勻性，側(cè)腐量較少。

該設備主要由傳片系統(tǒng)、工藝腔體、供液系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。

傳片系統(tǒng)包括載片臺、光學Map 機構(gòu)、兩個真空手臂及運動機構(gòu)、CCD 圖像識別對中機構(gòu)。工作時，位置較下真空手臂將片架內(nèi)晶圓取出，在對中（Align）位置進行晶圓邊界識別，校準晶圓位置后，放入工藝腔。工藝結(jié)束后，上方的真空手臂將圓片從腔體取出，放入片盒。兩個手臂各司其職，可以有效避免交叉沾污。

工藝腔內(nèi)有4 個可擺動的具有多噴嘴的手臂，分別用于噴射Al 腐蝕液、HF 酸、去離子水（DI水）以及熱氮氣；有1 個用于清潔圓片背面的背洗噴頭和6 個用于腔體自清潔噴頭。此外腔體內(nèi)還有Al 腐蝕液回收裝置，以及能夠夾緊圓片并高速旋轉(zhuǎn)的卡盤（Chuck）。該卡盤的夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計獨特，通過傳感器可以將夾爪夾緊時的位移轉(zhuǎn)變成數(shù)值輸出，通過數(shù)值的大小可以判斷圓片在卡盤上的狀態(tài)，能夠有效避免碎片，如圖1 所示。噴射Al 腐蝕液和HF 酸的擺臂還配有去離子水噴嘴，便于腐蝕后清洗，酸液噴嘴具有回收功能，如圖2 所示，利用真空發(fā)生器將噴嘴口酸液回收排放，避免污染，保障安全。

圖1 工藝腔體結(jié)構(gòu)

圖2 噴嘴液體回收功能

供液系統(tǒng)采用現(xiàn)場供液，管道為PFA 材質(zhì)。利用真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空將腐蝕液吸入Tank。工作時，將氮氣充入藥液罐，利用0.207 MPa(30 psi)氣體壓力將腐蝕液從藥液罐（Tank）中壓出。流出的液體經(jīng)過加熱裝置和保溫裝置后，噴射在圓片表面。管道上裝有流量、壓力等多類型的傳感器，實時監(jiān)控供液狀態(tài)。圖3 為Al 腐蝕液供液管路設計。

圖3 Al 腐蝕液供液管路設計

該機臺另一特點是機臺控制系統(tǒng)具有開放性，監(jiān)控系統(tǒng)完善。軟件系統(tǒng)可以監(jiān)控、屏蔽各傳感器狀態(tài)，改變報警等級，控制各氣動閥、電機、藥液罐等，便于快速定位，排除設備故障。必要時甚至可以通過編程，改變或添加步驟以滿足其他額外需求。

2 Ti/Al 腐蝕工藝

Ti/Al 腐蝕工藝的目的是去除劃片道多余的金屬，形成勢壘圖形。主要包含Ti 腐蝕和Al 腐蝕。Ti 腐蝕使用稀氫氟酸（HF）溶液，Al 腐蝕液是磷酸、醋酸、硝酸的混合溶液。關注監(jiān)控的指標有腐蝕速率、均勻性和側(cè)蝕量。主要的工藝參數(shù)有溶液配比、溶液溫度、時間等。圓片的轉(zhuǎn)速、噴淋擺臂擺動幅度對工藝效果也有一定影響[5]。

圓片進入機臺，首先噴淋扇形高溫Al 腐蝕液，腐蝕未被光刻膠掩膜的Al，期間會產(chǎn)生一定側(cè)蝕。DI 水噴淋清洗后進行Ti 金屬腐蝕，Ti 腐蝕以光刻膠和Al 金屬作為掩膜，也會有一定的側(cè)蝕現(xiàn)象，會造成Al 金屬邊緣外凸。為解決此問題，再增加一步Al 腐蝕，利用Al 的過腐，改善圖型邊緣，如圖4 所示。

圖4 Al 腐蝕示意圖

3 設備的不足及改進

該設備故障率低，性能穩(wěn)定，設計考慮周全，安全性高，適合批量生產(chǎn)。但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足，針對這些不足做了相應改進。

3.1 Al 腐蝕液溫度控制

通過對工藝步驟分析可知，Al 腐蝕速率的穩(wěn)定性在Al 腐蝕工藝過程中至關重要。濕法腐蝕都是以時間作為工藝終止判斷依據(jù)。Al 腐蝕速率變小，第一步Al 腐蝕不干凈，影響后續(xù)Ti 金屬的腐蝕；Al 腐蝕速率偏大，會使側(cè)蝕量過大，影響圖形形狀。

在生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)Al 的腐蝕速率漂移范圍過大，時常因為Al 腐蝕不干凈造成返工。通過機臺的工藝監(jiān)控信息發(fā)現(xiàn)，在相同工藝條件和加熱器設置下，Al 腐蝕液溫度出現(xiàn)了一定的下降。

為驗證溫度對腐蝕速率的影響，利用表面蒸發(fā)有同等厚度Al 膜的玻璃實驗片進行驗證試驗，以玻璃表面Al 腐蝕干凈的時間作為腐蝕速率的表征，速率越慢，時間越長。通過改變熱交換機的溫度，改變噴射溶液的溫度。Al 腐蝕時間和溫度的關系見表1。

表1 Al 腐蝕時間和溫度的關系

實驗結(jié)果表明，Al 腐蝕液的腐蝕速率受溫度影響較大，溫度升高，速率變高。同時還發(fā)現(xiàn)工藝過程中噴射的初始溫度和穩(wěn)定溫度之間有大約3.8 ℃的溫差，過大的溫差，嚴重影響了片間均勻性。

通過Al 腐蝕液供液管路和加熱方式研究發(fā)現(xiàn)，Al 腐蝕液從藥液罐打出后，經(jīng)過恒溫的即熱電加熱器后，暫存在一個用熱交換機進行水浴加熱的藥液罐內(nèi)。機臺內(nèi)部腐蝕液管道無保溫措施，且存在和其他常溫管道放置一起的現(xiàn)象，受到物料和外圍環(huán)境變化，水浴溫度出現(xiàn)了明顯下降，從而造成Al 腐蝕液溫度的變化。

為改善這一情況，穩(wěn)定腐蝕液溫度，采取提高熱交換機的設定溫度，對進出水管道、部分腐蝕液管道增加保溫措施，減少外部環(huán)境的影響。

改進后Al 腐蝕液溫度明顯回升，批次間、批次內(nèi)Al 腐蝕液穩(wěn)定溫度能夠保持一致。噴射的初始溫度和穩(wěn)定溫度之間降為1.4 ℃左右，溫度上升段時間明顯縮短，改善了片間均勻性。此外還新增加溫度點檢項，監(jiān)控溫度變化范圍，提升工藝穩(wěn)定性。

3.2 液位傳感器的改進

機臺內(nèi)部藥液罐采用多點液位開關傳感器，4個浮球?qū)? 個不同液位。使用過程中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部浮球偶爾會出現(xiàn)上下動作卡頓的現(xiàn)象，機臺會得到虛假的液位信號。此外，高溫的Al 腐蝕液會從浮球焊接處滲入，浮球壽命較低。每次更換該傳感器需要將儲酸的藥液罐整體拆下，耗時耗力，有一定的安全隱患。

用PFA 管將藥液罐上下連接，形成連通器。將4 個常開型液位傳感器固定在外接PFA 管道上(如圖5 所示)，利用機臺自身24 V 給傳感器供電，可完美替代原裝浮球液位開關傳感器。此方案極大地降低了維護成本，傳感器外置，不接觸強酸，傳感器使用壽命更長。該傳感器自帶指示燈，便于觀察傳感器狀態(tài)，維護更換時無需拆裝腔體，方便快捷，安全性得到了極大的提高。

圖5 傳感器改造示意圖

3.3 SiC 晶圓對中方式的改進

機臺本身采用CCD 圖像識別光學對中，由于SiC 圓片較為透明，機臺內(nèi)部光照條件不足，利用光學圖像識別邊界比較困難，容易對中失敗。其次，蒸發(fā)Ti/Al 時，由于蒸發(fā)夾具的因素，圓片周邊會有一圈無金屬的圓環(huán)，大多數(shù)情況下，蒸發(fā)的金屬外圈和SiC 外圓并不同心，設備在圖像識別時，極易將金屬外圈識別成晶圓外圈，機械手會進行錯誤的位置補償，從而使晶圓在卡盤的位置發(fā)生傾斜，機臺報警停機，需要開腔處理，嚴重影響生產(chǎn)效率。

通過屏蔽光學對中，采取機械對中的方式對機臺進行了改進，成功地解決了對中失敗問題。機械對中裝置的剖面圖如圖6 所示。利用自制緊固件將其安裝固定在機器內(nèi)部，如圖7 所示。利用機臺自身軟件開放程度高的特點，編寫機械手對中程序，完成機械對中。對中時，真空手臂將取出的圓片放置于機械對中結(jié)構(gòu)中，圓片靠重力沿斜邊滑落到對應平臺，完成機械對中，手臂抬起，略高于平臺，開啟手臂真空，判斷圓片位置是否正常，真空值滿足要求后，手臂將圓片取出放入工藝腔進行工藝。如果手臂真空值不滿足要求，圓片未完全落到位，機臺會報警暫停，可手動撥正圓片，快速恢復生產(chǎn)。

圖6 對中機構(gòu)剖面圖

圖7 機械對中裝置安裝位置

還有一種方法也可以嘗試用于解決對中失敗問題。在CCD 攝像頭前安裝光學偏振片，通過減少雜光，提高圓片邊界的對比度，便于圖像識別。該方法已在其他類似機臺取得很好的應用效果。

4 結(jié) 論

本文簡要介紹了噴霧腐蝕機的主體結(jié)構(gòu)，探討了SiC 功率器件Ti/Al 腐蝕工藝過程。針對噴霧腐蝕機在應用中存在的不足，進行了優(yōu)化和改進，提升了工藝穩(wěn)定性，提高了機臺生產(chǎn)效率。