全自動硅片顯影設(shè)備的研究

郭帝江，王　玉

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

?

全自動硅片顯影設(shè)備的研究

郭帝江，王玉

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

摘要：硅片顯影設(shè)備可以對硅片表面已曝光的光刻膠完成顯影腐蝕及清洗處理，但是國內(nèi)的顯影設(shè)備大多自動化程度低，難以精確控制顯影參數(shù)，顯影工藝穩(wěn)定性得不到保證。本文通過對現(xiàn)有設(shè)備關(guān)鍵部件的研究論證，設(shè)計了一款全自動硅片腐蝕顯影設(shè)備，提高了顯影參數(shù)的控制精度，保證了顯影工藝穩(wěn)定性，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：硅片；腐蝕顯影；清洗；全自動

1概述

分辨率、靈敏度、缺陷率是超大規(guī)模集成電路光刻十分重要的指標(biāo)，這些都與硅片表面光刻膠的顯影腐蝕過程有著十分緊密的聯(lián)系。近些年來，隨著IC行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的越來越大，對生產(chǎn)設(shè)備的功能、性能、產(chǎn)量等方面的要求同樣越來越高。為了滿足越來越高的產(chǎn)能和產(chǎn)量需求，許多廠家將設(shè)備的研發(fā)方向向著高自動化、高集成化的方面發(fā)展。本文著重就硅片表面光刻膠的顯影腐蝕及清洗設(shè)備研究過程中的幾個重要問題進(jìn)行闡述。

2顯影工藝介紹

顯影過程是將曝光后的光刻膠中與紫外光發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的部分除去或保留下來的過程。通俗來講即使曝光后的光刻膠與化學(xué)顯影液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)溶于溶液的過程。一般而言，在此過程中會不可避免地造成其他部分光刻膠與溶液發(fā)生副化學(xué)反應(yīng)而對硅片表面光刻膠圖形造成損壞[1]。為了盡可能地降低這種副反應(yīng)造成的影響，曝光后應(yīng)盡快進(jìn)行顯影。顯影主要有以下幾個步驟：對準(zhǔn)曝光→曝光后烘→顯影→堅膜→顯影檢測。

由于曝光過程中入射光和反射光之間會產(chǎn)生相互干涉，其光強會沿膠體水平方向形成駐波；曝光后應(yīng)盡快進(jìn)行顯影步驟的烘干處理，從而有效降低駐波效應(yīng)的影響。

一般來說，顯影過程中被曝光和未曝光部分的光刻膠都會與顯影液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為了得到好的顯影圖像，我們希望溶解速率差越大越好，即曝光部分溶于顯影液的速率越快越好，未曝光部分則反之。因此，為了得到良好的顯影效果，可以通過控制影響溶解速率的一些因素來實現(xiàn)。通常，顯影液成份，顯影溫度，顯影方式，顯影步驟等因素都會對溶解速率造成一定程度的影響，我們可以通過實驗逐次得到最優(yōu)的顯影液配比，顯影溫度，顯影方式，顯影步驟。當(dāng)對顯影要求不是特別高時，可以直接將硅片放入顯影液槽內(nèi)浸泡后取出[1]。目前，顯影主要有連續(xù)噴霧顯影、旋轉(zhuǎn)浸潤顯影和靜態(tài)顯影三種方法。

堅膜，又稱為硬烘，是對顯影后的光刻膠加熱烘干，促使光刻膠與硅片粘合牢固，并且沒有發(fā)生形變。堅膜階段的溫度一般控制在100 ℃～120 ℃之間，若加熱溫度過高會使得光刻膠軟化，并導(dǎo)致后期去膠困難[2]。

顯影檢測，顧名思義是檢查顯影過程中硅片表面產(chǎn)生的缺陷。通常將一個無缺陷的標(biāo)準(zhǔn)圖形存放于電腦上，然后用每個芯片的圖形與標(biāo)準(zhǔn)圖形相比較，觀察出現(xiàn)多少不同的點，就會在硅片的defect map中顯示多少缺陷。

在顯影過程中，如果不能很好的控制顯影過程，光刻膠圖形就會出現(xiàn)顯影不足，不完全顯影，過顯影等問題，如圖1所示。

圖1　光刻膠顯影問題

3設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備總體擬采用全封閉結(jié)構(gòu)，設(shè)有一組升降橫移機械手，采用伺服電機及伺服控制器驅(qū)動。柜體主體采用聚丙烯板組合焊接而成，可耐酸堿腐蝕。排風(fēng)系統(tǒng)為頂部后側(cè)式，并設(shè)有風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，風(fēng)量傳感互鎖設(shè)計，排風(fēng)筒與外圍排風(fēng)風(fēng)機系統(tǒng)相連。設(shè)備內(nèi)部設(shè)有220 V、40 W黃光燈照明(有防護(hù)罩)。柜體底部裝不銹鋼調(diào)平地腳及聚氨酯萬向腳輪，以便于搬運，具有鎖定功能。設(shè)備中每個工位具備在特殊情況下進(jìn)行手動操作的功能，可同時兼容4″、6″晶圓片。主要功能部件有：設(shè)備主體、控制系統(tǒng)、1#腐蝕槽、2#腐蝕槽、

3#腐蝕槽、4#清洗槽、機械手、管路系統(tǒng)和抽風(fēng)系統(tǒng)等，總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2　設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

具體運動過程為：機械手移出到安裝位置安裝片架—開始—1#槽—2#槽—3#槽—清洗槽—鳴警提示—機械手移出到安裝位置卸載片架—清洗甩干—鳴警提示。

3.1腐蝕槽

腐蝕槽為實現(xiàn)顯影步驟的主要工藝槽，該工藝采用堿性溶液對硅片進(jìn)行顯影腐蝕，腐蝕槽采用進(jìn)口316L不銹鋼制作，保證能夠滿足工藝需求的同時具有較好的防腐性能。腐蝕槽通過氣動隔膜閥控制上水，而顯影液則是由程序設(shè)定，通過計量泵由下一級腐蝕槽或者顯影原液提供，該溶液濃度可以通過程序設(shè)定，計量泵控制實現(xiàn)比較精確的溶液配比以滿足工藝需要。同時，移載機械手可以在腐蝕過程中實現(xiàn)載片盒上下拋動。

3.2清洗槽

清洗槽整體采用NPP材質(zhì)，采用內(nèi)外槽結(jié)構(gòu)，四面溢流，底部自動上水，槽體兩側(cè)噴淋，且流量可調(diào)。溢流排風(fēng)管路安裝有水阻率檢測儀，可直觀地顯示當(dāng)前清洗的潔凈度。槽體底部設(shè)有氮氣鼓泡裝置，流量可調(diào)。裝有兆聲振板，兆聲頻率為950 kHz，兆功率為300 W，功率可調(diào)，定時設(shè)定通過PLC完成，超聲換能器置于槽體底部。清洗槽排放方式采用底部快排氣缸排放，排液時，槽體內(nèi)液體經(jīng)排放口快速排放至副槽內(nèi)，保證排液時間不大于4s。清洗次數(shù)、各步驟的清洗時間、快排、溢流等工藝參數(shù)和功能選擇可在觸摸屏上編程控制，可自由選擇只有快排清洗或只有溢流清洗或二者組合三種清洗模式。清洗槽主要結(jié)構(gòu)件如圖3。

圖3　清洗槽結(jié)構(gòu)示意圖

3.3機械手

機械手的主要作用是完成人工預(yù)先放置好的花籃的上下料，各個工位間的移動及拋動等功能。該部件可以提高設(shè)備的自動化程度，減少人工因素對顯影腐蝕效果的影響，同時，可以保持設(shè)備在運行過程中大多數(shù)時間處于密封狀態(tài)，盡量降低腐蝕性氣體進(jìn)入周圍工作環(huán)境，減少對大氣環(huán)境的污染及操作人員的傷害。

機械手主要由伺服電機、精密減速機、精密齒輪-齒條、滾珠滑軌、精密滾珠絲杠-螺母等組成。它的橫向移動由進(jìn)口伺服電機驅(qū)動，精密齒輪齒條傳動；縱向移動同樣由精密電機驅(qū)動，滾珠絲杠-螺母副傳動，閉環(huán)控制，從而使設(shè)備的定位準(zhǔn)確度達(dá)到±2 mm；加減速運動采用幾何曲線控制，從而使機械部件沖擊小，運動平穩(wěn)。機械手升降部件及懸臂部均采用耐腐蝕材料，以延長部件使用壽命。具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4　機械手結(jié)構(gòu)示意圖

3.4排風(fēng)系統(tǒng)

由于本設(shè)備中使用的顯影液具有較強的腐蝕性及揮發(fā)性，要求設(shè)備具有性能良好的排風(fēng)系統(tǒng)。整套設(shè)備采用操作面板后上部條縫式吸風(fēng)，在柜體排風(fēng)前板背部裝有可調(diào)式風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門，可以手動調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，在保證設(shè)備良好排風(fēng)性能的同時盡量減少槽內(nèi)溶液向槽外揮發(fā)。整套設(shè)備的排風(fēng)口位于設(shè)備頂部，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥與外部抽風(fēng)裝置相連接。同時，在設(shè)備排風(fēng)的出風(fēng)口處安裝有風(fēng)壓傳感器，與設(shè)備的控制系統(tǒng)相連，低壓報警，保證安全生產(chǎn)。

3.5控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是整個設(shè)備的重要部分，整套控制系統(tǒng)以觸摸屏為人機界面，PLC為核心，交流伺服系統(tǒng)為清洗花籃的移動執(zhí)行機構(gòu)。它通過編程控制設(shè)備的運行步驟、不同工序各個氣動隔膜閥及計量泵的開關(guān)、各個工藝步驟的工作時間以及各個工藝模塊的工作狀態(tài)。

電氣控制系統(tǒng)主要由操作面板、控制柜、伺服電機、氣動閥、加熱器、計量泵、傳感器等組成。控制柜位于設(shè)備的后上部位，與設(shè)備工作空間及排風(fēng)區(qū)域隔絕，以防止腐蝕性氣體腐蝕電氣元件，同時，在控制柜內(nèi)通入壓縮空氣，使之形成正壓，保護(hù)電氣元器件。設(shè)備后部留有壓縮空氣、氮氣、動力接頭，直接與外部源頭相連接即可正常使用。

3.6其他部件

本設(shè)備臺面采用網(wǎng)孔活動臺面，臺面下部安裝槽體部位有密封焊接的臺面接液盤，并通過管道連接至設(shè)備總體排液管。設(shè)備內(nèi)部兩側(cè)配有PFA材質(zhì)的氮氣槍及純水槍，便于對臺面進(jìn)行清潔以及手動操作時的干燥。

機械手的升降臂需要在各個工位水平移動，在其活動區(qū)域難免造成槽體溶液揮發(fā)進(jìn)入頂部機械手伺服控制區(qū)域，對電機及導(dǎo)軌等造成腐蝕。因此，本設(shè)備在升降臂兩側(cè)分別添加密封裝置，在其移動時可以隨之左右活動對升降臂活動區(qū)域進(jìn)行密封，延長設(shè)備使用壽命。

4結(jié)論

對設(shè)備而言，結(jié)構(gòu)的設(shè)計、功能的配置能否滿足工藝需求是決定設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。隨著科技的日新月異，半導(dǎo)體行業(yè)工藝的逐漸完善[3]，與之對應(yīng)的半導(dǎo)體設(shè)備也隨著新材料，器件等的涌現(xiàn)呈現(xiàn)出高集成化，自動化。二者共同推進(jìn)著行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]席偉，陳軍，管良梅.多品種小批量SMT生產(chǎn)[J].電子工藝技術(shù)，2012，33(4)：226-228.

[2]王銳廷.半導(dǎo)體晶圓自動清洗設(shè)備[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004(9)：8-12.

[3]曹秀芳，曹穎杰，祝福生.300 mm全自動去膠清洗設(shè)備的研制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，201(7)：36-38.

Research of Automatic Etching and Developing Apparatus

Guo Dijiang, Wang Yu

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:The exposed photoresist covering on the surface of silicon wafer can be developed based on the etching and developing equipment. However, the domestic equipment has problems such as low automation, low control precision for developing parameters and low process stability. In this paper, the critical components in domestic apparatus are studied, and one kind of fully automatic etching and developing equipment is designed. Compared to the domestic equipment, this apparatus has the features of better automation, better control precision and better process stability that have been examined in the actual production.

Key words:silicon wafer; etching and developing; cleaning; fully automatic

收稿日期：2016-03-08

作者簡介：郭帝江(1988- )，男，山西運城人，助理工程師，主要從事濕法專用設(shè)備研發(fā)工作。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0083- 03

中圖分類號：TN305.97

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A