濕法腐蝕清洗設(shè)備中的循環(huán)管路應(yīng)用

吳光慶

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

濕法腐蝕清洗設(shè)備中的循環(huán)管路應(yīng)用

吳光慶

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

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

循環(huán)；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(duì)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(biāo)提出了更高的要求，因此，濕法腐蝕清洗設(shè)備在采用晶片旋轉(zhuǎn)、抖動(dòng)、超聲清洗、兆聲清洗等的同時(shí)，業(yè)內(nèi)普遍采用工藝槽循環(huán)過(guò)濾方式，來(lái)凈化槽內(nèi)藥液，同時(shí)均勻流場(chǎng)保證藥液濃度和溫度的均勻性。

1 濕法腐蝕的關(guān)鍵問(wèn)題

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

（1）腐蝕速率。較高的腐蝕速率將有效的縮短腐蝕時(shí)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(zhì)量有關(guān)，當(dāng)腐蝕液濃度較小時(shí)，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(xiàn)起伏等，腐蝕尺寸比較大時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。這與腐蝕液濃度有關(guān)，反應(yīng)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(shí)在腐蝕過(guò)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(guān)，與溫度關(guān)系不大，但溫度升高會(huì)導(dǎo)致腐蝕速率的增大。

濕法腐蝕清洗設(shè)備使用的化學(xué)藥液很多，有酸性腐蝕劑，堿性腐蝕劑以及有機(jī)腐蝕劑等，這些化學(xué)藥液通常具有較強(qiáng)的腐蝕性，特別是有機(jī)藥液還具有易燃、易爆特性，同時(shí)它們的使用溫度也不盡相同，有常溫也有高溫，依據(jù)不同的藥液，以及不同的工藝要求，我們?cè)谘h(huán)管路的設(shè)計(jì)上也有所不同。主循環(huán)回路大體由儲(chǔ)酸槽，泵，加熱器，熱交換器，過(guò)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(jié)一下常見的濕法腐蝕清洗設(shè)備中循環(huán)管路的應(yīng)用。

2 濕法腐蝕工藝中循環(huán)管路的應(yīng)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(jù)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(zhì)一般為PVDF材質(zhì)。

反應(yīng)式如下：

醋酸是一種控制腐蝕速度的酸，當(dāng)混合比率大時(shí)，腐蝕速度就減小，而且會(huì)影響硅中的雜質(zhì)濃度。

由于反應(yīng)溫度的關(guān)系，一般我們要在工藝槽的循環(huán)管路中接入制冷機(jī)、熱交換器，從而使藥液溫度達(dá)到所需的低溫度要求。除此之外，管路中還需接入磁力泵來(lái)提供藥液的循環(huán)動(dòng)力。因此藥液的循環(huán)：由磁力泵、循環(huán)溢流槽、制冷機(jī)、熱交換器、流量計(jì)、管件等組成藥液的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)，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(chǎn)生的原理，是不是該問(wèn)一問(wèn)我們?yōu)槭裁磿?huì)需要它呢？答案其實(shí)很簡(jiǎn)單，因?yàn)樘弁茨茏屛覀兩畹酶踩?，它能警示和保護(hù)我們?nèi)祟愐约捌渌铩?/p>

圖1是低溫硅腐蝕的循環(huán)管路示意圖。

圖1 低溫硅腐蝕的循環(huán)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(duì)此我們?cè)诠に嚥垠w內(nèi)直接用投入式加熱器來(lái)對(duì)藥液進(jìn)行加熱達(dá)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(fēng)囊泵來(lái)提供藥液的循環(huán)動(dòng)力。因此藥液的循環(huán)由風(fēng)囊泵、循環(huán)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(huán)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)，均勻流場(chǎng)。保證工藝槽藥液溫度和濃度的均勻性。槽體材質(zhì)一般采用PTFE材質(zhì)。圖2、圖3是高溫硅腐蝕投入式加熱和在線加熱的循環(huán)管路示意圖。

圖2 高溫硅腐蝕投入式加熱的循環(huán)管路示意圖

圖3 高溫硅腐蝕在線加熱的循環(huán)管路示意圖

2.2 二氧化硅腐蝕工藝

SiO2的腐蝕是用HF來(lái)實(shí)現(xiàn)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(lái)減慢腐蝕速度。普通叫做緩沖腐蝕。此種工藝在常溫下進(jìn)行，而根據(jù)我國(guó)南北方生產(chǎn)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(yīng)結(jié)晶；而在南方則需加入冷卻盤管，以適當(dāng)控制溫度。一般工藝槽體材質(zhì)選用PVDF材質(zhì)。除此之外，管路中還需接入泵來(lái)提供藥液的循環(huán)動(dòng)力。由于隔膜泵在連續(xù)不間斷工作時(shí)膜片使用壽命較短，更換膜片較頻繁，目前這種應(yīng)用方式逐漸被風(fēng)囊泵所取代[2]。因此藥液的循環(huán)過(guò)濾：由風(fēng)囊泵、過(guò)濾器、循環(huán)溢流槽、閥門、管件等組成藥液的循環(huán)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)過(guò)濾，均勻流場(chǎng)。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(huán)管路示意圖。

圖4 二氧化硅腐蝕的循環(huán)管路示意圖

2.3 鋁腐蝕工藝

對(duì)于Al腐蝕來(lái)說(shuō)，堿和酸都能用來(lái)腐蝕它，但半導(dǎo)體技術(shù)中所使用的腐蝕液使用磷酸系物質(zhì)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(dāng)混入HNO3時(shí)，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(chǎng)合下，能夠得到約0.1 μm/min的腐蝕速度。當(dāng)在Al中摻有硅時(shí)，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(jìn)行腐蝕，工藝溫度為52℃，工藝槽材質(zhì)選用不銹鋼材質(zhì)，不同于其他腐蝕工藝的是此工藝槽只循環(huán)無(wú)溢流，加熱方式采取貼膜加熱，泵體的選擇為真空泵，即水環(huán)泵。因真空條件要求，槽體需要密封設(shè)計(jì)。

圖5是真空鋁腐蝕的循環(huán)管路示意圖。

圖5 真空鋁腐蝕的循環(huán)管路示意圖

非真空鋁腐蝕，是相對(duì)于真空鋁腐蝕而言。工藝溫度一般為60℃，工藝槽材質(zhì)選用PVDF材質(zhì)，加熱方式采取投入式加熱。除此之外，管路中還需接入風(fēng)囊泵來(lái)提供藥液的循環(huán)動(dòng)力。因此藥液的循環(huán)過(guò)濾：由真空泵、循環(huán)槽、閥門、管件等組成藥液的循環(huán)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)藥液的循環(huán)過(guò)濾，均勻流場(chǎng)。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(huán)管路示意圖。

圖6 非真空鋁腐蝕的循環(huán)管路示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

近幾年來(lái)，伴隨著硅片的大直徑化，器件結(jié)構(gòu)的超微小化、高集成化，對(duì)硅片的潔凈程度、表面的化學(xué)態(tài)、微粗糙度、氧化膜厚度等表面狀態(tài)的要求越來(lái)越高，硅片的各種腐蝕技術(shù)都在不斷的發(fā)展，同時(shí)對(duì)硅片的腐蝕效果及均勻性提出了更高的要求，因此對(duì)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(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009

[2] 祝福生，郭春華，夏楠君.工業(yè)泵在濕法腐蝕清洗設(shè)備中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)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