噴霧腐蝕機(jī)在Ti/Al 腐蝕工藝中的應(yīng)用

徐 俊，孫運(yùn)璽，申 強(qiáng)

( 中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所， 江蘇 南京210016)

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

Ti/Al 復(fù)合金屬層由于性能、成本、工藝兼容性等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)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(xué)溶劑和表面材料發(fā)生反應(yīng)，再通過攪拌、循環(huán)、鼓泡等手段將反應(yīng)生成物從表面移除，實(shí)現(xiàn)濕法刻蝕。由于化學(xué)反應(yīng)的各向同性，易在掩膜層下產(chǎn)生鉆蝕。因此，目前在先進(jìn)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(duì)材料有較高的選擇性，無等離子體損傷，設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)性好，在表面剝離、大尺寸圖形腐蝕等方面依然有重要的應(yīng)用[4]。

1 噴霧腐蝕機(jī)簡介

在半導(dǎo)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(jìn)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(yīng)產(chǎn)物的排出和散熱，特別是產(chǎn)品特征尺寸較小時(shí)，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(jī)采用單片噴射式，所需的化學(xué)試劑少，腐蝕速率快。工作時(shí)，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(yīng)產(chǎn)物和熱量，保證了腐蝕的均勻性，側(cè)腐量較少。

該設(shè)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(tái)、光學(xué)Map 機(jī)構(gòu)、兩個(gè)真空手臂及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、CCD 圖像識(shí)別對(duì)中機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，位置較下真空手臂將片架內(nèi)晶圓取出，在對(duì)中（Align）位置進(jìn)行晶圓邊界識(shí)別，校準(zhǔn)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(gè)手臂各司其職，可以有效避免交叉沾污。

工藝腔內(nèi)有4 個(gè)可擺動(dòng)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?dú)?；? 個(gè)用于清潔圓片背面的背洗噴頭和6 個(gè)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，通過傳感器可以將夾爪夾緊時(shí)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(chǎng)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(shí)，將氮?dú)獬淙胨幰汗?，利?.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(shí)時(shí)監(jiān)控供液狀態(tài)。圖3 為Al 腐蝕液供液管路設(shè)計(jì)。

圖3 Al 腐蝕液供液管路設(shè)計(jì)

該機(jī)臺(tái)另一特點(diǎn)是機(jī)臺(tái)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(bào)警等級(jí)，控制各氣動(dòng)閥、電機(jī)、藥液罐等，便于快速定位，排除設(shè)備故障。必要時(shí)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(shì)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(guān)注監(jiān)控的指標(biāo)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(shí)間等。圓片的轉(zhuǎn)速、噴淋擺臂擺動(dòng)幅度對(duì)工藝效果也有一定影響[5]。

圓片進(jìn)入機(jī)臺(tái)，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(huì)產(chǎn)生一定側(cè)蝕。DI 水噴淋清洗后進(jìn)行Ti 金屬腐蝕，Ti 腐蝕以光刻膠和Al 金屬作為掩膜，也會(huì)有一定的側(cè)蝕現(xiàn)象，會(huì)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(shè)備的不足及改進(jìn)

該設(shè)備故障率低，性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)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(duì)這些不足做了相應(yīng)改進(jìn)。

3.1 Al 腐蝕液溫度控制

通過對(duì)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(guān)重要。濕法腐蝕都是以時(shí)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(huì)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(shí)常因?yàn)锳l 腐蝕不干凈造成返工。通過機(jī)臺(tái)的工藝監(jiān)控信息發(fā)現(xiàn)，在相同工藝條件和加熱器設(shè)置下，Al 腐蝕液溫度出現(xiàn)了一定的下降。

為驗(yàn)證溫度對(duì)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(shí)驗(yàn)片進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，以玻璃表面Al 腐蝕干凈的時(shí)間作為腐蝕速率的表征，速率越慢，時(shí)間越長。通過改變熱交換機(jī)的溫度，改變噴射溶液的溫度。Al 腐蝕時(shí)間和溫度的關(guān)系見表1。

表1 Al 腐蝕時(shí)間和溫度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yán)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(gè)用熱交換機(jī)進(jìn)行水浴加熱的藥液罐內(nèi)。機(jī)臺(tái)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(jī)的設(shè)定溫度，對(duì)進(jìn)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(jìn)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(shí)間明顯縮短，改善了片間均勻性。此外還新增加溫度點(diǎn)檢項(xiàng)，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(jìn)

機(jī)臺(tái)內(nèi)部藥液罐采用多點(diǎn)液位開關(guān)傳感器，4個(gè)浮球?qū)?yīng)4 個(gè)不同液位。使用過程中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部浮球偶爾會(huì)出現(xiàn)上下動(dòng)作卡頓的現(xiàn)象，機(jī)臺(tái)會(huì)得到虛假的液位信號(hào)。此外，高溫的Al 腐蝕液會(huì)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(chǔ)酸的藥液罐整體拆下，耗時(shí)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(gè)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(jī)臺(tái)自身24 V 給傳感器供電，可完美替代原裝浮球液位開關(guān)傳感器。此方案極大地降低了維護(hù)成本，傳感器外置，不接觸強(qiáng)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(hù)更換時(shí)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(duì)中方式的改進(jìn)

機(jī)臺(tái)本身采用CCD 圖像識(shí)別光學(xué)對(duì)中，由于SiC 圓片較為透明，機(jī)臺(tái)內(nèi)部光照條件不足，利用光學(xué)圖像識(shí)別邊界比較困難，容易對(duì)中失敗。其次，蒸發(fā)Ti/Al 時(shí)，由于蒸發(fā)夾具的因素，圓片周邊會(huì)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(shè)備在圖像識(shí)別時(shí)，極易將金屬外圈識(shí)別成晶圓外圈，機(jī)械手會(huì)進(jìn)行錯(cuò)誤的位置補(bǔ)償，從而使晶圓在卡盤的位置發(fā)生傾斜，機(jī)臺(tái)報(bào)警停機(jī)，需要開腔處理，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

通過屏蔽光學(xué)對(duì)中，采取機(jī)械對(duì)中的方式對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)，成功地解決了對(duì)中失敗問題。機(jī)械對(duì)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(jī)器內(nèi)部，如圖7 所示。利用機(jī)臺(tái)自身軟件開放程度高的特點(diǎn)，編寫機(jī)械手對(duì)中程序，完成機(jī)械對(duì)中。對(duì)中時(shí)，真空手臂將取出的圓片放置于機(jī)械對(duì)中結(jié)構(gòu)中，圓片靠重力沿斜邊滑落到對(duì)應(yīng)平臺(tái)，完成機(jī)械對(duì)中，手臂抬起，略高于平臺(tái)，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(jìn)行工藝。如果手臂真空值不滿足要求，圓片未完全落到位，機(jī)臺(tái)會(huì)報(bào)警暫停，可手動(dòng)撥正圓片，快速恢復(fù)生產(chǎn)。

圖6 對(duì)中機(jī)構(gòu)剖面圖

圖7 機(jī)械對(duì)中裝置安裝位置

還有一種方法也可以嘗試用于解決對(duì)中失敗問題。在CCD 攝像頭前安裝光學(xué)偏振片，通過減少雜光，提高圓片邊界的對(duì)比度，便于圖像識(shí)別。該方法已在其他類似機(jī)臺(tái)取得很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

本文簡要介紹了噴霧腐蝕機(jī)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(duì)噴霧腐蝕機(jī)在應(yīng)用中存在的不足，進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，提升了工藝穩(wěn)定性，提高了機(jī)臺(tái)生產(chǎn)效率。