JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統(tǒng)研制技術(shù)

陳仲武，宋文超，張偉鋒，劉永進(jìn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著微電子新材料的使用及器件特征尺寸進(jìn)一步縮小（進(jìn)入65～90 nm），對半導(dǎo)體器件的性能、可靠性和穩(wěn)定性的要求越來越高，傳統(tǒng)的槽式批處理清洗技術(shù)在諸多工藝因素的驅(qū)動下已難以適應(yīng)，需要引進(jìn)新一代的高潔凈腐蝕清洗技術(shù)——單晶圓旋轉(zhuǎn)、腐蝕、清洗和甩干，避免交叉污染，提高成品率，諸如二氧化硅膜腐蝕剝離清洗、鋁腐蝕清洗、單片顯影、晶圓背面清洗工藝、去膠工藝、晶圓研磨后清洗工藝和IC后道制程銅引線等有機物的清洗，使敏感的半導(dǎo)體器件表面的污染減到最小程度，從而大幅度地改善器件性能，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，尤其在極大規(guī)模集成電路制造金屬膜腐蝕工藝，迫切需要一種更具選擇性、更環(huán)保、更易控制的有效腐蝕清洗技術(shù)，和實現(xiàn)無損傷和抑制腐蝕損傷清洗的新一代腐蝕清洗設(shè)備。

為此，中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所從2006年起，組織技術(shù)力量開發(fā)研究單晶圓全自動腐蝕清洗系列設(shè)備和工藝，先后研制成功XFQ-1150F型單片鋁腐蝕清洗機、DFQ-2150F型單片噴霧腐蝕清洗機、DXQ-1150X單片顯影清洗機和JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統(tǒng)等設(shè)備，并成功應(yīng)用到用戶產(chǎn)品生產(chǎn)工藝線，其中以JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統(tǒng)最有代表性，本文做重點介紹。

1 設(shè)備用途、組成和工作原理

JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統(tǒng)用于聲表面波（SAW）器件、GaAs微波、毫米波器件、MEMS器件、OLED器件和先進(jìn)封裝等制造中微細(xì)圖形金屬膜剝離工藝（見圖1），能自動完成厚度在0.25～0.7mm的準(zhǔn)100～準(zhǔn)200 mm具有基準(zhǔn)邊的標(biāo)準(zhǔn)圓片金屬膜剝離、沖洗和甩干工藝，剝離線寬可做到0.35 μm以上，是以上器件制造工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，與傳統(tǒng)的槽式批處理剝離清洗技術(shù)相比，可以提高產(chǎn)品成品率，避免交叉污染，確保器件規(guī)格、性能指標(biāo)、可靠性和安全性等不因剝離工藝影響而下降。

JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統(tǒng)采用頂部送風(fēng)、封閉式、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖2）。依據(jù)功能不同，主要分為機械手自動傳輸系統(tǒng)；多功能剝離、清洗腔體結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)主軸、吸盤、卡盤系統(tǒng)；擺動、升降式清洗臂結(jié)構(gòu)；不銹鋼機架、電控箱、上下料工作臺結(jié)構(gòu)；DI水兆聲噴頭、水液氣系統(tǒng)；化學(xué)液增壓、加熱、循環(huán)、過濾系統(tǒng)；排風(fēng)、排液系統(tǒng)；溫度、壓力、流量檢測控制系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、電氣控制和軟件設(shè)計系統(tǒng)等幾個部分，各功能模塊分布合理，人性化設(shè)計，便于維護(hù)和保養(yǎng)。該設(shè)備所用材質(zhì)、配件等均符合100級凈化等級要求。

圖1 設(shè)備應(yīng)用工藝示意圖

圖2 金屬膜剝離清洗系統(tǒng)外形圖

JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統(tǒng)配置三單元工作反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)，每個反應(yīng)室可靈活執(zhí)行1～3種不同化學(xué)液腐蝕清洗程序，系統(tǒng)配備相應(yīng)的化學(xué)液傳輸和控制系統(tǒng)；配置“Foup-to-Foup”方式進(jìn)行片子傳輸，各功能模塊布局合理，人性化設(shè)計，外形美觀，便于維護(hù)和保養(yǎng)。

工作原理是開機后，將裝有晶圓片的上片盒放到上片位置，并輸出有上片盒信號，一切準(zhǔn)備就緒后，啟動自動運行程序，2#機械手進(jìn)行晶圓片位置、數(shù)量掃描記憶，確認(rèn)后3#機械手依次從上片盒中吸附取上晶圓片，傳輸?shù)交瘜W(xué)液浸泡槽，浸泡槽片夾有上下抖動、反轉(zhuǎn)功能，4#機械手從浸泡槽附取上晶圓片，經(jīng)CCD中心定位后，傳輸?shù)絼冸x腔體吸盤上，進(jìn)行金屬膜剝離工藝，完成剝離工藝后傳輸?shù)角逑辞坏目ūP上，進(jìn)行自動DI水清洗、吹氮氣和甩干等工藝，清洗步驟結(jié)束后，1#機械手（潔凈手）將晶圓片取出放到收片片盒中，該設(shè)備采用4個機械手，從上下片和3個工藝步驟同時進(jìn)行，提高效率，以上各工步速度、時間等參數(shù)可設(shè)定。整個過程自動控制，也可單步操作；化學(xué)液在線加熱、循環(huán)、過濾再利用，設(shè)備配有自動滅火系統(tǒng)。

2 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)圓片尺寸：準(zhǔn)100～準(zhǔn)150 mm；

圓片傳輸方式：上片盒→浸泡腔體→剝離腔體→清洗干燥腔體→收片盒；

工藝程序：中文操作界面，存儲多種工藝程序，可選擇工步及工步順序可編程；主軸旋轉(zhuǎn)速度：200～5000 r/min，±10 r/min；DI水兆聲噴頭震蕩頻率：1 MHz；功率：30～50 W（可調(diào)）；

兆聲噴頭噴嘴流量：1.5～2.5 L/min；有機溶液過濾精度：1～9 μm（三級過濾）；有機溶液噴射壓力：3.45～20.70 MPa（增壓）；有機溶液溫度:常溫～90℃，控制精度±2℃；有機溶液和DI-WATER具有扇性噴射和柱狀噴射模式；

干燥的熱氮氣溫度范圍：80℃±5℃；

氮氣過濾精度＜0.003 μm；

設(shè)備采用電腦程序控制，能設(shè)置并存儲大于100個不同的工藝程序；

工藝時間設(shè)定：1～9999 s，增量 1 s；

排風(fēng)：風(fēng)量可以調(diào)節(jié)，風(fēng)壓表顯示；

室內(nèi)凈化級別：100級；

環(huán)境溫度：20℃～24℃；

相對濕度：＜70%。

3 設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

該設(shè)備涉及到精密機械、自動控制、系統(tǒng)集成、真空技術(shù)、液壓、氣動及工藝應(yīng)用研究等諸多技術(shù)領(lǐng)域，是一項濕法腐蝕清洗設(shè)備和工藝綜合性的整機技術(shù)研究，該機解決的關(guān)鍵技術(shù)主要如下：

（1）整機模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；

（2）大行程、高精度機械手自動傳輸系統(tǒng)；

（3）旋轉(zhuǎn)主軸結(jié)構(gòu)及控制驅(qū)動技術(shù)；

（4）多功能PTFE腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)；

（5）不銹鋼機架設(shè)計加工技術(shù)；

（6）腐蝕液浸泡、噴灑、循環(huán)、過濾和清洗技術(shù)；

（7）多功能清洗臂抬升和掃描運動技術(shù)；

（8）腐蝕液溫度、流量和壓力控制技術(shù)；

（9）全不銹鋼機架設(shè)計加工技術(shù)；

（10）復(fù)雜水氣液路控制技術(shù)和工藝技術(shù)；

（11）兆聲噴頭和化學(xué)液增壓技術(shù)；

（12）控制系統(tǒng)及工藝軟件技術(shù)。

4 設(shè)備主要特點

（1）設(shè)備結(jié)合國外最新技術(shù)和工藝，應(yīng)用成熟全自動單片剝離清洗技術(shù)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，具有先進(jìn)性、可靠性和安全性等特點。

（2）所有腔體為獨立、密閉、自動完成一個工藝過程，有晶圓片自動進(jìn)出窗口，窗口自動密封關(guān)閉，電機和卡盤機構(gòu)，擺臂和噴頭或者噴嘴機構(gòu)，排液抽風(fēng)系統(tǒng)和密封結(jié)構(gòu)等組成。

（3）自動傳輸機構(gòu)采用三個I型規(guī)格機械手，獨立運行取放片，整體旋轉(zhuǎn)抬升，大距離高行程，真空吸附，陶瓷材料，位置精確，安全可靠，具有位置圖像識別和保護(hù)功能，無自動校正修復(fù)功能，允許中心偏離出現(xiàn)概率≤1%。

（4）管路、接頭、電磁閥、藥液閥、泵和過濾器等類采用國外品牌產(chǎn)品，符合100級凈化等級要求，管路設(shè)計合理，連接可靠，化學(xué)液溫度、流量、壓力控制系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)精度高，具有設(shè)定、顯示和故障報警功能。

（5）設(shè)備運行過程由控制系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)進(jìn)行全程監(jiān)控，工業(yè)控制計算機是該設(shè)備的核心控制單元，電機主軸旋轉(zhuǎn)控制模塊、化學(xué)液溫度控制模塊、化學(xué)液循環(huán)和回收模塊、機械手傳輸控制模塊、圖像位置模塊、狀態(tài)故障檢測模塊，安全模塊、人機交互及工藝文件的管理等處理與協(xié)調(diào)都在工業(yè)控制計算機上通過串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器完成的，其程序模塊包括：工藝文件存儲模塊、狀態(tài)顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、故障診斷模塊、信息顯示模塊等。

（6）設(shè)備配備自動滅火系統(tǒng)，紅外線溫度檢測，能保證NMP燃燒時及時滅火。

5 設(shè)備控制系統(tǒng)

設(shè)備控制系統(tǒng)見圖3、圖4。

（1）控制系統(tǒng)主要由工控機、自動傳輸控制模塊、腐蝕清洗腔控制模塊、化學(xué)液溫度流量壓力控制模塊、安全檢測模塊、伺服電機控制模塊、傳感器檢測等組成。

（2）設(shè)備具有自動運行和手動調(diào)試功能，自動運行根據(jù)用戶工藝過程編制程序，系統(tǒng)自動完成晶圓片的傳輸、浸泡、腐蝕、DI水沖洗、N2烘干和甩干功能，各個動作實現(xiàn)互鎖，確保系統(tǒng)運行安全及人身安全。

（3）手動調(diào)試功能完成所有的單步動作，以方便用戶工藝試驗、設(shè)備維修及特殊需要。系統(tǒng)還具有報警信息、維護(hù)信息等系統(tǒng)記錄。

（4）電源分配模塊（UPS電源）對整臺設(shè)備所需電源進(jìn)行集中控制分配，可對外部電源電壓進(jìn)行變壓并提供設(shè)備內(nèi)部所需各種電壓，若外部電源異常，系統(tǒng)可以延時工藝過程，并有提示功能。

圖3 設(shè)備控制原理圖

（5）系統(tǒng)的電控系統(tǒng)獨立安裝，控制開關(guān)、急停開關(guān)和報警燈等安裝在主機的前面板。系統(tǒng)配備自動滅火系統(tǒng)，紅外線溫度檢測，能保證特殊化學(xué)液燃燒時及時滅火。

圖4 設(shè)備系統(tǒng)控制框圖

6 軟件控制系統(tǒng)

軟件控制系統(tǒng)見圖5。

系統(tǒng)控制軟件采用計算機控制，可提供工藝程序的編制、存儲和調(diào)用，具有故障診斷、歷史記錄存儲、設(shè)備異常報警功能（包括對氮氣、真空、水壓、化學(xué)液等限定值進(jìn)行檢測報警）。程序軟件界面對工藝過程中的各種工藝狀態(tài)實時監(jiān)測，可設(shè)置用戶進(jìn)入密碼分級控制。設(shè)備采用電腦程序控制，能設(shè)置并存儲大于100個不同的工藝程序。程序控制軟件要滿足以下功能：

（1）具有工藝過程編輯、存儲、調(diào)用、修改的功能；

（2）運行進(jìn)程及相關(guān)狀態(tài)參數(shù)實時顯示功能；各種工藝參數(shù)超限、非正常工藝處理、非正常操作及異常情況報警功能；歷史記錄存儲功能；

（3）程序軟件界面友好，同時可設(shè)置用戶進(jìn)入密碼分級控制。

圖5 設(shè)備軟件主體架構(gòu)

7 設(shè)備動力條件及外形尺寸

電源：單相電壓：～380 V±38 V（三相五線制）頻率：50 Hz±1 Hz 功率：5 kW

DI水壓力及流量：0.13～0.50 MPa，10～20 L/min

N2壓力及流量：0.2～0.40 MPa，50～100 L/min

壓縮空氣及流量：0.4～0.6 MPa，50～100 L/min

排廢氣量：≥8600 L/min

排放管路：準(zhǔn)32管徑（不銹鋼材質(zhì)）

外形尺寸：長×寬×高＝1500 mm×2000 mm×2200 mm

8 結(jié) 論

該設(shè)備研制成功后，既可以滿足現(xiàn)階段產(chǎn)品技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)GaAs和SAW圓片的金屬膜剝離清洗工藝，又可以滿足IC制造中其他單片清洗工藝，通過單片清洗工藝技術(shù)平臺的建立，通過可選的化學(xué)清洗單元以及兆聲清洗噴頭、高壓針式噴嘴、靜電消除裝置及刷洗功能等技術(shù)的優(yōu)化組合，該設(shè)備還可拓展應(yīng)用于單晶片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的單片清洗工藝、刻蝕清洗、CMP后清洗等芯片制造、封裝過程的清洗工序。該設(shè)備的研制成功和關(guān)鍵技術(shù)的突破，同時培養(yǎng)和鍛煉了一支從事清洗設(shè)備、技術(shù)和工藝應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)隊伍，打破芯片制造關(guān)鍵工藝設(shè)備被國外少數(shù)廠商壟斷的局面，盡快在高端清洗設(shè)備領(lǐng)域占有一席之地，縮短與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，最終目標(biāo)實現(xiàn)單片清洗工藝設(shè)備量化生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品芯片制造對單片清洗工藝設(shè)備的需求，為產(chǎn)品技術(shù)、先進(jìn)封裝技術(shù)制造領(lǐng)域的全面應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。