H P-6 0 2型化學腐蝕拋光機研制技術及應用

陳仲武，宋文超

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601）

H P-6 0 2型化學腐蝕拋光機研制技術及應用

陳仲武，宋文超

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601）

介紹了拋光片化學腐蝕拋光原理和HP-602型化學腐蝕拋光機設備用途、結構組成、性能特點，以及解決的關鍵技術和應用，能自動完成晶片拋光后的堿腐蝕和清洗工藝，是材料行業晶片制備中的關鍵設備。

化學腐蝕拋光；循環溢流槽；自動傳輸機構；PEEK提籃

隨著大規模集成電路和微電子技術向高密度、高集成度和高可靠性方向發展，對半導體材料的要求也越來越高，晶片表面質量和厚度一致性等參數指標，對后序的器件工藝及集成電路工藝有著至關重要的影響，直接影響器件成品率、性能和可靠性。化學腐蝕拋光是晶片制備中最重要的步驟，本文主要介紹化學腐蝕拋光工藝原理、設備研制和典型工藝參數。

1 工藝原理

晶片研磨之后，晶片表面還有一定量的均衡損傷，要將這些損傷去除，但盡可能低的引起附加的損傷，比較常用的就是采用化學腐蝕方法：堿腐蝕和酸腐蝕。兩種方法都被應用于溶解晶片表面的損傷部分，而且都有各自的優缺點。但從腐蝕速率、表面質量、控制難易、環境影響等方面比較，一般都采用堿腐蝕為主，腐蝕清洗完成后晶片表面無堿印、無花籃印、無花紋、無色差，合格率達到99%以上。

堿腐蝕使用堿性氫氧化物如氫氧化鉀（KOH），KOH與硅片的基本反應式為：Si+2H2O+2KOH→2H2+Si（OH）2（O）2+2K+。用這種方法，晶片浸在45%的KOH和55%純水的溶液中，溶液加熱至約100℃，溫度精度控制在±2℃以內，腐蝕完成后，需要將晶片盡快浸入純水以阻斷KOH與晶片表面之間的繼續反應。由于采用多片（50～100片）同時腐蝕，為了提高腐蝕速率、腐蝕表面質量和片間均勻性，裝片盒提籃可以在腐蝕槽上下拋動，化學液溢流循環并過濾，從腐蝕槽到快排沖洗槽時間不超過3 s，對純凈水沖洗壓力流量都有較高要求，工藝過程除了上下料外，腐蝕、傳輸和沖洗過程全自動完成，對設備功能和可靠性要求較高，除了機架、槽體、管路、控制等設計外，工藝程序可以編程、參數可以界面設定，并有檢測、保護和安全措施。

2 設備組成和工作原理

HP-602型化學腐蝕拋光機（以下簡稱設備）主要用于晶片研磨之后的腐蝕、清洗工藝，主要實現KOH腐蝕和快排沖洗槽（QDR）噴淋沖洗等工藝功能；設備組成包括機架、PTFE腐蝕溢流槽、QDR快排沖洗槽、PEEK提籃、傳輸機構、管路部分、排風排液部分和電氣控制部分（見圖1、圖2）；槽體設計兼容晶片 50 mm（2 英寸）、75 mm（3 英寸）、100 mm（4英寸）、125 mm（5英寸）和 150 mm（6英寸），每批次處理4盒100片。

設備工作原理：開機后，人工手動從設備前方QDR槽處上料，在提籃里可以同時放置4片盒，由傳輸機構翻轉到PTFE腐蝕槽，完成腐蝕工藝后傳輸機構自動翻轉到QDR快排沖洗槽清洗，傳輸時間不超過3 s，清洗結束后提示人工手動取出片盒，然后進行下一批次腐蝕清洗。

圖1 設備外形圖

圖2 設備臺面布局圖

2.1 槽體功能

PTFE循環溢流腐蝕槽由PTFE工藝槽、儲液槽、管路在線加熱、循環泵及管件管路系統組成，其結構原理見圖3，具有腐蝕、溢流循環、在線加熱、過濾和排放沖洗功能，工藝過程和工藝時間可以編程。槽體由PTFE材料一體注塑成形，為四面V型循環溢流結構；液體加熱采用管路PFA在線加熱器（12 kW），加熱溫度范圍：室溫～100℃，精度±2℃，溫度檢測采用鉑電阻（全氟保護套）溫度探頭浸沒在槽體（中間位置）溶液中的方式檢測，再利用溫控儀進行控制；溶液循環采用高溫全氟風囊泵實現溶液循環，流量最大40 L/min；管路裝有全氟過濾器，過濾精度10 μm；槽內安裝有N2液位檢測系統，當液面過低時發出聲光報警；溶液的供應采用人工手動配液至儲液槽，通過循環泵將溶液打入工藝槽中，滿足工作液位后進行自循環工藝運行；溶液排放時利用工作循環泵將內外槽及管路中溶液排放至貯液槽。溶液在貯液槽自然冷卻后，人工操作按鈕控制氣控閥排放專用管道，排放溫度小于50℃，由程序互鎖保護，在排放口處安裝有手動閥門進行二次保護；定期對槽體和循環管路進行DI水清洗，可以通過界面選擇操作，清洗自動完成，避免槽體管路KOH結晶。

QDR快排沖洗槽主要由噴淋槽、溢流槽、勻流板、快排氣缸、噴管噴嘴、氮氣鼓泡、管路和管件等組成，其結構原理見圖4，具有噴淋、溢流、快排和氮氣鼓泡等功能，各功能的運行時間及次數可編程控制。槽體由NPP板材焊接加工而成，底部DI水注入，上部DI水噴淋，注入時間小于60 s，排放時間小于6 s；為了增加清洗效果，噴嘴采用實心圓錐，噴出的DI水不可霧化，底部增加氮氣鼓泡；注入噴淋DI水通過儲水槽采用磁力泵供給，滿足沖洗壓力和流量。

圖3 PTFE腐蝕溢流槽結構原理圖

圖4 QDR快排沖洗槽結構原理圖

2.2 自動傳輸機構

自動傳輸機構由電機驅動部分、旋轉擺臂部分和提籃組成（見圖5），主要功能是把放有片盒（裝有待腐蝕晶片）的提籃，自動傳輸到腐蝕槽內，完成腐蝕工藝后，再自動傳輸到QDR快排沖洗槽內，進行清洗工藝。主要難點是：（1）每批次處理4片盒100片，負載較大；（2）提籃從PTFE腐蝕槽擺動到QDR快排沖洗槽，時間不超過3 s；（3）驅動位置精度、可靠性和安全性。電機驅動部分安裝在設備頂部，與腐蝕濕區隔離，由伺服電機驅動，同步帶傳動，電機轉速可調，增減速編程，可以正反轉，擺動位置通過脈沖和信號凸輪控制，增加位置保護和自鎖功能，實現位置精確傳輸，避免撞車或者位置過沖，為了增加腐蝕效果和腐蝕均勻性，提籃在腐蝕槽內上下拋動，拋動頻率30～60次/min，拋動行程60～100 mm，在范圍內可以通過界面設定。旋轉擺臂安裝在機架兩側，由同步帶驅動，實現正反轉擺動和腐蝕槽內上下拋動，速度位置可調，對提籃掛鉤采用同步帶反向定位，保證提籃位置垂直向下，避免在傳輸過程中片盒移位或者晶片掉出，同時對旋轉擺臂結構設計和材料選用進行防腐保護處理。

圖5 設備自動傳輸和擺臂結構圖

圖6 設備提籃結構圖

2.3 PEEK提籃

提籃采用具有較好機械強度、耐高溫、耐腐蝕的PEEK材料加工制造，結構設計如圖6所示，四周敞開，上部直桿為提籃受力支撐部分，兩端與擺臂掛鉤連接，易于取放和定位；提籃底板為片盒定位，除了片盒四角定位外，片子位置部分為中空結構，連接部分也開孔，既減輕質量，又易于溶液循環、提籃拋動和DI水沖洗；兩端端板連接提籃底板和上部直桿，設計為中空結構，片盒上部有壓桿，防止晶片在腐蝕和拋動時移出片盒。另外，由于PEEK材料是一種經受極強化學腐蝕的材料，具有良好的耐熱、物理電阻和環境電阻性能，易于加工也是重要的特性之一，所以在KOH溶液濃度50%，溫度在90℃～130℃的溶液和常溫DI水中交替使用，仍可保持優良的機械性能和材料穩定性，并通過用戶長時間使用驗證，也是實現晶片腐蝕清洗后晶片表面無堿印、無花籃印、無花紋、無色差的重要條件之一。

3 設備主要特點

（1）設備結合國外最新技術和工藝，應用成熟單元技術，正面操作區采用左右對開門結構，觀察窗為透明PVC材料，側面開有PVC活動門（在KOH腐蝕槽位置），以便用戶觀察腐蝕情況；排風裝置由引風窗及排風口等組成，引風窗位于槽體后方，排風口（2個）位于設備后上部，排風口有手動調節裝置；設備前、后下方及設備左右兩側均設有維護門。

（2）設備控制部分與濕區隔離，通過PLC實現控制功能，操作面板位于設備前上部，控制按鈕及主要顯示儀表設置其上，用戶可根據需要，通過觸摸屏對整機工藝實現參數設置和控制。制程區設有照明裝置，照明裝置和濕區隔離，設備具有風壓檢測功能，以及氮氣和壓縮空氣壓力報警功能。

（3）PTFE循環溢流槽采用一體注塑成形，避免加熱變形；具有儲液槽和沖洗功能，避免槽體管路結晶，通過循環在線加熱，實現溫度精度；QDR快排沖洗槽通過磁力泵控制流量和壓力，實現晶片化拋后的表面質量。

（4）自動傳輸機構通過伺服電機驅動，同步帶傳送，信號凸輪和脈沖控制位置，實現正反轉和增減速編程，拋動行程和頻率可以設定，位置精度高，傳輸快速平穩，運行安全可靠。提籃材料選用PEEK，具有耐高溫、耐腐蝕和易加工特點，結構設計合理，滿足工藝使用和成品率要求。

（5）管路、接頭、電磁閥、溶液閥、泵和過濾器等采用品牌產品，符合1000級凈化等級要求，管路設計合理，連接可靠，化學液溫度、流量、壓力控制和循環系統精度高，具有設定、顯示和故障報警等功能。

4 小 結

該設備研制成功投入用戶使用以來，通過連續運行和大量產品證明，晶片腐蝕清洗完成后表面無堿印、無花籃印、無花紋、無色差，合格率達到99%以上，工藝參數穩定，批量處理能力強，完全可以替代進口設備。同時可以應用到繼硅之后的砷化鎵等新一代半導體功能材料，其拋光片質量將顯著提高器件的成品率、性能和可靠性，以滿足制造高性能微波變頻器件及光電器件，廣泛應用于雷達通訊、精確制導、新一代衛星通信等系統，以縮短與國外先進技術的差距，為國內材料行業工藝發展和裝備制造奠定基礎。

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[1]劉傳軍，趙權，劉春香，等.晶片清洗原理與方法綜述[J].半導體情報，2000，（02）：30-36.

[2]楊洪星，呂菲，趙權，等.砷化鎵拋光片總厚度變化之研究[J].半導體情報，2001，（05）：55-57.

The Manufacturing Technique and Application of HP-602 Chemical Corrosion Polishing Equipment

CHEN Zhongwu，SONG Wenchao
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China）

Abstract:The wafer chemical corrosion polishing process is introduced.The applications,structure,characteristics，and the key techniques of HP-602 chemical corrosion polishing equipment are also introduced.The alkali corrosion and cleaning process of the polished wafer can be automatically processed in the equipment.The HP-602 chemical corrosion polishing equipment is the key equipment of material manufacturing.

Keywords:Chemical corrosion polishing；Cycling and overflowing tank；Automatically transmission mechanism；PEEK basket

TN305

B

1004-4507（2013）12-0031-05

2013-10-15

陳仲武（1966-），男，甘肅合水，高級工程師，主要從事半導體專用設備研究與開發，近些年主要進行濕法腐蝕清洗設備研發、制造和技術服務，特別是對國外同類設備技術和用戶工藝技術有較深入研究。