基于半導體工藝的設備調平技術

蔡穎嵐，鄧學文，全曉輝，楊 濱

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

調平是使設備放置平穩，同時，因很多設備內部的特殊要求，還需要進一步做機構之間、層與層之間的調平。半導體制程中，很多要求工藝的可靠性、重復性和均勻性，這些性能都會因設備及其內部的調平受到影響。基于半導體工藝需求，討論常用測平方法及具體應用。

1 工藝需求

半導體工藝就是在晶片上執行一系列復雜的化學或者物理操作，制作能實現各種需要的器件，如二極管、三極管、集成電路及CCD（Charge Couple Device，電荷耦合器件）等。這些工藝基本可以分為4大基本類[1]：薄膜工藝、刻印工藝、刻蝕工藝和摻雜工藝。在幾大類工藝上進行技術及工藝參數的增減和變換，并在有限的工藝流程中重復循環，并最終形成產品。圖1為CCD工藝流程簡圖。

圖1 CCD工藝流程

薄膜工藝包括氧化、淀積、外延、蒸發和濺射等幾類。要求表面無斑點、裂紋、白霧及發花現象，以及沒有針孔等缺陷存在。膜厚要符合要求而且均勻、結構致密；刻印工藝也稱光刻工藝，包括涂膠、光刻和顯影等幾個步驟。光刻要求高分辨率、重復套刻精度高、低缺陷、大尺寸和線條均勻；刻蝕工藝就是將已經曝光、顯影后的光刻微圖形中下層材料的裸露部分去除.要求圖形轉移的保真度高、均勻性高及污染?。粨诫s工藝包括擴散和注入等幾類，要求摻雜濃度及深度的重復性和均勻性。各工藝都有均勻性的要求，而均勻性就要求工藝條件在最佳狀態。能影響半導體工藝的因素很多，包括溫度、氣壓、各種污染、應力、工藝時間及工藝氣體等的分布。這些因素很多和基材的放置存在緊密的關系，半導體基材放置的設計或調整無非是水平、垂直或傾斜，無論是何種情況，都是以水平為參考?？梢杂盟綑z測的方式來掌控，進而能重復性的控制工藝均勻性。

2 常用調平方式

（1）氣泡水平儀。常用的氣泡水平儀有圓形和長形2種[2]。水平儀由水準管和基座2部分構成，水準管是在曲率半徑為R的玻璃管中封裝進酒精，只留一個氣泡，并在管上刻有刻度線。當基座底面水平時，管中氣泡位于管的正中間。將水平儀置于被測平面上時，可從氣泡的偏移方向確定該面的傾斜情況。氣泡水平儀價格便宜，使用方便，在要求不高的場合下使用，能夠快速且較為準確的掌握水平情況。

（2）千分表。千分表是利用高精度的齒輪、齒條制成的表式長度測量工具，在測量物體時，使被測尺寸在直線方向發生的微小變化經過齒輪、齒條的傳動被放大，表現在千分表指針的轉動上，從而在表盤上讀出示數[3]。一般情況下，表盤被等分為1000個刻度，指針轉一圈表現為測桿被抬高1 mm，因此一個表盤上一個刻度就是0.001 mm。如果被測物體可以移動或者轉動，將千分表固定，根據指針的偏轉情況就可以知道被測物整體相對平整度情況。

（3）準直儀。準直儀也稱為自準直光管，光學平直度檢查儀，是一種利用光的自準直原理將角度測量轉換為線性測量的儀器。廣泛應用于小角度、平面度、平直度和平行度的測量。圖2是準直儀基本光路原理圖。

圖2 準直儀基本光路原理

光線通過位于物鏡焦平面的分化板后，經物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來，再通過物鏡后在焦平面上形成分化板標線像與標線重合。當反射鏡傾斜一個微小角度α角度，反射回來的光束就傾斜2α角度。通過物鏡后成像在分劃板處，偏離中心位移量為x。根據幾何光學原理，可按式（1）計算。

式中 f——物鏡焦距

α—— —反射鏡偏角

由于α角很小，所以式（1）可近似為（2）式。

在自準直儀中，物鏡焦距是一個常數，同時，準直儀沒有比例放大，觀測到的位移偏移量為實際偏移，如果測得位移量，就可以計算出反射鏡偏角的大小[4]。

3 應用分析

（1）氧化爐片舟調平。氧化屬于薄膜工藝，在恒溫區的晶片上生成氧化膜。除了氧氣的進位設計和精密的恒溫控制，晶片在爐管中的位置將極大的影響氧化膜的均勻性。晶片的豎直即垂直度需要通過調石英架的水平來確定。圖3為氧化爐及承片臺系統示意圖，并確定了石英架的測平方法

圖3 氧化爐片舟調平

圖3中2根石英架相當于2線確定一個面，將硅片放置在石英架上，再將水平儀放置在硅片上，就可以確定石英舟的水平度。這里采用的是清潔的試驗硅片，水平儀沒有與爐體內部有任何接觸，避免了污染。將水平儀在原處轉180°，取2次測量的平均值。測量時通常讀取氣泡超出刻度線的一方的偏差值。如第一次向右偏出氣泡刻度線為a，將水平儀原地旋轉180°后向右偏出為b，則實際傾斜誤差n可用（3）式計算。

在氧化工藝中，石英管、石英架和石英舟會常常拆卸下來清洗，在重新安裝過程，應該采用上述測平方式。還可以在拆卸前做一次測試，以作參考。

（2）顯影和涂膠承片臺調平。晶片放置的水平度將對工藝均勻性產生影響，這里以顯影和涂膠工藝為例來分析采用千分表的調平方式。如圖4所示。

圖4 千分表的測平方式

磁性座吸附在設備臺面合適的位置，千分表通過磁性座連桿懸垂于旋轉臺或移動片臺上方，并輕微接觸，使千分表指針固定于某個讀數。以該讀數為參考，手動旋轉片臺，根據千分表讀數的變化就可以知道水平相對變化情況。為消除誤差，還可以采用一對千分表的方式，取讀數變化的平均值。

（3）光刻機版架和承片臺的調平。光刻機是半導體工藝的核心設備，目前的光刻設備采用了很多技術來實時監控和調節版及片的平行，但在安裝、大的調試或者無實時監控技術的光刻設備中還需要借助準直儀等手段來調平。圖5為準直儀在光刻調平中的應用。

準直儀對準掩膜版，版選用無光刻圖形的石英版，準直儀投射出的十字光斑將部分反射回準直儀，并在觀察窗看見影像清晰的十字標記。同時十字光斑穿過石英版，通過物鏡組到達片臺上的晶片并原路返回到準直儀觀察窗，這里可以采用反射率更高的平面反射鏡來替代工藝晶片。當版和片返回的十字標記重合時表明版和片已達到平行，調試完畢。

隨著光電技術和自動控制技術的發展，現代測平技術也逐漸融入設備控制系統，實現了實時化和自動化調平，基于CCD的圖像分析系統是關鍵。CCD的工作原理是通過光學成像系統將景物圖像成在CCD的像敏面上，再由后部處理電路進行處理或計算，成為電視信號或檢測信號，還能對圖像信息精確分析。利用其圖像處理能力，CCD可以和準直儀結合，取代人眼來實現調平分析，也可以直接與計算機相連，在圖像處理軟件的幫助下在某些場合單獨實現調平分析。

4 結束語

半導體工藝追求工藝的可靠性、重復性和均勻性，以獲得較高的成品率。需要做好每一個細節，并對各種影響因素做出歸納和總結。半導體工藝設備眾多，且同一設備又可用于不同的產品。設備及其內部各部件之間的調平都會對產品產生影響，這些工作都需要設備廠家、設備維護工程師和工藝師共同來總結、分析和研究。

［1］Michael Quirk.韓鄭生譯.半導體制造技術［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［2］王黎智，張曦.氣泡水平儀的原理及校準［J］.云南師范大學學報，1996（12）：43-44

［3］陳新. 百分表示值誤差的分析與調修［J］.黑龍江科學，2014（4）:181

［4］鄒九貴，甘俊紅.高精度二維自準直儀的研制［J］.計測技術，2006，26（5）:19-20，26.