單片式濕法刻蝕均勻性及藥液回收率的相關性研究

樸勇男 黃 鵬 胡 蘇 邢 栗

(沈陽芯源微電子設備股份有限公司,遼寧 沈陽110000)

濕法刻蝕是通過化學刻蝕液與晶圓上所需刻蝕的材料發生化學反應達到刻蝕的目的,濕法刻蝕又包含兩大類：槽式濕法刻蝕和單片式濕法刻蝕。槽式濕法刻蝕產能高,化學液消耗小,但是由于從硅片上清洗下來的污染會繼續在化學液中殘留,容易造成二次沾污。單片式濕法刻蝕由于不斷地有新的化學液或者去離子水供應到硅片表面,可以有效的防止二次沾污現象的發生[1-2]。雖然在轉移掩膜圖形的保真性上濕法刻蝕與干法刻蝕存在一定的差距,但因其具有對器件損傷小、生產成本低、產能高和適應性強等特點,在去氧化硅、去殘留物和大尺寸圖形的刻蝕等方面有著較為廣泛的應用[3]。

刻蝕均勻性是刻蝕工藝的主要衡量指標,也是保證產品質量的關鍵因素之一。濕法刻蝕中所使用的化學液是刻蝕中所用的主要消耗品,在保證刻蝕均勻性的前提下提高化學藥液的使用率(或回收率)對于濕法刻蝕成本的降低具有重要意義。本文采用由沈陽芯源微電子設備股份有限公司所生產的單片式濕法刻蝕機KS-S300-4E 研究了針對于12 英寸晶圓刻蝕均勻性的改善及化學藥液回收率的提高。

1 實驗部分

刻蝕的均勻性受多方面因素影響,本文通過測試不同條件下的刻蝕均勻性及刻蝕藥液的回收率來研究噴淋時的晶圓轉速、擺臂掃描(scan)速度和scan 起始位置對刻蝕質量的影響規律。實驗條件如表1 所示,擺臂Scan 時的速度曲線圖1 所示,擺臂Scan 起始位置(相對于晶圓)如圖2 所示。

2 結果分析

通過測試晶圓上的49 個位置的刻蝕量(其測量位置如圖3所示)采用公式(1)計算相應晶圓的刻蝕均勻性,在以上三個條件下連續刻蝕50 片晶圓,通過計算藥液的消耗量及使用總量的比值得到刻蝕藥液的回收率。

表1 實驗測試時各工藝條件參數值

圖1 擺臂Scan 時的速度曲線

其中lmax表示測試中49 個位置刻蝕量的最大值,lmin表示測試中49 個位置刻蝕量的最小值,lmean表示測試中49 個位置刻蝕量的平均值。

圖2 擺臂Scan 起始位置(相對于晶圓)

圖3 刻蝕量測試的49 點位置分布

圖4 三種不同條件下49 個位置的刻蝕量

圖4 和圖5 給出了三個條件下在49 個位置的刻蝕量及三個條件下的刻蝕均勻性。可以看出條件3 的刻蝕均勻性最佳,條件1 的刻蝕均勻性最差,條件1 的均勻性差主要在于其在晶圓最邊緣的位置刻蝕量小,而在晶圓二分之一的位置刻蝕量較大,導致其刻蝕量的極值較大,進而影響其刻蝕均勻性。對比條件2 和條件1 的各個位置的刻蝕及刻蝕均勻性可以看出,擺臂scan 時的速度對刻蝕的均勻性有較大的影響,條件2 擺臂在晶圓二分之一處的scan 速度較晶圓其他位置快,即在該位置停留時間短,噴淋處的刻蝕藥液也少,其均勻性也得到了明顯的改善。由于條件1 和2 的擺臂的scan 起始位置均不在晶圓的邊緣處,所以在這兩個條件下晶圓在邊緣的刻蝕量均是整片刻蝕量的低點,主要是由于刻蝕藥液和邊緣接觸時間短且該位置的藥液少導致的。從條件3 可以看出其在晶圓邊緣的刻蝕量有一定的提升,進而改善了其整體的刻蝕均勻性。

圖5 三種條件下的刻蝕均勻性

圖6 給出了三個條件下連續刻蝕50 片時藥液的回收率,藥液回收率對控制刻蝕的成本具有重大意義。條件3 的藥液回收率最高,其主要原因在于噴淋藥液時晶圓轉速的提高,晶圓轉速提高至500r/min 時,刻蝕液能夠有效的被晶圓甩到回收接液盒(cup)內,進而直觀的提高藥液的回收率。

圖6 三種條件下刻蝕50 片晶圓時的藥液回收率

3 結論

本文分別測試了單片式濕法刻蝕機在三種不同條件下的刻蝕均勻性及刻蝕藥液的回收率,擺臂scan 的位置及速度曲線對晶圓刻蝕均勻性有較大的影響,通過測試刻蝕量的大小,調節擺臂的速度曲線能夠有效地提高材料的刻蝕均勻性。刻蝕藥液的回收率與噴淋時的轉速有較大關系,一定程度的提高晶圓轉速能夠提高藥液的回收率,降低刻蝕成本。