H P-6 0 2型化学腐蚀抛光机研制技术及应用

陈仲武，宋文超

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601）

H P-6 0 2型化学腐蚀抛光机研制技术及应用

陈仲武，宋文超

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601）

介绍了抛光片化学腐蚀抛光原理和HP-602型化学腐蚀抛光机设备用途、结构组成、性能特点，以及解决的关键技术和应用，能自动完成晶片抛光后的碱腐蚀和清洗工艺，是材料行业晶片制备中的关键设备。

化学腐蚀抛光；循环溢流槽；自动传输机构；PEEK提篮

随着大规模集成电路和微电子技术向高密度、高集成度和高可靠性方向发展，对半导体材料的要求也越来越高，晶片表面质量和厚度一致性等参数指标，对后序的器件工艺及集成电路工艺有着至关重要的影响，直接影响器件成品率、性能和可靠性。化学腐蚀抛光是晶片制备中最重要的步骤，本文主要介绍化学腐蚀抛光工艺原理、设备研制和典型工艺参数。

1 工艺原理

晶片研磨之后，晶片表面还有一定量的均衡损伤，要将这些损伤去除，但尽可能低的引起附加的损伤，比较常用的就是采用化学腐蚀方法：碱腐蚀和酸腐蚀。两种方法都被应用于溶解晶片表面的损伤部分，而且都有各自的优缺点。但从腐蚀速率、表面质量、控制难易、环境影响等方面比较，一般都采用碱腐蚀为主，腐蚀清洗完成后晶片表面无碱印、无花篮印、无花纹、无色差，合格率达到99%以上。

碱腐蚀使用碱性氢氧化物如氢氧化钾（KOH），KOH与硅片的基本反应式为：Si+2H2O+2KOH→2H2+Si（OH）2（O）2+2K+。用这种方法，晶片浸在45%的KOH和55%纯水的溶液中，溶液加热至约100℃，温度精度控制在±2℃以内，腐蚀完成后，需要将晶片尽快浸入纯水以阻断KOH与晶片表面之间的继续反应。由于采用多片（50～100片）同时腐蚀，为了提高腐蚀速率、腐蚀表面质量和片间均匀性，装片盒提篮可以在腐蚀槽上下抛动，化学液溢流循环并过滤，从腐蚀槽到快排冲洗槽时间不超过3 s，对纯净水冲洗压力流量都有较高要求，工艺过程除了上下料外，腐蚀、传输和冲洗过程全自动完成，对设备功能和可靠性要求较高，除了机架、槽体、管路、控制等设计外，工艺程序可以编程、参数可以界面设定，并有检测、保护和安全措施。

2 设备组成和工作原理

HP-602型化学腐蚀抛光机（以下简称设备）主要用于晶片研磨之后的腐蚀、清洗工艺，主要实现KOH腐蚀和快排冲洗槽（QDR）喷淋冲洗等工艺功能；设备组成包括机架、PTFE腐蚀溢流槽、QDR快排冲洗槽、PEEK提篮、传输机构、管路部分、排风排液部分和电气控制部分（见图1、图2）；槽体设计兼容晶片 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），每批次处理4盒100片。

设备工作原理：开机后，人工手动从设备前方QDR槽处上料，在提篮里可以同时放置4片盒，由传输机构翻转到PTFE腐蚀槽，完成腐蚀工艺后传输机构自动翻转到QDR快排冲洗槽清洗，传输时间不超过3 s，清洗结束后提示人工手动取出片盒，然后进行下一批次腐蚀清洗。

图1 设备外形图

图2 设备台面布局图

2.1 槽体功能

PTFE循环溢流腐蚀槽由PTFE工艺槽、储液槽、管路在线加热、循环泵及管件管路系统组成，其结构原理见图3，具有腐蚀、溢流循环、在线加热、过滤和排放冲洗功能，工艺过程和工艺时间可以编程。槽体由PTFE材料一体注塑成形，为四面V型循环溢流结构；液体加热采用管路PFA在线加热器（12 kW），加热温度范围：室温～100℃，精度±2℃，温度检测采用铂电阻（全氟保护套）温度探头浸没在槽体（中间位置）溶液中的方式检测，再利用温控仪进行控制；溶液循环采用高温全氟风囊泵实现溶液循环，流量最大40 L/min；管路装有全氟过滤器，过滤精度10 μm；槽内安装有N2液位检测系统，当液面过低时发出声光报警；溶液的供应采用人工手动配液至储液槽，通过循环泵将溶液打入工艺槽中，满足工作液位后进行自循环工艺运行；溶液排放时利用工作循环泵将内外槽及管路中溶液排放至贮液槽。溶液在贮液槽自然冷却后，人工操作按钮控制气控阀排放专用管道，排放温度小于50℃，由程序互锁保护，在排放口处安装有手动阀门进行二次保护；定期对槽体和循环管路进行DI水清洗，可以通过界面选择操作，清洗自动完成，避免槽体管路KOH结晶。

QDR快排冲洗槽主要由喷淋槽、溢流槽、匀流板、快排气缸、喷管喷嘴、氮气鼓泡、管路和管件等组成，其结构原理见图4，具有喷淋、溢流、快排和氮气鼓泡等功能，各功能的运行时间及次数可编程控制。槽体由NPP板材焊接加工而成，底部DI水注入，上部DI水喷淋，注入时间小于60 s，排放时间小于6 s；为了增加清洗效果，喷嘴采用实心圆锥，喷出的DI水不可雾化，底部增加氮气鼓泡；注入喷淋DI水通过储水槽采用磁力泵供给，满足冲洗压力和流量。

图3 PTFE腐蚀溢流槽结构原理图

图4 QDR快排冲洗槽结构原理图

2.2 自动传输机构

自动传输机构由电机驱动部分、旋转摆臂部分和提篮组成（见图5），主要功能是把放有片盒（装有待腐蚀晶片）的提篮，自动传输到腐蚀槽内，完成腐蚀工艺后，再自动传输到QDR快排冲洗槽内，进行清洗工艺。主要难点是：（1）每批次处理4片盒100片，负载较大；（2）提篮从PTFE腐蚀槽摆动到QDR快排冲洗槽，时间不超过3 s；（3）驱动位置精度、可靠性和安全性。电机驱动部分安装在设备顶部，与腐蚀湿区隔离，由伺服电机驱动，同步带传动，电机转速可调，增减速编程，可以正反转，摆动位置通过脉冲和信号凸轮控制，增加位置保护和自锁功能，实现位置精确传输，避免撞车或者位置过冲，为了增加腐蚀效果和腐蚀均匀性，提篮在腐蚀槽内上下抛动，抛动频率30～60次/min，抛动行程60～100 mm，在范围内可以通过界面设定。旋转摆臂安装在机架两侧，由同步带驱动，实现正反转摆动和腐蚀槽内上下抛动，速度位置可调，对提篮挂钩采用同步带反向定位，保证提篮位置垂直向下，避免在传输过程中片盒移位或者晶片掉出，同时对旋转摆臂结构设计和材料选用进行防腐保护处理。

图5 设备自动传输和摆臂结构图

图6 设备提篮结构图

2.3 PEEK提篮

提篮采用具有较好机械强度、耐高温、耐腐蚀的PEEK材料加工制造，结构设计如图6所示，四周敞开，上部直杆为提篮受力支撑部分，两端与摆臂挂钩连接，易于取放和定位；提篮底板为片盒定位，除了片盒四角定位外，片子位置部分为中空结构，连接部分也开孔，既减轻质量，又易于溶液循环、提篮抛动和DI水冲洗；两端端板连接提篮底板和上部直杆，设计为中空结构，片盒上部有压杆，防止晶片在腐蚀和抛动时移出片盒。另外，由于PEEK材料是一种经受极强化学腐蚀的材料，具有良好的耐热、物理电阻和环境电阻性能，易于加工也是重要的特性之一，所以在KOH溶液浓度50%，温度在90℃～130℃的溶液和常温DI水中交替使用，仍可保持优良的机械性能和材料稳定性，并通过用户长时间使用验证，也是实现晶片腐蚀清洗后晶片表面无碱印、无花篮印、无花纹、无色差的重要条件之一。

3 设备主要特点

（1）设备结合国外最新技术和工艺，应用成熟单元技术，正面操作区采用左右对开门结构，观察窗为透明PVC材料，侧面开有PVC活动门（在KOH腐蚀槽位置），以便用户观察腐蚀情况；排风装置由引风窗及排风口等组成，引风窗位于槽体后方，排风口（2个）位于设备后上部，排风口有手动调节装置；设备前、后下方及设备左右两侧均设有维护门。

（2）设备控制部分与湿区隔离，通过PLC实现控制功能，操作面板位于设备前上部，控制按钮及主要显示仪表设置其上，用户可根据需要，通过触摸屏对整机工艺实现参数设置和控制。制程区设有照明装置，照明装置和湿区隔离，设备具有风压检测功能，以及氮气和压缩空气压力报警功能。

（3）PTFE循环溢流槽采用一体注塑成形，避免加热变形；具有储液槽和冲洗功能，避免槽体管路结晶，通过循环在线加热，实现温度精度；QDR快排冲洗槽通过磁力泵控制流量和压力，实现晶片化抛后的表面质量。

（4）自动传输机构通过伺服电机驱动，同步带传送，信号凸轮和脉冲控制位置，实现正反转和增减速编程，抛动行程和频率可以设定，位置精度高，传输快速平稳，运行安全可靠。提篮材料选用PEEK，具有耐高温、耐腐蚀和易加工特点，结构设计合理，满足工艺使用和成品率要求。

（5）管路、接头、电磁阀、溶液阀、泵和过滤器等采用品牌产品，符合1000级净化等级要求，管路设计合理，连接可靠，化学液温度、流量、压力控制和循环系统精度高，具有设定、显示和故障报警等功能。

4 小 结

该设备研制成功投入用户使用以来，通过连续运行和大量产品证明，晶片腐蚀清洗完成后表面无碱印、无花篮印、无花纹、无色差，合格率达到99%以上，工艺参数稳定，批量处理能力强，完全可以替代进口设备。同时可以应用到继硅之后的砷化镓等新一代半导体功能材料，其抛光片质量将显著提高器件的成品率、性能和可靠性，以满足制造高性能微波变频器件及光电器件，广泛应用于雷达通讯、精确制导、新一代卫星通信等系统，以缩短与国外先进技术的差距，为国内材料行业工艺发展和装备制造奠定基础。

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[1]刘传军，赵权，刘春香，等.晶片清洗原理与方法综述[J].半导体情报，2000，（02）：30-36.

[2]杨洪星，吕菲，赵权，等.砷化镓抛光片总厚度变化之研究[J].半导体情报，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

陈仲武（1966-），男，甘肃合水，高级工程师，主要从事半导体专用设备研究与开发，近些年主要进行湿法腐蚀清洗设备研发、制造和技术服务，特别是对国外同类设备技术和用户工艺技术有较深入研究。