匀胶显影设备工艺原理、结构及常见故障分析

任泽生

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

光刻技术是半导体工艺制造技术中最重要的工艺之一。涂胶显影设备结构虽比不上光刻机的复杂程度，但也是半导体生产中是不可缺少的设备，其设备维修也涉及到物理、化学、机械、电气及控制等多方面的内容。

国内对涂胶显影技术的论述较少，文章[1]对整个光刻技术的工艺步骤进行介绍，分析了涂胶显影改进技术对光刻工艺的影响。文章[2]、[3]主要对涂胶显影设备的传片方法、设计思路进行了详细的介绍。文章[4]开发了一套涂胶显影控制系统，详细介绍了对控制系统中的各个环节。文章[5]对涂胶显影设备与光刻机内联控制的接口形式、通信协议等方面进行了介绍分析。

文章[6]针对涂胶显影设备显影工艺中显影液偷滴造成的Tmap缺陷，给出了调整nozzle回吸方法。文章[7]对涂胶显影设备中空轴电机的原理进行了分析介绍。文章[8]对OVEN单元中的热板（HP）的作用、控制原理及PID参数调整进行了详细的介绍。文章[9]提出了针对ACT高精度热板的一种校准方法。本文介绍涂胶显影设备结构组成，总结了匀胶显影设备的常见故障，并提出了各种故障的处理措施。

1 匀胶显影工艺流程及原理

一般的光刻工艺需要经历一系列工序，其中的大部分工序是由匀胶显影设备完成。

1.1 涂胶显影工艺流程

整个光刻工艺中的涂底、旋转涂胶、软烘、后烘、显影、硬烘都是在涂胶显影设备中完成，如表1所示。晶片通过CSR或PSR机械手臂从盒站中取出，并送到各工艺单元，完成相关工艺处理后的晶圆再由CSR或PSR机械手臂送回盒站。

表1：光刻工艺流程图

1.2 涂胶显影技术原理

涂底：将六甲基二硅亚胺（HMDS）作用于晶圆上，使其具有疏水性，增加基底表面的黏附性。涂底的方式有两种：一种为旋转涂底，但HMDS用量较大且HMDS属于剧毒化学品，涂底不均，容易存在颗粒污染；另一种为气相热板涂底，如图1所示，在高温环境下，HMDS蒸汽沉积，避免颗粒污染并且涂底均匀。

图1：HMDS单元供液系统

匀胶：在晶圆表面覆盖一层光刻胶。覆盖的方式主要为喷胶式和旋涂式。喷胶设备将光刻胶通过胶嘴以“胶雾”的形式喷射到晶圆表面，胶嘴在喷胶过程中以特定行驶轨迹往返运动，喷胶式适用于带深孔的晶圆片。旋涂式又分为静态旋涂与动态旋涂，静态旋涂是在晶圆静止时滴胶，Chuck带动晶圆旋转，完成甩胶、挥发溶剂过程；动态旋涂是晶圆在较低速度（300-500rpm）旋转同时滴胶，然后加速旋转，完成甩胶、挥发溶剂过程。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与均匀性，采用旋涂法胶膜的厚度与光刻胶的浓度、黏度和转速有密切的关系，如公式（1）所示：

其中T为胶厚，K为比例常数，C为光刻胶浓度，η为光刻胶黏度，ω为转速。

式中除了ω其他都是常量，而α的值一般为1/2,所以近似得出公式（2）：

胶膜的均匀性是与旋转加速度、旋转加速时间有关，加速度越快越均匀性越好。一般均匀性要求在膜厚的0.5%以内。

软烘：为了避免光刻胶里面的溶剂吸收光，影响光敏聚合物的化学变化，以及增加光刻胶和晶圆表面的黏结性，采用软烘的方式将光刻胶中一部分溶剂蒸发掉。将涂完胶的晶圆放置在温度80-120℃的软烘腔内，静置一定的时长。胶膜中的溶剂蒸发至10%以下，增加附着力并且释放胶膜内的应力，防止胶膜龟裂。软烘的方式有三种：传导、对流和辐射。热板传导的方式可以得到稳定的温度，并且加热速度位于另外两者之间，因此是最常用的软烘方式。

后烘：晶圆曝光后的烘烤，温度在110-140℃之间。可以减少驻波效应，为质子酸（H+）提供反应所需的能量，在短时间内发生化学反应。

显影：正胶的曝光区与负胶的非曝光区的光刻胶在显影液中被去除，其余的光刻胶被保留在晶圆上，形成三维光刻胶图形。显影的方式有多种，整盒硅片浸没式显影，这种显影液消耗很大，显影的均匀性也差；另外一种为连续喷雾旋转显影，一个或多个喷嘴喷洒显影液，同时晶圆低速旋转（100～500rpm），喷嘴喷雾方式和旋转速度是实现溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数；还有旋覆浸没式显影，首先慢慢旋转同时喷覆足够的显影液，静止状态下进行显影，显影完成后经过漂洗再甩干。这种显影液用量少，显影均匀，最小化温度梯度。

硬烘：在一定温度下，对显影后的衬底进行烘焙。可以去除光刻胶中剩余的溶剂，增强附着力同时提高在刻蚀过程中的抗刻蚀性，进一步增强光刻胶与晶圆表面间的黏附性及减小驻波效应。

2 匀胶显影设备结构

自动匀胶显影设备厂商较多，日本TEL、德国SUSS、奥地利EVG以及国内沈阳芯源等公司都有成熟的涂胶显影设备生产能力，但日本TEL的涂胶显影设备在全球都处于垄断地位。虽然不同厂商设备的结构及方式各不相同，但大多都采用单元模块结构，且功能都很类似。主要由盒站单元CS、盒站机械手臂CSR、工艺机器人手臂PSR、涂胶单元COT、显影单元DEV、热烘/冷却OVEN单元、对中单元CA等部分构成。部分机台包括边部曝光单元WEE，并且具有与光刻机互联功能，如图2所示。

图2：匀胶显影设备结构单元

2.1 LOAD单元

包括CS片盒模块和CA对中模块。两个或多个CS单元有助于提升设备流片量。为将晶圆准确放置在chuck中心或部分机台采取chuck边缘吸附晶圆方式时，会有晶圆对中功能及找边功能。对中的方式主要有两种：机械对中和光学对中。机械对中较为简单，通过robot将晶圆放置在对中盛片台上，两边的对中卡盘，同时向盛片台中心移动，两个卡盘到盛片台中心的距离一致，从而保证晶圆在盛片台的中心位置。光学对中通过摄像头成像识别送入CA模块中的位置，给出调整位置，实现对中功能。

2.2 机械手臂CSR与PSR

CSR具有晶片定位检测（Mapping）功能，并且通过R（X）轴、T（Y）轴和Z轴实现晶片在Cassette和各个单元之间的传输功能。Mapping是机器人手臂红外发射接收装置通过对Cassette的扫描，来检测晶片的位置及数量，扫描的方式有反射式，也有对射式。传送晶片时固定晶片的方式有两种：Finger真空固定，Finger卡具固定。

2.3 匀胶(COT)与显影(DEV)单元

将光刻胶均匀的喷涂在晶片表面的方式有两种：涂胶型和喷胶型。涂胶型结构主要由中空主轴组件、COT胶臂组件、EBR手臂组件、CUP组件、各组件升降气缸及废液收集组件等组成，部分设备增设温控系统。喷胶型COT胶臂组件和Chuck与涂胶型有所不同，如图3所示。

图3：喷胶COT单元

显影单元的结构与匀胶单元涂胶型的结构类似，主要区别为药液不同，无洗边功能、喷嘴结构不同。

2.4 热烘/冷却OVEN单元

OVEN单元包括若干个热板模块、冷板模块，部分设备还会增加AD模块以及WEE模块。主要对晶圆进行涂底、软烘、后烘、硬烘和冷却等工艺。每一个模块都需要单独的高精度的温度控制系统对加热盘和冷却管路进行控制。为了保证工艺的稳定性，需要定期对相关单元进行温度校正。

3 影响匀胶显影工艺的因素和设备常见故障的处理

设备无法完成工艺加工原因有三个方面，一是设备性能参数无法达到工艺加工要求；二是各项工艺参数需要优化；三是设备自身部件发生损坏或性能下降。第一种需要通过对设备部分功能结构进行升级改造，来提升工艺加工指标。这里主要讨论后面两种情况对匀胶显影工艺的影响和引发的常见故障。

3.1 影响匀胶显影技术工艺的因素

涂/喷胶异常：

（1）晶圆上的胶膜出现细微气泡，一种集中分布在晶圆中心附近分布，一种在晶圆表面杂乱分布。工艺过程中气体混入光刻胶是引起此现象的主要原因。首先，采用手动涂胶方式，检查原始光刻胶中是否存在细微气泡；其次，检查整个胶路，重点检查胶瓶罐、缓存罐、过滤器、胶泵以及喷头的连接处是否存在光刻胶泄漏情况。打胶时，过滤器、胶路内是否有气泡产生，如有气泡找到产生原因。涂胶工艺需要通过调节回吸阀把回吸降为零，减缓回吸阀的导通和关断速度，降低胶泵打胶和回胶速度等方式进行排查验证。除此之外，可选择动态旋涂方式，并且改变滴胶过程中晶圆的转速，来避免涂胶工艺中出现气泡。喷胶工艺还需检查胶路单向阀性能是否完好，如出现气体回吸情况，需清理单向阀。另外喷胶台面的温度过低，溶剂来不及挥发出去也会导致气泡的产生。喷胶的形貌不佳可以通过清洗更换毛细管，调节喷嘴角度，改变供气大小来解决。

（2）晶圆的胶模上存在针孔或细微杂质，非气泡形貌。主要是由于涂胶或喷胶工艺中由环境的中的微粒污染物引起的。检查设备的除尘排风功能是否完好，定期需要更换空气过滤装置和光刻胶过滤器。在维修或保养胶路时，胶路连接处需要保证洁净，无异物落入。

显影异常：显影针对正光刻胶和负光刻胶不同的显影特性，采用不同的显影液和冲洗液进行显影处理。显影工艺中，软烘时间与温度、显影液浓度、时间、温度以及显影方法都对显影结果产生一定的影响。需要所有的参数进行测试后，选择最优工艺参数。

常见的显影异常为：

（1）显影不完全。显影不够深导致晶圆表面还残留需清除的光刻胶，由于显影液不足造成；

（2）显影不充分，显影的侧壁不垂直，开孔的侧面出现内凹，主要由于显影时间不足造成；

（3）过显影问题，靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶，显影时间太长导致。显影时间过长或者显影液过多容易使得周围光刻胶太薄，导致刻蚀中的断裂或翘起。另外，维修过程中，一定注意非黄光的使用。避免因不正确的照射引起工艺问题。

热烘异常：软烘的主要参数是时间和温度，二者会影响图形定义好坏和刻蚀工艺中光刻胶与晶圆表面黏结性的质量。软烘时间或温度异常，可能会导致胶膜出现龟裂；软烘腔体内的排气不畅，会影响胶膜厚度的均匀性。烘烤不足，会减弱光刻胶的强度，降低针孔填充能力，降低与基底的黏附能力。烘烤过度则引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。硬烘温度与时间的选取特征与软烘类似，温度上限以光刻胶流动节点为限，当在显微镜下检测到光刻胶边缘明显增厚，则需调低设定温度。

3.2 匀胶显影设备常见故障及处理

涂胶显影设备，涉及电气控制，机械运动，供液、气路真空系统，对环境温度以及单元模块的温湿度要求也较为严格。一般把常见故障可分为：供液系统故障、温湿度控制故障、机械手臂故障、电机与气缸运动故障、电控系统及软件故障等方面。

3.2.1 供液系统故障

供液系统包括光刻胶胶路系统、显影液和EBR溶剂供液系统以及纯水等所有供液管路及系统。主要故障有以下几个方面：

（1）出液异常：不出液（胶）时，需要检查储液（胶）罐、缓存罐中是否有液（胶）存在，供液罐内部是否有压力；电磁开关阀、气动回吸阀、胶泵是否动作，排气阀、排液阀是状态否正确；出液流量低时，检查压力表指示是否过低，胶泵流量设、药液流量计指示是否正常，管路中的调节阀、过滤器、EBR针和毛细管等元件是否发生堵塞。

（2）漏液或漏液报警故障，首先排除传感器误报情况，再检查漏液处的接头、管路及密封圈状况，找到漏液点后，需分析引起漏液的原因是老化所致，还是压力过高等原因，管路堵塞，调节压力不当也会导致漏液发生。

（3）管路内或胶膜上有气泡，对过滤器进行排气或更换，清洗气动阀或调节回吸阀。

3.2.2 温湿度控制故障

涂胶显影设备对温湿度的精度要求比较高，设备中的温湿度控制包括整机的空调系统、OVEN单元的冷热板模块、涂胶及显影单元的温控模块等。主要故障为：

（1）温控器错误报警；一种为温度超限报警，实际温度长时间处于设定温度上下限之外时，需要检查加热器是否损坏，固态继电器或温控器的输出功能是否异常；另一种是温控系统异常报警，一般为加热控制器内部电源或PCB控制板故障，chiller流量计损坏或水路堵塞引起的流量故障，chiller电源故障、缺水引起的循环泵故障、TEC制冷片故障。定期检查chiller液位，缺水时及时补上冷却液能有效降低循环泵损坏和管路堵塞概率。

（2）湿度超限报警，可排查设备空调控制器情况、加热器好坏、是否缺水、管道是否通畅等。

（3）温度跳变较大或显示与实际不符，主要由热偶性能下降、热偶线抗干扰能力差，接线松动、热偶接触点发生变动、温控器故障所致。

（4）温度出现偏差，与热偶性能，设备环境变化，热板表面洁净度都有关系，定期需要清洁热板并对每个温控模块进行计量校准调试。

3.2.3 机械手臂PSR、CSR故障

机械手臂主要出现以下几个问题：

（1）传片位置存在误差导致蹭片、掉片，软烘时手臂送片位置搭在热板的定位柱上，导致受热不均，影响厚度均匀性，需要通过机械手控制器重新调校机械手臂在各个单元的位置。

（2）机械手mapping故障，检查反光条表面沾污情况，通过软件调试放大器反馈信号至最佳，如不行更换mapping放大器和探头。

（3）机械手臂真空报警，需要排除晶圆翘曲引起的真空报警，检查手臂真空吸头胶垫是否破损、检查机械手臂输入真空是否正常、机械手臂电控气动阀故障、机械手臂内部气路是否有破损、过滤器是否堵塞。

（4）机械臂运动时噪音大、飞片或初始化失败，如有设备报警，根据报警信息检查X轴、Y轴、Z轴或R轴中对应驱动器是否存在错误代码。根据错误代码更换驱动器、编码器以及电机等配件，驱动器注意原始参数的写入要求。如无报警信息，需检查机械臂的导轨，轴承是否润滑，皮带松紧是否正常。

3.2.4 电机、气缸运动故障

设备中会用到交流伺服电机、步进电机、直流电机等多种类型电机。由于涂胶、显影单元需要将晶圆吸附到承片台上，因此涂胶、显影的旋转电机，采用特殊的中空轴电机。溶剂喷洒臂，采用可旋转升降气缸。常见故障：

（1）涂胶及显影单元转动噪音大，并逐渐恶化。一种为电机内部进胶或轴承轴承磨损导致，需要清洗电机内部更换轴承或电机，增大设备内部排风，降低气溶胶进入电机的数量，定期清洁电机转轴处及防溅罩上的残胶。一种为电机上的承片台位置变化或电机匹配性能差引发动平衡问题，需要重新安装承片台并调节匹配值。

（2）转速异常，检查驱动器是否出现错误代码，如出现根据错误代码排查问题，检查驱动器与电机之间接线接触是否良好。采用排除法，更换驱动器等易更换部件，确定电机、编码器或驱动器之间故障元件。

（3）气缸运动报警，检查厂房压缩空气供气压力是否正常，一般为气缸串气、漏气，位置传感器故障，气缸内部磁环性能下降，电控气动阀故障等原因所致。

3.2.5 真空、气路故障

除了部分机械臂需要真空吸附晶圆，涂胶或显影单元的晶圆吸附也需要真空功能，常见故障为出现真空差或掉片。首先排除其他单元的真空模块空吸、个别晶圆翘曲等，造成的设备整体真空下降。中空轴电机滑动密封性能下降，真空管路破损，接头松动，承片台表面有划痕或凸起导致的真空泄露，采用更换损坏配件解决，承片台可采用打磨平台表面并贴薄膜的方法临时恢复设备功能。真空过滤器、管路堵塞，真空发生器性能下降或真空发生器压缩空气供气不足导致的真空度下降，采用更换配件，增大供气量解决。接头管路或气缸发生漏气现象，主要是接头破损，气缸内部密封圈磨损导致。

3.2.6 电控及软件故障

电控及软件故障问题一般出现后，处理起来比较麻烦：

（1）因电池电压低、或者非正常关机等原因，导致数据丢失。需更换新的主板电池，还原以前备份的数据以及相关文件，并且调节机械手所有初始运动位置，用测试片进行每个单元的传输测试，因此需定期对数据及系统进行备份。

（2）设备通讯故障，并且常以偶发性软故障出现。主要检查相关的线路接头是否松动，线路是否破损，通讯制板接插是否可靠，直流电源供电电压是否处在临界状态。

（3）上电无反应，或者部分元件指示灯不亮，主要检查保险是否损坏，保护继电器、空气开关和急停开关是否动作，设备供电是否缺相，直流电源是否损坏等。

（4）初始化异常,信号传感器错误、光电开关及信号放大器性能下降、驱动器故障、马达故障是导致这些情况的主要原因，需定期清洁光电反射板、信号接受器元件或重新调校信号放大器，对马达丝杆进行清洁润滑处理。

4 结束语

匀胶显影设备做为半导体工艺重要设备之一，维修涉及多个学科知识交叉的情况，随着半导体工艺技术的发展，设备维修工作越来越复杂，需要维修人员，结合工艺实际情况，思路准确，不放过任何一个细节，才能彻底解决的遇到的问题。