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晶圓濕法蝕刻清洗工藝及流量控制研究

發(fā)布時間:2023-10-21發(fā)布人:

對比兩種集成電路制造濕法工藝設備的優(yōu)缺點及未來發(fā)展趨勢,對影響單片濕法清洗工藝中蝕刻率因素進行分析總結,介紹化學藥液混合和制程噴吐中流量控制技術的發(fā)展,設計實驗將兩種化學藥液流量控制閥件的蝕刻清洗效果對比,并對未來技術發(fā)展進行簡要分析。集成電路線工藝不斷進步,對工藝過程中的晶圓潔凈度要求越來越高,濕法蝕刻清洗工藝是半導正面噴頭體制造工藝步驟中數(shù)量最多工藝。

因此,濕法清洗晶圓設備能力的好壞直接影響產品的良率。單片濕式清基座洗設備正逐漸成為半導體硅片制造清洗工藝主流設(a)備,蝕刻量是濕法最重要的工藝控制參數(shù)之一,影響蝕刻量的三大因素(化學藥液溫度、化學藥液濃度、化學藥液流量),后兩者都與流量控制密切相關。

濕法清洗設備及單片清洗機臺優(yōu)勢

摩爾定律不斷接受新的挑戰(zhàn),濕法蝕刻清洗設備也在不斷進步,現(xiàn)有濕法清洗設備按清洗方式可分為批次清洗設備(BenchClean),如圖,和單片清洗設備(SingleWaferClean),如圖1(b)。一顆芯片顆粒的制作工藝要經過數(shù)千道工序,納米級數(shù)的不斷縮小,工藝數(shù)量仍在增加,所以如果晶圓的尺寸越大,經過同樣的工藝往往可得到更多的芯片顆粒,因此晶圓大小從6in到8in再到12in。在厚度不變的前提下,晶圓尺寸變大隨之而來的弊端是更容易破片,且對蝕刻清洗的均勻度(Uniformity,U%)把控難度更大。對于Bench機臺來說,破片的影響是致命的,單片的破碎可能導致整批50片晶圓的報廢;隨著技術的進步單片清洗機可以調節(jié)噴嘴的位置以及卡盤轉速,在晶圓表面不同位置進行化學藥液的噴吐,達到更好的蝕刻清洗均勻度。

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單片清洗設備最大的缺點是生產速率(ThroughPut)低,但隨著設備制程腔室的增加,從4腔→8腔→12腔→24腔,單片濕法清洗機的生產速率已經和Bench機臺基本持平甚至反超,因此未來單片濕法清洗機臺必然是清洗設備的主流。Singlewaferclean制程腔室示意如圖,晶圓卡盤(Waferchuck)固定并帶動wafer旋轉,通過正反面噴吐的化學藥液來蝕刻清洗晶圓。

2 影響單片濕法清洗設備蝕刻率的因素

濕法清洗的目的是去除晶圓上前一道工序殘留或者副產物,使之不進入后續(xù)工序。一般通過化學藥液與晶圓表面去除物的反應,或不同特性的化學清洗液處理以后的晶圓表面親水性質改變,表面電荷改變,達到去除殘留物的目的。其化學反應強烈程度與溫度、濃度、化學藥液的反應量密切相關,而蝕刻量是檢測化學反應強烈程度的重要手段。檢測蝕刻量的三個重要指標平均值(Mean)、蝕刻量極差值(Range)、蝕刻均勻度(Uniformity,U%)是檢測蝕刻量的重要指標。U%計算方法如式(1。

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其中,Emax是最大蝕刻量(Max Etch Amount),Emin是最小蝕刻量(MinEtchAmount),Average是蝕刻量平均值。

RCA清洗工藝被廣泛應用于濕法蝕刻清洗機中,當化學藥液溫度和濃度一定的情況下,通過反應量來控制蝕刻量,廣義上反應量是化學藥液流量與噴涂時間的乘積,化學藥液混合濃度也是通過精準的流量控制達到的。

3 濕法 Singlewaferclean流量控制

3.1濕法清洗流量控制發(fā)展

基于反饋調節(jié)的流量控制,用電磁流量計結合線性電機控制閥來進行,可以實現(xiàn)精度為0.01mL/min的流量控制如圖2所示。


為了保證均勻的蝕刻率Singlewaferclean對廠務供應過來的化學原液,通常被混合系統(tǒng)稀釋或者混合成特定比例的process chemical,再經過循環(huán)供應系統(tǒng)供應到制程腔室,最早singlewafer循環(huán)系統(tǒng)參照Bench機臺,即分別經過藥液桶槽,泵,穩(wěn)流器,壓力計,加熱器,過濾器,流量計,再走向供應系統(tǒng),如圖3所示。

3.2流量反饋控制邏輯

腔室(Chamber)端調節(jié)噴吐流量的閥件最早采用手動調節(jié)針閥,在腔室數(shù)量較少的情況下,經過工程師熟練的調節(jié)往往可以達到制程需要的穩(wěn)定流量,現(xiàn)某些對流量精度要求不高地方仍在沿用(如ChamberAuto Clean)。隨著電動針閥的技術不斷進步,其通過對脈沖參數(shù)設定達到控制閥件的開度目的,對于流量調節(jié)效率大大提升,漸漸取代了手動針閥。但是隨著技術進步,對流量的精度要求越來越高,且SingleWaferclean制程腔室數(shù)量增加,不同chamber同時使用時壓力波動大,僅僅依靠電動針閥調節(jié)流量已不能達到需求(開環(huán)調節(jié)控制)。因此自動反饋調節(jié)技術應用到流量控制,通過PID(比例積分微分)對應參數(shù)的設定,電動調節(jié)針閥針對流量計反饋過來的流量信號自動調節(jié)開度大小實現(xiàn)了流量穩(wěn)定控制(閉環(huán)反饋控制),極大的保證了流量控制的精度。

應用10nm濕法清洗蝕刻制程工藝機臺流量控制舉例如圖4所示,圖中,W代表設定點默認值(set-pointdefaultvalue),Y代表脈沖和控制輸出信號(Pulse and control output signal),X代表(實際藥液循環(huán)供應值),Controller用于接收Flowsensor檢測到的流速,并與設定值進行對比,將得出的數(shù)據進行處理發(fā)送給MN(motorneedlevalve)。Flow sensor用超聲常閉氣動閥波檢測的方式檢測流速,將實際的流速值轉化成電藥液循環(huán)回流信號,發(fā)送到controller。Motor needle valve在接收到由controller發(fā)出的調節(jié)閥的信號后,MN作動,使流速控制在設定值。

化學藥液向制程腔室內供給順序是腔室3一腔室2一腔室1,當化學藥劑進入腔室3后,再進入腔室2的流量就會減小,需靠調節(jié)閥的開度來使之后進入腔室2與腔室1的化學藥液的流量。例如,某道制程工藝有三種不同的流量需求(300、600、1000mL/min),圖5中供應管線就有0~3000mL/min區(qū)間內24種不同流量供應開度組合如表1。同一供應管路上的制程腔室還會相互影響,因此還需要恒定的壓力和與之相應的壓力檢測系統(tǒng)。

4 不同流量控制閥件清洗效果對比

為了保證實驗結果的準確性,實驗背景為:化學藥液為1:200稀釋氫氟酸(DHF),25℃,中心噴吐,wafer轉速1000r/min逆時針,其他環(huán)境條件一致境況下,300mm晶圓控片45nm級以上顆粒物數(shù)量檢測。

A機臺為某12腔機型(UltraC),采用手動針閥調節(jié),任意挑選三個制程腔室;B機臺為某12腔型號(SU3200),采用自動反饋針閥調節(jié),任意挑選三個制程腔室;流量條件分別為1000、1500和2000mL/min下,清洗10s后殘余顆粒物數(shù)量,結果如圖6所示。結果顯示在其他條件相同情況下采用自動反饋針閥調節(jié)清洗效果顯著優(yōu)于手動針閥調節(jié)。

5 濕法蝕刻清洗流量控制技術發(fā)展方向

在應用內外循環(huán)流量控制的技術前提下,電動調節(jié)針閥加反饋調節(jié)的機制,理想狀態(tài)下可以將液體流量中段部分的流量控制在土2%以內,但是初段和末段的流量穩(wěn)定性依然無法很好的控制,這是由于閥件的結構動作和液體的“水錘效應”共同影響的結果,這不利于不同流量之間的快速切換控制,初段和末段的流量的控制必然是未來流量控制研究的重點方向之一。

對于初段流量控制應“提升的快,提升的穩(wěn)”,關鍵是要減少流量爬坡時間,降低第一峰值與目標流量值之間的差值;初始流量預排以及前端管路抽真空技術或可應用于其上。對于末端流量的控制應“停的快而干脆”,液體的“水錘效應”會拉長流量的末端降低時間,目前各類噴頭液體回吸技術正在應用于各類新型設備中,關鍵要降低“水錘效應”的影響(圖7)。

6 結語

單片式濕法清洗機必然是濕法晶圓清洗工藝的主要設備,其清洗對流量的控制精度要求越來越高,使用自動反饋調節(jié)技術可以實現(xiàn)較高的流量精度控制要求,隨著集成電路納米級數(shù)的迭代,對清洗技術的流量要求將更加嚴苛,化學藥液噴頭的目標流量將會多種,如何能夠迅速進行目標流量切換,是流量控制技術未來發(fā)展的方向,這也是儀器裝備精度保障的重要技術領域。

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