晶圓濕法蝕刻清洗工藝及流量控制研究
對(duì)比兩種集成電路制造濕法工藝設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)影響單片濕法清洗工藝中蝕刻率因素進(jìn)行分析總結(jié)，介紹化學(xué)藥液混合和制程噴吐中流量控制技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將兩種化學(xué)藥液流量控制閥件的蝕刻清洗效果對(duì)比，并對(duì)未來技術(shù)發(fā)展進(jìn)行簡要分析。集成電路線工藝不斷進(jìn)步，對(duì)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(dǎo)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(shè)備能力的好壞直接影響產(chǎn)品的良率。單片濕式清基座洗設(shè)備正逐漸成為半導(dǎo)體硅片制造清洗工藝主流設(shè)(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(xué)藥液溫度、化學(xué)藥液濃度、化學(xué)藥液流量），后兩者都與流量控制密切相關(guān)。
1 濕法清洗設(shè)備及單片清洗機(jī)臺(tái)優(yōu)勢(shì)
摩爾定律不斷接受新的挑戰(zhàn)，濕法蝕刻清洗設(shè)備也在不斷進(jìn)步，現(xiàn)有濕法清洗設(shè)備按清洗方式可分為批次清洗設(shè)備（BenchClean），如圖，和單片清洗設(shè)備（SingleWaferClean），如圖1(b)。一顆芯片顆粒的制作工藝要經(jīng)過數(shù)千道工序，納米級(jí)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(jīng)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(duì)蝕刻清洗的均勻度（Uniformity，U%）把控難度更大。對(duì)于Bench機(jī)臺(tái)來說，破片的影響是致命的，單片的破碎可能導(dǎo)致整批50片晶圓的報(bào)廢；隨著技術(shù)的進(jìn)步單片清洗機(jī)可以調(diào)節(jié)噴嘴的位置以及卡盤轉(zhuǎn)速，在晶圓表面不同位置進(jìn)行化學(xué)藥液的噴吐，達(dá)到更好的蝕刻清洗均勻度。
單片清洗設(shè)備最大的缺點(diǎn)是生產(chǎn)速率（ThroughPut）低，但隨著設(shè)備制程腔室的增加，從4腔→8腔→12腔→24腔，單片濕法清洗機(jī)的生產(chǎn)速率已經(jīng)和Bench機(jī)臺(tái)基本持平甚至反超，因此未來單片濕法清洗機(jī)臺(tái)必然是清洗設(shè)備的主流。Singlewaferclean制程腔室示意如圖，晶圓卡盤（Waferchuck）固定并帶動(dòng)wafer旋轉(zhuǎn)，通過正反面噴吐的化學(xué)藥液來蝕刻清洗晶圓。
2 影響單片濕法清洗設(shè)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(chǎn)物，使之不進(jìn)入后續(xù)工序。一般通過化學(xué)藥液與晶圓表面去除物的反應(yīng)，或不同特性的化學(xué)清洗液處理以后的晶圓表面親水性質(zhì)改變，表面電荷改變，達(dá)到去除殘留物的目的。其化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈程度與溫度、濃度、化學(xué)藥液的反應(yīng)量密切相關(guān)，而蝕刻量是檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈程度的重要手段。檢測(cè)蝕刻量的三個(gè)重要指標(biāo)平均值（Mean）、蝕刻量極差值（Range）、蝕刻均勻度（Uniformity，U%）是檢測(cè)蝕刻量的重要指標(biāo)。U%計(jì)算方法如式（1。
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(yīng)用于濕法蝕刻清洗機(jī)中，當(dāng)化學(xué)藥液溫度和濃度一定的情況下，通過反應(yīng)量來控制蝕刻量，廣義上反應(yīng)量是化學(xué)藥液流量與噴涂時(shí)間的乘積，化學(xué)藥液混合濃度也是通過精準(zhǔn)的流量控制達(dá)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(diào)節(jié)的流量控制，用電磁流量計(jì)結(jié)合線性電機(jī)控制閥來進(jìn)行，可以實(shí)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(duì)廠務(wù)供應(yīng)過來的化學(xué)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(jīng)過循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)供應(yīng)到制程腔室，最早singlewafer循環(huán)系統(tǒng)參照Bench機(jī)臺(tái)，即分別經(jīng)過藥液桶槽，泵，穩(wěn)流器，壓力計(jì)，加熱器，過濾器，流量計(jì)，再走向供應(yīng)系統(tǒng)，如圖3所示。
3.2流量反饋控制邏輯
腔室（Chamber）端調(diào)節(jié)噴吐流量的閥件最早采用手動(dòng)調(diào)節(jié)針閥，在腔室數(shù)量較少的情況下，經(jīng)過工程師熟練的調(diào)節(jié)往往可以達(dá)到制程需要的穩(wěn)定流量，現(xiàn)某些對(duì)流量精度要求不高地方仍在沿用（如ChamberAuto Clean）。隨著電動(dòng)針閥的技術(shù)不斷進(jìn)步，其通過對(duì)脈沖參數(shù)設(shè)定達(dá)到控制閥件的開度目的，對(duì)于流量調(diào)節(jié)效率大大提升，漸漸取代了手動(dòng)針閥。但是隨著技術(shù)進(jìn)步，對(duì)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(shí)使用時(shí)壓力波動(dòng)大，僅僅依靠電動(dòng)針閥調(diào)節(jié)流量已不能達(dá)到需求（開環(huán)調(diào)節(jié)控制）。因此自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用到流量控制，通過PID（比例積分微分）對(duì)應(yīng)參數(shù)的設(shè)定，電動(dòng)調(diào)節(jié)針閥針對(duì)流量計(jì)反饋過來的流量信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)開度大小實(shí)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(yīng)用10nm濕法清洗蝕刻制程工藝機(jī)臺(tái)流量控制舉例如圖4所示，圖中，W代表設(shè)定點(diǎn)默認(rèn)值(set-pointdefaultvalue），Y代表脈沖和控制輸出信號(hào)（Pulse and control output signal)，X代表（實(shí)際藥液循環(huán)供應(yīng)值）,Controller用于接收Flowsensor檢測(cè)到的流速，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，將得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)送給MN（motorneedlevalve)。Flow sensor用超聲常閉氣動(dòng)閥波檢測(cè)的方式檢測(cè)流速，將實(shí)際的流速值轉(zhuǎn)化成電藥液循環(huán)回流信號(hào)，發(fā)送到controller。Motor needle valve在接收到由controller發(fā)出的調(diào)節(jié)閥的信號(hào)后，MN作動(dòng)，使流速控制在設(shè)定值。
化學(xué)藥液向制程腔室內(nèi)供給順序是腔室3一腔室2一腔室1，當(dāng)化學(xué)藥劑進(jìn)入腔室3后，再進(jìn)入腔室2的流量就會(huì)減小，需靠調(diào)節(jié)閥的開度來使之后進(jìn)入腔室2與腔室1的化學(xué)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(yīng)管線就有0~3000mL/min區(qū)間內(nèi)24種不同流量供應(yīng)開度組合如表1。同一供應(yīng)管路上的制程腔室還會(huì)相互影響，因此還需要恒定的壓力和與之相應(yīng)的壓力檢測(cè)系統(tǒng)。
4 不同流量控制閥件清洗效果對(duì)比
為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)背景為：化學(xué)藥液為1：200稀釋氫氟酸（DHF），25℃，中心噴吐，wafer轉(zhuǎn)速1000r/min逆時(shí)針，其他環(huán)境條件一致境況下，300mm晶圓控片45nm級(jí)以上顆粒物數(shù)量檢測(cè)。
A機(jī)臺(tái)為某12腔機(jī)型（UltraC)，采用手動(dòng)針閥調(diào)節(jié)，任意挑選三個(gè)制程腔室；B機(jī)臺(tái)為某12腔型號(hào)（SU3200），采用自動(dòng)反饋針閥調(diào)節(jié)，任意挑選三個(gè)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(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示在其他條件相同情況下采用自動(dòng)反饋針閥調(diào)節(jié)清洗效果顯著優(yōu)于手動(dòng)針閥調(diào)節(jié)。
5 濕法蝕刻清洗流量控制技術(shù)發(fā)展方向
在應(yīng)用內(nèi)外循環(huán)流量控制的技術(shù)前提下，電動(dòng)調(diào)節(jié)針閥加反饋調(diào)節(jié)的機(jī)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(nèi)，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(jié)構(gòu)動(dòng)作和液體的“水錘效應(yīng)”共同影響的結(jié)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(diǎn)方向之一。
對(duì)于初段流量控制應(yīng)“提升的快，提升的穩(wěn)”，關(guān)鍵是要減少流量爬坡時(shí)間，降低第一峰值與目標(biāo)流量值之間的差值；初始流量預(yù)排以及前端管路抽真空技術(shù)或可應(yīng)用于其上。對(duì)于末端流量的控制應(yīng)“停的快而干脆”，液體的“水錘效應(yīng)”會(huì)拉長流量的末端降低時(shí)間，目前各類噴頭液體回吸技術(shù)正在應(yīng)用于各類新型設(shè)備中，關(guān)鍵要降低“水錘效應(yīng)”的影響（圖7）。
6 結(jié)語
單片式濕法清洗機(jī)必然是濕法晶圓清洗工藝的主要設(shè)備，其清洗對(duì)流量的控制精度要求越來越高，使用自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的流量精度控制要求，隨著集成電路納米級(jí)數(shù)的迭代，對(duì)清洗技術(shù)的流量要求將更加嚴(yán)苛，化學(xué)藥液噴頭的目標(biāo)流量將會(huì)多種，如何能夠迅速進(jìn)行目標(biāo)流量切換，是流量控制技術(shù)未來發(fā)展的方向，這也是儀器裝備精度保障的重要技術(shù)領(lǐng)域。
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