JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統研制技術

陳仲武，宋文超，張偉鋒，劉永進

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著微電子新材料的使用及器件特征尺寸進一步縮?。ㄟM入65～90 nm），對半導體器件的性能、可靠性和穩(wěn)定性的要求越來越高，傳統的槽式批處理清洗技術在諸多工藝因素的驅動下已難以適應，需要引進新一代的高潔凈腐蝕清洗技術——單晶圓旋轉、腐蝕、清洗和甩干，避免交叉污染，提高成品率，諸如二氧化硅膜腐蝕剝離清洗、鋁腐蝕清洗、單片顯影、晶圓背面清洗工藝、去膠工藝、晶圓研磨后清洗工藝和IC后道制程銅引線等有機物的清洗，使敏感的半導體器件表面的污染減到最小程度，從而大幅度地改善器件性能，提高產品的可靠性和穩(wěn)定性，尤其在極大規(guī)模集成電路制造金屬膜腐蝕工藝，迫切需要一種更具選擇性、更環(huán)保、更易控制的有效腐蝕清洗技術，和實現無損傷和抑制腐蝕損傷清洗的新一代腐蝕清洗設備。

為此，中國電子科技集團公司第四十五研究所從2006年起，組織技術力量開發(fā)研究單晶圓全自動腐蝕清洗系列設備和工藝，先后研制成功XFQ-1150F型單片鋁腐蝕清洗機、DFQ-2150F型單片噴霧腐蝕清洗機、DXQ-1150X單片顯影清洗機和JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統等設備，并成功應用到用戶產品生產工藝線，其中以JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統最有代表性，本文做重點介紹。

1 設備用途、組成和工作原理

JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統用于聲表面波（SAW）器件、GaAs微波、毫米波器件、MEMS器件、OLED器件和先進封裝等制造中微細圖形金屬膜剝離工藝（見圖1），能自動完成厚度在0.25～0.7mm的準100～準200 mm具有基準邊的標準圓片金屬膜剝離、沖洗和甩干工藝，剝離線寬可做到0.35 μm以上，是以上器件制造工藝中的關鍵設備，與傳統的槽式批處理剝離清洗技術相比，可以提高產品成品率，避免交叉污染，確保器件規(guī)格、性能指標、可靠性和安全性等不因剝離工藝影響而下降。

JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統采用頂部送風、封閉式、模塊化結構設計（見圖2）。依據功能不同，主要分為機械手自動傳輸系統；多功能剝離、清洗腔體結構；旋轉主軸、吸盤、卡盤系統；擺動、升降式清洗臂結構；不銹鋼機架、電控箱、上下料工作臺結構；DI水兆聲噴頭、水液氣系統；化學液增壓、加熱、循環(huán)、過濾系統；排風、排液系統；溫度、壓力、流量檢測控制系統、自動滅火系統、電氣控制和軟件設計系統等幾個部分，各功能模塊分布合理，人性化設計，便于維護和保養(yǎng)。該設備所用材質、配件等均符合100級凈化等級要求。

圖1 設備應用工藝示意圖

圖2 金屬膜剝離清洗系統外形圖

JBQ-3200型全自動金屬膜剝離清洗系統配置三單元工作反應腔結構，每個反應室可靈活執(zhí)行1～3種不同化學液腐蝕清洗程序，系統配備相應的化學液傳輸和控制系統；配置“Foup-to-Foup”方式進行片子傳輸，各功能模塊布局合理，人性化設計，外形美觀，便于維護和保養(yǎng)。

工作原理是開機后，將裝有晶圓片的上片盒放到上片位置，并輸出有上片盒信號，一切準備就緒后，啟動自動運行程序，2#機械手進行晶圓片位置、數量掃描記憶，確認后3#機械手依次從上片盒中吸附取上晶圓片，傳輸到化學液浸泡槽，浸泡槽片夾有上下抖動、反轉功能，4#機械手從浸泡槽附取上晶圓片，經CCD中心定位后，傳輸到剝離腔體吸盤上，進行金屬膜剝離工藝，完成剝離工藝后傳輸到清洗腔的卡盤上，進行自動DI水清洗、吹氮氣和甩干等工藝，清洗步驟結束后，1#機械手（潔凈手）將晶圓片取出放到收片片盒中，該設備采用4個機械手，從上下片和3個工藝步驟同時進行，提高效率，以上各工步速度、時間等參數可設定。整個過程自動控制，也可單步操作；化學液在線加熱、循環(huán)、過濾再利用，設備配有自動滅火系統。

2 設備主要技術指標

適應標準圓片尺寸：準100～準150 mm；

圓片傳輸方式：上片盒→浸泡腔體→剝離腔體→清洗干燥腔體→收片盒；

工藝程序：中文操作界面，存儲多種工藝程序，可選擇工步及工步順序可編程；主軸旋轉速度：200～5000 r/min，±10 r/min；DI水兆聲噴頭震蕩頻率：1 MHz；功率：30～50 W（可調）；

兆聲噴頭噴嘴流量：1.5～2.5 L/min；有機溶液過濾精度：1～9 μm（三級過濾）；有機溶液噴射壓力：3.45～20.70 MPa（增壓）；有機溶液溫度:常溫～90℃，控制精度±2℃；有機溶液和DI-WATER具有扇性噴射和柱狀噴射模式；

干燥的熱氮氣溫度范圍：80℃±5℃；

氮氣過濾精度＜0.003 μm；

設備采用電腦程序控制，能設置并存儲大于100個不同的工藝程序；

工藝時間設定：1～9999 s，增量 1 s；

排風：風量可以調節(jié)，風壓表顯示；

室內凈化級別：100級；

環(huán)境溫度：20℃～24℃；

相對濕度：＜70%。

3 設備關鍵技術

該設備涉及到精密機械、自動控制、系統集成、真空技術、液壓、氣動及工藝應用研究等諸多技術領域，是一項濕法腐蝕清洗設備和工藝綜合性的整機技術研究，該機解決的關鍵技術主要如下：

（1）整機模塊化結構設計技術；

（2）大行程、高精度機械手自動傳輸系統；

（3）旋轉主軸結構及控制驅動技術；

（4）多功能PTFE腔體結構設計與制造技術；

（5）不銹鋼機架設計加工技術；

（6）腐蝕液浸泡、噴灑、循環(huán)、過濾和清洗技術；

（7）多功能清洗臂抬升和掃描運動技術；

（8）腐蝕液溫度、流量和壓力控制技術；

（9）全不銹鋼機架設計加工技術；

（10）復雜水氣液路控制技術和工藝技術；

（11）兆聲噴頭和化學液增壓技術；

（12）控制系統及工藝軟件技術。

4 設備主要特點

（1）設備結合國外最新技術和工藝，應用成熟全自動單片剝離清洗技術，采用模塊化結構設計技術，具有先進性、可靠性和安全性等特點。

（2）所有腔體為獨立、密閉、自動完成一個工藝過程，有晶圓片自動進出窗口，窗口自動密封關閉，電機和卡盤機構，擺臂和噴頭或者噴嘴機構，排液抽風系統和密封結構等組成。

（3）自動傳輸機構采用三個I型規(guī)格機械手，獨立運行取放片，整體旋轉抬升，大距離高行程，真空吸附，陶瓷材料，位置精確，安全可靠，具有位置圖像識別和保護功能，無自動校正修復功能，允許中心偏離出現概率≤1%。

（4）管路、接頭、電磁閥、藥液閥、泵和過濾器等類采用國外品牌產品，符合100級凈化等級要求，管路設計合理，連接可靠，化學液溫度、流量、壓力控制系統和循環(huán)系統精度高，具有設定、顯示和故障報警功能。

（5）設備運行過程由控制系統及軟件系統進行全程監(jiān)控，工業(yè)控制計算機是該設備的核心控制單元，電機主軸旋轉控制模塊、化學液溫度控制模塊、化學液循環(huán)和回收模塊、機械手傳輸控制模塊、圖像位置模塊、狀態(tài)故障檢測模塊，安全模塊、人機交互及工藝文件的管理等處理與協調都在工業(yè)控制計算機上通過串口設備聯網服務器完成的，其程序模塊包括：工藝文件存儲模塊、狀態(tài)顯示模塊、參數設置模塊、故障診斷模塊、信息顯示模塊等。

（6）設備配備自動滅火系統，紅外線溫度檢測，能保證NMP燃燒時及時滅火。

5 設備控制系統

設備控制系統見圖3、圖4。

（1）控制系統主要由工控機、自動傳輸控制模塊、腐蝕清洗腔控制模塊、化學液溫度流量壓力控制模塊、安全檢測模塊、伺服電機控制模塊、傳感器檢測等組成。

（2）設備具有自動運行和手動調試功能，自動運行根據用戶工藝過程編制程序，系統自動完成晶圓片的傳輸、浸泡、腐蝕、DI水沖洗、N2烘干和甩干功能，各個動作實現互鎖，確保系統運行安全及人身安全。

（3）手動調試功能完成所有的單步動作，以方便用戶工藝試驗、設備維修及特殊需要。系統還具有報警信息、維護信息等系統記錄。

（4）電源分配模塊（UPS電源）對整臺設備所需電源進行集中控制分配，可對外部電源電壓進行變壓并提供設備內部所需各種電壓，若外部電源異常，系統可以延時工藝過程，并有提示功能。

圖3 設備控制原理圖

（5）系統的電控系統獨立安裝，控制開關、急停開關和報警燈等安裝在主機的前面板。系統配備自動滅火系統，紅外線溫度檢測，能保證特殊化學液燃燒時及時滅火。

圖4 設備系統控制框圖

6 軟件控制系統

軟件控制系統見圖5。

系統控制軟件采用計算機控制，可提供工藝程序的編制、存儲和調用，具有故障診斷、歷史記錄存儲、設備異常報警功能（包括對氮氣、真空、水壓、化學液等限定值進行檢測報警）。程序軟件界面對工藝過程中的各種工藝狀態(tài)實時監(jiān)測，可設置用戶進入密碼分級控制。設備采用電腦程序控制，能設置并存儲大于100個不同的工藝程序。程序控制軟件要滿足以下功能：

（1）具有工藝過程編輯、存儲、調用、修改的功能；

（2）運行進程及相關狀態(tài)參數實時顯示功能；各種工藝參數超限、非正常工藝處理、非正常操作及異常情況報警功能；歷史記錄存儲功能；

（3）程序軟件界面友好，同時可設置用戶進入密碼分級控制。

圖5 設備軟件主體架構

7 設備動力條件及外形尺寸

電源：單相電壓：～380 V±38 V（三相五線制）頻率：50 Hz±1 Hz 功率：5 kW

DI水壓力及流量：0.13～0.50 MPa，10～20 L/min

N2壓力及流量：0.2～0.40 MPa，50～100 L/min

壓縮空氣及流量：0.4～0.6 MPa，50～100 L/min

排廢氣量：≥8600 L/min

排放管路：準32管徑（不銹鋼材質）

外形尺寸：長×寬×高＝1500 mm×2000 mm×2200 mm

8 結 論

該設備研制成功后，既可以滿足現階段產品技術中標準GaAs和SAW圓片的金屬膜剝離清洗工藝，又可以滿足IC制造中其他單片清洗工藝，通過單片清洗工藝技術平臺的建立，通過可選的化學清洗單元以及兆聲清洗噴頭、高壓針式噴嘴、靜電消除裝置及刷洗功能等技術的優(yōu)化組合，該設備還可拓展應用于單晶片在旋轉狀態(tài)下的單片清洗工藝、刻蝕清洗、CMP后清洗等芯片制造、封裝過程的清洗工序。該設備的研制成功和關鍵技術的突破，同時培養(yǎng)和鍛煉了一支從事清洗設備、技術和工藝應用領域的研發(fā)隊伍，打破芯片制造關鍵工藝設備被國外少數廠商壟斷的局面，盡快在高端清洗設備領域占有一席之地，縮短與國外先進技術的差距，最終目標實現單片清洗工藝設備量化生產，滿足產品芯片制造對單片清洗工藝設備的需求，為產品技術、先進封裝技術制造領域的全面應用奠定基礎。