团 蚕 鱼三茎 鱼 全自动单晶圆铝腐蚀清洗机工艺原理 与工作过程介绍 宋文超，陈仲武，姚立新，张利军， （中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京１０１６０１） 摘 要：介绍了几种常用的晶圆金属铝膜腐蚀工艺，并详细讲解了全自动单晶圆铝腐蚀清洗机 采用第四种工艺配方进行金属铝膜腐蚀清洗的工艺过程。同时，简单介绍了为提高腐蚀清洗效果 而设计的两套子系统的工作原理。 关键词：半导体；铝腐蚀；单晶圆清洗；自动设备 中图分类号：ＴＮ３０５．９７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４．４５０７（２０１３）０６—０００１—０５ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｆｅｒ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＳＯＮＧ Ｗｅｎｃｈａｏ，ＣＨＥＮ Ｚｈｏｎｇｗｕ，ＹＡＯ Ｌｉｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ ＬＯｕｎ，ＷＡＮＧ ｇａｎｇ （Ｔｈｅ ４５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１６０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒａｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔ．．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｃｉｄ ｒｅｃｙｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；Ｓｉｎｇｌｅ ｗａｆｅｒ ｃｌｅａｎ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 铝腐蚀是用适当的腐蚀液，将晶圆片上无光 蚀质量。 刻胶覆盖的金属铝膜腐蚀掉，而有光刻胶覆盖的 Ｆ＝腐蚀深度／侧向腐蚀宽度 区域保存下来。因此所选用的腐蚀液必须既能腐 若Ｆ值大则表明腐蚀效果良好，一般Ｆ值在 蚀掉裸露的金属铝膜，又不损伤Ｓｉ片表面的光刻 ０．５￣２．５范围，通常Ｆ值为１时即可用于生产。 胶层。只有这样，才能把所需要的图形在金属铝层 腐蚀是光刻工艺重要的一环，本文介绍了几 上完整、准确地刻蚀出来。腐蚀时，要尽量避免侧 种常用的铝膜腐蚀工艺，并讲解了全自动铝腐蚀 向腐蚀和胶层损伤。常用腐蚀因子（Ｆ）来衡量腐 清洗机的工作原理。 收稿日期：２０１３．０４．０８ 材料制备工艺与设备 电子工业专用设备 － １工艺原理 选择铝腐蚀液的一般原则是：对铝有很好的 溶解性，同时对光刻胶的浸蚀作用应尽量小。目前 普遍采用的腐蚀液有磷酸、高锰酸钾腐蚀液和碱 性腐蚀液。 １．１磷酸腐蚀液 利用浓磷酸（８５％）与铝反应，产生可溶于水 的酸式磷酸铝，使铝膜被溶除干净。其反应式为： ２Ａ１＋６Ｈ３ＰＯ４＝２ＡＩ（Ｈ２ＰＯ４）３＋３Ｈ２ Ｔ 铝与浓磷酸反应激烈，会有气泡不断冒出。为 了消除这些气泡，使腐蚀顺利进行，可在浓磷酸中 加入少量的无水乙醇，也可用毛笔轻轻抹去气泡。 腐蚀温度在８０℃左右，将盛有腐蚀液的烧杯放在 恒温水浴锅内。要注意观察控制好腐蚀时间，既要 腐蚀干净又不至过腐蚀。 目前不少单位采用超声腐蚀。由于超声波振 动，能将腐蚀时所产生的气泡振碎，使腐蚀均匀， 铝引线边缘陡直，对于铝引线之间距离小的图形， 这种方法更显得优越。 浓磷酸使用一段时间后酸度下降，铝与磷酸 也可能产生难溶的磷酸铝白色沉淀，其反应为： ２Ａ１＋２Ｈ３ＰＯ４＝２Ａ１ＰＯ４ ＋３Ｈ２ ｔ 反应生成的白色沉淀堆积在硅片表面上，对 铝的腐蚀不利，因此必须定期更换新的磷酸。 １．２高锰酸钾腐蚀液 其配方为： ＫＭｎＯ４：ＮａＯＨ：Ｈ２０＝６（ｇ）：１０（ｇ）：９０（ｍＬ） 腐蚀温度为４Ｏ～５０℃，时间约数秒钟。这种 腐蚀液的优点是刻出来的铝条边缘整齐，腐蚀速 度快。其反应式为： ＫＭｎＯ４＋Ａ１＝ＫＡＩＯ２＋ＭｎＯ２ 由于高锰酸钾是强氧化剂，当腐蚀时晃动不 够或拿出观察时，容易使腐蚀液内的二氧化硅淀 积在铝表面上，妨碍铝的腐蚀，腐蚀时必须加小 心。如果腐蚀后面发现有黄色的二氧化锰时，应放 入２５％的亚硫酸钠（内加１～２滴硫酸）溶液中漂 洗一下，使二氧化锰溶除。 １－３碱性腐蚀液 其配方为：ＮａＯＨ：Ｈ Ｏ：甘油：酒精＝５（ｇ）： ８（ｍＬ）：３（ｍＬ）：６（ｍＬ） 这种腐蚀液配置初期是乳白色，存放一周后 变黄，加热至３Ｏ～５０℃使其成为透明溶液，方可 使用。加入甘油的作用是减弱氢氧化钠的活泼性。 这种腐蚀液一般采用４０℃水浴腐蚀。铝与氢氧化 钠反应成为可溶性偏铝酸钠，其反应式为： ２Ａ１＋２ＮａＯＨ＋２Ｈ２Ｏ＝２ＮａＡ１０３＋３Ｈ２ ｔ 由于碱性腐蚀液对光刻胶有浸蚀的倾向，因 此不宜腐蚀较厚的铝层。并且它横向腐蚀较严重。 因此一般采用较稀的碱性溶液，但腐蚀较慢，边缘 也不好。此外该腐蚀法还可能引入钠离子玷污。 １．４磷酸＋腐蚀液 其配方为：磷酸（８５％）：（６０％）＝５０：１ 此种腐蚀液是在工艺１基础上的改进，加入 可以改善铝的腐蚀效果，提高腐蚀效率。腐蚀 温度通常在４０￣６５℃之间。其反应式为： ２Ａ１＋２Ｈ３ＰＯ４：２Ａ１ＰＯ４ Ｊ，＋３Ｈ２ Ｔ ２Ａ１＋６ＨＮＯ３：２ＡＩ（ＮＯ３）３＋３Ｈ２ ｔ 腐蚀液使用一段时间后酸度下降，使腐蚀工 艺时间延长，腐蚀工艺质量下降，因此必须定期更 换新的磷酸。 ２工作过程 全自动单晶圆铝腐蚀清洗机是用于半导体行 业中晶圆片金属铝膜腐蚀的全自动设备。包括腐 蚀清洗单元，晶圆片传输单元，晶圆片定位单元， 酸路循环单元和温度控制单元等几个模块。可以 单片手动工作模式的运行，也可以自动批量处理。 全自动铝腐蚀清洗机采用以上介绍中的第４种工 艺，用磷酸和的混合腐蚀液对晶圆片的铝膜 进行腐蚀。其工作原理如图１所示。 ２．１手动工作过程 对于新产品、新工艺，用户往往需要进行大量 的工艺试验，来摸索最优的工艺参数。为了节约成 本，每次试验尽可能使用最少量的晶圆片。手动工 － 电子工业专用设备 封装技术与设备 一般配合使用。分立器件铜线键合一般采用大键 造成球上半部表面氧化。 合压力和小超声能量相配合的方式。采用此种配 合方式主要因为：一、大的超声能量容易使芯片表 面出现弹坑，损坏芯片；二、键合压力过小时无法 ４结论 保证焊点压实，容易造成大扁球和不粘状况的出 现，使焊线状态不稳定。 键合时间：铜线需要比金线更长的键合时间， 分立器件铜线键合时需要考虑分立器件自身的 结构特点，只有根据分立器件自身的结构特点，选用 适当的工艺条件和工艺参数，才能尽可能避免焊接 过程中出现的各种问题，得到较好的产品质量和可 靠性，进而提高产品生产率及设备、人员效率。因此， 研究分立器件铜线键合工艺具有重要的意义。 参考文献： ［１】 韩幸倩，黄秋萍．铜线键合优势和工艺优化［Ｊ］＿电子与 封装，２０１１，１１（６）：１－３． 以保证焊线的稳定性。 接触超声能量：铜线键合第一焊点的接触超 声能量一般需要设置较大值，这与铜线硬度和容 易氧化有很大关系。该参数主要用于清洁材料表 面氧化物和其他污染物以提高焊点粘结力。 研磨：对于一些难键合的材料，需要加碾磨来 提高其粘结力。 ３．２．２第二焊点３－．艺参数设定 ［２］ 陈宏仕．新型铜线键合技术［Ｊ］．名企产品推介，２００７，９ （５）：７３—７５． 第二焊点工艺参数设置不合适会造成断线较 多，留尾不一致，不粘等状况，这些状况在影响生 产效率的同时还会对第一焊点造成影响。 键合压力与超声能量：一般采用大键合压力 与小超声能量相配合的方式，需要具体情况具体 对待。此参数设置不仅要保证焊点粘结良好，还要 保证留尾长度的一致性。因为尾长不一致时会影 响第一焊点烧球。 ［３】 王彩媛，孙荣禄．芯片封装中铜线键合技术的研究进 展［Ｊ】．材料导报．２００９，２３（１４）：２０６－２０９． ［４］Ｔａｎ Ｃ Ｗ，Ｄａｕｄ Ａ Ｒ．Ｂｏｎｄ ｐａｄ ｃｒａｔｅｒｉｎｇ ｓｔｕｄｙ ｂｙ ｒｅｌｉａ— ｂｉ１ｉｔｙ ｔｅｓｔｓ［Ｊ】．Ｊ Ｍａｔｅｒ Ｓｃｉ，２００２，１３：３０９． ［５］ 范象泉，钱开友，王德峻，等．Ｉｃ键合铜线材料的显微 力学性能研究［Ｊ］．电子元件与材料，２０１０，２９（４）：６１—６４． ［６］ Ｗｅｉ Ｔ，Ｄａｕｄ Ａ．Ｃｒａｔｅｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅｒｍｏｓｏｎｉｃ ｃｏｐｐｅｒ ｗｉｒｅ ｂａｌｌ ｂｏｎｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ Ｍａｔｅｒ Ｅｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍ，２００２，１ １（３）：２８３—２８７． 线尾长度：线尾长度设置最好保证烧球后球 顶部到劈刀尖有０．５～１倍线径的间距。线尾过短 作者简介： 时，烧球会缩到劈刀头部的楔形部位，造成烧球不 完全，而且由于保护气体无法覆盖球体上半部而 （上接第４页） 赵岁花（１９８５．），女，陕西韩城人，硕士研究生，主要从 事半导体工艺研发工作。 ５结论 参考文献： ［１】 厦门大学物理系半导体物理教研室．半导体器件工艺 原理［Ｍ］．北京：人民教育出版社，１９７７．２２９．２３１． ［２］ 唐晓多．金属铝刻蚀工艺简介［Ｊ］．集成电路应用，２００７ （０８）：５２—５４． 介绍了４种常用的金属铝膜腐蚀工艺，采用 第４种工艺配方，讲解了全自动单晶圆铝腐蚀清 洗机的工作过程。该设备白用户投入使用以来，大 量的产品证明，采用全自动单晶圆铝腐蚀清洗机 对晶圆片进行腐蚀，腐蚀后的晶圆片图形清晰、完 ［３］ 藤森敬三，欧福贤．铝刻蚀技术及其装置［Ｊ］．半导体情 报，１９７６（０９）：３８—４４． 作者简介： 整，侧向腐蚀不明显，晶圆片洁净度高，工艺参数 稳定，自动化程度高，批量处理能力强，可以广泛 用于工业生产之中。 宋文超（１９８０一），男，河北保定人，工程师，主要从事 半导体专用设备的研制工作，特别是对全自动单晶圆湿法 处理系列设备以及晶圆传输机械手有深入研究。
