基于半导体工艺的设备调平技术

2018-01-16蔡颖岚邓学文全晓辉

设备管理与维修 2018年1期

关键词：千分表水平仪光刻

蔡颖岚，邓学文，全晓辉，杨滨

（重庆声光电有限公司，重庆 400060）

0 引言

调平是使设备放置平稳，同时，因很多设备内部的特殊要求，还需要进一步做机构之间、层与层之间的调平。半导体制程中，很多要求工艺的可靠性、重复性和均匀性，这些性能都会因设备及其内部的调平受到影响。基于半导体工艺需求，讨论常用测平方法及具体应用。

1 工艺需求

半导体工艺就是在晶片上执行一系列复杂的化学或者物理操作，制作能实现各种需要的器件，如二极管、三极管、集成电路及CCD（Charge Couple Device，电荷耦合器件）等。这些工艺基本可以分为4大基本类[1]：薄膜工艺、刻印工艺、刻蚀工艺和掺杂工艺。在几大类工艺上进行技术及工艺参数的增减和变换，并在有限的工艺流程中重复循环，并最终形成产品。图1为CCD工艺流程简图。

图1 CCD工艺流程

薄膜工艺包括氧化、淀积、外延、蒸发和溅射等几类。要求表面无斑点、裂纹、白雾及发花现象，以及没有针孔等缺陷存在。膜厚要符合要求而且均匀、结构致密；刻印工艺也称光刻工艺，包括涂胶、光刻和显影等几个步骤。光刻要求高分辨率、重复套刻精度高、低缺陷、大尺寸和线条均匀；刻蚀工艺就是将已经曝光、显影后的光刻微图形中下层材料的裸露部分去除.要求图形转移的保真度高、均匀性高及污染小；掺杂工艺包括扩散和注入等几类，要求掺杂浓度及深度的重复性和均匀性。各工艺都有均匀性的要求，而均匀性就要求工艺条件在最佳状态。能影响半导体工艺的因素很多，包括温度、气压、各种污染、应力、工艺时间及工艺气体等的分布。这些因素很多和基材的放置存在紧密的关系，半导体基材放置的设计或调整无非是水平、垂直或倾斜，无论是何种情况，都是以水平为参考。可以用水平检测的方式来掌控，进而能重复性的控制工艺均匀性。

2 常用调平方式

（1）气泡水平仪。常用的气泡水平仪有圆形和长形2种[2]。水平仪由水准管和基座2部分构成，水准管是在曲率半径为R的玻璃管中封装进酒精，只留一个气泡，并在管上刻有刻度线。当基座底面水平时，管中气泡位于管的正中间。将水平仪置于被测平面上时，可从气泡的偏移方向确定该面的倾斜情况。气泡水平仪价格便宜，使用方便，在要求不高的场合下使用，能够快速且较为准确的掌握水平情况。

（2）千分表。千分表是利用高精度的齿轮、齿条制成的表式长度测量工具，在测量物体时，使被测尺寸在直线方向发生的微小变化经过齿轮、齿条的传动被放大，表现在千分表指针的转动上，从而在表盘上读出示数[3]。一般情况下，表盘被等分为1000个刻度，指针转一圈表现为测杆被抬高1 mm，因此一个表盘上一个刻度就是0.001 mm。如果被测物体可以移动或者转动，将千分表固定，根据指针的偏转情况就可以知道被测物整体相对平整度情况。

（3）准直仪。准直仪也称为自准直光管，光学平直度检查仪，是一种利用光的自准直原理将角度测量转换为线性测量的仪器。广泛应用于小角度、平面度、平直度和平行度的测量。图2是准直仪基本光路原理图。

图2 准直仪基本光路原理

光线通过位于物镜焦平面的分化板后，经物镜形成平行光。平行光被垂直于光轴的反射镜反射回来，再通过物镜后在焦平面上形成分化板标线像与标线重合。当反射镜倾斜一个微小角度α角度，反射回来的光束就倾斜2α角度。通过物镜后成像在分划板处，偏离中心位移量为x。根据几何光学原理，可按式（1）计算。

式中 f——物镜焦距

α—— —反射镜偏角

由于α角很小，所以式（1）可近似为（2）式。

在自准直仪中，物镜焦距是一个常数，同时，准直仪没有比例放大，观测到的位移偏移量为实际偏移，如果测得位移量，就可以计算出反射镜偏角的大小[4]。

3 应用分析

（1）氧化炉片舟调平。氧化属于薄膜工艺，在恒温区的晶片上生成氧化膜。除了氧气的进位设计和精密的恒温控制，晶片在炉管中的位置将极大的影响氧化膜的均匀性。晶片的竖直即垂直度需要通过调石英架的水平来确定。图3为氧化炉及承片台系统示意图，并确定了石英架的测平方法

图3 氧化炉片舟调平

图3中2根石英架相当于2线确定一个面，将硅片放置在石英架上，再将水平仪放置在硅片上，就可以确定石英舟的水平度。这里采用的是清洁的试验硅片，水平仪没有与炉体内部有任何接触，避免了污染。将水平仪在原处转180°，取2次测量的平均值。测量时通常读取气泡超出刻度线的一方的偏差值。如第一次向右偏出气泡刻度线为a，将水平仪原地旋转180°后向右偏出为b，则实际倾斜误差n可用（3）式计算。

在氧化工艺中，石英管、石英架和石英舟会常常拆卸下来清洗，在重新安装过程，应该采用上述测平方式。还可以在拆卸前做一次测试，以作参考。

（2）显影和涂胶承片台调平。晶片放置的水平度将对工艺均匀性产生影响，这里以显影和涂胶工艺为例来分析采用千分表的调平方式。如图4所示。

图4 千分表的测平方式

磁性座吸附在设备台面合适的位置，千分表通过磁性座连杆悬垂于旋转台或移动片台上方，并轻微接触，使千分表指针固定于某个读数。以该读数为参考，手动旋转片台，根据千分表读数的变化就可以知道水平相对变化情况。为消除误差，还可以采用一对千分表的方式，取读数变化的平均值。

（3）光刻机版架和承片台的调平。光刻机是半导体工艺的核心设备，目前的光刻设备采用了很多技术来实时监控和调节版及片的平行，但在安装、大的调试或者无实时监控技术的光刻设备中还需要借助准直仪等手段来调平。图5为准直仪在光刻调平中的应用。

准直仪对准掩膜版，版选用无光刻图形的石英版，准直仪投射出的十字光斑将部分反射回准直仪，并在观察窗看见影像清晰的十字标记。同时十字光斑穿过石英版，通过物镜组到达片台上的晶片并原路返回到准直仪观察窗，这里可以采用反射率更高的平面反射镜来替代工艺晶片。当版和片返回的十字标记重合时表明版和片已达到平行，调试完毕。

随着光电技术和自动控制技术的发展，现代测平技术也逐渐融入设备控制系统，实现了实时化和自动化调平，基于CCD的图像分析系统是关键。CCD的工作原理是通过光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上，再由后部处理电路进行处理或计算，成为电视信号或检测信号，还能对图像信息精确分析。利用其图像处理能力，CCD可以和准直仪结合，取代人眼来实现调平分析，也可以直接与计算机相连，在图像处理软件的帮助下在某些场合单独实现调平分析。