喷雾腐蚀机在Ti/Al 腐蚀工艺中的应用

徐 俊，孙运玺，申 强

( 中国电子科技集团公司第五十五研究所， 江苏 南京210016)

第三代半导体材料SiC 具有宽禁带、电子漂移速率快、热导率高等特性，能够满足大功率、高温高频工况下的应用需求，在新能源、轨道交通、智能电网等领域有着重要的应用[1]。

Ti/Al 复合金属层由于性能、成本、工艺兼容性等优势，广泛应用于SiC 功率器件（如SBD、MOSFET）的电极制造，其中Ti 金属作为肖特基金属，Al 金属作为加厚层[2]。在SiC 功率器件生产工艺中，Ti/Al 层通过电子束蒸发获得，金属层均匀覆盖晶圆表面，需要通过光刻胶掩膜，干法或湿法刻蚀去掉多余金属，以获得所需电极图形。

湿法腐蚀是利用化学溶剂和表面材料发生反应，再通过搅拌、循环、鼓泡等手段将反应生成物从表面移除，实现湿法刻蚀。由于化学反应的各向同性，易在掩膜层下产生钻蚀。因此，目前在先进集成电路制造中，湿法腐蚀已大部分被干法刻蚀替代[3]。但是，湿法腐蚀对材料有较高的选择性，无等离子体损伤，设备简单，经济性好，在表面剥离、大尺寸图形腐蚀等方面依然有重要的应用[4]。

1 喷雾腐蚀机简介

在半导体工艺中，湿法腐蚀通常分为多片浸泡式和单片喷射式。多片浸泡式是最为简单的方式。可以将一整盒晶圆放置在合适大小的酸槽内进行腐蚀，生产效率高，但是这种方式片间距离较小，不利于反应产物的排出和散热，特别是产品特征尺寸较小时，难以控制工艺参数和保证材料腐蚀的均匀性。

喷雾腐蚀机采用单片喷射式，所需的化学试剂少，腐蚀速率快。工作时，晶圆高速旋转，通过摆臂将药液均匀喷洒在晶圆表面，离心作用可以快速带走反应产物和热量，保证了腐蚀的均匀性，侧腐量较少。

该设备主要由传片系统、工艺腔体、供液系统和电气控制系统组成。

传片系统包括载片台、光学Map 机构、两个真空手臂及运动机构、CCD 图像识别对中机构。工作时，位置较下真空手臂将片架内晶圆取出，在对中（Align）位置进行晶圆边界识别，校准晶圆位置后，放入工艺腔。工艺结束后，上方的真空手臂将圆片从腔体取出，放入片盒。两个手臂各司其职，可以有效避免交叉沾污。

工艺腔内有4 个可摆动的具有多喷嘴的手臂，分别用于喷射Al 腐蚀液、HF 酸、去离子水（DI水）以及热氮气；有1 个用于清洁圆片背面的背洗喷头和6 个用于腔体自清洁喷头。此外腔体内还有Al 腐蚀液回收装置，以及能够夹紧圆片并高速旋转的卡盘（Chuck）。该卡盘的夹紧机构结构设计独特，通过传感器可以将夹爪夹紧时的位移转变成数值输出，通过数值的大小可以判断圆片在卡盘上的状态，能够有效避免碎片，如图1 所示。喷射Al 腐蚀液和HF 酸的摆臂还配有去离子水喷嘴，便于腐蚀后清洗，酸液喷嘴具有回收功能，如图2 所示，利用真空发生器将喷嘴口酸液回收排放，避免污染，保障安全。

图1 工艺腔体结构

图2 喷嘴液体回收功能

供液系统采用现场供液，管道为PFA 材质。利用真空发生器产生的真空将腐蚀液吸入Tank。工作时，将氮气充入药液罐，利用0.207 MPa(30 psi)气体压力将腐蚀液从药液罐（Tank）中压出。流出的液体经过加热装置和保温装置后，喷射在圆片表面。管道上装有流量、压力等多类型的传感器，实时监控供液状态。图3 为Al 腐蚀液供液管路设计。

图3 Al 腐蚀液供液管路设计

该机台另一特点是机台控制系统具有开放性，监控系统完善。软件系统可以监控、屏蔽各传感器状态，改变报警等级，控制各气动阀、电机、药液罐等，便于快速定位，排除设备故障。必要时甚至可以通过编程，改变或添加步骤以满足其他额外需求。

2 Ti/Al 腐蚀工艺

Ti/Al 腐蚀工艺的目的是去除划片道多余的金属，形成势垒图形。主要包含Ti 腐蚀和Al 腐蚀。Ti 腐蚀使用稀氢氟酸（HF）溶液，Al 腐蚀液是磷酸、醋酸、硝酸的混合溶液。关注监控的指标有腐蚀速率、均匀性和侧蚀量。主要的工艺参数有溶液配比、溶液温度、时间等。圆片的转速、喷淋摆臂摆动幅度对工艺效果也有一定影响[5]。

圆片进入机台，首先喷淋扇形高温Al 腐蚀液，腐蚀未被光刻胶掩膜的Al，期间会产生一定侧蚀。DI 水喷淋清洗后进行Ti 金属腐蚀，Ti 腐蚀以光刻胶和Al 金属作为掩膜，也会有一定的侧蚀现象，会造成Al 金属边缘外凸。为解决此问题，再增加一步Al 腐蚀，利用Al 的过腐，改善图型边缘，如图4 所示。

图4 Al 腐蚀示意图

3 设备的不足及改进

该设备故障率低，性能稳定，设计考虑周全，安全性高，适合批量生产。但在使用过程中也发现了一些不足，针对这些不足做了相应改进。

3.1 Al 腐蚀液温度控制

通过对工艺步骤分析可知，Al 腐蚀速率的稳定性在Al 腐蚀工艺过程中至关重要。湿法腐蚀都是以时间作为工艺终止判断依据。Al 腐蚀速率变小，第一步Al 腐蚀不干净，影响后续Ti 金属的腐蚀；Al 腐蚀速率偏大，会使侧蚀量过大，影响图形形状。

在生产过程中，发现Al 的腐蚀速率漂移范围过大，时常因为Al 腐蚀不干净造成返工。通过机台的工艺监控信息发现，在相同工艺条件和加热器设置下，Al 腐蚀液温度出现了一定的下降。

为验证温度对腐蚀速率的影响，利用表面蒸发有同等厚度Al 膜的玻璃实验片进行验证试验，以玻璃表面Al 腐蚀干净的时间作为腐蚀速率的表征，速率越慢，时间越长。通过改变热交换机的温度，改变喷射溶液的温度。Al 腐蚀时间和温度的关系见表1。

表1 Al 腐蚀时间和温度的关系

实验结果表明，Al 腐蚀液的腐蚀速率受温度影响较大，温度升高，速率变高。同时还发现工艺过程中喷射的初始温度和稳定温度之间有大约3.8 ℃的温差，过大的温差，严重影响了片间均匀性。

通过Al 腐蚀液供液管路和加热方式研究发现，Al 腐蚀液从药液罐打出后，经过恒温的即热电加热器后，暂存在一个用热交换机进行水浴加热的药液罐内。机台内部腐蚀液管道无保温措施，且存在和其他常温管道放置一起的现象，受到物料和外围环境变化，水浴温度出现了明显下降，从而造成Al 腐蚀液温度的变化。

为改善这一情况，稳定腐蚀液温度，采取提高热交换机的设定温度，对进出水管道、部分腐蚀液管道增加保温措施，减少外部环境的影响。

改进后Al 腐蚀液温度明显回升，批次间、批次内Al 腐蚀液稳定温度能够保持一致。喷射的初始温度和稳定温度之间降为1.4 ℃左右，温度上升段时间明显缩短，改善了片间均匀性。此外还新增加温度点检项，监控温度变化范围，提升工艺稳定性。

3.2 液位传感器的改进

机台内部药液罐采用多点液位开关传感器，4个浮球对应4 个不同液位。使用过程中发现，内部浮球偶尔会出现上下动作卡顿的现象，机台会得到虚假的液位信号。此外，高温的Al 腐蚀液会从浮球焊接处渗入，浮球寿命较低。每次更换该传感器需要将储酸的药液罐整体拆下，耗时耗力，有一定的安全隐患。

用PFA 管将药液罐上下连接，形成连通器。将4 个常开型液位传感器固定在外接PFA 管道上(如图5 所示)，利用机台自身24 V 给传感器供电，可完美替代原装浮球液位开关传感器。此方案极大地降低了维护成本，传感器外置，不接触强酸，传感器使用寿命更长。该传感器自带指示灯，便于观察传感器状态，维护更换时无需拆装腔体，方便快捷，安全性得到了极大的提高。

图5 传感器改造示意图

3.3 SiC 晶圆对中方式的改进

机台本身采用CCD 图像识别光学对中，由于SiC 圆片较为透明，机台内部光照条件不足，利用光学图像识别边界比较困难，容易对中失败。其次，蒸发Ti/Al 时，由于蒸发夹具的因素，圆片周边会有一圈无金属的圆环，大多数情况下，蒸发的金属外圈和SiC 外圆并不同心，设备在图像识别时，极易将金属外圈识别成晶圆外圈，机械手会进行错误的位置补偿，从而使晶圆在卡盘的位置发生倾斜，机台报警停机，需要开腔处理，严重影响生产效率。

通过屏蔽光学对中，采取机械对中的方式对机台进行了改进，成功地解决了对中失败问题。机械对中装置的剖面图如图6 所示。利用自制紧固件将其安装固定在机器内部，如图7 所示。利用机台自身软件开放程度高的特点，编写机械手对中程序，完成机械对中。对中时，真空手臂将取出的圆片放置于机械对中结构中，圆片靠重力沿斜边滑落到对应平台，完成机械对中，手臂抬起，略高于平台，开启手臂真空，判断圆片位置是否正常，真空值满足要求后，手臂将圆片取出放入工艺腔进行工艺。如果手臂真空值不满足要求，圆片未完全落到位，机台会报警暂停，可手动拨正圆片，快速恢复生产。

图6 对中机构剖面图

图7 机械对中装置安装位置

还有一种方法也可以尝试用于解决对中失败问题。在CCD 摄像头前安装光学偏振片，通过减少杂光，提高圆片边界的对比度，便于图像识别。该方法已在其他类似机台取得很好的应用效果。

4 结 论

本文简要介绍了喷雾腐蚀机的主体结构，探讨了SiC 功率器件Ti/Al 腐蚀工艺过程。针对喷雾腐蚀机在应用中存在的不足，进行了优化和改进，提升了工艺稳定性，提高了机台生产效率。