化合物半導體自動單晶圓灰化製程探索

作者 : Wolfgang Pleyer,PVA TePla資深應用工程師

灰化(Ashing)就是將稱為光阻劑的光敏塗層從蝕刻好的晶圓上去除並完成清理的過程,是晶片製造中最重要和頻繁執行的步驟之一。

灰化(Ashing)就是將稱為光阻劑的光敏塗層從蝕刻好的晶圓上去除並完成清理的過程,是晶片製造中最重要和頻繁執行的步驟之一。此步驟要使用特殊的處理工具「燒掉」光阻劑有機物,並將低壓狀態的氧氣或氟氣暴露於高功率無線電波中來產生單原子等離子體。以前,為了達到所需的輸送量,主要使用批次處理技術進行晶圓灰化。

然而,不同於以標準12吋(300mm)晶圓進行量產的矽半導體元件,採用碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)和藍寶石材料的化合物半導體晶圓尺寸,由4吋(100mm)到8吋(200mm)不等。在這種情況下,光阻劑的去除需要比矽製程還要好很多的均勻性,這意味著需要更好的溫度和製程控制。

因此,大多數化合物半導體晶圓製造商都需要快速灰化和高生產力的自動化單晶圓加工工具,或者說急需想要找到一種能夠實現高溫光阻劑去除和精密除渣的單晶圓灰化解決方案。

微波等離子灰化

50年來,大多數等離子工具使用射頻(RF)來剝離光阻劑。射頻等離子體透過物理過程來蝕刻表面,該過程實質上是用等離子體以特定的角度轟擊晶圓表面。

過去,透過簡單地增加直流偏壓就能將所有東西去除乾淨,但射頻等離子體在轟擊光阻劑方面不具備那樣的選擇性。此外,當去除光阻劑時,下方的晶圓層可能比較敏感而被射頻損壞。

今天,基於微波的等離子工具能夠產生非常高濃度的化學活性物質和很低的離子轟擊能量,因而能夠確保快速灰化率和無損傷的等離子清洗。微波製程往往比射頻更快,因而能夠實現更高的灰化速率。

使用氧氣針對性地去除光阻劑

PVA TePla等製造商提供的基於微波的先進等離子灰化系統,經常使用氧氣作為主要製程氣體。氧氣對晶圓的灰化極具選擇性,它只轟擊光阻劑,而晶圓的其餘部分不受影響。遺憾的是,使用純氧製程並不總是與所有類型的晶圓表面相容,有些晶圓表面需要用到混合氣體。

光阻劑上面或光阻劑裡可能存在僅用氧氣無法完全剝離的其他材料。為了解決這個問題,可以添加一些氟化學物質,通常是CF4,將它與氧氣混合在一起使用。

由於晶圓中具有使用不同材料的趨勢,而某些金屬在這個製程過程中很容易被氧化,因此上述方法並非很理想。在這種情況下可以同時使用低壓的氫氣和氧氣,添加氫氣可以防止金屬氧化,氧氣則用於去除光阻劑。這是在晶圓灰化過程中需要非常嚴格控制的一道製程,需要出色的溫度均勻性才能順利完成這項任務。

使用MEMS設備時,需要去除基於SU-8或類似環氧樹脂的負片光阻劑。使用負片光阻劑面臨的一個挑戰是暴露在紫外線下的光阻劑部分會發生聚合,而其餘部分仍然是可溶且可以被清洗掉的。此外,SU-8光阻劑的化學穩定性使其很難被去除。

去除SU-8光阻劑必須在較低溫度下進行,通常需要低於100℃,在某些情況下要低於50℃。化學方面也需要更大的靈活性,包括可能使用氟和出色的溫度控制。而所有這一切用單晶圓製程會更容易實現。

有時在兩個金屬面之間沉積的一個金屬表面上可能會有光阻劑,因此需要從晶圓側面將其去除。由於其各向同性的蝕刻特性,氧基微波等離子體灰化器可以去除金屬板之間的光阻劑,這與基於射頻的系統是不同的。

易於實現單晶圓自動化

在手動載入系統中,灰化器有一個拉出式門,晶圓位於安裝在腔室入門上的加熱或冷卻平面上,自動化系統中越來越多地使用機器人將晶圓載入到腔室中。如今,隨著晶片變得越來越先進,客戶希望減少所有人為因素。這就要求使用機器人進行自動處理和載入,並由主機進行完全控制。在某些情況下,操作員只需將膠片盒放在載入口上,就能自動啟動並完成後續過程。

例如,PVA TePla就設計出了一種被稱為GIGAfab-A的等離子系統,可配置用於200或300毫米晶圓,還有一個被稱GIGAfab Modular的具有多達三個加工模組的套裝工具。這兩種系統都使用開放式膠片盒,以及前開式或標準機械化載入台,可在室溫至250℃範圍內對台晶圓加工進行熱電控制,其獨特的平面微波等離子體源可在較寬的溫度範圍內提供高灰化速率。

 

圖1:PVA TePla的GIGAfab模組化平台示意圖。

(來源:PVA TePla)

 

隨著晶圓變得越來越薄,需要更可靠的自動化單晶圓加工設備來對付易碎的晶圓。位於加州的PVA TePla半導體和醫療裝置銷售經理Ryan Blaik認為:「試圖在不使用機器人的情況下以物理方式處理晶圓,很可能會以失敗告終。」

此外,單晶圓加工還能提供更好的溫度控制。「在批次處理時,微波輻射必須加熱石英舟中的所有晶圓,而在這個處理過程中溫度可能會發生波動,」Blaik表示,「對於單晶圓加工系統來說,晶圓只有在預熱後才能進入腔室,因而在處理過程中能夠保持恆溫。」

在單晶圓加工過程中,可以使用同樣的工具完成除渣製程,這兩種製程之間的主要區別在於對等離子體室中的晶圓所施加的溫度不同。在除渣方面,需要低灰化速率、良好的均勻性和程序控制。因為只針對去除殘留物,所以在非常高的溫度下進行灰化的方法是行不通的,使用基於微波的等離子系統和單晶圓灰化能使除渣更容易完成。

為了滿足對晶片無止境的追求,全球半導體元件製造產能在不斷攀升,隨之而來的是晶片本身複雜性的不斷增加和尺寸的持續縮小,對晶圓灰化的控制、效率和可配置解決方案的需求也將繼續存在。自動化的單晶圓微波等離子體系統,為晶片製造商提供了有針對性和可配置的灰化機制,可滿足以碳化矽和氮化鎵為代表的第三代化合物半導體中不斷增加的各種晶圓類型的需求。

(參考原文:Opinion: Exploring Automated Single-Wafer Ashing of Compound Semiconductors,by Wolfgang Pleyer)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年11月號

 

 

 

 

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