光刻是制造半導(dǎo)體器件和集成電路微圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝，其工藝質(zhì)量直接影響著器件成品率、可靠性、器件性能以及使用壽命等參數(shù)指標(biāo)。光罩是光刻工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，光刻版必須非常潔凈，所有硅片上的電路元件都來自版圖。如果光刻版不潔凈，存在污染顆粒，這些顆粒就會(huì)被復(fù)制到硅片表面的光刻膠上，造成器件性能的下降。然而，光刻版在使用過程中不可避免的會(huì)粘上灰塵、光刻膠等污染物，這些污染物的存在直接影響到光刻的效果。
為了保證光刻版潔凈，必須定期對(duì)光刻版進(jìn)行清洗，而清洗的效果與清洗工藝以及各清洗工藝在設(shè)備上的合理配置有著密切的聯(lián)系。
本文對(duì)全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)進(jìn)行了介紹，主要包括清洗的工藝原理和清洗的工作過程。
1工藝原理
1.1清洗藥液
1.1.1丙酮溶液
對(duì)于光刻膠及其他有機(jī)污染物，比較常見的方法是通過有機(jī)溶劑將其溶解的方法將其去除，例如利用丙酮浸泡光刻版，在浸泡的同時(shí)，可以采用超聲，提高浸泡效果。對(duì)于比較干凈的光刻版，浸泡基本就能將有機(jī)污染物去除干凈。對(duì)于光刻膠較多的光刻版，浸泡只能將光刻膠泡軟，還需要用無(wú)塵布或無(wú)塵棉，蘸取丙酮輕輕擦洗，或在光刻版清洗設(shè)備中采用毛刷刷洗，通過外力將頑固的光刻膠去除掉。
1.1.2濃硫酸+雙氧水
濃硫酸加雙氧水的混合物，對(duì)于所有的有機(jī)材料都是有效的。它采用濃硫酸和過氧化氫的混合物，之后是去離子水（DI）沖洗，稱為Piranha刻蝕。這種方法對(duì)于特別難去除的光刻膠或由于接觸過高溫等環(huán)境導(dǎo)致已經(jīng)變性的光刻膠非常有效，并且可以得到很高的去膠效率。隨后的清潔即去除圖案化，檢查和修復(fù)任何殘留在光刻版表面的光刻膠或顆粒污染物。在最有效的工藝中，強(qiáng)氧化劑清洗之后是氫氧化銨噴霧，以抵消殘留酸（從而形成硫酸銨，一種易去除的鹽）；然后用去離子水沖洗以消除硫酸銨。
1.1.3其他藥液
由于用戶的工藝環(huán)境、工藝方法不同，所使用的藥液也不盡相同，很多用戶都根據(jù)自己工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足自身工藝需求的清洗藥液。另外，科研工作者正積極探索新型光刻版清洗藥液。
1.2清洗方式
1.2.1毛刷刷洗
利用毛刷對(duì)光刻版進(jìn)行刷洗，通過機(jī)械摩擦，用外力將頑固的光刻膠去除掉，可以達(dá)到很好的清洗效果。毛刷材料為PVA或尼龍。毛刷進(jìn)行刷洗時(shí)，卡盤承載光刻版以角速度ω1勻速旋轉(zhuǎn)，安裝有毛刷的擺臂下降，使毛刷接觸到光刻版表面，并具有一定壓力，然后擺臂以角速度ω2勻速往復(fù)擺動(dòng)。噴嘴向光刻版表面噴灑丙酮等化學(xué)液，使得光刻膠由于溶解而變得松軟。光刻版與毛刷產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)光刻版表面起到刷洗作用。毛刷刷洗通常有兩種方式：方式一如圖1所示，利用常規(guī)毛刷對(duì)光刻版進(jìn)行刷洗；方式二如圖2所示，利用滾柱毛刷對(duì)光刻版進(jìn)行刷洗。
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1.2.2高壓沖洗
刷洗完成后，通常采用高壓DI水沖洗光刻版，通過高壓微細(xì)水滴的沖擊力去除仍然吸附在光刻版表面的剩余光刻膠。高壓DI水的壓力可以設(shè)定。
1.2.3兆聲清洗
對(duì)于較大顆粒的去除，前面所述的有機(jī)溶劑去膠方式和氧化劑氧化方式都會(huì)緊接著用DI水沖洗或輔助高壓水沖洗，大顆粒已經(jīng)去除干凈。對(duì)于較小顆粒［（0.2～0.5）μm］，由于光刻版表面靜流層（Viscousboundarylayer）的存在，普通的DI水沖洗的方式無(wú)法將其去除。通常采用在DI水中加兆聲的方式，利用兆聲產(chǎn)生高速水分子流動(dòng)，清洗微小顆粒。利用兆聲噴頭對(duì)光刻版進(jìn)行清洗的原理如圖3所示。兆聲噴頭噴灑的水柱與光刻版具有一定傾斜角度θ，以達(dá)到最佳的清洗效果。在利用兆聲清洗時(shí)，卡盤承載光刻版以角速度ω1勻速旋轉(zhuǎn)，安裝有兆聲噴頭的擺臂下降，使兆聲噴頭接近到光刻版表面，并具有一定距離，然后擺臂以角速度ω2勻速往復(fù)擺動(dòng)，兆聲噴嘴向光刻版表面噴灑DI水溶液。
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1.3干燥方式
在手工清洗工藝中，一般采用氮?dú)鈬姌寣⒐饪贪娲蹈?，這種方式受人為因素影響大，人手接觸光刻版時(shí)可能將其再次污染，氮?dú)鈬姌屖褂貌划?dāng)導(dǎo)致液體飛濺，易在光刻版表面殘留水漬。目前比較成熟的干燥方式是在單片旋轉(zhuǎn)清洗設(shè)備上采用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將光刻版甩干，在這個(gè)過程中可以采用氮?dú)鈬婎^提高干燥速度。若仍需要提高效率，氮?dú)庖部梢圆捎眉訜岬姆绞交虻獨(dú)鈬婎^在光刻版表面做掃描運(yùn)動(dòng)。
2工作過程
2.1設(shè)備結(jié)構(gòu)介紹
包括上下料單元、清洗單元、翻轉(zhuǎn)單元、光刻版?zhèn)鬏攩卧?、定位單元、藥液供給與循環(huán)單元和溫度控制單元等幾個(gè)模塊。可以單片手動(dòng)工作模式的運(yùn)行，也可以自動(dòng)批量處理。
2.1.1上下料單元
包括片盒A和片盒B，用于承載待清洗和已經(jīng)清洗的光刻版。光刻版?zhèn)鬏攩卧獜纳舷铝蠁卧ト〈逑吹墓饪贪?，放入清洗單元進(jìn)行清洗處理，處理結(jié)束后，放回上下料單元。片盒A和片盒B的具體作用可以通過軟件進(jìn)行任意設(shè)定。
2.1.2清洗單元
是一個(gè)封閉的腔室，腔室內(nèi)具有如下結(jié)構(gòu)：承載光刻版旋轉(zhuǎn)的卡盤；安裝有藥液噴嘴、毛刷、兆聲噴頭、高壓DI水噴嘴、常壓DI水噴嘴、氮?dú)鈬姽?，并且可以往?fù)擺動(dòng)的多個(gè)擺臂；防濺腔；自動(dòng)門等。在全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)中可以設(shè)計(jì)多個(gè)清洗腔室，以提高清洗效率。
2.1.3翻轉(zhuǎn)單元
是一個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，對(duì)光刻版進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。用戶往往需要對(duì)光刻版的正反兩面進(jìn)行清洗。在清洗光刻版的正面后，光刻版?zhèn)鬏攩卧獙⒐饪贪嬷糜诜D(zhuǎn)單元內(nèi)，光刻版翻轉(zhuǎn)后，傳輸單元將背面朝上的光刻版置于清洗腔內(nèi)，對(duì)光刻版背面進(jìn)行刷洗，達(dá)到光刻版正反兩面清洗的效果。
2.1.4光刻版?zhèn)鬏攩卧?/span>
是一個(gè)折臂抓取機(jī)械手，用于傳輸光刻版，抓取部分為氣缸夾持。同時(shí)，具有掃描識(shí)別光刻版位置的功能。
2.1.5定位單元
用于光刻版位置的校正。
2.1.6藥液供給與循環(huán)單元
將丙酮、濃硫酸等清洗液從供液罐或是儲(chǔ)液槽輸送到清洗單元的噴嘴。同時(shí)，具有藥液循環(huán)過濾、回收利用等功能。
2.1.7溫度控制單元
用于藥液的溫度控制，將藥液控制在合理的工藝溫度范圍內(nèi)。
全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)設(shè)備外形和工作臺(tái)面布局如圖4所示。
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2.2工作過程
下面以丙酮和IPA溶液作為清洗溶液，介紹全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)對(duì)光刻版進(jìn)行清洗的過程。
其工作過程為：將待清洗的光刻版置于上下料單元，對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)正常。編輯工藝文件，設(shè)定工藝參數(shù)。啟動(dòng)自動(dòng)工藝處理程序。機(jī)械手對(duì)片盒A、片盒B進(jìn)行掃描，控制器記錄光刻版的位置；機(jī)械手從片盒A取片，置于定位機(jī)構(gòu)；定位機(jī)構(gòu)對(duì)光刻版位置進(jìn)行校正后，機(jī)械手從定位機(jī)構(gòu)抓取光刻版，置于1號(hào)腔內(nèi)的卡盤上。全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)根據(jù)設(shè)定好的工藝文件，開始執(zhí)行清洗工藝。
工藝步驟1首先進(jìn)行40s的丙酮刷洗工藝，啟動(dòng)擺臂11，對(duì)光刻版噴灑丙酮2s，同時(shí)進(jìn)行毛刷刷洗。為了節(jié)省丙酮溶液的用量，在噴灑丙酮溶液2s后，停止噴灑2s；然后再重新噴灑丙酮2s，再停止噴灑2s，……；直到40s刷洗工藝時(shí)間結(jié)束。丙酮噴灑和停止噴灑的時(shí)間間隔可以根據(jù)用戶的工藝需求，任意設(shè)定。
工藝步驟2當(dāng)?shù)?/span>1步丙酮刷洗結(jié)束后，進(jìn)行15s的IPA清洗。IPA溶液也可以通過程序設(shè)定，進(jìn)行間隔噴灑。
工藝步驟330s的DI水清洗。
工藝步驟445s的氮?dú)獯蹈?，進(jìn)行干燥。
用戶還可以根據(jù)實(shí)際的工藝需求，增加高壓DI水沖洗、兆聲清洗等工藝步驟，改善光刻版的清洗效果。
上述清洗工藝結(jié)束后，承載光刻版的卡盤停止旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手從卡盤抓取光刻版，置于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中。光刻版翻轉(zhuǎn)后，機(jī)械手將背面朝上的光刻版取走，置于2號(hào)腔中，進(jìn)行背面的清洗工藝。機(jī)械手將第2片光刻版置于1號(hào)腔中，同時(shí)處理第2片光刻版正面的清洗。第1片光刻版背面清洗結(jié)束后，機(jī)械手將其置于片盒B中，第1片光刻版清洗結(jié)束。按照上述工藝處理順序，每片光刻版依次進(jìn)行正反兩面清洗，直至所有光刻版清洗結(jié)束?？梢酝ㄟ^修改程序參數(shù)，任意設(shè)定光刻版的清洗順序。
圖5是光刻版清洗前后的對(duì)比照片，沾有光刻膠的光刻版經(jīng)過全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)的清洗后，光刻膠被去除，光刻版潔凈，滿足光刻工藝要求。大量工藝試驗(yàn)證明，全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)工作效率高、節(jié)省藥液、工藝一致性好。
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3結(jié)束語(yǔ)
介紹了常用的光刻版清洗工藝，并詳細(xì)講解了全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)的工作過程。該設(shè)備自用戶投入使用以來，大量的產(chǎn)品證明，采用全自動(dòng)光刻版清洗機(jī)對(duì)光刻版進(jìn)行清洗，光刻版潔凈度高，工藝效果理想，工藝參數(shù)穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，批量處理能力強(qiáng)，可以廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)之中。