化合物半导体自动单晶圆灰化工艺探索

灰化(Ashing)就是将称为光刻胶的光敏涂层从蚀刻好的晶圆上去除并完成清理的过程，是芯片制造中最重要和频繁执行的步骤之一。此步骤要使用特殊的处理工具“烧掉”光刻胶有机物，并将低压状态的氧气或氟气暴露于高功率无线电波中来产生单原子等离子体。以前，为了达到所需的吞吐量，主要使用批处理技术进行晶圆灰化。

然而，与以300毫米尺寸为标准的硅半导体晶圆批量生产不同，由碳化硅、氮化镓、砷化镓和蓝宝石制成的半导体化合物，其尺寸范围为100至200毫米。在这种情况下，光刻胶的去除需要比硅工艺要好得多的均匀性，这意味着需要更好的温度和工艺控制。因此，大多数化合物半导体晶圆制造商都需要快速灰化和高生产力的自动化单晶圆加工工具，或者说急需想要找到一种能够实现高温光刻胶去除和精密除渣的单晶圆灰化解决方案。

微波等离子灰化

50年来，大多数等离子工具使用射频(RF)来剥离光刻胶。射频等离子体通过物理过程来蚀刻表面，该过程实质上是用等离子体以特定的角度轰击晶圆表面。

过去，通过简单地增加直流偏压就能将所有东西去除干净，但射频等离子体在轰击光刻胶方面不具备那样的选择性。此外，当去除光刻胶时，下方的晶圆层可能比较敏感而被射频损坏。

今天，基于微波的等离子工具能够产生非常高浓度的化学活性物质和很低的离子轰击能量，因而能够确保快速灰化率和无损伤的等离子清洗。微波工艺往往比射频更快，因而能够实现更高的灰化速率。

使用氧气针对性地去除光刻胶

PVA TePla等制造商提供的基于微波的先进等离子灰化系统，经常使用氧气作为主要工艺气体。氧气对晶圆的灰化极具选择性，它只轰击光刻胶，而晶圆的其余部分不受影响。

遗憾的是，使用纯氧工艺并不总是与所有类型的晶圆表面相兼容，有些晶圆表面需要用到混合气体。

光刻胶上面或光刻胶里边可能存在仅用氧气无法完全剥离的其他材料。为了解决这个问题，可以添加一些氟化学物质，通常是CF4，将它与氧气混合在一起使用。

由于晶圆中具有使用不同材料的趋势，而某些金属在这个工艺过程中很容易被氧化，因此上述方法并非很理想。在这种情况下可以同时使用低压的氢气和氧气。

添加氢气可以防止金属氧化，氧气则用于去除光刻胶。这是在晶圆灰化过程中需要非常严格控制的一道工艺，需要出色的温度均匀性才能顺利完成这项任务。

使用MEMS设备时，需要去除基于SU-8或类似环氧树脂的负片光刻胶。使用负片光刻胶面临的一个挑战是暴露在紫外线下的光刻胶部分会发生聚合，而其余部分仍然是可溶且可以被清洗掉的。此外，SU-8光刻胶的化学稳定性使其很难被去除。

去除SU-8光刻胶必须在较低温度下进行，通常需要低于100˚C，在某些情况下要低于50˚C。化学方面也需要更大的灵活性，包括可能使用氟和出色的温度控制。而所有这一切用单晶圆工艺会更容易实现。

有时在两个金属面之间沉积的一个金属表面上可能会有光刻胶，因此需要从晶圆侧面将其去除。由于其各向同性的蚀刻特性，氧基微波等离子体灰化器可以去除金属板之间的光刻胶，这与基于射频的系统是不同的。

易于实现单晶圆自动化

在手动加载系统中，灰化器有一个拉出式门，晶圆位于安装在腔室入门上的加热或冷却平面上。自动化系统中越来越多地使用机器人将晶圆加载到腔室中。

如今，随着芯片变得越来越先进，客户希望减少所有人为因素。这就要求使用机器人进行自动处理和加载，并由主机进行完全控制。在某些情况下，操作员只需将胶片盒放在加载口上，就能自动启动并完成后续过程。

例如，PVA TePla就设计出了一种被称为GIGAfab-A的等离子系统，可配置用于200或300毫米晶圆，还有一个被称GIGAfab Modular的具有多达三个加工模块的套装工具。这两种系统都使用开放式胶片盒，以及前开式或标准机械化加载台，可在室温至250˚C范围内对台晶圆加工进行热电控制。其独特的平面微波等离子体源可在较宽的温度范围内提供高灰化速率。

随着晶圆变得越来越薄，需要更可靠的自动化单晶圆加工设备来对付易碎的晶圆。

位于加州的PVA TePla公司RyanBlaik认为：“试图在不使用机器人的情况下以物理方式处理晶圆，很可能会以失败告终。”

此外，单晶圆加工还能提供更好的温度控制。

“在批处理时，微波辐射必须加热石英舟中的所有晶圆，而在这个处理过程中温度可能会发生波动，”Blaik表示，“对于单晶圆加工系统来说，晶圆只有在预热后才能进入腔室，因而在处理过程中能够保持恒温。”

在单晶圆加工过程中，可以使用同样的工具完成除渣工艺。这两种工艺之间的主要区别在于对等离子体室中的晶圆所施加的温度不同。

在除渣方面，需要低灰化速率、良好的均匀性和过程控制。因为只针对去除残留物，所以在非常高的温度下进行灰化的方法是行不通的。使用基于微波的等离子系统和单晶圆灰化能使除渣更容易完成。

为了满足对芯片无止境的追求，全球范围内半导体器件制造产能在不断攀升，随之而来的是芯片本身复杂性的不断增加和尺寸的持续减小，对晶圆灰化的控制、效率和可配置解决方案的需求也将继续存在。自动化的单晶圆微波等离子体系统，为芯片制造商提供了有针对性和可配置的灰化机制，可满足以碳化硅和氮化镓为代表的的第三代化合物半导体中不断增加的各种晶圆类型的需求。