光刻技術(shù)是半導(dǎo)體工藝制造技術(shù)中最重要的工藝之一。涂膠顯影設(shè)備結(jié)構(gòu)雖比不上光刻機(jī)的復(fù)雜程度，但也是半導(dǎo)體生產(chǎn)中是不可缺少的設(shè)備，其設(shè)備維修也涉及到物理、化學(xué)、機(jī)械、電氣及控制等多方面的內(nèi)容。

國內(nèi)對涂膠顯影技術(shù)的論述較少，文章對整個光刻技術(shù)的工藝步驟進(jìn)行介紹，分析了涂膠顯影改進(jìn)技術(shù)對光刻工藝的影響。文章主要對涂膠顯影設(shè)備的傳片方法、設(shè)計思路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。文章開發(fā)了一套涂膠顯影控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了對控制系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)。文章[5]對涂膠顯影設(shè)備與光刻機(jī)內(nèi)聯(lián)控制的接口形式、通信協(xié)議等方面進(jìn)行了介紹分析。

文章針對涂膠顯影設(shè)備顯影工藝中顯影液偷滴造成的Tmap缺陷，給出了調(diào)整nozzle回吸方法。文章對涂膠顯影設(shè)備中空軸電機(jī)的原理進(jìn)行了分析介紹。文章對OVEN單元中的熱板（HP）的作用、控制原理及PID參數(shù)調(diào)整進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。文章提出了針對ACT高精度熱板的一種校準(zhǔn)方法。本文介紹涂膠顯影設(shè)備結(jié)構(gòu)組成，總結(jié)了勻膠顯影設(shè)備的常見故障，并提出了各種故障的處理措施。

1 勻膠顯影工藝流程及原理

一般的光刻工藝需要經(jīng)歷一系列工序，其中的大部分工序是由勻膠顯影設(shè)備完成。

1.1 涂膠顯影工藝流程

整個光刻工藝中的涂底、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、后烘、顯影、硬烘都是在涂膠顯影設(shè)備中完成，如表1所示。晶片通過CSR或PSR機(jī)械手臂從盒站中取出，并送到各工藝單元，完成相關(guān)工藝處理后的晶圓再由CSR或PSR機(jī)械手臂送回盒站。

表1：光刻工藝流程圖

1.2 涂膠顯影技術(shù)原理

涂底：將六甲基二硅亞胺（HMDS）作用于晶圓上，使其具有疏水性，增加基底表面的黏附性。涂底的方式有兩種：一種為旋轉(zhuǎn)涂底，但HMDS用量較大且HMDS屬于劇毒化學(xué)品，涂底不均，容易存在顆粒污染；另一種為氣相熱板涂底，如圖1所示，在高溫環(huán)境下，HMDS蒸汽沉積，避免顆粒污染并且涂底均勻。

圖1：HMDS單元供液系統(tǒng)

勻膠：在晶圓表面覆蓋一層光刻膠。覆蓋的方式主要為噴膠式和旋涂式。噴膠設(shè)備將光刻膠通過膠嘴以“膠霧”的形式噴射到晶圓表面，膠嘴在噴膠過程中以特定行駛軌跡往返運(yùn)動，噴膠式適用于帶深孔的晶圓片。旋涂式又分為靜態(tài)旋涂與動態(tài)旋涂，靜態(tài)旋涂是在晶圓靜止時滴膠，Chuck帶動晶圓旋轉(zhuǎn)，完成甩膠、揮發(fā)溶劑過程；動態(tài)旋涂是晶圓在較低速度（300-500rpm）旋轉(zhuǎn)同時滴膠，然后加速旋轉(zhuǎn)，完成甩膠、揮發(fā)溶劑過程。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與均勻性，采用旋涂法膠膜的厚度與光刻膠的濃度、黏度和轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系，如公式（1）所示：

其中T為膠厚，K為比例常數(shù)，C為光刻膠濃度，η為光刻膠黏度，ω為轉(zhuǎn)速。

式中除了ω其他都是常量，而α的值一般為1/2,所以近似得出公式（2）：

膠膜的均勻性是與旋轉(zhuǎn)加速度、旋轉(zhuǎn)加速時間有關(guān)，加速度越快越均勻性越好。一般均勻性要求在膜厚的0.5%以內(nèi)。

軟烘：為了避免光刻膠里面的溶劑吸收光，影響光敏聚合物的化學(xué)變化，以及增加光刻膠和晶圓表面的黏結(jié)性，采用軟烘的方式將光刻膠中一部分溶劑蒸發(fā)掉。將涂完膠的晶圓放置在溫度80-120℃的軟烘腔內(nèi)，靜置一定的時長。膠膜中的溶劑蒸發(fā)至10%以下，增加附著力并且釋放膠膜內(nèi)的應(yīng)力，防止膠膜龜裂。軟烘的方式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱板傳導(dǎo)的方式可以得到穩(wěn)定的溫度，并且加熱速度位于另外兩者之間，因此是最常用的軟烘方式。

后烘：晶圓曝光后的烘烤，溫度在110-140℃之間?？梢詼p少駐波效應(yīng)，為質(zhì)子酸（H+）提供反應(yīng)所需的能量，在短時間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

顯影：正膠的曝光區(qū)與負(fù)膠的非曝光區(qū)的光刻膠在顯影液中被去除，其余的光刻膠被保留在晶圓上，形成三維光刻膠圖形。顯影的方式有多種，整盒硅片浸沒式顯影，這種顯影液消耗很大，顯影的均勻性也差；另外一種為連續(xù)噴霧旋轉(zhuǎn)顯影，一個或多個噴嘴噴灑顯影液，同時晶圓低速旋轉(zhuǎn)（100～500rpm），噴嘴噴霧方式和旋轉(zhuǎn)速度是實(shí)現(xiàn)溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)；還有旋覆浸沒式顯影，首先慢慢旋轉(zhuǎn)同時噴覆足夠的顯影液，靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行顯影，顯影完成后經(jīng)過漂洗再甩干。這種顯影液用量少，顯影均勻，最小化溫度梯度。

硬烘：在一定溫度下，對顯影后的襯底進(jìn)行烘焙?？梢匀コ饪棠z中剩余的溶劑，增強(qiáng)附著力同時提高在刻蝕過程中的抗刻蝕性，進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與晶圓表面間的黏附性及減小駐波效應(yīng)。

2 勻膠顯影設(shè)備結(jié)構(gòu)

自動勻膠顯影設(shè)備廠商較多，日本TEL、德國SUSS、奧地利EVG以及國內(nèi)沈陽芯源等公司都有成熟的涂膠顯影設(shè)備生產(chǎn)能力，但日本TEL的涂膠顯影設(shè)備在全球都處于壟斷地位。雖然不同廠商設(shè)備的結(jié)構(gòu)及方式各不相同，但大多都采用單元模塊結(jié)構(gòu)，且功能都很類似。主要由盒站單元CS、盒站機(jī)械手臂CSR、工藝機(jī)器人手臂PSR、涂膠單元COT、顯影單元DEV、熱烘/冷卻OVEN單元、對中單元CA等部分構(gòu)成。部分機(jī)臺包括邊部曝光單元WEE，并且具有與光刻機(jī)互聯(lián)功能，如圖2所示。

圖2：勻膠顯影設(shè)備結(jié)構(gòu)單元

2.1 LOAD單元

包括CS片盒模塊和CA對中模塊。兩個或多個CS單元有助于提升設(shè)備流片量。為將晶圓準(zhǔn)確放置在chuck中心或部分機(jī)臺采取chuck邊緣吸附晶圓方式時，會有晶圓對中功能及找邊功能。對中的方式主要有兩種：機(jī)械對中和光學(xué)對中。機(jī)械對中較為簡單，通過robot將晶圓放置在對中盛片臺上，兩邊的對中卡盤，同時向盛片臺中心移動，兩個卡盤到盛片臺中心的距離一致，從而保證晶圓在盛片臺的中心位置。光學(xué)對中通過攝像頭成像識別送入CA模塊中的位置，給出調(diào)整位置，實(shí)現(xiàn)對中功能。

2.2 機(jī)械手臂CSR與PSR

CSR具有晶片定位檢測（Mapping）功能，并且通過R（X）軸、T（Y）軸和Z軸實(shí)現(xiàn)晶片在Cassette和各個單元之間的傳輸功能。Mapping是機(jī)器人手臂紅外發(fā)射接收裝置通過對Cassette的掃描，來檢測晶片的位置及數(shù)量，掃描的方式有反射式，也有對射式。傳送晶片時固定晶片的方式有兩種：Finger真空固定，F(xiàn)inger卡具固定。

2.3 勻膠(COT)與顯影(DEV)單元

將光刻膠均勻的噴涂在晶片表面的方式有兩種：涂膠型和噴膠型。涂膠型結(jié)構(gòu)主要由中空主軸組件、COT膠臂組件、EBR手臂組件、CUP組件、各組件升降氣缸及廢液收集組件等組成，部分設(shè)備增設(shè)溫控系統(tǒng)。噴膠型COT膠臂組件和Chuck與涂膠型有所不同，如圖3所示。

圖3：噴膠COT單元

顯影單元的結(jié)構(gòu)與勻膠單元涂膠型的結(jié)構(gòu)類似，主要區(qū)別為藥液不同，無洗邊功能、噴嘴結(jié)構(gòu)不同。

2.4 熱烘/冷卻OVEN單元

OVEN單元包括若干個熱板模塊、冷板模塊，部分設(shè)備還會增加AD模塊以及WEE模塊。主要對晶圓進(jìn)行涂底、軟烘、后烘、硬烘和冷卻等工藝。每一個模塊都需要單獨(dú)的高精度的溫度控制系統(tǒng)對加熱盤和冷卻管路進(jìn)行控制。為了保證工藝的穩(wěn)定性，需要定期對相關(guān)單元進(jìn)行溫度校正。

3 影響勻膠顯影工藝的因素和設(shè)備常見故障的處理

設(shè)備無法完成工藝加工原因有三個方面，一是設(shè)備性能參數(shù)無法達(dá)到工藝加工要求；二是各項工藝參數(shù)需要優(yōu)化；三是設(shè)備自身部件發(fā)生損壞或性能下降。第一種需要通過對設(shè)備部分功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級改造，來提升工藝加工指標(biāo)。這里主要討論后面兩種情況對勻膠顯影工藝的影響和引發(fā)的常見故障。

3.1 影響勻膠顯影技術(shù)工藝的因素

涂/噴膠異常：

（1）晶圓上的膠膜出現(xiàn)細(xì)微氣泡，一種集中分布在晶圓中心附近分布，一種在晶圓表面雜亂分布。工藝過程中氣體混入光刻膠是引起此現(xiàn)象的主要原因。首先，采用手動涂膠方式，檢查原始光刻膠中是否存在細(xì)微氣泡；其次，檢查整個膠路，重點(diǎn)檢查膠瓶罐、緩存罐、過濾器、膠泵以及噴頭的連接處是否存在光刻膠泄漏情況。打膠時，過濾器、膠路內(nèi)是否有氣泡產(chǎn)生，如有氣泡找到產(chǎn)生原因。涂膠工藝需要通過調(diào)節(jié)回吸閥把回吸降為零，減緩回吸閥的導(dǎo)通和關(guān)斷速度，降低膠泵打膠和回膠速度等方式進(jìn)行排查驗證。除此之外，可選擇動態(tài)旋涂方式，并且改變滴膠過程中晶圓的轉(zhuǎn)速，來避免涂膠工藝中出現(xiàn)氣泡。噴膠工藝還需檢查膠路單向閥性能是否完好，如出現(xiàn)氣體回吸情況，需清理單向閥。另外噴膠臺面的溫度過低，溶劑來不及揮發(fā)出去也會導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生。噴膠的形貌不佳可以通過清洗更換毛細(xì)管，調(diào)節(jié)噴嘴角度，改變供氣大小來解決。

（2）晶圓的膠模上存在針孔或細(xì)微雜質(zhì)，非氣泡形貌。主要是由于涂膠或噴膠工藝中由環(huán)境的中的微粒污染物引起的。檢查設(shè)備的除塵排風(fēng)功能是否完好，定期需要更換空氣過濾裝置和光刻膠過濾器。在維修或保養(yǎng)膠路時，膠路連接處需要保證潔凈，無異物落入。

顯影異常：顯影針對正光刻膠和負(fù)光刻膠不同的顯影特性，采用不同的顯影液和沖洗液進(jìn)行顯影處理。顯影工藝中，軟烘時間與溫度、顯影液濃度、時間、溫度以及顯影方法都對顯影結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。需要所有的參數(shù)進(jìn)行測試后，選擇最優(yōu)工藝參數(shù)。

常見的顯影異常為：

（1）顯影不完全。顯影不夠深導(dǎo)致晶圓表面還殘留需清除的光刻膠，由于顯影液不足造成；

（2）顯影不充分，顯影的側(cè)壁不垂直，開孔的側(cè)面出現(xiàn)內(nèi)凹，主要由于顯影時間不足造成；

（3）過顯影問題，靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺階，顯影時間太長導(dǎo)致。顯影時間過長或者顯影液過多容易使得周圍光刻膠太薄，導(dǎo)致刻蝕中的斷裂或翹起。另外，維修過程中，一定注意非黃光的使用。避免因不正確的照射引起工藝問題。

熱烘異常：軟烘的主要參數(shù)是時間和溫度，二者會影響圖形定義好壞和刻蝕工藝中光刻膠與晶圓表面黏結(jié)性的質(zhì)量。軟烘時間或溫度異常，可能會導(dǎo)致膠膜出現(xiàn)龜裂；軟烘腔體內(nèi)的排氣不暢，會影響膠膜厚度的均勻性。烘烤不足，會減弱光刻膠的強(qiáng)度，降低針孔填充能力，降低與基底的黏附能力。烘烤過度則引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，分辨率變差。硬烘溫度與時間的選取特征與軟烘類似，溫度上限以光刻膠流動節(jié)點(diǎn)為限，當(dāng)在顯微鏡下檢測到光刻膠邊緣明顯增厚，則需調(diào)低設(shè)定溫度。

3.2 勻膠顯影設(shè)備常見故障及處理

涂膠顯影設(shè)備，涉及電氣控制，機(jī)械運(yùn)動，供液、氣路真空系統(tǒng)，對環(huán)境溫度以及單元模塊的溫濕度要求也較為嚴(yán)格。一般把常見故障可分為：供液系統(tǒng)故障、溫濕度控制故障、機(jī)械手臂故障、電機(jī)與氣缸運(yùn)動故障、電控系統(tǒng)及軟件故障等方面。

3.2.1 供液系統(tǒng)故障

供液系統(tǒng)包括光刻膠膠路系統(tǒng)、顯影液和EBR溶劑供液系統(tǒng)以及純水等所有供液管路及系統(tǒng)。主要故障有以下幾個方面：

（1）出液異常：不出液（膠）時，需要檢查儲液（膠）罐、緩存罐中是否有液（膠）存在，供液罐內(nèi)部是否有壓力；電磁開關(guān)閥、氣動回吸閥、膠泵是否動作，排氣閥、排液閥是狀態(tài)否正確；出液流量低時，檢查壓力表指示是否過低，膠泵流量設(shè)、藥液流量計指示是否正常，管路中的調(diào)節(jié)閥、過濾器、EBR針和毛細(xì)管等元件是否發(fā)生堵塞。

（2）漏液或漏液報警故障，首先排除傳感器誤報情況，再檢查漏液處的接頭、管路及密封圈狀況，找到漏液點(diǎn)后，需分析引起漏液的原因是老化所致，還是壓力過高等原因，管路堵塞，調(diào)節(jié)壓力不當(dāng)也會導(dǎo)致漏液發(fā)生。

（3）管路內(nèi)或膠膜上有氣泡，對過濾器進(jìn)行排氣或更換，清洗氣動閥或調(diào)節(jié)回吸閥。

3.2.2 溫濕度控制故障

涂膠顯影設(shè)備對溫濕度的精度要求比較高，設(shè)備中的溫濕度控制包括整機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)、OVEN單元的冷熱板模塊、涂膠及顯影單元的溫控模塊等。主要故障為：

（1）溫控器錯誤報警；一種為溫度超限報警，實(shí)際溫度長時間處于設(shè)定溫度上下限之外時，需要檢查加熱器是否損壞，固態(tài)繼電器或溫控器的輸出功能是否異常；另一種是溫控系統(tǒng)異常報警，一般為加熱控制器內(nèi)部電源或PCB控制板故障，chiller流量計損壞或水路堵塞引起的流量故障，chiller電源故障、缺水引起的循環(huán)泵故障、TEC制冷片故障。定期檢查chiller液位，缺水時及時補(bǔ)上冷卻液能有效降低循環(huán)泵損壞和管路堵塞概率。

（2）濕度超限報警，可排查設(shè)備空調(diào)控制器情況、加熱器好壞、是否缺水、管道是否通暢等。

（3）溫度跳變較大或顯示與實(shí)際不符，主要由熱偶性能下降、熱偶線抗干擾能力差，接線松動、熱偶接觸點(diǎn)發(fā)生變動、溫控器故障所致。

（4）溫度出現(xiàn)偏差，與熱偶性能，設(shè)備環(huán)境變化，熱板表面潔凈度都有關(guān)系，定期需要清潔熱板并對每個溫控模塊進(jìn)行計量校準(zhǔn)調(diào)試。

3.2.3 機(jī)械手臂PSR、CSR故障

機(jī)械手臂主要出現(xiàn)以下幾個問題：

（1）傳片位置存在誤差導(dǎo)致蹭片、掉片，軟烘時手臂送片位置搭在熱板的定位柱上，導(dǎo)致受熱不均，影響厚度均勻性，需要通過機(jī)械手控制器重新調(diào)校機(jī)械手臂在各個單元的位置。

（2）機(jī)械手mapping故障，檢查反光條表面沾污情況，通過軟件調(diào)試放大器反饋信號至最佳，如不行更換mapping放大器和探頭。

（3）機(jī)械手臂真空報警，需要排除晶圓翹曲引起的真空報警，檢查手臂真空吸頭膠墊是否破損、檢查機(jī)械手臂輸入真空是否正常、機(jī)械手臂電控氣動閥故障、機(jī)械手臂內(nèi)部氣路是否有破損、過濾器是否堵塞。

（4）機(jī)械臂運(yùn)動時噪音大、飛片或初始化失敗，如有設(shè)備報警，根據(jù)報警信息檢查X軸、Y軸、Z軸或R軸中對應(yīng)驅(qū)動器是否存在錯誤代碼。根據(jù)錯誤代碼更換驅(qū)動器、編碼器以及電機(jī)等配件，驅(qū)動器注意原始參數(shù)的寫入要求。如無報警信息，需檢查機(jī)械臂的導(dǎo)軌，軸承是否潤滑，皮帶松緊是否正常。

3.2.4 電機(jī)、氣缸運(yùn)動故障

設(shè)備中會用到交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等多種類型電機(jī)。由于涂膠、顯影單元需要將晶圓吸附到承片臺上，因此涂膠、顯影的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，采用特殊的中空軸電機(jī)。溶劑噴灑臂，采用可旋轉(zhuǎn)升降氣缸。常見故障：

（1）涂膠及顯影單元轉(zhuǎn)動噪音大，并逐漸惡化。一種為電機(jī)內(nèi)部進(jìn)膠或軸承軸承磨損導(dǎo)致，需要清洗電機(jī)內(nèi)部更換軸承或電機(jī)，增大設(shè)備內(nèi)部排風(fēng)，降低氣溶膠進(jìn)入電機(jī)的數(shù)量，定期清潔電機(jī)轉(zhuǎn)軸處及防濺罩上的殘膠。一種為電機(jī)上的承片臺位置變化或電機(jī)匹配性能差引發(fā)動平衡問題，需要重新安裝承片臺并調(diào)節(jié)匹配值。

（2）轉(zhuǎn)速異常，檢查驅(qū)動器是否出現(xiàn)錯誤代碼，如出現(xiàn)根據(jù)錯誤代碼排查問題，檢查驅(qū)動器與電機(jī)之間接線接觸是否良好。采用排除法，更換驅(qū)動器等易更換部件，確定電機(jī)、編碼器或驅(qū)動器之間故障元件。

（3）氣缸運(yùn)動報警，檢查廠房壓縮空氣供氣壓力是否正常，一般為氣缸串氣、漏氣，位置傳感器故障，氣缸內(nèi)部磁環(huán)性能下降，電控氣動閥故障等原因所致。

3.2.5 真空、氣路故障

除了部分機(jī)械臂需要真空吸附晶圓，涂膠或顯影單元的晶圓吸附也需要真空功能，常見故障為出現(xiàn)真空差或掉片。首先排除其他單元的真空模塊空吸、個別晶圓翹曲等，造成的設(shè)備整體真空下降。中空軸電機(jī)滑動密封性能下降，真空管路破損，接頭松動，承片臺表面有劃痕或凸起導(dǎo)致的真空泄露，采用更換損壞配件解決，承片臺可采用打磨平臺表面并貼薄膜的方法臨時恢復(fù)設(shè)備功能。真空過濾器、管路堵塞，真空發(fā)生器性能下降或真空發(fā)生器壓縮空氣供氣不足導(dǎo)致的真空度下降，采用更換配件，增大供氣量解決。接頭管路或氣缸發(fā)生漏氣現(xiàn)象，主要是接頭破損，氣缸內(nèi)部密封圈磨損導(dǎo)致。

3.2.6 電控及軟件故障

電控及軟件故障問題一般出現(xiàn)后，處理起來比較麻煩：

（1）因電池電壓低、或者非正常關(guān)機(jī)等原因，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。需更換新的主板電池，還原以前備份的數(shù)據(jù)以及相關(guān)文件，并且調(diào)節(jié)機(jī)械手所有初始運(yùn)動位置，用測試片進(jìn)行每個單元的傳輸測試，因此需定期對數(shù)據(jù)及系統(tǒng)進(jìn)行備份。

（2）設(shè)備通訊故障，并且常以偶發(fā)性軟故障出現(xiàn)。主要檢查相關(guān)的線路接頭是否松動，線路是否破損，通訊制板接插是否可靠，直流電源供電電壓是否處在臨界狀態(tài)。

（3）上電無反應(yīng)，或者部分元件指示燈不亮，主要檢查保險是否損壞，保護(hù)繼電器、空氣開關(guān)和急停開關(guān)是否動作，設(shè)備供電是否缺相，直流電源是否損壞等。

（4）初始化異常,信號傳感器錯誤、光電開關(guān)及信號放大器性能下降、驅(qū)動器故障、馬達(dá)故障是導(dǎo)致這些情況的主要原因，需定期清潔光電反射板、信號接受器元件或重新調(diào)校信號放大器，對馬達(dá)絲桿進(jìn)行清潔潤滑處理。

4 結(jié)束語

勻膠顯影設(shè)備做為半導(dǎo)體工藝重要設(shè)備之一，維修涉及多個學(xué)科知識交叉的情況，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備維修工作越來越復(fù)雜，需要維修人員，結(jié)合工藝實(shí)際情況，思路準(zhǔn)確，不放過任何一個細(xì)節(jié)，才能徹底解決的遇到的問題。

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