蔡穎嵐，鄧學(xué)文，全曉輝，楊 濱

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

調(diào)平是使設(shè)備放置平穩(wěn)，同時(shí)，因很多設(shè)備內(nèi)部的特殊要求，還需要進(jìn)一步做機(jī)構(gòu)之間、層與層之間的調(diào)平。半導(dǎo)體制程中，很多要求工藝的可靠性、重復(fù)性和均勻性，這些性能都會(huì)因設(shè)備及其內(nèi)部的調(diào)平受到影響?；诎雽?dǎo)體工藝需求，討論常用測(cè)平方法及具體應(yīng)用。

1 工藝需求

半導(dǎo)體工藝就是在晶片上執(zhí)行一系列復(fù)雜的化學(xué)或者物理操作，制作能實(shí)現(xiàn)各種需要的器件，如二極管、三極管、集成電路及CCD（Charge Couple Device，電荷耦合器件）等。這些工藝基本可以分為4大基本類(lèi)[1]：薄膜工藝、刻印工藝、刻蝕工藝和摻雜工藝。在幾大類(lèi)工藝上進(jìn)行技術(shù)及工藝參數(shù)的增減和變換，并在有限的工藝流程中重復(fù)循環(huán)，并最終形成產(chǎn)品。圖1為CCD工藝流程簡(jiǎn)圖。

圖1 CCD工藝流程

薄膜工藝包括氧化、淀積、外延、蒸發(fā)和濺射等幾類(lèi)。要求表面無(wú)斑點(diǎn)、裂紋、白霧及發(fā)花現(xiàn)象，以及沒(méi)有針孔等缺陷存在。膜厚要符合要求而且均勻、結(jié)構(gòu)致密；刻印工藝也稱光刻工藝，包括涂膠、光刻和顯影等幾個(gè)步驟。光刻要求高分辨率、重復(fù)套刻精度高、低缺陷、大尺寸和線條均勻；刻蝕工藝就是將已經(jīng)曝光、顯影后的光刻微圖形中下層材料的裸露部分去除.要求圖形轉(zhuǎn)移的保真度高、均勻性高及污染小；摻雜工藝包括擴(kuò)散和注入等幾類(lèi)，要求摻雜濃度及深度的重復(fù)性和均勻性。各工藝都有均勻性的要求，而均勻性就要求工藝條件在最佳狀態(tài)。能影響半導(dǎo)體工藝的因素很多，包括溫度、氣壓、各種污染、應(yīng)力、工藝時(shí)間及工藝氣體等的分布。這些因素很多和基材的放置存在緊密的關(guān)系，半導(dǎo)體基材放置的設(shè)計(jì)或調(diào)整無(wú)非是水平、垂直或傾斜，無(wú)論是何種情況，都是以水平為參考?？梢杂盟綑z測(cè)的方式來(lái)掌控，進(jìn)而能重復(fù)性的控制工藝均勻性。

2 常用調(diào)平方式

（1）氣泡水平儀。常用的氣泡水平儀有圓形和長(zhǎng)形2種[2]。水平儀由水準(zhǔn)管和基座2部分構(gòu)成，水準(zhǔn)管是在曲率半徑為R的玻璃管中封裝進(jìn)酒精，只留一個(gè)氣泡，并在管上刻有刻度線。當(dāng)基座底面水平時(shí)，管中氣泡位于管的正中間。將水平儀置于被測(cè)平面上時(shí)，可從氣泡的偏移方向確定該面的傾斜情況。氣泡水平儀價(jià)格便宜，使用方便，在要求不高的場(chǎng)合下使用，能夠快速且較為準(zhǔn)確的掌握水平情況。

（2）千分表。千分表是利用高精度的齒輪、齒條制成的表式長(zhǎng)度測(cè)量工具，在測(cè)量物體時(shí)，使被測(cè)尺寸在直線方向發(fā)生的微小變化經(jīng)過(guò)齒輪、齒條的傳動(dòng)被放大，表現(xiàn)在千分表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)上，從而在表盤(pán)上讀出示數(shù)[3]。一般情況下，表盤(pán)被等分為1000個(gè)刻度，指針轉(zhuǎn)一圈表現(xiàn)為測(cè)桿被抬高1 mm，因此一個(gè)表盤(pán)上一個(gè)刻度就是0.001 mm。如果被測(cè)物體可以移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，將千分表固定，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)情況就可以知道被測(cè)物整體相對(duì)平整度情況。

（3）準(zhǔn)直儀。準(zhǔn)直儀也稱為自準(zhǔn)直光管，光學(xué)平直度檢查儀，是一種利用光的自準(zhǔn)直原理將角度測(cè)量轉(zhuǎn)換為線性測(cè)量的儀器。廣泛應(yīng)用于小角度、平面度、平直度和平行度的測(cè)量。圖2是準(zhǔn)直儀基本光路原理圖。

圖2 準(zhǔn)直儀基本光路原理

光線通過(guò)位于物鏡焦平面的分化板后，經(jīng)物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來(lái)，再通過(guò)物鏡后在焦平面上形成分化板標(biāo)線像與標(biāo)線重合。當(dāng)反射鏡傾斜一個(gè)微小角度α角度，反射回來(lái)的光束就傾斜2α角度。通過(guò)物鏡后成像在分劃板處，偏離中心位移量為x。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可按式（1）計(jì)算。

式中 f——物鏡焦距

α—— —反射鏡偏角

由于α角很小，所以式（1）可近似為（2）式。

在自準(zhǔn)直儀中，物鏡焦距是一個(gè)常數(shù)，同時(shí)，準(zhǔn)直儀沒(méi)有比例放大，觀測(cè)到的位移偏移量為實(shí)際偏移，如果測(cè)得位移量，就可以計(jì)算出反射鏡偏角的大小[4]。

3 應(yīng)用分析

（1）氧化爐片舟調(diào)平。氧化屬于薄膜工藝，在恒溫區(qū)的晶片上生成氧化膜。除了氧氣的進(jìn)位設(shè)計(jì)和精密的恒溫控制，晶片在爐管中的位置將極大的影響氧化膜的均勻性。晶片的豎直即垂直度需要通過(guò)調(diào)石英架的水平來(lái)確定。圖3為氧化爐及承片臺(tái)系統(tǒng)示意圖，并確定了石英架的測(cè)平方法

圖3 氧化爐片舟調(diào)平

圖3中2根石英架相當(dāng)于2線確定一個(gè)面，將硅片放置在石英架上，再將水平儀放置在硅片上，就可以確定石英舟的水平度。這里采用的是清潔的試驗(yàn)硅片，水平儀沒(méi)有與爐體內(nèi)部有任何接觸，避免了污染。將水平儀在原處轉(zhuǎn)180°，取2次測(cè)量的平均值。測(cè)量時(shí)通常讀取氣泡超出刻度線的一方的偏差值。如第一次向右偏出氣泡刻度線為a，將水平儀原地旋轉(zhuǎn)180°后向右偏出為b，則實(shí)際傾斜誤差n可用（3）式計(jì)算。

在氧化工藝中，石英管、石英架和石英舟會(huì)常常拆卸下來(lái)清洗，在重新安裝過(guò)程，應(yīng)該采用上述測(cè)平方式。還可以在拆卸前做一次測(cè)試，以作參考。

（2）顯影和涂膠承片臺(tái)調(diào)平。晶片放置的水平度將對(duì)工藝均勻性產(chǎn)生影響，這里以顯影和涂膠工藝為例來(lái)分析采用千分表的調(diào)平方式。如圖4所示。

圖4 千分表的測(cè)平方式

磁性座吸附在設(shè)備臺(tái)面合適的位置，千分表通過(guò)磁性座連桿懸垂于旋轉(zhuǎn)臺(tái)或移動(dòng)片臺(tái)上方，并輕微接觸，使千分表指針固定于某個(gè)讀數(shù)。以該讀數(shù)為參考，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)片臺(tái)，根據(jù)千分表讀數(shù)的變化就可以知道水平相對(duì)變化情況。為消除誤差，還可以采用一對(duì)千分表的方式，取讀數(shù)變化的平均值。

（3）光刻機(jī)版架和承片臺(tái)的調(diào)平。光刻機(jī)是半導(dǎo)體工藝的核心設(shè)備，目前的光刻設(shè)備采用了很多技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)版及片的平行，但在安裝、大的調(diào)試或者無(wú)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的光刻設(shè)備中還需要借助準(zhǔn)直儀等手段來(lái)調(diào)平。圖5為準(zhǔn)直儀在光刻調(diào)平中的應(yīng)用。

準(zhǔn)直儀對(duì)準(zhǔn)掩膜版，版選用無(wú)光刻圖形的石英版，準(zhǔn)直儀投射出的十字光斑將部分反射回準(zhǔn)直儀，并在觀察窗看見(jiàn)影像清晰的十字標(biāo)記。同時(shí)十字光斑穿過(guò)石英版，通過(guò)物鏡組到達(dá)片臺(tái)上的晶片并原路返回到準(zhǔn)直儀觀察窗，這里可以采用反射率更高的平面反射鏡來(lái)替代工藝晶片。當(dāng)版和片返回的十字標(biāo)記重合時(shí)表明版和片已達(dá)到平行，調(diào)試完畢。

隨著光電技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代測(cè)平技術(shù)也逐漸融入設(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化調(diào)平，基于CCD的圖像分析系統(tǒng)是關(guān)鍵。CCD的工作原理是通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上，再由后部處理電路進(jìn)行處理或計(jì)算，成為電視信號(hào)或檢測(cè)信號(hào)，還能對(duì)圖像信息精確分析。利用其圖像處理能力，CCD可以和準(zhǔn)直儀結(jié)合，取代人眼來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)平分析，也可以直接與計(jì)算機(jī)相連，在圖像處理軟件的幫助下在某些場(chǎng)合單獨(dú)實(shí)現(xiàn)調(diào)平分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體工藝追求工藝的可靠性、重復(fù)性和均勻性，以獲得較高的成品率。需要做好每一個(gè)細(xì)節(jié)，并對(duì)各種影響因素做出歸納和總結(jié)。半導(dǎo)體工藝設(shè)備眾多，且同一設(shè)備又可用于不同的產(chǎn)品。設(shè)備及其內(nèi)部各部件之間的調(diào)平都會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生影響，這些工作都需要設(shè)備廠家、設(shè)備維護(hù)工程師和工藝師共同來(lái)總結(jié)、分析和研究。

［1］Michael Quirk.韓鄭生譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］王黎智，張曦.氣泡水平儀的原理及校準(zhǔn)［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1996（12）：43-44

［3］陳新. 百分表示值誤差的分析與調(diào)修［J］.黑龍江科學(xué)，2014（4）:181

［4］鄒九貴，甘俊紅.高精度二維自準(zhǔn)直儀的研制［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2006，26（5）:19-20，26.