光刻技術是半導體工藝制造技術中最重要的工藝之一。涂膠顯影設備結構雖比不上光刻機的復雜程度，但也是半導體生產中是不可缺少的設備，其設備維修也涉及到物理、化學、機械、電氣及控制等多方面的內容。

國內對涂膠顯影技術的論述較少，文章對整個光刻技術的工藝步驟進行介紹，分析了涂膠顯影改進技術對光刻工藝的影響。文章主要對涂膠顯影設備的傳片方法、設計思路進行了詳細的介紹。文章開發了一套涂膠顯影控制系統，詳細介紹了對控制系統中的各個環節。文章[5]對涂膠顯影設備與光刻機內聯控制的接口形式、通信協議等方面進行了介紹分析。

文章針對涂膠顯影設備顯影工藝中顯影液偷滴造成的Tmap缺陷，給出了調整nozzle回吸方法。文章對涂膠顯影設備中空軸電機的原理進行了分析介紹。文章對OVEN單元中的熱板（HP）的作用、控制原理及PID參數調整進行了詳細的介紹。文章提出了針對ACT高精度熱板的一種校準方法。本文介紹涂膠顯影設備結構組成，總結了勻膠顯影設備的常見故障，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歷一系列工序，其中的大部分工序是由勻膠顯影設備完成。

1.1 涂膠顯影工藝流程

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

表1：光刻工藝流程圖

1.2 涂膠顯影技術原理

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：一種為旋轉涂底，但HMDS用量較大且HMDS屬于劇毒化學品，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

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動，噴膠式適用于帶深孔的晶圓片。旋涂式又分為靜態旋涂與動態旋涂，靜態旋涂是在晶圓靜止時滴膠，Chuck帶動晶圓旋轉，完成甩膠、揮發溶劑過程；動態旋涂是晶圓在較低速度（300-500rpm）旋轉同時滴膠，然后加速旋轉，完成甩膠、揮發溶劑過程。涂膠的關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、黏度和轉速有密切的關系，如公式（1）所示：

其中T為膠厚，K為比例常數，C為光刻膠濃度，η為光刻膠黏度，ω為轉速。

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加速度、旋轉加速時間有關，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。

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變化，以及增加光刻膠和晶圓表面的黏結性，采用軟烘的方式將光刻膠中一部分溶劑蒸發掉。將涂完膠的晶圓放置在溫度80-120℃的軟烘腔內，靜置一定的時長。膠膜中的溶劑蒸發至10%以下，增加附著力并且釋放膠膜內的應力，防止膠膜龜裂。軟烘的方式有三種：傳導、對流和輻射。熱板傳導的方式可以得到穩定的溫度，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。可以減少駐波效應，為質子酸（H+）提供反應所需的能量，在短時間內發生化學反應。

顯影：正膠的曝光區與負膠的非曝光區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；另外一種為連續噴霧旋轉顯影，一個或多個噴嘴噴灑顯影液，同時晶圓低速旋轉（100～500rpm），噴嘴噴霧方式和旋轉速度是實現溶解率和均勻性的可重復性的關鍵調節參數；還有旋覆浸沒式顯影，首先慢慢旋轉同時噴覆足夠的顯影液，靜止狀態下進行顯影，顯影完成后經過漂洗再甩干。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，對顯影后的襯底進行烘焙。可以去除光刻膠中剩余的溶劑，增強附著力同時提高在刻蝕過程中的抗刻蝕性，進一步增強光刻膠與晶圓表面間的黏附性及減小駐波效應。

2 勻膠顯影設備結構

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

圖2：勻膠顯影設備結構單元

2.1 LOAD單元

包括CS片盒模塊和CA對中模塊。兩個或多個CS單元有助于提升設備流片量。為將晶圓準確放置在chuck中心或部分機臺采取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：機械對中和光學對中。機械對中較為簡單，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。光學對中通過攝像頭成像識別送入CA模塊中的位置，給出調整位置，實現對中功能。

2.2 機械手臂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軸實現晶片在Cassette和各個單元之間的傳輸功能。Mapping是機器人手臂紅外發射接收裝置通過對Cassette的掃描，來檢測晶片的位置及數量，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，Finger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。涂膠型結構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，部分設備增設溫控系統。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

顯影單元的結構與勻膠單元涂膠型的結構類似，主要區別為藥液不同，無洗邊功能、噴嘴結構不同。

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，部分設備還會增加AD模塊以及WEE模塊。主要對晶圓進行涂底、軟烘、后烘、硬烘和冷卻等工藝。每一個模塊都需要單獨的高精度的溫度控制系統對加熱盤和冷卻管路進行控制。為了保證工藝的穩定性，需要定期對相關單元進行溫度校正。

3 影響勻膠顯影工藝的因素和設備常見故障的處理

設備無法完成工藝加工原因有三個方面，一是設備性能參數無法達到工藝加工要求；二是各項工藝參數需要優化；三是設備自身部件發生損壞或性能下降。第一種需要通過對設備部分功能結構進行升級改造，來提升工藝加工指標。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的常見故障。

3.1 影響勻膠顯影技術工藝的因素

涂/噴膠異常：

（1）晶圓上的膠膜出現細微氣泡，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微氣泡；其次，檢查整個膠路，重點檢查膠瓶罐、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、膠路內是否有氣泡產生，如有氣泡找到產生原因。涂膠工藝需要通過調節回吸閥把回吸降為零，減緩回吸閥的導通和關斷速度，降低膠泵打膠和回膠速度等方式進行排查驗證。除此之外，可選擇動態旋涂方式，并且改變滴膠過程中晶圓的轉速，來避免涂膠工藝中出現氣泡。噴膠工藝還需檢查膠路單向閥性能是否完好，如出現氣體回吸情況，需清理單向閥。另外噴膠臺面的溫度過低，溶劑來不及揮發出去也會導致氣泡的產生。噴膠的形貌不佳可以通過清洗更換毛細管，調節噴嘴角度，改變供氣大小來解決。

（2）晶圓的膠模上存在針孔或細微雜質，非氣泡形貌。主要是由于涂膠或噴膠工藝中由環境的中的微粒污染物引起的。檢查設備的除塵排風功能是否完好，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光刻膠不同的顯影特性，采用不同的顯影液和沖洗液進行顯影處理。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果產生一定的影響。需要所有的參數進行測試后，選擇最優工藝參數。

常見的顯影異常為：

（1）顯影不完全。顯影不夠深導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，顯影的側壁不垂直，開孔的側面出現內凹，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性的質量。軟烘時間或溫度異常，可能會導致膠膜出現龜裂；軟烘腔體內的排氣不暢，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點為限，當在顯微鏡下檢測到光刻膠邊緣明顯增厚，則需調低設定溫度。

3.2 勻膠顯影設備常見故障及處理

涂膠顯影設備，涉及電氣控制，機械運動，供液、氣路真空系統，對環境溫度以及單元模塊的溫濕度要求也較為嚴格。一般把常見故障可分為：供液系統故障、溫濕度控制故障、機械手臂故障、電機與氣缸運動故障、電控系統及軟件故障等方面。

3.2.1 供液系統故障

供液系統包括光刻膠膠路系統、顯影液和EBR溶劑供液系統以及純水等所有供液管路及系統。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，供液罐內部是否有壓力；電磁開關閥、氣動回吸閥、膠泵是否動作，排氣閥、排液閥是狀態否正確；出液流量低時，檢查壓力表指示是否過低，膠泵流量設、藥液流量計指示是否正常，管路中的調節閥、過濾器、EBR針和毛細管等元件是否發生堵塞。

（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，調節壓力不當也會導致漏液發生。

（3）管路內或膠膜上有氣泡，對過濾器進行排氣或更換，清洗氣動閥或調節回吸閥。

3.2.2 溫濕度控制故障

涂膠顯影設備對溫濕度的精度要求比較高，設備中的溫濕度控制包括整機的空調系統、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，實際溫度長時間處于設定溫度上下限之外時，需要檢查加熱器是否損壞，固態繼電器或溫控器的輸出功能是否異常；另一種是溫控系統異常報警，一般為加熱控制器內部電源或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、缺水引起的循環泵故障、TEC制冷片故障。定期檢查chiller液位，缺水時及時補上冷卻液能有效降低循環泵損壞和管路堵塞概率。

（2）濕度超限報警，可排查設備空調控制器情況、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、熱偶接觸點發生變動、溫控器故障所致。

（4）溫度出現偏差，與熱偶性能，設備環境變化，熱板表面潔凈度都有關系，定期需要清潔熱板并對每個溫控模塊進行計量校準調試。

3.2.3 機械手臂PSR、CSR故障

機械手臂主要出現以下幾個問題：

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

（2）機械手mapping故障，檢查反光條表面沾污情況，通過軟件調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、檢查機械手臂輸入真空是否正常、機械手臂電控氣動閥故障、機械手臂內部氣路是否有破損、過濾器是否堵塞。

（4）機械臂運動時噪音大、飛片或初始化失敗，如有設備報警，根據報警信息檢查X軸、Y軸、Z軸或R軸中對應驅動器是否存在錯誤代碼。根據錯誤代碼更換驅動器、編碼器以及電機等配件，驅動器注意原始參數的寫入要求。如無報警信息，需檢查機械臂的導軌，軸承是否潤滑，皮帶松緊是否正常。

3.2.4 電機、氣缸運動故障

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

（1）涂膠及顯影單元轉動噪音大，并逐漸惡化。一種為電機內部進膠或軸承軸承磨損導致，需要清洗電機內部更換軸承或電機，增大設備內部排風，降低氣溶膠進入電機的數量，定期清潔電機轉軸處及防濺罩上的殘膠。一種為電機上的承片臺位置變化或電機匹配性能差引發動平衡問題，需要重新安裝承片臺并調節匹配值。

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

（3）氣缸運動報警，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，氣缸內部磁環性能下降，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，造成的設備整體真空下降。中空軸電機滑動密封性能下降，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設備功能。真空過濾器、管路堵塞，真空發生器性能下降或真空發生器壓縮空氣供氣不足導致的真空度下降，采用更換配件，增大供氣量解決。接頭管路或氣缸發生漏氣現象，主要是接頭破損，氣缸內部密封圈磨損導致。

3.2.6 電控及軟件故障

電控及軟件故障問題一般出現后，處理起來比較麻煩：

（1）因電池電壓低、或者非正常關機等原因，導致數據丟失。需更換新的主板電池，還原以前備份的數據以及相關文件，并且調節機械手所有初始運動位置，用測試片進行每個單元的傳輸測試，因此需定期對數據及系統進行備份。

（2）設備通訊故障，并且常以偶發性軟故障出現。主要檢查相關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。

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

（4）初始化異常,信號傳感器錯誤、光電開關及信號放大器性能下降、驅動器故障、馬達故障是導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校信號放大器，對馬達絲桿進行清潔潤滑處理。

4 結束語

勻膠顯影設備做為半導體工藝重要設備之一，維修涉及多個學科知識交叉的情況，隨著半導體工藝技術的發展，設備維修工作越來越復雜，需要維修人員，結合工藝實際情況，思路準確，不放過任何一個細節，才能徹底解決的遇到的問題。

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