材料来源：化合物半导体

灰化，即从蚀刻晶圆上去除并清洁称为光刻胶的光敏涂层，是芯片制造中最重要和最经常执行的步骤之一。在此步骤中，光刻胶有机物被 “燃烧”，使用的工具通过在低压下将氧气或氟气暴露于高功率无线电波来产生单原子等离子体。以前，晶圆灰化主要使用批处理技术来完成，以实现所需的吞吐量。

然而，与硅半导体不同的是，硅半导体的晶圆以标准的300mm尺寸批量生产，而化合物半导体由碳化硅、砷化镓、氮化镓和蓝宝石制成，其尺寸会在100-200毫米之间变化。在这种情况下，需要明显提高光刻胶去除的均匀性，这意味着需要更好的温度和过程控制。因此，大多数化合物半导体晶圆制造商需要能够实现快速灰化率和高生产水平的自动化单晶圆加工工具。

“如今，半导体制造商越来越多地寻找一种单一的晶圆灰化解决方案，用于高温光刻胶去除和精密除胶。”总部位于慕尼黑的PVA TePla的高级应用工程师Wolfgang Pleyer说。PVA TePla是一家全球领先的微波和射频等离子系统提供商，在美国加州设有办事处。

微波等离子体灰化

50年来，大多数等离子体工具都使用RF（射频）来剥离光刻胶。射频等离子体通过物理过程对表面进行蚀刻，该过程基本上是用等离子体在特定方向上轰击表面。

“在过去，你可以简单地增加直流偏置并去除一切，”Pleyer说。“但射频等离子体在轰击光刻胶方面的选择性不大。此外，当光刻胶被移除时，晶圆的底层可能是敏感的，并且可能被射频损坏。

如今，基于微波的等离子体工具产生了非常高浓度的化学活性物质和低离子轰击能量，既确保了快速的灰化率，又确保了无损伤的等离子体清洁。

“微波往往比射频更快，产生的灰化率也更高。”Pleyer说。

使用氧气有针对性地去除光刻胶 

PVA TePla 等制造商的先进微波等离子灰化系统通常利用氧气作为主要工艺气体。氧气非常有选择性地灰化晶圆，只轰击光刻胶，使晶圆的其余部分不受影响。不幸的是，使用纯氧工艺并不总是与所有类型的晶圆表面兼容；有些需要混合气体。

“光刻胶上或其内部可能还有其他材料，仅靠氧气就不能完全剥离，”Pleyer说，“为了解决这个问题，我们可能会添加一些氟的化学成分，通常是CF4，与氧气混合。”

由于在晶圆中使用不同材料的趋势，一些金属在加工过程中容易被氧化，这是不可接受的。在这种情况下，低压的氢气和氧气都可以使用。

“添加氢气将防止金属氧化，而氧气会去除光刻胶，”Pleyer说，“这是我们在晶圆灰化过程中控制得非常严格的一件事，它需要出色的温度均匀性才能完成这项任务。”

使用MEMS器件需要去除SU-8或类似的环氧基负光刻胶。负光刻胶的一个挑战是暴露于紫外线下的部件会聚合，而薄膜的其余部分仍然可溶并可以被洗掉。此外，SU-8光刻胶的化学稳定性也使其难以去除。

去除SU-8必须在较低的温度下进行。据Pleyer说，“你需要低于100度，在某些情况下低于50度。还需要更大的化学灵活性，包括可能使用氟和出色的温度控制。所有这些在单晶圆加工中都更容易完成。”根据Pleyer的说法，客户可能在两个金属表面之间的一个金属表面沉积了光刻胶，这就需要从晶圆的侧面去除光刻胶。由于其各向同性的蚀刻特性，氧基微波等离子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不同。 

单晶圆自动化的便利性

在手动加载的系统中，灰化器具有一个拉出式门，其中晶圆位于安装在腔室入口门上的加热或冷却平面上。在自动化系统中，晶圆越来越多地利用机器人处理加载到腔室中。

“今天，随着芯片继续变得更加先进，客户希望减少所有的人为因素，”Pleyer说，“这就需要使用机器人进行自动处理和装载，并由主机完全控制。在某些情况下，操作员只需将盒放在装体放在装载端口上，就会自动启动。”

例如，PVA TePla设计了其GIGAab-A等离子系统，可配置200或300毫米晶圆，以及一个具有最多达3个工艺模块的集群工具，称为GIGAfab Modular。两个系统都使用开放式盒式以及前开口或标准机械装载站。晶圆加工采用热电控制，温度控制在室温至250°C。独特的平面微波等离子体源可在很宽的温度范围内提供高灰化率。随着晶圆变得越来越薄，更可靠的自动化单晶圆加工设备可以处理易碎的晶圆。

“试图在不使用机器人的情况下用物理方式处理晶圆，结果可能会很糟糕。”加州PVA TePla公司半导体和医疗设备销售经理Ryan Blaik说，单晶圆加工也提供了更好的温度控制。

“在批量处理的情况下，微波辐射必须加热石英船上的所有晶圆，并且温度在加工过程中可能会波动，”Blaik说，“对于单晶圆加工系统，晶圆只有在预热后才会进入腔室，从而在加工过程中保持恒定的温度。”

在单晶圆加工中，可以使用相同的工具完成除胶过程。这两种工艺之间的主要区别在于晶圆在等离子室中暴露的温度。

根据PVA TePla的Pleyer的说法，“对于除胶，我们想要低灰率，良好的均匀性和过程控制。因为我们只针对去除残留物，所以在非常高的温度下进行灰化的配方是行不通的。使用基于微波的等离子系统的单晶圆灰化更容易实现。”

随着越来越多的半导体器件制造在全球范围内继续增加，以满足对芯片永不满足的需求，对晶圆灰化的控制、效率和可配置解决方案的需求将继续存在，因为芯片本身的复杂性在增加，尺寸在减小。自动化的单晶圆微波等离子系统为芯片制造商提供了有针对性和可配置的灰化，以满足越来越多的晶圆类型的需求。