300mm全自动去胶清洗设备的研制

曹秀芳，曹颖杰，祝福生

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

倒装芯片技术是近几年先进微组装技术——BGA封装、CSP封装、MCM微组装的关键工艺技术，而芯片倒装技术的关键是球形焊料凸点的制造工艺。由于在这一阶段，晶圆工艺都已经完成，产品成本完全投入，因此，凸点制造时成品率的降低会极大增加成本。为此，必须对凸点制造的工艺步骤进行严格控制。去胶工艺为电镀凸点后光刻胶的去除工艺，该去胶工艺的均匀性及洁净度直接影响后续金属膜剥离工艺，进而影响整个晶圆凸点的形成。由于该工艺为厚胶的去除，针对300mm的晶圆，晶圆的传输及溶液的均匀性、温度控制精度等都直接影响去除的效果。本设备采用机械手自动传片、搅拌及溶液循环等方式保证去除的有效性。

1 设备主要构成

如图1所示，整机主要由机架、槽体、上下料装置、机械手、水浴加热系统、循环系统、排风系统、电气控制系统、水路系统及气路系统等组成。其中机架整体采用不锈钢型材，面板及壳体采用不锈钢板材。

图1 整机结构示意图

本设备共6个工位，其中1个上料位，1个下料位，4个清洗工艺工作位（1～4槽），所有去胶槽工作在洁净、全封闭的结构中，前面兰色透明防火观察窗口。设备的废气排放单元安装在设备的顶部及后部，通过φ200 mm接口与用户生产线上的通风系统相连接，以排出挥发的废气。排风口处设有手动调节风门，操作人员可根据情况及时调节排风量，排风管道安装压力传感器，可输出电信号至控制系统，以便随时检测排风量并提供报警信息。

2 工作原理

将未清洗片盒手工置于上料位，系统通过光电开关检测后，由机械手按照设定的工艺程序（任意清洗顺序及清洗时间）自动完成片盒在各槽间的传输及清洗过程中的上下抛动，清洗完成后由机械手将片盒移到下料位，声光提示已清洗完毕，待人工手动取出。该设备共包括2个去胶槽、1个QDR清洗槽及1个IPA干燥槽，其中去胶槽为工艺腐蚀槽，其槽体结构、温度控制精度、溶液循环搅拌等功能直接影响着去胶的效果及清洗的洁净度。

3 清洗槽体结构及功能

由于该设备腐蚀晶圆为300mm，直径较大，槽体尺寸也较大，因此腐蚀槽内溶液的均匀性直接影响到腐蚀的均匀性，为此本设备采用四周溢流槽体结构，经过外部高效多级离心循环泵、水浴加热器及底部两侧平行管注入的方式，再结合机械手带动片盒上下搅拌功能，从而有效实现溶液的均匀性。本结构底部喷淋管平行注入，克服了以往底部柱状注入造成溶液局部不均匀现象，是实现大直径晶圆腐蚀清洗均匀性的关键技术之一，如图2所示槽体结构及工作原理。

图2 去胶槽体结构示意图及工作原理图

3．1 溶液温度控制

由于去胶液为有机液体，易燃，不宜直接加热。因此通常采用间接加热方式比较安全，即加热水槽DI水，通过热交换传递的方式。该水浴加热槽由不锈钢316焊接而成，内部盘有不锈钢热交换管及不锈钢加热管，化学液通过循环泵进入水浴加热槽，在水浴加热槽底部盘有冷却水管，接入用户厂务冷却水；温度控制系统通过检测去胶工艺槽中化学液的温度并实时控制加热系统及水浴槽底部的冷盘管的开启，从而有效控制去胶槽体化学液的温度，本设备温控范围及精度为：20℃±1℃～80℃±1℃。图3为溶液温度加热控制系统示意图。

图3 溶液温度加热控制系统示意图

3．2 超声功能

在上述清洗技术基础上，通过增加机械力的作用把异物从工件上剥离，通过在槽体底部加入超声振板。超声波清洗技术是将高于20 kHz的高频电信号，通过换能器将电能转化为高频的机械振动而传入到清洗液中。通常低频具有较强的清洗能力，清洗较大的颗粒。本设备选择超声频率为40 kHz，功率为1000W连续可调。

4 机械传动

结构见图4，传动部分采用直线导轨和伺服电机、滚珠丝杠等系统组成，由水平移动及上下移动两部分构成，主要完成片盒在各槽体间移动及槽体中溶液的上下搅拌功能。安装在设备后面相对清洗槽体完全独立的空间，伸到去胶槽部分的机械手臂全部用不锈刚材料。搅动频率：小于等于60次/m in(可选择不搅动)搅动行程：10～30mm。

图4 机械手结构原理图

5 自动灭火装置（IPA槽、1#、2#有机溶液槽灭火）

由于去胶液为易燃有机液体，因此设备需配置独立自动灭火装置。由于该设备火灾发生主要在有机槽体，而且属于火灾发生无法预计的封闭区域，因此本灭火系统应采用全淹没式灭火系统，即当检测到火灾发生时，在规定的时间内向机架槽体部分喷射一定浓度的CO2灭火剂，并使其均匀地充满整个设备槽体上部操作空间内。该设备灭火系统主要由气体灭火报警系统、火灾探测器（温感探测器）、灭火剂贮存瓶、溶剂阀、选择阀、气路控制阀、压力开关、喷嘴等部分组成。具有自动灭火、应急手动灭火、现场机械施放灭火等三种灭火方式，当自动灭火方式启动时，系统关断设备主电源及关闭排风口并在规定时间内启动CO2瓶组。

6 结束语

本文以全自动去胶设备为研究对象，介绍了去胶清洗设备工作原理，从槽体结构、温度加热控制系统及溶液均匀性实现等方面介绍了去胶槽体及管路系统的结构技术。经过用户3年多的使用，实际证明：该设备运行稳定、工艺适应性强，性价比高，可用于大生产线的批量生产，可以取代同类的进口设备。