使用高頻超聲波的半導體單片清洗中的微粒子去除研究

本文使用高頻超聲波的半導體單片清洗中的微粒子去除進行了研究。水中的超聲波在波導管內(nèi)傳播時，根據(jù)波導管的內(nèi)徑形成平面波以外的波導管模式，此時，通過LDV測量確認了波導管彎曲振動，成為具有行波分布的傳播體。 另外，實驗表明，如果在形成清洗液膜的晶片基板上接近配置波導管，利用透過波導管的超聲波可以得到均勻的微粒子去除。 在具有行波分布的導波管中，不需要由于空化氣泡的捕獲而引起的抗壓，有可能進行微粒子的去除，有望應(yīng)用于半導體器件的無損傷清洗。

在液膜照射中，由于將傳播體靠近晶圓配置，因此形成了比浸漬照射更均勻的聲場。 其結(jié)果是，在120nm的圖案中沒有損傷，得到了90%以上的微粒子去除率。此外，正在研究使用在晶圓上形成的鋁膜和光刻膠（PR）膜作為缺陷成像膜的方法，結(jié)果，即使在低輸入下，也觀測到了由空化產(chǎn)生的孔缺陷。

對不僅適用于CMP后清洗，還適用于32 nm以后的下一代微細圖案清洗的超聲波清洗機的開發(fā)進行了重大研究，提出了以石英波導管為傳播體的超聲波清洗機用振子。

本文提出了以石英波導管為傳播體的超聲波清洗機用振動預，并說明了液膜照射下超聲波傳播的原理。 通過激光多普勒振動速度計（LDV）測量試制的傳播體的振動速度分布，確認其動作符合提案，其次，進行微粒去除率測量，確認波導管型能夠均勻去除微粒子，另外，觀察超聲波照射產(chǎn)生的空化氣泡，考察其與微粒子去除的關(guān)系。

超聲波照射的原理

下面說明用傳播體變換來自聲源的超聲波振動，照射到液膜上的過程。振動分布由傳播體的形狀和材料常數(shù)決定，通過計算式確認得到的波長，另外，通過FDTD 法進行分析，掌握波導管內(nèi)形成的波導模式。

對由傳播體的形狀決定的振動分布進行說明。圖1是作為傳播體的波導管和實心棒的俯視剖視圖，水平配置在形成液膜的晶片上，在圖1(a )的波導管型中，從聲源照射的超聲波在充滿波導管內(nèi)的水中通過縱波傳播。為了使波導壁彎曲波振動，需要使波導管的內(nèi)徑2α相對于水中的波長λw變大，產(chǎn)生平而波以外的模式。

顯示試制的波導管型及實心棒型振子的結(jié)構(gòu)，通過激光多普勒振動速度計（LDV）測量各個傳播體的振動速度分布。試制的液膜照射用振動器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，這是垂直于晶片的切割圖，向波紋表面供給洗液后，在波紋表面和傳播體之間通過表面張力形成洗液膜。 振動器由聲源部分和傳播體構(gòu)成。圖3（a）是波導管型，作為傳播體使用內(nèi)徑4mm、厚1nlIn、長300 mm的石英玻璃管，波導管與不銹鋼制的受音部連接，從聲源到受音部的腔體進行調(diào)整，腔體是向波導管供給的傳播液的流路，波導管的保持使用0環(huán)，采用容易裝卸的結(jié)構(gòu)。

測定方法和結(jié)果

用LDV測量了波導管及實心棒的振動速度分布。 圖4表示裝置構(gòu)成，使用的LDV的響應(yīng)頻率為10 Mliz的e餌軸臺以0.15 mm的間距移動，在相當于200 mm晶圓設(shè)置位置的A、B、G的r處測量了振動速度分布，測量是在空氣中工作的靜態(tài)特性，以頻率900kHz、輸入10W驅(qū)動聲源，通過頻譜分析儀獲取輸出電壓的基本波成分，傳播液的溶解氮濃度通過調(diào)節(jié)器保持恒定。

為了測量微粒子去除率，我們確認了波導管型的微粒子均勻去除是可能的，并觀察了超聲波照射產(chǎn)生的空化氣泡，考察了與微粒子預去除的關(guān)系。傳播體被布置成穿過波的中心，并且通過軸臺的掃描，超聲波可以被輻射到波的整個表面。

振動器的掃描次數(shù)在液膜照射和流水照射時不同，超聲波照射時間均為20s。 洗滌液是氮飽和水（N2濃度:18Ppm）。 測量結(jié)果如表4所示，流水照射在聲源輸入30W時得到了89%的PRE。

因此，在實際使用中要求90%左右的PRE。 波導管型的PRE在30W時為78%，10W時為65%，雖然略低于流水照射時的PRE，但確認了可以除去微粒子，實心棒在10W時為54%，結(jié)果低于波導管型。

接下來，測量液膜照射中的細顆粒去除分布，將附著在韋伯上的0.2μm直徑的微粒子增加到7x104個左右，在波導管的正下方殘留有微粒子，如果向y軸方向掃描傳播體，則可以全面除去。

在使用水聽器的聲場測量中，存在諸如由于空化引起的元件損壞和水聽器本身干擾聲場的問題，為了測量液膜中的聲場，利用頻譜分析儀，對輸出電壓進行頻率分析的結(jié)果如圖所示。在聲源中獲得的輸入密度為17w/cm2，如果不考慮聲源的轉(zhuǎn)換損失，則在LT波的情況下，波導管內(nèi)的聲壓被計算為714kPa，并且通過波導管側(cè)面的聲壓比波導管內(nèi)的聲壓低四分。

但是，由于生成空化氣泡所需的聲壓為100kPa左右，可以認為是100kPa以希的聲壓。 這里的空化只要不被駐波分布捕獲，作為不產(chǎn)生壓壞的穩(wěn)定空化，反復進行膨脹和收縮振動。 在穩(wěn)定的空腔周圍，觀察到了稱為微流的流動。 另外，也有報告指出微流式傳輸?shù)奈⒘Ｗ尤コЧ?。因此，波導管型振子的微粒子去除是在穩(wěn)定的空化作用下進行的，有可能不伴隨空化壓碎。

在實際的清洗工序中，有使用作為藥液的氨過氧化氫水的工序，通過將pH提高到11左右，以達到除去微粒子及防止再附著的目的。在流水照射中，由于保持聲源的外殼和包裝與清洗液接觸，因此可以使用的pH有限度，但是在波導管型中，接觸液體部件只有作為傳播體的石英，可以使用的pH沒有限制。通過沿傳播體集中氣泡分布，可以得到比駐波更均勻的微粒去除分布。

結(jié)果

本文提出了以石英波導管為傳播體的超聲波清洗機用振子，并說明了超聲波傳播的原理。 通過激光多布拉振動速度計（LDV）測量試制的傳播體的振動速度分布，確認了按照提案形成了行波分布。 測定微粒子去除率的結(jié)果顯示，波導管型的去除率略低于流水照射的去除率，但可以去除微粒子，通過超聲波照射，觀測到了液膜中的空化氣泡，氣泡分布為微粒子去除分布，可以說氣泡的舉動與微粒子去除相關(guān)，另外，微粒子去除分布因傳播體的振動分布而存在差異。 行波通過沿著傳播體集中空化氣泡，可以得到比駐波更均勻的微粒子去除分布。

根據(jù)超聲波照射產(chǎn)生的空化氣泡以及高次諧波成分的觀測，可以認為透過波導管側(cè)面的聲壓為100kPa以h。 這里的空化在行波分布中不會產(chǎn)生壓壞。 另外，由于可以期待微流式的微粒子去除效果，因此波導管型的微粒子去除有可能不伴隨空化壓壞而進行。 我們將探討在波網(wǎng)上形成的光刻膠膜作為缺陷的成像膜使用的方法，可以認為，該方法不僅可以分析有無缺陷，還可以根據(jù)空化壓壞引起的一個個孔缺陷分析壓壞時的能量，微粒子去除率的測量，在用300mm片葉旋轉(zhuǎn)清洗機進行的同時，通過使用藥液氨過氧化氫水（APM），探討了實用的微粒子去除的可能性。

審核編輯：湯梓紅