半導(dǎo)體制造工序中CMP后的晶圓清洗工序

引言

CMP裝置被應(yīng)用于納米級晶圓表面平坦化的拋光工藝。拋光顆粒以各種狀態(tài)粘附到拋光后的晶片表面。必須確實(shí)去除可能成為產(chǎn)品缺陷原因的晶圓表面附著物，CMP后的清洗技術(shù)極為重要。在本文中，關(guān)于半導(dǎo)體制造工序之一的CMP后的晶圓清洗工序，通過可視化實(shí)驗(yàn)，從流體工程學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，闡明其機(jī)理，以構(gòu)筑能夠在各種條件下提出最佳清洗方法的現(xiàn)象的模型化為目的。因此，我們進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)、流動特性、剪切流動特性、液體置換特性、液滴的蒸發(fā)除去特性等基礎(chǔ)研究。

實(shí)驗(yàn)

藥液清洗過程：由于CMP后的晶圓表面附著有多個(gè)磨粒，因此通過刷子清洗等施加物理外力，使磨粒剝離，通過液流（藥液）排出。由于轉(zhuǎn)數(shù)、流量等條件會受到怎樣的影響，至今還沒有得到確認(rèn)。因此，對向旋轉(zhuǎn)的晶圓上供給沖洗水時(shí)的沖洗水的流動特性進(jìn)行了可視化觀察。具體來說，我們觀察了將溶解了白色顏料的純凈水供給到旋轉(zhuǎn)的晶圓表面時(shí)液膜的擴(kuò)散方式，調(diào)查了根據(jù)晶圓的種類、旋轉(zhuǎn)數(shù)、供給流量，液膜的擴(kuò)散狀態(tài)是如何變化的。

通過旋轉(zhuǎn)圓盤上的液流去除晶片附著粒子：通過由晶片的旋轉(zhuǎn)引起的剪切液流來估計(jì)可以去除粘附到晶片表面的細(xì)顆粒的細(xì)顆粒直徑。首先，圖1表示液膜內(nèi)速度分布的定義以及作用于晶圓上微粒子的力的模式圖。結(jié)果顯示，特別是在轉(zhuǎn)數(shù)500 rpm時(shí)，Si3N4粒子平均可去除0.15μm?？梢哉J(rèn)為，這是因?yàn)殡S著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加，液膜速度變快，對粒子產(chǎn)生了較強(qiáng)的分離力。但是，可以確認(rèn)半徑50～60 mm附近可除去微粒子的直徑有所增加?？梢哉J(rèn)為，這也是由于跳水引起的，因?yàn)樵谔辛魉偌眲适?，作用于粒子的分離力也喪失了。

圖1液膜中速度分布的定義及作用于晶片上微粒的力的示意圖

關(guān)于藥液的純水的液體置換過程：為了使實(shí)際使用的噴嘴和液體置換特性達(dá)到良好的條件，確立了對時(shí)間變化的液體置換率進(jìn)行定量化的測量技術(shù)。有望成為沖洗最優(yōu)化模型的有效手段。首先，將藥液置換為純水的過程進(jìn)行可視化觀察，從準(zhǔn)備將液體置換特性定量化的實(shí)驗(yàn)裝置開始，使用特殊的液體代替實(shí)際使用的藥液，在晶圓的整個(gè)表面涂上該液體，在各種條件下用純水進(jìn)行沖洗，并通過特殊的觀察方式成功地將該過程數(shù)值化。其次，將晶圓上的液膜流作為邊界層流，以邊界層理論為基礎(chǔ)，將液置換的行為模型化，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。其結(jié)果證實(shí)，使用邊界層理論的模型可以在一定程度上評價(jià)液體置換特性。但是，為了使其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加一致，除了邊界層理論之外，還暗示了有必要對液體的混合行為進(jìn)行模型化。

結(jié)果和討論

靜態(tài)晶圓上的蒸發(fā)模型公式：
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通過對靜止晶圓上的液滴蒸發(fā)過程的觀察，可以觀察到晶圓膜種類不同，液滴的蒸發(fā)形態(tài)也不同。有接觸半徑恒定的CCR蒸發(fā)過程和接觸角恒定的CCA蒸發(fā)過程，如圖7。接觸半徑恒定的CCR蒸發(fā)過程與晶圓的接觸半徑恒定，高度減小，蒸發(fā)進(jìn)行，接觸角恒定的CCA蒸發(fā)過程與晶圓的接觸角恒定，液滴整體縮小，蒸發(fā)進(jìn)行。

在此，對液滴為部分球形時(shí)的蒸發(fā)模型式內(nèi)容進(jìn)行說明。考慮到靜止晶圓上的液滴，如圖2所示的部分球形的情況，假設(shè)液滴表面由于蒸發(fā)水蒸氣經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，考慮到水蒸氣在氣氛中準(zhǔn)穩(wěn)定地?cái)U(kuò)散，液滴的蒸發(fā)進(jìn)行，以擴(kuò)散方程式為基礎(chǔ)求出了蒸發(fā)速度。

該模型式的第一項(xiàng)表示液滴表面整體的蒸發(fā)，第二項(xiàng)表示液滴端部的蒸發(fā)效果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。

圖2定義蒸發(fā)模型和每個(gè)變量

旋轉(zhuǎn)晶圓上的液滴行為和蒸發(fā)模型式：

使用圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置，觀察了離心加速度作用于液滴時(shí)液滴的移動行為。將晶圓固定在直徑800 mm的旋轉(zhuǎn)臺上，滴下液滴。使旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)數(shù)連續(xù)變化，使用設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺上的照相機(jī)，從液滴垂直方向及水平方向兩個(gè)方向觀察液滴的動向。根據(jù)晶圓膜的不同，離心加速度場中液滴行為的不同。定義了作用于液滴和晶圓間的相互作用能量，構(gòu)筑了計(jì)算出離心力可除去的最小液滴體積的公式。結(jié)合結(jié)果，構(gòu)筑了求旋轉(zhuǎn)晶圓上殘留液滴蒸發(fā)壽命的理論模型。該模型采用了向晶圓上形成的氣流邊界層傳達(dá)物質(zhì)的效果。其結(jié)果證實(shí)，本文中構(gòu)筑的模型能夠在一定程度上定量預(yù)測旋轉(zhuǎn)晶圓上液滴的蒸發(fā)壽命。

晶圓端部液滴行為的觀察：

在晶圓端部附著有液滴的情況下，通過晶圓旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，對能否除去液滴進(jìn)行了基礎(chǔ)研究。在代表性膜種的晶圓上，在晶圓端部附著各種大小的液滴的基礎(chǔ)上，一邊提高旋轉(zhuǎn)數(shù)，一邊觀察液滴有無飛散。結(jié)果表明，液滴體積越大，即使在較低的旋轉(zhuǎn)數(shù)下，液滴也會飛散。另外，還顯示了膜種類和端部形狀對飛散特性的影響，明確了不能完全地飛散除去液滴，會有部分殘留。

總結(jié)

本文以實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地提取對現(xiàn)象有用參數(shù)，以工學(xué)理論為基礎(chǔ)構(gòu)建的現(xiàn)象模型化的提案和由此導(dǎo)出的模型式，對于半導(dǎo)體清洗、干燥技術(shù)來說，也是非常有意義的結(jié)果。

從宏觀角度（旋轉(zhuǎn)晶圓上的液流等觀察對象較大的主題）出發(fā)的研究，正在逐漸向微觀角度（通過液流除去微粒子、液置換等對象較小的主題）的研究轉(zhuǎn)移。像這樣，通過從宏觀的觀點(diǎn)到微觀的觀點(diǎn)，按順序進(jìn)行研究，我們切身感受到現(xiàn)象得到了切實(shí)的整理，正在穩(wěn)步地取得成果。

? ? ? 審核編輯：湯梓紅