在半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域，隨著晶圓尺寸的增大及多層金屬互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）成為一種不可或缺的實(shí)現(xiàn)表面全局平坦化的技術(shù)。在 CMP 制程中，由于化學(xué)反應(yīng)及拋光液中研磨微粒的存在，必然會(huì)引入表面玷污，因此在晶片表面全局平坦化之后必需進(jìn)行有效清洗。 典型的 CMP 后清洗制程包括兆聲清洗、刷洗、旋轉(zhuǎn)干燥等，兆聲清洗作為其中關(guān)鍵一環(huán)，其清洗效果的好壞影響最終的晶圓清洗效果。

1 兆聲清洗的物理原理

超聲波清洗的原理是由超聲波電源發(fā)出高頻振蕩電流，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)波傳入到清洗介質(zhì)中，從而在液體中產(chǎn)生空化和聲波流兩種現(xiàn)象，在這兩種現(xiàn)象的合力下將附著在晶圓表面的顆粒去除。

1.1 空化作用

空化作用是指液體中的微小氣泡核在超聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)、生長(zhǎng)并不斷聚集聲場(chǎng)能量，當(dāng)能量達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，空化氣泡急劇崩潰閉合。氣泡的壽命約 0.1 μs，它在急劇崩潰時(shí)可釋放出巨大的能量，并產(chǎn)生速度約為 110 m/s、有強(qiáng)大沖擊力的微射流，使碰撞密度高達(dá) 1.5 kg/cm2，在此沖擊力的作用下，可將附著在晶圓表面的顆粒剝離到清洗液中，再被不斷流動(dòng)的清洗液帶走。整個(gè)過(guò)程如圖 1 所示。

?

?

根據(jù)換能器振動(dòng)頻率的不同， 可將超聲波清洗分為超聲清洗 （<100 kHz）和兆聲清洗（800~2 000 kHz）。換能器振動(dòng)頻率的大小影響著液體中形成氣泡的大小和密度，從而影響空化作用的強(qiáng)度。當(dāng)頻率較低時(shí)，氣泡尺寸較大，密度較低;當(dāng)頻率變大時(shí)，氣泡尺寸減小，密度增加。氣泡尺寸越大，崩潰時(shí)產(chǎn)生的沖擊力越大，去除顆粒的能力越強(qiáng)，但同時(shí)對(duì)晶圓表面的損傷也越大。不同頻率下的空化強(qiáng)度如圖 2 所示。

?

由圖可看出，相對(duì)于超聲清洗，兆聲清洗的作用更加溫和。因此應(yīng)根據(jù)需要去除的顆粒大小及晶圓表面器件能承受的沖擊力，選用合適的振動(dòng)頻率。一般兆聲清洗適于清除的顆粒大小為 0.1~0.3 μm，超聲清洗適于清除的顆粒大小在 0.4 μm 以上。

1.2 聲波流作用

聲波流是指清洗液在振動(dòng)能量的作用下產(chǎn)生快速流動(dòng)?？焖倭鲃?dòng)的液體可以對(duì)附著在晶圓表面的顆粒產(chǎn)生剝離力，當(dāng)剝離力大于同時(shí)作用于顆粒的范德華力以及靜電力時(shí)，顆粒即被剝離晶圓表面，并被快速流動(dòng)的液體帶走。顆粒的受力模型如圖 3 所示，圖中 Mr，表示顆粒受到的剝離力矩，Ma為粘附力矩，F(xiàn)drag為剝離力，F(xiàn)adhesion為粘附力（靜電力及范德華力），F(xiàn)elec?double?layer為雙電層力，R 為顆粒半徑，a為顆粒與晶圓表面的接觸半徑。

?

在高頻率下 （>200 kHz），聲波流具有很強(qiáng)的方向性，而當(dāng)頻率較低時(shí)，聲波流方向混亂。因此，兆聲清洗中聲波流發(fā)揮的作用更大。根據(jù)流體力學(xué)，由于分子間摩擦力的作用，在晶片與液體的接觸面上會(huì)存在一個(gè)靜止或緩慢移動(dòng)的邊界層，小的顆粒可能被這層界面保護(hù)而難受到聲波流產(chǎn)生的推力。邊界層的厚度與振動(dòng)頻率密切相關(guān)，頻率越高，邊界層越薄，從而可去除的顆粒尺寸越小。振動(dòng)頻率與邊界層厚度之間的關(guān)系如圖 4 所示。由圖 4 可以看出，當(dāng)頻率達(dá)到兆聲級(jí)別時(shí)，邊界層的厚度已經(jīng)達(dá)到亞微米級(jí)，從而可去除尺寸更小的顆粒。

?

此外，聲波流的速度與振動(dòng)頻率以及功率密度也密切相關(guān)。圖 5 為聲波流的速度與激振頻率之 間的關(guān)系曲線，聲波流速度近似與振動(dòng)頻率的平方成正比。圖 6 為不同激振頻率下聲波流速度隨功率密度的變化曲線，由圖 6 可看出，聲波流速度近似與功率密度成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，換能器可以是單頻，即只有一種頻率，也可以是復(fù)頻，即一個(gè)振子可以以不同的幾個(gè)頻率振動(dòng)。同時(shí)，振子的輸入功率也是連續(xù)可調(diào)的，從而使得清洗槽獲得不同的功率密度，這樣用戶就可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)達(dá)到自己需要的清洗效果。

?

?

在超聲和兆聲清洗中，雖然空化作用和聲波流兩種作用都存在，但發(fā)揮的作用不同。在超聲清洗中，低振動(dòng)頻率使得氣泡崩潰前達(dá)到的最大尺寸較大，空化作用較強(qiáng)，而聲波流方向混亂，對(duì)顆粒的拖拽作用較弱，因此空化作用主導(dǎo)了清洗過(guò)程。兆聲清洗與之正好相反，較高的頻率導(dǎo)致了高速的液體流動(dòng)，但氣泡尺寸較小，因此聲波流在清洗過(guò)程中起主要作用。

?

2 化學(xué)清洗劑對(duì)兆聲清洗過(guò)程的影響

由于拋光后新鮮表面活性高，拋光過(guò)程中產(chǎn)生的靜電力，以及 CMP 拋光液中大量使用高濃度的納米磨粒（如納米 SiO，，納米 ALO 粒子），工件表面極易吸附納米顆粒等污染物導(dǎo)致 CMP 后清洗極其困難。在清洗過(guò)程中，單純使用物理方法不足以去除污染物，必須引入化學(xué)清洗劑，利用清洗劑和污染物的化學(xué)作用，使大分子污染物生成可溶于清洗劑的小分子物質(zhì)而脫離基體表面，或者破壞污染物與基體表面的鍵合作用而使之脫離。 SC1 溶液（氨水、雙氧水和水按一定比例混合）和 HF 是 CMP 兆聲清洗過(guò)程常用的化學(xué)試劑。與標(biāo)準(zhǔn)的 SC1 配比 5∶1∶1 相比，適當(dāng)降低氨水的配比，配合兆聲波能場(chǎng)的作用能取得滿意的清洗效果。氨水的作用是其對(duì) SiO，的微腐蝕特性，以及在堿性溶液中顆粒與硅片表面間產(chǎn)生電學(xué)排斥力，從而有利于顆粒去除。HF 主要對(duì)拋光過(guò)程中引入的金屬離子有溶解作用。值得注意的是，在特征尺寸為 50 nm 以下的制程中，化學(xué)試劑的使用可能會(huì)加重表面缺陷，因此兆聲清洗時(shí)使用 DI 水即可。

3 CMP 設(shè)備中兆聲清洗的應(yīng)用

CMP 設(shè)備從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始起步，隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷向微細(xì)化、高密度方向發(fā)展，適用于平坦化工藝的 CMP 設(shè)備技術(shù)也飛速發(fā)展。在市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)下，CMP 設(shè)備供應(yīng)商由開(kāi)始的 20多家逐步集中在 AMAT，Ebara，SpeedFam/IPEC以及 LamResearch 等幾大巨頭手中。其中 AMAT憑借其世界服務(wù)和性能保證資源優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)的 200～300 mm （8～12 英寸）CMP 機(jī)臺(tái)占有率達(dá)到 85%，遠(yuǎn)超競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。下面以 AMATReflexion 機(jī)型為例說(shuō)明兆聲清洗在 CMP 設(shè)備中的應(yīng)用。

為了及時(shí)對(duì)拋光完的晶圓進(jìn)行清洗以及減少晶圓傳輸帶來(lái)的二次污染，CMP 設(shè)備的趨勢(shì)是設(shè)計(jì)為干進(jìn)干出的方式，即在 CMP 設(shè)備中除了拋光單元外，集成了清洗和甩干單元，完成所有工序后，將干凈的晶圓放回晶圓盒內(nèi)。AMATReflexion機(jī)型整體布局如圖 7。

?

?

清洗部分主要有兆聲清洗、刷洗、甩干等幾個(gè)工位，晶圓在每個(gè)工位均采用立式放置，這樣能大幅縮減設(shè)備空間，提高競(jìng)爭(zhēng)力。每個(gè)工位之間通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行傳片。兆聲清洗槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 8。

兆聲清洗槽分為內(nèi)槽和外槽，化學(xué)液由內(nèi)槽底部進(jìn)入，在兆聲波和化學(xué)反應(yīng)雙重作用下，顆粒離開(kāi)晶圓表面進(jìn)入化學(xué)液中，并隨著化學(xué)液從頂部流出被帶走。 進(jìn)入外槽的化學(xué)液經(jīng)過(guò)過(guò)濾器濾掉顆粒，再進(jìn)入內(nèi)槽，形成循環(huán)。 為 了保證化學(xué)液的濃度，整個(gè)回路以一定的時(shí)間間隔泄露和補(bǔ)充化學(xué)液。此外，化學(xué)液溫度對(duì)于清洗效果也至關(guān)重要，在回路中設(shè)置溫控器使溫度保持恒定。

兆聲振板位于槽底部，其結(jié)構(gòu)是由若干振子粘接在振板上組成。為了防止化學(xué)液腐蝕，振板可由不銹鋼表面涂覆特氟龍材料或石英制作。兆聲振子與外置兆聲發(fā)生器連接，通過(guò)發(fā)生器的激振電路產(chǎn)生兆聲波。由于兆聲波能量較為集中，其作用范圍幾乎與振子尺寸相同，因此振子的排布面積只需略大于晶圓的尺寸，對(duì)于200 mm 晶圓，振子面積可設(shè)計(jì)為 220 mm×30 mm。根據(jù)晶圓的特征尺寸以及去除的顆粒大小選擇需要的兆聲波頻率，一般兆聲清洗的頻率范圍為 800~2 000 kHz。兆聲發(fā)生器的功率一般設(shè)計(jì)為連續(xù)可調(diào)，用戶可根據(jù)工藝試驗(yàn)選擇合適的功率值。

此外，由于兆聲波在其傳播方向上能量逐漸遞減，為了保證晶圓表面清洗的一致性，在槽內(nèi)設(shè)計(jì)了晶圓轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使晶圓在清洗過(guò)程中保持一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證密封的可靠性，采用非接觸式磁性傳動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

華林科納分別從空化作用、聲波流及化學(xué)清洗劑等方面對(duì)兆聲清洗的原理進(jìn)行系統(tǒng)分析，并舉例介紹了其在化學(xué)機(jī)械拋光后清洗設(shè)備中的應(yīng)用，對(duì)研制國(guó)產(chǎn)后清洗設(shè)備可提供一定的借鑒。