CMP設備兆聲清洗原理及應用

史 霄，郭春華，楊 師，熊 朋

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

在半導體芯片制造領域，隨著晶圓尺寸的增大及多層金屬互聯技術的應用，化學機械平坦化（CMP）成為一種不可或缺的實現表面全局平坦化的技術。在CMP 制程中，由于化學反應及拋光液中研磨微粒的存在，必然會引入表面玷污，因此在晶片表面全局平坦化之后必需進行有效清洗。典型的CMP 后清洗制程包括兆聲清洗、刷洗、旋轉干燥等，兆聲清洗作為其中關鍵一環，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出高頻振蕩電流，經換能器轉變為機械振動波傳入到清洗介質中，從而在液體中產生空化和聲波流兩種現象，在這兩種現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的作用下振動、生長并不斷聚集聲場能量，當能量達到某個閾值時，空化氣泡急劇崩潰閉合。氣泡的壽命約0.1 μs，它在急劇崩潰時可釋放出巨大的能量，并產生速度約為110 m/s、有強大沖擊力的微射流，使碰撞密度高達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，再被不斷流動的清洗液帶走。整個過程如圖1所示。

圖1 空化作用去除顆粒過程

根據換能器振動頻率的不同，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度。當頻率較低時，氣泡尺寸較大，密度較低；當頻率變大時，氣泡尺寸減小，密度增加。氣泡尺寸越大，崩潰時產生的沖擊力越大，去除顆粒的能力越強，但同時對晶圓表面的損傷也越大。不同頻率下的空化強度如圖2所示[4]。

由圖可看出，相對于超聲清洗，兆聲清洗的作用更加溫和。因此應根據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

圖2 不同頻率下的空化強度

聲波流是指清洗液在振動能量的作用下產生快速流動。快速流動的液體可以對附著在晶圓表面的顆粒產生剝離力，當剝離力大于同時作用于顆粒的范德華力以及靜電力時，顆粒即被剝離晶圓表面，并被快速流動的液體帶走。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，FDrag為剝離力，FAdhesion為粘附力（靜電力及范德華力），Felecdoublelayer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。

圖3 晶圓表面顆粒受力模型

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

圖4 兆聲頻率與邊界層厚度的關系曲線

此外，聲波流的速度與振動頻率以及功率密度也密切相關。圖5為聲波流的速度與激振頻率之間的關系曲線[4]，聲波流速度近似與振動頻率的平方成正比。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[4]，由圖6可看出，聲波流速度近似與功率密度成正比。在實際應用中,換能器可以是單頻，即只有一種頻率，也可以是復頻，即一個振子可以以不同的幾個頻率振動。同時，振子的輸入功率也是連續可調的，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調節參數來達到自己需要的清洗效果。

圖5 聲波流速度與兆聲頻率的關系曲線

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，但發揮的作用不同。在超聲清洗中，低振動頻率使得氣泡崩潰前達到的最大尺寸較大，空化作用較強，而聲波流方向混亂，對顆粒的拖拽作用較弱，因此空化作用主導了清洗過程。兆聲清洗與之正好相反，較高的頻率導致了高速的液體流動，但氣泡尺寸較小，因此聲波流在清洗過程中起主要作用。

圖6 不同頻率聲波流速度與功率密度的變化曲線

2 化學清洗劑對兆聲清洗過程的影響

由于拋光后新鮮表面活性高，拋光過程中產生的靜電力，以及CMP 拋光液中大量使用高濃度的納米磨粒（如納米SiO2，納米ALO 粒子），工件表面極易吸附納米顆粒等污染物導致CMP 后清洗極其困難。在清洗過程中，單純使用物理方法不足以去除污染物，必須引入化學清洗劑，利用清洗劑和污染物的化學作用，使大分子污染物生成可溶于清洗劑的小分子物質而脫離基體表面，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 兆聲清洗過程常用的化學試劑。與標準的SC1 配比5:1:1 相比，適當降低氨水的配比，配合兆聲波能場的作用能取得滿意的清洗效果。氨水的作用是其對SiO2的微腐蝕特性，以及在堿性溶液中顆粒與硅片表面間產生電學排斥力，從而有利于顆粒去除。HF 主要對拋光過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，化學試劑的使用可能會加重表面缺陷，因此兆聲清洗時使用DI 水即可。

3 CMP 設備中兆聲清洗的應用

CMP 設備從20世紀90年代開始起步，隨著半導體技術不斷向微細化、高密度方向發展，適用于平坦化工藝的CMP 設備技術也飛速發展。在市場的激烈競爭下，CMP 設備供應商由開始的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 憑借其世界服務和性能保證資源優勢，在中國的200～300 mm (8～12 英寸)CMP 機臺占有率達到85%，遠超競爭對手。下面以AMATReflexion 機型為例說明兆聲清洗在CMP 設備中的應用。

為了及時對拋光完的晶圓進行清洗以及減少晶圓傳輸帶來的二次污染，CMP 設備的趨勢是設計為干進干出的方式，即在CMP 設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。AMATReflexion機型整體布局如圖7。

圖7 AMATReflexion 機型整體布局圖

清洗部分主要有兆聲清洗、刷洗、甩干等幾個工位，晶圓在每個工位均采用立式放置，這樣能大幅縮減設備空間，提高競爭力。每個工位之間通過機械手進行傳片。兆聲清洗槽的內部結構原理圖8。

兆聲清洗槽分為內槽和外槽，化學液由內槽底部進入，在兆聲波和化學反應雙重作用下，顆粒離開晶圓表面進入化學液中，并隨著化學液從頂部流出被帶走。進入外槽的化學液經過過濾器濾掉顆粒，再進入內槽，形成循環。為了保證化學液的濃度，整個回路以一定的時間間隔泄露和補充化學液。此外，化學液溫度對于清洗效果也至關重要，在回路中設置溫控器使溫度保持恒定。

圖8 兆聲清洗槽的內部結構原理圖

兆聲振板位于槽底部，其結構是由若干振子粘接在振板上組成。為了防止化學液腐蝕，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生器連接，通過發生器的激振電路產生兆聲波。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，對于200 mm 晶圓，振子面積可設計為220 mm×30 mm。根據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。兆聲發生器的功率一般設計為連續可調，用戶可根據工藝試驗選擇合適的功率值。

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，在槽內設計了晶圓轉動機構，使晶圓在清洗過程中保持一定的速度轉動。為了保證密封的可靠性，采用非接觸式磁性傳動。

4 結束語

本文分別從空化作用、聲波流及化學清洗劑等方面對兆聲清洗的原理進行系統分析，并舉例介紹了其在化學機械拋光后清洗設備中的應用，對研制國產后清洗設備可提供一定的借鑒。

[1]張偉峰，周國安，詹陽.CMP 后的晶圓清洗過程研究[J].電子工業專業設備，2008，37(6)：28-32.

[2]雷紅.CMP 后清洗技術的研究進展[J].半導體技術，2008(5)：369-373.

[3]周國安，徐存良.CMP 后清洗技術發展歷程[J].電子工業專業設備，2013，42(8)：9-12.

[4]Rajiv Kohli.Developments in Surface Contamination and Cleaning，Vol.3：Methods for Removal of Particle Contaminants[M].Waltham：William Andrew，2013.20-100.