超聲波清洗液控制系統研究

田洪濤，楊 旭，田知玲，張金環，陳蘇偉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京，100176)

晶圓在CMP設備中經過研磨工藝后，會有殘留的顆粒物黏附在晶圓表面，在進入下一道工序之前，必須要將殘留物清洗掉，以避免對后續工藝產生不利影響。

兆聲波清潔處理是晶圓在清洗過程中的一個重要環節，它是一種非接觸式清洗方式，其原理是采用高頻（0.8～1.0 MHz）交流壓電陶瓷晶體震板，震板的振動產生超聲波，在晶圓表面附近產生聲學邊界層，使溶液產生壓力振動以及超高頻的高能量，從而產生極大的聲壓梯度、粒子速度以及聲流作用，使晶圓表面吸附的污染物及微粒被強制除去并進入清洗溶液中，清洗溶液后續將污染物帶離工藝槽體。

這種工藝對清洗液的質量要求較高，清洗液的優越程度決定了超聲波清洗的效果。該清洗液控制系統通過各種控制方法，對槽體內清洗液的溫度、液位、循環方式等進行智能控制，使清洗液始終處于最佳狀態，保障了超聲波工藝效果的優良性。

1 清洗液控制系統

超聲波清洗槽分為內槽和外槽，清洗液由內槽底部進入，在超聲波的作用下，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離。進入外槽的化學液經過過濾器濾掉顆粒后再次進入內槽，形成循環。

清洗液主要是由純水(DIW)和化學液(Chemical)構成，化學液的配比組成對于清洗質量與效率起關鍵作用。標準RCA法是集成電路工藝中廣泛使用的清洗方法，該方法交替使用雙氧水+氨水（SC-1溶液）、雙氧水+鹽酸（SC-2溶液）兩種清洗劑，可有效除去金屬離子及有機污染物。本文研究的清洗液控制系統可對純水和化學液進行流量控制，使其根據用戶要求的設定達到合理配比。為了保證化學液的濃度，該系統會控制整個回路以一定的時間間隔慢排和補充化學液。此外，溫控裝置對清洗液進行溫度控制，使槽體內的清洗液為晶圓提供最佳的工藝狀態。在超聲波工作時，系統會持續對液位的情況進行實時計算和監控，最大限度保證晶圓的安全和加工效果的優良。該系統的整體硬件構成如圖1所示。

圖1 液體控制系統主圖

2 清洗液控制系統的實施方案

2.1 清洗液控制系統進入初始狀態的實施過程

設備在開始工藝處理之前要經過模塊初始化過程，清洗液控制系統會完成初始狀態的一系列動作。

首先，系統會將槽體內所有的排液閥門關閉，然后,開啟純水和兩種化學液的注液閥門，并根據預定的流量值進行注液，實現最佳工藝配比。同時，液位檢測功能會同時被開啟，當液位到達指定位置后，注液動作結束，并計算本次注液時間，如果時間異常則會報警提示用戶。之后,打開循環功能、補液功能和溫控功能，對液位進行維護。最后,開啟對循環效果和清洗液溫度的監控，如有異常則報警并做出相應動作。

2.2 定時排液和智能補液功能

定時排液和智能補液功能會在系統初始化完畢后開啟運行。

排液閥門安裝在槽體的底部，主要功能是將清洗掉的雜質排出槽體，使槽體內始終保持較低的雜質含量。定時排液功能會根據用戶設定的時間間隔M(Min)和排液時長N(Sec)進行定時排液，每間隔M分鐘實施N秒的排液動作。用戶可根據不同的加工材料和藥劑對時間間隔和時長進行不同的配置，該功能一方面對雜質進行了及時的排除，另一方面對藥劑耗材的消耗進行了約束。智能補液功能根據槽體內液位的變化而進行。工藝槽體的側面安裝了4個非接觸式電容傳感器，如圖2所示，清洗液控制系統會根據這4個傳感器反饋的信號持續進行液位計算并實時監控液位的變化情況。液位與傳感器的關系如表1所示。

表1 液位與傳感器的關系

圖2 液位傳感器示意圖

初始化過程中，液位會到達指定位置液位3,后續在定時排液的作用下，液位會不斷下降，當液位下降到液位2后，補液功能會被觸發，此時會根據先前設定的清洗液配比和清洗液流量進行補液，直至液位重新回到液位3。在補液結束后系統會計算出本次補液與上一次的時間間隔，并與用戶期望的隔時區間進行比對，如有異常則提示報警，補液流程如圖3所示。

圖3 補液流程圖

液位會受到其他一些因素的影響而發生變化，如：機械手的取/放片動作、人為因素等，因此補液功能還會持續對液位進行監控。當液位低至液位1時，系統會強制關閉定時排液功能和CDA循環系統，加速補液過程；當液位高至液位4時，系統會強制打開排液閥門，將液位迅速還原至液位3；當液位傳感器出現錯誤的邏輯時（液位計算值是錯誤液位時），系統會持續報警且阻止超聲波對晶圓的清潔。

2.3 清洗液循環與溫控功能

清洗液的循環功能會在系統初始化完畢后開啟運行。循環功能主要是增加化學液的流動性，將經過溫控器控溫的清洗液遍及到整個槽體，使清洗液溫度均勻，提高超聲波高頻振蕩施加在晶圓污漬上的效果。該功能是通過控制CDA循環泵得以實現，并持續對循環液的流量進行讀取與計算，并將數值與用戶設定的閾值進行比對，如果循環流量不滿足閾值區間，系統會提示報警并阻止晶圓的加工。

溫控功能也是在系統初始化完畢后，且循環液流量達到期望區間范圍后開啟運行。由于溫度到達期望值需要一定預熱時間，所以待溫控功能開啟，并間隔預熱時間后，系統會持續對實時溫度進行查詢，如遇溫度超出期望區間，則會報警，并且停止超聲波加工。溫控功能流程如圖4所示。

圖4 溫控流程圖

2.4 各項參數的監控功能

各項功能在運行過程中，清洗液控制系統會針對關鍵參數進行實時監控與相應動作的執行。槽體內2種化學液閥門開啟時，系統會監控各閥門的流量值，如遇流量值不達標，則會根據用戶預定的異常處理方案做相應的動作。當閥門關閉時，系統還會繼續監控閥門閉合的嚴密性，為節約耗材提供了保障。

系統會實時讀取清洗液高度和循環液流量，如遇液位異?；蜓h液流量不達標，則會停止溫控功能和超聲波清洗。

在超聲波工作時，系統會監控超聲波震板冷卻功能和循環功能是否正常，如遇異常則停機報警。

3 工藝驗證

選取晶圓表面顆粒數目相近且在200顆以下的二氧化硅晶圓作為測試對象,測試標準為考察0.2 μm及以上直徑大小的顆粒，對關鍵參數（化學清洗液流量、化學液溫度、化學液循環效果）進行實驗；通過兩組10片晶圓工藝過程的一致性測試，得到在相同實驗條件下清洗后表面清潔度狀況及粗糙度指標。

測試1組的10片晶圓統一經過由系統正常控制的清洗液浸泡的超聲波加工模塊，后經過后道工序進行刷洗和甩干。為重點考察關鍵參數，測試2組的10片晶圓統一經過無循環、常溫的清洗液浸泡的超聲波加工模塊，后經過后道工序進行刷洗和甩干。兩組實驗除了清洗液控制系統上的差異以外，其他測試環境均保持一致。

完成以上工藝過程的兩組晶圓，均由顆粒度檢測儀進行測量，表面粗糙度由顯微鏡（AFM）進行測試，目的是考察0.2 μm及以上直徑大小顆粒度的分布情況，測試1組與測試2組的代表性樣片實驗效果如圖5所示。

圖5 實驗效果圖

采用同樣的工藝、同樣的流程，超聲清洗模塊有無清洗液控制系統對整個清洗加工工藝起到了很大的作用,測試結果對比如表2所示。通過測試數據可以看出，未進行清洗液控制的測試組2，顆粒物個數很難控制在業界標準(顆粒度40及以下)以內，具有清洗液控制系統的晶圓測試組1的數據更加優秀，全部達到業內優秀的標準。

表2 測試數據對比

4 結束語

清洗液控制系統各項功能的運行保證了晶圓清洗效果的良好性，配合參數的監控功能，更好地保證了加工的穩定性和安全性，為超聲波清洗環節提供了穩定的基礎，為實現“高效率、高質量、低損傷”的清洗效果提供了重要保障。