单晶圆兆声清洗技术研究及兆声喷头方案优化

刘永进，杜建科，冯小强

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

目前，在国外单晶圆兆声清洗技术已得到了较深入的研究[1]并在设备中已广泛应用。SSEC公司等单晶圆设备制造商都有自己专利的兆声喷头和比较成熟的清洗工艺，本多电子、BRANSON、SONOSYS、PROSYS等超声生产厂商也都有针对单晶圆清洗的兆声喷头产品。但是由于国内单晶圆清洗技术还处在起步阶段，对于晶圆的兆声清洗技术也还处于槽式批量清洗阶段，所以国内对于单晶圆的兆声清洗技术还是少有研究。

1 单晶圆兆声清洗技术的必要性

1.1 单晶圆清洗技术的必要性

随着300 mm圆片和90 nm工艺时期的到来，传统的批处理清洗技术在诸多工艺因素的驱动下已难以适应湿法清洗，制备工艺过程中需要引入新型的清洗工艺，以确保IC规格、性能指标及可靠性不因污染影响而下降。此外，湿法批处理技术也无法满足快速热处理工艺和CVD技术。基于此，驱使清洗设备向单片式发展的主要因素有：

·降低大直径圆片批处理中成品率损失的风险；

·批处理工艺中圆片传递的交叉污染；

·圆片的背面、斜面和边缘清洗的要求；

·减少薄膜材料的损失；

·化学机械抛光（CMP）后的刷洗技术；

·适用于多品种、小批量的产品。

为了满足上述要求，单圆片清洗技术得到了半导体业界更多的认同，目前众多的晶圆代工厂、超大规模集成电路（VLSI）和ULSI制造业都逐步倾向于引进单圆片湿法清洗技术，以降低批处理清洗中交叉污染的风险。

1.2 兆声清洗的原理

兆声波清洗技术[2，3]不但保存了超声波清洗的优点,而且克服了它的不足。兆声波清洗的机理是由高能(850 kHz)频振效应并结合化学清洗剂的化学反应对晶圆片进行清洗。在清洗时由换能器发出波长为1.5 μm频率为0.8 MHz的高能声波。溶液分子在这种声波的推动下做加速运动,最大瞬时速度可达到30 cm/s。因此形成不了超声波清洗那样的气泡,而只能以高速的流体波连续冲击晶片表面,使抛光片表面附着的污染物和细小微粒被强制除去并进入到清洗液中。兆声波清洗抛光片可去掉晶片表面上小于0.2 μm的粒子,起到超声波起不到的作用。这种方法能同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的作用[4]。

2 存在的问题分析

一般的单晶圆兆声清洗方式都是采用尖嘴形兆声喷头，在晶圆旋转的同时，兆声喷头做扫瞄运动，达到对整个晶圆清洗的效果，如图1所示。

图1 单晶圆兆声清洗原理图

由于尖嘴式兆声喷头尖嘴直径一般只有2～4 mm，相对于晶圆片可以看做一个点，且尖嘴式兆声喷头的能量主要集中于喷嘴处，所以尖嘴式兆声喷头对晶圆片能量相当于一点作用。虽然晶圆旋转的同时喷头做扫描运动在足够长的时间里可以将整个晶圆片覆盖，但会出现如图2所示的效果。时间较短时如图2（a）所示，随着时间的延长，能量扫略过的的区域如图2（b）所示。即应用尖嘴式兆声会出现在晶圆片上能量分布不均的情况，有的区域被重复清洗，而有的区域却没有被清洗到。如果要所有的区域都被清洗干净，就必须大幅度的延长清洗时间，影响效率。并且有研究[5]已表明，过度的清洗会造成晶圆片的损伤。因此必须提高兆声清洗的均匀性。

图2 尖嘴式兆声在晶圆上能量分布

3 提高兆声清洗均匀性的方案及可行性论证

方案一：将尖嘴式喷头换成石英材质的平面喷头，如图3所示，这样在喷头底平面与晶圆之间形成一层水层，兆声清洗的面加大。兆声波从换能器中发射出，经过兆声喷头内的水层，再经过石英层，到达喷头平面与晶圆之间的水层。

但是由于石英的密度大于水的密度，所以大部分的兆声波被喷头内部兆声头平面反射回兆声换能器，这样不但达不到预期的清洗效果，而且对换能器有较大的损害。

方案二：将兆声振子直接粘贴于石英上平面，即去掉兆声振子与喷头间的水层，消除低密度面到高密度面造成的对兆声波的反射作用（如图4所示），兆声能量覆盖的晶圆面积增大。DI水由喷头侧面射向喷头底部。

图3 尖嘴式兆声喷头的尖嘴改成平嘴示意图

图4 压电陶瓷直接粘贴在石英振板表面示意图

但是，由于石英的易碎特性，这种形式的兆声喷头无法做到大功率，否则高能兆声波会将石英层振裂，并且在兆声作用下，石英层会不断有微小的石英颗粒剥落，对晶圆造成二次污染。同时，由于DI水是从喷头侧面注入，兆声振板与晶圆之间水膜形成效果不理想，经常夹杂有气泡，影响清洗效果。

方案三：如果取第一种方案的水膜形成优势和第二中方案的兆声能量的大面积覆盖，则形成了图5所示的方案。同时参考Prosys兆声，兆声头底面材料采用蓝宝石。蓝宝石坚硬的优点使得兆声能量能够做的较大，但是蓝宝石材料昂贵，同时也使得这种方案成本较高。

方案四：如图6所示，将尖嘴式兆声喷头与晶圆成一定的角度，这样在晶圆上形成兆声波能量成一条线，在晶圆旋转的同时，移动兆声喷头，以线能量扫略晶圆，能量将比以点能量扫略晶圆均匀。这种方案虽然兆声能量仍然不能非常均匀的分布，但是从综合成本和清洗效果两种因素考虑，这种方案较为实用。

图5 圆盘式兆声喷头示意图

图6 尖嘴式兆声倾斜清洗示意图

4 结论

本文指出了单晶圆兆声清洗的优势，基于兆声清洗的原理，分析了尖嘴式兆声喷头的缺点，提出了针对单晶圆兆声清洗的多种改进方案，并分别进行了可行性论证，最后提出了适合单晶圆兆声清洗的优化方案。

[1]M.J.Calaway,M.C.Rodriguez,J.H.Allton3,and E.K.Stansbery.Decontaminating solar wind samples with the genesis ultra-pure water megasonic wafer spin cleaner[C].40th Lunarand PlanetaryScience Conference,2009,1183.

[2]赵权.半导体单晶抛光片清洗工艺分析[J].半导体技术,2007,32(12):1049-1051.

[3]李仁.兆声清洗技术分析及应用[J].电子工业专用设备,2004,33(1):63-66.

[4]刘传军,赵权,刘春香,杨洪星.硅片清洗原理与方法综述[J].半导体情报,2000,37:30-36

[5]P.Mertens etal.Damage-free removal of nano-sized particles,heading towards a red brick wall[C].ISMT:Wafer Cleaning and Surface Preparation Workshop,2003.