CMP设备兆声清洗原理及应用

史 霄，郭春华，杨 师，熊 朋

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

在半导体芯片制造领域，随着晶圆尺寸的增大及多层金属互联技术的应用，化学机械平坦化（CMP）成为一种不可或缺的实现表面全局平坦化的技术。在CMP 制程中，由于化学反应及抛光液中研磨微粒的存在，必然会引入表面玷污，因此在晶片表面全局平坦化之后必需进行有效清洗。典型的CMP 后清洗制程包括兆声清洗、刷洗、旋转干燥等，兆声清洗作为其中关键一环，其清洗效果的好坏影响最终的晶圆清洗效果。

1 兆声清洗的物理原理

超声波清洗的原理是由超声波电源发出高频振荡电流，经换能器转变为机械振动波传入到清洗介质中，从而在液体中产生空化和声波流两种现象，在这两种现象的合力下将附着在晶圆表面的颗粒去除。

1.1 空化作用

空化作用是指液体中的微小气泡核在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合。气泡的寿命约0.1 μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110 m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5 kg/cm2，在此冲击力的作用下，可将附着在晶圆表面的颗粒剥离到清洗液中，再被不断流动的清洗液带走。整个过程如图1所示。

图1 空化作用去除颗粒过程

根据换能器振动频率的不同，可将超声波清洗分为超声清洗（<100 kHz）和兆声清洗（800～2 000 kHz）。换能器振动频率的大小影响着液体中形成气泡的大小和密度，从而影响空化作用的强度。当频率较低时，气泡尺寸较大，密度较低；当频率变大时，气泡尺寸减小，密度增加。气泡尺寸越大，崩溃时产生的冲击力越大，去除颗粒的能力越强，但同时对晶圆表面的损伤也越大。不同频率下的空化强度如图2所示[4]。

由图可看出，相对于超声清洗，兆声清洗的作用更加温和。因此应根据需要去除的颗粒大小及晶圆表面器件能承受的冲击力，选用合适的振动频率。一般兆声清洗适于清除的颗粒大小为0.1～0.3 μm，超声清洗适于清除的颗粒大小在0.4 μm 以上。

1.2 声波流作用

图2 不同频率下的空化强度

声波流是指清洗液在振动能量的作用下产生快速流动。快速流动的液体可以对附着在晶圆表面的颗粒产生剥离力，当剥离力大于同时作用于颗粒的范德华力以及静电力时，颗粒即被剥离晶圆表面，并被快速流动的液体带走。颗粒的受力模型如图3所示，图中MR表示颗粒受到的剥离力矩，MA为粘附力矩，FDrag为剥离力，FAdhesion为粘附力（静电力及范德华力），Felecdoublelayer为双电层力，R 为颗粒半径，a 为颗粒与晶圆表面的接触半径。

图3 晶圆表面颗粒受力模型

在高频率下（>200 kHz），声波流具有很强的方向性，而当频率较低时，声波流方向混乱。因此，兆声清洗中声波流发挥的作用更大。根据流体力学，由于分子间摩擦力的作用，在晶片与液体的接触面上会存在一个静止或缓慢移动的边界层，小的颗粒可能被这层界面保护而难受到声波流产生的推力。边界层的厚度与振动频率密切相关，频率越高，边界层越薄，从而可去除的颗粒尺寸越小。振动频率与边界层厚度之间的关系如图4所示[4]。由图4可以看出，当频率达到兆声级别时，边界层的厚度已经达到亚微米级，从而可去除尺寸更小的颗粒。

图4 兆声频率与边界层厚度的关系曲线

此外，声波流的速度与振动频率以及功率密度也密切相关。图5为声波流的速度与激振频率之间的关系曲线[4]，声波流速度近似与振动频率的平方成正比。图6为不同激振频率下声波流速度随功率密度的变化曲线[4]，由图6可看出，声波流速度近似与功率密度成正比。在实际应用中,换能器可以是单频，即只有一种频率，也可以是复频，即一个振子可以以不同的几个频率振动。同时，振子的输入功率也是连续可调的，从而使得清洗槽获得不同的功率密度，这样用户就可以通过调节参数来达到自己需要的清洗效果。

图5 声波流速度与兆声频率的关系曲线

在超声和兆声清洗中，虽然空化作用和声波流两种作用都存在，但发挥的作用不同。在超声清洗中，低振动频率使得气泡崩溃前达到的最大尺寸较大，空化作用较强，而声波流方向混乱，对颗粒的拖拽作用较弱，因此空化作用主导了清洗过程。兆声清洗与之正好相反，较高的频率导致了高速的液体流动，但气泡尺寸较小，因此声波流在清洗过程中起主要作用。

图6 不同频率声波流速度与功率密度的变化曲线

2 化学清洗剂对兆声清洗过程的影响

由于抛光后新鲜表面活性高，抛光过程中产生的静电力，以及CMP 抛光液中大量使用高浓度的纳米磨粒（如纳米SiO2，纳米ALO 粒子），工件表面极易吸附纳米颗粒等污染物导致CMP 后清洗极其困难。在清洗过程中，单纯使用物理方法不足以去除污染物，必须引入化学清洗剂，利用清洗剂和污染物的化学作用，使大分子污染物生成可溶于清洗剂的小分子物质而脱离基体表面，或者破坏污染物与基体表面的键合作用而使之脱离。SC1 溶液（氨水、双氧水和水按一定比例混合）和HF 是CMP 兆声清洗过程常用的化学试剂。与标准的SC1 配比5:1:1 相比，适当降低氨水的配比，配合兆声波能场的作用能取得满意的清洗效果。氨水的作用是其对SiO2的微腐蚀特性，以及在碱性溶液中颗粒与硅片表面间产生电学排斥力，从而有利于颗粒去除。HF 主要对抛光过程中引入的金属离子有溶解作用。值得注意的是，在特征尺寸为50 nm 以下的制程中，化学试剂的使用可能会加重表面缺陷，因此兆声清洗时使用DI 水即可。

3 CMP 设备中兆声清洗的应用

CMP 设备从20世纪90年代开始起步，随着半导体技术不断向微细化、高密度方向发展，适用于平坦化工艺的CMP 设备技术也飞速发展。在市场的激烈竞争下，CMP 设备供应商由开始的20多家逐步集中在AMAT，Ebara，SpeedFam/IPEC 以及LamResearch 等几大巨头手中。其中AMAT 凭借其世界服务和性能保证资源优势，在中国的200～300 mm (8～12 英寸)CMP 机台占有率达到85%，远超竞争对手。下面以AMATReflexion 机型为例说明兆声清洗在CMP 设备中的应用。

为了及时对抛光完的晶圆进行清洗以及减少晶圆传输带来的二次污染，CMP 设备的趋势是设计为干进干出的方式，即在CMP 设备中除了抛光单元外，集成了清洗和甩干单元，完成所有工序后，将干净的晶圆放回晶圆盒内。AMATReflexion机型整体布局如图7。

图7 AMATReflexion 机型整体布局图

清洗部分主要有兆声清洗、刷洗、甩干等几个工位，晶圆在每个工位均采用立式放置，这样能大幅缩减设备空间，提高竞争力。每个工位之间通过机械手进行传片。兆声清洗槽的内部结构原理图8。

兆声清洗槽分为内槽和外槽，化学液由内槽底部进入，在兆声波和化学反应双重作用下，颗粒离开晶圆表面进入化学液中，并随着化学液从顶部流出被带走。进入外槽的化学液经过过滤器滤掉颗粒，再进入内槽，形成循环。为了保证化学液的浓度，整个回路以一定的时间间隔泄露和补充化学液。此外，化学液温度对于清洗效果也至关重要，在回路中设置温控器使温度保持恒定。

图8 兆声清洗槽的内部结构原理图

兆声振板位于槽底部，其结构是由若干振子粘接在振板上组成。为了防止化学液腐蚀，振板可由不锈钢表面涂覆特氟龙材料或石英制作。兆声振子与外置兆声发生器连接，通过发生器的激振电路产生兆声波。由于兆声波能量较为集中，其作用范围几乎与振子尺寸相同，因此振子的排布面积只需略大于晶圆的尺寸，对于200 mm 晶圆，振子面积可设计为220 mm×30 mm。根据晶圆的特征尺寸以及去除的颗粒大小选择需要的兆声波频率，一般兆声清洗的频率范围为800～2 000 kHz。兆声发生器的功率一般设计为连续可调，用户可根据工艺试验选择合适的功率值。

此外，由于兆声波在其传播方向上能量逐渐递减，为了保证晶圆表面清洗的一致性，在槽内设计了晶圆转动机构，使晶圆在清洗过程中保持一定的速度转动。为了保证密封的可靠性，采用非接触式磁性传动。

4 结束语

本文分别从空化作用、声波流及化学清洗剂等方面对兆声清洗的原理进行系统分析，并举例介绍了其在化学机械抛光后清洗设备中的应用，对研制国产后清洗设备可提供一定的借鉴。

[1]张伟峰，周国安，詹阳.CMP 后的晶圆清洗过程研究[J].电子工业专业设备，2008，37(6)：28-32.

[2]雷红.CMP 后清洗技术的研究进展[J].半导体技术，2008(5)：369-373.

[3]周国安，徐存良.CMP 后清洗技术发展历程[J].电子工业专业设备，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.