超声波清洗液控制系统研究

田洪涛，杨 旭，田知玲，张金环，陈苏伟

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176)

晶圆在CMP设备中经过研磨工艺后，会有残留的颗粒物黏附在晶圆表面，在进入下一道工序之前，必须要将残留物清洗掉，以避免对后续工艺产生不利影响。

兆声波清洁处理是晶圆在清洗过程中的一个重要环节，它是一种非接触式清洗方式，其原理是采用高频（0.8～1.0 MHz）交流压电陶瓷晶体震板，震板的振动产生超声波，在晶圆表面附近产生声学边界层，使溶液产生压力振动以及超高频的高能量，从而产生极大的声压梯度、粒子速度以及声流作用，使晶圆表面吸附的污染物及微粒被强制除去并进入清洗溶液中，清洗溶液后续将污染物带离工艺槽体。

这种工艺对清洗液的质量要求较高，清洗液的优越程度决定了超声波清洗的效果。该清洗液控制系统通过各种控制方法，对槽体内清洗液的温度、液位、循环方式等进行智能控制，使清洗液始终处于最佳状态，保障了超声波工艺效果的优良性。

1 清洗液控制系统

超声波清洗槽分为内槽和外槽，清洗液由内槽底部进入，在超声波的作用下，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离。进入外槽的化学液经过过滤器滤掉颗粒后再次进入内槽，形成循环。

清洗液主要是由纯水(DIW)和化学液(Chemical)构成，化学液的配比组成对于清洗质量与效率起关键作用。标准RCA法是集成电路工艺中广泛使用的清洗方法，该方法交替使用双氧水+氨水（SC-1溶液）、双氧水+盐酸（SC-2溶液）两种清洗剂，可有效除去金属离子及有机污染物。本文研究的清洗液控制系统可对纯水和化学液进行流量控制，使其根据用户要求的设定达到合理配比。为了保证化学液的浓度，该系统会控制整个回路以一定的时间间隔慢排和补充化学液。此外，温控装置对清洗液进行温度控制，使槽体内的清洗液为晶圆提供最佳的工艺状态。在超声波工作时，系统会持续对液位的情况进行实时计算和监控，最大限度保证晶圆的安全和加工效果的优良。该系统的整体硬件构成如图1所示。

图1 液体控制系统主图

2 清洗液控制系统的实施方案

2.1 清洗液控制系统进入初始状态的实施过程

设备在开始工艺处理之前要经过模块初始化过程，清洗液控制系统会完成初始状态的一系列动作。

首先，系统会将槽体内所有的排液阀门关闭，然后,开启纯水和两种化学液的注液阀门，并根据预定的流量值进行注液，实现最佳工艺配比。同时，液位检测功能会同时被开启，当液位到达指定位置后，注液动作结束，并计算本次注液时间，如果时间异常则会报警提示用户。之后,打开循环功能、补液功能和温控功能，对液位进行维护。最后,开启对循环效果和清洗液温度的监控，如有异常则报警并做出相应动作。

2.2 定时排液和智能补液功能

定时排液和智能补液功能会在系统初始化完毕后开启运行。

排液阀门安装在槽体的底部，主要功能是将清洗掉的杂质排出槽体，使槽体内始终保持较低的杂质含量。定时排液功能会根据用户设定的时间间隔M(Min)和排液时长N(Sec)进行定时排液，每间隔M分钟实施N秒的排液动作。用户可根据不同的加工材料和药剂对时间间隔和时长进行不同的配置，该功能一方面对杂质进行了及时的排除，另一方面对药剂耗材的消耗进行了约束。智能补液功能根据槽体内液位的变化而进行。工艺槽体的侧面安装了4个非接触式电容传感器，如图2所示，清洗液控制系统会根据这4个传感器反馈的信号持续进行液位计算并实时监控液位的变化情况。液位与传感器的关系如表1所示。

表1 液位与传感器的关系

图2 液位传感器示意图

初始化过程中，液位会到达指定位置液位3,后续在定时排液的作用下，液位会不断下降，当液位下降到液位2后，补液功能会被触发，此时会根据先前设定的清洗液配比和清洗液流量进行补液，直至液位重新回到液位3。在补液结束后系统会计算出本次补液与上一次的时间间隔，并与用户期望的隔时区间进行比对，如有异常则提示报警，补液流程如图3所示。

图3 补液流程图

液位会受到其他一些因素的影响而发生变化，如：机械手的取/放片动作、人为因素等，因此补液功能还会持续对液位进行监控。当液位低至液位1时，系统会强制关闭定时排液功能和CDA循环系统，加速补液过程；当液位高至液位4时，系统会强制打开排液阀门，将液位迅速还原至液位3；当液位传感器出现错误的逻辑时（液位计算值是错误液位时），系统会持续报警且阻止超声波对晶圆的清洁。

2.3 清洗液循环与温控功能

清洗液的循环功能会在系统初始化完毕后开启运行。循环功能主要是增加化学液的流动性，将经过温控器控温的清洗液遍及到整个槽体，使清洗液温度均匀，提高超声波高频振荡施加在晶圆污渍上的效果。该功能是通过控制CDA循环泵得以实现，并持续对循环液的流量进行读取与计算，并将数值与用户设定的阈值进行比对，如果循环流量不满足阈值区间，系统会提示报警并阻止晶圆的加工。

温控功能也是在系统初始化完毕后，且循环液流量达到期望区间范围后开启运行。由于温度到达期望值需要一定预热时间，所以待温控功能开启，并间隔预热时间后，系统会持续对实时温度进行查询，如遇温度超出期望区间，则会报警，并且停止超声波加工。温控功能流程如图4所示。

图4 温控流程图

2.4 各项参数的监控功能

各项功能在运行过程中，清洗液控制系统会针对关键参数进行实时监控与相应动作的执行。槽体内2种化学液阀门开启时，系统会监控各阀门的流量值，如遇流量值不达标，则会根据用户预定的异常处理方案做相应的动作。当阀门关闭时，系统还会继续监控阀门闭合的严密性，为节约耗材提供了保障。

系统会实时读取清洗液高度和循环液流量，如遇液位异常或循环液流量不达标，则会停止温控功能和超声波清洗。

在超声波工作时，系统会监控超声波震板冷却功能和循环功能是否正常，如遇异常则停机报警。

3 工艺验证

选取晶圆表面颗粒数目相近且在200颗以下的二氧化硅晶圆作为测试对象,测试标准为考察0.2 μm及以上直径大小的颗粒，对关键参数（化学清洗液流量、化学液温度、化学液循环效果）进行实验；通过两组10片晶圆工艺过程的一致性测试，得到在相同实验条件下清洗后表面清洁度状况及粗糙度指标。

测试1组的10片晶圆统一经过由系统正常控制的清洗液浸泡的超声波加工模块，后经过后道工序进行刷洗和甩干。为重点考察关键参数，测试2组的10片晶圆统一经过无循环、常温的清洗液浸泡的超声波加工模块，后经过后道工序进行刷洗和甩干。两组实验除了清洗液控制系统上的差异以外，其他测试环境均保持一致。

完成以上工艺过程的两组晶圆，均由颗粒度检测仪进行测量，表面粗糙度由显微镜（AFM）进行测试，目的是考察0.2 μm及以上直径大小颗粒度的分布情况，测试1组与测试2组的代表性样片实验效果如图5所示。

图5 实验效果图

采用同样的工艺、同样的流程，超声清洗模块有无清洗液控制系统对整个清洗加工工艺起到了很大的作用,测试结果对比如表2所示。通过测试数据可以看出，未进行清洗液控制的测试组2，颗粒物个数很难控制在业界标准(颗粒度40及以下)以内，具有清洗液控制系统的晶圆测试组1的数据更加优秀，全部达到业内优秀的标准。

表2 测试数据对比

4 结束语

清洗液控制系统各项功能的运行保证了晶圆清洗效果的良好性，配合参数的监控功能，更好地保证了加工的稳定性和安全性，为超声波清洗环节提供了稳定的基础，为实现“高效率、高质量、低损伤”的清洗效果提供了重要保障。