单片晶圆气液混合流清洗技术研究

刘佰红，杨炜平，梁 翔，杨丽丽,2，杜浩楠，保加兵，石春明，马跃霞，殷艳娥，段 瑜,2

〈材料与器件〉

单片晶圆气液混合流清洗技术研究

刘佰红1，杨炜平1，梁 翔1，杨丽丽1,2，杜浩楠1，保加兵1，石春明1，马跃霞1，殷艳娥1，段 瑜1,2

（1. 云南北方奥雷德光电科技股份有限公司，云南 昆明 650223；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

研究了气液混合流清洗方法对单片晶圆表面颗粒的去除效果，引入无量纲参数移径比（/）讨论其对单片晶圆表面颗粒去除效率的影响。此外，还讨论了冲洗时间、冲洗压力对颗粒去除效率的影响。结果表明：晶圆表面颗粒去除效率随着冲洗时间、冲洗压力的增大而提高。移径比为1时晶圆表面颗粒去除效率最高；当移径比小于1时，晶圆表面颗粒去除效率随移径比增大而提高；当移径比大于1时，晶圆表面开始出现未被冲洗的区域，颗粒去除效率随移径比增大而迅速降低。采用气液混合流清洗技术，可以实现颗粒直径为0.2～0.3mm范围的颗粒去除效率达99%以上，颗粒直径为0.1～0.5mm范围的颗粒去除效率达96%以上。

气液混合流清洗；冲洗时间；移径比；冲洗压力；颗粒去除效率

0 引言

近年来随着IC集成度的提高、线宽的不断缩小，CMP（chemical mechanical planarization）工艺之后需要对单片晶圆表面亚微米及纳米级别尺寸的颗粒进行去除[1-2]。目前，常用的颗粒去除技术有：标准RCA清洗法、兆声波清洗法、搽洗法、汽相清洗法、等离子体清洗法等。标准RCA清洗法采用NH3H2O:H2O2:H2O＝1:1:5的混合液，以氧化和微蚀刻去除表面颗粒，也可轻微去除金属离子和有机物污染[3-4]。兆声波清洗法是利用频率为0.8～1.0MHz的超声波进行清洗，兆声可以在基片表面产生一层薄的声学边界层[5-6]，高频的声波能够在液体中产生空化和声波流的现象，利用空化气泡崩溃瞬间产生的微射流和声波流的冲击力清除基片表面的微小颗粒，一般兆声清洗适于清除的颗粒大小为0.1～0.3mm[7]，搽洗法采用刷子刷洗晶片表面，同时伴随着清洗液的冲洗，是一种古老且有效的微粒去除方法[8]。为了减少化学液清洗过程中化学液的消耗量，采用将化学液汽化后作用于硅片表面污染物从而去除金属离子（粒子）、颗粒等污染物的一种方法，简称汽相清洗法[9]。相比于以上清洗方式，气液混合流清洗方法具有颗粒去除效率高，清除颗粒尺寸更小的优点，能够去除颗粒直径在40nm以上的颗粒，且具有很好的结构损伤控制性[10]。该技术于1997年提出运用于半导体清洗领域[11]，之后取得了较大的进展。为了提高颗粒清洗效率，降低晶圆表面图形损伤，主要从以下两个方面进行改进：一方面向清洗液中添加化学液，提高清洗液的导电性，降低颗粒静电吸附力，提高颗粒去除效率。Hirano H.等人[12]通过添加稀释的HF，实现较低的氮气流速下仍能有效去除表面颗粒，且短时间的清洗不会造成45nm栅极结构损伤。Li J.等人[13]采用双喷嘴设计，可同时向晶圆表面喷射气液混合流和RCA清洗液，使其运用在FinFET（Fin Field-Effect Transistor）工艺生产中，可以有效减少表面颗粒26%，且不会造成LDD栅极结构损伤。另一方面则通过优化喷嘴设计，改善喷雾特性提高清洗效果。Lu W.等人[14]通过改善气液掺混的雾化效果，保证图形结构无损伤的前提下，获得更高的N2流量，对35nm及以上尺寸的颗粒去除效率达90%以上。Tanaka T.等人[15]，通过精确控制喷射液滴的大小和速度，在没有任何图形结构损坏的情况下获得更高的颗粒去除效率。Teng Y.等人[16]采用自主设计的气液混合流清洗装置，实现100nm以上颗粒去除效率90%以上，对50nm以上的图形结构无损伤，清洗效果及损伤控制明显优于兆声清洗。近年来，随着技术的不断成熟，气液混合流清洗技术开始逐渐运用于半导体清洗工艺领域。

目前，通过向气液混合清洗液中掺混HF或RCA化学液，虽然有助于提高颗粒去除效率，然而长时间清洗势必会造成图形腐蚀[17]。单纯的纯水、N2混合流冲洗，由于其超高的电阻率，难以去除晶圆表面的静电电压[18]。为此，本文尝试向纯水中混入一定比例的CO2，既有效避免了HF或RCA化学液较强的腐蚀性，又大幅降低了清洗液的电阻，消除晶圆表面带电现象[19-20]。实验过程中还通过精确控制CO2、H2O和N2的混合比例及混合液流速、压力，优化喷雾特性，提高晶圆表面冲洗能量的均匀性。此外，目前气液混合流清洗的研究主要集中在工艺技术的改进，然而清洗过程中不合理的工艺参数设定，也在很大程度上影响颗粒清洗效率的提升。因此，优化工艺参数对清洗效率的提升也同样重要。为此，本文构建清洗模型，将晶圆转速、喷头摆动角速度、喷射水柱直径、冲洗手臂长度等主要影响因素进行无量纲化，得到无量纲参数移径比，讨论其对单片晶圆表面颗粒去除效率的影响，此外，还讨论了冲洗时间、冲洗压力对颗粒去除效率的影响。

1 理论分析

去除晶圆表面颗粒的方式有滑动、滚动和分离，当颗粒侧面受到气体或液体冲击力的作用下，颗粒在晶圆表面出现滑动或滚动从而被去除。在气液混合流清洗过程中，气体与液体在喷射器内掺混，喷出高速的雾状微小液滴飞速撞击在硅片表面，从而在硅片表面形成10～100mm厚度的液膜[21]。当液滴撞击硅片液膜表面时，在液滴前端与液膜接触面产生瞬间高压，从而在液滴与液膜接触面前端形成冲击波，其冲击波压力[22]的表达式为:

式中：为液体密度，kg×m－3；为液滴撞击速度，m×s－1；为液滴直径，m；为液体介质中的声速，m×s－1；pool液膜厚度，m；其中冲击波速近似为：

＝0＋(2)

式中：0在水中的速度为1647m×s－1；比例因子近似等于2。

之后撞击区域的液体向四周飞溅，形成形似皇冠的形状。扩散半径随时间变化的表达式[23]为：

根据式(3)皇冠半径扩散速度可以推导出扩散区域液体的压力为：

因此，受到液滴撞击的流体区域会产生较大的压力差，形成一层薄的速度边界层，边界层厚度受液滴的尺寸、速度以及液膜厚度的影响。减小边界层的厚度可以向颗粒传递更多的流体力，颗粒受到的流体力分为拉力和升力[24]，其拉力drag和升力lift的表达式为：

drag＝3p(f－p) (5)

lift＝0.807(f－p)1/233/2(6)

式中：为液体粘度系数，Pa×s；f为颗粒中心的流体速度，m×s－1；p为颗粒速度，m×s－1；为剪切速率，s－1。

2 实验方法

实验选用直径为200mm的单硅晶片，在其表面污染直径0.1～0.5mm粉尘颗粒2000个左右，然后采用颗粒检测仪对其表面颗粒进行统计得出清洗前颗粒数量。之后采用气液混合流清洗装置对单片晶圆表面进行清洗。图1为气液混合流清洗方式示意图。冲洗喷头以旋转半径为、角速度为1、摆动角度范围为运动方式，从晶圆一侧边缘经过晶圆圆心摆动到晶圆另一侧边缘并以此往复运动。晶圆旋转角速度为2，冲洗喷头喷在晶圆表面的气液混合流水柱直径为。恒定流量的CO2、纯水混合液与高压氮气在喷头喷射器内均匀掺混后以高速均匀的微小液滴喷出，通过控制氮气压力控制冲洗压力。经过气液混合流清洗后对晶圆表面颗粒进行测试统计，得出清洗后的颗粒数量。从而得出颗粒直径0.1～0.5mm范围的晶圆表面颗粒去除效率。

图1 气液混合流清洗示意图

为了方便讨论气液混合流清洗方法对颗粒去除效率的影响，引入以下几个参数：

设冲洗过程中，冲洗喷头从晶圆一侧边缘匀速摆动到晶圆另一侧边缘所用的时间用表示：

＝/1(7)

式中：为冲洗喷头冲洗过程中的摆动角度范围，rad；1为冲洗喷头的摆动角速度，rad×s－1（本文将冲洗喷头的摆动角速度设定为常量，即不考虑1的变化对颗粒去除效率的影响且实验中冲洗喷头摆动角速度1与晶圆旋转角速度2的比值12＜0.05）。

在晶圆旋转一周的时间里，冲洗喷头位移为：

式中：2为晶圆旋转角速度，rad×s-1；为冲洗喷头的摆动半径，m。

晶圆旋转一周的时间里，冲洗喷头位移与冲洗喷头喷在晶圆表面水柱直径的比值定义为移径比：

通过分析移径比可以得出晶圆旋转一周时间内冲洗喷头喷出的水柱在晶圆表面扫过的面积与下一次晶圆旋转一周时间内水柱在晶圆表面扫过的面积重叠率：

＝1－/(10)

当移径比/＞1时，面积重叠率为负值，表示冲洗时间/2内，晶圆表面存在1－/区域面积没有被水柱冲洗到。移径比为1时表示晶圆表面全部被水柱冲洗到。

当移径比1/2＜/＜1时，面积重叠率为正值，表示冲洗时间/2内，晶圆表面存在/－1区域面积被水柱重复冲洗。

当移径比/＜1/2时，面积重叠率为正值，表示冲洗时间/2内，晶圆表面被重复冲洗/次。当移径比为1/2时，表示晶圆表面被重复冲洗2次。

在讨论气液混合流清洗方法对颗粒去除效率的影响时，本文分别从冲洗时间（＝1,2,3,4）、移径比（0.2、0.5、1、2）、冲洗压力（20Psi、30Psi、40Psi、50Psi）等3个方面因素讨论对颗粒去除效率的影响。实验样品及样品实验条件如表1所示。图2为具有代表性样品e清洗前后通过颗粒测试仪测得的晶圆表面颗粒分布情况。

表1 样品实验条件

3 实验结果分析

本文将讨论冲洗时间（＝1,2,3,4）、移径比（0.2、0.5、1、2）、冲洗压力（20Psi、30Psi、40Psi、50Psi）等3个方面因素对颗粒去除效率的影响。

当冲洗压力为40Psi、移径比为0.2时，冲洗时间从1增加到4时，冲洗时间对晶圆表面颗粒去除效率的影响如图3所示，从图中可以看到晶圆表面颗粒去除效率随着冲洗时间的增加而提高，通过增加冲洗时间可以提高颗粒去除效率14%。当冲洗时间从1增加到3时颗粒去除效率从78%提高到89%，提高了11%；当冲洗时间从3增加到4，颗粒去除效率为92%，提高了3%，说明继续增加冲洗时间对颗粒去除效率的提升效果越来越小。这是由于冲洗时间较短时，晶圆表面冲洗能量分布不均匀，出现一些区域冲洗时间较短、冲洗能量较低，造成颗粒去除效率低。随着冲洗时间的增加，冲洗能量的积累，这部分区域的颗粒去除效率随之提高，进而整片晶圆的颗粒去除效率得到提高。经过一段时间的冲洗后，由于残留的颗粒与晶圆表面的相互作用力较大，需要更大的冲洗力度才能去除，因此，仅提高冲洗时间对于颗粒去取效率的提升越来越小。

图3 清洗时间对颗粒去除效率的影响

当冲洗压力为40Psi，冲洗时间为4时，移径比从0.2增大到2时，移径比对晶圆表面颗粒去除效率的影响如图4所示。从图中可以看出移径比小于1时，颗粒去除效率随着移径比的增大而提高。移径比从0.2增大到0.5时颗粒去除效率从92.2%提高到96.1%，提高了3.9%。当移径比从0.5增大到1时，颗粒去除效率提高到96.5%，颗粒去除效率达到最高。这是由于当移径比小于1时，由式(10)可知移径比越小则表示相同的冲洗时间里晶圆表面被重复冲洗的次数越多，则冲洗喷头相对晶圆表面的移动速度越高，冲洗喷头划过晶圆表面颗粒的时间越短，颗粒受到冲洗的能量积累越小，则颗粒被剥离掉的可能性越低。随着移径比的增大，冲洗喷头划过晶圆表面颗粒的时间越长,则受到冲洗的能量积累越大，从而颗粒被剥离掉的可能性就越高。因此，相同的冲洗时间里，提高晶圆表面的冲洗次数不利于颗粒去除效率的提高，降低冲洗喷头相对晶圆表面的移动速度可以有效提高颗粒去除效率。当移径比从1继续增大到2时，颗粒去除效率迅速下降到85%。这是由于当移径比大于1后，晶圆表面存在一部分区域面积没有被水柱冲洗到，这部分区域的颗粒将停留在晶圆表面造成颗粒去除效率的迅速降低。

图4 移径比对颗粒去除效率的影响

当冲洗时间为4时，移径比为0.2，冲洗压力从20Psi增大到40Psi时，冲洗压力对晶圆表面颗粒去除效率的影响如图5所示，从图中可以看到增大冲洗压力可以有效提高晶圆表面的颗粒去除效率，当冲洗压力从20Psi增加到40Psi时，颗粒去除效率从75%提高到92.3%，提高17%，当冲洗压力从40Psi增加到50Psi时，颗粒去除效率只提高1.7%，提升效果不明显。因而，继续增加冲洗压力对颗粒去除效率的提升效果将越来越小。这是由于随着冲洗压力的提高，喷射液滴的动能增大，作用于颗粒表面的流体力增大，则颗粒被剥离掉的可能性提高，颗粒去除效率随之增大。

图5 冲洗压力对颗粒去除效率的影响

当冲洗时间为4时，移径比为1，冲洗压力为40Psi时，测得不同颗粒直径的颗粒去除效率如图6所示。测得颗粒直径0.1～0.5mm范围的颗粒去除效率96.5%。颗粒直径从0.1mm增大到0.5mm时，颗粒去除效率先增大后降低，当颗粒直径为0.1～0.15mm范围时，颗粒去除效率最低，为95%。当颗粒直径为0.25～0.3mm范围时，颗粒去除效率最高，可以达到99.4%。这是由于随着颗粒尺寸的缩小，虽然较小的颗粒与固体表面的相互作用力较小，但由于难以向其传递有效的流体力，因此更难去除。而后，随着颗粒尺寸的增大，其与固体表面的相互作用力增大，但由于冲洗强度不变的条件下，颗粒受到的流体力难以克服其与固体表面的相互作用力，因此，随着颗粒尺寸的增大变得难以去除。

图6 不同粒径颗粒去除效率

4 总结

通过讨论冲洗时间、移径比、冲洗压力等3方面因素对颗粒去除效率的影响。可以得出以下结论：

对比相同的移径比、冲洗压力条件下冲洗时间对颗粒去除效率的影响。可以得出颗粒去除效率随着冲洗时间的增加而提高，当冲洗时间大于3时继续增加冲洗时间对颗粒去除效率的提升效果越来越小。通过增加冲洗时间可以提高颗粒去除效率14%。

对比相同的冲洗时间、冲洗压力条件下移径比对颗粒去除效率的影响。结果表明，移径比接近1时颗粒去除效率最高，为96.5%。当移径比小于1时，颗粒去除效率随着移径比的增大而提高。表明在相同的冲洗时间里，提高晶圆表面的冲洗次数不利于颗粒去除效率的提高，降低冲洗喷头相对晶圆表面的移动速度可以有效提高颗粒去除效率。当移径比大于1时，晶圆表面开始出现未被冲洗的区域，使得颗粒去除效率迅速降低。

对比相同的冲洗时间、移径比条件下冲洗压力对颗粒去除效率的影响。结果表明，提高冲洗压力可以有效提高颗粒去除效率，当冲洗压力从20Psi增加到40Psi时，颗粒去除效率从75%提高到92.3%，提高了17.3%；随后继续提高冲洗压力对颗粒去除效率的提升效果越来越不明显。

采用气液混合流清洗方式，颗粒直径为0.2～0.3mm范围，颗粒去除效率99%以上。颗粒直径为0.1～0.5mm范围，颗粒去除效率96%以上。

[1] 胡雅倩. 硅片清洗技术及发展[J]. 天津科技, 2019, 46(6): 66-67.

HU Yaqian. Silicon wafer cleaning technology and its development[J]., 2019, 46(6): 66-67.

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

LI Ren. Megasonic cleaning technology analysis and application[J]., 2004(1): 63-66.

[3] 储佳, 马向阳, 杨德仁, 等. 硅片清洗研究进展[J]. 半导体技术, 2001(3): 17-19, 34.

CHU Jia, MA Xiangyang, YANG Deren, et al. Silicon wafer cleaning[J]., 2001(3): 17-19, 34.

[4] 曹秀芳, 姚立新, 祝福生, 等. 硅片湿法清洗工艺技术及设备发展趋势[J]. 电子工业专用设备, 2011, 40(4): 9-13, 28.

CAO Xiufang, YAO Lixin, ZHU Fusheng, et al. Wafer surface wet chemistry rinse technics and equipment making technology[J]., 2011, 40(4): 9-13, 28.

[5] 王宇, 蔡亚梅, 滕霖. 超光滑表面清洗技术现状及发展趋势[J]. 航空精密制造技术, 2003(2): 1-4, 9.

WANG Yu, CAI Yamei, TENG Lin, Status and trends of cleaning technology for super polished surfaces[J]., 2003(2): 1-4, 9.

[6] WU Y, Franklin C, Bran M, et al. Acoustic property characterization of a single wafer megasonic cleaner[J]., 1999(9): 177.

[7] 史霄, 郭春华, 杨师, 等. CMP设备兆声清洗原理及应用[J]. 电子工业专用设备, 2015, 44(11): 32-35.

SHI Xiao, GUO Chunhua, YANG Shi, et al. The megasonic cleaning theory and its application in the post CMP cleaning[J]., 2015, 44(11): 32-35.

[8] 张伟锋, 周国安, 詹阳. CMP后的晶圆清洗过程研究[J]. 电子工业专用设备, 2008(6): 28-32.

ZHANG Weifeng, ZHOU Guoan, ZHAN Yang. Study on post-CMP clean process[J]., 2008(6): 28-32.

[9] 刘传军, 赵权, 刘春香, 等. 硅片清洗原理与方法综述[J]. 半导体情报, 2000, 37(2): 30-36.

LIU Chuanjun, ZHAO Quan, LIU Chunxiang, et al. Theory and method of silicon wafer cleaning[J]., 2000, 37(2): 30-36.

[10] 李相鑫, 杨慧毓, 李渊, 等. 无损伤气液两相雾化清洗系统研发[J]. 电子测试, 2019, 24: 98-99.

LI Xiangxin, YANG Huiyu, LI Yuan, et al. Study of the damage free dual-fluid spray cleaning nozzle and cleaning method[J]., 2019, 24: 98-99.

[11] Kanno I. Wafer cleaning by water and gas mixture with high velocity[J].,1997, 35: 54-61.

[12] Hirano H, Sato K, Osaka T, et al. Damage-free ultradiluted HF/nitrogen jet spray cleaning for particle removal with minimal silicon and oxide loss[J]., 2006, 9(2): 62-65.

[13] LI J, Sih V, ZHAN H. Advanced wet clean technology at lightly doped drain layers in FinFET[J]., 2016, 75(5): 185-190.

[14] LU W, XIE B, LI Z F. An innovative jet spray for better particle removal efficiency in single wafer damage-free cleans for 65nm node and beyond[C]//, 2007, 18: 1042.

[15] Tanaka T, Sato M, Kobayashi M, et al. Development of a novel advanced spray technology based on investigation of droplet energy and pattern damage[C]//,Trans Tech Publications Ltd, 2012, 187: 153-156.

[16] TENG Y, CUI H, HEX, et al. Damage free removal of nano-particles with dual-fluid spray nozzle cleaning[C]//(CSTIC), 2016: 1-3.

[17] 李仁. 半导体IC清洗技术[J]. 半导体技术, 2003(9): 44-47.

LI Ren.Semi-conductor IC cleaning technology[J]., 2003(9): 44-47.

[18] 伏国秀, 刘定斌, 乔友学. 晶圆清洗过程中静电电压超标原因与改进[J]. 电子与封装, 2012, 12(4): 31-33, 37.

FU Guoxiu, LIU Dingbin, QIAO Youxue. The causes and improvement of exceeding the standard electrostatic potential in wafer cleaning process after sawing[J]., 2012, 12(4): 31-33, 37.

[19] 张瑜, 卞玉洋. 光刻工艺中硅片表面静电现象研究[J]. 功能材料与器件学报, 2020, 26(4): 290-299.

ZHANG Yu, BIAN Yuyang. Investigation of wafer surface static electricity in lithography process[J]., 2020, 26(4): 290-299.

[20] Light T S, Kingman B, Bevilacqua A C. The conductivity of low concentrations of CO2dissolved in ultrapure water from 0-100℃[C]//2091995: 2-6.

[21] Kalantari D, Tropea C. Phase doppler measurements of spray impact onto rigid walls[J]., 2007, 43: 285-296.

[22] Wostyn K, Wada M, Sano K I, et al. Spray systems for cleaning during semiconductor manufacturing[C/OL]//22, 2008: https://www. semanticscholar.org/paper/SPRAY-SYSTEMS-FOR-CLEANING-DURING-SEMICONDUCTOR-Wostyn-Wada/590875d2408ceb18b 97969233 db526e62205a1a7.

[23] Yarin A L, Weiss D A. Impact of drops on solid surfaces: self-similar capillary waves, and splashing as a new type of kinematic discontinuity[J].1995, 283: 141-173.

[24] SUN Z, HAN R. Numerical studies on nano-particle removal with micro-droplet spray[C]// 1, 2006: 303-305.

Study on Dual-Fluid Spray Cleaning Technique for Single-wafer Particle Removal

LIU Baihong1，YANG Weiping1，LIANG Xiang1，YANG Lili1,2，DU Haonan1，BAO Jiabing1，SHI Chunming1，MA Yuexia1，YIN Yane1，DUAN Yu1,2

(1.,,650223,;2.,650223,)

The particle removal efficiency (PRE) of single-wafer substrates using dual-fluid spray-cleaning technology was investigated. The ratio displacement-diameter(/), which is dimensionless, is introduced to discuss the effect of PRE on a single-wafer surface. In addition, the effects of spray time and nozzle injection pressure on PRE are discussed. The results show that increasing the spray time and nozzle injection pressure can increase PRE. The highest PRE occurred when the displacement-diameter ratio was close to 1. When the ratio was less than 1, the PRE increased with an increase in the displacement–diameter ratio. When the ratio was greater than 1, the partial area of the wafer surface was not washed, and the PRE decreased rapidly with an increase in the ratio. The dual-fluid spray-cleaning method can achieve more than 99% PRE for particle sizes between 0.2mm and 0.3mm and more than 96% PRE for particle sizes between 0.1mm and 0.5mm.

dual-fluid spray cleaning, spray time, displacement-diameter ratio, injection pressure, particle removal efficiency

TN307.5

文章编号：1001-8891(2022)12-1332-06

2021-10-26；

2021-11-23.

刘佰红（1989-），男，硕士，主要从事OLED器件制造工艺。E-mail：381944996@qq.com。