單晶圓兆聲清洗技術研究及兆聲噴頭方案優化

劉永進，杜建科，馮小強

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

目前，在國外單晶圓兆聲清洗技術已得到了較深入的研究[1]并在設備中已廣泛應用。SSEC公司等單晶圓設備制造商都有自己專利的兆聲噴頭和比較成熟的清洗工藝，本多電子、BRANSON、SONOSYS、PROSYS等超聲生產廠商也都有針對單晶圓清洗的兆聲噴頭產品。但是由于國內單晶圓清洗技術還處在起步階段，對于晶圓的兆聲清洗技術也還處于槽式批量清洗階段，所以國內對于單晶圓的兆聲清洗技術還是少有研究。

1 單晶圓兆聲清洗技術的必要性

1.1 單晶圓清洗技術的必要性

隨著300 mm圓片和90 nm工藝時期的到來，傳統的批處理清洗技術在諸多工藝因素的驅動下已難以適應濕法清洗，制備工藝過程中需要引入新型的清洗工藝，以確保IC規格、性能指標及可靠性不因污染影響而下降。此外，濕法批處理技術也無法滿足快速熱處理工藝和CVD技術。基于此，驅使清洗設備向單片式發展的主要因素有：

·降低大直徑圓片批處理中成品率損失的風險；

·批處理工藝中圓片傳遞的交叉污染；

·圓片的背面、斜面和邊緣清洗的要求；

·減少薄膜材料的損失；

·化學機械拋光（CMP）后的刷洗技術；

·適用于多品種、小批量的產品。

為了滿足上述要求，單圓片清洗技術得到了半導體業界更多的認同，目前眾多的晶圓代工廠、超大規模集成電路（VLSI）和ULSI制造業都逐步傾向于引進單圓片濕法清洗技術，以降低批處理清洗中交叉污染的風險。

1.2 兆聲清洗的原理

兆聲波清洗技術[2，3]不但保存了超聲波清洗的優點,而且克服了它的不足。兆聲波清洗的機理是由高能(850 kHz)頻振效應并結合化學清洗劑的化學反應對晶圓片進行清洗。在清洗時由換能器發出波長為1.5 μm頻率為0.8 MHz的高能聲波。溶液分子在這種聲波的推動下做加速運動,最大瞬時速度可達到30 cm/s。因此形成不了超聲波清洗那樣的氣泡,而只能以高速的流體波連續沖擊晶片表面,使拋光片表面附著的污染物和細小微粒被強制除去并進入到清洗液中。兆聲波清洗拋光片可去掉晶片表面上小于0.2 μm的粒子,起到超聲波起不到的作用。這種方法能同時起到機械擦片和化學清洗兩種方法的作用[4]。

2 存在的問題分析

一般的單晶圓兆聲清洗方式都是采用尖嘴形兆聲噴頭，在晶圓旋轉的同時，兆聲噴頭做掃瞄運動，達到對整個晶圓清洗的效果，如圖1所示。

圖1 單晶圓兆聲清洗原理圖

由于尖嘴式兆聲噴頭尖嘴直徑一般只有2～4 mm，相對于晶圓片可以看做一個點，且尖嘴式兆聲噴頭的能量主要集中于噴嘴處，所以尖嘴式兆聲噴頭對晶圓片能量相當于一點作用。雖然晶圓旋轉的同時噴頭做掃描運動在足夠長的時間里可以將整個晶圓片覆蓋，但會出現如圖2所示的效果。時間較短時如圖2（a）所示，隨著時間的延長，能量掃略過的的區域如圖2（b）所示。即應用尖嘴式兆聲會出現在晶圓片上能量分布不均的情況，有的區域被重復清洗，而有的區域卻沒有被清洗到。如果要所有的區域都被清洗干凈，就必須大幅度的延長清洗時間，影響效率。并且有研究[5]已表明，過度的清洗會造成晶圓片的損傷。因此必須提高兆聲清洗的均勻性。

圖2 尖嘴式兆聲在晶圓上能量分布

3 提高兆聲清洗均勻性的方案及可行性論證

方案一：將尖嘴式噴頭換成石英材質的平面噴頭，如圖3所示，這樣在噴頭底平面與晶圓之間形成一層水層，兆聲清洗的面加大。兆聲波從換能器中發射出，經過兆聲噴頭內的水層，再經過石英層，到達噴頭平面與晶圓之間的水層。

但是由于石英的密度大于水的密度，所以大部分的兆聲波被噴頭內部兆聲頭平面反射回兆聲換能器，這樣不但達不到預期的清洗效果，而且對換能器有較大的損害。

方案二：將兆聲振子直接粘貼于石英上平面，即去掉兆聲振子與噴頭間的水層，消除低密度面到高密度面造成的對兆聲波的反射作用（如圖4所示），兆聲能量覆蓋的晶圓面積增大。DI水由噴頭側面射向噴頭底部。

圖3 尖嘴式兆聲噴頭的尖嘴改成平嘴示意圖

圖4 壓電陶瓷直接粘貼在石英振板表面示意圖

但是，由于石英的易碎特性，這種形式的兆聲噴頭無法做到大功率，否則高能兆聲波會將石英層振裂，并且在兆聲作用下，石英層會不斷有微小的石英顆粒剝落，對晶圓造成二次污染。同時，由于DI水是從噴頭側面注入，兆聲振板與晶圓之間水膜形成效果不理想，經常夾雜有氣泡，影響清洗效果。

方案三：如果取第一種方案的水膜形成優勢和第二中方案的兆聲能量的大面積覆蓋，則形成了圖5所示的方案。同時參考Prosys兆聲，兆聲頭底面材料采用藍寶石。藍寶石堅硬的優點使得兆聲能量能夠做的較大，但是藍寶石材料昂貴，同時也使得這種方案成本較高。

方案四：如圖6所示，將尖嘴式兆聲噴頭與晶圓成一定的角度，這樣在晶圓上形成兆聲波能量成一條線，在晶圓旋轉的同時，移動兆聲噴頭，以線能量掃略晶圓，能量將比以點能量掃略晶圓均勻。這種方案雖然兆聲能量仍然不能非常均勻的分布，但是從綜合成本和清洗效果兩種因素考慮，這種方案較為實用。

圖5 圓盤式兆聲噴頭示意圖

圖6 尖嘴式兆聲傾斜清洗示意圖

4 結論

本文指出了單晶圓兆聲清洗的優勢，基于兆聲清洗的原理，分析了尖嘴式兆聲噴頭的缺點，提出了針對單晶圓兆聲清洗的多種改進方案，并分別進行了可行性論證，最后提出了適合單晶圓兆聲清洗的優化方案。

[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]趙權.半導體單晶拋光片清洗工藝分析[J].半導體技術,2007,32(12):1049-1051.

[3]李仁.兆聲清洗技術分析及應用[J].電子工業專用設備,2004,33(1):63-66.

[4]劉傳軍,趙權,劉春香,楊洪星.硅片清洗原理與方法綜述[J].半導體情報,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.