田洪濤，楊 旭，田知玲，張金環(huán)，陳蘇偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京，100176)

晶圓在CMP設(shè)備中經(jīng)過(guò)研磨工藝后，會(huì)有殘留的顆粒物黏附在晶圓表面，在進(jìn)入下一道工序之前，必須要將殘留物清洗掉，以避免對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生不利影響。

兆聲波清潔處理是晶圓在清洗過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是一種非接觸式清洗方式，其原理是采用高頻（0.8～1.0 MHz）交流壓電陶瓷晶體震板，震板的振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，在晶圓表面附近產(chǎn)生聲學(xué)邊界層，使溶液產(chǎn)生壓力振動(dòng)以及超高頻的高能量，從而產(chǎn)生極大的聲壓梯度、粒子速度以及聲流作用，使晶圓表面吸附的污染物及微粒被強(qiáng)制除去并進(jìn)入清洗溶液中，清洗溶液后續(xù)將污染物帶離工藝槽體。

這種工藝對(duì)清洗液的質(zhì)量要求較高，清洗液的優(yōu)越程度決定了超聲波清洗的效果。該清洗液控制系統(tǒng)通過(guò)各種控制方法，對(duì)槽體內(nèi)清洗液的溫度、液位、循環(huán)方式等進(jìn)行智能控制，使清洗液始終處于最佳狀態(tài)，保障了超聲波工藝效果的優(yōu)良性。

1 清洗液控制系統(tǒng)

超聲波清洗槽分為內(nèi)槽和外槽，清洗液由內(nèi)槽底部進(jìn)入，在超聲波的作用下，顆粒離開晶圓表面進(jìn)入化學(xué)液中，并隨著化學(xué)液從頂部流出被帶離。進(jìn)入外槽的化學(xué)液經(jīng)過(guò)過(guò)濾器濾掉顆粒后再次進(jìn)入內(nèi)槽，形成循環(huán)。

清洗液主要是由純水(DIW)和化學(xué)液(Chemical)構(gòu)成，化學(xué)液的配比組成對(duì)于清洗質(zhì)量與效率起關(guān)鍵作用。標(biāo)準(zhǔn)RCA法是集成電路工藝中廣泛使用的清洗方法，該方法交替使用雙氧水+氨水（SC-1溶液）、雙氧水+鹽酸（SC-2溶液）兩種清洗劑，可有效除去金屬離子及有機(jī)污染物。本文研究的清洗液控制系統(tǒng)可對(duì)純水和化學(xué)液進(jìn)行流量控制，使其根據(jù)用戶要求的設(shè)定達(dá)到合理配比。為了保證化學(xué)液的濃度，該系統(tǒng)會(huì)控制整個(gè)回路以一定的時(shí)間間隔慢排和補(bǔ)充化學(xué)液。此外，溫控裝置對(duì)清洗液進(jìn)行溫度控制，使槽體內(nèi)的清洗液為晶圓提供最佳的工藝狀態(tài)。在超聲波工作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)對(duì)液位的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)控，最大限度保證晶圓的安全和加工效果的優(yōu)良。該系統(tǒng)的整體硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 液體控制系統(tǒng)主圖

2 清洗液控制系統(tǒng)的實(shí)施方案

2.1 清洗液控制系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)的實(shí)施過(guò)程

設(shè)備在開始工藝處理之前要經(jīng)過(guò)模塊初始化過(guò)程，清洗液控制系統(tǒng)會(huì)完成初始狀態(tài)的一系列動(dòng)作。

首先，系統(tǒng)會(huì)將槽體內(nèi)所有的排液閥門關(guān)閉，然后,開啟純水和兩種化學(xué)液的注液閥門，并根據(jù)預(yù)定的流量值進(jìn)行注液，實(shí)現(xiàn)最佳工藝配比。同時(shí)，液位檢測(cè)功能會(huì)同時(shí)被開啟，當(dāng)液位到達(dá)指定位置后，注液動(dòng)作結(jié)束，并計(jì)算本次注液時(shí)間，如果時(shí)間異常則會(huì)報(bào)警提示用戶。之后,打開循環(huán)功能、補(bǔ)液功能和溫控功能，對(duì)液位進(jìn)行維護(hù)。最后,開啟對(duì)循環(huán)效果和清洗液溫度的監(jiān)控，如有異常則報(bào)警并做出相應(yīng)動(dòng)作。

2.2 定時(shí)排液和智能補(bǔ)液功能

定時(shí)排液和智能補(bǔ)液功能會(huì)在系統(tǒng)初始化完畢后開啟運(yùn)行。

排液閥門安裝在槽體的底部，主要功能是將清洗掉的雜質(zhì)排出槽體，使槽體內(nèi)始終保持較低的雜質(zhì)含量。定時(shí)排液功能會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的時(shí)間間隔M(Min)和排液時(shí)長(zhǎng)N(Sec)進(jìn)行定時(shí)排液，每間隔M分鐘實(shí)施N秒的排液動(dòng)作。用戶可根據(jù)不同的加工材料和藥劑對(duì)時(shí)間間隔和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行不同的配置，該功能一方面對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行了及時(shí)的排除，另一方面對(duì)藥劑耗材的消耗進(jìn)行了約束。智能補(bǔ)液功能根據(jù)槽體內(nèi)液位的變化而進(jìn)行。工藝槽體的側(cè)面安裝了4個(gè)非接觸式電容傳感器，如圖2所示，清洗液控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這4個(gè)傳感器反饋的信號(hào)持續(xù)進(jìn)行液位計(jì)算并實(shí)時(shí)監(jiān)控液位的變化情況。液位與傳感器的關(guān)系如表1所示。

表1 液位與傳感器的關(guān)系

圖2 液位傳感器示意圖

初始化過(guò)程中，液位會(huì)到達(dá)指定位置液位3,后續(xù)在定時(shí)排液的作用下，液位會(huì)不斷下降，當(dāng)液位下降到液位2后，補(bǔ)液功能會(huì)被觸發(fā)，此時(shí)會(huì)根據(jù)先前設(shè)定的清洗液配比和清洗液流量進(jìn)行補(bǔ)液，直至液位重新回到液位3。在補(bǔ)液結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出本次補(bǔ)液與上一次的時(shí)間間隔，并與用戶期望的隔時(shí)區(qū)間進(jìn)行比對(duì)，如有異常則提示報(bào)警，補(bǔ)液流程如圖3所示。

圖3 補(bǔ)液流程圖

液位會(huì)受到其他一些因素的影響而發(fā)生變化，如：機(jī)械手的取/放片動(dòng)作、人為因素等，因此補(bǔ)液功能還會(huì)持續(xù)對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)液位低至液位1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制關(guān)閉定時(shí)排液功能和CDA循環(huán)系統(tǒng)，加速補(bǔ)液過(guò)程；當(dāng)液位高至液位4時(shí)，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制打開排液閥門，將液位迅速還原至液位3；當(dāng)液位傳感器出現(xiàn)錯(cuò)誤的邏輯時(shí)（液位計(jì)算值是錯(cuò)誤液位時(shí)），系統(tǒng)會(huì)持續(xù)報(bào)警且阻止超聲波對(duì)晶圓的清潔。

2.3 清洗液循環(huán)與溫控功能

清洗液的循環(huán)功能會(huì)在系統(tǒng)初始化完畢后開啟運(yùn)行。循環(huán)功能主要是增加化學(xué)液的流動(dòng)性，將經(jīng)過(guò)溫控器控溫的清洗液遍及到整個(gè)槽體，使清洗液溫度均勻，提高超聲波高頻振蕩施加在晶圓污漬上的效果。該功能是通過(guò)控制CDA循環(huán)泵得以實(shí)現(xiàn)，并持續(xù)對(duì)循環(huán)液的流量進(jìn)行讀取與計(jì)算，并將數(shù)值與用戶設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)，如果循環(huán)流量不滿足閾值區(qū)間，系統(tǒng)會(huì)提示報(bào)警并阻止晶圓的加工。

溫控功能也是在系統(tǒng)初始化完畢后，且循環(huán)液流量達(dá)到期望區(qū)間范圍后開啟運(yùn)行。由于溫度到達(dá)期望值需要一定預(yù)熱時(shí)間，所以待溫控功能開啟，并間隔預(yù)熱時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行查詢，如遇溫度超出期望區(qū)間，則會(huì)報(bào)警，并且停止超聲波加工。溫控功能流程如圖4所示。

圖4 溫控流程圖

2.4 各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)控功能

各項(xiàng)功能在運(yùn)行過(guò)程中，清洗液控制系統(tǒng)會(huì)針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行。槽體內(nèi)2種化學(xué)液閥門開啟時(shí)，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控各閥門的流量值，如遇流量值不達(dá)標(biāo)，則會(huì)根據(jù)用戶預(yù)定的異常處理方案做相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)繼續(xù)監(jiān)控閥門閉合的嚴(yán)密性，為節(jié)約耗材提供了保障。

系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)讀取清洗液高度和循環(huán)液流量，如遇液位異?；蜓h(huán)液流量不達(dá)標(biāo)，則會(huì)停止溫控功能和超聲波清洗。

在超聲波工作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控超聲波震板冷卻功能和循環(huán)功能是否正常，如遇異常則停機(jī)報(bào)警。

3 工藝驗(yàn)證

選取晶圓表面顆粒數(shù)目相近且在200顆以下的二氧化硅晶圓作為測(cè)試對(duì)象,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為考察0.2 μm及以上直徑大小的顆粒，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)（化學(xué)清洗液流量、化學(xué)液溫度、化學(xué)液循環(huán)效果）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；通過(guò)兩組10片晶圓工藝過(guò)程的一致性測(cè)試，得到在相同實(shí)驗(yàn)條件下清洗后表面清潔度狀況及粗糙度指標(biāo)。

測(cè)試1組的10片晶圓統(tǒng)一經(jīng)過(guò)由系統(tǒng)正?？刂频那逑匆航莸某暡庸つK，后經(jīng)過(guò)后道工序進(jìn)行刷洗和甩干。為重點(diǎn)考察關(guān)鍵參數(shù)，測(cè)試2組的10片晶圓統(tǒng)一經(jīng)過(guò)無(wú)循環(huán)、常溫的清洗液浸泡的超聲波加工模塊，后經(jīng)過(guò)后道工序進(jìn)行刷洗和甩干。兩組實(shí)驗(yàn)除了清洗液控制系統(tǒng)上的差異以外，其他測(cè)試環(huán)境均保持一致。

完成以上工藝過(guò)程的兩組晶圓，均由顆粒度檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，表面粗糙度由顯微鏡（AFM）進(jìn)行測(cè)試，目的是考察0.2 μm及以上直徑大小顆粒度的分布情況，測(cè)試1組與測(cè)試2組的代表性樣片實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)效果圖

采用同樣的工藝、同樣的流程，超聲清洗模塊有無(wú)清洗液控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)清洗加工工藝起到了很大的作用,測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2所示。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，未進(jìn)行清洗液控制的測(cè)試組2，顆粒物個(gè)數(shù)很難控制在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)(顆粒度40及以下)以內(nèi)，具有清洗液控制系統(tǒng)的晶圓測(cè)試組1的數(shù)據(jù)更加優(yōu)秀，全部達(dá)到業(yè)內(nèi)優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

清洗液控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的運(yùn)行保證了晶圓清洗效果的良好性，配合參數(shù)的監(jiān)控功能，更好地保證了加工的穩(wěn)定性和安全性，為超聲波清洗環(huán)節(jié)提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)“高效率、高質(zhì)量、低損傷”的清洗效果提供了重要保障。