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摘要
? ? ? 化學(xué)機(jī)械平面化后的晶片清洗，特別是刷子擦洗，是半導(dǎo)體器件制造的一個(gè)關(guān)鍵步驟，尚未得到充分了解。臨界粒子雷諾數(shù)方法用于評(píng)估在刷擦洗過(guò)程中去除晶圓表面的粘附顆粒，或者是否必須發(fā)生刷-粒子接觸。考慮了直徑為0.1和1.0m的氧化鋁顆粒粘附在拋光二氧化硅和銅表面的模型系統(tǒng)。結(jié)果表明，流體力學(xué)力量可以去除部分粘附顆粒，但必須發(fā)生刷狀顆粒接觸才能去除所有的粘附顆粒。
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介紹
? ? ? 在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，當(dāng)晶片被壓入與拋光墊接觸時(shí)，晶片被面朝下保持在載體中。拋光墊和載體都移動(dòng)，使得晶片和墊之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在拋光過(guò)程中，含有磨粒和專(zhuān)有添加劑的含水漿料被分配到拋光墊上。通過(guò)磨粒和拋光墊的機(jī)械作用，以及與漿料中的試劑的化學(xué)反應(yīng)，晶片被平面化。用于拋光二氧化硅的漿料通常是二氧化硅顆粒在氫氧化鉀水溶液中的懸浮液；對(duì)于拋光金屬膜，漿料通常是氧化鋁顆粒在硝酸鐵水溶液中的懸浮液。雖然化學(xué)機(jī)械拋光導(dǎo)致高度的局部和整體平面性，但它產(chǎn)生極高水平的表面污染。
? ? ? 在這項(xiàng)工作中，臨界粒子雷諾數(shù)方法被用來(lái)評(píng)估流體動(dòng)力是否可以單獨(dú)從晶片表面去除粘附的粒子，或者是否必須發(fā)生刷-粒子接觸。
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理論
? ? ? 粘附/移除模型：在得出任何關(guān)于粒子去除的結(jié)論之前，有必要了解在水動(dòng)力流場(chǎng)中作用于粒子的力。圖2顯示了一個(gè)直徑為d的可變形顆粒，它粘附在運(yùn)動(dòng)流體中的表面上。在該模型中，粘附力(FA)、阻力(FD)和升力(FL)力和外部表面應(yīng)力矩(MD)是通過(guò)粒子暴露區(qū)域的中心起作用的。 這些力與接觸半徑(a)之間的關(guān)系，由于變形導(dǎo)致的粒子與表面之間的相對(duì)接近值a，和表面粗糙度ε，必須被理解為正確地描述顆粒的去除。
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圖2 粘性粒子和相關(guān)力的示意圖
分析
? ? ? 系統(tǒng)和條件：一般來(lái)說(shuō)，cmp后的清潔將包括從各種表面去除各種顆粒尺寸和材料。不對(duì)稱(chēng)的氧化鋁顆粒，尺寸為0.1和1.0mm，粘附在具有拋光二氧化硅表面的200毫米晶片上作為代表系統(tǒng)。為了進(jìn)行比較，還考慮了不對(duì)稱(chēng)的氧化鋁顆粒粘附在類(lèi)似的晶片上，但與銅表面。類(lèi)似于圖中所示的單面、圓盤(pán)型刷式洗滌器的流體流動(dòng)。 表一顯示了所考慮的商業(yè)刷式洗滌器的典型操作條件。
? ? ? 流動(dòng)剖面：多孔手指之間的流動(dòng)輪廓刷和晶圓是復(fù)雜的，但如果有以下假設(shè)，可以近似為刷徑向位置的函數(shù)：(i)刷表現(xiàn)得好像它有一個(gè)均勻的固體表面，即無(wú)滑移邊界條件成立，(ii)刷子和晶片起到如下作用平行平板，底板固定，頂板以刷和晶片之間的相對(duì)速度移動(dòng)，(iii)顆粒的極小尺寸防止它們干擾流場(chǎng)。刷子和晶片之間的流動(dòng)取決于刷狀-晶片分離距離(D)和刷子指δ上的邊界層厚度之間的關(guān)系。當(dāng)它經(jīng)過(guò)晶圓片時(shí)。如果D＞δ，刷子附近的速度剖面取決于邊界層的結(jié)構(gòu)，而晶圓附近的速度文件是晶圓旋轉(zhuǎn)的函數(shù)。如果D≤δ，速度剖面可以近似為線性。
? ? ? ?粘附力，附著力：CMP后粘在晶片表面的顆粒是不同的，是粗糙和不對(duì)稱(chēng)的。有必要正確地描述粘附力對(duì)顆粒的組成、幾何形狀和形態(tài)的依賴(lài)性，或?qū)︻w粒去除所做的任何預(yù)測(cè)都會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。它可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不對(duì)稱(chēng)粒子的粘附力。表三給出了這里所考慮的粒子和表面的粗糙度統(tǒng)計(jì)量和彈性模量。
臨界粒子雷諾數(shù)模型的結(jié)果與討論 ?略
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?表一 刷子擦洗模擬中的參數(shù)
結(jié)論
? ? ? 本文采用臨界粒子雷諾數(shù)方法來(lái)評(píng)估刷子擦洗過(guò)程中產(chǎn)生的水動(dòng)力是否可以去除晶片表面的粘附顆粒，或者是否必須發(fā)生刷子粒子接觸。臨界粒子雷諾數(shù)取決于流體性質(zhì)、粘附粒子附近的速度剖面、作用在粒子上的粘附力和點(diǎn)滾動(dòng)發(fā)生的周?chē)?。采用時(shí)間相關(guān)的邊界層分析來(lái)確定刷擦洗過(guò)程中刷指和晶片之間產(chǎn)生的速度輪廓。刷-晶片分離距離必須小于或等于刷指上的邊界層厚度，以便刷誘導(dǎo)的流體在晶片表面附近顯著運(yùn)動(dòng)。采用一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型計(jì)算了感興趣的粒子的粘附力分布。該模型考慮了襯底化學(xué)、粒子和表面形貌和力學(xué)性能，以及相互作用表面的幾何形狀。然后，考慮到粘附力的變化和粗糙度對(duì)滾動(dòng)發(fā)生點(diǎn)的影響，計(jì)算了每個(gè)粒徑的臨界粒子雷諾數(shù)分布。將這種分布與流粒子雷諾數(shù)進(jìn)行比較表明，在考慮的典型工作條件下，在cmp清洗后的過(guò)程中，水動(dòng)力可以去除晶片表面的一些粘附顆粒，但必須發(fā)生刷狀顆粒接觸才能完全去除顆粒。
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