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引言
為了確保高器件產(chǎn)量，在半導(dǎo)體制造過程中，必須在幾個(gè)點(diǎn)監(jiān)控和控制晶片表面污染和缺陷。刷式洗滌器是用于實(shí)現(xiàn)這種控制的工具之一，尤其是在化學(xué)機(jī)械平面化工藝之后。盡管自20世紀(jì)90年代初以來，刷子刷洗就已在生產(chǎn)中使用，但刷洗過程中的顆粒去除機(jī)制仍處于激烈的討論之中。這項(xiàng)研究主要集中在分析擦洗過程中作用在顆粒上的力。
這項(xiàng)方法著重于分析作用在顆粒上的力和力矩，以揭示擦洗過程中顆粒的去除機(jī)理。首次研究了刷洗過程中刷狀粗糙體/基底的接觸幾何形狀。然后用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定不同潤(rùn)滑方式下的力和力矩。最后，通過對(duì)力和力矩的分析，解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并找出了顆粒去除的機(jī)理。
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實(shí)驗(yàn)
測(cè)試晶片是200毫米p型硅，150納米氮化物層沉積在15納米襯墊氧化物上。使用前，使用O3-last Imec-clean清洗晶片。顆粒為膠體二氧化硅顆粒，直徑分別為20、34、78和126納米。晶片的受控污染是通過浸入pH ≈ 0(鹽酸)的顆粒污染浴中，然后過流沖洗和馬蘭戈尼干燥來實(shí)現(xiàn)的。基于霧度法，最終粒子表面濃度(σpsc)是通過使用光散射裝置測(cè)量晶片的霧度來確定的。
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結(jié)果和討論
潤(rùn)滑制度：根據(jù)潤(rùn)滑狀態(tài)，顆粒受到不同類型的機(jī)械力和力矩:邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的接觸力(或力矩)，流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)下的流體動(dòng)力(力矩)。因此，我們首先確定不同刷/晶片相對(duì)速度和壓力下的流體膜厚度h(圖2)。顯然，h隨速度增加，但隨壓力減小，h與所研究的顆粒大小在同一范圍內(nèi)。然而，這個(gè)厚度只是整個(gè)晶片的平均值。實(shí)際上，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，局部壓力變化很大，最大壓力可以高達(dá)平均值的3.5倍，這意味著一些局部刷狀粗糙體可以與晶片表面更緊密地接觸。根據(jù)圖2a的推斷，在15千帕的最大局部壓力下，膜厚度可以是40納米?？紤]到典型聚乙烯醇刷子的表面粗糙度在幾十微米，刷子/晶片接觸被認(rèn)為是混合潤(rùn)滑，即刷子與晶片/顆粒部分接觸，與流體部分接觸。
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圖2 平均薄膜厚度與(a)速度0.38m/s下的平均刷/基底壓力，(b)壓力4.4kPa下的刷/晶片相對(duì)速度
? ? ? 移除機(jī)制：為了理解移除機(jī)制，進(jìn)行了力分析。表1給出了平均壓力為4.4千帕?xí)r的結(jié)果。它表明，在接觸和非接觸模式下，由于提升力Fvdw-b小于總附著力，粒子不能被直接提升。然而，只要考慮力矩，粒子就可以在非接觸模式下被拖曳力滾離。然而，請(qǐng)注意，阻力(FD)和接觸力(Fvdw-b+ Ff+Fel-b-Fload)的值隨著壓力的增加而增加，這表明提升也可能有助于在接觸模式下去除顆粒。
? ? ? 當(dāng)壓力足夠高時(shí)(在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)壓力較高的局部區(qū)域)，我們的受力分析表明，34nm粒子也可能被直接抬升?？紤]到接觸模式下的主要移除力Fvdw-b與粘附力共享相同的杠桿臂，顆粒也可以被滾下和提起。因此，可以得出結(jié)論，在擦洗期間，顆粒可以通過拖曳力矩的主要移除力矩以非接觸方式從基底上滾下，而它們可以通過刷子/顆粒范德華力或力矩的主要移除力以接觸方式被提升或滾下。
? ? ? 粒度的影響：圖3表明大顆粒比小顆粒更容易去除。這是因?yàn)?I)大顆粒有更多的機(jī)會(huì)與刷子直接接觸，以及(2)大多數(shù)去除力是與顆粒尺寸的平方成正比，而附著力僅與顆粒尺寸成正比。
? ? ? 化學(xué)的影響：從我們的詳細(xì)力分析(部分在表1中)中可以看出，靜電力或力矩在一定程度上有助于從晶片上提起/滾動(dòng)粒子，但作用不大。然而，一旦粒子離開表面，該力就變得重要，因?yàn)?)由于零粒子/晶片接觸面積和增加的粒子/晶片分離距離，先前占主導(dǎo)地位的粘附力Fvdw-s急劇下降；2)由于接觸面積減小，先前較大的接觸力顆粒/刷減少(當(dāng)刷離開晶片時(shí)，變形的刷粗糙將恢復(fù)到原始形狀)。事實(shí)上，我們的力分析表明，靜電力粒子/晶片和粒子/刷子與相應(yīng)的吸引范德華力一樣大，甚至更大，因此它們可以根據(jù)酸堿度確定粒子再沉積、刷子負(fù)載和交叉污染的可能性。實(shí)驗(yàn)上，我們?cè)谒釅A度為10時(shí)觀察到良好的預(yù)吸附，但在酸堿度為4時(shí)去除非常差，這部分證明了我們的理論。
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表1 在洗滌過程中，氮化物襯底上34納米硅顆粒上的力和力矩的概述
總結(jié)
? ? ? 在擦洗過程中，刷狀粗糙體和基底之間的接觸幾何形狀處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)：一些局部區(qū)域處于流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)，而另一些處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。刷子擦洗中的顆粒去除是一個(gè)兩步過程：1)顆粒通過提升/滾動(dòng)釋放，在非接觸模式下通過流體動(dòng)力阻力(力矩)釋放，或者在接觸模式下通過刷子/顆粒范德華力(力矩)釋放(混合潤(rùn)滑中的兩個(gè)平行機(jī)構(gòu))；2)如果提供合適的pH條件，靜電雙層力將顆粒從表面移開，并使它們保持懸浮在流體中。刷子/基底壓力和刷子/晶片相對(duì)速度都對(duì)擦洗過程中的顆粒去除效率有積極影響。