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引言

本研究首次建立了適用于非中心擺動噴嘴的清洗刻蝕旋轉(zhuǎn)計算模型，用于評估旋轉(zhuǎn)晶片上HF水溶液對二氧化硅薄膜的刻蝕速率。通過與不同噴嘴擺動寬度下的測量結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了該模型。

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實驗

圖1顯示了本次研究中使用的單晶片濕法蝕刻機。這種蝕刻機有一個直徑200毫米的晶片，在一個圓柱形容器中以100-1400轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)。HF水溶液(3%)從垂直于晶片表面的4毫米直徑噴嘴以1升/分鐘的流速向下注射1分鐘。如圖1所示，這個噴嘴從-R位置擺動到+R位置。注射后，HF水溶液沿著旋轉(zhuǎn)的晶片表面從注射位置輸送到晶片邊緣，然后最終從晶片邊緣濺射到外部。

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圖1

因為本研究中使用的HF濃度非常低，所以在晶片表面引起的反應(yīng)熱非常低。我們忽略了反應(yīng)熱引起的溫度變化。這項研究中使用的硅片具有100納米厚的二氧化硅薄膜，是通過氧化形成的。在蝕刻之前和之后，使用橢圓儀測量二氧化硅膜的厚度，以便從差異獲得蝕刻速率。實驗獲得的蝕刻速率是溫度和HF及相關(guān)離子(如[H+]和[HF2-])濃度的函數(shù)。

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結(jié)果和討論

為了驗證化學(xué)反應(yīng)模型，在使用中心噴嘴評估蝕刻速率行為之后，詳細(xì)研究了擺動噴嘴的運動。首先，當(dāng)用于注射HF水溶液的噴嘴設(shè)置在旋轉(zhuǎn)晶片的中心時，評估蝕刻速率行為，通過測量和計算獲得的二氧化硅蝕刻速率的平均值分別由圖3中的黑圈和實線示出。每個值都被評估為晶片表面上蝕刻速率的平均值。

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圖3

在100轉(zhuǎn)/分的低轉(zhuǎn)速下測量的平均蝕刻速率為18納米/分鐘；在高于500轉(zhuǎn)/分鐘時，接近20納米/分鐘。測量的特征行為是在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，如200-1400轉(zhuǎn)/分，蝕刻速率有很小的差異。通過計算獲得的蝕刻速率在圖3中用實線示出。在100轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下，計算的蝕刻速率接近17納米/分鐘；在500轉(zhuǎn)/分鐘時略微增加到18納米/分鐘。在轉(zhuǎn)速高于200轉(zhuǎn)/分時，計算出的蝕刻速率保持平穩(wěn)。通過計算獲得的蝕刻速率被認(rèn)為再現(xiàn)了典型的行為。接下來，獲得在100、500和1400 rpm的轉(zhuǎn)速下晶片上的蝕刻速率分布，如圖4所示。在圖4(a)中，在500和1400 rpm在晶片中心接近20納米/分鐘；它在接近晶片邊緣時非常輕微地下降。晶片邊緣的蝕刻速率接近19納米/分鐘。在100 rpm下測量的蝕刻速率小于在較高轉(zhuǎn)速下測量的蝕刻速率。在100 rpm下，晶片中心的蝕刻速率接近18納米/分鐘；它在晶片邊緣逐漸減小。

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圖4

圖4(b)中的實線是計算結(jié)果。如該圖所示，在100、500和1400 rpm的轉(zhuǎn)速下，晶片中心的計算蝕刻速率接近20納米/分鐘。當(dāng)接近晶片邊緣時，它降低到接近15納米/分鐘。在500和1400 rpm下計算的蝕刻速率在晶片表面上顯示非常相似的值；他們的側(cè)面相互重疊。在100 rpm下計算的蝕刻速率完全小于在較高轉(zhuǎn)速下的蝕刻速率。雖然通過計算獲得的從晶片中心到邊緣的蝕刻速率的降低大于通過測量獲得的，但是計算中的整個趨勢與測量中的一致，并且是可接受的。因此，本研究中開發(fā)的計算模型被認(rèn)為成功地考慮了旋轉(zhuǎn)晶片上的關(guān)鍵現(xiàn)象。

雖然本研究可以表達(dá)典型行為，但計算模型仍需改進(jìn)。因為計算和測量之間的差異，例如蝕刻速率分布中的差異，可能是由于晶片表面的不適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件造成的，所以應(yīng)該進(jìn)一步研究表面反應(yīng)的速率方程。

如圖所示5，由于蝕刻反應(yīng)的消耗，高頻濃度從晶片中心到其邊緣呈單調(diào)且逐漸下降。這一趨勢與100和1400rpm相似。

在本節(jié)中，首先評估使用非中心噴嘴的液體流動和蝕刻行為，接下來，研究使用擺動噴嘴的蝕刻速率分布，通過使用擺動噴嘴的測量獲得的蝕刻速率分布可以從計算中理解。通過這項研究，圓柱形噴管的假設(shè)對于低成本計算和擺動噴管效應(yīng)的預(yù)測是實用的。因為這種模型可能已經(jīng)在一些工業(yè)領(lǐng)域得到了實際應(yīng)用，所以在本研究中闡明它的理論背景將有助于進(jìn)一步發(fā)展，特別是在納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。