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引言
小結(jié)構(gòu)的清洗和沖洗是微電子和納米電子制造中的重要過程。最新技術(shù)使用“單晶片旋轉(zhuǎn)清洗”，將超純水(UPW)引入到安裝在旋轉(zhuǎn)支架上的晶片上。這是一個復(fù)雜的過程，其降低水和能源使用的優(yōu)化需要更好地理解過程的基本原理。本文提出了一個數(shù)學(xué)模型，它使用了基本的物理機(jī)制并提供了一個綜合的過程模擬器。該模型包括流體流動，靜電效應(yīng)，以及整體和表面的相互作用。該模擬器被應(yīng)用于研究具有鉿基高k微米和納米結(jié)構(gòu)的圖案化晶片的清洗動力學(xué)的特定情況。研究了關(guān)鍵清洗工藝參數(shù)的影響，例如水流速度、晶片旋轉(zhuǎn)速度、水溫、晶片尺寸和晶片中的溝槽位置。在表面處理過程的設(shè)計和控制中成功地結(jié)合這種沖洗模擬器將消除對更昂貴和更費(fèi)時的外部分析技術(shù)的依賴。
半導(dǎo)體和其它納米尺寸器件制造順序中的一個關(guān)鍵步驟是在襯底(例如硅或介電層)被圖案化和蝕刻后清潔小結(jié)構(gòu)。圖案化晶片的清洗和沖洗是繼許多其它制造步驟之后最常用的工藝。在整個制造過程中，它也是最大的用水單位，半導(dǎo)體制造廠的用水量超過60%[2]。所有現(xiàn)代工廠現(xiàn)在都使用旋轉(zhuǎn)清洗和沖洗設(shè)備，其中超純水(UPW)被引入到安裝在旋轉(zhuǎn)支架上的晶片上。多個過程，如解吸和再吸附、擴(kuò)散、遷移和對流，都是這個沖洗過程及其潛在瓶頸的因素。這些過程中的任何一個都可能成為漂洗過程的限速步驟或瓶頸。對圖案化晶片的旋轉(zhuǎn)清洗的基本原理知之甚少。確保漂洗過程中的最佳資源利用和周期時間需要對過程基本原理有充分的了解。
對于高k電介質(zhì)等新材料，表面相互作用的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。
旋轉(zhuǎn)圓盤上的流體流動和質(zhì)量傳遞一直是許多研究的主題。本文還 研究了旋轉(zhuǎn)圓盤上薄液膜流動的流體動力學(xué)。 ?將注意力集中在作為連續(xù)流運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)圓盤上，其中流動的平均性質(zhì)在時間上是穩(wěn)定的。使用旋轉(zhuǎn)圓盤幾何學(xué)來研究傳質(zhì)在苯甲酸在靜止液體中的溶解中的作用。集中于使用粒子圖像測速儀確定旋轉(zhuǎn)晶片上的流動模式和速度。這些例子和其他先前工作的焦點是在旋轉(zhuǎn)盤上方的流體膜中的流體流動和質(zhì)量傳遞。轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)的這一方面雖然重要，但不是本研究的目標(biāo)或重點。
這里正在研究的問題是存在于旋轉(zhuǎn)圖案化的水中的納米結(jié)構(gòu)的清潔機(jī)理。圖案化的晶片不是平面盤，并且其清洗的瓶頸不是盤上方的流體層中和其頂面上的流體流動和質(zhì)量傳遞。這項工作的重點是將雜質(zhì)從高縱橫比(深)的納米和微米結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)移出來，這些結(jié)構(gòu)是通過構(gòu)圖工藝在這些晶片中蝕刻出來的。旋轉(zhuǎn)頂層的流體力學(xué)和傳質(zhì)disk集成了發(fā)生在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的輸運(yùn)、電場、表面電荷和表面吸附/解吸過程的詳細(xì)方程。這些在處理圖案化晶片時至關(guān)重要的方面，到目前為止還沒有被研究。由于漂洗過程本質(zhì)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此沒有研究的過程的其他方面是由于表面電荷產(chǎn)生的電場對微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)內(nèi)的質(zhì)量傳遞的臨界效應(yīng)以及該瞬態(tài)過程的動力學(xué)。
本研究選擇的具體案例是從氧化鉿襯底上去除殘留的HF。這種組合與鉿基電介質(zhì)在半導(dǎo)體制造中的最新廣泛應(yīng)用非常相關(guān)。通過使用這些測試材料發(fā)現(xiàn)的相互作用參數(shù)對于從事高k處理的研究人員將是非常有價值的。在我們之前的研究中[3,4]我們報道了HF與氧化鉿的相互作用參數(shù)。本工作中的方法和過程模擬結(jié)果適用于所有的襯底和雜質(zhì)。此外，這些結(jié)果的應(yīng)用并不局限于半導(dǎo)體制造，還可用于制造光電子學(xué)和微流體元件中的其他納米結(jié)構(gòu)。
圖一?(a)旋轉(zhuǎn)晶片表面上的水流模式，以及(b)涉及去除污染物的各種機(jī)制
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結(jié)果和討論
5.1.模型驗證
為了驗證工藝模型，我們進(jìn)行了特殊的漂洗實驗，首先將帶有圖案氧化鉿表面層的晶片暴露在高頻溶液中清洗，然后用超純水沖洗。晶片模式包括用于沖洗監(jiān)測的ECRS通道。利用傳感器阻抗測量能力監(jiān)測傳感器通道的沖洗。實驗數(shù)據(jù)與1：100（100/rin轉(zhuǎn)速和1.2l/min）后沖洗的模型預(yù)測的比較，如圖3所示。該圖顯示了一個4毫米寬、2毫米深的微通道內(nèi)溶液的阻抗。在這種情況下，模型與輪廓的良好擬合給出了參數(shù)的大小，并證實了模型公式的有效性。高頻處理的工藝參數(shù)見表1。
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5.2.模型預(yù)測
采用過程仿真方法研究了操作參數(shù)對沖洗動力學(xué)的影響。
圖4 轉(zhuǎn)速對漂洗效率的影響
圖5 流量對漂洗效率的影響
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結(jié)論
開發(fā)了用于研究單晶片旋轉(zhuǎn)清洗工具中清洗和清潔動力學(xué)的綜合工藝模型，并將其應(yīng)用于鉿基圖案化襯底的清洗。過程模擬器考慮了離子的吸附、解吸、傳導(dǎo)、擴(kuò)散、遷移和表面電荷。研究了關(guān)鍵清洗工藝參數(shù)的影響，如水流速度、晶片旋轉(zhuǎn)速度、水溫、晶片尺寸和晶片上的溝槽位置。發(fā)現(xiàn)較高的水流速度和較高的晶片旋轉(zhuǎn)速度有助于漂洗過程。