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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(guò)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(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其降低水和能源使用的優(yōu)化需要更好地理解過(guò)程的基本原理。本文提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它使用了基本的物理機(jī)制并提供了一個(gè)綜合的過(guò)程模擬器。該模型包括流體流動(dòng)，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(dòng)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(guò)程的設(shè)計(jì)和控制中成功地結(jié)合這種沖洗模擬器將消除對(duì)更昂貴和更費(fèi)時(shí)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(gè)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(gè)制造過(guò)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(guò)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(gè)過(guò)程，如解吸和再吸附、擴(kuò)散、遷移和對(duì)流，都是這個(gè)沖洗過(guò)程及其潛在瓶頸的因素。這些過(guò)程中的任何一個(gè)都可能成為漂洗過(guò)程的限速步驟或瓶頸。對(duì)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(guò)程中的最佳資源利用和周期時(shí)間需要對(duì)過(guò)程基本原理有充分的了解。
對(duì)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(dòng)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(dòng)的流體動(dòng)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(dòng)的平均性質(zhì)在時(shí)間上是穩(wěn)定的。使用旋轉(zhuǎn)圓盤幾何學(xué)來(lái)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(cè)速儀確定旋轉(zhuǎn)晶片上的流動(dòng)模式和速度。這些例子和其他先前工作的焦點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)盤上方的流體膜中的流體流動(dòng)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(diǎn)。
這里正在研究的問(wèn)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(dòng)和質(zhì)量傳遞。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)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(lái)，這些結(jié)構(gòu)是通過(guò)構(gòu)圖工藝在這些晶片中蝕刻出來(lái)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(chǎng)、表面電荷和表面吸附/解吸過(guò)程的詳細(xì)方程。這些在處理圖案化晶片時(shí)至關(guān)重要的方面，到目前為止還沒(méi)有被研究。由于漂洗過(guò)程本質(zhì)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此沒(méi)有研究的過(guò)程的其他方面是由于表面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)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(guò)程的動(dòng)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(guò)使用這些測(cè)試材料發(fā)現(xiàn)的相互作用參數(shù)對(duì)于從事高k處理的研究人員將是非常有價(jià)值的。在我們之前的研究中[3,4]我們報(bào)道了HF與氧化鉿的相互作用參數(shù)。本工作中的方法和過(guò)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(yàn)證
為了驗(yàn)證工藝模型，我們進(jìn)行了特殊的漂洗實(shí)驗(yàn)，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(cè)的ECRS通道。利用傳感器阻抗測(cè)量能力監(jiān)測(cè)傳感器通道的沖洗。實(shí)驗(yàn)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(cè)的比較，如圖3所示。該圖顯示了一個(gè)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(shí)了模型公式的有效性。高頻處理的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。
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5.2.模型預(yù)測(cè)
采用過(guò)程仿真方法研究了操作參數(shù)對(duì)沖洗動(dòng)力學(xué)的影響。
圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)漂洗效率的影響
圖5 流量對(duì)漂洗效率的影響
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結(jié)論
開(kāi)發(fā)了用于研究單晶片旋轉(zhuǎn)清洗工具中清洗和清潔動(dòng)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(guò)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(guò)程。