详解微米级颗粒清洗新技术

引言

近年来，微米级低温固体微粒的热流体机械高功能性在应用于高热发射器件的超高热通量冷却技术领域受到关注。为了在先进的纳米技术领域有效利用这种低温固体颗粒的高性能，我们实验室开发了一种新的物理半导体清洗方法，该方法采用低温喷雾。

在本方法中，为了阐明微观(SN2)颗粒行为的详细机理，进行了综合计算流体动力学分析，以阐明传统测量难以获得的微观低温单固体颗粒传热机理。对于控制方程的表述，单个微SN2颗粒相变的热流体动力学行为由纳维尔-斯托克斯方程、连续性方程和能量方程控制。这种现象的决定性特征是发生在SN2粒子和周围气相界面的强烈蒸发(以及后来的冷凝)。除了这些热流体动力学分析之外，还研究了微SN2喷雾在半导体晶片清洗技术中的应用。从实验和数值两个方面阐明了SN2粒子撞击硅片抗热机械去除清洗特性。特别研究了超高热通量冷却对有机材料热收缩抗蚀剂去除性能的影响。此外，新发现了超声雾化微固态氮对晶片超净性能的影响。

实验

对于在本方法中使用的晶片样品，检查了正KrF光致抗蚀剂涂覆的多晶硅/栅极氧化硅/硅衬底的剥离性能。这些晶圆是按如下方式制造的。首先，热氧化8英寸p型硅衬底，并在衬底上沉积6纳米厚的栅极氧化硅层。使用LPCVD(低压化学气相沉积)在栅极氧化物上沉积150纳米厚的多晶硅层。将HMDS(六甲基二硅氮烷)层施加到多晶硅表面，以帮助光致抗蚀剂粘附到多晶硅上，然后使用旋涂机在HMDS层上形成500纳米厚的光致抗蚀剂层。使用193纳米的KrF激发光对光致抗蚀剂进行构图。门长为0.34m，门宽为10m。多晶硅被电感耦合等离子体蚀刻系统(硅蚀刻系统，应用材料公司)用溴化氢/氧气化学蚀刻成图案。这些晶片被切成大约5毫米×5毫米的矩形片。

结果和讨论

图1显示了撞击SN2颗粒和变形抗蚀剂的非稳态内应力分布的计算结果。可以看出，SN2颗粒和抗蚀剂之间的相互作用被合理地模拟。晶片抗蚀剂中应力的大小随着塑性变形的增加而增加。SN2颗粒中的压力大小和晶片抗蚀剂的压力随着SN2颗粒的撞击和破碎而增加。有可能数值预测了SN2粒子与塑性变形的碰撞，并且该碰撞引起抗蚀剂-多晶硅界面的剪切变形。结果，抗蚀剂去除性能通过撞击布线图案之间的窄凹部中的微纳SN2颗粒碎片的刮擦效果而得到改善。

图1 冲击双分子亲核取代反应粒子和变形抗蚀剂内应力分布的计算结果

图2显示了使用由本拉瓦尔喷嘴方法产生的微SN2喷雾进行抗蚀剂去除-清洁的实验结果(扫描电镜图像)。可以有效地去除抗蚀剂，并且也成功地去除了晶片表面上的主要污染物。这种改进的抗蚀剂去除清洁性能是极细(纳米级直径尺寸)SN2颗粒的运动抗蚀剂去除的结果。在技术发展的当前阶段，给定稀释的SN2粒子数密度条件，在布线图案的凹入部分中有少量残留的抗蚀剂。然而，我们成功地开发了这种不使用气态氦的单组分低温物理抗蚀剂去除-清洗方法。

图2 用微SN2喷雾清除光刻胶的实验结果(扫描电镜图像)

数值和实验发现，由于超高的传热特性，流体机械力与热机械力的混合交互作用有助于抗蚀剂去除-清洗过程。特别是研究了超高热通量冷却对抗蚀剂材料热收缩去除抗蚀剂性能的影响，新发现了超声雾化微小SN2颗粒流对半导体晶片超净性能的影响。

总结

当微固体氮颗粒与制冷剂一起用于加热的衬底时，由于在操作期间实现了超高的冷却热通量水平，因此获得了比传统液体喷雾冷却更好的冷却性能。由于微SN2冷却具有避免膜沸腾状态的直接接触和潜热传输的优点，因此在薄边界层中的超短时间尺度传热比在液体喷雾中更有可能。

数值和实验发现，微固体粒子的冲击和超高传热特性对流体机械力的混合交互作用有助于抗蚀剂去除-清洗过程。一个重要的发现是，超高热通量冷却的影响对与抵抗材料热收缩相关的抗蚀剂去除性能起着重要作用。

所获得的结果在先进的高热发射器件低温冷却技术领域具有重要意义，但也将有助于纳米器件工程的学术领域，这与半导体晶圆清洁技术密切相关。　　

     审核编辑：汤梓红