半导体制造工序中CMP后的晶圆清洗工序

引言

CMP装置被应用于纳米级晶圆表面平坦化的抛光工艺。抛光颗粒以各种状态粘附到抛光后的晶片表面。必须确实去除可能成为产品缺陷原因的晶圆表面附着物，CMP后的清洗技术极为重要。在本文中，关于半导体制造工序之一的CMP后的晶圆清洗工序，通过可视化实验，从流体工程学的观点出发，阐明其机理，以构筑能够在各种条件下提出最佳清洗方法的现象的模型化为目的。因此，我们进行了可视化实验、流动特性、剪切流动特性、液体置换特性、液滴的蒸发除去特性等基础研究。

实验

药液清洗过程：由于CMP后的晶圆表面附着有多个磨粒，因此通过刷子清洗等施加物理外力，使磨粒剥离，通过液流（药液）排出。由于转数、流量等条件会受到怎样的影响，至今还没有得到确认。因此，对向旋转的晶圆上供给冲洗水时的冲洗水的流动特性进行了可视化观察。具体来说，我们观察了将溶解了白色颜料的纯净水供给到旋转的晶圆表面时液膜的扩散方式，调查了根据晶圆的种类、旋转数、供给流量，液膜的扩散状态是如何变化的。

通过旋转圆盘上的液流去除晶片附着粒子：通过由晶片的旋转引起的剪切液流来估计可以去除粘附到晶片表面的细颗粒的细颗粒直径。首先，图1表示液膜内速度分布的定义以及作用于晶圆上微粒子的力的模式图。结果显示，特别是在转数500 rpm时，Si3N4粒子平均可去除0.15μm。可以认为，这是因为随着旋转数的增加，液膜速度变快，对粒子产生了较强的分离力。但是，可以确认半径50～60 mm附近可除去微粒子的直径有所增加。可以认为，这也是由于跳水引起的，因为在跳水中流速急剧丧失，作用于粒子的分离力也丧失了。

图1液膜中速度分布的定义及作用于晶片上微粒的力的示意图

关于药液的纯水的液体置换过程：为了使实际使用的喷嘴和液体置换特性达到良好的条件，确立了对时间变化的液体置换率进行定量化的测量技术。有望成为冲洗最优化模型的有效手段。首先，将药液置换为纯水的过程进行可视化观察，从准备将液体置换特性定量化的实验装置开始，使用特殊的液体代替实际使用的药液，在晶圆的整个表面涂上该液体，在各种条件下用纯水进行冲洗，并通过特殊的观察方式成功地将该过程数值化。其次，将晶圆上的液膜流作为边界层流，以边界层理论为基础，将液置换的行为模型化，并与实验结果进行了比较。其结果证实，使用边界层理论的模型可以在一定程度上评价液体置换特性。但是，为了使其与实验结果更加一致，除了边界层理论之外，还暗示了有必要对液体的混合行为进行模型化。

结果和讨论

静态晶圆上的蒸发模型公式：
 

通过对静止晶圆上的液滴蒸发过程的观察，可以观察到晶圆膜种类不同，液滴的蒸发形态也不同。有接触半径恒定的CCR蒸发过程和接触角恒定的CCA蒸发过程，如图7。接触半径恒定的CCR蒸发过程与晶圆的接触半径恒定，高度减小，蒸发进行，接触角恒定的CCA蒸发过程与晶圆的接触角恒定，液滴整体缩小，蒸发进行。

在此，对液滴为部分球形时的蒸发模型式内容进行说明。考虑到静止晶圆上的液滴，如图2所示的部分球形的情况，假设液滴表面由于蒸发水蒸气经常处于饱和状态，考虑到水蒸气在气氛中准稳定地扩散，液滴的蒸发进行，以扩散方程式为基础求出了蒸发速度。

该模型式的第一项表示液滴表面整体的蒸发，第二项表示液滴端部的蒸发效果，与实验结果非常一致。

图2定义蒸发模型和每个变量

旋转晶圆上的液滴行为和蒸发模型式：

使用图9所示的实验装置，观察了离心加速度作用于液滴时液滴的移动行为。将晶圆固定在直径800 mm的旋转台上，滴下液滴。使旋转台的旋转数连续变化，使用设置在旋转台上的照相机，从液滴垂直方向及水平方向两个方向观察液滴的动向。根据晶圆膜的不同，离心加速度场中液滴行为的不同。定义了作用于液滴和晶圆间的相互作用能量，构筑了计算出离心力可除去的最小液滴体积的公式。结合结果，构筑了求旋转晶圆上残留液滴蒸发寿命的理论模型。该模型采用了向晶圆上形成的气流边界层传达物质的效果。其结果证实，本文中构筑的模型能够在一定程度上定量预测旋转晶圆上液滴的蒸发寿命。

晶圆端部液滴行为的观察：

在晶圆端部附着有液滴的情况下，通过晶圆旋转产生的离心力，对能否除去液滴进行了基础研究。在代表性膜种的晶圆上，在晶圆端部附着各种大小的液滴的基础上，一边提高旋转数，一边观察液滴有无飞散。结果表明，液滴体积越大，即使在较低的旋转数下，液滴也会飞散。另外，还显示了膜种类和端部形状对飞散特性的影响，明确了不能完全地飞散除去液滴，会有部分残留。

总结

本文以实验得到的数据为基础，准确地提取对现象有用参数，以工学理论为基础构建的现象模型化的提案和由此导出的模型式，对于半导体清洗、干燥技术来说，也是非常有意义的结果。

从宏观角度（旋转晶圆上的液流等观察对象较大的主题）出发的研究，正在逐渐向微观角度（通过液流除去微粒子、液置换等对象较小的主题）的研究转移。像这样，通过从宏观的观点到微观的观点，按顺序进行研究，我们切身感受到现象得到了切实的整理，正在稳步地取得成果。

      审核编辑：汤梓红