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引言
? ? ? CMP裝置被應用于納米級晶圓表面平坦化的拋光工藝。 拋光顆粒以各種狀態(tài)粘附到拋光后的晶片表面。必須確實去除可能成為產(chǎn)品缺陷原因的晶圓表面附著物，CMP后的清洗技術極為重要。在本文中，關于半導體制造工序之一的CMP后的晶圓清洗工序，通過可視化實驗，從流體工程學的觀點出發(fā)，闡明其機理，以構筑能夠在各種條件下提出最佳清洗方法的現(xiàn)象的模型化為目的。因此，我們進行了可視化實驗、流動特性、剪切流動特性、液體置換特性、液滴的蒸發(fā)除去特性等基礎研究。
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實驗
? ? ? 藥液清洗過程：由于CMP后的晶圓表面附著有多個磨粒，因此通過刷子清洗等施加物理外力，使磨粒剝離，通過液流（藥液）排出。由于轉數(shù)、流量等條件會受到怎樣的影響，至今還沒有得到確認。因此，對向旋轉的晶圓上供給沖洗水時的沖洗水的流動特性進行了可視化觀察。具體來說，我們觀察了將溶解了白色顏料的純凈水供給到旋轉的晶圓表面時液膜的擴散方式，調(diào)查了根據(jù)晶圓的種類、旋轉數(shù)、供給流量，液膜的擴散狀態(tài)是如何變化的。
? ? ? 通過旋轉圓盤上的液流去除晶片附著粒子：通過由晶片的旋轉引起的剪切液流來估計可以去除粘附到晶片表面的細顆粒的細顆粒直徑。首先，圖4表示液膜內(nèi)速度分布的定義以及作用于晶圓上微粒子的力的模式圖。結果顯示，特別是在轉數(shù)500 rpm時，Si3N4粒子平均可去除0.15μm?？梢哉J為，這是因為隨著旋轉數(shù)的增加，液膜速度變快，對粒子產(chǎn)生了較強的分離力。但是，可以確認半徑50～60 mm附近可除去微粒子的直徑有所增加?？梢哉J為，這也是由于跳水引起的，因為在跳水中流速急劇喪失，作用于粒子的分離力也喪失了。
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圖4 液膜中速度分布的定義及作用于晶片上微粒的力的示意圖
? ? ? 關于藥液的純水的液體置換過程：為了使實際使用的噴嘴和液體置換特性達到良好的條件，確立了對時間變化的液體置換率進行定量化的測量技術。有望成為沖洗最優(yōu)化模型的有效手段。首先，將藥液置換為純水的過程進行可視化觀察，從準備將液體置換特性定量化的實驗裝置開始，使用特殊的液體代替實際使用的藥液，在晶圓的整個表面涂上該液體，在各種條件下用純水進行沖洗，并通過特殊的觀察方式成功地將該過程數(shù)值化。其次，將晶圓上的液膜流作為邊界層流，以邊界層理論為基礎，將液置換的行為模型化，并與實驗結果進行了比較。 其結果證實，使用邊界層理論的模型可以在一定程度上評價液體置換特性。 但是，為了使其與實驗結果更加一致，除了邊界層理論之外，還暗示了有必要對液體的混合行為進行模型化。
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結果和討論
? ? ? 離心加速度場硅片上的液滴行為：當停止供給清洗液時，在旋轉晶片上形成的液膜分裂成液滴，通過離心力除去到晶片外。 但是，分裂的液滴體積變小后，離心力無法除去，殘留在晶圓上。關于液滴體積、晶圓的種類、離心力（晶圓轉數(shù)）變化時的液滴的動態(tài)行為及蒸發(fā)行為，還沒有得到充分的見解。到目前為止，我們研究了模擬靜止晶圓上的液滴蒸發(fā)行為的蒸發(fā)模型。因此，以該公式為基礎，對模擬實際旋轉晶圓上的蒸發(fā)行為的模型公式進行了探討。
? ? ? 靜態(tài)晶圓上的蒸發(fā)模型公式：通過對靜止晶圓上的液滴蒸發(fā)過程的觀察，可以觀察到晶圓膜種類不同，液滴的蒸發(fā)形態(tài)也不同。有接觸半徑恒定的CCR蒸發(fā)過程和接觸角恒定的CCA蒸發(fā)過程，如圖7。接觸半徑恒定的CCR蒸發(fā)過程與晶圓的接觸半徑恒定，高度減小，蒸發(fā)進行，接觸角恒定的CCA蒸發(fā)過程與晶圓的接觸角恒定，液滴整體縮小，蒸發(fā)進行。
? ? ? 在此，對液滴為部分球形時的蒸發(fā)模型式內(nèi)容進行說明。考慮到靜止晶圓上的液滴，如圖8所示的部分球形的情況，假設液滴表面由于蒸發(fā)水蒸氣經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，考慮到水蒸氣在氣氛中準穩(wěn)定地擴散，液滴的蒸發(fā)進行，以擴散方程式為基礎求出了蒸發(fā)速度。
該模型式的第一項表示液滴表面整體的蒸發(fā)，第二項表示液滴端部的蒸發(fā)效果，與實驗結果非常一致。
圖8 定義蒸發(fā)模型和每個變量
? ? ? 旋轉晶圓上的液滴行為和蒸發(fā)模型式：使用圖9所示的實驗裝置，觀察了離心加速度作用于液滴時液滴的移動行為。將晶圓固定在直徑800 mm的旋轉臺上，滴下液滴。使旋轉臺的旋轉數(shù)連續(xù)變化，使用設置在旋轉臺上的照相機，從液滴垂直方向及水平方向兩個方向觀察液滴的動向。根據(jù)晶圓膜的不同，離心加速度場中液滴行為的不同。定義了作用于液滴和晶圓間的相互作用能量，構筑了計算出離心力可除去的最小液滴體積的公式。結合結果，構筑了求旋轉晶圓上殘留液滴蒸發(fā)壽命的理論模型。該模型采用了向晶圓上形成的氣流邊界層傳達物質(zhì)的效果。其結果證實，本文中構筑的模型能夠在一定程度上定量預測旋轉晶圓上液滴的蒸發(fā)壽命。
? ? ? 晶圓端部液滴行為的觀察：在晶圓端部附著有液滴的情況下，通過晶圓旋轉產(chǎn)生的離心力，對能否除去液滴進行了基礎研究。在代表性膜種的晶圓上，在晶圓端部附著各種大小的液滴的基礎上，一邊提高旋轉數(shù)，一邊觀察液滴有無飛散。結果表明，液滴體積越大，即使在較低的旋轉數(shù)下，液滴也會飛散。另外，還顯示了膜種類和端部形狀對飛散特性的影響，明確了不能完全地飛散除去液滴，會有部分殘留。
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總結
? ? ? 本文以實驗得到的數(shù)據(jù)為基礎，準確地提取對現(xiàn)象有用參數(shù)，以工學理論為基礎構建的現(xiàn)象模型化的提案和由此導出的模型式，對于半導體清洗、干燥技術來說，也是非常有意義的結果。
? ? ? 從宏觀角度（旋轉晶圓上的液流等觀察對象較大的主題）出發(fā)的研究，正在逐漸向微觀角度（通過液流除去微粒子、液置換等對象較小的主題）的研究轉移。像這樣，通過從宏觀的觀點到微觀的觀點，按順序進行研究，我們切身感受到現(xiàn)象得到了切實的整理，正在穩(wěn)步地取得成果。