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本文提出了一個利用基本物理機(jī)制的數(shù)學(xué)模型，并提供了一個全面的過程模擬器。該模型包括流體流動、靜電效應(yīng)以及體積和表面的相互作用，應(yīng)用于研究基于高頻的高k微納米結(jié)構(gòu)的圖案晶圓沖洗動力學(xué)的具體案例，研究了水流、晶圓旋轉(zhuǎn)速率、水溫、晶圓尺寸、晶槽位置等關(guān)鍵沖洗工藝參數(shù)的影響。
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圖1
沖洗過程中旋轉(zhuǎn)晶圓表面的流體流動模式示意圖如圖所示1a。在晶片中心引入的沖洗水從中心向邊緣流過晶片表面，水膜的形狀圍繞z軸是對稱的，該溝槽如圖所示1b，表示微觀或納米結(jié)構(gòu)，晶片上的沖洗水層由兩個區(qū)域組成：待清洗的溝槽內(nèi)以及在旋轉(zhuǎn)晶片上形成的薄膜內(nèi)。
雜質(zhì)沖洗和去除過程中涉及的各個步驟受到基板壁表面電荷的影響，該電荷受到晶片表面附近邊界層的成分的影響，開發(fā)單晶圓旋轉(zhuǎn)漂洗工具過程模型所涉及的關(guān)鍵配置和操作參數(shù)是旋轉(zhuǎn)速度、水流、水溫、晶片尺寸、特征尺寸和初始污染物濃度，本研究中的污染物為1%的氫氟酸，該模型考慮了漂洗過程的細(xì)節(jié)，包括液相和高溫高k表面的化學(xué)反應(yīng)，以及電場下的擴(kuò)散、對流和遷移，模型參數(shù)，如表面相互作用速率系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，取決于雜質(zhì)的類型和表面的化學(xué)性質(zhì)。
對表面充電會導(dǎo)致微納米結(jié)構(gòu)表面附近形成靜電場，這種靜電場會影響到溝槽內(nèi)離子的分布，隨著溝槽尺寸的減小，在溝槽表面附近形成的德拜層變得更加重要，并影響了溝槽內(nèi)離子的輸運，這個德拜層的厚度與離子種類的濃度成反比，因此在液體（水）中的污染物離子濃度較低時變得越來越重要。
在表面制備過程中，化學(xué)物質(zhì)存在于液相和溝槽表面，液相中發(fā)生的各種反應(yīng)，有必要考慮表面反應(yīng)，以全面了解沖洗過程。假設(shè)氟離子不優(yōu)先吸附在所有帶電的表面位置，因此，吸附和解吸的速率取決于離子種類與帶電表面之間的相互作用力，利用石英晶體微平衡對氧化鐵隨時間的變化進(jìn)行擬合，確定模型的關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)吸附、解吸和蝕刻速率系數(shù)。
為了驗證工藝模型，我們進(jìn)行了特殊的沖洗實驗，首先將帶有圖案的氧化鐵膜表面層的晶片暴露在高頻溶液中清洗，然后用超純水沖洗。晶片圖案包括用于沖洗監(jiān)測的ECRS通道。利用傳感器阻抗測量能力監(jiān)測傳感器通道中剩余高頻的沖洗情況，實驗數(shù)據(jù)與1：100（HF：H2O）稀釋氫氟酸溶液以800rpm轉(zhuǎn)速和1.2l/min流量沖洗模型預(yù)測的比較，顯示了4米寬、2米深的微通道內(nèi)溶液的阻抗。
圖中所示的濃度是位于晶片邊緣的溝槽的拐角，結(jié)果表明，隨著自旋速率的增加，漂洗效率開始增加，然而，增加旋轉(zhuǎn)速率超過800rpm沒有進(jìn)一步影響沖洗效率。在這些實驗中，水流速在0.3l/min到8l/min之間變化，而轉(zhuǎn)速保持在800rpm不變，結(jié)果表明，隨著流量從0.3l/min增加到4l/min，吹掃狀態(tài)的持續(xù)時間逐漸減小，當(dāng)流量高于4l/min時，流量的影響不顯著，在低流速下，化學(xué)傳輸速度較慢；因此，高流速會導(dǎo)致更快地清除靠近晶圓表面的液體層中的污染物。
已經(jīng)證明，在沖洗過程中，更高的流速和更高的旋轉(zhuǎn)速度將有助于達(dá)到所需的清潔水平。然而，超過最佳旋轉(zhuǎn)速度和流量，有益效果變得不顯著，這種減少的好處是由于旋轉(zhuǎn)速度和流量對微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和晶圓表面附近的邊界層的污染物的去除沒有太大的影響，觀察這些最佳條件對于避免不必要的能量和水的浪費以及處理時間是很重要的。
利用實驗結(jié)果和過程模擬相結(jié)合，開發(fā)了新的分段沖洗策略和配方，可以降低水和能源的使用，改善整個工藝，在800rpm下沖洗300mm氧化硬膜晶片，將傳統(tǒng)的沖洗方法與已開發(fā)的分階段沖洗方法進(jìn)行了比較，由于較高的電荷密度和德拜層從兩個方向上的延伸，溝槽角落的電場比溝槽中心延伸得更遠(yuǎn)，當(dāng)表面和殘留物有相反的電荷時，這種大的電場使清洗變得困難。
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圖10
圖10顯示了不同特征設(shè)計中不同溝槽角落處90%清理表面殘留物所需的時間，結(jié)果表明，沖洗時間隨特征尺寸的長寬比的增加或溝槽寬度的減小而增大，這表明，隨著制造從微尺度轉(zhuǎn)移到納米尺度，納米結(jié)構(gòu)的清洗變得更具挑戰(zhàn)性，并將涉及到顯著增加資源的使用。
最后建立了一種研究單晶圓旋轉(zhuǎn)沖洗工具中沖洗和清洗動態(tài)的綜合過程模型，并將其應(yīng)用于火腿基圖案基板的沖洗，該過程模擬器考慮了離子的吸附、解吸、對流、擴(kuò)散、遷移和表面電荷，研究了水流、晶片旋轉(zhuǎn)速率、水溫、晶片尺寸和溝槽位置等關(guān)鍵沖洗工藝參數(shù)對晶片的影響，結(jié)果表明，較高的水流和較高的晶圓紡絲有助于沖洗工藝。
然而，有一個最佳的流量和旋轉(zhuǎn)速度，超過這個速度，對沖洗過程的好處變得微不足道，分期沖洗方法可用于優(yōu)化沖洗過程，減少水和能耗，提高吞吐量，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的300mm晶片尺寸的漂洗配方相比，通過使用分段漂洗配方，用水量降低了74%。對溝槽位置和晶片尺寸的影響的結(jié)果表明，位于晶圓邊緣的溝槽比位于晶圓中心附近的溝槽更難清洗，而且隨著溝槽寬度的減小，清理時間也顯著增加。此外，晶圓越大，清洗有圖案的晶圓所需要的時間就越長，本研究開發(fā)的工藝模擬器是提高清潔性能、降低水和能源使用、降低成本的有力工具。