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摘要:簡要介紹了隨著工藝節(jié)點的縮小，傳統(tǒng)RCA清洗方法在硅片清洗工藝中的局限性和弊
端，進(jìn)而提出了以干冰CO2為介質(zhì)的新型干冰微粒噴射清洗方法的可行性。從CO2的物理特性出發(fā)，并簡要分析了干冰顆粒噴射技術(shù)中顆粒污染物和有機(jī)污染物的清洗機(jī)理。介紹了一臺專業(yè)訂制的干冰微粒噴射技術(shù)的半導(dǎo)體清洗設(shè)備，對該設(shè)備的結(jié)構(gòu)和各部分的作用作了簡要介紹，論述了使用該設(shè)備對硅片進(jìn)行清洗的工藝流程。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，采用壓強(qiáng)為8MPa、純度為5N的CO2作為氣源,噴嘴前壓強(qiáng)設(shè)里為11MPa，使用該設(shè)備可以達(dá)到很好的清洗效果。
關(guān)鍵詞:RCA清洗；硅片清洗；干冰CO2 ；干冰微粒噴射；清洗設(shè)備
引言
在目前的半導(dǎo)體清洗工藝中，濕法化學(xué)清洗方法仍然占主導(dǎo)地位�；瘜W(xué)清洗方法利用SPM,SCH和DHF等化學(xué)溶液，采用溶液浸泡、機(jī)械擦洗、超聲波清洗、兆聲波清洗和旋轉(zhuǎn)噴淋等多種不同方法，或加以組合的形式使硅片表面達(dá)到清潔。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，技術(shù)節(jié)點的不斷縮進(jìn)，對硅片表面質(zhì)量提出了更高的要求。加之新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的濕法化學(xué)清洗帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在抗蝕劑的去除、多孔低k材料的清洗、MEMS硅基表面微機(jī)械加工等許多工序中，傳統(tǒng)的化學(xué)清洗方法已經(jīng)束手無策。同時濕法化學(xué)清洗方法耗水量大，大量使用化學(xué)試劑不僅浪費了大量資源，更給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞，其復(fù)雜的清洗流程也加大了半導(dǎo)體加工工藝的復(fù)雜性和成本。為了滿足半導(dǎo)體工藝的發(fā)展需求，人們對許多新型的清洗方法進(jìn)行了大量的研究，以期獲得更經(jīng)濟(jì)、更有效、更環(huán)保、更方便的清洗方法。
近年來，以干冰CO2為介質(zhì)的半導(dǎo)體清洗工藝在國際上受到了廣泛關(guān)注，其綠色無污染、無損傷、較經(jīng)濟(jì)、清洗效果好等特點使其在眾多新型清洗方法中更具優(yōu)勢，具有極大的潛力和應(yīng)用價值。
1干冰微粒噴射清洗技術(shù)
1.1 CO2的物理特性
基于CO 2的清洗方法有四種形式，即傳統(tǒng) 干冰清洗、液態(tài)CO 2清洗和超臨界CO 2清洗、干冰顆粒噴射清洗。其中干冰噴射清洗技術(shù)和超臨界CO 2清洗技術(shù)在半導(dǎo)體清洗領(lǐng)域都顯示出了良好的應(yīng)用前景。
干冰顆粒的形成和清洗機(jī)理與CO2特殊的物理性質(zhì)分不開。圖1是CO2的相態(tài)變化圖，由圖可以看到CO2的三種相態(tài)隨壓力(p)和溫度(t)的變化過程。在溫度超過31. 1℃、壓力超過7. 38 MPa的情況下，CO2會進(jìn)入超臨界狀態(tài)，此時CO2兼具氣態(tài)和液態(tài)時的性質(zhì)。從圖中可以看出，在一個大氣壓的條件下，固態(tài)干冰可以直接氣化，而氣態(tài)的CO2也可以直接形成干冰。
1.2干冰顆粒的形成
在室溫下，充滿CO 2的鋼瓶中壓強(qiáng)一般超過5.5 MPa，此時鋼瓶中的CO 2焓值處于液-氣兩相區(qū)域。圖2是CO 2壓力(p)-焓值(h)圖，從圖中可以更加直觀地了解噴嘴處CO 2的相態(tài)變化過程。在采用氣相CO 2作為氣源時，可認(rèn)為其位于圖中A點處，由于CO 2在噴嘴處驟然膨脹可以看作是等焓變化過程，鋼瓶中CO 2從A點開始沿著虛線①變化，此時CO 2會發(fā)生液化，同時液態(tài)CO 2比例會不斷增加。當(dāng)?shù)竭_(dá)液一氣兩相與固-氣兩相的交界處時，液態(tài)CO 2就會發(fā)生固化，形成摩爾比不到10%的干冰。而在采用液相CO 2作為氣源時，可假設(shè)其位于B點處，當(dāng)CO 2壓強(qiáng)在噴嘴處驟降時，會沿著虛線②變化，CO 2會氣化，處于氣相的CO 2會增多，當(dāng)?shù)竭_(dá)固一氣兩相的交界處時，剩余的液態(tài)CO 2就會固化，形成摩爾比接近50%的干冰。制成干冰的效率取決于CO 2源的相態(tài)、壓力和溫度，還與所用噴嘴的物理結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。絕熱性能較好的噴嘴更能滿足提高 干冰制造效率的要求，例如文丘里噴嘴就能很好地滿足要求，而非絕熱噴嘴不僅 干冰生產(chǎn)率較低，而且干冰微粒的噴射速度也不能滿足要求。
1.3干冰微粒噴射清洗技術(shù)的基本原理
利用 干冰制造機(jī)（干冰造粒機(jī)、 干冰制粒機(jī)、干冰粒制機(jī)）將純凈的CO 2制成一定規(guī)格的干冰顆粒，然后使用干冰噴射清洗機(jī)（ 干冰清洗機(jī)、干冰噴射器、 干冰噴射機(jī)、洗模機(jī)、 模具清洗機(jī)）通過壓縮空氣原理推動干冰顆粒高速噴射，可以有效地去除硅片表面不同類型的污染物，其作用機(jī)理可能是動力學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等幾種因素的綜合結(jié)果。這使得該方法具有多重清洗效果，即使是SU-8這種很難去除的光刻膠也能達(dá)到良好的清洗效果。
干冰微粒噴射清洗方法在清洗不同類型污染物時的主要作用機(jī)理是不同的。在清洗顆粒污染物時(圖3)，干冰微粒與顆粒污染物之間碰撞后發(fā)生動量轉(zhuǎn)移，污染物顆粒被粉碎并脫離硅片表面，同時干冰微粒噴射時形成的高速氣流迅速將污染物吹走。在清洗有機(jī)類污染物時(圖4)，干冰顆粒與硅片表面的有機(jī)污染物發(fā)生非彈性碰撞后，干冰顆粒與污染物接觸的界面會發(fā)生部分液化，將有機(jī)污染物溶解其中，在脫離硅片表面時，CO2重新固化從而將有機(jī)污染物帶離硅片表面，達(dá)到清洗目的。
2設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程
2.1設(shè)備結(jié)構(gòu)
為適應(yīng)硅片清洗的特殊性，故專門訂制了專門的干冰噴射清洗機(jī)（干冰清洗機(jī)、干冰噴射器、干冰噴射機(jī)、洗模機(jī)、模具清洗機(jī)）主要由清洗腔室、凈化單元、氣源、噴嘴和氣體循環(huán)回收系統(tǒng)等組成。
清洗腔室內(nèi)置有噴嘴(自動或手動)、電磁閥、硅片固定和旋轉(zhuǎn)裝置，其中噴嘴是干冰微粒形成的關(guān)鍵部分。另外，清洗腔室配置有真空泵以滿足其內(nèi)部的高潔凈度要求。凈化單元由兩級凈化罐和百萬級高效空氣過濾器組成，可以去除高純CO2中所含的微量顆粒、有機(jī)物和水。循環(huán)回收系統(tǒng)由分離罐、壓縮機(jī)和熱交換器組成，該部分用來完成對CO2的分離、提純、壓縮和熱交換，從而循環(huán)利用CO2。
該訂制設(shè)備完全不同于傳統(tǒng)RCA清洗設(shè)備，利用高速噴射的干冰微粒射流沖洗硅片，依靠干冰微粒射流和其攜帶的氣流與硅片表面顆粒和有機(jī)污物的相互作用去除這些污物，是一種環(huán)保型干法清洗技術(shù)。
2.2工藝流程
結(jié)合圖7，硅片清洗的主要工藝流程如下:關(guān)閉閥門一、二、四、五，確認(rèn)清洗腔室無其他閥門打開;開啟真空泵將清洗腔室抽真空，并時刻觀察清洗腔室壓力和濕度數(shù)值，此步驟為預(yù)抽真空以使清洗腔室達(dá)到要求的潔凈度;待清洗腔室內(nèi)部真空度滿足要求時，關(guān)閉閥門三，停止運(yùn)行真空泵;此時開啟清洗腔室的真空吸盤固定硅片，并使其以設(shè)定速度旋轉(zhuǎn);開啟閥門一、閥門二，打開凈化器進(jìn)出口閥;開啟CO2鋼瓶，運(yùn)行壓力泵一，打開控制清洗腔室內(nèi)噴嘴的電磁閥，開始吹掃硅片;打開閥門二、閥門四，開始運(yùn)行壓力泵二和熱交換器，使CO2開始循環(huán);根據(jù)實驗要求調(diào)整吹掃距離和吹掃角度，對硅片進(jìn)行吹洗，通過視窗實時觀察清洗腔室內(nèi)的吹洗情況;干冰微粒吹洗完畢后，切換不同噴嘴，使CO2直接以氣體形式噴出，繼續(xù)吹掃硅片，帶走從硅片上吹下的污染物，CO2氣體吹掃預(yù)定時間后，依次關(guān)閉CO2鋼瓶、閥門一、凈化器進(jìn)出口、閥門二和噴嘴。
3實驗驗證
采用上述干冰微粒噴射清洗設(shè)備，選用壓強(qiáng)為8 MPa、純度為5N的CO2作為氣源，將進(jìn)人噴槍的CO2壓強(qiáng)增壓參數(shù)設(shè)置為11 MPa，選擇三片相同的表面印有指紋印的硅片，分別用干冰微粒噴射清洗、稀釋氫氟酸、去離子水加超聲波振蕩三種方法進(jìn)行清洗，處理時間均為5 min。清洗過程結(jié)束后，在光學(xué)顯微鏡下比較三組硅片。圖8是相同區(qū)域放大1 000倍的照片，可以觀察到采用干冰微粒噴射吹掃的硅片表面的指紋印已經(jīng)被清洗干凈，而其他兩種方法則仍有不同程度的污染物殘留。
在上述實驗中發(fā)現(xiàn)，如果提高CO2從噴嘴噴出之前的壓力，則形成的干冰微粒噴射速度更快，清洗效果會更好，同時清洗效率也提高了很多。相反如果壓力過低或不經(jīng)過加壓，直接采用鋼瓶中出來的CO2作為氣源，形成干冰微粒的效率會很低，清洗效果會變得很差，造成CO2大量浪費。在相同壓力條件下，采用氣態(tài)CO2比液態(tài)CO2作為氣源效果更好，這可能是由于CO2鋼瓶中的雜質(zhì)溶解在液態(tài)CO2中，而導(dǎo)致處于氣態(tài)的CO2純度相對更高。
同時實驗還發(fā)現(xiàn)，如使用純度為4N以下的CO2，則清洗效果會變得非常不理想，即使延長清洗時間，依然無法得到良好的清洗效果，清洗后硅片表面反而變得更臟，這是由于硅片表面不斷受到新的污染，這些污染來自于CO2。
實驗證實，合理控制實驗參數(shù)，采用干冰微粒噴射清洗技術(shù)對硅片進(jìn)行清洗可以達(dá)到十分理想的清洗效果，相比于傳統(tǒng)清洗技術(shù)，該清洗方法效率更高且不會帶來損傷。
4結(jié)論
在當(dāng)今硅晶體管和集成電路生產(chǎn)中，硅片清洗問題幾乎滲透在每道工序中，硅片清洗工藝的重要性不言而喻。隨著大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)RCA清洗方法已經(jīng)無法滿足要求。本文介紹的干冰微粒噴射清洗技術(shù)可以無損傷地清洗硅片，不僅有效減少了對水資源、化學(xué)試劑等能源的浪費，同時解決了傳統(tǒng)清洗工藝污染環(huán)境的問題。本文提出的干冰微粒噴射清洗設(shè)備實現(xiàn)了CO2的循環(huán)使用，有效節(jié)省了成本，降低了對能源的消耗和環(huán)境的污染。隨著能源問題、環(huán)保問題日益突出，干冰微粒噴射清洗方法的價值將越來越凸顯，該方法有著廣泛的應(yīng)用前景，有望應(yīng)用于半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)線。
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