半导体制造过程中刷洗力的研究

引言 为了确保高器件产量，在半导体制造过程中，必须在几个点监控和控制晶片表面污染和缺陷刷式洗涤器是用于实现这种控制的工具之一，尤其是在化学机械平面化工艺之后尽管自20世纪90年代初以来，刷子刷洗就已在生产中使用，但刷洗过程中的颗粒去除机制仍处于激烈的讨论之中。

这项研究主要集中在分析擦洗过程中作用在颗粒上的力 这项方法着重于分析作用在颗粒上的力和力矩，以揭示擦洗过程中颗粒的去除机理首次研究了刷洗过程中刷状粗糙体/基底的接触几何形状然后用理论和实验相结合的方法确定不同润滑方式下的力和力矩。

最后，通过对力和力矩的分析，解释了实验结果，并找出了颗粒去除的机理 实验 测试晶片是200毫米p型硅，150纳米氮化物层沉积在15纳米衬垫氧化物上使用前，使用O3-last Imec-clean清洗晶片。

颗粒为胶体二氧化硅颗粒，直径分别为20、34、78和126纳米晶片的受控污染是通过浸入pH ≈ 0(盐酸)的颗粒污染浴中，然后过流冲洗和马兰戈尼干燥来实现的基于雾度法，最终粒子表面浓度(σpsc)是通过使用光散射装置测量晶片的雾度来确定的。

结果和讨论 润滑制度： 根据润滑状态，颗粒受到不同类型的机械力和力矩:边界润滑状态下的接触力(或力矩)，流体动力润滑状态下的流体动力(力矩)因此，我们首先确定不同刷/晶片相对速度和压力下的流体膜厚度h(图2)。

显然，h随速度增加，但随压力减小，h与所研究的颗粒大小在同一范围内然而，这个厚度只是整个晶片的平均值实际上，当系统运动时，局部压力变化很大，最大压力可以高达平均值的3.5倍，这意味着一些局部刷状粗糙体可以与晶片表面更紧密地接触。

根据图2a的推断，在15千帕的最大局部压力下，膜厚度可以是40纳米考虑到典型聚乙烯醇刷子的表面粗糙度在几十微米，刷子/晶片接触被认为是混合润滑，即刷子与晶片/颗粒部分接触，与流体部分接触

图2 平均薄膜厚度与(a)速度0.38m/s下的平均刷/基底压力，(b)压力4.4kPa下的刷/晶片相对速度 移除机制： 为了理解移除机制，进行了力分析表1给出了平均压力为4.4千帕时的结果它表明，在接触和非接触模式下，由于提升力Fvdw-b小于总附着力，粒子不能被直接提升。

然而，只要考虑力矩，粒子就可以在非接触模式下被拖曳力滚离然而，请注意，阻力(FD)和接触力(Fvdw-b+ Ff+Fel-b-Fload)的值随着压力的增加而增加，这表明提升也可能有助于在接触模式下去除颗粒。

当压力足够高时(在系统运动时压力较高的局部区域)，我们的受力分析表明，34nm粒子也可能被直接抬升考虑到接触模式下的主要移除力Fvdw-b与粘附力共享相同的杠杆臂，颗粒也可以被滚下和提起因此，可以得出结论，在擦洗期间，颗粒可以通过拖曳力矩的主要移除力矩以非接触方式从基底上滚下，而它们可以通过刷子/颗粒范德华力或力矩的主要移除力以接触方式被提升或滚下。

粒度的影响： 图3表明大颗粒比小颗粒更容易去除这是因为(I)大颗粒有更多的机会与刷子直接接触，以及(2)大多数去除力是与颗粒尺寸的平方成正比，而附着力仅与颗粒尺寸成正比 化学的影响： 从我们的详细力分析(部分在表1中)中可以看出，静电力或力矩在一定程度上有助于从晶片上提起/滚动粒子，但作用不大。

然而，一旦粒子离开表面，该力就变得重要，因为1)由于零粒子/晶片接触面积和增加的粒子/晶片分离距离，先前占主导地位的粘附力Fvdw-s急剧下降；2)由于接触面积减小，先前较大的接触力颗粒/刷减少(当刷离开晶片时，变形的刷粗糙将恢复到原始形状)。

事实上，我们的力分析表明，静电力粒子/晶片和粒子/刷子与相应的吸引范德华力一样大，甚至更大，因此它们可以根据酸碱度确定粒子再沉积、刷子负载和交叉污染的可能性实验上，我们在酸碱度为10时观察到良好的预吸附，但在酸碱度为4时去除非常差，这部分证明了我们的理论。

表1 在洗涤过程中，氮化物衬底上34纳米硅颗粒上的力和力矩的概述 总结 在擦洗过程中，刷状粗糙体和基底之间的接触几何形状处于混合润滑状态：一些局部区域处于流体动力润滑状态，而另一些处于边界润滑状态。

刷子擦洗中的颗粒去除是一个两步过程：1)颗粒通过提升/滚动释放，在非接触模式下通过流体动力阻力(力矩)释放，或者在接触模式下通过刷子/颗粒范德华力(力矩)释放(混合润滑中的两个平行机构)；2)如果提供合适的pH条件，静电双层力将颗粒从表面移开，并使它们保持悬浮在流体中。

刷子/基底压力和刷子/晶片相对速度都对擦洗过程中的颗粒去除效率有积极影响 　　审核编辑：汤梓红

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