本文使用高頻超聲波的半導(dǎo)體單片清洗中的微粒子去除進(jìn)行了研究。水中的超聲波在波導(dǎo)管內(nèi)傳播時(shí)，根據(jù)波導(dǎo)管的內(nèi)徑形成平面波以外的波導(dǎo)管模式，此時(shí)，通過(guò)LDV測(cè)量確認(rèn)了波導(dǎo)管彎曲振動(dòng)，成為具有行波分布的傳播體。 另外，實(shí)驗(yàn)表明，如果在形成清洗液膜的晶片基板上接近配置波導(dǎo)管，利用透過(guò)波導(dǎo)管的超聲波可以得到均勻的微粒子去除。 在具有行波分布的導(dǎo)波管中，不需要由于空化氣泡的捕獲而引起的抗壓，有可能進(jìn)行微粒子的去除，有望應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的無(wú)損傷清洗。

在液膜照射中，由于將傳播體靠近晶圓配置，因此形成了比浸漬照射更均勻的聲場(chǎng)。 其結(jié)果是，在120nm的圖案中沒(méi)有損傷，得到了90%以上的微粒子去除率。此外，正在研究使用在晶圓上形成的鋁膜和光刻膠（PR）膜作為缺陷成像膜的方法，結(jié)果，即使在低輸入下，也觀(guān)測(cè)到了由空化產(chǎn)生的孔缺陷。

對(duì)不僅適用于CMP后清洗，還適用于32 nm以后的下一代微細(xì)圖案清洗的超聲波清洗機(jī)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了重大研究，提出了以石英波導(dǎo)管為傳播體的超聲波清洗機(jī)用振子。

本文提出了以石英波導(dǎo)管為傳播體的超聲波清洗機(jī)用振動(dòng)預(yù)，并說(shuō)明了液膜照射下超聲波傳播的原理。 通過(guò)激光多普勒振動(dòng)速度計(jì)（LDV）測(cè)量試制的傳播體的振動(dòng)速度分布，確認(rèn)其動(dòng)作符合提案，其次，進(jìn)行微粒去除率測(cè)量，確認(rèn)波導(dǎo)管型能夠均勻去除微粒子，另外，觀(guān)察超聲波照射產(chǎn)生的空化氣泡，考察其與微粒子去除的關(guān)系。

超聲波照射的原理

下面說(shuō)明用傳播體變換來(lái)自聲源的超聲波振動(dòng)，照射到液膜上的過(guò)程。振動(dòng)分布由傳播體的形狀和材料常數(shù)決定，通過(guò)計(jì)算式確認(rèn)得到的波長(zhǎng)，另外，通過(guò)FDTD 法進(jìn)行分析，掌握波導(dǎo)管內(nèi)形成的波導(dǎo)模式。

對(duì)由傳播體的形狀決定的振動(dòng)分布進(jìn)行說(shuō)明。圖1是作為傳播體的波導(dǎo)管和實(shí)心棒的俯視剖視圖，水平配置在形成液膜的晶片上，在圖1(a )的波導(dǎo)管型中，從聲源照射的超聲波在充滿(mǎn)波導(dǎo)管內(nèi)的水中通過(guò)縱波傳播。為了使波導(dǎo)壁彎曲波振動(dòng)，需要使波導(dǎo)管的內(nèi)徑2α相對(duì)于水中的波長(zhǎng)λw變大，產(chǎn)生平而波以外的模式。

顯示試制的波導(dǎo)管型及實(shí)心棒型振子的結(jié)構(gòu)，通過(guò)激光多普勒振動(dòng)速度計(jì)（LDV）測(cè)量各個(gè)傳播體的振動(dòng)速度分布。試制的液膜照射用振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，這是垂直于晶片的切割圖，向波紋表面供給洗液后，在波紋表面和傳播體之間通過(guò)表面張力形成洗液膜。 振動(dòng)器由聲源部分和傳播體構(gòu)成。圖3（a）是波導(dǎo)管型，作為傳播體使用內(nèi)徑4mm、厚1nlIn、長(zhǎng)300 mm的石英玻璃管，波導(dǎo)管與不銹鋼制的受音部連接，從聲源到受音部的腔體進(jìn)行調(diào)整，腔體是向波導(dǎo)管供給的傳播液的流路，波導(dǎo)管的保持使用0環(huán)，采用容易裝卸的結(jié)構(gòu)。

測(cè)定方法和結(jié)果

用LDV測(cè)量了波導(dǎo)管及實(shí)心棒的振動(dòng)速度分布。 圖4表示裝置構(gòu)成，使用的LDV的響應(yīng)頻率為10 Mliz的e餌軸臺(tái)以0.15 mm的間距移動(dòng)，在相當(dāng)于200 mm晶圓設(shè)置位置的A、B、G的r處測(cè)量了振動(dòng)速度分布，測(cè)量是在空氣中工作的靜態(tài)特性，以頻率900kHz、輸入10W驅(qū)動(dòng)聲源，通過(guò)頻譜分析儀獲取輸出電壓的基本波成分，傳播液的溶解氮濃度通過(guò)調(diào)節(jié)器保持恒定。

為了測(cè)量微粒子去除率，我們確認(rèn)了波導(dǎo)管型的微粒子均勻去除是可能的，并觀(guān)察了超聲波照射產(chǎn)生的空化氣泡，考察了與微粒子預(yù)去除的關(guān)系。傳播體被布置成穿過(guò)波的中心，并且通過(guò)軸臺(tái)的掃描，超聲波可以被輻射到波的整個(gè)表面。

振動(dòng)器的掃描次數(shù)在液膜照射和流水照射時(shí)不同，超聲波照射時(shí)間均為20s。 洗滌液是氮飽和水（N2濃度:18Ppm）。 測(cè)量結(jié)果如表4所示，流水照射在聲源輸入30W時(shí)得到了89%的PRE。

因此，在實(shí)際使用中要求90%左右的PRE。 波導(dǎo)管型的PRE在30W時(shí)為78%，10W時(shí)為65%，雖然略低于流水照射時(shí)的PRE，但確認(rèn)了可以除去微粒子，實(shí)心棒在10W時(shí)為54%，結(jié)果低于波導(dǎo)管型。

接下來(lái)，測(cè)量液膜照射中的細(xì)顆粒去除分布，將附著在韋伯上的0.2μm直徑的微粒子增加到7x104個(gè)左右，在波導(dǎo)管的正下方殘留有微粒子，如果向y軸方向掃描傳播體，則可以全面除去。

在使用水聽(tīng)器的聲場(chǎng)測(cè)量中，存在諸如由于空化引起的元件損壞和水聽(tīng)器本身干擾聲場(chǎng)的問(wèn)題，為了測(cè)量液膜中的聲場(chǎng)，利用頻譜分析儀，對(duì)輸出電壓進(jìn)行頻率分析的結(jié)果如圖所示。在聲源中獲得的輸入密度為17w/cm2，如果不考慮聲源的轉(zhuǎn)換損失，則在LT波的情況下，波導(dǎo)管內(nèi)的聲壓被計(jì)算為714kPa，并且通過(guò)波導(dǎo)管側(cè)面的聲壓比波導(dǎo)管內(nèi)的聲壓低四分。

但是，由于生成空化氣泡所需的聲壓為100kPa左右，可以認(rèn)為是100kPa以希的聲壓。 這里的空化只要不被駐波分布捕獲，作為不產(chǎn)生壓壞的穩(wěn)定空化，反復(fù)進(jìn)行膨脹和收縮振動(dòng)。 在穩(wěn)定的空腔周?chē)^(guān)察到了稱(chēng)為微流的流動(dòng)。 另外，也有報(bào)告指出微流式傳輸?shù)奈⒘Ｗ尤コЧ?。因此，波?dǎo)管型振子的微粒子去除是在穩(wěn)定的空化作用下進(jìn)行的，有可能不伴隨空化壓碎。

在實(shí)際的清洗工序中，有使用作為藥液的氨過(guò)氧化氫水的工序，通過(guò)將pH提高到11左右，以達(dá)到除去微粒子及防止再附著的目的。在流水照射中，由于保持聲源的外殼和包裝與清洗液接觸，因此可以使用的pH有限度，但是在波導(dǎo)管型中，接觸液體部件只有作為傳播體的石英，可以使用的pH沒(méi)有限制。通過(guò)沿傳播體集中氣泡分布，可以得到比駐波更均勻的微粒去除分布。

結(jié)果

本文提出了以石英波導(dǎo)管為傳播體的超聲波清洗機(jī)用振子，并說(shuō)明了超聲波傳播的原理。 通過(guò)激光多布拉振動(dòng)速度計(jì)（LDV）測(cè)量試制的傳播體的振動(dòng)速度分布，確認(rèn)了按照提案形成了行波分布。 測(cè)定微粒子去除率的結(jié)果顯示，波導(dǎo)管型的去除率略低于流水照射的去除率，但可以去除微粒子，通過(guò)超聲波照射，觀(guān)測(cè)到了液膜中的空化氣泡，氣泡分布為微粒子去除分布，可以說(shuō)氣泡的舉動(dòng)與微粒子去除相關(guān)，另外，微粒子去除分布因傳播體的振動(dòng)分布而存在差異。 行波通過(guò)沿著傳播體集中空化氣泡，可以得到比駐波更均勻的微粒子去除分布。

根據(jù)超聲波照射產(chǎn)生的空化氣泡以及高次諧波成分的觀(guān)測(cè)，可以認(rèn)為透過(guò)波導(dǎo)管側(cè)面的聲壓為100kPa以h。 這里的空化在行波分布中不會(huì)產(chǎn)生壓壞。 另外，由于可以期待微流式的微粒子去除效果，因此波導(dǎo)管型的微粒子去除有可能不伴隨空化壓壞而進(jìn)行。 我們將探討在波網(wǎng)上形成的光刻膠膜作為缺陷的成像膜使用的方法，可以認(rèn)為，該方法不僅可以分析有無(wú)缺陷，還可以根據(jù)空化壓壞引起的一個(gè)個(gè)孔缺陷分析壓壞時(shí)的能量，微粒子去除率的測(cè)量，在用300mm片葉旋轉(zhuǎn)清洗機(jī)進(jìn)行的同時(shí)，通過(guò)使用藥液氨過(guò)氧化氫水（APM），探討了實(shí)用的微粒子去除的可能性。

審核編輯：湯梓紅