半導(dǎo)體工藝中化學(xué)機(jī)械拋光后刷洗的理論分析

摘要

化學(xué)機(jī)械平面化后的葉片清洗，特別是刷子擦洗，是半導(dǎo)體器件制造的一個(gè)關(guān)鍵步驟，尚未得到充分了解。臨界粒子雷諾數(shù)方法用于評(píng)估在刷擦洗過(guò)程中去除晶圓表面的粘附顆粒，或者是否必須發(fā)生刷-粒子接觸?？紤]了直徑為0.1和1.0m的氧化鋁顆粒粘附在拋光二氧化硅和銅表面的模型系統(tǒng)。結(jié)果表明，流體力學(xué)力量可以去除部分粘附顆粒，但必須發(fā)生刷狀顆粒接觸才能去除所有的粘附顆粒。

理論

粘附/移除模型：在得出任何關(guān)于粒子去除的結(jié)論之前，有必要了解在水動(dòng)力流場(chǎng)中作用于粒子的力。圖1顯示了一個(gè)直徑為d的可變形顆粒，它粘附在運(yùn)動(dòng)流體中的表面上。在該模型中，粘附力(FA)、阻力(FD)和升力(FL)力和外部表面應(yīng)力矩(MD)是通過(guò)粒子暴露區(qū)域的中心起作用的。 這些力與接觸半徑(a)之間的關(guān)系，由于變形導(dǎo)致的粒子與表面之間的相對(duì)接近值a，和表面粗糙度ε，必須被理解為正確地描述顆粒的去除。

圖1 粘性粒子和相關(guān)力的示意圖
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分析

系統(tǒng)和條件：一般來(lái)說(shuō)，cmp后的清潔將包括從各種表面去除各種顆粒尺寸和材料。不對(duì)稱的氧化鋁顆粒，尺寸為0.1和1.0mm，粘附在具有拋光二氧化硅表面的200毫米晶片上作為代表系統(tǒng)。為了進(jìn)行比較，還考慮了不對(duì)稱的氧化鋁顆粒粘附在類似的晶片上，但與銅表面。類似于圖中所示的單面、圓盤型刷式洗滌器的流體流動(dòng)。 表一顯示了所考慮的商業(yè)刷式洗滌器的典型操作條件。

表一 刷子擦洗模擬中的參數(shù)

流動(dòng)剖面：多孔手指之間的流動(dòng)輪廓刷和晶圓是復(fù)雜的，但如果有以下假設(shè)，可以近似為刷徑向位置的函數(shù)：(i)刷表現(xiàn)得好像它有一個(gè)均勻的固體表面，即無(wú)滑移邊界條件成立，(ii)刷子和晶片起到如下作用平行平板，底板固定，頂板以刷和晶片之間的相對(duì)速度移動(dòng)，(iii)顆粒的極小尺寸防止它們干擾流場(chǎng)。刷子和晶片之間的流動(dòng)取決于刷狀-晶片分離距離(D)和刷子指δ上的邊界層厚度之間的關(guān)系。當(dāng)它經(jīng)過(guò)晶圓片時(shí)。如果D＞δ，刷子附近的速度剖面取決于邊界層的結(jié)構(gòu)，而晶圓附近的速度文件是晶圓旋轉(zhuǎn)的函數(shù)。如果D≤δ，速度剖面可以近似為線性。
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粘附力，附著力：CMP后粘在晶片表面的顆粒是不同的，是粗糙和不對(duì)稱的。有必要正確地描述粘附力對(duì)顆粒的組成、幾何形狀和形態(tài)的依賴性，或?qū)︻w粒去除所做的任何預(yù)測(cè)都會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。它可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不對(duì)稱粒子的粘附力。表三給出了這里所考慮的粒子和表面的粗糙度統(tǒng)計(jì)量和彈性模量。

表三 用于計(jì)算不對(duì)稱Al2O3顆粒附著力的材料特性

根據(jù)1.0mm氧化鋁顆粒粘附于拋光二氧化硅的歸一化刷徑向位置和分析程序，去除的顆粒百分比
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結(jié)論

本文采用臨界粒子雷諾數(shù)方法來(lái)評(píng)估刷子擦洗過(guò)程中產(chǎn)生的水動(dòng)力是否可以去除晶片表面的粘附顆粒，或者是否必須發(fā)生刷子粒子接觸。臨界粒子雷諾數(shù)取決于流體性質(zhì)、粘附粒子附近的速度剖面、作用在粒子上的粘附力和點(diǎn)滾動(dòng)發(fā)生的周圍。采用時(shí)間相關(guān)的邊界層分析來(lái)確定刷擦洗過(guò)程中刷指和晶片之間產(chǎn)生的速度輪廓。刷-晶片分離距離必須小于或等于刷指上的邊界層厚度，以便刷誘導(dǎo)的流體在晶片表面附近顯著運(yùn)動(dòng)。采用一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型計(jì)算了感興趣的粒子的粘附力分布。該模型考慮了襯底化學(xué)、粒子和表面形貌和力學(xué)性能，以及相互作用表面的幾何形狀。然后，考慮到粘附力的變化和粗糙度對(duì)滾動(dòng)發(fā)生點(diǎn)的影響，計(jì)算了每個(gè)粒徑的臨界粒子雷諾數(shù)分布。將這種分布與流粒子雷諾數(shù)進(jìn)行比較表明，在考慮的典型工作條件下，在cmp清洗后的過(guò)程中，水動(dòng)力可以去除晶片表面的一些粘附顆粒，但必須發(fā)生刷狀顆粒接觸才能完全去除顆粒。