超聲波清洗液控制系統(tǒng)研究

田洪濤，楊 旭，田知玲，張金環(huán)，陳蘇偉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京，100176)

晶圓在CMP設備中經(jīng)過研磨工藝后，會有殘留的顆粒物黏附在晶圓表面，在進入下一道工序之前，必須要將殘留物清洗掉，以避免對后續(xù)工藝產(chǎn)生不利影響。

兆聲波清潔處理是晶圓在清洗過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它是一種非接觸式清洗方式，其原理是采用高頻（0.8～1.0 MHz）交流壓電陶瓷晶體震板，震板的振動產(chǎn)生超聲波，在晶圓表面附近產(chǎn)生聲學邊界層，使溶液產(chǎn)生壓力振動以及超高頻的高能量，從而產(chǎn)生極大的聲壓梯度、粒子速度以及聲流作用，使晶圓表面吸附的污染物及微粒被強制除去并進入清洗溶液中，清洗溶液后續(xù)將污染物帶離工藝槽體。

這種工藝對清洗液的質量要求較高，清洗液的優(yōu)越程度決定了超聲波清洗的效果。該清洗液控制系統(tǒng)通過各種控制方法，對槽體內清洗液的溫度、液位、循環(huán)方式等進行智能控制，使清洗液始終處于最佳狀態(tài)，保障了超聲波工藝效果的優(yōu)良性。

1 清洗液控制系統(tǒng)

超聲波清洗槽分為內槽和外槽，清洗液由內槽底部進入，在超聲波的作用下，顆粒離開晶圓表面進入化學液中，并隨著化學液從頂部流出被帶離。進入外槽的化學液經(jīng)過過濾器濾掉顆粒后再次進入內槽，形成循環(huán)。

清洗液主要是由純水(DIW)和化學液(Chemical)構成，化學液的配比組成對于清洗質量與效率起關鍵作用。標準RCA法是集成電路工藝中廣泛使用的清洗方法，該方法交替使用雙氧水+氨水（SC-1溶液）、雙氧水+鹽酸（SC-2溶液）兩種清洗劑，可有效除去金屬離子及有機污染物。本文研究的清洗液控制系統(tǒng)可對純水和化學液進行流量控制，使其根據(jù)用戶要求的設定達到合理配比。為了保證化學液的濃度，該系統(tǒng)會控制整個回路以一定的時間間隔慢排和補充化學液。此外，溫控裝置對清洗液進行溫度控制，使槽體內的清洗液為晶圓提供最佳的工藝狀態(tài)。在超聲波工作時，系統(tǒng)會持續(xù)對液位的情況進行實時計算和監(jiān)控，最大限度保證晶圓的安全和加工效果的優(yōu)良。該系統(tǒng)的整體硬件構成如圖1所示。

圖1 液體控制系統(tǒng)主圖

2 清洗液控制系統(tǒng)的實施方案

2.1 清洗液控制系統(tǒng)進入初始狀態(tài)的實施過程

設備在開始工藝處理之前要經(jīng)過模塊初始化過程，清洗液控制系統(tǒng)會完成初始狀態(tài)的一系列動作。

首先，系統(tǒng)會將槽體內所有的排液閥門關閉，然后,開啟純水和兩種化學液的注液閥門，并根據(jù)預定的流量值進行注液，實現(xiàn)最佳工藝配比。同時，液位檢測功能會同時被開啟，當液位到達指定位置后，注液動作結束，并計算本次注液時間，如果時間異常則會報警提示用戶。之后,打開循環(huán)功能、補液功能和溫控功能，對液位進行維護。最后,開啟對循環(huán)效果和清洗液溫度的監(jiān)控，如有異常則報警并做出相應動作。

2.2 定時排液和智能補液功能

定時排液和智能補液功能會在系統(tǒng)初始化完畢后開啟運行。

排液閥門安裝在槽體的底部，主要功能是將清洗掉的雜質排出槽體，使槽體內始終保持較低的雜質含量。定時排液功能會根據(jù)用戶設定的時間間隔M(Min)和排液時長N(Sec)進行定時排液，每間隔M分鐘實施N秒的排液動作。用戶可根據(jù)不同的加工材料和藥劑對時間間隔和時長進行不同的配置，該功能一方面對雜質進行了及時的排除，另一方面對藥劑耗材的消耗進行了約束。智能補液功能根據(jù)槽體內液位的變化而進行。工藝槽體的側面安裝了4個非接觸式電容傳感器，如圖2所示，清洗液控制系統(tǒng)會根據(jù)這4個傳感器反饋的信號持續(xù)進行液位計算并實時監(jiān)控液位的變化情況。液位與傳感器的關系如表1所示。

表1 液位與傳感器的關系

圖2 液位傳感器示意圖

初始化過程中，液位會到達指定位置液位3,后續(xù)在定時排液的作用下，液位會不斷下降，當液位下降到液位2后，補液功能會被觸發(fā)，此時會根據(jù)先前設定的清洗液配比和清洗液流量進行補液，直至液位重新回到液位3。在補液結束后系統(tǒng)會計算出本次補液與上一次的時間間隔，并與用戶期望的隔時區(qū)間進行比對，如有異常則提示報警，補液流程如圖3所示。

圖3 補液流程圖

液位會受到其他一些因素的影響而發(fā)生變化，如：機械手的取/放片動作、人為因素等，因此補液功能還會持續(xù)對液位進行監(jiān)控。當液位低至液位1時，系統(tǒng)會強制關閉定時排液功能和CDA循環(huán)系統(tǒng)，加速補液過程；當液位高至液位4時，系統(tǒng)會強制打開排液閥門，將液位迅速還原至液位3；當液位傳感器出現(xiàn)錯誤的邏輯時（液位計算值是錯誤液位時），系統(tǒng)會持續(xù)報警且阻止超聲波對晶圓的清潔。

2.3 清洗液循環(huán)與溫控功能

清洗液的循環(huán)功能會在系統(tǒng)初始化完畢后開啟運行。循環(huán)功能主要是增加化學液的流動性，將經(jīng)過溫控器控溫的清洗液遍及到整個槽體，使清洗液溫度均勻，提高超聲波高頻振蕩施加在晶圓污漬上的效果。該功能是通過控制CDA循環(huán)泵得以實現(xiàn)，并持續(xù)對循環(huán)液的流量進行讀取與計算，并將數(shù)值與用戶設定的閾值進行比對，如果循環(huán)流量不滿足閾值區(qū)間，系統(tǒng)會提示報警并阻止晶圓的加工。

溫控功能也是在系統(tǒng)初始化完畢后，且循環(huán)液流量達到期望區(qū)間范圍后開啟運行。由于溫度到達期望值需要一定預熱時間，所以待溫控功能開啟，并間隔預熱時間后，系統(tǒng)會持續(xù)對實時溫度進行查詢，如遇溫度超出期望區(qū)間，則會報警，并且停止超聲波加工。溫控功能流程如圖4所示。

圖4 溫控流程圖

2.4 各項參數(shù)的監(jiān)控功能

各項功能在運行過程中，清洗液控制系統(tǒng)會針對關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控與相應動作的執(zhí)行。槽體內2種化學液閥門開啟時，系統(tǒng)會監(jiān)控各閥門的流量值，如遇流量值不達標，則會根據(jù)用戶預定的異常處理方案做相應的動作。當閥門關閉時，系統(tǒng)還會繼續(xù)監(jiān)控閥門閉合的嚴密性，為節(jié)約耗材提供了保障。

系統(tǒng)會實時讀取清洗液高度和循環(huán)液流量，如遇液位異常或循環(huán)液流量不達標，則會停止溫控功能和超聲波清洗。

在超聲波工作時，系統(tǒng)會監(jiān)控超聲波震板冷卻功能和循環(huán)功能是否正常，如遇異常則停機報警。

3 工藝驗證

選取晶圓表面顆粒數(shù)目相近且在200顆以下的二氧化硅晶圓作為測試對象,測試標準為考察0.2 μm及以上直徑大小的顆粒，對關鍵參數(shù)（化學清洗液流量、化學液溫度、化學液循環(huán)效果）進行實驗；通過兩組10片晶圓工藝過程的一致性測試，得到在相同實驗條件下清洗后表面清潔度狀況及粗糙度指標。

測試1組的10片晶圓統(tǒng)一經(jīng)過由系統(tǒng)正?？刂频那逑匆航莸某暡庸つK，后經(jīng)過后道工序進行刷洗和甩干。為重點考察關鍵參數(shù)，測試2組的10片晶圓統(tǒng)一經(jīng)過無循環(huán)、常溫的清洗液浸泡的超聲波加工模塊，后經(jīng)過后道工序進行刷洗和甩干。兩組實驗除了清洗液控制系統(tǒng)上的差異以外，其他測試環(huán)境均保持一致。

完成以上工藝過程的兩組晶圓，均由顆粒度檢測儀進行測量，表面粗糙度由顯微鏡（AFM）進行測試，目的是考察0.2 μm及以上直徑大小顆粒度的分布情況，測試1組與測試2組的代表性樣片實驗效果如圖5所示。

圖5 實驗效果圖

采用同樣的工藝、同樣的流程，超聲清洗模塊有無清洗液控制系統(tǒng)對整個清洗加工工藝起到了很大的作用,測試結果對比如表2所示。通過測試數(shù)據(jù)可以看出，未進行清洗液控制的測試組2，顆粒物個數(shù)很難控制在業(yè)界標準(顆粒度40及以下)以內，具有清洗液控制系統(tǒng)的晶圓測試組1的數(shù)據(jù)更加優(yōu)秀，全部達到業(yè)內優(yōu)秀的標準。

表2 測試數(shù)據(jù)對比

4 結束語

清洗液控制系統(tǒng)各項功能的運行保證了晶圓清洗效果的良好性，配合參數(shù)的監(jiān)控功能，更好地保證了加工的穩(wěn)定性和安全性，為超聲波清洗環(huán)節(jié)提供了穩(wěn)定的基礎，為實現(xiàn)“高效率、高質量、低損傷”的清洗效果提供了重要保障。