电子工业苣用设备　｜ｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒ伽　Ｐ】　蝴　ｈｍ如ｃｌｌｌ　－　清洗技术与设备　

单晶圆兆声清洗技术研究　

及兆声喷头方案优化　

刘永进，杜建科，冯小强　

ｆ中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京１０１６０１）　

摘　要：基于单晶圆兆声清洗的原理，分析了针对单晶圆兆声清洗的多种方案的优缺点，提出了适　

合单晶圆兆声清洗的优化方案。　

关键词：单晶圆；兆声；清洗　中图分类号：ＴＨ１３２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—４５０７（２０１１）Ｏ１－００１５—０３　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｆｅｒ　Ｍｅｇａｓｏｎｉｃ　Ｃｌｅａｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　

Ｍｅｇａｓｏｎｉｃ　Ｎｏｚｚｌｅ　

ＬＩｕ　Ｙｏｎｇｊｉｎ．ＤＵ　Ｊｉａｎｋｅ，ＦＥＮＧ　Ｘｉａｏｑｉａｎｇ　

（Ｔｈｅ　４５ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０１６０１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ—ｗａｆｅｒ　ｍｅｇａｓｏｎｉｃ　ｃｌｅａｎｉｎｇ，ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ａｎｌｙｓｉｓｅｄ，ａｎｄ　ａｎ　ｉｍ—　

ｐｒｏｖｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｆｅｒ；Ｍｅｇａｓｏｎｉｃ；Ｃｌｅａｎｉｎｇ　

目前，在国外单晶圆兆声清洗技术己得到了较　深入的研究＿１］并在设备中己广泛应用。ＳＳＥＣ公司等　

单晶圆设备制造商都有自己专利的兆声喷头和比较　

成熟的清洗工艺，本多电子、ＢＲＡＮＳＯＮ、　

ＳＯＮＯＳＹＳ、ＰＲＯＳＹＳ等超声生产厂商也都有针对单　晶圆清洗的兆声喷头产品。但是由于国内单晶圆清　

洗技术还处在起步阶段，对于晶圆的兆声清洗技术　

也还处于槽式批量清洗阶段，所以国内对于单晶圆　

的兆声清洗技术还是少有研究。　

收稿日期：２０１０—１１－０ｌ　１单晶圆兆声清洗技术的必要性　

１．１单晶圆清洗技术的必要性　

随着３００　ｍｍ圆片和９０　ｎｍ工艺时期的到来，　

传统的批处理清洗技术在诸多工艺因素的驱动下　已难以适应湿法清洗，制备工艺过程中需要引入新　

型的清洗工艺，以确保ＩＣ规格、性能指标及可靠性　不因污染影响而下降。此外，湿法批处理技术也无　

法满足快速热处理工艺和ＣＶＤ技术。基于此，驱使　清洗技术与设备　

清洗设备向单片式发展的主要因素仃：　

・降低大商径圆片批处理中成品率损失的风险；　

・批处理：Ｌ艺中圆片传递的交叉污染；　

・圆片的背面、斜面和边缘清洗的要求；　

・减少薄膜材料的损失；　

・化学机械抛光（ＣＭＰ）后的刷洗技术；　

・适用于多品种、小批最的产品。　为了满足＿卜述要求，单圆片清洗技术得到了半　

导体业界更多的认同，目前众多的晶圆代　ｒ　、超　

大规模集成电路（ＶＬｓＩ）和ＵＬＳＩ制造业都逐步倾　向于引进单圆片湿法清洗技术，以降低批处理清洗　

中交叉污染的风险。　

１．２兆声清洗的原理　兆声波清洗技术【２＿　１不但保存了超声波清洗的　

优点，而月Ｊ克服了它的不足。兆声波清洗的机理是　

由高￣（８５ｏ　ｋＨｚ）频振效应并结合化学清洗剂的化　学反应对晶圆片进行清洗。在清洗时由换能器发出　

波长为１．５　ｍ频率为０．８　ＭＨｚ的高能声波。溶液　

分子在这种声波的推动下做加速运动，最大瞬时速　

度可达到３０　ｃｍ／ｓ。因此形成不了超声波清洗那样　的气泡，而只能以高速的流体波连续冲击晶片表面，　

使抛光片表面附着的污染物和细小微粒被强制除　

去并进入到清洗液中。兆声波清洗抛光片可去掉晶　

片表面上小于０．２　ｍ的粒予，起到超声波起不到　

的作用。这种方法能同时起到机械擦片和化学清洗　

两种方法的作用【４＿。　

２存在的问题分析　

般的单晶圆兆声清洗方式都是采用尖嘴形　兆声喷头，在晶圆旋转的同时，兆声喷头做扫瞄运　

动，达到对整个晶圆清洗的效果，如图１所示。　

兆声喷头　，　。：，，、扫描运动　

ｒ　｜ｌ　。　摆留　Ｉ　。（ｊ　、～晶圆旋转　

图１单晶圆兆声清洗原理图　电子工业董用设备　－　

由于尖嘴式兆声喷头尖嘴直径一般只有２～４　ｍｍ，　

相对于晶圆片可以看做一个点，且尖嘴式兆声喷头　的能量主要集中于喷嘴处，所以尖嘴式兆声喷头对　

晶圆片能量相当于一点作用。虽然晶圆旋转的同时　

喷头做扫描运动在足够长的时间里可以将整个晶圆　

片覆盖，但会出现如图２所示的效果。时间较短时如　

图２（ａ）所示，随着时间的延长，能量扫略过的的区　

域如图２（ｂ）所示。即应用尖嘴式兆声会　现在晶圆　片上能量分布不均的情况，有的区域被重复清洗，而　

有的区域却没有被清洗到。如果要所有的区域都被　

清洗干净，就必须大幅度的延长清洗时间，影响效　

率。并日．有研究ｌ　５ｌ已表明，过度的清洗会造成晶圆片　

的损伤。因此必须提高兆声清洗的均匀性。　

短时间兆商箭骺能旱＝分　长时间兆声清洗后能量分布　

图２尖嘴式兆声在晶圆上能量分布　

３提高兆声清洗均匀性的方案及可行性论证　

方案一：将尖嘴式喷头换成石英材质的半面喷　

头，如图３所示，这样在喷头底平面与品圆之间形　成　层水层，兆声清洗的面加大。兆声波从换能器　

中发射出，经过兆卢喷头内的水层，再经过石英层，　

到达喷头ｌ平面与晶圆之间的水层。　

但是由于石英的密度大于水的密度，所以大部　

分的兆声波被喷头内部兆声头平面反射回兆声换　能器，这样不但达小到预期的清洗效果，而且对换　

能器有较大的损害。　方案二：将兆声振子直接粘贴ｆ石英上平面，　

即去掉兆声振予与喷头问的水层，消除低密度面到　

高密度面造成的对兆声波的反射作用（如图４所　示），兆声能量覆盖的晶圆面积增大。ＤＩ水由喷头　

侧面射向喷头底部。

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晶圆　ｌ　

（ａ）尖嘴式兆声喷头　（ｂ）改进后的兆声喷头　

图３尖嘴式兆声喷头的尖嘴改成平嘴示意图　

ＤＩ水　品　４结论　

图４压电陶瓷直接粘贴在石英振板表面示意图　

但是，由于石英的易碎特性，这种形式的兆声喷　头无法做到大功率，否则高能兆声波会将石英层振　

裂，并且在兆声作用下，石英层会不断有微小的石英　

颗粒剥落，对晶圆造成＿＿二次污染。同时，由于ＤＩ水是　

从喷头侧面注入，兆声振板与晶圆之间水膜形成效　果不理想，经常夹杂有气泡，影响清洗效果。　

方案三：如果取第一种方案的水膜形成优势和　

第二中方案的兆声能量的大面积覆盖，则形成了图　５所示的方案。同时参考Ｐｒｏｓｙｓ兆声，兆声头底面　

材料采用蓝宝石。蓝宝石坚硬的优点使得兆声能量　

能够做的较大，但是蓝宝石材料昂贵，同时也使得　

这种方案成本较高。　

方案四：如图６所示，将尖嘴式兆声喷头与晶　圆成一定的角度，这样在晶圆上形成兆声波能量成　

一条线，在晶圆旋转的同时，移动兆声喷头，以线能　

量扫略晶圆，能量将比以点能量扫略晶圆均匀。这　

种方案虽然兆声能量仍然不能非常均匀的分布，但　

是从综合成本和清洗效果两种因素考虑，这种方案　较为实用。　ＤＩ水入　源线及　冷管路　

图５圆盘式兆声喷头示意图　

晶圆　一　

图６尖嘴式兆声倾斜清洗示意图　

本文指出了　晶圆兆声清洗的优势，基于兆声清　

洗的原理，分析了尖嘴式兆卢喷头的缺点，提出了针对　

单晶圆兆声清洗的多种改进方案，并分别进行了可行　性论证，最后提出了适合单晶圆兆声清洗的优化方案。　

参考文献：　

［１］　Ｍ．Ｊ．Ｃａｌａｗａｙ，Ｍ．Ｃ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，Ｊ．Ｈ＿Ａｌｌｔｏｎ３，ａｎｄ　Ｅ．Ｋ．　Ｓｔａｎｓｂｅｒｙ．Ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｎｇ　ｓｏｌａｒ　ｗｉｎｄ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｓｉｓ　ｕｌｔｒａ—ｐｕｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｍｅｇａｓｏｎｉｃ　ｗａｆｅｒ　ｓｐｉｎ　ｃｌｅａｎｅｒ［Ｃ］．　４０ｔｈ　Ｌｕｎａｒ　ａｎｄ　Ｐｌａｎｅｔａｒｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００９，１　１　８３．　［２］　赵权．半导体单晶抛光片清洗工艺分析『Ｊ］．半导体技术，　２００７．３２（１２）：１０４９一ｌＯ５１．　［３］　李仁．兆声清洗技术分析及应用［Ｊ］．电了工业专用设备，　２００４　３３（１　１：６３—６６．　【４】　刘传军，赵权，刘春香，杨洪星．硅片清洗原理与方法综　述［ＪＪ．半导体情报，２０００，３７：３０—３６　［５］Ｐ．Ｍｅｒｔｅｎｓ　ｅｔａ１．Ｄａｍａｇｅ—ｆｒｅｅ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　ｎａｎｏ—ｓｉｚｅｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｈｅａｄｉｎｇ　ｔｏｗａｒｄｓ　ａ　ｒｅｄ　ｂｒｉｃｋ　ｗａｌｌ［Ｃ］．ＩＳＭＴ：　Ｗａｆｅｒ　Ｃｌｅａｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，２００３．　

—址．　．Ｓ止．址—　ｌ上—　屯　—　—　—　址．址．址．址—；　—喜ｔ—　屯　Ｓ屯．Ｓ屯．Ｓ屯　作者简介：刘永进（１９８３一），男，毕业于哈尔滨工业大学机械　电子专业，目前主要从事单晶圆清洗设备的研究。