引言

為了確保高器件產量，在半導體制造過程中，必須在幾個點監控和控制晶片表面污染和缺陷。刷式洗滌器是用于實現這種控制的工具之一，尤其是在化學機械平面化工藝之后。盡管自20世紀90年代初以來，刷子刷洗就已在生產中使用，但刷洗過程中的顆粒去除機制仍處于激烈的討論之中。這項研究主要集中在分析擦洗過程中作用在顆粒上的力。

這項方法著重于分析作用在顆粒上的力和力矩，以揭示擦洗過程中顆粒的去除機理。首次研究了刷洗過程中刷狀粗糙體/基底的接觸幾何形狀。然后用理論和實驗相結合的方法確定不同潤滑方式下的力和力矩。最后，通過對力和力矩的分析，解釋了實驗結果，并找出了顆粒去除的機理。

實驗

測試晶片是200毫米p型硅，150納米氮化物層沉積在15納米襯墊氧化物上。使用前，使用O3-last Imec-clean清洗晶片。顆粒為膠體二氧化硅顆粒，直徑分別為20、34、78和126納米。晶片的受控污染是通過浸入pH ≈ 0(鹽酸)的顆粒污染浴中，然后過流沖洗和馬蘭戈尼干燥來實現的。基于霧度法，最終粒子表面濃度(σpsc)是通過使用光散射裝置測量晶片的霧度來確定的。

結果和討論

潤滑制度：

根據潤滑狀態，顆粒受到不同類型的機械力和力矩:邊界潤滑狀態下的接觸力(或力矩)，流體動力潤滑狀態下的流體動力(力矩)。因此，我們首先確定不同刷/晶片相對速度和壓力下的流體膜厚度h(圖2)。顯然，h隨速度增加，但隨壓力減小，h與所研究的顆粒大小在同一范圍內。然而，這個厚度只是整個晶片的平均值。實際上，當系統運動時，局部壓力變化很大，最大壓力可以高達平均值的3.5倍，這意味著一些局部刷狀粗糙體可以與晶片表面更緊密地接觸。根據圖2a的推斷，在15千帕的最大局部壓力下，膜厚度可以是40納米。考慮到典型聚乙烯醇刷子的表面粗糙度在幾十微米，刷子/晶片接觸被認為是混合潤滑，即刷子與晶片/顆粒部分接觸，與流體部分接觸。

圖2 平均薄膜厚度與(a)速度0.38m/s下的平均刷/基底壓力，(b)壓力4.4kPa下的刷/晶片相對速度

移除機制：

為了理解移除機制，進行了力分析。表1給出了平均壓力為4.4千帕時的結果。它表明，在接觸和非接觸模式下，由于提升力Fvdw-b小于總附著力，粒子不能被直接提升。然而，只要考慮力矩，粒子就可以在非接觸模式下被拖曳力滾離。然而，請注意，阻力(FD)和接觸力(Fvdw-b+ Ff+Fel-b-Fload)的值隨著壓力的增加而增加，這表明提升也可能有助于在接觸模式下去除顆粒。

當壓力足夠高時(在系統運動時壓力較高的局部區域)，我們的受力分析表明，34nm粒子也可能被直接抬升。考慮到接觸模式下的主要移除力Fvdw-b與粘附力共享相同的杠桿臂，顆粒也可以被滾下和提起。因此，可以得出結論，在擦洗期間，顆粒可以通過拖曳力矩的主要移除力矩以非接觸方式從基底上滾下，而它們可以通過刷子/顆粒范德華力或力矩的主要移除力以接觸方式被提升或滾下。

粒度的影響：

圖3表明大顆粒比小顆粒更容易去除。這是因為(I)大顆粒有更多的機會與刷子直接接觸，以及(2)大多數去除力是與顆粒尺寸的平方成正比，而附著力僅與顆粒尺寸成正比。

化學的影響：

從我們的詳細力分析(部分在表1中)中可以看出，靜電力或力矩在一定程度上有助于從晶片上提起/滾動粒子，但作用不大。然而，一旦粒子離開表面，該力就變得重要，因為1)由于零粒子/晶片接觸面積和增加的粒子/晶片分離距離，先前占主導地位的粘附力Fvdw-s急劇下降；2)由于接觸面積減小，先前較大的接觸力顆粒/刷減少(當刷離開晶片時，變形的刷粗糙將恢復到原始形狀)。事實上，我們的力分析表明，靜電力粒子/晶片和粒子/刷子與相應的吸引范德華力一樣大，甚至更大，因此它們可以根據酸堿度確定粒子再沉積、刷子負載和交叉污染的可能性。實驗上，我們在酸堿度為10時觀察到良好的預吸附，但在酸堿度為4時去除非常差，這部分證明了我們的理論。

表1 在洗滌過程中，氮化物襯底上34納米硅顆粒上的力和力矩的概述

總結

在擦洗過程中，刷狀粗糙體和基底之間的接觸幾何形狀處于混合潤滑狀態：一些局部區域處于流體動力潤滑狀態，而另一些處于邊界潤滑狀態。刷子擦洗中的顆粒去除是一個兩步過程：1)顆粒通過提升/滾動釋放，在非接觸模式下通過流體動力阻力(力矩)釋放，或者在接觸模式下通過刷子/顆粒范德華力(力矩)釋放(混合潤滑中的兩個平行機構)；2)如果提供合適的pH條件，靜電雙層力將顆粒從表面移開，并使它們保持懸浮在流體中。刷子/基底壓力和刷子/晶片相對速度都對擦洗過程中的顆粒去除效率有積極影響。

　　審核編輯：湯梓紅