綠色新星

                     ——超臨界二氧化碳無(wú)損清洗設(shè)備

        隨著半導(dǎo)體線寬的不斷減小，傳統(tǒng)的濕法清洗技術(shù)已在多方面無(wú)法滿足當(dāng)前半導(dǎo)體發(fā)展對(duì)清洗技術(shù)和設(shè)備的要求。水等普通溶劑由于表面張力過(guò)大不能滲透到既小又深的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行清洗，許多殘留的異物皆無(wú)法完全移除，另外干燥時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的顆粒吸附；水溶劑是強(qiáng)極性分子，清洗后會(huì)使硅片表面羥基化，羥基終端會(huì)吸附金屬陽(yáng)離子造成二次污染，直接導(dǎo)致CMOS柵漏；晶圓的多孔介質(zhì)材料會(huì)由于水的表面張力造成微孔結(jié)構(gòu)的塌陷，引起介電常數(shù)的增高。這些在客觀上要求開(kāi)發(fā)出新的半導(dǎo)體清洗工藝。
        近日，中科院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝中心景玉鵬研究員課題組成功自主研發(fā)出超臨界二氧化碳無(wú)損傷清洗設(shè)備。相對(duì)用等離子法清洗，該方法不會(huì)對(duì)硅片造成損傷，同時(shí)可減少工藝步驟，節(jié)省時(shí)間，提高工作效率。
        硅片清洗是集成電路制造過(guò)程中用得最多的工藝步驟，幾乎每道主要工序的前后都需要進(jìn)行清洗工作，其目的是在不破壞硅片表面特性及電特性的前提下，有效地去除殘留在硅片表面的顆粒、金屬離子及有機(jī)物等污染物和雜質(zhì)。隨著集成電路的集成度升高，制造工序增多，清洗的工序也就越多。在目前的集成電路工藝中，大約1/3的步驟為硅晶片清洗工序。清洗不佳引起的器件失效超過(guò)了集成電路制造中總損失的一半。清洗技術(shù)已成為微電子加工中的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
        從目前半導(dǎo)體清洗工藝發(fā)展來(lái)看，傳統(tǒng)濕法清洗已經(jīng)到了清洗潔凈度的極限。從一些初期試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，以超臨界二氧化碳為媒介的清洗技術(shù)是克服以上缺點(diǎn)的最佳途徑，超臨界二氧化碳的表面張力很小，黏度低，并且擴(kuò)散能力和溶解能力很高，適合作為有機(jī)溶劑清洗劑的替代品。二氧化碳超流體清洗技術(shù)已在日本等半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展大國(guó)開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)。2007年7月31日，二氧化碳超流體清洗技術(shù)已被美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體發(fā)展戰(zhàn)略定為在2010年進(jìn)入實(shí)用階段的下一代清洗技術(shù)。
        除了中國(guó)科學(xué)院微電子研究所以外，國(guó)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)研究的其它單位有大連理工大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、西安交通大學(xué)等。也有企業(yè)參與相關(guān)研究，擬將二氧化碳超臨界流體作為清洗媒體，但均未形成產(chǎn)業(yè)化的成型設(shè)備。
        如圖1所示，景玉鵬課題組自主研發(fā)的超臨界二氧化碳無(wú)損傷清洗設(shè)備主要由二氧化碳制冷系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、動(dòng)力源部分、清洗腔室、噴嘴以及過(guò)濾分離裝置等組成。二氧化碳制冷系統(tǒng)由全封閉制冷壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、裝有螺旋式盤管的冷箱、溫度控制器等組成，溫度最低可以達(dá)到-15℃。冷循環(huán)系統(tǒng)確保實(shí)現(xiàn)液體二氧化碳一邊在清洗工作回路中流動(dòng)一邊在制冷回路中流動(dòng)。
        動(dòng)力源部分主要包括CO2泵、添加劑泵。其中CO2泵采用恒壓恒流泵，壓力可達(dá)10Mpa，流量為1～60mL/min，穩(wěn)定性好，有流量顯示記錄。添加劑泵采用非圓齒輪或線性凸輪驅(qū)動(dòng)的平流泵，最大壓力為10Mpa，流量20mL/min?？梢詫?duì)流量、壓力等實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)需要，添加劑可以通過(guò)該平流泵加入到混合器中與二氧化碳進(jìn)行充分的混合，用于去除純二氧化碳無(wú)法清洗干凈的顆粒和雜質(zhì)。
        溫度控制系統(tǒng)有4套，分別對(duì)清洗腔室、兩個(gè)分離器和制冷系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制和測(cè)量。
        圖2為清洗腔室的內(nèi)部照片，清洗腔室主要用于硅片清洗和干燥過(guò)程，設(shè)計(jì)有卡口式快開(kāi)結(jié)構(gòu)，并在頂部預(yù)留一個(gè)可視窗口，用以實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)過(guò)程。其操作壓力和溫度可控制在10MPa和-15～200℃范圍內(nèi)；采用內(nèi)加熱的加熱方式，使內(nèi)部溫度極易控制；外部采用保溫套和水夾套。
        過(guò)濾分離裝置I和II用于實(shí)現(xiàn)二氧化碳和清洗廢液以及顆粒、污染物的分離。采用兩個(gè)分離器的目的是為了徹底地與雜質(zhì)分離，避免二氧化碳在循環(huán)過(guò)程中又把污染物帶進(jìn)反應(yīng)腔室中。同時(shí)確保了系統(tǒng)管路暢通、不堵塞。整個(gè)操作過(guò)程采用電腦自動(dòng)化控制，通過(guò)對(duì)溫度和壓力的精確控制，實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳的循環(huán)使用，并設(shè)計(jì)了安全保護(hù)裝置，確保人身及設(shè)備的安全。
        超臨界無(wú)損清洗基本工藝流程簡(jiǎn)介如下：首先開(kāi)啟冷循環(huán)制冷，達(dá)到一定的工作溫度后，打開(kāi)CO2鋼瓶閥門，并開(kāi)啟CO2泵加壓。液態(tài)CO2經(jīng)凈化罐除去殘留在其中的油類等雜質(zhì)后，進(jìn)入混合腔室中存放于冷卻的儲(chǔ)罐中。若需要加入添加劑，則同時(shí)將添加劑通過(guò)平流泵，按照預(yù)設(shè)流量加入到混合腔中，與液態(tài)CO2進(jìn)行充分的混合。均勻的混合液通過(guò)導(dǎo)管以較高的傳輸速率進(jìn)入清洗腔室后，關(guān)閉閥門一。當(dāng)管道內(nèi)的液態(tài)CO2的壓力達(dá)到7.4Mpa后，開(kāi)啟加熱裝置直至溫度達(dá)到32℃，此時(shí)管道中的CO2便進(jìn)入超臨界狀態(tài)，緩慢打開(kāi)閥門一，使攜有添加劑的超臨界CO2通過(guò)噴嘴對(duì)清洗腔內(nèi)硅片架上的待處理硅片進(jìn)行吹洗，同時(shí)托盤按一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以保證本環(huán)節(jié)的均勻性。該過(guò)程主要利用超臨界CO2的強(qiáng)滲透能力和溶解及溶脹作用，配合添加劑的螯合和改性等作用使污染物與硅片脫離，達(dá)到清洗硅片的目的。清洗結(jié)束后，CO2混合液進(jìn)入分離器減壓，CO2 從混合液中以氣態(tài)形式析出，并經(jīng)冷凝壓縮后循環(huán)使用，而其他清洗過(guò)程產(chǎn)生的污染物則通過(guò)分離器的排污閥排出。該工藝流程與傳統(tǒng)的濕法清洗技術(shù)相兼容，并集超臨界清洗和超臨界干燥與一體。 
硅片表面在整個(gè)清洗及其后的超臨界干燥過(guò)程中并未出現(xiàn)氣液界面，因此精細(xì)的微結(jié)構(gòu)不會(huì)被界面張力所破壞，更不會(huì)發(fā)生等離子清洗等干法清洗帶來(lái)的襯底損傷。
        與其他半導(dǎo)體清洗設(shè)備相比，超臨界無(wú)損清洗設(shè)備有許多創(chuàng)新之處：首先，本設(shè)備針對(duì)亞32nm工藝節(jié)點(diǎn)和納米尺度的器件，具備技術(shù)前沿性。同時(shí)由于超臨界流體的自身無(wú)表面張力特征，突破傳統(tǒng)清洗微細(xì)結(jié)構(gòu)粘連脫膠的極限。第二，本設(shè)備使用二氧化碳來(lái)完成清洗過(guò)程，大量節(jié)水并消除了半導(dǎo)體工業(yè)的環(huán)境代價(jià)。第三，面對(duì)當(dāng)前對(duì)金屬污染無(wú)很好的清洗方法的窘境，本清洗設(shè)備可以根據(jù)污染的金屬種類添加金屬螯合物來(lái)包裹金屬離子，最后用超臨界流體沖洗以實(shí)現(xiàn)金屬離子清洗。第四，二氧化碳循環(huán)使用，克服了國(guó)外現(xiàn)有設(shè)備高能耗高二氧化碳消耗量的不足。
        隨著社會(huì)的科技水平和人們的生活品質(zhì)不斷提高，電子元件的設(shè)計(jì)向更加密集的方向發(fā)展，同時(shí)要求制造工藝在滿足環(huán)保要求、降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提供更高的良率，而傳統(tǒng)清洗技術(shù)則在半導(dǎo)體技術(shù)向更小工藝節(jié)點(diǎn)前進(jìn)時(shí)顯得越來(lái)越力不從心。
        半導(dǎo)體工業(yè)，不應(yīng)該是大量耗水以及高污染的代名詞。超臨界無(wú)損清洗設(shè)備不僅能使清洗技術(shù)走出窘境，并且借由超臨界二氧化碳溶解度可控、力學(xué)性質(zhì)可調(diào)等特質(zhì)，在適于更小工藝節(jié)點(diǎn)的可控涂膠、無(wú)水顯影、超臨界物理成膜和化學(xué)成膜、各向異性刻蝕等方面均有極好的應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)見(jiàn)，以現(xiàn)有超臨界無(wú)損清洗設(shè)備為基礎(chǔ)，積極開(kāi)發(fā)以二氧化碳為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體成套工藝平臺(tái)，將推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。                                           責(zé)編/劉 亮