摘要：随着集成电路技术的不断发展，对芯片清洗工艺的要求也越来越高。高温SPM清洗技术作为一种先进的湿法清洗工艺，在芯片制造中发挥着重要作用。首先介绍了芯片制造中的湿法工艺，重点阐述了高温SPM清洗技术的原理和应用，分析了影响工艺性能的因素，并对高温SPM清洗的流场进

芯片制造高温SPM清洗技术流场分析

李俊，雷光宇

（中国电子科技集团公司第四十五研究所）

摘要：

随着集成电路技术的不断发展，对芯片清洗工艺的要求也越来越高。高温SPM清洗技术作为一种先进的湿法清洗工艺，在芯片制造中发挥着重要作用。首先介绍了芯片制造中的湿法工艺，重点阐述了高温SPM清洗技术的原理和应用，分析了影响工艺性能的因素，并对高温SPM清洗的流场进行了建模与仿真分析，为高温SPM清洗设备的优化设计提供了理论依据。

湿法工艺是指芯片制造过程中需要使用化学药液进行制程的工艺，主要涉及槽式/单晶圆湿法清洗、超临界流体湿法清洗、化学机械抛光、电化学沉积设备等几大类，用于半导体制造过程中去除污染物、蚀刻多余材料、沉积薄膜等关键步骤[1]。其中，湿法清洗设备针对不同工艺需求，采用特定的化学液对晶圆表面进行清洗，以去除芯片制造中上一道工序所遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、有机物残留物，为下一步工序准备好良好的表面条件。清洗工艺是保证芯片表面洁净度的重要环节，直接影响后续工艺的进行和芯片的质量[2]。湿法清洗工艺主要分为碱清洗、酸清洗、溶剂清洗和超临界流体清洗等类型，其中高温SPM清洗技术是近年来发展起来的一种高效清洗工艺，其技术产线应用见表1。

高温SPM工艺一般用于去除晶圆上的有机污染物，使用浓硫酸和双氧水的混合物， H2SO4与H2O2体积比为2:1~8:1，清洗温度90~280 ℃，这一过程中使用红外加热器将硫酸瞬间加热到130 ℃以上是一项关键技术，同时防止烟雾对设备的腐蚀也非常重要。

清洗过程的反应原理是利用浓硫酸与双氧水生成活性氧，将有机物氧化为CO2和水，达到去除有机污染物的目的，反应方程式为：

传统 的 S P M 清 洗 是 在 槽 式 清 洗 设 备 中 使 用 硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)进行的，用于在光刻胶剥离、蚀刻后清洗、注入后清洗和化学机械抛光（CMP）后清洗等[3]。随着关键尺寸的缩小，槽式设备无法达到28 nm以下技术节点所需的清洁性能，需要使用单晶圆SPM清洗处理设备，然而，单晶圆SPM工艺需要将SPM混合物加热到高温，这就需要使用大量化学品，并在此过程中释放硫酸废料，从而对环境造成危害[4]。

先进湿法清洗设备采用两步法结合槽式清洗和和单晶圆清洗的优势，首先使用槽式模块进行批量SPM清洗，然后进行快速倾倒冲洗（QDR）。晶圆在湿润状态下被转移到单晶圆模块，使用工业标准湿法清洗工艺（RCA）或其他工艺化学品进行进一步清洁，在单晶圆步骤中不使用H2SO4，从而减少了化学品的使用与浪费。

1 高温SPM清洗工艺性能影响因素

1.1 清洗液温度

清洗液温度是影响高温SPM清洗工艺性能的最重要因素之一，槽式设备通过在线循环加热控制清洗液的温度，高温（180 ℃以上）SPM制程，对离子植入后的光阻有较好的去除能力。对单晶圆设备而言，在硫酸和双氧水喷射到晶片的同时，由位于晶片上方的红外灯辐射，使得SPM在短时间升温至工艺温度。

1.2 清洗液浓度

清洗工艺中各化学品的配比确定后，需保证清洗液浓度稳定，但有机污染物的氧化反应及H2O2在高温下的分解，都会产生副产物H2O，溶液组分很难维持恒定，需要通过机台定时向SPM清洗液中添加化学品，以维持清洗液浓度。

1.3 清洗液流动方式

清洗液流动方式也会影响高温SPM清洗工艺性能，不同的流动方式会对晶圆表面的清洗效果产生不同的影响。槽式设备通过浸泡的方式进行清洗，工艺槽内流场的稳定是影响清洗效果的关键因素，当晶圆在化学工艺槽内浸泡清洗时，若槽内化学药液流速不均，扰流较大，则容易造成清洗死角，影响晶圆的性能及良率。通过合理的槽体设计，避免流场出现死区或短路等不良情况，保证槽内药液流动的均匀性。单晶圆设备通过喷淋方式去除晶圆表面污染物，通过摆臂与晶圆旋转的配合保证清洗液在整个晶圆的均匀覆盖。

2 高温SPM清洗建模与仿真分析

2.1 槽式设备流场数学模型

在对槽式设备工艺槽内化学品流场进行数学求解时，通常将液体在槽内的流动视为定常不可压缩流动，流动状态为湍流，湍流模型采用标准k-ε模型，其控制方程为：连续性方程：

式中：ux为x方向上的速度分量；vy为y方向上的速度分量；wz为z方向上的速度分量。

Navier-Stokes方程为：

式中：ρ为药液流体的密度；μ为流体的黏度系数；Fx为x方向上的分力；Fy为y方向上的分力；Fz为z方向上的分力。

湍动能k和耗散率ε方程为：

式中：Gk为平均速度梯度引起的湍动能；Gb为浮力引起的湍动能；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；σk为湍动能对应的普朗特数；σε为湍动耗散率对应的普朗特数；Sk、Sε为自定义源项；Prt为湍流普朗特系数；β为热膨胀系数；gi为重力加速度在i方向上的分量；Mi为湍动马赫数；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；T为流体温度；t为时间。

2.2 槽式设备流场仿真分析

基于Fluent有限元分析软件，采用k-ε计算模型评估槽式湿法清洗中的流场，为了提高模型的计算效率，将槽体的圆角、倒角等不影响分析结果的尺寸进行简化处理，模拟中考虑进液孔入射角度及进液管位置对槽体流场的影响，如图1所示。

化学液通过进液管上的进液孔进入槽体，将进液管口设置为质量流入口；液体经槽体顶部的溢流孔排出至外槽，设置溢流孔为压力出口；质量流量大小通常根据厂方及槽体结构尺寸而定，这里设置为0.2 kg/s。

固定 进 液 管 距 离 槽 体 侧 壁 的 相 对 距 离 ， 评 估不同喷嘴角度下得到槽内化学液真实流动状态，流速如图2所示。可以看出，进液孔入射角度较小（θ=15°）时，槽内底部药液流速较快，中间区域药液流速较低，不利于晶圆清洗；进液孔入射角度较大（θ=60°）时，药液沿侧壁流速较快，且容易形成短路，槽内中间位置的晶圆区域形成死区，不利于晶圆清洗；中间入射角度在θ=30°时，槽体内流动形成涡流，晶圆两侧与片盒接触的部分速度场分布较低，不利于晶圆清洗。当进液孔入射角度θ=45°时，速度场分布良好，清洗效果最为理想，由此可确定最佳的进液孔入射角度为45°。

固定喷嘴角度θ=45°，评估不同进液管到槽体侧壁的相对距离下得到槽内化学液真实流动状态，云图如图3所示。可以看出，进液管距离侧壁较近（l=25 mm）时，槽体底部位置晶圆与片盒接触的部分速度场分布较低，不利于晶圆清洗；进液管距离侧壁较远（l=75 mm或l=100 mm）时，两根进液管距离过近，槽体内流动形成涡流，晶圆两侧与片盒接触的部分速度场分布较低，不利于晶圆清洗。只有进液管与侧壁距离适中（l=50 mm）时，槽内中间位置的晶圆区域速度场分布良好，清洗效果最为理想，由此可确定最佳的进液管位置据侧壁50 mm。

2.3 单晶圆设备流场分析

在单晶圆清洗设备中，清洗液通过喷嘴喷向旋转晶圆的表面，再借助晶圆旋转的离心作用实现整个晶圆的覆盖。通过大量的实践，喷嘴通常设置在非中心位置，并允许摆动，而描述这种非对称几何形状的数值模型需要巨大的计算成本，单晶圆设备的流动可通过可视化而不是计算来进行快速评估。

Habuka Hitoshi等[5]通过使用视频摄像机和水溶性蓝色墨水示踪剂作为示踪剂，研究了单晶圆湿法清洗设备中的水流运动。当将示踪剂与水一起从旋转晶圆中心注入时，它从中心到晶圆边缘对称地扩散在旋转的晶圆表面上。除了中心区域外，水在晶圆表面的径向速度在各种晶圆旋转速率下变化可以忽略不计。

旋转达到稳定后，晶圆表面存在的一层非常薄且狭窄的液膜，在半径为r的位置，局部厚度d可以通过流量与平均径向速度之间的关系来获得：

式中：Q为化学品流量；d为液膜层的厚度；vr为化学品的径向平均速度；r为狭窄液膜层的位置；Δr为狭窄液膜层的宽度。

液膜层厚度随着旋转速率的增加而减小。评估水层厚度在500~1 400 r/min的旋转速率范围内约为0.1 mm。

此外，Lin Tee等[6]通过模拟，分析不同喷嘴类型和周期振荡速度对液膜厚度均匀性的影响，相较于单喷嘴摆臂，双喷嘴能够提高液体薄膜的厚度和稳定性，并且其厚度变化量比单喷嘴更低。

3 结论

高温SPM清洗技术是一种高效、环保的芯片清洗工艺，在芯片制造中发挥着重要作用。本文介绍了高温SPM清洗技术的原理和应用，分析了影响工艺性能的因素，其中，清洗液的温度、浓度以及流动方式被证实为影响清洗效果的关键因素。为了进一步揭示高温SPM清洗技术中流场分布规律，本文利用数值模拟对高温SPM清洗的流场进行了建模与仿真分析，研究发现，当进液孔入射角度适中（θ=45°），进液管与侧壁距离适中（l=50 mm）时，清洗液能够形成理想的流场分布，获得最佳的清洗效果。本研究结果为高温SPM清洗设备的优化设计提供了重要的理论依据，通过优化进液孔的入射角度和进液管与侧壁的距离，可以进一步提高清洗效率。

来源：半导体封装工程师之家一点号