激光清洗硅片表面颗粒沾污的试验研究

摘要

随着超大规模集成电路的发展，硅片尺寸将不断增大，刻线宽度从亚微米向纳米级发展。基体表面的亚微米级污物足以导致芯片的缺陷产生，因此对半导体硅片表面质量的要求也越来越严格。传统的清洗方法，如RCA清洗、机械刷片清洗、超声波清洗等，或者不能有效的去除微米亚微米级颗粒，或者即使能够去除，但会对基体表面造成一定程度的损伤，同时，大量有毒化学试剂的使用也会对环境造成危害。激光清洗是一种新型的非接触式清洗技术，它具有清洗效率高、可灵活选择清洗区域、无环境污染等优点，在清洗阈值和损伤阈值之间的能量密度范围内，即可满足表面洁净技术的要求，又不破坏硅片表面的原始形貌，是一种非常具有发展潜力及实用价值的清洗技术。 本文通过分析颗粒与基体表面的粘附力形式，建立了激光干法清洗硅片表面颗粒沾污的几何模型，并建立热传导模型，利用有限元分析软件MSC.MarC模拟硅片表面的温度场分布，通过理论计算，量化了颗粒所受到的清洗力以及其与硅片表面之间的粘附力，预测出1μmAl2O3和1μmCeO2颗粒的理论激光清洗阈值分别为60mJ/cm2和50mJ/cm2，而0.5μmAl2O3颗粒的清洗阈值已大于150mJ/cm2。 在理论分析的指导下，利用1064nm、0.5ms的Nd：YAG激光和248nm、30ns的KrF准分子激光进行单因素试验，研究了激光脉宽、能量密度、脉冲个数、激光束入射角度对激光干法清洗结果的影响，验证了清洗机理，得出了KrF准分子激光干法清洗硅片表面1μmAl2O3颗粒的实际清洗阈值和损伤阈值分别为30～40mJ/cm2和320mJ/cm2，0.5μmAl2O3颗粒的清洗和损伤阈值分别为30～40mJ/cm2、300mJ/cm2，1μmCeO2颗粒的清洗阈值为10～20mJ/cm2，而损伤却几乎出现在整个清洗过程。 利用光学显微镜和3D表面形貌仪检测了清洗前后的硅片表面形貌，研究了表面损伤原因，进一步验证了激光干法清洗机理，并发现硅片表面亚损伤状态的存在，虽然表面形貌没有出现明显破坏，但硅片表面粗糙度已经增加。 通过对清洗前后硅片表面光学显微镜照片的分析，利用MATLAB软件图像处理功能，编写了硅片表面激光干法清洗结果的评价程序，用以统计清洗前后硅片表面所选区域的颗粒个数，从而确定激光清洗效率。 本文针对以上内容，在激光清洗机理、参数选择以及结果检测方面进行了系统的研究，论文工作将对这一技术向实用的推广起到积极的作用。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1课题背景

1.2硅片表面清洗现状

1.2.1美国RCA清洗法

1.2.2机械刷片法

1.2.3超声波清洗

1.2.4兆声波清洗

1.2.5其它清洗新方法

1.3激光清洗的发展及研究现状

1.4论文工作

2硅片表面分析及激光清洗模型建立

2.1硅片表面状态与沾污类型

2.1.1硅片表面状态

2.1.2硅片表面沾污类型

2.2颗粒沾污与硅片粘附力形式

2.2.1 Al2O3和CeO2颗粒与硅片表面的粘附

2.2.2颗粒沾污与硅片粘附力形式

2.3硅片表面激光干法清洗模型的建立

2.3.1激光干法清洗的几何模型

2.3.2激光干法清洗中颗粒去除模型

2.4热传导模型的建立及硅片表面温度场的模拟

2.4.1热传导计算模型的建立

2.4.2硅片表面温度场模拟

2.5清洗阈值的理论预测

2.5.1粘附力Fad的计算

2.5.2去除力Fclean的计算

2.5.3结果分析

2.6本章小结

3激光干法清洗硅片表面试验研究

3.1试验设备和样件制备

3.1.2试验设备及检测条件

3.1.2样片的制备

3.2 Nd：YAG激光清洗试验

3.3 KrF准分子激光清洗试验

3.3.1硅片表面1μmAl2O3颗粒的激光清洗

3.3.2硅片表面0.5μmAl2O3颗粒的激光清洗

3.3.3硅片表面1μmCeO2颗粒的激光清洗

3.4硅片表面损伤检测与分析

3.5本章小结

4激光干法清洗硅片表面清洗结果的评价

4.1基体表面清洁度的评定

4.1.1表面清洁度的定义

4.1.2常用硅片表面清洁度的检测方法

4.2评价程序的开发

4.2.1评价程序的功能要求

4.2.2评价程序的理论基础

4.2.3评价程序的实现

4.3应用实例

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

附录A清洗结果评价程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢