濕法和顆粒去除工藝詳解

引言
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本文考慮了范德華相互作用的2個(gè)數(shù)量級(jí)范圍，以考慮了實(shí)際粒子的形狀和材料，將這些相互作用與靜電電荷、阻力、表面張力、沖擊波、高加速度和氣溶膠粒子所產(chǎn)生的排斥力進(jìn)行相互比較，可以預(yù)測(cè)不同清洗過程的內(nèi)在能力和局限性。已經(jīng)確定了三種顆粒去除過程——能夠去除所有顆粒尺寸和類型的通用過程，甚至來自圖案晶片，具有相同理論能力但實(shí)際上受到粒子可及性的限制，最后是無法去除所有顆粒尺寸的清洗。

通過計(jì)算施加給細(xì)顆粒的主要力，在表中可以看出驅(qū)動(dòng)粒子粘附/去除機(jī)制的四個(gè)主要參數(shù)是靜電、范德華、毛細(xì)管和阻力。表面張力γlg是由于介質(zhì)分子之間的內(nèi)聚力，并傾向于使界面區(qū)域最小化，它代表每單位界面長度的一個(gè)力，對(duì)于參考球形粒子，當(dāng)液體完美地潤濕顆粒材料，氣體/液體界面作用于整個(gè)粒子周長時(shí)，得到最大的毛細(xì)力(見圖1):

圖1 作用于液體/氣體界面的粒子的最大毛細(xì)管力示意圖

運(yùn)動(dòng)流體的粘度會(huì)對(duì)粒子產(chǎn)生阻力，在直徑為D的球形粒子放置在流速Vp中的情況下，用斯托克斯定律給出了一個(gè)很好的近似，直到雷諾數(shù)為101，其中，μ表示流體粘度：20?C下的水為10?3kg/m/s，這種力理論上只能將粒子平行于表面?？梢灶A(yù)期，粒子上或襯底上的粗糙度將使這種切向力轉(zhuǎn)化為發(fā)射動(dòng)量，在非球形粒子的情況下，阻力通常較高。

本文研究了作用于參考剛性粒子和球形粒子的范德華引力與實(shí)際粒子之間的區(qū)別，實(shí)際粒子的非理想性的結(jié)果：扁平化、非特定形狀、粗糙度、部分嵌入等，最終可以看作是與基底接觸的附加平面，理想球與剛性球與實(shí)際非理想粒子的差值任意用等于接觸表面的分?jǐn)?shù)f除以同維粒子能夠呈現(xiàn)πR2的最大表面表示，結(jié)果如圖所示2，粒徑為10~150納米?？梢钥闯觯兜峦郀査沽﹄S粒子的非理想性而迅速增加，并且可以比理想粒子高出2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這種效應(yīng)隨著粒徑的增大而減小。

圖2

擴(kuò)散層的厚度是由于施加在帶電表面形成的反離子上的靜電吸引和它們?cè)诒倔w溶液中的再擴(kuò)散之間的競(jìng)爭(zhēng)造成的，因此，高溫和低離子強(qiáng)度可以了擴(kuò)散層厚度。在圖3顯示了Si和二氧化硅作為襯底材料和最正電粒子材料之一-氧化鋁的Zeta電位相對(duì)于pH的演變。

圖3 氧化鋁、Si和二氧化硅Zeta電位與pH之間的演化

為了便于粒子去除和防止任何再沉積，希望在所有粒子類型和襯底上收集的電荷具有相同的符號(hào)，從而導(dǎo)致靜電斥力。在A和B區(qū)域都滿足這個(gè)條件。

顆粒去除機(jī)制

本文討論了常規(guī)和前瞻性顆粒清洗過程的理論性能。這種清洗機(jī)制包括通過消耗基底、粒子或兩者都將粒子與基底分離，直到靜電產(chǎn)生的排斥力超過范德瓦爾斯力，這意味著pH必須在A或B區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，靜電力隨距離的減小速度慢于范德華相互作用，因此，無論粒子的大小和電荷如何，釋放距離始終存在。這種理論蝕刻厚度在實(shí)踐中通過去除過程的動(dòng)態(tài)行為而增加。事實(shí)上，在分離開始時(shí)，由于范德瓦爾斯相互作用，蝕刻速度和粒子的再吸引速度之間發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)。

晶片導(dǎo)致了一個(gè)非常高的速度的非均勻射流，生成的液滴以400m/s的速度投射到襯底上。計(jì)算表明，當(dāng)碰撞時(shí)，液滴的前部甚至以大約600m/s[13]的速度加速和撞擊粒子，與連續(xù)射流不同，這里施加的力是由液滴前部施加于粒子表面的激波產(chǎn)生的。當(dāng)溫度為3000k，壓力為1000atm時(shí)，氣泡坍塌過程中釋放的能量密度是相當(dāng)大的，氣泡越大，勢(shì)釋放能越高。當(dāng)氣泡靠近表面坍塌時(shí)，它會(huì)誘導(dǎo)液體微射流向表面，達(dá)到每秒數(shù)百米的極高速度。這種噴射流會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的局部激波。通過超聲發(fā)光，在高達(dá)850kHz的超大氣體范圍內(nèi)觀察到聲空化。然而，我們不可能得出這樣的結(jié)論：由于產(chǎn)生較小氣泡而產(chǎn)生的激波也是由同樣的射流現(xiàn)象引起的。如圖4所示，聲浴中產(chǎn)生的周期性壓力波變化傾向于增加。

圖4 在超聲波激發(fā)下氣泡大小的演化 直到坍塌

在實(shí)踐中，加速度受到可接受的硅通量的限制，導(dǎo)致硅熔化，這個(gè)閾值在實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)于去除大約100納米的第一個(gè)氧化鋁顆粒（樂觀的情況），用方程計(jì)算出相應(yīng)的加速度，在106g范圍內(nèi)，為了提高激光清洗的去除能力，首先將薄層液體從蒸汽濃縮到基底上，在這項(xiàng)工作中，覆蓋2個(gè)數(shù)量級(jí)的范德華相互作用被認(rèn)為考慮了實(shí)際形狀和材料的大多數(shù)粒子。這個(gè)范圍是通過考慮來確定的。哈默克常數(shù)的可能變化，以及理想剛性球與具有有限接觸面積的實(shí)粒子之間的差值、扁平效應(yīng)等。

不同的粒子去除過程可以根據(jù)所使用的物理效應(yīng)進(jìn)行分類，如靜電、阻力和毛細(xì)管力、沖擊波、加速度或動(dòng)能。通過比較吸引的范德華力和由這些效應(yīng)產(chǎn)生的力，就可以預(yù)測(cè)不同清洗過程的內(nèi)在能力和局限性，特別是對(duì)于下一代集成電路必須考慮的細(xì)粒子。三種粒子去除過程，即通用過程能夠去除所有顆粒大小和類型甚至圖案晶圓，過程呈現(xiàn)相同的理論能力但實(shí)際上受限于粒子的可及性，最后清除不能去除所有的顆粒大小。

　　審核編輯：湯梓紅