Mega sonic与Nano spray清洗效果研究

摘要：随着半导体制造工艺技术节点的要求越来越高,清洗设备的工艺能力也在不断地提高。由此带来新的清洗方式的变革，由传统槽式清洗转向单片清洗发展，单片清洗喷嘴又以Mega sonic与Nano spray为主，基于此，对Mega sonic与Nano spray清洗能力进行分析研究。

关键词 ：Mega sonic、Nano spray、清洗

一、Mega sonic洗净原理

超声波洗净技术的工作机理在于：控制单元提供的高频电信号被压电效应陶瓷器件转化为机械振动，并将之传播至清洗溶剂内，进一步在溶液之中引发音波流动与空化作用。在这两种力量的协同影响下，硅片表层附着的微粒得以脱落清除。腔声效应涉及超声波影响下，液体内的气泡微核子振动增长并累积声能，积蓄至特定阈值后，气泡将迅速闭合爆发。这些气波的存续时间大致为100纳秒，在爆发的瞬间释放强大能量，并伴随产生速度可达110米每秒、冲击力极强的微型射流，能使冲击密度达到1.5q。在该力量作用下，Wafer表层粘附的颗粒会被剥除至清洁溶液中，并随流动溶液被清除。

换能器的振动频率大小直接关联到液体中气泡生成的尺寸与集中程度，这一点决定了空化现象的效能。低频振动时，产生的气泡体积偏大且分布稀疏；频率提升后，气泡呈现较小体积且分布密集。体积增大的气泡在破裂时会释放更大的能量，因此具有较强的清洁Particle的作用，但也可能对Wafer表面造成更严重的损害。与超声波清洗相比，兆声波清洗更为温和地产生效果。因此，选择适宜的震荡强度与频率时，需兼顾待除去的颗粒尺寸和晶圆表层元件可承受的作用力。通常，兆声波清洗比较适宜于移除0.1至0.5微米范围内的微粒，而超声波清洗则更适合清洗直径大于0.5微米的颗粒。如图1展现了颗粒的力学作用分析，图示中的MR与MA分别代表作用在颗粒上的剥脱和粘着扭矩。F1指代双电层作用力，而F2是粘着力（包括静电作用力与分子间相互作用力），F3则是指剥脱力。此外，R为颗粒的半径大小，a代表Particle与Wafer接触面的半径。

当频率超过250千赫的高频环境中，声波流展现出显著的指向性；反之，在较低频段，声波流的路径显得无序。由此可见，在兆声级的清洗过程中，声波流的效用尤为突出。 依据流体力学原理，因分子之间的摩擦作用，在硅片与流体相接触的界面处形成一个移动或滞后转移的边界带，在这个界带中，细小颗粒得以被涂层所包裹，从而减少了由声流效应产生的驱动力的影响。这股边界带的宽度与振荡频率有紧密的联系，振荡频率越高，该边界带越窄，因此能够清除更微小的颗粒。当频率上升至兆赫水平时，我们看到边界带的宽度已缩减至纳米等级，进而能有效移除更小的颗粒物。

声波净化法：采用转换器产生的兆赫频段的强力声波（频率达到1兆赫），使溶剂中的分子在声波能量驱动下快速挪移（最高瞬间速率可触及40厘米/秒），借由剧烈的声音压力梯度及声波流效果所形成的高速水动力学冲刷，能够有效清洗附着在表面的细小颗粒，为一种高效的去污技术。声音振动能量引发的清洗溶液的迅猛流转被称作声波流。由此产生的迅捷溶液运动可以施加足够的剥脱力于黏附于晶片表面的微粒上。若此作用力超出同时影响微粒的范德华吸引力和静电吸附力，那么这些微粒将从晶片表面脱落，并随着溶液的急促流动被冲洗掉。声音传播的快慢不仅受到振动次数的影响，而且与能量集中度有紧密的联系。

图2展示了超声波频率与传播速度之间的关系图表，而图3描绘了在多种频率下声波速度与功率密度变化的相关曲线。第六幅图展示了在不同振动频率条件下，声波的流动速度如何随着功率密度的提高而变化，观察该图可以明显发现，声波的传播速度与功率密度之间的关系近乎成正比关系。现实操作中，传声设备可以设定为单一频率运作，换言之，仅发出单一频率的声波，亦能设置为多频运作，即可以发出多个频率的声波。此外，在不同的实验条件下，受试振动器的输入功率可以无级调整，进而实现不同的功率密度以用于清洁，让使用者可以通过精细调整设定值来满足其特定的清洁要求。

在利用超声波和兆声波技术进行物体表面的净化作用时，空穴现象及声波产生的流体动力效应二者皆有所体现，但二者在清洁过程中的贡献各异。当采用超声波洁净手段时，较低的振荡频率导致在气泡破裂之前，气泡能够膨胀至更大体积，从而强化了空穴现象的影响力，而与此同时，声波引发的流场方向较为无序，对于颗粒物的拖曳能力相对较弱，所以在这一过程中，空穴效应发挥了较为显著的清洗作用。相反地，在利用兆声波清洗时，更高的频率使得流体以更快的速度移动，但形成的气泡则相对较小，因此在此清洗机制中，由声波流带动的液体清洁力成为了主导因素。

二、Mega sonic与清洗效果的关系

以950KHz为例：＞0.19μm Particle去除率为95%-98%左右，随着功率增大，去除率会提高。

Spin Cleaning 工艺时间一定时：无Mega sonic的去除率为16.4%；有Mega sonic的去除率为 99.8%；测试可知，添加Mega sonic可显著改善清洗效果，且经过选择适宜的功率和频率，能针对不同大小的Particle进行定向清洁。

三、Nano spray原理

双流体雾化喷头的工作原理在于，水流透过该喷头时，经过喷孔边际时铺展为一层液膜，因空气动力学的不稳定性，液膜被撕裂成细长的圆柱形液柱，进一步分解形成小液滴。通过内部的力量压出液体，使得液体在喷室内被挤出，并在经过喷头内部构造的高速流动时形成直径微小的雾化颗粒，然后由双流体喷嘴喷射形成细致的雾状物。双流体喷嘴的清洗机制基于高压空气与液态介质的交互作用，形成分布在一定直径区间的微型水珠，这些细小的水珠在空气的推动下得到进一步的加速，并且向晶片表面的液态薄层喷射，生成快速传播的震波。这些震波对晶片表面粘附的微粒状污染物施加作用，导致这些污染微粒从晶片表层剥离，并伴随清洗液的流动而离开晶片，从而达到清洁的效果。细小水珠内在的物理力量与其体积、移动速率及晶片表面的液态膜厚度呈现一定的联系。

此处所述d代指微型水珠的直径，v则指代该水珠的移动速度，而tliquid为晶圆表层流体膜的厚度。

Nano spray具有以下特征：

1.粒子细化效果显著，普通的喷头仅能让流体达到平均直径50微米的粒子细化水平，但是采用压缩气体快速流动技术的双流体喷头，其效果可精细至10微米以下。

2.在维持特定的粒度分布和流速不变的前提下，能够扩展喷射流量的可调节幅度。

3.相较于单一水量的喷头，更宽敞的通道允许异物顺利通过，从而显著减少了堵塞的可能性。

四、Nano spray与清洗效果的关系

1、气压对雾化Particle大小的影响

随着气体压力的上升，粒子的雾化细度随之减少；而当气体压力持续提高，超过某个特定的值以后，其作用效果的提升便开始趋于平稳，继续加大气压也无法使得雾化更精细，这说明喷头已达到音速极限。在这一状态下，气流喷射的高速度对雾化嘴产生雾化效果起着关键性的影响，此刻气与液的比例对粒子的大小不再产生显著的影响。

2、气孔数目对雾化Particle大小的影响

随着喷孔数量的增加，雾化粒径逐渐变细。然而，当喷孔超过六个，粒径细化的速率逐渐减慢。在喷孔数为四到六个的区间内，平均颗粒直径可以维持在10微米以下，这表明增加混合室内部的气体与液体的接触面积到一定程度后，对于粒径的减小作用不再显著，此时混合室已接近其性能的临界点，粒径减小的步伐随之放缓。

3、气液比对雾化Particle大小的影响

随着空气与液体的比例增加，雾化喷头产生的粒子大小呈减小趋势，但当该比值超过0.4之后，即便比例继续上升，粒子的雾化精细程度也不会出现明显的差异。在保持气液比恒定的条件下，液体的压力变化并不会直接作用于雾化效果，真正关键的变量是气体的流速。不变的气液比条件下，雾化粒子大小能够稳定在10微米以下。试验结果表明，雾化的细度与喷嘴孔径的大小无显著相关性。

由图6测试数据可知，N2压力愈高，喷射后纯水粒径愈小。由图7测试数据可知，Nano spray比普通喷嘴清洗效果对比，去除率提升90%以上。通过控制气液比，可清洗亚微米级Particle，从而改善Wafer清洗成果。

五、结语 

笔者认为，半导体Wafer单片清洗在当今半导体芯片制造中扮演着至关重要的角色，其中尤以Mega sonic与Nano spray为甚。本文详细探讨了Mega sonic与Nano spray在单片清洗中的应用，通过采用合适的Mega sonic与Nano spray，设备在清洗能力和效率方面取得了显著效果。未来，随着Mega sonic与Nano spray的进一步发展，国产半导体清洗设备必将站在世界之巅，推动整个半导体产业的发展。

参考文献

[1] 王善鹤.半导体Wafer自动清洗设备分析[J].创新科技，2024年02期，73-75

[2] 辛宏伟，丁羽，李庆凯.超声波清洗技术的发展与研究现状[J].科技创新与应用，2017年08期