晶圆湿法蚀刻清洗工艺及流量控制研究
对比两种集成电路制造湿法工艺设备的优缺点及未来发展趋势，对影响单片湿法清洗工艺中蚀刻率因素进行分析总结，介绍化学药液混合和制程喷吐中流量控制技术的发展，设计实验将两种化学药液流量控制阀件的蚀刻清洗效果对比，并对未来技术发展进行简要分析。集成电路线工艺不断进步，对工艺过程中的晶圆洁净度要求越来越高，湿法蚀刻清洗工艺是半导正面喷头体制造工艺步骤中数量最多工艺。
因此，湿法清洗晶圆设备能力的好坏直接影响产品的良率。单片湿式清基座洗设备正逐渐成为半导体硅片制造清洗工艺主流设(a）备，蚀刻量是湿法最重要的工艺控制参数之一，影响蚀刻量的三大因素（化学药液温度、化学药液浓度、化学药液流量），后两者都与流量控制密切相关。
1 湿法清洗设备及单片清洗机台优势
摩尔定律不断接受新的挑战，湿法蚀刻清洗设备也在不断进步，现有湿法清洗设备按清洗方式可分为批次清洗设备（BenchClean），如图，和单片清洗设备（SingleWaferClean），如图1(b)。一颗芯片颗粒的制作工艺要经过数千道工序，纳米级数的不断缩小，工艺数量仍在增加，所以如果晶圆的尺寸越大，经过同样的工艺往往可得到更多的芯片颗粒，因此晶圆大小从6in到8in再到12in。在厚度不变的前提下，晶圆尺寸变大随之而来的弊端是更容易破片，且对蚀刻清洗的均匀度（Uniformity，U%）把控难度更大。对于Bench机台来说，破片的影响是致命的，单片的破碎可能导致整批50片晶圆的报废；随着技术的进步单片清洗机可以调节喷嘴的位置以及卡盘转速，在晶圆表面不同位置进行化学药液的喷吐，达到更好的蚀刻清洗均匀度。
单片清洗设备最大的缺点是生产速率（ThroughPut）低，但随着设备制程腔室的增加，从4腔→8腔→12腔→24腔，单片湿法清洗机的生产速率已经和Bench机台基本持平甚至反超，因此未来单片湿法清洗机台必然是清洗设备的主流。Singlewaferclean制程腔室示意如图，晶圆卡盘（Waferchuck）固定并带动wafer旋转，通过正反面喷吐的化学药液来蚀刻清洗晶圆。
2 影响单片湿法清洗设备蚀刻率的因素
湿法清洗的目的是去除晶圆上前一道工序残留或者副产物，使之不进入后续工序。一般通过化学药液与晶圆表面去除物的反应，或不同特性的化学清洗液处理以后的晶圆表面亲水性质改变，表面电荷改变，达到去除残留物的目的。其化学反应强烈程度与温度、浓度、化学药液的反应量密切相关，而蚀刻量是检测化学反应强烈程度的重要手段。检测蚀刻量的三个重要指标平均值（Mean）、蚀刻量极差值（Range）、蚀刻均匀度（Uniformity，U%）是检测蚀刻量的重要指标。U%计算方法如式（1。
其中，Emax是最大蚀刻量（Max Etch Amount),Emin是最小蚀刻量（MinEtchAmount），Average是蚀刻量平均值。
RCA清洗工艺被广泛应用于湿法蚀刻清洗机中，当化学药液温度和浓度一定的情况下，通过反应量来控制蚀刻量，广义上反应量是化学药液流量与喷涂时间的乘积，化学药液混合浓度也是通过精准的流量控制达到的。
3 湿法 Singlewaferclean流量控制
3.1湿法清洗流量控制发展
基于反馈调节的流量控制，用电磁流量计结合线性电机控制阀来进行，可以实现精度为0.01mL/min的流量控制如图2所示。
为了保证均匀的蚀刻率Singlewaferclean对厂务供应过来的化学原液，通常被混合系统稀释或者混合成特定比例的process chemical，再经过循环供应系统供应到制程腔室，最早singlewafer循环系统参照Bench机台，即分别经过药液桶槽，泵，稳流器，压力计，加热器，过滤器，流量计，再走向供应系统，如图3所示。
3.2流量反馈控制逻辑
腔室（Chamber）端调节喷吐流量的阀件最早采用手动调节针阀，在腔室数量较少的情况下，经过工程师熟练的调节往往可以达到制程需要的稳定流量，现某些对流量精度要求不高地方仍在沿用（如ChamberAuto Clean）。随着电动针阀的技术不断进步，其通过对脉冲参数设定达到控制阀件的开度目的，对于流量调节效率大大提升，渐渐取代了手动针阀。但是随着技术进步，对流量的精度要求越来越高，且SingleWaferclean制程腔室数量增加，不同chamber同时使用时压力波动大，仅仅依靠电动针阀调节流量已不能达到需求（开环调节控制）。因此自动反馈调节技术应用到流量控制，通过PID（比例积分微分）对应参数的设定，电动调节针阀针对流量计反馈过来的流量信号自动调节开度大小实现了流量稳定控制（闭环反馈控制），极大的保证了流量控制的精度。
应用10nm湿法清洗蚀刻制程工艺机台流量控制举例如图4所示，图中，W代表设定点默认值(set-pointdefaultvalue），Y代表脉冲和控制输出信号（Pulse and control output signal)，X代表（实际药液循环供应值）,Controller用于接收Flowsensor检测到的流速，并与设定值进行对比，将得出的数据进行处理发送给MN（motorneedlevalve)。Flow sensor用超声常闭气动阀波检测的方式检测流速，将实际的流速值转化成电药液循环回流信号，发送到controller。Motor needle valve在接收到由controller发出的调节阀的信号后，MN作动，使流速控制在设定值。
化学药液向制程腔室内供给顺序是腔室3一腔室2一腔室1，当化学药剂进入腔室3后，再进入腔室2的流量就会减小，需靠调节阀的开度来使之后进入腔室2与腔室1的化学药液的流量。例如，某道制程工艺有三种不同的流量需求（300、600、1000mL/min)，图5中供应管线就有0~3000mL/min区间内24种不同流量供应开度组合如表1。同一供应管路上的制程腔室还会相互影响，因此还需要恒定的压力和与之相应的压力检测系统。
4 不同流量控制阀件清洗效果对比
为了保证实验结果的准确性，实验背景为：化学药液为1：200稀释氢氟酸（DHF），25℃，中心喷吐，wafer转速1000r/min逆时针，其他环境条件一致境况下，300mm晶圆控片45nm级以上颗粒物数量检测。
A机台为某12腔机型（UltraC)，采用手动针阀调节，任意挑选三个制程腔室；B机台为某12腔型号（SU3200），采用自动反馈针阀调节，任意挑选三个制程腔室；流量条件分别为1000、1500和2000mL/min下，清洗10s后残余颗粒物数量，结果如图6所示。结果显示在其他条件相同情况下采用自动反馈针阀调节清洗效果显著优于手动针阀调节。
5 湿法蚀刻清洗流量控制技术发展方向
在应用内外循环流量控制的技术前提下，电动调节针阀加反馈调节的机制，理想状态下可以将液体流量中段部分的流量控制在土2%以内，但是初段和末段的流量稳定性依然无法很好的控制，这是由于阀件的结构动作和液体的“水锤效应”共同影响的结果，这不利于不同流量之间的快速切换控制，初段和末段的流量的控制必然是未来流量控制研究的重点方向之一。
对于初段流量控制应“提升的快，提升的稳”，关键是要减少流量爬坡时间，降低第一峰值与目标流量值之间的差值；初始流量预排以及前端管路抽真空技术或可应用于其上。对于末端流量的控制应“停的快而干脆”，液体的“水锤效应”会拉长流量的末端降低时间，目前各类喷头液体回吸技术正在应用于各类新型设备中，关键要降低“水锤效应”的影响（图7）。
6 结语
单片式湿法清洗机必然是湿法晶圆清洗工艺的主要设备，其清洗对流量的控制精度要求越来越高，使用自动反馈调节技术可以实现较高的流量精度控制要求，随着集成电路纳米级数的迭代，对清洗技术的流量要求将更加严苛，化学药液喷头的目标流量将会多种，如何能够迅速进行目标流量切换，是流量控制技术未来发展的方向，这也是仪器装备精度保障的重要技术领域。
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