超净表面制备中纳米颗粒的行为机制研究

The research is on the behavior and mechanisms of nano-particle removal in the post-CMP cleaning process. It is important for the preparation of ultraclean surface with the roughness, cleanliness and damage at atom scale in the fabrication of semiconductor devices. The particle movement during the brush scrubbing process is observed and traced by the flouresence technique. AFM is used for the measurement of the adhesion force between the particle and the ultra-smooth surface and SEM is used for the characterization of the nano-particle. The forces and conditions of adsorption and removal is analized. The effects of temperature, humidity, pH value, surfactant as well as dissolved gases and other factors are evaluated. An aqueous soluton will be investigated to well control the removal of nano-particle in post-CMP cleaning for Cu and low-k material. The model of nano-particle adhesion and removal are established through understanding of the micro mechanisms and the theory of hydrodynamics, contact mechanics, interface science and triboly to provide the theoretical reference and experimental basis for the improment of cleaning process.

针对下一代集成电路硅晶片及芯片制造中材料表面原子级粗糙度、洁净度和低损伤的加工要求，为解决现有化学机械抛光（CMP）后清洗工艺中面临的纳米颗粒去除问题，研究清洗工艺条件下纳米颗粒行为规律，并分析其形成机制。通过改进基于荧光显微技术的纳米颗粒运动观测系统，对机械擦洗时纳米颗粒运动进行直接实验观测。利用原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）等实验手段，对纳米颗粒与超光滑表面及清洗刷之间的相互作用进行测试，研究吸附、去除及运动等行为的力学条件。控制温度、湿度、pH值、表面活性剂以及溶解气体等因素，分析其对吸附作用力的影响。改进Cu及low-k介质清洗剂，从而有效控制其CMP后清洗中的纳米颗粒去除。结合流体力学、接触力学、界面物理化学、摩擦学等原理，分析纳米颗粒的行为规律，从微观角度探索纳米颗粒的粘附和去除机理，建立纳米颗粒运动的物理模型，为清洗工艺改进设计提供理论参考和实验依据。

针对下一代集成电路硅晶片及芯片制造中材料表面原子级粗糙度、洁净度和低损伤的加工要求，为解决现有化学机械抛光（CMP）后清洗工艺中面临的纳米颗粒去除问题，研究清洗工艺条件下纳米颗粒行为规律及其形成机制。.改进基于荧光显微技术的纳米颗粒运动观测系统，采用基于颗粒运动路径分析（PTV）方法，对原子级光滑的铜表面与多孔聚乙烯醇（PVA）刷之间的聚苯乙烯纳米颗粒运动进行直接实验观测，并分析颗粒的运动路径和速度。实验结果表明，弹性力和摩擦力去除的颗粒一般为圆弧形轨迹，颗粒运动速度与清洗刷转速相同，为定值，流体力去除颗粒的路径为随机曲线，颗粒运动速度波动大。.研究工艺参数的影响，颗粒去除率与清洗刷转速之间的关系可拟合为S形曲线，体现出多重变量作用影响。清洗刷压力增加和引入表面活性剂可明显提高颗粒去除率。考察十二烷基硫酸钠（SDS）和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)两种表面活性剂，其中转速和压力维持在中下水平时，质量分数为1%时，SDS和AES纳米颗粒去除率分别较纯水清洗提高28%~45%，酸性环境可以增加颗粒去除率，pH为3.3时颗粒去除率较pH=7时提高10%~20%，原因是铜表面氧化物与H+反应形成的腐蚀去除作用。增加清洗刷转速和压力，颗粒去除率可超过99%。.利用原子力显微镜（AFM）对纳米颗粒与超光滑表面之间的相互作用进行测试，研究粒径、pH 值、表面活性剂、颗粒所受载荷大小和速度对吸附和摩擦力的影响。通过探针与超光滑表面摩擦，探针推动纳米颗粒运动的实验，结果表明，在表面活性剂浓度为0.1%wt以上时，可以稳定观察到随着浓度增加，摩擦系数呈逐渐降低的趋势。这体现了表面活性剂在Si表面形成润滑膜进行承载和润滑的作用。室温空气环境中，对于 500nm和100nm粒径颗粒，在Ra为5~20nm的Cu表面的吸附时，其摩擦力与载荷之间关系为Ff ∝ FLoad,符合Hertz理论的推论结果，推动速度在10~500nm/s时对于摩擦力的大小影响可忽略。.结合流体力学、接触力学、界面 物理化学、摩擦学等原理，从微观角度探索纳米颗粒的粘附和去除机理，建立了纳米颗粒运动的物理模型：弹性力，摩擦力和流体冲击是三种主要的颗粒去除影响力，颗粒去除是三种作用力共同作用的结果。本课题研究为清洗工艺改进设计提供理论参考和实验依据。