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受读者鼓舞，在继“磨料进化篇”之后，小编尽可能贴近原文，并与读者共同学习进步，一起了解关于CMP抛光的相关知识。本章侧重于清洗发展及其他一些超精益技术相关的介绍。 相关链接：CMP抛光的起源与创新（磨料进化篇） 什么是晶圆清洗 首先明确，晶圆清洗远比我们平时洗瓜果蔬菜复杂。伴随CMP进行的清洗工艺在晶圆制备中非常重要。如上图所示，在经过CMP工艺处理后，晶圆表面上会残留磨料和切削物颗粒、化学物质、有机物和金属离子等污染物，而它们则严重影响后续的工艺步骤（如光刻、蚀刻和沉积）。随着集成电路尺寸的不断缩小，对污染物的容忍度也不断降低。污染的多样性可能会造成各种不可控结果，进而导致性能受损甚至电路失效。清洗发展至今，也是一步一步演变成为一项专业能力，它涉及到不同类型污染物的去除、高洁净度要求、材料兼容性、化学和物理清洗方法的结合，以及在极高标准的洁净环境中进行。 清洗技术发展概述 在硅片清洗的早期阶段，使用了诸如三氯乙烯这样的有机溶剂来进行清洗，而乙醇则用于干燥。然而，这些方法并不适合去除颗粒和金属污染物，导致了较低的成品率。该问题在1970年由RCA公司的Kern和Puotinen发表的“RCA清洗法”中得到了显著改进。具体所谓RCA清洗由NH₄OH/H₂O₂/H₂O(SC1)清洗和HCl/H₂O₂/H₂O(SC2)清洗组成，前者去除有机物和颗粒，后者用于去除金属污染物。再后来，在这种清洗方法中加入了稀释的氢氟酸(DHF)清洗，以去除本征氧化层中的污染物。基于RCA清洗的方法至今仍在硅片制造过程中以及铜互连结构形成之前的半导体器件前端工艺(FEOL)中广泛使用。随着技术的进步，这些清洗方法也在不断优化和发展，以满足更高精度和更小尺寸器件的需求。 一、超精益技术 超精益技术的目标是消除半导体工艺的污染和波动。从超纯水到洁净室的超纯技术的研究和开发始于20世纪80年代末，当时日本东北大学的大明教授领导团队与半导体有关的各种制造商合作，广泛包括半导体装置、设施、设备、化学、纯净水、气体、管道和阀门等等。而除了前文提及的典型污染物之外，湿度、振动、静电、温度变化等也被列入应当避免的污染和波动范围。 为了便于直观说明超精益技术对清洗技术的进一步改进和发展。以Zeta电位和Pourbaix图的引入为例，在RCA清洗中，虽然SC1清洗（碱性清洗）可以去除颗粒，但是存在SC2清洗（酸性清洗）和DHF清洗后颗粒粘附的问题，Zeta电位则可用于表征和解释；类似还有尽管金属污染可以通过SC2清洗去除，但在DHF清洗和SC1清洗后仍存在金属粘附于硅表面的问题，Pourbaix图则用于解释该机制。其他在超精益技术研究推动的还有揭示了像铜这样的金属污染不仅影响器件的电气特性，还会在晶圆表面上造成缺陷，等等。而在它的加持之下，不断解决RCA清洗过程所遇到问题的同时，也提高了整体的清洁效率和晶圆表面的质量，半导体化学品的纯化水平才能从ppb级提高到目前的ppt级。 二、清洗技术的改进 1、污染重新吸附的解决 RCA清洗法存在每次清洗后污染物重新吸附的问题。研究发现，螯合剂有助于在碱性清洗（SC1）过程中抑制金属的吸附，而阴离子表面活性剂有助于在酸性清洗（DHF）过程中抑制颗粒的吸附。但是由于RCA清洗法已经在半导体前端工艺（FEOL）中被依赖了几十年，另外业内更关注半导体表面上的残留问题。因此这项研究最初并没有引起重视。直到铜化学机械平坦化（Cu-CMP）的引入，由于RCA清洗法中存在的金属布线腐蚀问题，使用螯合剂和表面活性剂变得必不可少。如今，在半导体器件制造中的CMP后清洗过程中，广泛采用了含有表面活性剂和螯合剂的溶液清洗结合PVA刷子擦洗的方式。此外，人们发现基于RCA清洗的晶圆清洗过程还存在一个问题…… 2、微粗糙度（雾度）增加的解决 晶圆表面在CMP后立即开始出现粗糙度增加，并且随着时间推移不断加重。在1990年代，通过降低清洗温度和减少溶液中的氨水混合比例来减少SC1清洗步骤中导致的粗糙度增加。进入2000年代，CMP后立即使用超纯水冲洗期间以及湿式运输过程中的表面粗糙度成为一个问题。经过深入研究，人们终于发现导致粗糙度增加的原因——主要是由于超纯水溶解氧和/或光照的影响，导致硅局部氧化，相比于硅，氧化物被水蚀刻的速度较低，因此它们保留在表面形成凸起，从而增加了粗糙度。并且，硅之外还有铜在CMP后处理过程中局部氧化或局部腐蚀抑制剂的吸附也会影响粗糙度的增加。 微粗糙度增加机理 在CMP之后立即使用臭氧化水处理硅表面，以在其上形成一层薄的氧化膜，这种方法因其易于实施而被主流硅片制造商所采用。最初，臭氧化水被提议用来代替H₂SO₄/H₂O₂/H₂O (SPM) 清洗以去除光刻胶，因为臭氧化水可以分解有机污染物。但由于水中可溶解的臭氧浓度有限，其在半导体清洗中的应用受到了限制。近年来，一种单片清洗方法被用于硅片的CMP后清洗，该方法包括反复使用DHF去除由臭氧化水形成的化学氧化膜，随后重复这一过程数次（大约每隔十秒一次），以去除表面层上的污染物。这种清洗方法正在逐步取代在硅片制造过程中长期使用的RCA清洗。 3、CMP浆料的进一步纯化 由于持续追求清洁度，减少CMP后晶圆上的纳米缺陷数量，即便FUJIMI在1985年引入基于醇盐的超纯二氧化硅之后，仍继续进行减少浆料中污染物的研究——彻底审查包括原材料在内的制造过程，并追求过滤和净化技术，浆料中的金属杂质和大颗粒进一步减少。像这样的污染减少技术被应用于CMP浆料中，并广泛应用于半导体晶圆制造过程和器件制造过程（特别是在前端工艺FEOL中），支持了半导体的微型化和成品率的提高。 FUJIMI对CMP浆料大颗粒减少影响晶圆纳米缺陷的研究 三、未来技术展望 未来，预计减少CMP过程中的粗糙度、缺陷和污染的要求将会变得更加严格，从纳米级别向埃级别推进。随着半导体结构的三维集成和复杂性的增加，CMP步骤的数量将进一步增加，需要对各种材料进行精确加工。面对这些挑战，追求表面的均匀作用和减少污染物仍然是至关重要的。然而，在进一步的追求中，表面粗糙度不应该仅用Ra（平均粗糙度）或Rms（均方根粗糙度）来表示，而应该分析每个波长下的情况，调查对应每个波长的粗糙度原因，并采取相应的措施。我们应该认识到不仅是颗粒和金属杂质，还包括看不见的污染物，如反应副产品、溶解气体、振动、电子和光子，这些都可能影响CMP和清洗过程，并据此采取适当的措施。在掌握这些领域方面还有很长的路要走。然而，仍然有许多来自不同领域的技术可以被利用。未来的CMP技术应该与我们今天甚至都无法想象的新元素相集成。 小结 清洁技术既独立于抛光，又和抛光密不可分。不同领域的技术在某个时间节点之前并未相互交叉，但当这些技术根据市场需求相互结合时，就会产生创新。本文和之前磨料篇的章节内容，揭示了技术的组合和创新不仅仅局限于最新技术的融合，而是可以利用过去的旧技术和未充分利用的技术来创造出新的价值。 【邀请函】 2024“新材料为 AI 产业提速”先锋论坛 编译整理 YUXI 来源：www.360powder.com