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引言

在半导体器件的制造过程中，由于需要去除被称为硅晶片的硅衬底上纳米级的异物（颗粒），1/3的制造过程被称为清洗过程。在半导体器件中，通常进行RCA清洁，其中半导体器件以一批25个环（盒）为单位，依次浸入氨水，过氧化氢溶液，盐酸等加热的化学品中。然而，最近，为了降低环境负荷的目的和半导体器件的多品种化，需要片叶式的清洗方法，喷射纯水的清洗工序正在增加。 在单片式清洗中，超声波振动体型清洗装置是一种有效的清洗方法，目前已被许多工艺所使用。通过超声波振动器的清洁是通过从超声波振动器向纯水施加超声波振动来加速水分子的清洁方法。

本方法的目的是利用频率在5MHz-10MHz的超声波振动体技术，达到下一代半导体器件清洗技术的目标。我们使用样品基板，在硅晶片上涂覆直径为1µm的聚苯乙烯胶乳(PSL)颗粒，对超声波振动型清洗装置的清洗能力进行了验证。

实验

PSL颗粒附着模型：图1显示的是附着在基板上的聚乙烯胶乳(PSL)粒子的模型。当亚微米的PSL颗粒粘附到衬底表面时，范德华力、重力、液体交联力、静电量和双电层的排斥力作用在PSL颗粒上，但是范德华力被认为是PSL颗粒粘附到硅晶片的主要因素。PSL颗粒的附着力由式1给出。

图1 PSL粘附模型

超音波洗浄装置：粘附在硅基板上的PSL粒子的去除模型如图2所示。当仅考虑流体动力学的作用时，通过超声波振动型清洗，晶片上的PSL颗粒被从冲击压力接收的力和辐射流的流体阻力去除，并且仅考虑来自剪切力的辐射流。

图2 通过超声波清洗除去PSL粒子的模型

洗浄实验：对超声波振动体型清洗的输出功率和清洗力之间的关系进行了定量调查的实验。 在实验中，使用了图5所示的超声波振动型清洗机。超声波振动体型清洗是在从喷嘴尖端射出的流水上叠加超声波进行清洗的点状流水式。作为特征，由于是流水型，颗粒不会再粘附，并且由于频率高，可以去除亚微米的颗粒。此外，由于输出低，因此可以通过调节对装置的低损坏和输出来改变去污力。

图6是实际清洗污染样品基板的情况。将硅晶片安装在旋涂机上，以50min-1的转数旋转，并从超声波振动器清洁装置的喷嘴从其上喷射。然后，在1500min-1的转数下进行旋转干燥30秒。

在清洗评价中，在用超声波振动体型清洗装置清洗前后，对PSL颗粒的数量进行计数，并求出去除率。为了调整附着力，将样品基板的烘烤温度设定为90℃、100℃、110℃3个水平，进行15分钟。另外，超声波振动体型清洗装置的输出为0到40kW的5个水准。

图7中针对超声波清洗装置输出的PSL粒子的除去显示比率。在没有附加超声波的输出功率0W时，去除率都很低，PSL粒子完全没有被去除。对于10W或更高的超声波输出，在90℃的烘烤温度下，无论输出如何，去除率都在90%或更高，并且去除率随着输出的增加而略微增加。在100℃的烘烤温度下，10W为47%，20W为85%，30W以上为约100%。在烘烤温度为110℃的情况下，无论输出功率如何，去除率都不到10%，只有在输出功率为20W时，去除率才超过10%。

图7 相对于超声波清洗装置输出的PSL粒子的去除率

总结

从计算中得到的除去力和实验结果100℃时的除去率的比较结果如图8所示。除去力的确认是在超声波振动体清洗装置的输出功率为30W时。除去率具有与计算出的除去力相同的上升趋势。因此，超声波的振幅通过超声波清洗机的输出而变大，从而超声波的能量也变大。也就是说，水分子的冲击压力由于能量的增加而增加，并且洗涤力增加。去除率的上升趋势与计算出的去除力基本一致。