Выполнение очистки прецизионных изделий сопряжено с рядом трудностей, основные из которых – тщательное удаление загрязнений малых размеров, вплоть до субмикронных (0,15 мкм), с одновременным недопущением повреждений этих весьма чувствительных объектов. Это особенно важно для изделий микроэлектроники на критичных этапах их изготовления – в частности, для обеспечения чистоты полупроводниковых пластин перед операциями литографии, совмещения и сварки пластин (отсутствие образования пустот из-за частиц загрязнений), в производстве жестких дисков, плоскопанельных дисплеев и т.д. Отмечается, что до 50% потерь выхода годных микросхем связано с наличием микрозагрязнений на пластинах. Стандартный ультразвуковой процесс отмывки здесь неприменим вследствие его склонности к нанесению повреждений тонким структурам устройств. Для очистки таких изделий нашел широкое применение сходный по физическим принципам метод, называемый мегазвуковой отмывкой.
Здесь используется пьезоэлектрический преобразователь, генерирующий в рабочей ванне волны в диапазоне около 0,8 – 2,0 МГц с мощностью порядка 5 – 10 Вт/с м² и типовым временем обработки от 10 до 30 минут. В противоположность ультразвуковой обработке на частотах 25 – 270 кГц (типичный диапазон 20 – 80 кГц) с ее спонтанным кавитационным процессом, в мегазвуковом процессе очистка достигается за счет управляемой кавитации и воздействия микропотоков очищающего раствора. Управляемая кавитация характеризуется наличием стабильных и сравнительно долгоживущих пузырьков, которые могут существовать в течение нескольких циклов акустических воздействий и не повреждают поверхности, так как на более высоких частотах радиус кавитации и энергия схлопывания значительно меньше. Моющая жидкость проникает в область контакта поверхности и загрязнения, силы адгезии ослабевают, и частица переходит в объем раствора. Толщина граничного слоя раствора, движущегося медленно и экранирующего загрязнения от быстрого потока очищающей жидкости, уменьшается с понижением кинематической вязкости очищающего раствора и увеличением частоты и мощности звуковых колебаний. По сравнению с ультразвуковой обработкой толщина этого слоя уменьшена с 2,5 до 0,5 мкм, что помогает обновлять моющий раствор и, как следствие, увеличивает эффективность воздействия удаляющих микрозагрязнения сил и скорость очистки, особенно у небольших по размерам структур на поверхности. Управление мегазвуковой обработкой производится с помощью изменения подводимой мощности, причем лучшее управление достигается при подаче импульсной, а не непрерывной мощности. Благодаря более высоким частотам обработки устраняются такие разрушительные эффекты, как кавитационная эрозия и другие повреждения поверхности, что позволяет безопасно очищать чувствительные объекты. Сравнительные размеры загрязнений, удаляемых при помощи технологий ультра- и мегазвуковой отмывки, приведены на рис. 1.
Рис. 1. Сравнение рабочих частот и размеров удаляемых загрязнений для технологий ультра- и мегазвуковой отмывки.
Важным отличием мегазвуковой обработки от ультразвуковой также является то, что в первом случае очистке подвергается только та часть объекта, которая обращена к преобразователю, в то время как ультразвуковая обработка производится во всем объеме резервуара, и очистке, соответственно, подвергаются все поверхности изделия.
Однако, несмотря на то, что на частотах мегазвуковой отмывки порог кавитации весьма высок, есть свидетельства того, что при эксплуатации промышленного оборудования для мегазвуковой отмывки могут возникать повреждения изделий, вызываемые именно кавитацией. Экспериментальным путем было установлено, что возникают они вследствие возбуждения вторичных частот, близких к ультразвуковым (менее100 кГц) с амплитудами давления, близкими к амплитуде давления на основных мегазвуковых частотах (порядка 700 кГц). Предлагаемое решение заключается в применении узкополосных преобразователей, с которыми амплитуды давлений на низких частотах резко сокращаются и не вызывают появления кавитации. Проведенные в Северо-Западном университете (Иллинойс, США) исследования показывают, что в то время как при использовании стандартного резервуара для мегазвуковой отмывки на 1 полупроводниковую пластину возникало повреждение структур (A и B на рис. 2), то применение узкополосного преобразователя предотвратило возникновение повреждений (B и D).
Рис. 2. Полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа изображения линий шириной 120 нм (A и C) и 350 нм (B и D) после отмывки на 100% уровне мощности в течение 5 минут.
При реализации оборудования для мегазвуковой отмывки в микроэлектронике перспективным считается подход с обработкой одной пластины(рис. 3), эффективный в условиях современной фабрики по производству полупроводниковых пластин с мелкосерийным многономенклатурным производством. Такой процесс гибок, хорошо настраивается под конкретный и быстро переналаживается, что в результате дает производительность обработки, составляющую менее 1 минуты на пластину.
Рис. 3. Реализация метода мегазвуковой обработки одной пластины: а) схема A. Busnaina (патент); б) горизонтальная схема с «ножом»; в) вертикальная схема.
Технология мегазвуковой обработки в настоящее время интенсивно развивается. Среди наиболее интересных направлений можно, в частности, выделить ее применение для акустического содействия различным процессам химической обработки.
Источники:
1. Ahmed Busnaina, Northwestern University, USA. Megasonic Cleaning without Damage? http://electroiq.com/blog/articles/2013/09/megasonic-cleaning-without-damage.
2. Fundamentals of Ultrasonic & Megasonic Cleaning / PROCESS CLEANING Magazine, November/December 2009 http://www.ctgclean.com/blog/wp-content/uploads/Fundamentals-of-Ultrasonics.PDF
3. Mark Beck, ProSys Inc. Megasonic Cleaning Charts a Course to the Big Time http://www.prosysmeg.com/Precision-Cleaning-article-1.html
4. Прокопьев Е. П. Химическая обработка поверхности полупроводниковых пластин в процессе изготовления многослойных структур и микроэлектронных изделий. http://www.prokopep.narod.ru/book2/html/glava2.htm