文章：不破壞MEMS結構的顆粒去除方法
引言
MEMS (微機電系統)和集成電路的一體化，正如通過(guò)電容型傳感器和靜電電容檢測電路的集成化來(lái)降低寄生電容和噪聲，實(shí)現噴墨打印頭和紅外線(xiàn)區域傳感器等大規模陣列一樣 這樣的集成化是構成MEMS核心的技術(shù)之一。由于使用多晶Si的表面微加工技術(shù)在控制應力時(shí)需要1100°C的高溫退火，因此一體化的LSI將采用老一代的設計規則和特殊材料。 但是，這樣的LSI不適合高速信號處理。對此，有人提出了分別準備用最尖端技術(shù)制造的LSI晶圓和MEMS晶圓，將兩者在晶圓級接合的方法。 這種集成化方法具有可以用最合適的工藝和材料分別制作MEMS和LSI的優(yōu)點(diǎn)。以上述集成化為代表，晶圓接合對于MEMS來(lái)說(shuō)將成為越來(lái)越重要的技術(shù)。作為晶片接合方法，經(jīng)常使用陽(yáng)極接合和金屬膜間的擴散接合。 這些接合法需要光滑且正常的接合面，但由于MEMS的復雜化，粒子污染的可能性增加，同時(shí)也增加了清洗的難度。
在去除MEMS晶圓上的粒子時(shí)，與LSI制造工序相同，也利用了以過(guò)氧化氫（H2O2）為基礎的RCA清洗，但隨著(zhù)應去除的粒子的細微化，RCA清洗的粒子去除率降低，另外，對于形成金屬電極的晶圓，腐蝕性RCA清洗的應用變得困難。
實(shí)驗
作為清洗評價(jià)用的晶圓，使用切割鋸將厚度為380μmn型雙面拋光單晶Si晶圓切割成20mm見(jiàn)方后使用。利用激光散射式表面檢查裝置對清洗前后Si晶圓上附著(zhù)的粒徑0.3μm以上的粒子數進(jìn)行了評價(jià)。但是，由于WM―3能夠測量的晶圓尺寸為4英寸以上，因此在4英寸Si晶圓中心設置的20mm見(jiàn)方的沉孔中嵌入20mm見(jiàn)方晶圓，進(jìn)行了測量。由于WM―3的分析功能無(wú)法僅測量20mm角部分的粒子數，因此我們用掃描儀讀取印刷的20mm粒子圖的邊緣部分以外的16mm角部分，通過(guò)對得到的圖像進(jìn)行直方圖分析來(lái)估算粒子數。粒子圖的1像素尺寸為500μm角，16mm角的區域有1024個(gè)像素。當在一個(gè)像素中存在至少一個(gè)粒子時(shí)，該像素被打印為黑色。因此，像污染后那樣，在各像素區域有多個(gè)粒子的情況下，粒子數比像素數多，但是通過(guò)清洗大部分被除去，稀疏分布的情況下，粒子數與像素數基本相等。也就是說(shuō)，后面定義的，從清洗前后的像素數算出的粒子去除率有比實(shí)際低的傾向。
損傷評價(jià)作為評價(jià)清洗工序伴隨的物理沖擊引起的損傷的模型，采用了MEMS最基本的結構，而且容易發(fā)生損傷的懸臂梁。 懸臂梁的尺寸為厚度1.3 μm、寬度5 m、長(cháng)度23 μm或28 μm，厚度由SOI晶圓的元件層的厚度決定，寬度由能夠容易利用接觸光刻制作的最小尺寸決定，長(cháng)度避免了與音速清洗機的超聲波振動(dòng)的共振 長(cháng)23 μm的懸臂梁結構如圖2所示。
在超聲波清洗或兆聲波清洗工藝中，在20 mm方形晶圓專(zhuān)用支架上安裝具有強制污染晶圓或微細懸臂梁結構的損傷評價(jià)用晶圓，用各清洗液清洗10分鐘后，進(jìn)行了旋轉干燥。 在二流體噴霧清洗工藝中，將強制污染晶圓或損傷評價(jià)用晶圓真空吸附在旋轉機構上，一邊以2000 rpm的速度旋轉晶圓，一邊沿著(zhù)晶圓擺動(dòng)二流體噴霧噴嘴，從而向晶圓整個(gè)面噴霧清洗液60秒鐘，之后進(jìn)行了旋轉干燥。 根據本研究使用的懸臂梁結構的尺寸，確認了不會(huì )發(fā)生因干燥時(shí)的毛細管力而引起的粘貼。
結果和討論
圖4.超聲波清洗（100W），兆頻超聲波清洗（200-600W），雙流體表示經(jīng)過(guò)噴霧清洗（0.1～0.5 MPa）后被破壞的懸臂梁結構的比例。洗液全部為DI水。低功率超聲波清洗完全沒(méi)有觀(guān)測到損傷，而兆頻超聲波清洗在500W以上的功率下觀(guān)察到了損傷的懸臂。由兆頻超聲波清洗引起的損傷集中在28μm長(cháng)的梁結構上，而不是23μm長(cháng)的梁結構上。作為其理由，除了梁長(cháng)的一方容易受到振動(dòng)的應力之外，還可以認為是兆頻超聲波的振動(dòng)頻率與梁結構的固有振動(dòng)共振，被強制振動(dòng)破壞的可能性。
在DI水的雙流體噴霧清洗中，氮壓力在0.2 MPa以下時(shí)未見(jiàn)損傷，但在0.3 MPa以上時(shí)突然發(fā)生損傷。 關(guān)于雙流體噴霧清洗造成的損傷，雖然沒(méi)有發(fā)現兆頻超聲波清洗后出現的梁結構長(cháng)度依賴(lài)性，但也觀(guān)察到了懸臂支撐部分的缺陷，如圖5所示。
圖6表示的是間歇式RCA-1清洗，以及以DI水/表面活性劑水/稀釋RCA-1液為清洗液的超聲波清洗的PRE。在間歇式浸漬RCA-1清洗和使用DI水的超聲波清洗中，被氧化鋁粉末強制污染的晶圓的PRE值較低，即使最好也只有30%。另一方面，將表面活性劑水作為清洗液進(jìn)行超聲波清洗，得到了50%左右的PRE。雖然沒(méi)有發(fā)現超聲波清洗對模型微細結構的損傷，但50%左右的PRE作為晶圓接合前的清洗是不充分的，希望能有去除效果更高的清洗工藝。
添加表面活性劑的水和稀釋的RCA-1顯著(zhù)提高顆粒去除率的原因如下。 溶液中對晶圓表面的粒子吸附機制，通過(guò)晶圓-粒子間的分子間相互作用（van der Waals力）和靜電相互作用（雙電層相互作用）進(jìn)行了說(shuō)明。在極性溶液中，粒子和晶圓的表面一般帶電，由于溶液中離子的存在，在帶電界面周?chē)纬呻p電層。 當作為晶圓表面、粒子表面各雙電層的電位分布指標的ζ電位為同極性時(shí)，由于電排斥力，微粒子容易從晶圓表面脫離，也難以發(fā)生再附著(zhù)。 另一方面，當晶圓表面、粒子表面的ζ電位為不同極性時(shí)，由于電吸力，微粒難以從晶圓表面脫離，脫離的粒子容易再附著(zhù)，因此清洗困難。
在中性的DI水中，氧化鋁粒子的zeta電位為正，硅表面的zeta電位為負，因此使用DI水清洗的PRE較低，但通過(guò)使用表面活性劑，Si晶圓、氧化鋁微粒子的表面都被表面活性劑完全覆蓋，zeta電位被控制在同極性，通過(guò)電排斥力，粒子容易被除去。
20mm方晶圓的切面存在伴隨切割的粗糙和碎裂，在分批式清洗中，由此產(chǎn)生的顆粒會(huì )積聚在清洗液中，有不能提高清洗效果的危險。特別是兆頻超聲波清洗，極有可能在超聲波的物理力作用下，將切面粉碎，產(chǎn)生大量粒子。對切割切面進(jìn)行氫氟酸―硝酸處理，使用切面平滑化的晶圓，以DI水為清洗液進(jìn)行兆頻超聲波清洗的結果，與未進(jìn)行相同處理的晶圓相比，PRE得到了改善（圖10）。 由此可知，在使用通過(guò)切割小片化的晶圓進(jìn)行試制時(shí)，切面會(huì )成為發(fā)塵源。
總結
作為制造MEMS的重要工藝，晶圓接合的關(guān)鍵是在不損壞微細MEMS結構的情況下去除亞微米以下粒子的技術(shù)。 特別是關(guān)于使用通過(guò)切割小片化的晶圓的MEMS試制中的粒子去除，由于無(wú)法對小片晶圓進(jìn)行適當的粒子數評價(jià)，因此至今沒(méi)有進(jìn)行定量研究。并且，對從切面產(chǎn)生灰塵這一小片試料所固有的課題也沒(méi)有進(jìn)行充分的研究。
在本方法中，提出了附著(zhù)在20mm角晶圓上的粒子的評價(jià)法，發(fā)現了即使是以前的浸入式RCA清洗和超聲波清洗不能充分去除的亞微米尺寸的粒子，也能在不對MEMS的微細結構造成損傷的情況下去除的清洗法。 具體來(lái)說(shuō)，使用表面活性劑添加水和稀釋RCA―1，在適當的輸出功率（本方法為400W）下進(jìn)行兆頻超聲波清洗時(shí)，以及在適當的氮壓（本方法為0.2 MPa）下在清洗液中使用DI水進(jìn)行雙流體噴霧清洗時(shí)，可以得到約90%的PRE。 此時(shí)，20mm晶圓上的粒子實(shí)數從清洗前，即強制污染的數萬(wàn)個(gè)左右急劇減少到清洗后的100個(gè)左右。另外，通過(guò)使用氫氟酸―硝酸對被切割的小片晶圓的切面進(jìn)行蝕刻處理，也顯示了兆頻超聲波清洗的PRE得到了改善。
可以認為，本方法開(kāi)發(fā)的清洗法不僅適用于晶圓接合工序前的精密清洗，還適用于廣泛的MEMS制造工序。研究表明，傳統的RCA清洗需要消耗大量的藥液和純水，通過(guò)并用適當的物理力，可以大幅減少純水和藥液的使用量，同時(shí)也能大幅減少清洗廢液的排放量，同時(shí)在不損傷MEMS微細結構的
