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引言
? ? ? MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))和集成電路的一體化，正如通過電容型傳感器和靜電電容檢測電路的集成化來降低寄生電容和噪聲，實(shí)現(xiàn)噴墨打印頭和紅外線區(qū)域傳感器等大規(guī)模陣列一樣 這樣的集成化是構(gòu)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(yīng)力時需要1100°C的高溫退火，因此一體化的LSI將采用老一代的設(shè)計(jì)規(guī)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(zhǔn)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來說將成為越來越重要的技術(shù)。作為晶片接合方法，經(jīng)常使用陽極接合和金屬膜間的擴(kuò)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(fù)雜化，粒子污染的可能性增加，同時也增加了清洗的難度。
? ? ? 在去除MEMS晶圓上的粒子時，與LSI制造工序相同，也利用了以過氧化氫（H2O2）為基礎(chǔ)的RCA清洗，但隨著應(yīng)去除的粒子的細(xì)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(yīng)用變得困難。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? 作為清洗評價用的晶圓，使用切割鋸將厚度為380μm的（100）n型雙面拋光單晶Si晶圓切割成20mm見方后使用。利用激光散射式表面檢查裝置對清洗前后Si晶圓上附著的粒徑0.3μm以上的粒子數(shù)進(jìn)行了評價。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(shè)置的20mm見方的沉孔中嵌入20mm見方晶圓，進(jìn)行了測量。由于WM―3的分析功能無法僅測量20mm角部分的粒子數(shù)，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，通過對得到的圖像進(jìn)行直方圖分析來估算粒子數(shù)。粒子圖的1像素尺寸為500μm角，16mm角的區(qū)域有1024個像素。當(dāng)在一個像素中存在至少一個粒子時，該像素被打印為黑色。因此，像污染后那樣，在各像素區(qū)域有多個粒子的情況下，粒子數(shù)比像素?cái)?shù)多，但是通過清洗大部分被除去，稀疏分布的情況下，粒子數(shù)與像素?cái)?shù)基本相等。也就是說，后面定義的，從清洗前后的像素?cái)?shù)算出的粒子去除率有比實(shí)際低的傾向。
? ? ? 損傷評價作為評價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(jié)構(gòu)，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，長度避免了與音速清洗機(jī)的超聲波振動的共振 長23 μm的懸臂梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。
? ? ? 在超聲波清洗或兆聲波清洗工藝中，在20 mm方形晶圓專用支架上安裝具有強(qiáng)制污染晶圓或微細(xì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的損傷評價用晶圓，用各清洗液清洗10分鐘后，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)干燥。 在二流體噴霧清洗工藝中，將強(qiáng)制污染晶圓或損傷評價用晶圓真空吸附在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，一邊以2000 rpm的速度旋轉(zhuǎn)晶圓，一邊沿著晶圓擺動二流體噴霧噴嘴，從而向晶圓整個面噴霧清洗液60秒鐘，之后進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)干燥。 根據(jù)本研究使用的懸臂梁結(jié)構(gòu)的尺寸，確認(rèn)了不會發(fā)生因干燥時的毛細(xì)管力而引起的粘貼。
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結(jié)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)過噴霧清洗（0.1～0.5 MPa）后被破壞的懸臂梁結(jié)構(gòu)的比例。洗液全部為DI水。低功率超聲波清洗完全沒有觀測到損傷，而兆頻超聲波清洗在500W以上的功率下觀察到了損傷的懸臂。由兆頻超聲波清洗引起的損傷集中在28μm長的梁結(jié)構(gòu)上，而不是23μm長的梁結(jié)構(gòu)上。作為其理由，除了梁長的一方容易受到振動的應(yīng)力之外，還可以認(rèn)為是兆頻超聲波的振動頻率與梁結(jié)構(gòu)的固有振動共振，被強(qiáng)制振動破壞的可能性。
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圖4 伴隨物理清洗的損傷發(fā)生率
? ? ? 在DI水的雙流體噴霧清洗中，氮壓力在0.2 MPa以下時未見損傷，但在0.3 MPa以上時突然發(fā)生損傷。 關(guān)于雙流體噴霧清洗造成的損傷，雖然沒有發(fā)現(xiàn)兆頻超聲波清洗后出現(xiàn)的梁結(jié)構(gòu)長度依賴性，但也觀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(qiáng)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。雖然沒有發(fā)現(xiàn)超聲波清洗對模型微細(xì)結(jié)構(gòu)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。
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圖6 浸漬或超聲波清洗的顆粒去除率
? ? ? 添加表面活性劑的水和稀釋的RCA-1顯著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(jī)制，通過晶圓-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，在帶電界面周圍形成雙電層。 當(dāng)作為晶圓表面、粒子表面各雙電層的電位分布指標(biāo)的ζ電位為同極性時，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。 另一方面，當(dāng)晶圓表面、粒子表面的ζ電位為不同極性時，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，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(fù)，因此使用DI水清洗的PRE較低，但通過使用表面活性劑，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(jié)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，在使用通過切割小片化的晶圓進(jìn)行試制時，切面會成為發(fā)塵源。
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總結(jié)
? ? ? 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(xì)MEMS結(jié)構(gòu)的情況下去除亞微米以下粒子的技術(shù)。 特別是關(guān)于使用通過切割小片化的晶圓的MEMS試制中的粒子去除，由于無法對小片晶圓進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧Ｗ訑?shù)評價，因此至今沒有進(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有進(jìn)行充分的研究。
? ? ? 在本方法中，提出了附著在20mm角晶圓上的粒子的評價法，發(fā)現(xiàn)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(xì)結(jié)構(gòu)造成損傷的情況下去除的清洗法。 具體來說，使用表面活性劑添加水和稀釋RCA―1，在適當(dāng)?shù)妮敵龉β剩ū痉椒?00W）下進(jìn)行兆頻超聲波清洗時，以及在適當(dāng)?shù)牡獕海ū痉椒?.2 MPa）下在清洗液中使用DI水進(jìn)行雙流體噴霧清洗時，可以得到約90%的PRE。 此時，20mm晶圓上的粒子實(shí)數(shù)從清洗前，即強(qiáng)制污染的數(shù)萬個左右急劇減少到清洗后的100個左右。另外，通過使用氫氟酸―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(rèn)為，本方法開發(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(tǒng)的RCA清洗需要消耗大量的藥液和純水，通過并用適當(dāng)?shù)奈锢砹?，可以大幅減少純水和藥液的使用量，同時也能大幅減少清洗廢液的排放量，同時在不損傷MEMS微細(xì)結(jié)構(gòu)的情況下，使晶圓表面變得比以往更清潔。