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超精密抛光元件兆声波清洗工艺

2021-08-26 16:09
化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing,简称CMP)技术是目前最好的实现全局平面化的工艺技术,加工表面具有纳米级表面精度和亚纳米级表面粗糙度(Ra≤0.3nm),同时表面和亚表面无损伤,已接近表面加工的极限。CMP技术已广泛应用在集成电路、计算机磁头、硬磁盘及光学透镜等超精密元件表面的加工。随着现代科学技术的不断进步,集成技术水平不断提高,器件尺寸不断缩小,对CMP抛光硅晶片的表面质量要求越来越高。晶片表面的颗粒、有机物、金属及吸附分子等污染物会严重影响元器件的性质,目前因清洗不佳引起的电子器件失效已超过集成电路制造中损失的一半,CMP后表面清洗质量的高低已严重影响到电子元器件的性能、可靠性和稳定性。
 
由于CMP抛光后新鲜表面活性较高,以及CMP抛光液中大量使用纳米级磨料(如纳米SiO2,CeO2和Al2O3等)和多种化学品等因素,工件表面极易吸附纳米颗粒、有机物和无机物等污染物,导致CMP抛光后元器件表面清洗特别困难。这些污染物很容易引起微结构缺陷,导致低击穿、软击穿、漏电及芯片短路等问题。原子级表面粗糙度、无微观缺陷以及超洁净的表面已成为高技术电子元器件制造中的共同要求。因此,CMP精密抛光表面的超精密清洗技术已成为超精加工技术中急待研究解决的关键难题之一。
 

CMP抛光元件表面清洗技术研究现状


对于CMP后超光滑表面的清洗技术研究,国内外科研人员开发了多种清洗方法,如浸泡、喷淋、擦洗、超声波和兆声波等清洗方法。其中,浸泡和喷淋大多作为中间过程。擦洗是一种传统的手工接触式清洗方法,这种方法应用广泛、成本较低,但存在效率低、清洁度差的问题,不适宜自动化加工工艺的要求;同时,手工擦洗时由于需要依靠擦洗刷与硅片表面直接接触,常常会造成新的表面污染(如表面损伤、手印等)。
 
超声波清洗作为非接触表面清洗方法,以其清洗方便、残留物少、时间短、效率高等优点得到广泛应用。超声波清洗的频率在20~40kHz,其清洗原理主要是利用超声波的空化效应,即存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动。当声压达到一定值时,气泡会迅速膨胀,继而突然闭合,并在闭合时产生强大冲击波,使附着的污染物脱离表面。但超声波主要是用来清除表面吸附的较大粒子污染杂质(如粒径1μm以上粒子),随着吸附粒子粒径的减小,清洗效果下降,对于中心粒径≤0.2μm以下纳米级污染物,不易清除下来;同时,该频率下产生的驻波往往会对硅晶片产生损伤。为满足IT行业发展需求,近年来兆声波清洗得到了一定的重视,并获得了前所未有的清洗效果,目前已在CMP超精加工技术中得到广泛的应用。
 

兆声波清洗作用原理


兆声波清洗是由超声波清洗发展而来的,主要原理是采用高频(0.1~1.0MHz)交流电激励压电陶瓷晶体,使它产生振动,振动产生0.8MHz的高能声波,通过兆声振板传递到清洗液中,清洗液分子在这种声波的推动下作加速运动,最大瞬时速度达到30cm/s。由于频率太高,声波在溶液中很难发生空化效应,清洗时不会形成超声波清洗那样的气泡,而是利用高频声波能量使溶液以加速的液体形式,连续冲击硅片表面,使晶片表面吸附的颗粒等污染物离开晶片进入溶液中,从而达到去除硅晶片表面污染物的目的。与超声波清洗相比,超声波清洗难以清除小于1μm以下的微粒;兆声波清洗对表面损伤较小,可以清除0.2μm以下粒子。
 
CMP抛光后表面清洗质量直接关系到CMP技术水平高低。目前,兆声波清洗已成为CMP后超精密清洗的一种有效方法。在兆声波清洗过程中,清洗设备、工艺参数及清洗药剂的选择,对超光滑表面的清洗质量影响较大。因此,正确掌握和应用兆声波清洗技术,对CMP超精密抛光加工技术的发展起推动作用,对电子元器件的生产以及提高电子产品的性能、可靠性与稳定性起至关重要的作用。



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