CN101770935B - 旋涂器及用该旋涂器清洗衬底的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种方法，包括将半导体晶片沿着垂直于所述晶片表面的轴旋转。在旋转所述晶片时，该晶片以振荡式运动方式沿着平行于晶片主表面的方向移动。在旋转及移动所述晶片时，从分别位于该晶片主表面的第1位置和第2位置的第1喷嘴和第2喷嘴同时向该晶片主表面喷射材料。

Description

旋涂器及用该旋涂器清洗衬底的方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺装置。
背景技术
传统的半导体湿式工作台工艺中的清洗工艺包括将溶剂或水滴喷射至半导体晶片表面。通过上述液滴撞击晶片表面的颗粒将其除去。随着晶片尺寸增加，撞击力将影响器件。
具体地说，位于上述晶片的外端的图案受作用于相对较强能量的液滴，相对于晶片中心部位而更易被破坏。晶片上一个给定点的切线速度与该给定点的径向坐标(极坐标)成正比，且由切线速度＝半径×角速度(弧度/秒)给出。在中心部位，切线速度为零。对于一个给定的旋转速度，较大的晶片尺寸的导致该晶片圆周附近的切线速度更大。因为晶片边缘的切线速度随着晶片半径的增加而增加，由于切线速度分量的原因，450mm的晶片的旋涂工艺受到液滴冲击力的不利影响。
例如，当喷嘴以20m/s的速度垂直地向以26弧度/秒旋转的200mm晶片(半径100mm)喷射液滴时，圆周部分的切线速度为2.6m/s，且通过毕达哥拉斯(Pythagorean)理论计算的液滴对于晶片表面的相对速度为V＝(202+2.62)1/2＝20.1m/s。这个值与在晶片中心处的液滴对于晶片的相对速度(20m/s)相差1％之内，其中在晶片中心处的切线速度为零。因而，对于以26弧度/秒旋转的200mm的晶片来说，液滴撞击晶片不同部位时的动力学能量变化不予考虑。
对于同样以26弧度/秒旋转的450mm晶片(半径225mm)，圆周处的切线速度为11.8m/s，液滴对于晶片表面(在同样的垂直喷射速度下)的相对速度为V＝(202+11.82)1/2＝23.3m/s。因此，在圆周处(23.3m/s)与在中心处(20m/s)的液滴撞击速度存在16％的差。这部分所增加的撞击速度赋予在圆周处的液滴高于在中心处的液滴34％的动力学能量。结合晶片的旋转速度与液滴速度，液滴在圆周处增加了的这部分动力学能量可能破坏衬底上所形成的图案(例如多晶硅线图)。
发明内容
在一些实施例中，本发明提出一种方法，包括以垂直于晶片的主表面的轴旋转半导体晶片。在旋转晶片时，以振荡式运动沿着与所述主表面相平行的方向移动晶片。在旋转晶片以及移动晶片时，从位于所述晶片主表面的第1位置和第2位置的第1和第2喷嘴或孔同时向晶片喷射材料。
在另一些实施例中，本发明提出一种方法，包括以垂直于晶片的主表面的轴旋转半导体晶片。在旋转晶片时，以振荡式运动沿着与所述主表面相平行的方向移动由晶片与一对喷嘴或孔组成的群的至少一个群。在旋转晶片以及移动晶片或第1以及第2喷嘴或孔时，从第1和第2喷嘴或孔同时向晶片喷射材料。
在又一些实施例中，本发明提出一种系统，包括用于使半导体晶片以垂直于所述晶片的主表面的轴旋转的旋涂器。在旋转晶片时所述旋涂器可以以振荡式运动沿着与所述主表面相平行的方向移动晶片。位于两个位置的至少两个喷嘴或孔，用于在所述晶片旋转以及移动时同时向所述晶片所述主表面的喷射材料。
附图说明
图1为具有两个用于喷射液体的喷嘴的可以同时旋转与移动的旋涂主机的示意图。
图2A至2D示出在振荡式运动中晶片相对于喷嘴的运动路径。
图3为一个例示方法的流程图。
图4A为适用于一个具体实施例的成行排布的多个喷嘴的示意图。
图4B为适用于一个具体实施例的具有多个孔的喷淋头集管的示意图。
图5示出喷嘴的替代位置。
具体实施方式
下述实施例应结合相应的被视为整个描述的一部分的图来阅读。除非特别说明，涉及附件、联接器及类似的术语，例如“连接”和“互连”指一种关系，其中，部件彼此之间或直接地或通过中间部件以及均可移动的或固定的附件或关联而间接地固定或贴附。
在下述中，在描述方向和坐标时通常按照极坐标系统，该系统中的径向向量
Figure G2009102091451D00031
示于图1和图2D，切向向量
Figure G2009102091451D00032
示于图2D，垂直向量Z示于图1。在该极坐标系统中，术语“上方”和“下方”指Z方向的位移。术语“正上方”和“正下方”指仅仅包括本地坐标系的Z方向分量的位移，而不包括径向或切向分量。该极坐标系是一个本地坐标系，且所述装置可以被指向球坐标系统的任一方向。
图1为装置100以及用于改进半导体晶片110的旋涂-喷射清洗工艺或湿法蚀刻工艺的方法的示意图。装置100包括在晶片喷射-旋涂系统上的第1和第2喷嘴120(以及可选的，第3喷嘴120或更多附加喷嘴)。上述附加喷嘴120，提高了清洗或蚀刻溶液在大直径(例如450mm)晶片表面的驱动力的一致性。对于大直径晶片110，晶片边缘的切线速度高于中心附近的切线速度。这可以导致喷射向晶片边缘与中心之间的滴至晶片表面的溶剂之间的相对速度的相当大的差别，进而导致撞击流体液滴的动力学能量的相当大的差别。增加所述第2喷嘴120可以抵偿主喷嘴120覆盖晶片面积的能力的局限性并平滑速度间距喷雾分布。
系统100包括旋涂器102，该旋涂器用于以垂直于晶片主表面110m的轴112旋转半导体晶片110。该旋涂器102可以在旋转晶片的同时，以振荡式运动的方式将晶片110沿着平行于主表面110m的方向140移动。振荡式运动相对于喷嘴120移动晶片110，使得喷射所撞击的晶片110的主表面上的位置的径向极坐标由处于晶片110的中心处C或其附近变化至晶片圆周处或附近。
在一些具体实施例中，振荡式运动的方式是使晶片110的中心C沿椭圆形路径P(示于图2A至2D)进行，而晶片圆周处于椭圆形包络线E之内。椭圆形路径P具有长轴A和短轴B。
对于半径为R的晶片，在一些实施例中，中心点C的椭圆形路径P具有长轴A，且1.886R≤A≤2R(2R等于晶片的直径)，以及短轴B，且0.22R≤B≤R。
在其他实施例中，振荡式运动可能具有不同类型的运动路径。例如，在一些实施例中，A＝B，因而该中心点C的路径为圆。
在其他实施例(未示出)中，所述振荡式运动可以沿着某一线段做直线往复运动。例如，给定沿一条线段排列的多个喷嘴120，所述振荡式运动沿着处于包含喷嘴的线段的下方(在Z轴方向)并平行于该线段的线段做直线往复运动。在其他的实施例中，振荡式运动可以沿着处于包含喷嘴的线段的下方并垂直于该线段的线段做直线往复运动。
除了可以振荡式运动，系统100具有至少2个喷嘴120或孔，以用于在旋转并移动晶片110时同时在2个位置上向晶片110的主表面喷射材料130。在一些实施例中，所述至少2个喷嘴120或孔排列于同一方向，因而所述至少2个喷嘴120或孔的纵轴122彼此平行。在一些实施例中，液体130垂直喷射向晶片表面，因此该液体的速度向量只有Z分量，而没有径向分量和切向分量。在其他的实施例中，喷嘴或孔可以被设置以便使从喷嘴或孔喷射的液体具有切向和/或径向速度分量。在一些实施例中，喷射液体散开，导致其越过喷嘴或孔的表面的速度向量不一致。
为简洁起见，在余下的图1-3和图5的讨论中，术语“喷嘴”指喷嘴或孔。本领域普通技术人员可以理解，在下述图1-3和图5中的讨论可以同样的应用于喷嘴和孔。
优选地，所述的至少两个喷嘴120之间所间隔的距离D足够使从第1喷嘴120所喷射的喷雾和从第2喷嘴所喷射的喷雾不重叠。因此，在任何给定时间，由所述至少2个喷嘴向晶片110的主表面上的两个独立区域分配液体。在其他实施例中，在两个喷雾130之间存在一个相对小的交叉区域。优选地，任一重叠区域的面积远小于任意的喷雾130的面积，以使覆盖不均匀最小化。
在一些实施例中，所述的至少两个喷嘴120之间所间隔的距离大于或等于0.886R，且小于或等于R，此处R为晶片110的半径。
所述至少两个喷嘴120可以处于不同的位置。在一些实施例中，喷嘴120沿着晶片110的中心C所沿其运动的椭圆形路径P的长轴A位于晶片的一部分的正上方或正下方。(此处，上方指图1中Z方向的位移)。在一些实施例中，如图2A至2D所示，所述至少2个喷嘴120被与长轴A相对称地设置于短轴B的正上方或正下方。在一些实施例中，喷嘴120的位置可以稍微偏离轴B，考虑到晶片的运动，这并不实质上影响晶片上液体的覆盖。在其他实施例中，喷嘴可以位于偏离轴B的晶片的一部分的上方或下方，而且所述振荡式运动可以加以调整以补偿偏离轴的位置。
在备选实施例中(示于图5)，第1喷嘴520a位于晶片510之上、位于晶片510的中心所沿其运动的椭圆形路径P的中心或附近。在一个实施例中，第1喷嘴520a位于椭圆形路径P的中心的正上方或正下方，第2喷嘴520b位于短轴B的正上方或正下方，距离路径P的长轴A的距离为D(其中D≤R)。尽管在图5中只给出了两个喷嘴，可以在喷嘴520a与520b之间设置附加喷嘴。在备选实施例中(未示出)，喷嘴位于沿椭圆形路径P的长轴的晶片的一部分的上方或下方。
在一些实施例中，两个喷嘴120的喷射速度(以及压力)相同。在另一些实施例中，喷嘴520a、520b的喷射速度(压力)可以分别控制。例如，在一个实施例中，位于椭圆形路径P的中心的第1喷嘴520a的喷射液滴速度为20m/s，沿着短轴B距离晶片510的中心C距离为R的第2喷嘴的喷射速度为17m/s。对于第2喷嘴，液滴相对于晶片表面的撞击速度为V＝(172+11.82)1/2＝20.7m/s。因此，采用相对低的喷射速率，晶片510圆周附近的液滴的撞击速度可以控制在接近晶片中心C的撞击速度20m/s。这带来更为均匀的撞击力。
在一些实施例中，旋涂器100为日本京都大日本屏幕制造公司(Dainippon Screen Manufacturing Co.Ltd.)生产的“AQUASPINTM”SU-3X00系列湿式工作台晶片清洗系统(例如，型号SU-3000或SU-3100)，其中加入了第2喷嘴和相应的供料管。备选的，也可使用其他带有第2喷嘴的湿式工作台清洗装置，例如由日本东京的东京电子公司(TokyoElectron Ltd.)出售的湿式工作台装置。
上述实施例中包括固定的喷嘴120的湿式工作台设备100，且晶片110以振荡运动的方式进行移动。在备选实施例中，晶片相对于一个固定的轴旋转，而喷嘴在一个平行于晶片主表面的平面内以振荡方式运动。
图4A和4B给出了多个喷嘴或孔的两种不同结构。在图4A中，多个喷嘴420以直线排布用以向晶片110的主表面喷射材料，所述晶片110如上所述以振荡运动方式旋转并移动。所述多个喷嘴420，例如，可以设置于晶片中心所沿其运动的椭圆形路径的短轴的上方。
在图4B中，喷淋头集管450上设有多个以直线排布的孔452，用以向晶片110的主表面喷射材料，所述晶片110如上所述以振荡式运动方式旋转并移动。所述多个孔452，例如，可以设置于晶片中心所沿其运动的椭圆形路径的短轴的上方。
根据可用空间及用于提供所喷射液体的连接方式，对于一个给定的湿式工作台系统，本领域技术人员可以选择使用多个分开的喷嘴420或使用一个带有多个孔452的单个集管450。本领域的技术人员应该知道多个喷嘴420或孔452可以包含任意数量的喷嘴或孔，该数目不仅仅局限于上述具体例子。
图3为例示方法的流程图。
在步骤300中，半导体晶片110沿垂直于晶片主表面110m的轴112旋转。
在步骤302中，在旋转晶片的同时，晶片或喷嘴对以振荡式运动沿着平行于主表面的方向移动。
在步骤304中，在旋转晶片及移动晶片或喷嘴时，从分别位于第1位置和第2位置的第1和第2喷嘴120或孔同时向晶片110的主表面110m喷射材料130。
尽管例中描述的工艺是清洗工艺，该方法也可用于其他的除去材料的目的，例如蚀刻、平整、减薄步骤等类似工艺。因此，材料130可以是去离子水、溶剂、氧化剂液体、腐蚀剂或类似材料。
通过改变喷射物在晶片110表面的径向位置，系统100补偿了晶片中心C和圆周部之间的相对(液滴相对于晶片表面)速度的差。通过选择适当的喷嘴位置和路径P的参数，工艺窗口可以扩大。可以减少一个或两个喷嘴的液滴速度。可以减低多晶硅线条被破坏的风险。
尽管通过具体实施例描述了本发明，本发明并不限于此。此外，权利要求应该被扩大解释为包括通过不脱离本发明的与本发明同等范畴和领域的技术而实现的变形和实例。

Claims (15)

1.一种用于清洗晶片的方法，包括：
沿垂直于晶片的主表面的轴旋转半导体晶片；
在旋转晶片时，以振荡式运动沿着与所述主表面平行的方向移动晶片；和
在旋转和移动晶片的同时，从分别位于所述晶片主表面的第1位置和第2位置的第1和第2喷嘴或孔同时向晶片喷射材料，
其中，所述的振荡式运动沿着椭圆形路径运动，所述第1喷嘴和第2喷嘴沿所述椭圆形路径的轴基本上位于所述晶片的一部分的正上方或正下方。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的材料为清洗溶剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的第1喷嘴或孔和所述的第2喷嘴或孔沿所述椭圆形路径的短轴基本上位于晶片的一部分的正上方或正下方。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的第1喷嘴或孔基本上位于所述椭圆形路径的中心的正上方或正下方，所述的第2喷嘴或孔基本上位于所述椭圆形路径的正上方或正下方，或位于距离椭圆形路径的正上方或正下方0.14*R的位置处，所述R为晶片的半径。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的椭圆形路径的长轴约等于所述晶片的直径，所述的椭圆形路径的短轴约等于所述晶片的半径。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述椭圆形路径的长轴约等于所述晶片的直径，所述的椭圆形路径的短轴约等于所述晶片的半径；
所述的第1喷嘴或孔和所述的第2喷嘴或孔沿所述椭圆形路径的短轴定位；和
所述的第1喷嘴和第2喷嘴之间间隔的距离约为晶片的半径。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的第1喷嘴或孔和第2喷嘴或孔之间间隔的距离约为晶片的半径。
8.一种用于清洗晶片的方法，包括：
以垂直于晶片的主表面的轴旋转半导体晶片；
在旋转晶片时，以振荡式运动沿着与所述表面相平行的方向移动晶片或第1以及第2喷嘴或一对孔；和
在旋转晶片和移动晶片或第1以及第2喷嘴或所述一对孔的同时，从第1喷嘴或孔和第2喷嘴或孔向所述晶片的表面喷射材料，
其中，所述的振荡式运动沿着椭圆形路径运动，所述第1喷嘴和第2喷嘴沿所述椭圆形路径的轴基本上位于所述晶片的一部分的正上方或正下方。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
所述材料由第1喷嘴或孔喷射向第1位置；并且，
所述材料由第2喷嘴或孔喷射向第2位置，使得，在所述第1位置的喷射和在所述第2位置的喷射不相互重叠。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述的第1喷嘴或孔和第2喷嘴或孔之间间隔的距离约为晶片的半径。
11.一种系统，包括：
用于使半导体晶片以垂直于所述晶片的主表面的轴进行旋转的旋涂器，在旋转晶片时，所述旋涂器以振荡式运动沿着与所述主表面相平行的方向移动晶片；和
至少两个喷嘴或孔，用于在所述旋转以及移动晶片时向所述晶片的所述主表面的两个位置同时喷射材料，
其中，所述的振荡式运动沿着椭圆形路径运动，所述两个喷嘴或孔沿所述椭圆形路径的轴基本上位于所述晶片的一部分的正上方或正下方。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，振荡式运动为所述晶片的中心沿椭圆形路径运动。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述的至少两个喷嘴或孔基本上沿着所述椭圆形路径的短轴方向位于所述晶片的一部分的正上面或正下面。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述的至少两个喷嘴或孔彼此间隔开大于或等于0.886R且小于或等于R的距离，所述R为晶片半径。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述晶片的半径为R，所述椭圆形路径的长轴为a，且1.886R≤a≤2R；或者所述椭圆形路径的短轴为b，且0.22R≤b≤R。
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