CN101826459B - 半导体清洗方法与装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体清洗方法与装置及其控制方法。该半导体清洗方法包括步骤：提供显影液至晶片的一已预先曝光的光刻胶层上；使位于晶片的中央上方位置的喷嘴持续一段时间喷洒清洗液至光刻胶层，其中，清洗液不与光刻胶层与显影液反应；沿着晶片的半径方向移动喷嘴至晶片上方的至少一下一位置；使停留在该至少一下一位置的喷嘴持续至少另一段时间喷洒清洗液至光刻胶层；以及，清洗晶片直到显影液与溶解在显影液中的光刻胶被冲净为止，以露出晶片的一图案化光刻胶。

Description

半导体清洗方法与装置及其控制方法
技术领域
本发明是有关于一种清洗方法，且特别是有关于一种半导体清洗方法与装置及其控制方法。
背景技术
半导体装置(例如是晶片)的制造利用到多种显影技术，其中，尤其是光刻工艺，其更已成为半导体工艺中形成并图案化不同材料层的标准流程。一般光刻工艺的操作程序包括：于半导体装置上沉积一光刻胶层；使选定的部分光刻胶层曝光；利用显影液将不需要的光刻胶溶解掉以使光刻胶层显影，其中，若是使用正型光刻胶，则照射到光的部分会溶解在显影液中，反之，若使用负型光刻胶，则未照射到光的部分会溶解在显影液中。之后，再清洗半导体装置以将显影液完全去除。清洗过后，通常会利用气体(如氮气)吹干半导体装置，以将多余的液体与杂质去除。接下来于光刻工艺完成之前，再进行硬烤光刻胶层的步骤，以强化光刻胶层的结构。
现今由于市场竞争的关系，对半导体装置的质量要求越来越高。由于半导体的性能攸关于半导体的微细构造，各家半导体制造厂商无不致力于改良半导体装置的结构。然而，受限于传统上半导体工艺的限制，特别是上述提及的光刻工艺，工艺良率并非总是令人满意。举例来说，于半导体装置的显影步骤后，光刻胶层通常会伴随着多处缺陷，这些缺陷大多是倒塌的光刻胶结构所构成，不仅降低半导体装置的质量，同时也影响工艺良率，是以如何解决上述问题实乃为必要的课题。
发明内容
本发明是有关于一种半导体清洗方法与装置及其控制方法，用以在半导体工艺中有效维持光刻胶层的结构，进而降低缺陷的发生率，并增加工艺良率。
根据本发明的一方面，提出一种半导体清洗方法，其包括步骤：提供显影液至晶片的一已预先曝光的光刻胶层上；使位于晶片的中央上方位置的喷嘴持续一段时间喷洒清洗液至光刻胶层，其中，清洗液不与光刻胶层与显影液反应；沿着晶片的半径方向移动喷嘴至晶片上方的至少一下一位置；使停留在该至少一下一位置的喷嘴持续至少另一段时间喷洒清洗液至光刻胶层；以及，清洗晶片直到显影液与溶解在显影液中的光刻胶被冲净为止，以露出晶片的一图案化光刻胶。
根据本发明的另一方面，提出一种半导体清洗装置，其包括一载架、一显影液供应元件、一旋转驱动元件、一清洗液供应元件、一动作驱动元件与一控制器。载架用以承载一晶片，其中，晶片具有一已预先曝光的光刻胶层。显影液供应元件用以提供一显影液至晶片上。旋转驱动元件用以旋转载架及载架上的晶片，以使显影液均匀地分散在光刻胶层上。清洗液供应元件具有一喷嘴用以喷洒一清洗液，其中，清洗液不与光刻胶层与显影液反应。动作驱动元件用以移动喷嘴。控制器用以控制清洗液供应元件与动作驱动元件，其中，于不必要的光刻胶溶解在显影液后，控制器是控制喷嘴于晶片上的多个位置停留，并以相同或不同的时间长短喷洒清洗液。
根据本发明的再一方面，提出一种半导体清洗的控制方法，其包括步骤：设定喷嘴移动的一路径，其中，喷嘴用以喷洒清洗液至晶片上，而该路径包括喷嘴停留的多个位置；设定喷嘴于该多个位置停留的多个时间长短；以及，使喷嘴依照该路径移动，并根据该多个时间长短停留在该多个位置上。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明较佳实施例的一种半导体清洗装置的示意图。
图2A是依照本发明较佳实施例的一种半导体清洗的控制方法的流程图。
图2B是依照本发明较佳实施例的一种半导体清洗方法的流程图。
图3A是可移动的喷嘴停留在晶片上不同位置的示意图。
图3B是在清洗过程中将喷嘴固定在晶片的中央上方位置(第一位置P1)的示意图。
图4和图5是分别对应表1、2的数据所绘制曲线的示意图。
【主要元件符号说明】
100：半导体清洗装置
101：载架
103：显影液供应元件
105：旋转驱动元件
107：清洗液供应元件
109、110：动作驱动元件
111：控制器
112、113：喷嘴
200：晶片
201：光刻胶层
201A：不需要的光刻胶
P1、P2、P3、P4：第一、第二、第三、第四位置
具体实施方式
半导体制造的光刻工艺通常包括涂布光刻胶材料、曝光光刻胶材料以及使光刻胶材料的图案显影出来等步骤。本实施例是以光刻胶的显影及其清洗过程为例作说明，然本发明并不局限于此。
请参照图1，其是依照本发明较佳实施例的一种半导体清洗装置100的示意图。半导体清洗装置100包括一载架101、一显影液供应元件103、一旋转驱动元件105、一清洗液供应元件107、动作驱动元件109、110与一控制器111。载架101用以承载一晶片200。载架101例如是一圆盘，以提供足够的吸力托住晶片200。晶片200具有一光刻胶层201，光刻胶层201预先被选择性地曝光以形成特定的光刻胶图案，此光刻胶图案在晶片200完成显影后被保留在晶片200上。
显影液供应元件103用以提供一显影液至晶片200上。显影液供应元件103具有喷嘴112，其是由动作驱动元件110控制，以喷洒显影液至晶片200上溶解光刻胶层201上不需要的光刻胶201A。光刻胶材料分为正型光刻胶与负型光刻胶，显影液是可根据光刻胶材料的特性去选定。举例来说，当光刻胶层201的材料为正型光刻胶，显影液可为碱性溶液，或较佳为稀释去离子碱性溶液(dilute nonionic alkaline solution)。
旋转驱动元件105连接载架101，用以旋转载架101及载架101上的晶片200，以使显影液或其它种类的溶液均匀地分散在光刻胶层201上。举例来说，旋转驱动元件105包括马达，其旋转轴是与载架101结合。清洗液供应元件107具有一喷嘴113用以喷洒清洗液至晶片200，其中，清洗液不与光刻胶层201与显影液反应，以洗净晶片200并保留晶片200的光刻胶图案。清洗液较佳为纯水或超纯水。
动作驱动元件109用以移动喷嘴113以改变喷嘴113相对于晶片200的位置。较佳地，动作驱动元件109与上述控制喷嘴112的动作驱动元件110各别包括机械元件，如马达、导轨、皮带、皮带轮、齿轮组等所构成的机构(未绘示)。本实施例中，动作驱动元件109、110分别驱使喷嘴113、112沿着晶片200的半径方向移动。
控制器111例如是一可程控器，其电性连接至显影液供应元件103、旋转驱动元件105、清洗液供应元件107与动作驱动元件109、110，以控制这些元件的状态。举例来说，可对应这些元件的操作方式在控制器111中设定由计算机码编写的特定程序，如此，喷嘴109、110的移动路径、显影液供应元件103的显影液供应量、清洗液供应元件107的清洗液供应量可在晶片200的显影步骤开始之前，事先设定在控制器111中。此外，这些元件被致动的顺序亦可事先规划并设定在控制器111中。
请参照图2A，其是依照本发明较佳实施例的一种半导体清洗的控制方法的流程图。半导体清洗的控制方法包括步骤S101至S103。于步骤S101中，先设定喷嘴移动的一路径，其中，喷嘴用以喷洒清洗液至晶片上，而该路径包括喷嘴停留的多个位置。如图1所示，喷嘴113移动的路径是预先设定在控制器111中。接着，如步骤S102所示，设定喷嘴于这些位置停留的多个时间长短，这些时间长短亦可设定于控制器111中。然后，使喷嘴依照该路径移动，并根据该多个时间长短停留在该多个位置上。
并请参照图2B，其是依照本发明较佳实施例的一种半导体清洗方法的流程图。半导体清洗方法包括步骤S201至S208，之后将详细说明各步骤。显影过程中，喷嘴是在晶片上方的多个位置停留，而各位置停留的时间长短可相同或不相同。以下是以喷嘴停留在晶片上方三个位置为例作说明，然本发明并不限定于此。
在步骤S201中，提供显影液至晶片上，其中，晶片具有一已预先曝光的光刻胶层。通常，为了形成具有特定图案的光刻胶层，可将具有预定图案的不透明或半透明掩模覆盖在涂布好的光刻胶层上，再进行曝光的步骤。由于光刻胶材料具有感光特性，未被掩模覆盖是光刻胶部分会吸收光能量而改变其对于显影液是反应。以正型光刻胶为例，在正型光刻胶曝光一段时间后，照光的部分是可溶解于显影液中，而未照光的部分则不会被显影液所溶解，因此在显影步骤后，与掩模的预定图案相似的光刻胶图案是可保留下来。
如图1所示，在喷嘴112喷洒显影液之前，较佳地可先将喷嘴112移到晶片200的中央上方位置，使显影液直接滴落到晶片200中央。
接着，如步骤S202所示，旋转晶片以使显影液均匀地分散在光刻胶层上，以溶解不需要的光刻胶。如图1所示，当旋转驱动元件105旋转载架101及晶片200时，旋转所产生的离心力会对显影液造成一股拖拉的力量，使显影液从晶片200中心流向晶片200边缘。在载架101旋转的作用下，显影液被散布在光刻胶层201上，以均匀地将不需要的光刻胶，如已曝光的光刻胶部分溶解掉。在供应足够的显影液后，动作驱动元件110再将位于晶片200中央上方的喷嘴112移回其初始位置，如晶片200边缘外的位置。之后，当不需要的光刻胶完全溶解于显影液后，是可执行晶片200的清洗步骤。
如步骤S203所示，使喷嘴停留在第一位置并持续第一段时间以喷洒清洗液至晶片的光刻胶层上，其中，第一位置是对应晶片的中央上方位置。请参照图3A，其是可移动的喷嘴停留在晶片上不同位置的示意图。较佳地，清洗液供应元件107的喷嘴113是从晶片200的中央上方位置的第一位置P1开始。喷嘴113持续第一段时间停留在第一位置P1，其中，第一段时间的长短是可预先设定在控制器111中，第一段时间例如为20秒。
于第一段时间中，静止的喷嘴113是喷洒清洗液至晶片200上。同时，旋转驱动元件105是持续旋转载架101及其上的晶片200，所产生的离心力会作用在清洗液上，朝晶片200边缘的方向牵引清洗液流动。当清洗液于晶片200上流动时，显影液与已溶解的光刻胶会与清洗液混合在一起，且在离心力的作用下被逐渐带走。于第一段时间结束后，清洗方法跳至下一步骤S204。
于步骤S204中，使喷嘴沿着晶片的半径方向移动至晶片上方的第二位置。如图3A所示，喷嘴113是可等速或非等速地在晶片200上移动，较佳地，喷嘴113是等速移动。而在喷嘴113移动到第二位置P2的过程中，喷嘴113是可持续或暂停清洗液的喷洒，这些都可事先根据实际需求设定在控制器111中。于本实施例中，移动中的喷嘴113是持续喷洒清洗液至晶片200上。当到达第二位置P2后，喷嘴113是停留在第二位置P2，清洗方法跳至下一步骤S205。
于步骤S205中，使喷嘴停留在第二位置并持续第二段时间以喷洒清洗液至晶片的光刻胶层上。此步骤与步骤S203相同，然第二段时间的长短并不一定要与第一段时间相同，其中，第二段时间的长短亦可预先设定在控制器111中。于本实施例中，喷嘴113较佳是在各位置停留相同的时间，亦即，喷嘴113是在第二位置P2停留约20秒。而于第二段时间结束后，清洗方法跳至下一步骤S206。
于步骤S206中，使喷嘴沿着晶片的半径方向移动至晶片上方的第三位置。之后，如步骤S207所示，使喷嘴停留在第三位置并持续第三段时间以喷洒清洗液至光刻胶层上。第三段时间的长短是与第一、第二段时间相同，约为20秒。本实施例中，虽然第二位置P2是位于第一位置P1与第三位置P3之间，使喷嘴113沿着由第一位置P1移动到第三位置P3的路径移动，然本发明并不限定于此，喷嘴113亦可沿着P1-P3以外的路径移动。第一位置P1、第二位置P2与第三位置P3的间隔是可预先设定在控制器111中。较佳地，第一位置P1与第二位置P2的间隔是等于第二位置P2与第三位置P3的间隔。
如步骤S208所示，清洗晶片直到显影液与溶解在显影液中的光刻胶被冲净为止，以露出晶片的一图案化光刻胶。从第一位置P1至第三位置P3的路径是可重复多次以完全洗净晶片200。举例来说，如图3A的箭头A1所示，原本停留在第三位置P3的喷嘴113是再次被移回第一位置P1，以重复路径P1-P3。而在喷嘴113重新定位于第一位置P1后，再重复上述步骤S203至S207。重复路径P1-P3的次数是可根据对于晶片200的需求预先设定在控制器111中。换言之，喷嘴113的移动轨迹是可先由计算机码编写程序并预先设定在控制器111中，使动作驱动元件109根据设定好的程序驱使喷嘴113移动。当喷嘴113移动的路径P1-P3重复时，是可缩减喷嘴113在各位置上停留的时间。举例来说，当路径P1-P3重复2或3次时，于第一位置P1、第二位置P2与第三位置P3停留的时间是可各为5秒。
由于在喷嘴113喷洒清洗液至晶片200时，晶片200是持续旋转，因此所产生的离心力会不断地牵引清洗液向外流动，使得显影液与溶解的光刻胶会被清洗液带走而非保留在晶片200上。此外，由于在清洗过程中，喷嘴113是停留在不同位置(如位置P1、P2、P3)上喷洒清洗液，并非将清洗液喷洒在晶片200的特定位置(如晶片200的中央位置)，因此降低了对晶片200其光刻胶层201的冲击。再者，喷嘴113喷洒清洗液的效率及其移动速度是可由控制器111所控制。基于上述理由，当清洗晶片200时，可避免图案化光刻胶的结构剥落，以完整保护图案化光刻胶，大幅增加晶片200的工艺良率。
通常，光刻工艺的显影步骤所需的时间包括：供应显影液的时间、光刻胶层201与显影液反应的时间以及清洗晶片200的时间。另外，尚须考虑部分的光刻胶层201是需要较长时间的清洗以完全去除杂质。由于喷嘴113是喷洒清洗液至晶片200的多个位置，使显影步骤所需的时间大为降低，加速了显影的过程。
在清洗晶片200之后，喷嘴113通常是移回其初始位置，如对应晶片200中央的第一位置P1，然本发明并不限定于此。喷嘴113亦可移到其它位置，如位于晶片200边缘外侧的第四位置P4(见图3A)。
以下是以具有多个晶格(die)的晶片作良率测试。测试时，晶片的转速为700rpm至2000rpm，第一、第二与第三段时间的长短各为5秒，第一与第二位置P1、P2的距离为5公厘，第二与第三位置P2、P3的距离为10公厘，而路径P1-P3的重复次数为1至5次，晶片的总清洗时间则少于60秒。请参照图3B，其是在清洗过程中将喷嘴113固定在晶片的中央上方位置(第一位置P1)的示意图，以作为对照的图式。作为测试的晶片在清洗之后，是进一步计算晶片上产生的缺陷，此缺陷包括倒塌的光刻胶层部位以及毁坏的晶格，而缺陷的数目是记录在表1与表2中，其中，表1记录的是晶片在不同转速下的测试结果，表2记录的则是在定转速(1000rpm)与不同重复次数下的测试结果。在表1、表2中，DD代表根据本实施例的清洗方法清洗晶片后，所得的毁坏晶格数目，而DC代表光刻胶层倒塌部位的数目，而DC-Base与DD-Base则为对照组的实验数据。
并请参照图4和图5，是分别对应表1、2的数据所绘制曲线的示意图。由表1与图4的测试结果可观察到，以转速2000rpm测试的缺陷数目17.3远大于转速1500rpm的缺陷数目4.8，是以，晶片的旋转速度较佳可小于2000rpm。此外值得注意的是，以可动的喷嘴所做的测试结果皆优于喷嘴固定的试验。以转速1000rpm的试验为例，以可动喷嘴进行测试所得的缺陷数目为16.8，而固定喷嘴(对照组)则为37.5。
表1
  rotating speed(rpm)   700   800   900   1000   1500   2000
  DD   5.8   6.0   4.5   6.0   4.8   17.3
  DD-Base   12.0   12.0   12.0   12.0   12.0   12.0
  DC   15.4   26.5   18.3   16.8   5.5   18.3
  DC-Base   37.5   37.5   37.5   37.5   37.5   37.5
表2
  repeating times   1   2   3   4   5
  total time(second)   45   48   45   48   45
  DD   7.2   4.8   5.2   6.0   7.5
  DD-Base   12.0   12.0   12.0   12.0   12.0
  DC   15.4   14.0   16.4   20.8   18.3
  DC-Base   37.5   37.5   37.5   37.5   37.5
另外，如表2与图5所示，于各个不同重复次数的测试中，以可动喷嘴所做测试所得的缺陷数目皆小于固定喷嘴的缺陷数目。由上述所记录的测试结果清楚地表示，本发明较佳实施例的半导体清洗方法与装置确实可制作出高质量的晶片产品。
本发明较佳实施例的半导体清洗方法与装置除了用在上述光刻工艺中，亦可应用在化学机械抛光(chemical mechanical polishing/planarization，CMP)或是其它半导体工艺中。
相较于传统上使用的工艺装置与方法，本发明较佳实施例的半导体清洗方法与装置及其控制方法是动态控制喷嘴喷洒清洗液的位置，使喷嘴的移动轨迹更具有弹性。此外，由于清洗过程中，喷嘴能够喷洒清洗液至晶片的不同部位，避免使清洗液集中在光刻胶层的特定位置，因而分散了清洗液的冲击力，并可缩短清洗晶片的时间，亦降低了毁坏光刻胶层结构的机率。且在喷嘴喷洒清洗液的过程中，晶片是持续地旋转以产生离心力去牵引清洗液，更容易将显影液与溶解的光刻胶冲洗干净，以增加清洗晶片的效率。基于上述的试验结果，本发明较佳实施例的半导体清洗方法与装置及其控制方法确实可降低晶片缺陷的数目，有效提升半导体工艺的工艺良率。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种半导体清洗方法，其特征在于，包括步骤：
提供一显影液至一晶片的一已预先曝光的光刻胶层上；
使位于该晶片的一中央上方的第一位置的一喷嘴持续一第一段时间以喷洒一清洗液至该光刻胶层，其中，该清洗液不与该光刻胶层与该显影液反应；
沿着该晶片的半径方向移动该喷嘴至该晶片上方的第二位置，该喷嘴在该第二位置停留一第二时间段以喷洒一清洗液至该光刻胶层；
沿着该晶片的半径方向移动该喷嘴到该晶片上方的第三位置以持续第三段时间以喷洒清洗液至该光刻胶层；以及
清洗该晶片直到该显影液与溶解在该显影液中的光刻胶被冲净为止，以露出该晶片的一图案化光刻胶。
2.根据权利要求1所述的半导体清洗方法，其特征在于，该第二位置位于该第一位置与该第三位置之间。
3.根据权利要求1所述的半导体清洗方法，其特征在于，该第一段时间、该第二段时间与该第三段时间均为20秒。
4.根据权利要求1所述的半导体清洗方法，其特征在于，该喷嘴沿着该第一位置移动至该第三位置的路径重复2至5次。
5.根据权利要求1所述的半导体清洗方法，其特征在于，还包括步骤：
使该喷嘴从该第三位置移回该第一位置。
6.一种半导体清洗装置，其特征在于，包括：
一载架，用以承载一晶片，其中，该晶片具有一已预先曝光的光刻胶层；
一显影液供应元件，具有一喷嘴，用以提供一显影液至该晶片上；
一旋转驱动元件，用以旋转该载架及该载架上的该晶片，以使该显影液均匀地分散在该光刻胶层上；
一清洗液供应元件，具有一喷嘴用以喷洒一清洗液，其中，该清洗液不与该光刻胶层与该显影液反应；
二动作驱动元件，分别用以移动该显影液供应元件和清洗液供应元件的喷嘴，且该二动作驱动元件关于该晶片相对设置；以及
一控制器，用以控制该清洗液供应元件与该动作驱动元件，其中，于不必要的光刻胶溶解在该显影液后，该控制器是控制该喷嘴在该晶片的一中央上方的第一位置持续一第一段时间以喷洒一清洗液至该光刻胶层，然后沿着该晶片的半径方向移动至该晶片上方的第二位置，在该第二位置停留一第二时间段以喷洒一清洗液至该光刻胶层，然后沿着该晶片的半径方向移动到该晶片上方的第三位置以持续第三段时间以喷洒清洗液至该光刻胶层。
7.根据权利要求6所述的半导体清洗装置，其特征在于，该控制器是一可编程控制器。
8.根据权利要求6所述的半导体清洗装置，其特征在于，该喷嘴在该第一位置、该第二位置与该第三位置停留的时间均为20秒。
9.根据权利要求6所述的半导体清洗装置，其特征在于，该喷嘴沿着该第一位置移动至该第三位置的路径重复2至5次。
10.根据权利要求6所述的半导体清洗装置，其特征在于，该控制器还控制停留在该第三位置的该喷嘴移回该第一位置。
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