CN102929110A - 一种微波激发的超临界干燥装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波激发的超临界干燥装置及方法，该超临界干燥装置包括：腔室(3)；设置于腔室(3)内盛载待测硅片(5)的石英装置(4)；设置于腔室(3)外且与石英装置(4)连通的真空抽水装置(1)；设置于腔室(3)内侧壁上的金属转盘(9)；设置于腔室(3)内与金属转盘(9)连接的电机(10)；设置于腔室(3)内的微波发生装置(11)；以及设置于腔室(3)内的黄色光源(12)。利用本发明，解决了微细结构的纳米图形在干燥过程中发生的断裂、倒伏或粘连等问题。

Description

一种微波激发的超临界干燥装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体行业中纳米级光刻胶图形干燥技术领域，尤其是一种微波激发的超临界干燥装置及方法。

背景技术

在微电子器件的制造过程中，随着特征尺寸的进一步减小和结构复杂程度的进一步提高，纳米器件结构的塌陷已成为日益严重的问题。结构塌陷的原因有很多，例如受到外界力的作用、结构自身的应力、较弱的结构材料以及干燥过程中的表面张力等。排出其它因素，干燥过程就成了非常关键的步骤。

以水为主要溶剂清洗之后的器件在传统的干燥方法中，其机械性结构较弱的部分及高深宽比的光刻胶图形会遭到破坏。表面张力是器件在湿法腐蚀后干燥过程中实际存在的一个问题，因为在干燥过程中，溶液的表面张力会把柔顺的结构拉向衬底。当干燥过程完成以后，该结构和衬底就会牢固地粘在一起，这是导致纳米器件结构的塌陷及器件失效的主要原因之一。

为了解决纳米级光刻胶图形所遇到的干燥难题，很多专家学者提出了不同的解决方法，比如：临界点干燥法，即利用超临界二氧化碳对器件进行清洗和干燥；冷冻-升华法；向水基溶剂中添加表面活性剂的方法等。但是当图形尺寸达到22nm及以下技术节点时，以上方法均不可避免的会造成纳米图形的断裂、倒伏或粘连。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种微波激发的超临界干燥装置及方法，以解决微细结构的纳米图形在干燥过程中发生的断裂、倒伏或粘连等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种微波激发的超临界干燥装置，包括：腔室3；设置于腔室3内盛载待测硅片5的石英装置4；设置于腔室3外且与石英装置4连通的真空抽水装置1；设置于腔室3内侧壁上的金属转盘9；设置于腔室3内与金属转盘9连接的电机10；设置于腔室3内的微波发生装置11；以及设置于腔室3内的黄色光源12。

上述方案中，所述石英装置4具有石英槽和石英盖，石英槽中用于盛载待测硅片5，石英盖覆盖于石英槽之上。所述石英盖上有直径为15mm的孔，便于加热时水蒸汽的蒸发。

上述方案中，所述真空抽水装置1的一端与真空装置连接，另一端通过塑料软管2连通于石英装置4，在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置1将石英装置4中的水抽出，以缩短水分蒸发时间。所述塑料软管2是真空抽水导出通道。

上述方案中，所述金属转盘9固定于该超临界干燥装置的腔室3内侧壁上，并与电机10相连接，其上不放置任何物体，用于在旋转时打散驻波，使得待测硅片5加热均匀，不发生碎裂。

上述方案中，所述电机10用于带动金属转盘9旋转。

上述方案中，所述微波发生装置11是微波发射装置，用于发出微波。

上述方案中，所述黄色光源12用于给腔室提供黄色光源，避免硅片上的光刻胶图形受到外界光源的影响。所述黄色光源12是黄色荧光灯。

上述方案中，该超临界干燥装置还包括一设置于腔室3外部的控制面板，微波发生装置11与黄色光源12均固定在控制面板后的腔室3内。在该控制面板上设置有时间显示装置6、时间设置旋钮7和电机转速设置旋钮8，其中，时间显示装置6用于显示实验所设定的时间，时间设置旋钮7用于设置实验时间，电机转速设置旋钮8用于设置电机转速。

为达到上述目的，本发明还提供了一种微波激发的超临界干燥方法，包括：步骤1：将硅片放入石英装置中显影，该石英装置中盛有显影液；步骤2：显影完毕后，用去离子水置换掉石英装置中的显影液；步骤3：将置换后的盛有硅片的石英装置放入超临界干燥装置的腔室中，利用超临界干燥装置中的交变电场对硅片进行加热；步骤4：在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置将石英装置中的水抽出，并继续利用超临界干燥装置中的交变电场对硅片进行加热；步骤5：待硅片上的水分完全蒸发，干燥完毕，取出硅片。

上述方案中，步骤1中所述石英装置具有石英槽和石英盖，石英槽用于放置待干燥的硅片，石英盖覆盖于石英槽之上。所述石英盖上有直径为15mm的孔，便于加热时水蒸汽的蒸发。

上述方案中，步骤2中所述用去离子水置换掉石英装置中的显影液之后，进一步用沸水置换出去离子水，使硅片处于沸水浴中，然后在步骤3中将盛有沸水的石英装置放入超临界干燥装置的腔室中加热。

上述方案中，步骤3和步骤4中所述交变电场的频率为2至100GHz。所述交变电场的频率为2至4GHz。

上述方案中，步骤5中所述待硅片上的水分完全蒸发，是在真空抽水后微波加热时间不超过30秒，水分即可完全蒸发。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于微波可以使水进入一种旋转的超临界状态，从而打破水分子团簇结构，消除水的表面张力，所以解决了微细结构的纳米图形在干燥过程中发生的断裂、倒伏或粘连等问题。

2、在传统的离心甩干机干燥过程中，需要消耗大量的去离子水，且是在甩干的过程中，水的表面张力对微细的光刻胶结构造成破坏，并且耗电量大。本发明提供的对显影之后纳米图形进行干燥的装置及方法，能够干燥15纳米的线条而不发生倒伏现象，有效的解决干燥过程中结构塌陷的问题，并能提供干净和干燥的器件，而且效率较高，干燥时间很短，耗能较少。

3、因为目前传统的甩干或氮气枪吹干，都会给22nm乃至16nm以下图形造成结构上的破坏，并且目前为止没有一种良好的干燥方法来干燥22nm节点以下的微细线条。本发明提供的对显影之后纳米图形进行干燥的装置及方法，为半导体22纳米工艺乃至16纳米工艺中的干燥过程提供了一种前瞻性方法。

4、本发明提供的对显影之后纳米图形进行干燥的装置及方法，可以作为下一代半导体新型绿色清洗和干燥工艺，不仅减少了对水资源的消耗、而且降低对能源的消耗，符合ITRS的发展趋势。因此无论从环保问题还是经济效益来说，微波干燥都有良好的发展和应用前景，有望运用在微电子加工生产线上。

附图说明

图1是水分子在交变电场中的运动情况的示意图。

图2是本发明提供的微波激发的超临界干燥装置的示意图。

图3是利用图2所示装置实现的微波激发的超临界干燥方法的流程图。

图4是依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥宽度为14.9nm的HSQ胶线条的电镜扫描照片。

图5是依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥直径20nm×间隔20nm×高度260nm的光刻胶点阵的电镜扫描照片。

图6是依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥宽度为32.9nm的HSQ胶线条的电镜扫描照片。

图7是依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥尺寸为21.8×17.9nm的光刻胶格栅的电镜扫描照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面介绍本发明的实现原理。如图1所示，图1是水分子在交变电场中的运动情况的示意图。水属于极性分子，极性分子在没有外加电场时不显示极性。在外加交变电场的条件下，水分子会沿着电场力的方向形成有序排列，即水分子会在外加交变电场下迅速极化，且外加交变电场越强，极化作用也越强；外加交变电场的频率越高，水分子反复转向的极化也就越快。此时，分子热运动的动能增大，也就是热量增加，水的温度也随之升高，实现了电磁能向热能的转换。因此，水分子能够吸收电磁波，将电磁波能量转换成为热量而吸收。随着外加交变电场方向不断改变，水分子的极性也随之不断翻转，最终在交变电场中，快速旋转，动能增加，从液态快速升温汽化，避免气液界面的产生，达到良好的干燥效果，实现无损伤干燥。

基于上述实现原理，图2示出了本发明提供的微波激发的超临界干燥装置的示意图，该装置包括腔室3、设置于腔室3内盛载待测硅片5的石英装置4、设置于腔室3外且与石英装置4连通的真空抽水装置1、设置于腔室3内侧壁上的金属转盘9、设置于腔室3内与金属转盘9连接的电机10、设置于腔室3内的微波发生装置11、设置于腔室3内的黄色光源12，以及设置于腔室3外部的控制面板，微波发生装置11与黄色光源12均固定在控制面板后的腔室3内。在该控制面板上设置有时间显示装置6、时间设置旋钮7和电机转速设置旋钮8，其中，时间显示装置6用于显示实验所设定的时间，时间设置旋钮7用于设置实验时间，电机转速设置旋钮8用于设置电机转速。

真空抽水装置1的一端与真空装置连接，另一端通过塑料软管2连通于石英装置4。在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置1将石英装置4中的水抽出，以缩短水分蒸发时间。塑料软管2是真空抽水导出通道。腔室3为实验腔室，石英装置4放在腔室3中，其内部盛载有待测硅片5。石英装置4具有石英槽和石英盖，石英槽中用于盛载待测硅片5，石英盖覆盖于石英槽之上，且石英盖上有直径约为15mm的孔，便于加热时水蒸汽的蒸发。金属转盘9设置于该超临界干燥装置的腔室3内侧壁上，并与电机10相连接，其上不放置任何物体，用于在旋转时打散驻波，使得待测硅片加热均匀，不发生碎裂。电机10用于带动金属转盘9旋转。微波发生装置11是微波发射装置，用于发出微波。黄色光源12用于给腔室提供黄色光源，避免硅片上的光刻胶图形受到外界光源的影响。黄色光源12可以是黄色荧光灯。

在本发明提供的微波激发的超临界干燥装置中，金属转盘9的作用是打散驻波，使得待测硅片加热均匀，不发生碎裂。所以在整个干燥过程中，不会对待测硅片本身产生不利影响。其实现原理如下：微波是电磁波，以频率为2.45GHZ为例，其波长为12.23cm，在半波长处产生驻波，如果待测硅片的某一部分恰好位于半波长处，则使得待测硅片局部的温度升高，导致待测硅片碎裂。而由于金属是不吸收电磁波的，所以加入金属转盘9后，金属转盘9能够反射电磁波，使微波不能在该超临界干燥装置内产生驻波，进而消除驻波影响。对此，本发明做过对比试验，如果该超临界干燥装置中没有金属转盘，待测硅片在加热一段时间后，极易发生碎裂。

基于图1所示的微波激发的超临界干燥装置，下面进一步说明本发明利用该超临界干燥装置实现的微波激发的超临界干燥方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将硅片放入石英装置中显影，该石英装置中盛有显影液；其中，石英装置具有石英槽和石英盖，石英槽用于盛载待干燥的硅片，石英盖覆盖于石英槽之上，且石英盖上有直径约为15mm的孔，便于加热时水蒸汽的蒸发。

步骤2：显影完毕后，用去离子水置换掉石英装置中的显影液；

步骤3：将置换后的盛有硅片的石英装置放入图1所示的超临界干燥装置的腔室中，利用超临界干燥装置中的交变电场对硅片进行加热；

步骤4：在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置将石英装置中的水抽出，并继续利用超临界干燥装置中的交变电场对硅片进行加热；

步骤5：待硅片上的水分完全蒸发，干燥完毕，取出硅片。

其中，在步骤2中所述用去离子水置换掉石英装置中的显影液之后，可以进一步用沸水置换出去离子水，使硅片处于沸水浴中，然后在步骤3中将盛有沸水的石英装置放入超临界干燥装置的腔室中加热。步骤3和4中所述交变电场的频率为2-100GHz，优选的是2-4GHz。步骤5中所述待硅片上的水分完全蒸发，是在真空抽水后微波加热时间不超过30秒，水分即可完全蒸发。

下面利用本发明提供的超临界干燥装置分别以对宽度为14.9nm的HSQ胶线条、直径20nm×间隔20nm×高度260nm的光刻胶点阵、宽度为32.9nm的HSQ胶线条和尺寸为21.8×17.9nm的格栅进行微波干燥为例，对本发明利用该超临界干燥装置实现的微波激发的超临界干燥方法进行详细说明。

实施例1：微波干燥宽度为14.9nm的HSQ胶线条

步骤1：将带有光刻胶图形的2寸、4寸或8寸硅片放入石英装置中显影，该石英装置中有适用于HSQ胶的显影液；

步骤2：显影完毕后，用去离子水置换掉石英装置中的显影液；

步骤3：将置换后的盛有硅片的石英装置放入图1所示的微波激发的超临界干燥装置的腔室中，利用该超临界干燥装置中的交变电场进行加热，具体加热原理为：水分子是极性分子，随着交变电场的方向迅速变化，水分子的极性也随之改变方向，当改变频率越来越快，水分子开始高速旋转，动能增加，分子团簇间不断摩擦碰撞，热能增加，水分子之间的化学键被破坏，水分蒸发，完成干燥；交变电场的频率为2-100GHz，优选的是2-4GHz。

步骤4：在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置将石英装置中的水抽出，以缩短水分蒸发时间，并继续利用该超临界干燥装置中的交变电场进行加热；交变电场的频率为2-100GHz，优选的是2-4GHz。

步骤5：待硅片上的水分完全蒸发，干燥完毕，取出硅片。一般情况下，通过实验验证，真空抽水后，微波加热时间不超过30s，水分即可完全蒸发。

图4示出了依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥宽度为14.9nm的HSQ胶线条的电镜扫描照片。

利用本发明提供的超临界干燥装置来微波干燥直径20nm×间隔20nm×高度260nm的光刻胶点阵、宽度为32.9nm的HSQ胶线条或尺寸为21.8×17.9nm的光刻胶格栅的具体工艺与上述微波干燥宽度为14.9nm的HSQ胶线条的具体工艺是一致的，这里就不再赘述，以下图5至图7示出了其各自微波干燥后的电镜扫描照片。其中，图5示出了依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥直径20nm×间隔20nm×高度260nm的光刻胶点阵的电镜扫描照片，图6示出了依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥宽度为32.9nm的HSQ胶线条的电镜扫描照片，图7示出了依照本发明实施例利用超临界干燥装置微波干燥尺寸为21.8×17.9nm的光刻胶格栅的电镜扫描照片。

本发明提供的这种微波激发的超临界干燥装置及方法，是用于对显影之后微细结构的纳米图形进行干燥，能够解决微细结构的纳米图形在干燥过程中发生的断裂、倒伏或粘连等问题。本发明适用于所有微细结构的纳米图形的干燥，尤其是对22/16/14nm尺寸的纳米图形或纳米线条的干燥。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，包括：

腔室(3)；

设置于腔室(3)内盛载待测硅片(5)的石英装置(4)；

设置于腔室(3)外且与石英装置(4)连通的真空抽水装置(1)；

设置于腔室(3)内侧壁上的金属转盘(9)；

设置于腔室(3)内与金属转盘(9)连接的电机(10)；

设置于腔室(3)内的微波发生装置(11)；以及

设置于腔室(3)内的黄色光源(12)。

2.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述石英装置(4)具有石英槽和石英盖，石英槽中用于盛载待测硅片(5)，石英盖覆盖于石英槽之上。

3.根据权利要求2所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述石英盖上有直径为15mm的孔，便于加热时水蒸汽的蒸发。

4.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述真空抽水装置(1)的一端与真空装置连接，另一端通过塑料软管(2)连通于石英装置(4)，在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置(1)将石英装置(4)中的水抽出，以缩短水分蒸发时间。

5.根据权利要求4所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述塑料软管(2)是真空抽水导出通道。

6.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述金属转盘(9)固定于该超临界干燥装置的腔室(3)内侧壁上，并与电机(10)相连接，其上不放置任何物体，用于在旋转时打散驻波，使得待测硅片(5)加热均匀，不发生碎裂。

7.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述电机(10)用于带动金属转盘(9)旋转。

8.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述微波发生装置(11)是微波发射装置，用于发出微波。

9.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述黄色光源(12)用于给腔室提供黄色光源，避免硅片上的光刻胶图形受到外界光源的影响。

10.根据权利要求9所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，所述黄色光源(12)是黄色荧光灯。

11.根据权利要求1所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，该超临界干燥装置还包括一设置于腔室(3)外部的控制面板，微波发生装置(11)与黄色光源(12)均固定在控制面板后的腔室(3)内。

12.根据权利要求11所述的微波激发的超临界干燥装置，其特征在于，在该控制面板上设置有时间显示装置(6)、时间设置旋钮(7)和电机转速设置旋钮(8)，其中，时间显示装置(6)用于显示实验所设定的时间，时间设置旋钮(7)用于设置实验时间，电机转速设置旋钮(8)用于设置电机转速。

13.一种利用权利要求1至12中任一项所述的微波激发的超临界干燥装置实现的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，包括：

步骤1：将硅片放入石英装置中显影，该石英装置中盛有显影液；

步骤2：显影完毕后，用去离子水置换掉石英装置中的显影液；

步骤3：将置换后的盛有硅片的石英装置放入超临界干燥装置的腔室中，利用超临界干燥装置中的交变电场对硅片进行加热；

步骤4：在水达到沸点进入旋转超临界时，真空抽水装置将石英装置中的水抽出，并继续利用超临界干燥装置中的交变电场对硅片进行加热；

步骤5：待硅片上的水分完全蒸发，干燥完毕，取出硅片。

14.根据权利要求13所述的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，步骤1中所述石英装置具有石英槽和石英盖，石英槽用于盛载待干燥的硅片，石英盖覆盖于石英槽之上。

15.根据权利要求14所述的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，所述石英盖上有直径为15mm的孔，便于加热时水蒸汽的蒸发。

16.根据权利要求13所述的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，步骤2中所述用去离子水置换掉石英装置中的显影液之后，进一步用沸水置换出去离子水，使硅片处于沸水浴中，然后在步骤3中将盛有沸水的石英装置放入超临界干燥装置的腔室中加热。

17.根据权利要求13所述的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，步骤3和步骤4中所述交变电场的频率为2至100GHz。

18.根据权利要求17所述的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，所述交变电场的频率为2至4GHz。

19.根据权利要求13所述的微波激发的超临界干燥方法，其特征在于，步骤5中所述待硅片上的水分完全蒸发，是在真空抽水后微波加热时间不超过30秒，水分即可完全蒸发。

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