CN103153490A - 用于干燥半导体晶片的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
用于干燥半导体晶片的方法和装置使用液态的温度在60℃以上82℃以下的热异丙醇。热IPA的使用更好地避免了图案崩塌且使得IPA的消耗减少。通过将热的去离子水施加到晶片背面且通过利用加热后的氮气从晶片表面蒸发热IPA，晶片温度可被维持。
Description
技术领域
本发明涉及用于干燥盘形物件的表面的方法和装置。更具体地，本发明涉及用于通过用含水漂洗液漂洗并随后用有机溶剂漂洗来干燥盘形物件的表面的方法和装置。
背景技术
在半导体工业中，通常使用用于干燥盘形物件的表面的技术来在生产过程中清洁硅晶片（例如，拍照前清洁、后CMP清洁以及后等离子体清洁）。但是，这种干燥方法可被应用于其它盘状物件，比如光盘、光掩模、分划板、磁盘或平板显示器。当用在半导体工业中时，它还可被应用于玻璃衬底（例如，在绝缘体上硅的工艺中）、Ⅲ-Ⅴ衬底（例如，GaAs）或者用于生产集成电路的任何其它衬底或载体。
在半导体工业中已知若干干燥方法。一种类型的干燥方法使用已限定的液体/气体边界层。这种干燥方法公知为马兰戈尼（Marangoni）干燥方法。
美国专利US5,882,433公开了一种组合的马兰戈尼旋转干燥方法，在该方法中，去离子水被分配到晶片上且同时氮与2-丙醇（异丙醇）的混合物被分配。氮中的2-丙醇影响液体/气体边界层，因为存在表面倾斜度，从而促进水分离开晶片而液滴留在晶片上（马兰戈尼效应）。当液体分配器从晶片的中心向边缘移动且晶片被旋转时，气体分配器直接跟在液体分配器之后，以便气体直接取代晶片上的液体。美国专利US5,882,433还公开了通过有机溶液移除含水溶液的方法。
然而，当干燥晶片时，尤其是当干燥300mm晶片（300mm晶片正在日渐取代较老的200mm晶片技术的使用）时，出现了瑕疵的增加。
在半导体晶片上所形成的器件的不断增长的微型化也使干燥晶片变得更难。这尤其要考虑到随着半导体晶片上所形成的器件变得越来越小，它们的比例不一定保持相同。例如，鉴于需要提供足够的表面积以达到目标电容，相对于前代技术而言单元宽度减小的电容器不会一直成比例地变短。所以，随着半导体器件变得越来越小，它们的深宽比频繁增加。可将此比拟为曼哈顿的房地产开发：随着水平方向上的空间变得越来越有限，能建设的唯一方向就是向上。
越来越小的器件结构的较高深宽比助长了不希望的“图案崩塌（pattern collapse）”现象，其中，由于去离子水相对较高的表面张力，因此无论干燥受不受到氮气流的影响，包围器件结构且自漂洗步骤余留下来的去离子水在旋转干燥的过程中将破坏力施加于这些结构。
发明内容
本发明反映了发明人的探索成果：当异丙醇（“IPA”）被加热至超过60℃且低于82℃（IPA的沸点）的温度时，异丙醇能更加有效地清洁并干燥盘形物件的表面。虽然液体的表面张力通常随着温度的升高而降低，但是利用被加热至超过60℃的温度的IPA所达到的改善的干燥显著优于在这种温度能预期的效果。因此，本发明可被体现为用于加强预防图案崩塌的在湿法化学处理之后漂洗并干燥盘形物件的方法。本发明还被体现为用于湿法处理盘形物件的装置，该装置装备有被配置来在超过60℃到接近82℃的温度将IPA提供给盘形物件的表面的部件。
本发明令人惊讶的是，不仅在于所达到的改善的干燥效果，而且在于探索到：IPA（其是易燃的且具有仅仅大约12℃的燃点）可在接近其沸点的温度被安全地使用。
更一般地说，本发明提供了一种用于干燥盘状物件的方法，其包括：
用含水漂洗液漂洗盘状物件；
在用含水漂洗液开始所述漂洗之后，进一步用具有质量百分比含量小于20%的水的有机溶剂（例如，异丙醇）漂洗所述盘状物件；
其中所述有机溶液是液态的且被维持在超过60℃且低于所述有机溶剂的沸点（即，如果该有机溶剂是异丙醇，则在1巴（bar）下82℃的沸点）的温度。
优选的有机溶剂是那些与水形成溶液且溶剂与其其余成分（balance）是水的该溶液的质量百分比至少在10%到50%的范围内的有机溶剂。该溶剂因此不需要能与水按各种比例溶混，但这样的有机溶剂仍被包括在本发明的范围内。优选的有机溶剂选自由酮类、醚类和醇类组成的群组中。
该方法还可在压强提高至2巴的情况下实施，压强提高至2巴导致更高的沸腾温度进而导致有机溶剂温度的更高上限。
在一优选的实施方式中，有机溶剂具有质量百分比含量低于10%的水。
在该方法的另一实施方式中，在用有机溶剂进行漂洗的过程中旋转所述盘状物件。
在该方法的又一实施方式中，有机溶剂以20毫升/分钟到400毫升/分钟的范围内的容积流率进行供应。
在该方法的另一实施方式中，有机溶剂的温度被维持在60℃以上且低于异丙醇的沸腾温度之下2K（即，如果该有机溶剂是异丙醇，则在1巴下的80℃）的温度。如前所述，沸腾温度不仅取决于所用有机溶剂的种类，还取决于工艺进行时的压强。
在该方法的另一实施方式中，进一步包括将加热的气体供应到盘状物件的表面以促进有机溶剂的蒸发。这样的气体可以是洁净空气，但优选地是惰性气体，比如稀有气体或氮。优选地，所用气体的含氧量低于质量百分比1%。
在该方法的另一实施方式中，通过引起盘状物件和气体分配喷嘴之间的相对移动，所述加热的气体被供应到所述盘状物件的整个表面。
在该方法的另一实施方式中，气体流的量随着分配喷嘴趋近盘状物件的周边而减少。
在该方法的另一实施方式中，进一步包括朝向所述盘状物件的所述有机溶剂被施加到的侧面的相对侧面在该相对侧面的至少周边区域施加加热的去离子水。
本发明的另一方面包括一种用于干燥盘状物件的装置，其包括：
用于用含水漂洗液漂洗盘状物件且与含水漂洗液的源相通的漂洗喷嘴；
与有机溶剂的源相通的有机溶剂供应管，所述有机溶剂供应管包括适于将通过所述管供应的有机溶剂加热到超过60℃且低于所述有机溶剂的沸腾温度的温度的加热设备；以及
被构造来将液态的有机溶剂施加到盘状物件的表面的有机溶剂供应喷嘴。
在本发明的一优选实施方式中，该装置进一步包括加热的气体的源以及用于将加热的氮气引导至盘状物件的表面的分配喷嘴。
在本发明的另一实施方式中，该装置进一步包括加热的水（优选地是去离子水）的源以及用于加热的去离子水的分配喷嘴，该分配喷嘴被设置以便朝向盘状物件的让所述漂洗喷嘴和所述有机溶剂供应喷嘴操作的侧面的相对侧面在该相对侧面的至少周边区域施加加热的去离子水。
在本发明的又一实施方式中，该装置进一步包括用于接收并处理所述盘状物件的封闭的工艺模块，其中所述装置是用于半导体晶片的单晶片湿法处理的站。
在另一实施方式中，所述加热设备包括两个串联（inline）的加热器，所述加热器被构造来加热有机溶剂超过60℃且低于所述有机溶剂的沸腾温度但不热到超过所述有机溶剂的沸腾温度的温度。
附图说明
图1示意性地描绘了根据本发明的装置的实施方式；以及
图2是图1的喷嘴组件的示意性底视图。
具体实施方式
现在将参考附图更为详细地描述本发明的优选实施方式。本发明的方法包括用含水漂洗液漂洗盘状或碟状物件，接着用IPA（液态）漂洗，其中IPA优选地具有质量百分比含量不大于20%的水，其中IPA在高于60℃且低于82℃的温度被供应。
含水溶液优选地是去离子水（DI水），但也可以是臭氧、氢氟酸、盐酸、碳酸或氨的稀释溶液。
连续漂洗意思是在用IPA漂洗开始后，才开始用含水溶液漂洗。这意味着在用含水溶液漂洗之后可立即执行用IPA漂洗；或者该两个漂洗步骤之间可间隔一段时间；或者用IPA漂洗可在用含水溶液漂洗结束之前开始。
有利地，IPA具有质量百分比含量低于10%的起始水。这在溶剂残留物蒸发时留下基本上无水的表面。该效果在水的质量百分比含量低于5%甚或低于2%时更好。由于IPA和水的共沸混合物中异丙醇占87.9%重量而水占12.1%重量，因此这意味着IPA是通过共沸蒸馏制备的。
一旦DI水的供应被终止，流过盘状物表面后的IPA便可被回收并再循环利用。由于IPA是吸湿的，所以这会导致IPA中的逐渐增加的含水量，除非在该再循环利用过程中用新鲜的IPA补充。
在用IPA漂洗的过程中优选地旋转盘状物件，但也可线性移动盘状物件。IPA优选地以20毫升/分钟到400毫升/分钟的范围内的容积流率进行供应。更优选地，IPA的流量不大于200毫升/分钟。事实上，在根据本发明所使用的IPA温度下，有机溶剂的流率可小于100毫升/分钟而不产生水印。这不仅符合环保需要也有助于保持低干燥成本。
在另一实施方式中，含氟溶液（例如，含氟化氢、氟化铵）在实施干燥之前被分配到盘状物件上。优选地，这种含氟溶液是稀释的氟化氢，是氟化氢的解析浓度低于1g/l的含水溶液。
现在参考附图，参考数字1表示室C中的旋转卡盘，其优选地是用于半导体晶片的单晶片湿法处理的处理模块。室C优选地是封闭模块以便约束所使用的化学品，包括热IPA。300mm的半导体晶片W被置于旋转卡盘1上且被卡销（未图示）卡住。
湿法处理被执行，其中不同的液体通过喷嘴组件2被分配到晶片上。当分配液体时，分配喷嘴组件可按选定的速度在整个晶片上移动，从中心向边缘又返回中心。只要相应的液体被分配，这种移动便可被重复。分配清洁液体过程中的旋转速度优选地被设定在300rpm到2000rpm的范围内。
第一，分配具有0.01g/l的HF浓度的稀释氢氟酸；第二，分配漂洗液（例如去离子水）；第三，漂洗液被关闭且同时IPA供应源被打开；第四，同时分配有机溶剂和氮气；以及第五，执行旋转脱离步骤（spin off step）。
该工艺使用包括喷嘴头2的媒介臂3，喷嘴头2包括多个喷嘴。有喷嘴24用于分配稀释氢氟酸或去离子水，喷嘴22用于分配热IPA，喷嘴20用于在干燥过程中将气体（优选氮气）吹送到晶片上，以及成对的幕喷嘴18（curtain nozzle）用于将气体供应到室C的内部以便维持希望的环境（atmosphere）。
该干燥方法的顺序按如下顺序执行：
步骤A：作为最后的化学品分配步骤，在晶片以500-1200rpm范围内的旋转速度（例如800rpm）旋转时，以1.7-2升/分钟的流率在晶片中心分配稀释的氟化氢（浓度在1g/l到100g/l之间），持续时间在30秒到200秒之间。媒介的温度是22℃。
步骤B：也在晶片以500-1200rpm范围内的旋转速度（例如800rpm）旋转时，以1.7-2升/分钟的流率在晶片中心从DI源6分配漂洗步骤（去离子水）持续20秒的时间。媒介的温度是22℃。
步骤C：干燥步骤：喷嘴头以10mm/s的平均速度从中心到边缘扫描晶片一次，其中在中心处的扫描速度是20mm/s且在向边缘移动时扫描速度降到5mm/s。在扫描过程中，从晶片的中心分配IPA直到晶片的边缘。同时，氮随着IPA的供应而吹送。IPA在晶片的边缘处被关掉。在该实施例中，IPA具有75℃的温度。
为了实现通过加热器的稳定的IPA流以及高温输出，需要具有定义适当的加热温度范围以避免IPA沸腾和可能的安全故障。根据该实施方式，IPA由储液器8供应，且在到达喷嘴头2之前经过两个串联的（in-line）加热器15和17、输送管线7、歧管11。通过串联两个IPA加热器，总加热被稳定，从而使得能提高加热器的设定值以在出口实现更高的IPA温度。相较之下，当使用单个加热器时，需要较低的加热设定值以避免超过IPA的温度设定值。
为了在晶片上实现较高的IPA温度，还需要在传送管线7内维持IPA的温度使得热IPA不在输送过程中冷却下来。具体而言，管线7朝喷嘴端2的方向应该被保持热稳定以便能够将传递给该管线的任何热减到最少。在该实施方式中，该管线被加热外壳12覆盖以避免在IPA被传送时温度下降。加热外壳的加热温度应当被控制好使得输送管线内部的IPA温度将在低于其沸点的温度以防止IPA泡被输送到晶片上，晶片上的IPA泡在晶片干燥过程中可能造成严重的颗粒缺陷。
当晶片在旋转卡盘上被处理时，由于晶片周边相对于晶片较中心区域的旋转动量更高，因此晶片边缘的IPA温度可能会显著冷却下来。类似地，图案崩塌往往在边缘处更严重，甚至是在利用加热的IPA时也如此。为了避免晶片上的IPA温降，热DI从热DI源9被供应到晶片的反面，以保持晶片上的IPA温度一致。相较于处理过程中没有热DI供应到背面的常规条件，发明人所操控的实验已经证明能够在边缘处达到较高的晶片温度。
当IPA被用于晶片干燥时，氮气通常被用于在旋转的同时移除和/或蒸发晶片上残余的IPA。由于常规N2流可在处理过程中冷却IPA温度，来自热N2源4的热N2可被用来使温降最小化以及促进IPA干燥。
IPA流率优选地被设定在50毫升/分钟到160毫升/分钟之间。喷嘴孔口的横截面积是8mm2（以1/8英寸的管子推导而来）。因此，流速在0.1m/s到0.33m/s的范围内。热IPA提高了晶片温度，从而显著减少了水印的数量——相信这是由于冷凝的减少，冷凝的减少是因为晶片表面的温度可被保持在环境空气的露点之上。在喷嘴头从中心到边缘的移动过程中，氮流率可被提高（从最大氮流的50%提高到100%）。在最大值（边缘附近），氮流率是大约30升/分钟。卡盘速度从1000rpm线性降低到450rpm，同时有机溶剂分配喷嘴从盘状物件的中心向边缘移动。在IPA的温度在60℃以上的情况下，IPA流可选择在100毫升/分钟以下而不产生水印，这可显著降低IPA的消耗。
优选的是，在DI漂洗步骤期间而不是在其完成之后开始对晶片W的热IPA供应。具体而言，在DI漂洗步骤期间，加热的IPA（高达82℃，典型工艺是60～80℃）被带到晶片使得即使DI流被关掉也可保持晶片湿润。IPA加热器15、17的加热设定值应当保持尽可能高，但应当稳定以避免加热器过热。加热外壳12也被开启且应当处于控制之下。加热外壳12的加热设定值也需要一定的设定值以避免安全问题。当干燥臂3向晶片边缘移动时，氮气被带到晶片以干燥该晶片。氮气流的数量随着干燥（drying）向外移动而变化。一旦干燥臂移出晶片，该晶片旋转达一定时间以确保晶片干燥。
热DI被施加到晶片的背面以在加热的IPA被分配到晶片的正面时维持温度。热DI流率应当保持尽可能低以便在处理过程中避免来自室壁的回溅（backsplash）。还需要具有一定的流率以确保它的热传递到晶片边缘。当干燥臂经过晶片上的某个位置时，热DI应该被关掉以避免如上所述的回溅。
随着干燥臂向晶片边缘移动，加热的氮气排向晶片以干燥该晶片。氮气的温度被选定以促进处理过程中的晶片干燥。加热的N2流的量优选地随着干燥（drying）向外移动而变化。当干燥臂经过晶片上的某个位置时，热DI应该被关掉以避免如上所述的回溅。
流过晶片W的表面后的热IPA可在返回储液器8之前被收集到热IPA收集区14中并在热IPA回收区16中被回收。如前所述，IPA的吸湿性意味着其中的含水量会逐渐增加，尤其是在采用再循环利用时。为了抵消该上升的含水量，可从新鲜IPA源13供应新鲜的IPA给储液器8。
含水量变得过高而不可用的IPA可被用作为燃料或者可通过诸如盐析等已知技术重新净化，基于盐水溶液中的IPA的相当低的溶解度，通过盐析，IPA和水可被分离。
步骤D：最后的步骤是在不分配任何化学品的情况下以1500rpm的旋转速度旋转10秒。虽然该步骤不是必需，但它避免了液滴的任何回溅，液滴的回溅可附着在晶片的背面上和/或使晶片旋转的卡盘上。
虽然联系本发明的各种说明性实施方式已对本发明进行了描述，但要理解的是，这些实施方式不应该被用作为限制由所附权利要求的真实范围和精神所赋予的保护范围的理由。
Claims (15)
1.一种用于干燥盘状物件的方法，其包括：
用含水漂洗液漂洗盘状物件；
在用含水漂洗液开始所述漂洗之后，进一步用具有质量百分比含量小于20%的水的有机溶剂漂洗所述盘状物件；
其中所述有机溶液是液态的且被维持在超过60℃且低于所述有机溶剂的沸点的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂选自由酮类、醚类和醇类组成的群组中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂是醇。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂是异丙醇。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂与水形成溶剂与其其余成分是水的溶液的质量百分比至少在10%到50%的范围内的溶液。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂具有质量百分比含量低于10%的水。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在用所述有机溶剂进行漂洗的过程中旋转所述盘状物件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂以20毫升/分钟到400毫升/分钟的范围内的容积流率进行供应。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂的温度被维持在60℃以上且低于80℃的温度。
10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将加热的气体（例如，氮）供应到所述盘状物件的表面以促进所述有机溶剂的蒸发。
11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括朝向所述盘状物件的所述有机溶剂被施加到的侧面的相对侧面在所述相对侧面的至少周边区域施加加热的去离子水。
12.一种用于干燥盘状物件的装置，其包括：
用于用含水漂洗液漂洗盘状物件且与含水漂洗液的源相通的漂洗喷嘴；
与有机溶剂的源相通的有机溶剂供应管，所述有机溶剂供应管包括适于将通过所述管供应的有机溶剂加热到超过60℃且低于所述有机溶剂的沸腾温度的温度的加热设备；以及
被构造来将液态的有机溶剂施加到盘状物件的表面的有机溶剂供应喷嘴。
13.根据权利要求12所述的装置，其进一步包括加热的气体和加热的水中的一者的源以及用于将加热的气体或加热的水引导至所述盘状物件的表面的分配喷嘴。
14.根据权利要求12所述的装置，其进一步包括用于接收并处理所述盘状物件的封闭的工艺模块，其中所述装置是用于半导体晶片的单晶片湿法处理的站。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述加热设备包括两个串联的加热器，所述加热器被构造来加热有机溶剂超过60℃且低于所述有机溶剂的沸腾温度但不热到超过所述有机溶剂的沸腾温度的温度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130612 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |