CN103650116A - 衬底冷冻干燥装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于冷冻干燥衬底的装置。提供了容纳衬底的腔室。用于支撑和静电夹持该衬底的静电夹盘（ESC）位于该腔室之中。温度控制器控制该静电夹盘的温度。冷凝器与该腔室连接。真空泵与该腔室流体连接。

Description

衬底冷冻干燥装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年10月13日提交的美国专利申请号为No.13/273,000，名称为“SUBSTRATE FREEZE DRY APPARATUS ANDMETHOD”的专利申请的优先权，其要求于2011年05月31日提交的美国临时专利申请号为No.61/491,727，名称为“NOVEL DAMAGE-FREEMETHOD FOR REMOVING LIQUIDS FROM SEMICONDUCTOR WAFERSCONTAINING SEMICONDUCTING,MEMS,OR PHOTOELECTRICDEVICES”的专利申请的优先权，这些申请基于所有目的通过引用全部并入本申请中。
技术领域
本发明半导体装置的形成。尤其是，本发明涉及在半导体形成期间将液体从衬底上移除的装置或方法。
背景技术
在半导体晶片处理期间，湿法处理需要从半导体装置上连续地移除液体。
随着半导体装置的尺寸持续缩小到较小的尺寸，需要更高的深宽比结构而来实现期望的装置性能。微电子/半导体装置的制造过程需要多个处理步骤的反复执行，这些处理步骤如，材料沉积，平面化，特征图案化，特征蚀刻，以及特征清洁。向着更高的深宽比结构的动力给这些传统的制造工艺中的许多带来了挑战。例如蚀刻或清洁之类的湿法工艺（通常会占高于25%的工艺流程）在高深宽比特征上会因为在干燥期间的毛细力而特别具有挑战性。这些毛细力的强度取决于正在干燥的蚀刻流体、清洁流体、或者冲洗流体的表面张力与接触角、以及特征部间距与深宽比。如果干燥期间所产生的力过大的话，则高深宽比特征将会塌陷并且可能会产生黏滞力（stiction）。特征部的塌陷以及黏滞力将严重降低装置的产量（yeild）。
发明内容
为了实现上述意图并且根据本发明的目的，提供了用于冷冻干燥衬底的装置。提供了用于容纳衬底的腔室。用于支撑和静电夹持衬底的静电夹盘（ESC：electrostatically chuck）放置在腔室内。温度控制器控制静电夹盘的温度。冷凝器连接到该腔室。真空泵与该腔室流体连接。
在本发明的另一个实施例(manifestation)中，提供了一种用于冷冻干燥来自衬底的液体的方法。该液体由干燥化学剂（chemistry）所取代。该衬底被放置在干燥腔室的静电夹盘之上。将该衬底夹持至该静电夹盘上。利用该静电夹盘以背侧超冷却该衬底至低于该化学剂的凝固点从而凝固该干燥化学剂。降低该腔室中的压力从而移除该凝固的干燥化学剂。加热该衬底从而在不融化该干燥化学剂的情况下升华（sublimate）该干燥化学剂。
本发明的这些以及其他特征将会结合下面的附图以及本发明的详细说明在下面进行更详细的描述。
附图说明
将在附图中以示例而并非以限制为目的对本发明进行解释，其中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是本发明的实施方式中的冷冻干燥装置的示例图；
图2显示了计算机系统，其适于用来实现本发明的实施方式中所使用的控制器；
图3是本发明的实施方式的高阶流程图；
图4A是干燥化学剂已经取代清洁液体之后衬底的横截面图；
图4B是图4A的部分放大图；
图5A是冷冻干燥化学剂中的一些已经汽化后的衬底的横截面图；
图5B是图5A的部分放大图；
图6是塌陷百分比与凝固温度的关系图；
图7是在无水分的N2气氛中塌陷百分比与凝固温度的关系图。
具体实施方式
下面将参照附图所示的少数优选实施方式来详细描述本发明。在下文中，为了全面的理解本发明，阐述了很多特定的细节。然而，对本领域技术人员来说，很显然，本发明可以在不具有这些细节的部分或全部的环境之下实现。在其他实施方式中，则未详细描述公知的工艺步骤和/或结构以免不必要地使本发明难以理解。
在当前和先前技术中，为了防止特征塌陷，已经采用了比去离子水具有更低表面张力的其他的冲洗液体。虽然这种方法对于较低的深宽比结构有效，但是在较高的深宽比以及更小的特征空间的情况下，其也会与去离子水一样遭遇相同的塌陷以及黏滞力的问题。导致该失败的原因在于，这些具有较低表面张力的流体依然具有非无限小的表面张力，该非无限小的表面张力会在干燥期间产生对于脆弱的特征部来说过于强大的力。另一种干燥高深宽比结构的方法是以超临界流体溶解并冲洗该冲洗流体。超临界流体通常无表面张力并且因此消除了导致特征塌陷的毛细力。尽管超临界流体具有这样的优点，但是应用这些流体依然有若干技术以及制造上的挑战。这些挑战包括高的装置与安全成本、较长的处理时间、在处理期间可变的容剂质量、由于流体的扩散与可调特性而导致的极端工艺敏感性、以及因流体和腔室零件之间的交互作用而带来的晶片缺陷/污染问题。避免高深宽比结构塌陷的另一种方式是增加支撑特征的机械支撑（bracing）结构。在这种方法中也有一些缺点，包括会对产量和良率带来不利影响的更高的成本和制造复杂度。进一步地，由于支撑仅限于几种特定的结构，因此支撑并不是稳健的解决方案。因此，需要在不造成损坏的情况下将液体从半导体/微电子装置上移除的替代的方法和系统。
本发明的实施方式能在不造成损坏的情况下将液体从半导体晶片上移除。该方法通过冷却含有液体层的晶片至低于液体三相点的温度、共熔温度或玻璃转化温度这样的温度来实现的，从而导致该层由液体变为固体或玻璃状物这样的变化。干燥腔室的压力降低到低于冷冻流体的气相压力之下，同时晶片的温度以受控的方式均匀地增加。这些条件造成冷冻层的直接升华。维持这些条件直到所有的冷冻流体都通过升华而被移除。该方法消除了高深宽比特征之间的气相/液相界面。冷冻材料的表面张力相当小。因此，在传统的液体汽化干燥期间所产生的力都被消除并实现在无塌陷的情况下干燥微电子拓扑结构/高深宽比特征。
如图1所示，本实施方式中冷冻干燥系统100包含干燥腔室102。气体源/气体供应机构104与干燥腔室102流体连接。气体源/气体供应机构104提供部分的气氛控制系统，其控制干燥腔室102中气体的压力和类型。静电夹盘（ESC）108放置在腔室中以支撑例如晶片之类的衬底106。冷冻干燥系统100进一步包含：湿法运送工作台132（其提供将湿晶片运送到冷冻干燥腔室102的方法并提供真空密封，通过真空密封使得腔室中的气氛可受到控制并能达到干燥工艺的压力）、冷凝器117、真空泵116、等离子体源136、加热灯阵列153、加热灯电源152、光学发射光谱（OES：opticalemission spectroscopy）系统140，其中加热灯阵列153与OES系统140邻近形成在干燥腔室102一侧的窗部154。
在该实施方式中，ESC108包括接触层112、热电装置116层以及主体120。主体120具有多个通道124。这些通道124与冷凝器128是流体连接的。该冷凝器冷却并提供流体至让该流体通过的通道从而冷却ESC108的主体120。热电电源184电连接至热电装置116层。热电电源184为热电装置116提供电压。热电电源184利用电压的幅值和方向来确定热电装置116是否在ESC主体120与接触层112之间提供加热差异或冷却差异以及该差异的大小。夹盘电源157提供夹持电压以将衬底106静电夹持在ESC108上。背侧冷却与加热系统130与ESC108相连，并且通过ESC108向衬底106的背侧提供例如氦之类的流体从而增加在ESC108和衬底106之间的热传输。背侧冷却/加热系统也与真空泵116连接，真空泵116使得衬底106被真空夹持到ESC108上。背侧冷却系统的实施例在McMillin等人提交的、名称为“Variable High Temperature Chuck for High Density Plasma Chemical VaporDeposition”的美国专利5,835,334中有描述，该专利基于所有目的通过引用并入本文中。
在本发明的该实施方式中，冷凝器117和真空泵116整合在低温泵110中，该低温泵能提供真空以及冷凝的气相。皮冉尼（pirani）压力计118和电容式压力计119与干燥腔室102连接。
控制器170可控地连接至热电电源184、冷却器128、夹盘电源157、低温泵110、气体源104、等离子体源136、加热灯电源152、背侧冷却以及加热系统、皮冉尼压力计118、电容式压力计以及OES140。
图2显示了计算机系统200的高级方块图，该计算机系统适用于实现本发明的实施方式中所使用的控制器170。该计算机系统可以具有多种实体的形式，其范围从集成电路、印刷电路板、以及小型的手持装置直到大型超级计算机。计算机系统200包括一个或多个处理器202，并且可以进一步地包含电子显示装置204（用于显示图形、文本以及其他数据）、主存储器206（例如随机访问存储器（RAM））、存储装置208（例如，硬盘），可拆卸存储装置210（例如光盘）、用户接口装置212（例如，键盘、触摸屏、小键盘、鼠标以及其他指向装置等等）、以及通信接口214（例如，无线网络接口）。通信接口214允许软件和数据在计算机系统200和外部装置之间通过链路传输。该系统也包含与上述装置连接的通信架构216（例如，通信总线，交叉棒（cross-over bar）或网络）。
通过通信接口214传输的信息可以是信号形式的，例如电子信号、电磁信号、光学信号以及其他能够经由通信链路通过通信接口214接收的信号，该通信链路载运信号并可以使用电缆、光纤、电话线、手机连线、无线射频连线、和/或其他通信通道来实现。在具有这种通信接口的情况下，可考虑，一个或多个处理器202可在执行上述方法步骤过程中从网络接收信息或向网络输出信息。进一步地，本发明的方法实施方式可仅通过处理器来执行，或者可通过与远程的处理器连接的共享处理的一部分的诸如互联网之类的网络来执行。
术语“非瞬态计算机可读介质”通常用来指以下介质：例如主存储器、次存储器、可拆除存储器、以及例如硬盘、闪存、磁盘、CD-ROM以及其他形式的永久存储器之类的存储装置，并且不应被解释为包含易失性的标的物，例如载波或信号。计算机代码的实施例包括例如由编译器生成的机器代码，以及包含由计算机使用翻译器执行的高级代码的文件。计算机可读介质也可以是由计算机数据信号传输的计算机代码，该数据信号由载波实现并且代表能由处理器执行的一系列指令。
为了更好的理解本发明，图3显示了可以在本发明实施方式中使用的工艺的高阶流程图。在衬底上使用湿法处理（步骤304），从而会在衬底上残留液体。将该液体替换为干燥化学剂（步骤308），从而会在衬底上残留干燥化学剂液体。向干燥腔室中提供受控气氛（步312）。这可通过使氮气或氮气与氩气流入干燥腔室中来完成，由此提供了无氧的、惰性的或还原的气氛。将衬底放置在干燥腔室中（步骤316）。将衬底夹持至预冷却静电夹盘上（步骤320），预冷却静电夹盘用于快速冷却衬底并使干燥化学剂冷冻（步骤322）。ESC的温度随后可以升高以使得任何次（meta）稳定态冷冻层退火而不融化干燥化学剂。将干燥腔室中的压力降低到干燥化学剂的气相压力之下（步骤324）。将衬底加热以使干燥化学剂升华而不融化干燥化学剂（步骤328）。如果需要的话，另外加热以进行第二次干燥，同时降低腔室的压力（步骤332）。随后，增大干燥腔室中的压力（步骤336）。将衬底从干燥腔室上移除（步骤340）。
实施例
在本发明的实现的实施例中，存储器装置的特征被蚀刻到硅晶片上的层中，从而形成具有小于40nm的CD以及小于80nm的间距的存储器线。利用湿法工艺来移除蚀刻掩膜以及清除残留在晶片的表面上的清洁液体（步骤304）。在该实施例中，清洁液体是去离子水（DI）。清洁液体由干燥化学剂取代（步骤308）。在该实施例中，干燥化学剂是含有90%的叔丁醇（TBA）和10%的水的溶液。在该实施例中，清洁液体是在旋转衬底时通过将干燥化学剂流到衬底上而被干燥化学剂所取代的。
图4A是在清洁液体已经被干燥化学剂所取代之后衬底106的横截面图。图4B是图4A的局部放大图，如图所示，其显示了衬底106上的存储器线412和蚀刻特征416，而化学干燥剂408则放置在衬底106上。在衬底106和存储器线412之间可放置一个或多个层。
如图1所示，将受控的气氛提供到干燥腔室102中（步骤312）。在该实施例中，通过使气体从气体源104流入到干燥腔室102中来提供惰性的、无氧的或还原的气氛。在该实施例中，该气体是氮气。
将衬底106放置在如图1所示的干燥腔室100之类的干燥腔室中（步骤316）。在该实施例中，湿法运送工作台132用来将衬底106运送至处于大气压与室温下的干燥腔室102中。湿法运送工作台132可连接在湿法处理工作台和干燥腔室之间并具有用于将衬底从湿法处理工作台运送到干燥腔室102的机械手结构。在干燥之后，湿法运送工作台中的机械手结构可用来将衬底从干燥腔室102中移到另一个腔室中。湿法运送工作台能够通过提供受控的气氛以防止干燥或防止湿衬底上的其他化学变化的方式来处理湿衬底。
由于90%的TBA和10%的水的溶液在室温下相对粘稠，因此该溶液在运送期间不易溅出。将衬底106放置在ESC108上。冷却器被设定成使得在衬底106被放置在ESC108上之前已经将ESC120的主体预冷到大约-40℃左右的温度。在该实施例中，热电电源未提供电压到热电装置，从而在ESC主体120与接触层112之间产生0℃的温差，使得接触层也被预冷到-40℃。夹盘电源157提供夹持电压以将衬底106静电夹持到ESC108上（步骤320）。背侧冷却和加热系统130在接触层112和衬底106之间提供氦气的背侧气压从而提高在接触层112和衬底106之间的热传导并且提高衬底106的温度均匀度。
干燥化学剂408可通过ESC108的冷却而被完全冷冻（步骤322）。可针对冷冻过程确定固定的时间。
在该实施例中，低温泵110设有冷凝器117和真空泵116，其用来将干燥腔室102的气压排空到0.1-1000毫托（mTorr）的降低的压强（reduced pressure）。然后将衬底106加热，从而在不融化干燥化学剂的状态下使该干燥化学剂升华（步骤328）。在该实施例中，施加电压至热电装置，热电装置使温差改变，从而实现加热。在该实施例中，温差是10℃，因此接触层112被设置在-30℃的温度。在该实施例中，将冷却器118维持在固定的温度并且热电装置116用来进行额外的冷却和/或加热。这使得，在冷冻干燥工艺中，在接触层112的温度在冷冻干燥化学剂的温度、任何退火工艺的温度以及用于升华该干燥化学剂的温度之间循环时，能够实现更快速、更有效率以及更精确的温度变化。在该冷冻干燥工艺中，通过维持低于冷冻干燥化学剂的气相压力的压力，使用低压将固态干燥化学剂直接升华至气相。冷凝器117减少到达真空泵的气态干燥化学剂从而维持真空泵116的有效性。由于该冷冻干燥工艺将气相凝华（sublimate），因此优选使用冷凝器来处理凝华的气相。
图5A是冷冻干燥化学剂408中的一些已经被升华之后衬底106的横截面图。图5B则是图5A的局部放大图，如图所示，其显示了衬底106上的存储器线412和蚀刻特征116，其中冷冻干燥化学剂中的一些已经升华了。
OES系统可用来确定何时所有的冷冻干燥化学剂都已经升华。可选的是，可执行固定时间的干燥过程。在另一个实施例中，利用皮冉尼压力计或电容压力计的压力收敛（pressure convergence）来确定何时所有的冷冻化学剂已经升华。该实施例通过升高衬底106的温度（步骤336）和进一步降低腔室的压力从而提供第二回干燥过程。这进一步的温度升高可由热电装置116或加热灯阵列153来执行。第二回干燥的目的是移除任何物理吸附的溶剂。在该实施例中，在冷冻干燥化学剂已经升华和被移除以后，增大腔室的压力（步骤332）。
将衬底从干燥腔室102中移除（步骤340）。在移除过程中，通过去除夹持电压从而将衬底释放。干燥腔室102中压力回归到大气压并且湿法运送工作台132打开。
替代的实施方式
本发明还提供多个可选的实施方式，在本发明的其他实施方式中可采用其他干燥化学剂。可选的化学剂中的一些可以是但不限于是二甲亚砜（DSMO）、环己烷、乙酸、四氯化碳、异丙醇、碳酸二甲酯、水以及它们的混合物。在使用（DSMO）的实施方式中，其中干燥化学剂不包含水，其受控气氛可具有低的湿度。这样的干燥化学剂可以是纯液体或者两种或多种液体的混合物。在另一实施方式中，湿法处理液体也可被用作干燥化学剂，这样的话，湿法处理液体则不需要由干燥化学剂来取代。
在另一实施方式中，将液体替换成干燥化学剂可在干燥腔室中执行。在以干燥化学剂来替代液体的期间，该过程可旋转或不旋转衬底。
在另一实施方式中，受控气氛可以是任何具有低百分比水分或不含有水分的惰性气体。某些惰性气体，例如Ar，在由ESC静电夹持/释放晶片方面可能具有优势。可以认为，如果气氛没有被控制的话，则氧气会被吸收到干燥化学剂中而导致冷冻层的剥离，从而可能会增加塌陷。
在另一实施方式中，夹盘没有被预冷却，而是在衬底被放置到夹盘上之后，逐渐降低夹盘的温度。在另一实施方式中，采用了真空或机械的夹盘而不是静电夹盘。在另一实施方式中，衬底被放置在平台之上，其中衬底没有被夹持。该实施方式可具有较慢冷却的时间并由此增加了处理的时间，但会提供其他的优势。在另一个实施方式中，液体氮可与衬底接触从而提供冷却效果。
可利用不同的装置来实现腔室的真空，例如利用机械泵和/或涡轮分子泵。可将例如Ar、He、或N2等惰性气体按照受控的流率供应到腔室中从而维持期望的腔室压力。在可选的实施方式中，则没有供应气体来维持期望的腔室压力。优选的是，腔室压强被维持在小于5毫托。对于背侧冷却或背侧加热来说，以优选的在1托-40托范围之间的压强，将例如但不限于He或Ar之类的惰性气体提供给被静电夹持的晶片的背侧，以对该晶片提供均匀且有效的热传导。
在可选的实施方式中，衬底的加热可通过以下操作来实现：改变ESC上冷却器的设定值，或者在较高温度提供第二冷却器并提供由该第二冷却器提供的流体，或者改变由热电单元提供的温差，或者由加热灯阵列供热。可使用升降销来在利用加热灯对衬底进行加热之前将该衬底举离夹盘。在另一实施方式中，可将冷冻层暴露于由气体生成的RF等离子体，RF等离子体能与有机材料反应以形成挥发性化合物。这些气体包括，但不限于，H2，N2，NH3，O2，CO2，CO，NXOY，SOX以及这些气体的组合。此外，可加入额外的惰性气体，例如Ar，Kr或Ne，以提供离子能量从而提高反应速度。这些等离子体可向冷冻层供热并且可经由增效（synergistic）化学反应和离子增强反应来促进冷冻材料到气相材料的转变。等离子体可以是电容性的或电感性的。可选的是，下游等离子体可用来消除晶片上的离子轰击。
升华气相被释放到腔室中并且被运送至冷凝器。冷凝器的温度被设定为低于ESC接触层112的温度；优选地冷凝器温度在-20℃至-100℃之间。冷凝器压力与干燥腔室的压力相同并且优选二者共享相同的真空系统。
将晶片保持在期望的腔室压力和温度下直到检测到干燥步骤的终点。在一个实施方式中，该终点可通过电容压力计或皮冉尼压力计来进行检测。当溶剂气相在腔室中时，这些压力计会读到不同的值，但是当进行到干燥终点时，则这些压力计将会收敛至相同的值。检测干燥终点的可选方法也包括将腔室与真空泵隔离并且检测腔室的漏率（leak rate），如果由晶片产生气相时，则漏率预期会高得多。如果使用RF等离子体，可通过监测对应于挥发性反应产品物质的波长，使用光发射光谱来判定干燥步骤的终点。在某些应用中，可以不使用冷凝器。
在一个实施方式中，当冷冻层的升华完成之后，可将晶片/ESC加热到接近冷冻-干燥溶剂的融化温度或加热到该温度之上。对于叔丁醇，期望的温度将是在-40℃到+300℃之间的范围内。腔室的压强被降低到在760托到0.1毫托的范围内。优选的是，在该步骤中的压强是低于10毫托的。在该步骤期间可按恒定的流率将惰性气体引入到腔室中。这一步骤的目的是移除任何物理吸收的溶剂。对于实现某些冷冻干燥剂或某些种类的微电子拓扑结构的无损坏干燥来说，这一步骤可能不是必须的。在一个可选的实施方式中，可将晶片暴露于由气体生成的RF等离子体，RF等离子体能与有机材料反应以形成挥发性化合物。这些气体包括，但不限于，H2，N2，NH3，O2，CO2，CO，NXOY，SOX以及这些气体的组合。此外，可加入额外的惰性气体，例如Ar，Kr或Ne，以提供离子能量从而促进反应。这些等离子体可供热至残留溶剂并且能够与该残留溶剂反应，以通过增效（synergistic）化学反应和离子增强反应来形成气相。在其他实施方式中，晶片的加热可通过以下操作进行：通过改变冷却器设定点温度或通过ESC之内的加热器来加热ESC；利用发出由晶片所吸收的红外线辐射的灯；或利用RF等离子体。
在其他实施方式中，在第二回干燥结束之后，可将腔室的压强调整到能让等离子体被点燃（ignited）的压强。优选的是，该压强被调整到50毫托到10,000毫托的范围之间。可将晶片暴露于由气体生成的RF等离子体，RF等离子体能与有机材料反应以形成挥发性化合物。这些气体包括，但不限于，H2，N2，NH3，O2，CO2，CO，NXOY，SOX以及这些气体的组合。此外，可加入额外的惰性气体，例如Ar，Kr或Ne，来提供离子能量从而促进反应。该步骤的目的在于利用干燥等离子体化学剂来移除任何非挥发性残留物，该非挥发性残留物可能被包含于湿法蚀刻酸/溶剂、清洗酸/溶剂、或冷却干燥酸/溶剂并随后在干燥工艺中沉积于晶片之上。进一步地，来自等离子体的能量使得本来在处理期间可能已经塌陷的任何特征免于塌陷。在某些实施方式中，可以省略这一步骤，或者可以与干燥步骤同时进行或者可以在单独的腔室中进行。
在不同的实施方式中，在衬底移除的期间，通过导入例如但不限于N2、Ar、或He之类的惰性气体，可将腔室的压强增大至760托。将晶片从ESC释放（discharge）并且关闭任何晶片背侧气流。然后将晶片从腔室中移除。在一个实施方式中，可使用来自由RF功率所激励的惰性气体的等离子体来使晶片从ESC释放。可在将腔室压强增加到大气压之前、同时或之后释放晶片。在另一个实施方式中，可将晶片移动到另一个腔室中以进行等离子体处理。
在另一个实施方式中，可在硅晶片上的具有深宽比为15：1的柱状结构上进行一系列的实验。使用纯的叔丁醇将该结构弄湿，并且将该结构放置在充满空气的腔室中。将样本冷却到-15℃到-40℃范围之间的不同的冷冻温度。在将叔丁醇凝固在晶片上之后，将腔室的压强降至300毫托并且将晶片的温度升高到+25℃，持续10分钟。所有的叔丁醇通过升华而被移除。此后，将腔室的压强降至30毫托并且将晶片的温度升高到+30℃，持续10分钟。然后向腔室通风，恢复至大气压并且从腔室中移除晶片样品。图6是塌陷百分比与凝固温度的关系图。如图6所示，当凝固温度小于或等于-30℃时，样本显示塌陷率小于1%。
意外地发现，当温度缓慢地变化（<5C/min）至凝固温度时，在空气或N2的环境下使用纯的TBA会导致意外的塌陷图案。已发现，TBA与水的重量比例为9：1的溶液使得损坏意想不到地减少。更一般地，在本发明的实施方式中所使用的溶液的TBA与水的重量比例在5：95到99.9：0.1之间。
在另一个实施方式中，可在硅晶片上的具有深宽比为25：1的柱状结构上进行一系列的实验。将该干燥结构放置在含有无水分和无氧的N2气氛的腔室中。利用纯的叔丁醇将晶片弄湿然后快速地将其冷却至-60℃到-20℃的范围之间的不同凝固温度。在将叔丁醇凝固在晶片上之后，腔室的压强降低至低于5毫托并且将晶片静电夹持到ESC上。然后将晶片的温度升高至-25℃至-5℃之间。通过升华将所有的叔丁醇移除。随后通过N2气体通风，将腔室恢复至大气压条件，并且从腔室中移除晶片样品。图7是塌陷百分比与凝固温度的关系图。如图7所观察到的，在无水分N2气氛中冷冻干燥，通过最小化冷冻干燥溶剂中的水分吸附而能够实现在-30℃以上的温度下的低百分比的塌陷。
在其他实施方式中，可利用退火来增加冷冻干燥化学剂的晶体结构，从而减少塌陷。在另一个实施方式中，采用在冷冻干燥化学剂的玻璃转化温度之下的冷却以减少塌陷。在另一个实施方式中，可在同一个腔室中完成干燥化学剂的施加和冷冻干燥。
利用快速冷却的静电夹盘的实施方式的配置使得腔室能够为低容积，其具有小于3cm的小间距的腔室顶部和衬底顶部之间的间距。这样的低容积则允许较快的压力变化以及更好的温度控制。
在本发明的其他实施方式中，多个ESC位于单一的干燥腔室中，其中每一个ESC都持有衬底从而使得多个衬底能够同时处理。该多个ESC可位于单一平面，也可堆叠在一起。
本发明的实施方式通过消除气相液相界面，从而消除了在传统的气化干燥期间会造成特征塌陷的毛细力。
各种实施方式具有相对于超临界干燥工艺的优势。一个优势在于，由于本发明的实施方式是在大气压或基于真空的压力下进行的，在超临界工艺过程中所需要的高压容器则不再需要。另一个优势在于，与超临界工艺中所使用的化学剂的数量相比，需要较少的化学剂。此外，与超临界工艺相比，在各种实施方式中干燥溶剂与腔室之间的交互作用被最小化，因而减少了晶片缺陷和污染问题，且增加了腔室的平均无故障工作时间。此外，各种实施方式减少了干燥时间，并且能够实现更精确的温度控制。此外，在本发明的各种实施方式中所使用的压力使得等离子体能够被点燃，从而提供了干燥清洗残留物溶剂/污染物的能力，进而提高了装置的产率（yield）。
本发明的各种实施方式取消了高深宽比特征部所需的特殊支撑，从而降低总工艺的复杂度和成本。这些实施方式可应用于所有形态的微电子拓扑结构上，而支撑则限定于那些非常特定的应用上。
尽管已经根据多个优选的实施方式描述了本发明，其仍然有落入本发明的保护范围之内的变形、置换以及各种等同替代方案。还应当注意的是，有许多实现本发明的方法和装置的替代方式。因此，以下随附的权利要求应解释为包含所有落入本发明的真正精神和范围之内的这些变形、置换以及各种等同替代方案。

Claims (35)

1.一种用于冷冻干燥衬底的装置，其包括：
腔室，其用于容纳衬底；
静电夹盘（ESC），其用于在该腔室内部支撑和静电夹持该衬底；
温度控制器，其用于控制该静电夹盘的温度；
冷凝器，其连接至该腔室；以及
真空泵，其与该腔室流体连接。
2.如权利要求1所述的装置，其进一步包括嵌入在该静电夹盘中的至少一个热电单元，以提供在该静电夹盘的嵌入有该至少一个热电单元的部分与该静电夹盘的其余部分之间的温差。
3.如权利要求1所述的装置，进一步包括气氛控制系统，其用于在该腔室中提供受控的气氛。
4.如权利要求1所述的装置，其进一步包括用于将湿衬底运送到该腔室中并密封该腔室的湿法运送工作台。
5.如权利要求1所述的装置，其中该温度控制器包括与该静电夹盘流体连接的冷却器。
6.如权利要求5所述的装置，其中该温度控制器进一步包括与该静电夹盘流体连接的第二冷却器。
7.如权利要求1所述的装置，进一步包括与该腔室连接的等离子体源，其用于向该腔室内部提供等离子体。
8.如权利要求1所述的装置，进一步包括加热灯，其用于加热该衬底的表面。
9.如权利要求1所述的装置，进一步包括与该腔室连接的压力计，其用于测量该腔室内的压力。
10.如权利要求1所述的装置，进一步包括与该腔室连接的光学终点光谱计。
11.如权利要求1所述的装置，进一步包括电压源，其用于提供用于将该衬底夹持到该静电夹盘的电压。
12.如权利要求1所述的装置，其中该真空泵与冷凝器组成低温泵，该低温泵提供真空并且凝结来自该腔室的流体。
13.如权利要求1所述的装置，进一步包括连接至该静电夹盘的背侧加热和冷却系统。
14.如权利要求1-2中任一项所述的装置，进一步包括气氛控制系统，其用于在该腔室中提供受控的气氛。
15.如权利要求1-2和14中任一项所述的装置，进一步包括用于将湿衬底运送到该腔室中并密封该腔室的湿法运送工作台。
16.如权利要求1-2和14-15中任一项所述的装置，其中该温度控制器包括与该静电夹盘流体连接的冷却器。
17.如权利要求1-2和14-16中任一项所述的装置，其中该温度控制器进一步包括与该静电夹盘流体连接的第二冷却器。
18.如权利要求1-2和14-17中任一项所述的装置，进一步包括与该腔室连接的等离子体源，其用于向该腔室内部提供等离子体。
19.如权利要求1-2和14-18中任一项所述的装置，进一步包括加热灯，其用于加热该衬底的表面。
20.如权利要求1-2和14-19中任一项所述的装置，进一步包括与该腔室连接的压力计，其用于测量该腔室内的压力。
21.如权利要求1-2和14-20中任一项所述的装置，进一步包括与该腔室连接的光学终点光谱计。
22.如权利要求1-2和14-21中任一项所述的装置，进一步包括电压源，其用于提供用于将该衬底夹持到该静电夹盘的电压。
23.如权利要求1-2和14-22中任一项所述的装置，其中该真空泵与冷凝器组成低温泵，该低温泵提供真空并且凝结来自该腔室的流体。
24.如权利要求1-2和14-23中任一项所述的装置，进一步包括连接至该静电夹盘的背侧加热和冷却系统。
25.如权利要求14-23中任一项所述的装置，该气氛控制系统提供无水氮气氛。
26.一种用于冷冻干燥来自衬底的液体的方法，其包括：
以干燥化学剂来取代该液体；
将该衬底放置在该干燥腔室中的静电夹盘上；
将该衬底夹持到该静电夹盘上；
利用该静电夹盘以背侧冷却该衬底至低于该干燥化学剂的凝固点，从而凝固该干燥化学剂；
降低该腔室中的压力从而移除被凝固的该干燥化学剂；以及
加热该衬底，以在不融化该干燥化学剂的基础上汽化该干燥化学剂。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包括在将该衬底放置在该静电夹盘之前，将该静电夹盘预冷却至低于该干燥化学剂的凝固点的温度。
28.如权利要求26所述的方法，进一步包括提供惰性气体或还原气体以在该腔室内提供无氧气氛。
29.如权利要求26所述的方法，其中利用该静电夹盘以背侧冷却该衬底使得该干燥化学剂冻结至完全固化，并且消除该干燥化学剂的次稳定状态。
30.如权利要求26所述的方法，其中该干燥化学剂包括水和叔丁醇。
31.如权利要求26-27中任一项所述的方法，进一步包括提供惰性气体或还原气体以在该腔室内部提供无氧气氛。
32.如权利要求26-27以及31中任一项所述的方法，其中所述利用该静电夹盘以背侧冷却该衬底使得该干燥化学剂冻结至完全固化，并且消除该干燥化学剂的次稳定状态。
33.如权利要求26-27以及31-32中任一项所述的方法，其中该干燥化学剂包括水和叔丁醇。
34.如权利要求31-33中任一项所述的方法，其中该无氧气氛是无水氮气氛。
35.如权利要求26-27，31-32以及34中任一项所述的方法，其中该干燥化学剂实质上由叔丁醇组成。
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