CN103871929B - 用于处理晶片形物品的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于处理晶片形物品的方法和装置。通过使用被设计为产生单分散微滴喷雾的微滴生成器来提高晶片形物品的湿法处理。微滴生成器安装到旋压卡盘上方，并且沿线性或弧形路径移动横过晶片形物品的主表面。微滴生成器包括换能器，所述换能器与其主体声学地耦合以使声能到达主体的围绕排放孔口的区域。每个孔口都具有至少1μm且至多200μm的宽度w和高度h，以使h与w的比率不大于1。

Description

用于处理晶片形物品的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于处理诸如半导体晶片等晶片形物品的方法和装置。

背景技术

在半导体晶片的制造过程中，晶片的表面经过各种处理，包括化学残渣或颗粒物质的去除。目前，混合喷嘴用于单晶片湿法处理模块中的清洁处理。在这些喷嘴中，清洁溶液与增压气体混合以形成喷雾。随着形成在半导体晶片上的器件特征在尺寸上持续减小，由于常规湿法处理的使用而引起的各种问题出现了，包括对衬底表面上的微结构的破坏、由于非均匀清洁引起的在衬底上的图案的存在、长的处理时间以及控制的缺乏。因此，期望具有解决这些问题的用于处理晶片形物品的装置。

发明内容

本发明人已经发现，上文结合常规湿法处理设备所描述的问题至少部分地是由于常规液体喷雾的微滴是多分散的，即，具有显著不同直径的微滴。基于该发现，本发明人已经开发了通过使用单分散喷雾来缓解上述问题中的一些问题的新颖的设备和方法。

因此，在一个方案中，本发明涉及一种用于晶片形物品的湿法处理的装置，其包括：旋压卡盘，其适于将晶片形物品保持为在预定方位；以及微滴生成器，其具有主体、液体入口、用于当晶片形物品定位在旋压卡盘上时将液体排放到所述晶片形物品的表面上的至少一个孔口、以及与主体声学地耦合以使声能到达主体的围绕至少一个孔口的区域的至少一个换能器（transducer）。微滴生成器被构造为将液体作为单分散液体微滴喷雾通过至少一个孔口分送。处理液体分送器相对于旋压卡盘和微滴生成器定位，从而将处理液体分送到晶片形物品的与从微滴生成器排出的液体相同的一侧上。控制器被构造为与从处理液体分送器分送的处理液体相关地控制来自微滴生成器的单分散液体微滴喷雾。

在根据本发明的装置的优选实施例中，臂件连接至微滴生成器且被构造为使微滴生成器沿线性或弧形路径移动，当晶片形物品安装到旋压卡盘上时，所述线性或弧形路径与所述晶片形物品大致平行。

在根据本发明的装置的优选实施例中，至少一个孔口具有高度h和至少1μm且至多200μm的宽度w，以使h与w的比率不大于1。

在根据本发明的装置的优选实施例中，微滴生成器还包括液体储器和用于保持压缩气体的压力容器，并且其中液体储器、压力容器和微滴生成器能够相互连接。

在根据本发明的装置的优选实施例中，微滴生成器还包括高压泵和液体储器，并且其中所述高压泵能够连接至液体储器和微滴生成器。

在根据本发明的装置的优选实施例中，微滴生成器包括有至少两个孔口的至少一个线性阵列。

在根据本发明的装置的优选实施例中，至少一个孔口包含在与主体附接的板中。

在根据本发明的装置的优选实施例中，高压泵被构造为将液体增压至在2巴至50巴的范围内的压强P。

在根据本发明的装置的优选实施例中，宽度w从10μm至80μm。

在另一方案中，本发明涉及一种用于处理晶片形物品的方法，该方法包括：将处理液体从处理液体分送器分送到晶片形物品的主表面上，从而在所述晶片形物品的所述主表面上形成处理液体膜；单独地将另一液体通过形成在微滴生成器中的至少一个孔口从所述微滴生成器排出，同时在该液体通过所述至少一个孔口时将声能施加到该液体上，其中所述声能具有波长λ以使波数ka为从0.3至1，其中ka=wπ/λ，从而生成液体的单分散微滴流；以及使所述单分散微滴流冲击所述处理液体膜。

在根据本发明的方法的优选实施例中，微滴生成器平行于晶片形物品的主表面移动。

在根据本发明的方法的优选实施例中，使所述晶片形物品绕着与所述主表面大致垂直的轴线旋转，并且所述处理液体被分送以使受所述单分散微滴流冲击的所述处理液体膜具有不大于0.5mm的厚度。

在根据本发明的方法的优选实施例中，所述单分散微滴的液体具有小于或等于水的粘度的粘度。

在根据本发明的方法的优选实施例中，所述声能由压电换能器生成。

在根据本发明的方法的优选实施例中，所述液体通过各自具有介于10μm至80μm之间的基本相同的尺寸的多个孔口排出。

附图说明

在阅读下面的结合附图给出的本发明的优选实施例的详细说明之后，本发明的其它目的、特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明的实施例的用于晶片湿法处理的装置的示意立体图；

图2是图1的微滴生成器2的剖视图；

图3是图2的细节A的放大图，其更好地示出了孔口150；

图4示出了在根据本发明的方法的实施例中对于不同孔口直径而言液体压强和微滴速度之间的关系；

图5示出了在根据本发明的方法的实施例中生成单分散微滴的液体压强和最优频率之间的关系；

图6示出了通过根据本发明的方法和装置的实施例生成的水微滴阵列的图片；

图7示出了用于微滴生成器中的板的一个实施例的示意概要图；

图8示出了用于微滴生成器中的板的另一实施例的示意概要图；

图9示出了其中在微滴生成器中使用多个板的实施例的示意概要图；

图10示出了根据本发明的装置的优选实施例的示意概要图；

图11示出了装置的另一优选实施例的示意概要图；

图12示出了其中微滴生成器设置在增压环境内的实施例的示意概要图；

图13是示出单独分送的处理液体和由微滴生成器分送的微滴之间的可能的空间关系的平面图；

图14是适于在根据本发明的方法和装置中使用的微滴生成器的另一实施例的立体图和剖视图；

图15是用于微滴生成器的喷嘴插件的立体剖视图；以及

图16示意性地描绘了适于在微滴生成器中使用的雾化主体的3D视图。

具体实施方式

在图1中，用于单个半导体晶片的湿法处理的装置包括：旋压卡盘4，其用于支撑和旋转晶片W；微滴生成器2；以及支撑臂件3，微滴生成器2安装到支撑臂件3上。臂件3安装到支撑框架5上，以便其能够使微滴生成器2在旋压卡盘4（以及因此在衬底W）上方移动，例如，沿着与旋压卡盘4的旋转轴线大致垂直的线性路径，或者沿着在与旋压卡盘4的旋转轴线大致垂直的平面中的弧形路径移动。实际上，臂件3和生成器2的该移动通常是随着衬底W旋转而实现的。

优选地，还包括另一液体分送器6，其通过喷嘴7分送处理液体，喷嘴7可以为常规构造。微滴生成器2和喷嘴7在计算机微控制器8的控制下在不同的位置将其各自的处理液体分送到晶片W的面朝上的表面上，如下文更加详细说明的。在图示的实施例中，微滴生成器2和喷嘴7各自能够彼此独立地在晶片W的表面上方移动，但是在其它实施例中，这些部件可以固定或者相对于彼此固定，即能够联合地移动。

在图2中，该实施例的微滴生成器2包括主体100，通过入口130为主体100供给增压处理液体210。主体100包括底板160和顶板110。底板160包含至少一个孔口150，通过至少一个孔口150形成层状液体射流。顶板110装备有换能器170（例如，用环氧树脂胶粘到板110的压电换能器）。能够以选定频率f和功率来电驱动该换能器170以将具有波长λ的声能140施加到容器100中存在的处理液体120上。因此，在孔口150内的处理液体120中将存在声能140。该声能140将激发射流190中的雷利-坪(Rayleigh-Plateau)不稳定性，这将进而导致射流190分裂成单分散微滴180。

图3示出了孔口150的宽度w和深度h。宽度w应当从1μm至200μm，优选地从2μm至100μm，更优选地从10μm至80μm，示例性的值为10μm、20μm和30μm。h与w的比率应当不大于1，并且优选地在0.05和0.5之间。w和h:w的优选值产生了将形成相对薄的出口板的h值的范围，因此将孔口150配置在较厚板160的宽度d的凹口之内是实用的。

能够通过改变液体210的压强来调整射流190的流速。微滴180的直径D为孔口的宽度w、施加到处理液体210的压强P、驱动频率f和液体210的物理特性的函数。然而，对于低粘度（例如，小于或等于水的粘度的粘度）液体，D主要为孔口直径w的函数，并且近似为1.891w，但是可以通过改变频率f来略微地改变微滴直径D。

已经开发了等式，其基于驱动流的压强P来限定确保使所有射流形成单分散微滴的频率范围，以及限定通过薄板中的尖锐边缘孔的液体的容积流量（以及因此限定射流速度）。频率由下面的等式给出：

等式1 $f=C1\left(\frac{\mathrm{ka}}{\mathrm{\πw}}\right)\left(\frac{4}{\mathrm{\π}}\right)\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρw}}\right){\left(\frac{{\mathrm{P\ρw}}^2}{{\mathrm{\μ}}^2}\right)}^{C2}$

其中w为孔口的宽度，ρ为液体210的密度，μ为液体210的粘度，P为压强，C1和C2分别按经验确定为0.3601和0.5774，并且ka为声能的无因次波数。ka应当在0.3至1的范围内，并且优选地等于大约0.69，如雷利（1878）所阐明的(参见Strutt,J.W.,Lord Rayleigh.“Onthe Instability of Jets.”Proceedings of the London Mathematical Society10(1878):4-13.)。

波数ka能够近似为

等式2 $\mathrm{ka}=\frac{\mathrm{w\π}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{w\πf}}{u}=\frac{{\mathrm{w\πfw}}^2\mathrm{\π}}{{4V}^{\′}}=\frac{w^3{\mathrm{\π}}^{2}f}{{4V}^{\′}}$

其中u为声能140的相速度，并且V’为液体210的容积流量。因此，与波数ka的优选范围相对应的频率可以表达为：

等式3 $\frac{.12V^{\′}}{w^3}\≤f\≤\frac{.{41V}^{\′}}{w^3}$

图4和图5分别以图形方式描绘了根据上述等式1和3的液体压强P与微滴速度（或射流速度）和频率f的关系。因此，在两个图中横坐标的单位为所施加压强MPa，而图4的纵坐标的单位为排出射流速度（以及因此为初始微滴形成时的速度）m/s，图5的纵坐标的单位为频率数百kHz。

图6是用高速摄像机拍摄的处于室温下的水微滴的阵列的照片。微滴是通过具有20μm宽度w的单一孔口生成的，激发频率f为188kHz，并且所施加的压强P为3巴。微滴具有38μm的直径D，并且射流速度为20m/s。

在图6中能够看出，微滴直径D非常地均匀；尽管如此，本文所使用的术语“单分散”不要求微滴直径的绝对相同，而是应当理解为涵盖微滴直径的变差系数不大于5%、优选地不大于3%且更优选地不大于1%的微滴喷雾，其中变差系数为微滴直径的标准偏差与平均微滴直径的比率。

为实用目的，多个孔口优选于单个孔口150，并且虽然数量可以根据特定应用而改变，但是该数量优选地多于十个，并且更优选地多于二十个。图7示出了装有孔口阵列820的板810；图8示出了装有多个孔口阵列920的板910；并且图9示出了各自包含至少一个孔口阵列1020的多个板1010。在优选实施例中，图2的底板160的全部或部分能够由板810、910或1010替换。这些板810、910和1010由例如硅、塑料或不锈钢制成。板160、810、910或1010能够从主体100、800、900或1000移除。在这种情况下，板可集成到主体100中的由O形圈（未示出）密封的两个平行板之间。当然，如果需要，多于一个的板能够合并到主体100中。

既定板810、910或1010中的孔口820、920或1020应当均尽可能为近似相同的尺寸，并且振动激励140应当作用于所有出现的液体射流上。表1示出了对于既定孔口宽度w、容积流量V’和孔口数量而言最小频率f_min、最优频率f_opt和最大频率f_max的基于等式3的多个计算值。

表1

V’(l/h)	V’(mm3/s)	w(mm)	孔口数量	fmin(1/s)	fopt(1/s)	fmax(1/s)
							.036	10	.02	1	151,981	349,556	506,604
.036	10	.02	10	15,198	34,956	50,660
							.36	100	.02	10	151,981	349,556	506,604

.36	100	.02	100	15,198	34,956	50,660
							3.6	1000	.02	100	151,981	349,556	506,604
.036	10	.04	1	18,998	43,695	63,325
							.36	100	.04	1	189,976	436,946	633,254
.36	100	.04	10	18,998	43,695	63,325
							3.6	1000	.04	100	18,998	43,695	63,325

优选地，孔口由干法刻蚀或湿法刻蚀或者可选地由激光钻孔制成。刻蚀处理确保多个孔口均为基本相同的尺寸。典型地，微滴生成器2将以孔口阵列与衬底W的半径平行的方式定位。

在图10中，在液体被导入微滴生成器的主体300中之前，通过压缩气体对液体进行增压。压缩气体（例如，氮气、氧气或空气）被保持在压力容器340中。优选地，压力容器340能够承受高达50巴的压强。该压缩气体通过压力管330与液体储器320连接。也是压力容器的储器320能够填充液体供给线路360上的液体。储器320储存液体介质，并且供给线路310能够打开以将增压液体提供给微滴生成器的主体300，微滴生成器的主体300将微滴分送到衬底W。

在图11的实施例中，通过高压泵420对液体进行增压。高压泵420通过管430与液体储器440连接。该高压泵420能够将液体增压至优选地从2巴至50巴的压强，并且能够为旋转泵或理想地为活塞泵。泵420通过高压管410与微滴生成器400的主体连接，微滴生成器400的主体将微滴分送到衬底W。

在图12的实施例中，微滴生成器620和衬底W处于增压环境600内，增压环境600将期望的压强施予位于微滴生成器外部的微滴640。增压环境600能够由例如包含旋压卡盘的密封处理腔室630提供，晶片W连同微滴生成器620及其关联的入口610一起安装到旋压卡盘上。

如图13所示，处理液体分送器喷嘴7相对于微滴生成器2定位，以使单分散微滴被喷洒到形成于晶片表面上的处理液体膜上。例如，处理液体可以为去离子水或SC-1，并且单分散喷雾用于将微滴脉冲提供到薄的液体层中。单分散喷雾喷嘴的位置被控制，从而喷洒到通过喷嘴7分送的处理液体的液体膜厚度优选地不大于0.5mm的区域中。图13中的区域A对应于供给单分散喷雾的区域。因此，清洁液体喷嘴分送器和微滴喷嘴分送器之间的单独移动是优选的。可选地，可通过例如SC1的化学物质对晶片进行预湿，此后供给单分散喷雾，从而使得逐渐稀释并去除化学物质。另外，可以在喷雾停止的同时再次分送化学物质。

微滴生成器的可选实施例描绘于图14中，并且包括：主体500，其用作液体储器；馈送管530，其用于将液体供给到微滴生成器；环状超声换能器570；喷嘴尖端510，其用于生成单分散微滴喷雾；用于喷嘴尖端的壳体540，在该实施例中其通过螺纹连接到主体500上；以及固定螺钉520，其将喷嘴510固定在壳体540内。

该实施例的喷嘴尖端510可以如公开号为2012/0012105的美国专利所描述的那样制造，并且当前的图15和图16是分别从该申请的图8和图3得到的。特别地，喷嘴尖端510可以包括如该申请中描述的喷嘴薄片515，其中参考图16，待雾化液体经由形成在第一和第二薄膜516、517之间的空腔518通过第一和第二薄膜516、517。

尽管已经结合本发明的多个优选实施例描述了本发明，应当理解，提供这些实施例仅仅是为了说明本发明，并且本发明不限于这些实施例，而是包括随附权利要求书的真正范围和精神所涵盖的方案。

Claims (15)

1.一种用于晶片形物品的湿法处理的装置，其包括：

旋压卡盘，其适于将晶片形物品保持为在预定方位；

微滴生成器，其具有主体、液体入口、用于当所述晶片形物品定位在所述旋压卡盘上时将液体排放到所述晶片形物品的表面上的至少一个孔口、以及与所述主体声学地耦合以使得声能到达所述主体的围绕所述至少一个孔口的区域的至少一个换能器；

其中所述微滴生成器被构造为将液体作为单分散液体微滴喷雾通过所述至少一个孔口分送；

其中所述声能具有波长λ以使波数ka为从0.3至1，其中ka＝wπ/λ，从而生成该液体的单分散微滴流，其中w为孔口的宽度，

处理液体分送器，其相对于所述旋压卡盘和所述微滴生成器定位，从而将处理液体分送到晶片形物品的与从所述微滴生成器排出的液体相同的一侧上；以及

控制器，其被构造为与从所述处理液体分送器分送的处理液体相关地控制来自所述微滴生成器的单分散液体微滴喷雾。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括臂件，所述臂件与所述微滴生成器连接并且被构造为使所述微滴生成器沿线性或弧形路径移动，当晶片形物品安装到所述旋压卡盘上时，所述线性或弧形路径与所述晶片形物品平行。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个孔口具有高度h以及至少1μm且至多200μm的宽度w以使h与w的比率不大于1。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述微滴生成器还包括液体储器和用于保持压缩气体的压力容器，并且其中所述液体储器、压力容器和所述微滴生成器能够相互连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述微滴生成器还包括高压泵和液体储器，并且其中所述高压泵能够与所述液体储器以及所述微滴生成器连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述微滴生成器包括有至少两个孔口的至少一个线性阵列。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个孔口包含在与所述主体附接的板中。

8.根据权利要求5所述的装置，其中所述高压泵被构造为将液体增压至在2巴至50巴的范围内的压强P。

9.根据权利要求3所述的装置，其中所述宽度w从10μm至80μm。

10.用于处理晶片形物品的方法，包括：

将处理液体从处理液体分送器分送到晶片形物品的主表面上，从而在所述晶片形物品的所述主表面上形成处理液体膜；

单独地将另一液体通过形成在微滴生成器中的至少一个孔口从所述微滴生成器排出，同时在该液体通过所述至少一个孔口时将声能施加到该液体上，其中所述声能具有波长λ以使波数ka为从0.3至1，其中ka＝wπ/λ，从而生成该液体的单分散微滴流，其中w为孔口的宽度；以及

使所述单分散微滴流冲击所述处理液体膜。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括使所述微滴生成器平行于晶片形物品的所述主表面移动。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括使所述晶片形物品绕着与所述主表面垂直的轴线旋转，并且其中所述处理液体被分送以使受所述单分散微滴流冲击的所述处理液体膜具有不大于0.5mm的厚度。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述单分散微滴的液体具有小于或等于水的粘度的粘度。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述声能由压电换能器生成。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述液体通过各自具有介于10μm至80μm之间的相同的尺寸的多个孔口排出。