CN104919574A - 用于高深宽比半导体器件结构的具有污染物去除的无黏附干燥工艺 - Google Patents

用于高深宽比半导体器件结构的具有污染物去除的无黏附干燥工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例大体而言涉及一种清洁基板的方法及一种基板处理设备，所述基板处理设备设以进行所述清洁基板的方法。更具体地说，本发明的实施例涉及一种以减少或消除半导体器件特征之间的线黏附负面效应的方式清洁基板的方法。本发明的其它实施例涉及一种基板处理设备，所述基板处理设备允许以减少或消除形成在基板上的半导体器件特征之间的线黏附的方式清洁基板。

Description

用于高深宽比半导体器件结构的具有污染物去除的无黏附干燥工艺
发明背景
发明领域
本发明的实施例大体而言涉及一种用于清洁半导体基板的方法和设备，更具体地说，涉及一种用于高深宽比半导体器件结构的无黏附清洁及/或干燥工艺。
现有技术的描述
在半导体器件的清洁中，必须从基板的表面去除液体和固体污染物，从而留下清洁的表面。湿式清洁工艺通常牵涉到清洁液的使用，例如清洁水溶液。湿式清洁基板之后，必须在清洁腔室中从基板的表面去除清洁液。
目前，大多数的湿式清洁技术利用液体喷洒或沉浸步骤来清洁基板。在施加清洁液之后干燥具有高深宽比特征或具有空隙或孔洞的低k材料的基板是非常具有挑战性的。清洁液的毛细力时常导致这些结构中的材料变形，从而可能产生不良的黏附，所述黏附除了在基板上留下来自所使用的清洁溶液的残余物之外，还会损坏半导体基板。在后续干燥基板的过程中，上述缺点在具有高深宽比半导体器件结构的基板上尤其明显。线黏附或线塌陷是由于形成高深宽比沟槽或过孔的侧壁由于在一或多个湿式清洁工艺过程中陷在沟槽或过孔中的液体上方横跨液-气界面的毛细压力而弯向彼此所导致的。具有窄线宽和高深宽比的特征对于液-气和液-壁界面之间由于毛细压力(有时也被称为毛细作用力)而产生的表面张力差尤其敏感。目前可行的干燥作法，在防止由于器件尺度快速发展而导致线黏附中面临着急剧上升的挑战。
因此，在本技术领域中需要有减少或消除线黏附的干燥工艺，所述线黏附会降低基板上的半导体器件产率。
发明内容
本文中提供的实施例大体而言涉及一种清洁基板的方法及一种基板处理设备。更具体地说，实施例涉及一种以减少或消除半导体器件特征之间的线黏附负面效应的方式清洁基板的方法。其它的实施例涉及一种基板处理设备，所述基板处理设备允许以减少或消除半导体器件特征之间的线黏附的方式清洁基板。
一个实施例大体而言涉及一种清洁基板的方法。所述方法包含以下步骤：使基板暴露于溶剂，以去除位于所述基板的表面上的一数量的残余清洁溶液；使所述基板暴露于超临界流体，以去除位于所述基板的所述表面上的溶剂；以及使所述基板暴露于等离子体。
另一个实施例提供一种基板处理设备。所述设备具有传送腔室，所述传送腔室中设有机械手。所述机械手适以在多个耦接至所述传送腔室的处理腔室之间传送一或多个基板。在一些构造中，所述基板处理设备可以包括耦接至所述传送腔室的湿式清洁腔室。所述湿式清洁腔室具有基板支撑件及清洁溶液输送设备，所述清洁溶液输送设备适以提供清洁溶液至所述湿式清洁腔室的处理区。溶剂交换处理腔室被耦接至所述传送腔室。所述溶剂交换腔室具有基板支撑件并被耦接至液体溶剂输送设备，所述液体溶剂输送设备适以提供液体溶剂至所述溶剂交换腔室。超临界流体腔室被耦接至所述传送腔室。所述超临界流体腔室具有基板支撑件、加热元件、适以接收气体或液体CO2的端口及加压设备。等离子体腔室被耦接至所述传送腔室。所述等离子体腔室具有基板支撑件、喷头、适以接收卤素或氧气的端口及RF电源，所述RF电源适以在所述等离子体腔室的处理区中形成等离子体。
另一个实施例提供一种基板处理设备。所述设备具有耦接至传送腔室的湿式清洁腔室。所述湿式清洁腔室具有基板支撑件及处理区，所述处理区被耦接至清洁溶液输送设备，所述清洁溶液输送设备适以提供清洁溶液至所述湿式清洁腔室的处理区。溶剂交换处理腔室被耦接至所述传送腔室。所述溶剂交换腔室具有基板支撑件并被耦接至液体溶剂输送设备，所述液体溶剂输送设备适以提供液体溶剂至所述溶剂交换腔室。超临界流体腔室被耦接至所述传送腔室。所述超临界流体腔室具有基板支撑件、加热元件、适以接收气体或液体CO2的端口及加压设备。等离子体腔室被耦接至所述传送腔室。所述等离子体腔室具有基板支撑件、喷头、适以接收卤素或氧气的端口及RF电源，所述RF电源适以在所述等离子体腔室的处理区中形成等离子体。所述传送腔室具有第一机械手，所述第一机械手适以在所述湿式清洁腔室、所述溶剂交换处理腔室、所述超临界流体腔室及所述等离子体腔室之间传送一或多个基板。
附图简单说明
为详细理解上述本发明的特征，可参照实施例及附图而对以上简单概述的本发明作更特定的描述。然而应注意，附图说明的只是本发明的典型实施例，因而不应将附图说明视为是对本发明范围作限制，因本发明可认可其它同样有效的实施例。
图1图示湿式处理之后在干燥过程中形成在基板上的半导体器件结构内形成的特征之间由于产生毛细力所产生的黏附效应；
图2A图示依据本文提供的某些实施例的基板处理设备；
图2B图示依据本文提供的某些实施例的基板处理设备；
图3A图示在依据本文提供的某些实施例的处理设备中的基板处理流程；
图3B图示在依据本文提供的某些实施例的处理设备中的基板处理流程；
图4A图示依据本文提供的某些实施例的湿式处理腔室的剖视图；
图4B图示依据本文提供的某些实施例的溶剂过滤系统的示意图；
图5A图示依据本文提供的某些实施例的超临界流体腔室的剖面示意图；
图5B图示依据本文提供的某些实施例的图5A超临界流体腔室的示意侧视图；
图5C图示依据本文提供的某些实施例的图5A超临界流体腔室的部分剖面示意图；
图5D图示依据本文提供的某些实施例的图5C超临界流体腔室的示意侧视图；
图5E示意性图示依据本文提供的某些实施例的超临界流体输送系统；
图6图示表示CO2的相变图；
图7图示依据本文提供的某些实施例的等离子体腔室的剖视图；以及
图8图示依据本文提供的某些实施例用于清洁基板的方法步骤的流程图。
为了便于理解，已在可能处使用相同的元件符号来指称所有图为相同的元件。构思的是，可以将一个实施例中揭示的元件有益地使用于其它实施例中而无需具体详述。不应将本文所参照的图式理解为依比例绘制，除非有特别说明。另外，时常将图简化，并且出于清晰地说明和解释的目的，将图的细节或部件省略。图和讨论用以解释以下讨论的原理，其中相同的标号表示相同的元件。
具体描述
本文提供的实施例大体而言涉及一种用以清洁基板的方法和设备。更具体地说，实施例涉及在已于基板上执行湿式清洁工艺之后，以减少或消除半导体器件特征之间形成的线黏附的方式清洁基板的方法。其它的实施例涉及一种基板处理设备，所述设备允许以减少或消除半导体器件特征之间的线黏附的方式清洁基板。
在以下的描述中，出于解释的目的，提出许多具体的细节，以便提供对于本文所提供实施例的全面理解。然而，对于本技术领域中普通技术人员而言，将显而易见的是可以在没有这些具体细节之下实施本发明。在其它的情况下，并未描述具体的设备结构，以免混淆所描述的实施例。下面的描述和图是说明性的实施例，而且不应被解读为限制本发明。
图1为图示半导体器件100的示意性剖视图，其中线黏附已经发生在半导体器件100内的两个特征之间。如图示，高深宽比的器件结构被形成在基板的表面上。在处理过程中，器件结构102应保持在垂直方向上，并且壁106不应该穿过开口104而接触到相邻的器件结构102的壁106。当半导体器件100在被用湿化学品清洁之后正在被干燥时，器件结构102的壁106受到了由于位于开口104内的清洁液所形成的气-液界面所产生的毛细力，所述毛细力导致相邻器件结构102的壁106弯向彼此并相互接触。相邻器件结构102的壁106之间的接触所产生的线黏附最终导致开口104闭合。线黏附通常是不理想的，因为线黏附会在后续的基板处理步骤(例如进一步的沉积步骤)过程中妨碍进入开口104。
为了防止线黏附，依据本文提供的方法，可以在湿式清洁腔室中使基板暴露于清洁水溶液，例如去离子水或清洁化学品。这样的基板包括基板上设置有或形成有电子器件的半导体基板。在湿式清洁腔室中在基板上使用清洁水溶液去除了进行湿式清洁工艺之后留在基板上的残余物。在一些构造中，湿式清洁腔室可以是单片式清洁腔室及/或水平旋转腔室。另外，所述湿式清洁腔室可以具有适用于产生声能的超音波板，所述声能被定向到基板的非器件侧上。
在湿式清洁基板之后，基板可被传送到溶剂交换腔室，以置换在湿式清洁腔室中使用的任何先前使用的清洁水溶液。然后基板可被传送到超临界流体腔室，以在基板上进行进一步的清洁和干燥步骤。在一个实施例中，干燥基板可能牵涉到输送超临界流体到基板的表面。可以选择干燥气体，以在处于超临界处理腔室中实现或保持的某种压力和温度配置下转变到超临界状态。这样的干燥气体的一个实例包括二氧化碳(CO2)。干燥气体的另一个实例是丙烷(C3H8)。图6图示CO2的相变图。由于超临界二氧化碳是一种超临界气体，故超临界二氧化碳没有表面张力是因为超临界二氧化碳的表面张力类似于气体但具有类似于液体的密度。图6图示超临界CO2在约73.0个大气压的压力和约31.1℃的温度下具有临界点。超临界流体(例如二氧化碳)的一个独特性质是在任何高于超临界压力的压力和高于超临界点的温度下(例如对于二氧化碳为31.1℃和73个大气压)不会发生冷凝。临界温度右边和临界压力上方(例如对于二氧化碳为73个大气压)的区域限定了二氧化碳干燥气体的超临界状态。
由于超临界流体的独特性能，超临界流体可以穿透基板中大致上所有的孔洞或空隙，并去除可能存在于开口104中的任何剩余液体或颗粒。在一个实施例中，在超临界处理进行了所需时段以去除颗粒和残余物之后，腔室的压力在几乎恒定的温度下降低，从而允许超临界流体在开口104内直接转变成气相。在超临界流体处理之前存在于开口104中的液体通常可以是来自溶剂交换腔室的置换溶剂。存在于开口104中的颗粒通常可以是任何的固体颗粒物质，例如有机物种(即碳)、无机物种(即硅)及/或金属。可以通过超临界流体进行干燥的开口104的实例包括介电层中的空隙或孔洞、低k介电材料中的空隙或孔洞及基板中可能捕获清洁流体和颗粒的其它类型的间隙。此外，超临界干燥可以通过在相变过程中跳过液体状态并由于超临界流体(例如超临界CO2)的可忽略表面张力而消除器件结构102的壁106之间形成的毛细力来防止线黏附。
然后可以将基板从超临界流体腔室传送到后处理腔室。后处理腔室可以是等离子体处理腔室，在等离子体处理腔室中可能存在于基板上的污染物可以被去除。对基板进行后处理还可以进一步释放存在于器件结构中的任何线黏附。本文所述的处理可用于清洁具有高深宽比的器件结构，所述高深宽比例如约10:1或更大、20:1或更大或30:1或更大的深宽比。在某些实施例中，本文所述的处理对于清洁3D/垂直NAND快闪器件结构是特别有用的。
图2A图示依据本发明的一个实施例可适于执行上述一或多个步骤的基板处理设备。在一个实施例中，处理设备200包含湿式清洁腔室201、溶剂交换腔室202、超临界流体腔室203、后处理腔室204、传送腔室206及湿式机械手208。处理基板可以包括但不限于形成电器件，例如由金属线互连的晶体管、电容器或电阻器，所述金属线是由基板上的层间介电质隔绝。这些处理可以包括清洁基板、清洁形成在基板上的膜、干燥基板及干燥形成在基板上的膜。在另一个实施例中，处理设备200包括检查腔室205，检查腔室205可以包括检查已在处理设备200中进行处理的基板的工具(未图示)。
在一个实施例中，基板处理设备200是包含几个基板处理腔室的群集工具，所述基板处理腔室例如湿式清洁腔室201、溶剂交换腔室202、超临界流体腔室203、后处理腔室204及传送腔室206。处理设备200还可以包含膜沉积室(未图示)，例如化学气相沉积(CVD)室、原子层沉积(ALD)室及/或物理气相沉积(PVD)室。所述腔室可以位于湿式机械手208周围，湿式机械手208可以位于传送腔室206中。湿式机械手208包含马达、底座、臂及设以在所述腔室之间传送基板的端效器209。选择性地，湿式机械手208可以具有多个臂和多个端效器，以增加处理设备200的产量。在一个实施例中，湿式机械手208在上述腔室之间传送基板。在另一个实施例中，湿式机械手208的至少一个端效器是专用的干端效器(例如适于处理干的晶片)，并且湿式机械手208的至少一个端效器是专用的湿端效器(例如适用于处理湿的晶片)。专用的干端效器可被用于在超临界流体腔室203和后处理腔室204之间传送基板。处理设备200还包含配置在工厂接口218的干式机械手216，工厂界面218可被耦接到处理设备200和多个基板盒212和214，每个基板盒固持多个待清洁或干燥或已被清洁或干燥的基板。干式机械手216可设以在盒212和214及湿式清洁腔室201与后处理腔室204之间传送基板。在另一个实施例中，干式机械手216可设以在超临界流体腔室203和后处理腔室204之间传送基板。处理设备200内的处理腔室可被放置在容纳基板传送腔室206的水平平台上。
在替代的实施例中，如图2B所图示，处理设备200A可以是包含几个基板处理腔室的线性设备，所述基板处理腔室例如湿式清洁腔室201、溶剂交换腔室202、超临界流体腔室203、后处理腔室204及传送腔室206。例如，处理设备200A可以是向美国加州圣克拉拉应用材料公司(Applied Materials,Santa Clara,CA)取得的GT，然而构思的是，可以适用来自其它制造商的其它处理设备来执行本文所述的实施例。处理设备200还可以包含膜沉积腔室(未图示)，例如CVD腔室、ALD腔室及/或PVD腔室。所述腔室可以位于机械手208A的周围，机械手208A可以被配置在传送腔室206中。机械手208A包含马达、底座、臂及设以在所述腔室之间传送基板的端效器209A和209B。机械手208A可以具有多个臂和多个端效器，以增加处理设备200A的产量。在一个实施例中，具有专用湿端效器209A的机械手208A在上述腔室之间传送基板。处理设备200A还可以包含工厂接口218及多个基板盒212和214，所述工厂接口218被耦接到处理设备200，每个基板盒固持多个待清洁或干燥或已被清洁或干燥的基板。具有专用干端效器209B的机械手208A在盒212和214及湿式清洁腔室201与后处理腔室204之间传送基板。在一个实施例中，专用的干端效器209B可设以在超临界流体腔室203和后处理腔室204之间传送基板。处理设备200A内的腔室可以被放置在容纳基板传送腔室206的水平平台上。
在处理设备200A的一些配置中，机械手208A可以沿着线性轨道220行进。腔室可以被依序布置在线性轨道220的一侧或两侧上。为了进行湿式基板传送，可以从基板去除过量的液体，例如通过旋转基板，同时仍在腔室中，所以在机械手208A传送基板之前只有薄的湿层仍保持在基板表面上。在机械手208A上提供两个或更多个端效器的实施例中，至少一个端效器可以专用于湿式基板传送，而另一个端效器可以专用于干燥基板传送。更多个腔室可以被安装在可延伸的线性配置中，用于大量生产。
在前面的实施例中提及的配置大大地减少了每个腔室的设计复杂性，使得敏感的处理步骤之间的等候时间能够受到控制，并在具有可调节腔室模块计数的连续生产中最佳化产量来平均每个关键步骤的工艺时间。
参照回图2A，处理设备200的清洁和干燥工艺在进行时间可最佳化产量的程序中通过使用可用的腔室空间和湿式机械手208进行。一种可以用于清洁和干燥上面形成有一或多个膜的基板的处理程序包括：干式机械手216从基板盒212或214取出未清洁的基板并将基板安装在湿式清洁腔室201中，湿式机械手208从湿式清洁腔室201移出基板并将基板安装在溶剂交换腔室202中，湿式机械手208从溶剂交换腔室202移出基板并将基板安装在超临界流体腔室203中，干式机械手216或湿式机械手208的专用干端效器从超临界流体腔室203移出基板并将基板放在后处理腔室204中，以及干式机械手216从后处理腔室204移出基板并将清洁和干燥过的基板放入其中一个基板盒212或214中。基板在处理设备200中的移动可以最佳化基板清洁和干燥时间。可以使用其它的程序变化来选择最佳的基板清洁和干燥循环时间。
在一个实施例中，基板最初可在配置于处理设备(例如处理设备200)中的预处理腔室中进行处理，所述预处理腔室例如膜沉积室(未图示)，以在基板上形成一个膜或多个膜，或是所述预处理腔室例如可从基板去除材料的膜蚀刻室。盒212和214可以将基板输送到处理设备200，然后可以由机械手将基板放在第一处理腔室中，所述第一处理腔室例如湿式清洁腔室201。在这种配置中，机械手从盒212和214中的一个将基板输送到第一处理腔室。然后可以在湿式清洁腔室201中使基板暴露于清洁溶液，以去除污染物，例如存在于基板上的材料残余物/颗粒或液体。在一个实施例中，所述清洁溶液可以包含去离子水、清洁溶剂或上述的组合。
接着，可以由湿式机械手208将基板从湿式清洁腔室201传送到溶剂交换腔室202。在溶剂交换腔室202中，可以通过使基板暴露于溶剂来以溶剂置换预先配置的清洁溶液。在一个实施例中，用于置换清洁溶液的溶剂可以是单一化学品，所述化学品可以处于液体或超临界相，或是处于液体或超临界相中的一序列各种化学品或化学品的混合物。用于置换的化学品或混合物的状态和相可以由去离子水、溶剂及化学品或选择的化学品的混合物之间的相对溶解度、混溶性以及液体置换特性来决定。
在一个实施例中，可以使基板暴露于溶剂以置换仍留在基板上的残余液体。所述溶剂可以以足够置换基本上所有从先前处理步骤残留在基板表面上的液体的量被提供到基板的顶表面。溶剂交换可以由填充和净化工艺来进行。例如，诸如上述的那些溶剂可以被引入溶剂交换腔室202，并且溶剂交换腔室202可被溶剂填充到至少覆盖基板。在溶剂交换已经进行了一段所需的时间量之后，可以通过从溶剂交换腔室202去除一或多个溶剂来净化腔室。
在一个实施例中，用于溶剂交换的适当溶剂包括丙酮、异丙醇、乙醇、甲醇及其它非极性溶剂。认为通过去除水并用溶于超临界流体的溶剂来交换水，可以在去除过程中由于防止溶剂和超临界流体之间的相分离而改良随后的超临界冲洗和干燥。
在另一个实施例中，用于溶剂交换工艺的适当溶剂包括N-甲基-2-吡咯啶酮、N-甲基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二甲基乙酰胺及二甲亚砜。这些极性溶剂(例如有机极性溶剂)置换了水，而且通常理想的是溶剂拥有高介电常数(大于30)和低的蒸发速率(相对于乙酸正丁酯小于0.5)。有机极性溶剂通常还可以混溶于水中，并抑制氧化硅颗粒从硅水反应析出。
在一个实施例中，溶剂交换工艺包含依序提供多种溶剂到基板，以置换残留在基板表面上的残余液体。在工艺顺序的一个实施例中，可以通过输送极性溶剂然后输送非极性溶剂到基板的表面来进行多步骤的溶剂交换处理，以去除残余液体。在一个实例中，工艺顺序包括提供第一溶剂然后提供第二溶剂，所述第一溶剂包含极性溶剂，所述极性溶剂设以从基板置换去离子水，所述第二溶剂包含非极性溶剂，例如约90％或更多的液体异丙醇(IPA)，液体异丙醇可以在溶剂交换腔室202中在室温下被用来置换基板上的极性溶剂。使用极性溶剂可以有效地帮助去除任何残留的颗粒，这在提供非极性溶剂(例如异丙醇)到基板表面之前是重要的。认为使用极性和随后的非极性溶剂能够更有效地从基板去除残留液体和任何残留颗粒或类似的污染物。
然而，由于大多数极性溶剂的结构，在极性溶剂取代了清洁流体(即水溶液)之后，极性溶剂(例如在超临界二氧化碳中具有低溶解度的有机极性溶剂)需要被非极性溶剂置换，以确保极性溶剂可以在随后的工艺步骤中轻易地被从基板的表面去除。在非极性溶剂(例如IPA)已取代有机极性溶剂之后，可以进行后续使用超临界流体(例如超临界CO2)置换非极性溶剂。在较佳的实施例中，所述有机极性溶剂包含N-甲基-2-吡咯啶酮或N-甲基甲酰胺或上述的组合。因此，在一个实例中，所述溶剂交换工艺可以包含使用有机极性溶剂置换清洁溶液，然后使用非极性有机溶剂置换有机极性溶剂。
接着，可以进行相变工艺，以使基板准备好进行随后的超临界清洁和干燥工艺。相变工艺可以以两种方式中的一种方式或上述方式的组合进行。在一个实施例中，在使用溶剂(例如非极性溶剂)置换基板表面上的残留材料已经进行之后，可以使用超临界流体(例如纯的超临界CO2或C3H8)直接置换溶剂。在此实施例中，纯的超临界流体可以被提供到超临界流体腔室203。因此，可以调整超临界流体腔室203中保持的温度和压力，以将流体保持在超临界状态下。在另一个实施例中，假使用于上述置换工艺的化学品或化学混合物是液体(例如液体二氧化碳)而且可以被转变成超临界相，则可以使用相变工艺来将化学品或化学混合物转变成超临界流体。例如，在约5℃至8℃和约50巴下有90％或更多的液体IPA可以被液体二氧化碳置换。在一个实施例中，上述约5℃至8℃和约50巴的液体CO2可以在超临界流体腔室203中被加热到约40℃及约95巴的压力。形成超临界相的结果是，由于液-气和液-固表面张力之间的差异所造成的毛细压力被消除了。毛细压力的消除防止了清洁表面的弯曲和相互作用，这可以降低黏附发生在高深宽比特征中的可能性。
在一个实施例中，包含如前所述相同类型的化学品或化学混合物的超临界流体可以被形成并引入超临界流体腔室203，以在超临界冲洗工艺中清洁和冲洗掉残留在基板表面上的颗粒和残余物。在一个实施例中，可以使用CO2来形成超临界流体。也可以在超临界流体腔室203的外部形成超临界CO2，然后将超临界CO2引入超临界流体腔室203。在一个实施例中，可以在超临界流体腔室203的外部形成高于超临界点的点(例如约40℃和约95巴)的超临界CO2，然后再将超临界CO2引入超临界流体腔室203。
在另一个实施例中，可以将液体CO2提供到腔室，并于随后通过提高腔室中的温度和压力而将液体CO2转化成超临界CO2。在此实施例中，液体CO2以第一速率被提供到超临界流体腔室203，其中所述第一速率设以避免干扰存在于基板表面上的溶剂。在已经将所需量的液体CO2提供到超临界流体腔室203之后，将更多的液体CO2以高于所述第一速率的第二速率提供到超临界流体腔室203，直到超临界流体腔室203已经大致上充满了液体CO2。所述第二速率设以形成紊流，以促进基板上的溶剂和液体CO2之间的相互作用。认为，致使液体CO2与溶剂材料产生相互作用(对比超临界CO2流体)极大地改良了从基板表面置换和去除溶剂材料的工艺。可以使用各种的设备(例如喷头或在腔室壁中成一定角度的通道)来与以第二速率增加的流量组合，以增强紊流及液体CO2与位于超临界流体腔室203内的基板表面的相互作用。
在两个实施例中，超临界CO2表现出介于气体和液体之间的中间性质，并且由于具有像气体的运输行为，超临界CO2具有良好地穿透复杂纳米几何形状的能力，这在颗粒和残余物去除上会是有效的，因为超临界CO2的优异质传能力通常与流动的液体相关联。在一个实施例中，所述超临界冲洗工艺可以进行约30秒至约60秒。
超临界冲洗工艺可以以几种不同的方式实现。在一个实施例中，可以将超临界流体引入腔室203中基板上方的空间，并允许超临界流体停滞。在一个实例中，在基板表面上方的纯超临界CO2在基板上方的空间和基板表面之间形成了浓度梯度，其中基板上方的空间中存在纯的超临界CO2，并且基板表面上可能存在溶剂、残余物及颗粒。认为，由于流体倾向于存在热力学平衡中，故溶剂、残余物及颗粒会通过扩散而被从基板表面上的高深宽比特征拉引到基板上方的CO2空间中。
在另一个实施例中，可以通过使超临界流体机械式地流过腔室203来进行超临界冲洗。可以输送足以流遍整个基板表面的超临界流体，以使流动的超临界流体渗透基板表面上的高深宽比特征，并冲洗掉可能存在于高深宽比特征中的溶剂、残余物和颗粒。在一些实施例中，机械式的流动也可以与腔室203中存在的周期性停滞流体(例如CO2)协同工作，以改良冲洗工艺。在这个实例中，序列的周期性机械流动穿过基板表面，然后可以使用流动停滞的期间来改良超临界冲洗处理，并减少可能需要被回收或排放的超临界流体(例如超临界CO2)的量。
接着，基板可以接受超临界干燥工艺。可以通过调整腔室203内的温度和压力来控制这个工艺，以确保化学品或化学混合物从超临界相转移到气态而不进入液态。图6绘示在相对温度和压力下可能的CO2相。所述处理确保超临界流体(虚线之外的区域)变化到气态而不变成液态，例如通过跨过分离液相和气相的线，如图6所图示。由于超临界流体的特性，在超临界干燥工艺过程中从高深宽比的沟槽排出的流体可以表现出可忽略的表面张力，从而导致线黏附减少或消除。在一个实施例中，在约40℃和约95巴的超临界CO2在约40℃下进行等温减压，直到压力下降到约21巴。在一个实施例中，仍留在超临界流体腔室203中的气体可以从腔室被排到排放区。
然后可以由机械手208将基板从超临界流体腔室203传送到后处理腔室204。可以通过使基板暴露于用于最终处理的低功率等离子体而在后处理腔室204中进行基板的后处理，以完成干燥黏附去除工艺。后处理可以去除任何崩塌沟槽的黏附及/或钝化基板的表面。在一个实施例中，可以通过使腔室中的气体暴露于约75W的RF能量而将氧气(O2)或卤素气体等离子体施加于基板，以在基板表面之上形成等离子体持续约10秒。在另一个实施例中，在后处理腔室204中形成的RF等离子体可以包含氟碳化合物，例如C2F6或CF4。基板的后处理可以释放由局部杂质造成的轻微或暂时黏附(若有的话)，所述局部杂质是由先前的清洁工艺中使用的化学品或化学混合物所产生的。后处理可以进一步释放由清洁过的器件特征表面之间的原子相互作用所导致的轻微或暂时黏附，所述原子相互作用例如原子轨道重叠、范得华力或处于高能量状态的相邻器件特征中存在的悬键彼此键结以实现更稳定的较低能量状态。
后处理若在超临界干燥工艺之后立即实施可以是最有效的，因为如上所述的杂质或原子相互作用还没有来得及“固定”或变成更固定性的。超临界干燥步骤之后立即实施后处理甚至可以在原子转移或共享电子而键结成稳定的较低能量状态之前防止清洁表面的原子相互作用，例如防止悬键重新排列成较低的能量状态。在另一个实施例中，残留在基板上的任何有机污染物可以暴露于偏压等离子体而被去除。
图3A图示依据一个实施例的基板处理顺序。处理设备300包含多个腔室，例如类似于先前结合图2A至图2B所描述的湿式清洁腔室301、溶剂交换腔室302、超临界流体腔室303及等离子体处理腔室304。基板处理顺序通过处理设备300进行，如随后参照图8的方法所描述的。图3的处理设备可以进一步包含配置在工厂接口310中的干式机械手316。干式机械手316可以类似于配置在处理设备300的传送腔室306中的湿式机械手308。干式机械手316可设以传送基板到盒及从盒传送基板到处理设备300。在一个实施例中，干式机械手316可设以从盒312传送基板通过工厂界面310并到达湿式清洁腔室301。干式机械手316的端效器可以从盒中取出未清洁的基板，并将未清洁的基板传送到湿式清洁腔室301，其中干式机械手316可以将未清洁的基板输送到湿式清洁腔室301的内部体积。干式机械手316还可设以从超临界流体腔室303传送基板到等离子体处理腔室304，并从等离子体处理腔室304传送基板通过工厂接口310到达一或多个盒312。干式机械手316的端效器可以从等离子体处理腔室304的内部体积取出清洁的基板，并将清洁的基板输送到盒312。应当认可的是，处理设备300中可以有多种的腔室安排，同时所述腔室安排仍可实现本发明。
图3B图示依据另一个实施例的基板工艺流程。处理设备300可以类似于图3A的处理设备。在一个实施例中，湿式机械手308可以包含配置在传送腔室306中的多个端效器320A、320B及322，所述端效器可以在各种的处理腔室之间传送基板。
在一个实施例中，端效器320A和320B可以专用于湿式处理传送步骤。例如，基板可以在湿式清洁腔室301或溶剂交换腔室302中进行处理，并且液体薄膜可以留在基板的表面上，以在传送过程中保护基板的表面，并保持基板免于变干，从而减少一个基板与另一个基板的等候时间上的任何变化。湿式处理端效器320A和320B可以分别专用于仅在两个腔室之间传送基板，以防止在后续的处理步骤过程中污染基板。湿式处理端效器320A可以将基板从湿式清洁腔室301传送到溶剂交换腔室302。湿式处理端效器320A在湿式清洁腔室301和溶剂交换腔室302之间的路径行进，其中湿式处理端效器320A可以从湿式清洁腔室301取出基板，湿式处理端效器320A将基板插入溶剂交换腔室302。湿式处理端效器320A可以沿着相同的路径返回，并为每个已在湿式清洁腔室301中进行过处理的新基板重复所述工艺。
在一个实施例中，湿式处理端效器320B类似于湿式处理端效器320A。然而，湿式处理端效器320B可以将基板从溶剂交换腔室302传送到超临界流体腔室303。湿式处理端效器320B可以在溶剂交换腔室302与超临界流体腔室303之间的路径行进。在操作过程中，湿式处理端效器320B可以从溶剂交换腔室302取出基板、将基板传送到超临界流体腔室303以及将基板插入超临界流体腔室303中。在一个配置中，湿式处理端效器320B可以沿着相同的路径返回，并为每个已在溶剂交换腔室302中进行过处理的新基板重复所述工艺。
在另一个实施例中，湿式机械手进一步包含干式处理端效器322。干式处理端效器322可以专用于超临界流体腔室303和等离子体腔室304之间的基板传送。干式处理端效器322可以在超临界流体腔室303和等离子体腔室304之间的路径行进。在操作过程中，干式处理端效器322可以从超临界流体腔室303取出基板，并将基板传送到等离子体腔室304，其中干式处理端效器322将基板插入等离子体腔室304。在一个配置中，干式处理端效器322可以沿着相同的路径返回，并为每个已在超临界流体腔室303中进行过处理的新基板重复所述工艺。
图4A图示依据一个实施例的湿式处理腔室的剖面视图。构思的是，图4A中绘示的湿式处理腔室可被用作湿式清洁腔室201及/或作为溶剂交换腔室202。在一个实施例中，湿式处理腔室400可以是单一基板处理腔室。在一个实施例中，基板406的底侧(基板底表面414)可以被暴露于清洁、清洗及干燥溶液412，而基板406的顶侧(基板顶表面416)可以不暴露于任何溶液。基板底表面414(基板底表面414可以是基板的非器件侧)可以面向下而被暴露于溶液412。在另一个实施例中，基板顶表面416和基板底表面414可以都被暴露于一或多种清洁或溶剂交换溶液。
在一个实施例中，腔室400包括可旋转的基板固持托架(bracket)448，托架448沿着旋转装置449的轴平移。旋转装置449可以进一步被耦接到电子马达(未图示)，所述电子马达可以旋转托架448。腔室400还包括进出门(未图示)，固持基板406的机械臂(未图示)可以通过所述进出门进入而将基板放在托架448中。在一个实施例中，当被放在托架448中时，基板406可以静置在托架448中包括的支撑夹410和垂直支柱上。托架448连同支柱可以将基板升高或降低到理想的位置。
在一个实施例中，托架448可以在清洁周期期间、在从下方分配溶液的同时旋转基板406。在另一个实施例中，托架448可以在处理周期(例如清洁周期)期间、在溶液412被从另一个喷嘴分配到基板406的顶部及/或底表面上的同时旋转基板406。在另一个实施例中，托架448可以在清洁过程中、在水平平面上旋转基板406。
在一个实施例中，腔室400还包括连接到通孔(进料口)442的管428。在清洁周期期间，可以从清洁化学品来源428A导引清洁流体或化学品通过管428。基板406旋转(自旋)的结果是，溶液412可以被施加到基板底表面414。位于基板406上方的喷嘴可以从流体源416A将溶液分配到基板406的顶表面416。在基板406以高速旋转时，存在于基板406上需要被清洁掉的残余物及/或液体被去除了。
在另一个实施例中，腔室400进一步包括过滤器411，例如高效率微粒捕捉(High Efficiency Particulate Arresting,HEPA)过滤器或超低渗透空气(UltraLow Penetration Air,ULPA)过滤器。来自过滤器411的空气向下流动423和重力可以作用来将基板406保持定位于垂直支柱。
在另一个实施例中，腔室400还可以包括其它的喷嘴(未图示)，以允许溶液被输送到基板顶表面416。因此，第一组溶液可以被传送到基板底表面414，同时来自不同来源(第二组溶液)的溶液可以被传送到基板顶表面416。可以被施加到基板的任一表面的溶液可以包括水或其它的清洁溶液，所述清洁溶液例如溶剂，所述溶剂可以包含丙酮、异丙醇、乙醇、甲醇，而且所述溶液可以进一步包含有机极性溶剂，所述有机极性溶剂例如甲酸、N-甲基-2-吡咯啶酮、N-甲基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二甲基乙酰胺及二甲亚砜或上述的序列、组合及混合物。也可以在各种实施例中使用其它包含三个或更少个碳原子的溶剂。所用的溶剂可以是可混溶于CO2中的及/或在至少被液体CO2或超临界CO2接触时可以被溶剂化的。
在另一个实施例中，腔室可被用于在每个湿式清洁周期之后旋转干燥基板406。例如，在湿式清洁周期之后，旋转装置449继续转动托架448，从而旋转基板406。基板406的旋转去除了用于清洁基板406的液体(或试剂)。在另一个实施例中，湿式处理腔室400可被用作溶剂交换腔室，所述溶剂交换腔室可以经由管428引入溶剂，所述溶剂例如有机极性溶剂及/或非极性溶剂，以促进陷于形成在基板406上的特征中的清洁流体内的溶剂交换。
图4B为依据本文所述的某些实施例的溶剂过滤系统450的示意图。例如，在溶剂交换工艺的过程中，溶剂过滤系统450可被用于与湿式处理腔室400组合。溶剂过滤系统450包含流体源460、流体排泄口461、第一槽462、第二槽464、第一泵466、第一过滤器468、第二泵467及第二过滤器469。过滤系统450可以包括第一再循环路径470、第二再循环路径472及第三再循环路径474，所述路径图示出通过溶剂过滤系统450的各种流体流动路径。虽然图示为沿着第二再循环路径472被耦接在第一槽462和第二槽464之间，但可以构思的是，湿式处理腔室400(图4A)可在各种其它位置被耦接到系统450。
系统450内的流体分别从第一槽462或第二槽464任一个流过第一泵466和第一过滤器468而到达第二槽464或第一槽462。例如，存在于腔室400中的流体沿着路径475B流过第一阀483并通过第二再循环路径472到达第二槽464。在第二槽464中的流体沿着路径471A经由第一再循环路径470流过第二阀481。沿着第一再循环路径470流动的流体流过第一泵466和第一过滤器468并沿着路径471B通过第三阀482到达第一槽462。然后流体从第一槽462经由第三再循环路径474流过第二泵467和第二过滤器469到达第四阀489。第四阀489可以沿着路径477A将流体导引到第二槽464或沿着路径473B将流体导引到第二阀481。可以使流体沿着第一再循环路径470和选择性结合第二槽464的第三再循环路径474再循环，直到流体内的污染物计数已经达到理想的水平。当需要时，流体可以沿着第一再循环路径470通过第一泵466和第一过滤器468、沿着路径473C通过第三阀482到达第一阀483、沿着路径475A到达腔室400而被输送到腔室400。若有需要，流体可以沿着路径473C流过第一阀483而绕过腔室400并返回到第二槽464。
因此，系统450中使用的流体在湿式处理腔室400中被再次利用之前被再循环了至少两次或多次。第二槽464通常将接收污染的流体，而第一槽永远只含有已被过滤至少一次的流体。认为，当与通常在从流体去除污染物中表现出指数性衰减的单一槽、泵及过滤系统相比时，利用具有多个再循环路径(结合多个槽、泵及过滤器)的系统450提供了在流体内基本上线性的污染物衰减。若有需要，可以从来源460提供新的流体到系统450，或者可以由流体排泄口461从系统450移除新的流体。
在一些配置中，可以对系统450中所含的流体进行流体“清洁”工艺。在一个实例中，第二槽464中的流体可以被“清洁”，例如通过沿着路径471A和471B传送第二槽464的内容物到第一槽462、然后遵循路径473B和473C返回到第二槽464而使第二槽464的流体中所含的颗粒浓度降低。在这个处理中，输送自第二槽464的流体在到达第一槽462之前通过过滤器468时被过滤一次，然后在被输送回到第二槽464之前被第二次传送通过过滤器468时被过滤第二次(例如选择性的泵467和过滤器469不存在于系统450中)。将注意到的是，可以完成这个工艺顺序一或多次，直到流体中达到所需的颗粒浓度。在溶剂过滤系统450中使用过滤器469的配置中，假使原始流体遵循路径471A和471B被从第二槽464输送到第一槽462，则在工艺顺序中流体可以被过滤3次，其中当流体通过过滤器468时被过滤一次，然后当过滤后的流体在遵循路径473B和473C回到第二槽464的途中分别通过过滤器469和468时，流体被过滤第二和第三次。或者，在一些配置中，假使原始的流体遵循路径471A和471B被从第二槽464输送到第一槽462时被过滤一次、然后遵循路径477A通过过滤器469到达第二槽464时被过滤第二次，则流体可以被过滤两次。在进行了清洁处理之后，可以使用路径475A将“清洁过的”流体输送到处理腔室400，如上文所讨论。
图5A图示依据一个实施例的超临界流体腔室500的剖面示意图。超临界流体腔室500中的气体可以是在某些适当的条件下(例如压力和温度)能够转变成超临界状态以成为超临界流体的物质。超临界流体腔室500中使用的超临界流体可以是拥有类似液体的溶合性质和类似气体的扩散和黏度的物质，从而使超临界流体能够快速地渗透进入空隙、气孔、间隙、裂缝或开口，并彻底清除或溶解任何的液体、残余物或污染物。这样的气体的一个实例是二氧化碳(CO2)。这样的气体的另一个实例是C3H8。虽然可以使用其它市售可得的气体来形成超临界流体，但由于CO2的惰性、无毒、不可燃的特性和CO2在自然界中的丰富性，CO2是最常被使用的。将CO2转化成超临界流体CO2的适当条件包括约1200psi(磅/平方英寸)或更大的压力及约31℃或更高的温度，如图6的CO2相变图所图示。将C3H8转化成超临界流体C3H8的适当条件包括约620psi(磅/平方英寸)或更大的压力及约100℃或更高的温度。
超临界流体腔室500可设以使超临界流体暴露于位于超临界流体腔室500的处理空间505内的基板W。可以在超临界流体腔室500中形成超临界流体，或者可以在超临界流体腔室500的外部形成超临界流体，并将超临界流体输送进入超临界流体腔室500。在一个配置中，腔室500可以位于传送腔室206上并耦接至传送腔室206。腔室500包含腔室主体501，腔室主体501限定处理空间505。腔室500可以由不锈钢或其它适当的结构材料所制成，所述适当的结构材料使腔室500能够承受足以将气体保持在气体超临界状态的操作温度和压力。在一个实施例中，腔室主体501上邻接并限定处理空间505的表面504可以被电化学抛光，以形成具有低表面粗糙度(例如光滑表面)的表面。在另一个实施例中，表面504可以涂覆有一种材料，例如涂层或铬。
基板支撑件510可被配置在处理空间505中并耦接到腔室主体501。基板支撑件510进一步包含设以容纳基板W(例如半导体基板W)的支撑表面510A。支撑表面510A还可设以在基板W被放在支撑表面510A上之后主动地限制基板W。例如，基板支撑件510可以利用静电或真空吸盘、边缘环或定位销或类似物来防止基板W在处理过程中在支撑表面510A上移动。在另一个实施例中，基板支撑件510可以包含多个支撑销(未图示)。在一个实施例中，基板支撑件510可设以在处理过程中转动半导体基板W。
在一个实施例中，处理空间505包含小的空间，以减少填满外壳所需的超临界流体量。腔室500进一步包含狭缝阀门502，狭缝阀门502包含耦接到狭缝阀502的一或多个O形环540。O形环540可以由弹性材料所形成，所述弹性材料例如橡胶或硅氧烷。狭缝阀开口503为位于传送腔室206中的湿式机械手208提供进出口，以沿着基板传送路径545传送基板，并从处理空间505接收基板。
认为，在溶剂交换腔室202中进行处理之后添加更多的溶剂到基板W将可在超临界冲洗和干燥工艺过程中防止“干燥点”形成，并进一步促进颗粒去除及减少特征之间的黏附。溶剂分配设备592可以被设置在靠近狭缝阀开口503。溶剂分配设备592(例如喷雾棒)设以在基板W经由狭缝阀开口503进入腔室500之前输送液体到基板W。溶剂分配设备592可被耦接至腔室主体501或传送腔室206。溶剂源590被耦接到溶剂分配设备592，并设以经由溶剂分配设备592提供液体溶剂，例如异丙醇，以便将所述液体溶剂输送到基板W的顶表面。溶剂分配设备592设以输送少量的溶剂到基板W，使得一层溶剂完全覆盖基板W的顶表面。在另一个实施例中，构思的是，在基板W位于腔室500的内部之后，可以提供另外的溶剂到基板W。
腔室500可以进一步包含一或多个加热元件550，加热元件550设以在形成超临界二氧化碳的过程中及/或在腔室500减压的过程中加热腔室500。加热元件550可以被设置在靠近腔室主体501的处理空间505或处理空间505内。加热元件550可以包含电阻加热元件、设以接收热控制流体的流体通道及/或其它类似的加热装置。加热元件550可以在处理空间505中将流体或气体加热到所需的温度。在另一个实施例中，腔室500可以包括一或多个声换能器552，例如压电换能器(例如超音波结晶)，声换能器552被耦接到腔室主体501在处理空间505中的表面504或嵌入腔室主体501内，以产生用于清洁腔室500的声波。在另一个实施例中，换能器552可以被设置在腔室主体501外部并被定位，以将声能导引至腔室主体501的处理空间505。换能器552可以被耦接到电源554，电源554适以提供足以进行超音波清洁工艺的电力。换能器552还可以将波导向基板W，以在超临界流体处理过程中搅拌腔室500内的超临界流体。
超临界流体输送系统520包含耦接到流体源555的第一流体输送管线524及形成在腔室500中的第一流体入口512，流体源555例如CO2供应或C3H8供应。泵522可被耦接到第一流体入口512和流体源555之间的第一流体输送管线524，用于从流体源555输送加压流体进入腔室500的处理空间505。此外，入口阀门523可以被设置在泵522和第一流体入口512之间的第一流体输送管线524上，以控制超临界流体到处理空间505的流量。
图5E示意性图示依据本文所述的另一个实施例的超临界流体输送系统521。超临界流体输送系统521包含流体源555、泵522、加热元件531、过滤器530及冷凝器535。流体输送系统521过滤处在超临界状态的流体，但随后将所述流体以液体输送至腔室500。例如，一定量的流体(例如液体CO2)被从流体源555提供至泵522，泵522可以加压所述流体。然后所述流体被加热元件531加热，以将所述液体转变成所述液体的超临界状态。然后超临界流体通过过滤器，所述过滤器可以是高压气体过滤器，以纯化超临界流体。认为，相对于使用液体过滤器，使用气体过滤器可以实现高得多的过滤效率。然后超临界流体被冷凝器535冷凝，而使超临界流体返回液体，然后所述液体被提供到腔室500。在下面更详细描述的某些实施例中，冷凝器535可以是可选择的，以允许处在超临界状态的超临界流体被直接提供到腔室。
参照回图5A，腔室500可以进一步包含选择性的回路519，用以将流体再循环进出腔室500。回路519可以进一步包括过滤器(未图示)，例如活性炭过滤器，以纯化流体。回路519有助于在处理空间505内产生超临界流体的流动，例如层流，以帮助防止超临界流体浴的停滞。
流体出口513可被耦接到腔室500，用以从处理空间505移除超临界流体。流体出口513可以将超临界流体释放到大气、可以将用过的超临界流体导引到排放装置527A和储槽或者可以回收超临界流体进行再利用(回路519)。如图示，流体出口513可以藉由流体返回管线525和泵返回管线526被耦接到泵522。排放阀528耦接流体返回管线525和泵返回管线526。排放阀528将流体返回管线525中的超临界流体或气体导引到排放装置527(或储槽)或泵522，以回收超临界流体进行再利用。选择性地，可以将冷凝器(未图示)耦接于流体出口513和流体源555之间，以在流体被导引到流体源555之前冷凝流体中的污染物。
第一流体入口512和流体出口513可以被设置通过腔室主体501的底壁。然而，构思的是，第一流体入口512和流体出口513可以被设置在其它区域通过腔室主体501的壁，例如通过腔室主体501的顶壁。第一流体入口512可适以接收气体，例如CO2。在某些实施例中，第一流体入口512可被耦接到喷嘴、喷头或其它的流体输送装置，以将流体导向基板。
在某些实施例中，腔室500可以包含净化气源560。净化气源560可以经由第二流体输送管线564被耦接到第二流体入口562。净化气源560可适以提供净化气体到处理空间505，所述净化气体例如纯氮气(N2)、氩气(Ar)、氦气(He)或其它高纯度气体。腔室500可以进一步包含适以加压腔室500的处理空间505的加压设备570，例如压缩机。加压设备570可以经由压力阀572被耦接到腔室。在一个实施例中，加压设备570可以在气体被提供到处理空间505之后加压气体，例如净化气体。在另一个实施例中，加压设备570可被耦接到净化气源560，并且可适以在净化气体被输送到腔室500之前加压净化气体。在操作中，加压设备570可以在超临界流体被引入处理空间505之前在腔室500中将净化气体加压至约1100psi和约2000psi之间。
腔室500可以进一步包含清洁流体源580。清洁流体源580可适以提供一或多种清洁液或所述清洁液的混合物到腔室500。虽然图示为被耦接到第二流体输送管线564，但清洁流体源580可以在任何方便的位置被耦接到腔室500，以减少任何相关管道的复杂性。在一个实施例中，由清洁流体源580供应的流体包含水或N-甲基甲酰胺。在另一个实施例中，由清洁流体源580供应的流体包含丙酮((CH3)2CO)。
可以通过提供清洁流体到腔室500并启动换能器552来超音波搅拌腔室表面504、其它腔室部件及处理空间505内的流体，而在腔室500上进行原位清洁工艺，所述清洁流体例如水或N-甲基甲酰胺。清洁流体可以以具有紊流的液体形式提供，所述紊流设以接触所有的腔室表面504和腔室500的部件。例如，第二流体入口562可以成某一角度或设以提供腔室500内的紊流。超音波搅拌之后，可以使用溶剂(例如丙酮)冲洗腔室500，以置换超音波搅拌过程中使用的水或N-甲基甲酰胺。最后，可以从净化气源560提供净化气体(例如N2)到腔室，以进一步干燥腔室500内部体积。当腔室500被充分干燥时，可以从腔室500排放N2。在N2净化过程中或之后，还可以由加热元件550提供热到腔室500，以进一步帮助干燥腔室500。在某些实施例中，可以在大气压力下进行原位清洁工艺。可以视需要进行原位清洁工艺，以确保腔室500的最佳性能。
以上的实施例描述了一种提供超临界流体的超临界流体腔室，可以在供应非超临界流体到腔室500之后在处理空间505内部形成所述超临界流体。在已经处在超临界相的超临界流体被输送到腔室500的实施例中，超临界流体输送系统可以进一步包含相变设备521。相变设备521可以被设置在泵522和第一流体入口512之间的第一流体输送管线524上。过滤器530可以被设置在第一流体入口512和相变设备521之间的第一流体输送管线524上。过滤器530可以是能够在约3000psi或以下的压力下操作的，以在超临界流体进入腔室500之前过滤所述超临界流体，并去除可能存在超临界流体中的杂质。过滤器530可以包括具有约3纳米(nm)孔径的过滤介质，并且可以由氧化铝(Al2O3)材料形成。
相变设备521包含处理区533、压缩装置532及加热元件531。在一个实施例中，泵522从流体源555供应CO2气体到相变设备521的处理区533。CO2气体可以由压缩装置532加压及/或由加热元件531加热到预定的水平，以在处理区533中形成超临界流体。在一个实施例中，可以将CO2加热到约40℃并加压到约95巴。在另一个实施例中，可以将C3H8加热到约100℃并加压到约620psi(43巴)。然后可以将所产生的超临界CO2或C3H8输送通过第一流体输送管线524并通过第一流体入口512到达腔室500。
当腔室500中的基板W已经被用超临界CO2处理过后，腔室中发生减压工艺。在一个实施例中，在残留在腔室500中的气体被从腔室500排出之前，腔室500的等温减压需要将腔室500保持在所需的温度，例如约40℃，同时将压力降低到所需的压力，例如约21巴。在一个实例中，减压工艺以约200psi/分钟的速率进行，直到腔室内的压力为约400psi。当压力为约400psi时，可以使用更大的减压速率来进一步将腔室500减压。受控制的减压工艺在等温环境中进行，所述等温环境需要来自加热元件550的能量输入，以在腔室的减压过程中保持所需的温度。腔室500的压力由通过流体出口513释放超临界流体及/或气体到达排放装置527或形成在泵522内的槽(未图示)而减低。从腔室500移出到排放装置527A的气体行进通过流体返回管线525而到排放阀528，可以将排放阀528选择到排放装置527A或通过泵返回管线526使气体返回到泵522。可以在排放过程中选择性地加热基板W，以防止基板冷却，并防止水分吸收或沉积。
图5B图示依据一个实施例的图5A超临界流体腔室500的示意性侧视图。狭缝阀门502可被耦接到轴542，轴542可被耦接到线性致动器541。在一个实施例中，两个轴542可以被耦接到狭缝阀门502，第一轴可被耦接到线性致动器541，而第二轴可被耦接到线性轴承543。线性致动器可以包含可被耦接到流体源(未图示)的马达或气缸，所述流体源例如液源或气源，以伸出和缩回轴542来定位狭缝阀门502，进而密封和打开狭缝阀开口503。当线性致动器541将轴542缩回并对着腔室主体501的侧壁压缩耦接到狭缝阀门502的O形环(未图示)时，狭缝阀门502可以被关闭。在一个实施例中，狭缝阀门502使用足够的力对着腔室主体501的侧壁压缩O形环，以形成气密的密封，进而承受处理过程中超临界流体腔室500内部产生的压力。
图5C图示图5A的超临界流体腔室500的局部剖视图。与腔室500类似，包含一或多个O形环540的狭缝阀门502可以沿着基板传送路径打开和关闭狭缝阀503。然而，在图示的实施例中，狭缝阀门502可以被设置在处理空间505的外部，而且可以接触腔室主体501的外表面。当狭缝阀门502被设置在处理空间505的外部时，处理空间505的容积可以被减小。处理空间505的减小可以对温度和压力提供更好的控制，并减少将处理空间505保持在超临界处理所需的条件下需要的能量的量。
图5B图示依据一个实施例的图5C超临界流体腔室500的示意性侧视图。狭缝阀门502可被耦接到轴542，轴542可被耦接到线性致动器541。在一个实施例中，两个轴542可以被耦接到狭缝阀门502，第一轴可被耦接到线性致动器541，而第二轴可被耦接到线性轴承543。线性致动器可以包含可被耦接到流体源(未图示)的马达或气缸，所述流体源例如液源或气源，以伸出和缩回轴542来定位狭缝阀门502，进而密封和打开狭缝阀开口503。当线性致动器541将轴542缩回并对着腔室主体501的外部压缩耦接到狭缝阀门502的O形环(未图示)时，狭缝阀门502可以被关闭。在一个实施例中，狭缝阀门502使用足够的力对着腔室主体501的外部压缩O形环，以形成气密的密封，进而承受处理过程中超临界流体腔室500内部产生的压力。如图所示，狭缝阀门502可以被设置在处理空间505的外部，这可以进一步减小腔室500进行超临界流体处理所需的处理空间505的容积。另外，设置在处理空间505外部的狭缝阀门502可以降低腔室500内产生颗粒的可能性。
图7图示依据一个实施例的等离子体腔室的剖面图。更具体来说，图7提供等离子体产生腔室700。腔室700通常包括包围处理空间706的壁702和底部704。气体分配板710和基板支撑件组件730可以被设置在处理空间706中。处理空间706可以经由穿过壁702所形成的狭缝阀开口708进入，这使得基板740能够被传送进出腔室700。虽然图示为等离子体腔室，但腔室700也可适用于以电磁能量照射基板，例如以含有一或多种紫外线波长的光照射基板。
基板支撑组件730包括基板接收表面732，用以将基板740支撑在基板接收表面732上。杆734将支撑组件730耦接到升降系统736，升降系统736在基板传送位置和处理位置之间升高和降低基板支撑组件730。在处理时遮蔽框架733可以被选择性地放在基板740的外围上，以防止沉积在基板740的边缘上。升降杆738可以被可移动地设置穿过基板支撑组件730，并且可设以将基板740与基板容纳表面732隔开，以便利使用机械手叶片调换基板。基板支撑组件730还可以包括加热及或冷却元件739，用以将基板支撑组件730保持在所需的温度。
气体分配板710可以由悬吊714被耦接到背板712和背板712的周边。气体分配板710也可以由一或多个中心支撑件716被耦接到背板712，以帮助防止及/或控制气体分配板710的平直度/曲率。在一个实施例中，气体分配板710可以在不同配置中具有不同的尺寸。分配板710可以包含设置在分配板710的上表面798和下表面750之间的多个穿孔711。气源720可以被耦接到背板712，以提供气体到气体分配板710和背板712之间所限定的气室。来自来源720的气体从形成在气体分配板710中的穿孔711流到处理空间706。
真空泵709可以被耦接到腔室700，以将处理空间706保持在所需的压力。RF电源722可以被耦接到背板712及/或气体分配板710，以提供RF功率来在气体分配板710与基板支撑件组件730之间产生电场，使得可以由存在于气体分配板710与基板支撑组件730之间的气体产生等离子体。可以使用各种的频率(例如13.56MHz的频率)来在处理空间706中形成等离子体。在一个实施例中，可以在约75W将O2等离子体施加到基板740持续约10秒钟。另外的等离子体处理可以是能够释放高深宽比沟槽中的轻微或暂时黏附。认为，O2等离子体对于去除可能存在于沟槽中的有机杂质尤其有用。
还可以在气源720和背板712之间耦接远程等离子体源724，例如感应耦合远程等离子体源。可以使用RPS 724来在处理空间706中形成等离子体。等离子体行进通过处理空间706而到达基板740的顶表面718。等离子体通过去除可能存在于器件特征之间的黏附来处理基板740。在一个实施例中，可以将电磁辐射源760(例如紫外线光源)耦接到腔室700。电磁辐射源760可以被耦接到电源(未图示)并且可以被定位在腔室700内部或腔室700外部的任何方便的位置。在一个配置中，电磁辐射源760位于腔室700的外部，使得电磁辐射源760可以将产生的电磁能量传输通过窗(未图示)而到达基板的表面，所述窗可以被耦接到腔室700的一部分壁702。可以定位电磁辐射源760，以照射基板740的顶表面718。电磁辐射源760可适以提供具有介于约50nm和约500nm之间的波长的紫外光到基板740。
图8图示依据一个实施例包含用于清洁基板的方法步骤的工艺流程图。基板首先可以在膜沉积或蚀刻腔室中进行处理，以在基板上形成膜或特征。方法800开始于操作810，其中基板可以被放在湿式清洁腔室中。可以由干式机械手将基板提供到湿式清洁腔室，干式机械手从盒中取出待清洁的基板。在操作820，可以使基板暴露于清洁溶液，以去除存在于基板上的残余物或液体。在一个实施例中，所述清洁溶液可以包含去离子水、溶剂或上述的组合。
在操作830，可以由湿式机械手将基板传送到溶剂交换腔室。在操作840，先前施加的清洁溶液可以通过使基板暴露于输送到基板的溶剂而被溶剂置换，基板位于溶剂交换腔室中。在一个实施例中，用以置换清洁溶液的溶剂可以是可以处在液相或超临界相的化学品，或是处在液相或超临界相的序列化学品或所述化学品的混合物。用于置换基板上的残余材料的化学品或混合物的状态和相可以由清洁溶液组分(例如去离子水)、溶剂及选择的化学品或化学品混合物之间的相对溶解度和混溶性来决定。在一个实例中，溶剂可以选自于由丙酮、异丙醇、乙醇、甲醇、N-甲基-2-吡咯啶酮、N-甲基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二甲基乙酰胺及二甲亚砜或上述的组合及/或序列所组成的群组。在一个实施例中，可以提供足以置换残留在基板表面上的清洁溶液的量的有机极性溶剂到基板的表面。在随后的操作中，可以提供非极性溶剂来置换所述有机极性溶剂。在一个实施例中，所述有机极性溶剂选自N-甲基-2-吡咯啶酮及/或N-甲基甲酰胺，而所述非极性溶剂选自丙酮及/或IPA。在另一个实施例中，溶剂交换可以通过提供溶剂来填充腔室的填充和净化工艺来进行，并且在溶剂交换已经在基板上进行所需的时间量之后，从溶剂交换腔室清除溶剂。
在另一个实施例中，如上文所述，用于溶剂交换的适当溶剂包括N-甲基-2-吡咯啶酮、N-甲基甲酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二甲基乙酰胺和二甲亚砜。可以使用这些有机极性溶剂来取代水，而且理想的溶剂通常将具有高的介电常数(大于30)和低的蒸发速率(相对于乙酸正丁酯小于0.5)。有机极性溶剂通常也可混溶于水及抑制来自硅-水相互作用的氧化硅析出。选择性地，在溶剂交换的过程中，有机极性溶剂可以与溶解的O2气体结合，以增强粒子的去除。在较佳的实施例中，有机极性溶剂包含N-甲基-2-吡咯啶酮或N-甲基甲酰胺或上述溶剂的组合。
在一个实施例中，假使在置换工艺中使用的化学品或化学混合物是液体，则可以使用相转变工艺来将化学品或化学混合物转变成超临界流体。在一个实施例中，用以置换有机极性溶剂的90％或更浓的液体IPA可以被在约5℃至8℃和约50巴的液体二氧化碳取代。上述约5℃至8℃和约50巴的液体二氧化碳可以在溶剂交换腔室中被加热到约40℃和约95巴。超临界相的结果是，由于液-气和液-固表面张力之间的差异所产生的毛细压力被消除了。消除毛细压力防止了在进行湿式清洁工艺(操作810)之后经常发生的高深宽比特征的弯曲和黏附。
在操作850，然后由湿式机械手将基板从溶剂交换腔室传送到超临界流体腔室。选择性地，在操作860，可以在超临界流体腔室中进行加压净化气体工艺。可以将净化气体(例如纯氮气或氩气)提供到可被加压的超临界流体腔室。超临界流体腔室可以被加压到约1100psi和约2000psi之间。
在操作870，形成了包含如先前上述相同类型的化学品或化学混合物的超临界流体，并将所述超临界流体引入超临界流体腔室，以在超临界冲洗工艺中清洁和冲洗掉残留在基板的表面上的颗粒和残余物。假使已经进行了选择性的操作860，则当提供超临界流体到超临界流体腔室时，可以将可能存在超临界流体腔室中的净化气体排出。在此实施例中，在净化气体工艺和超临界冲洗工艺之间，可以在超临界流体腔室中实现无关紧要的压力变化。在操作860和操作870之间在超临界流体腔室中保持大致上相同的压力可以防止颗粒在超临界流体腔室中形成。如此一来，可以将在选择性的操作860中的超临界流体腔室压力选择为匹配在操作870中保持腔室内的超临界流体所需的压力。
在一个实施例中，可以使用CO2来形成操作870期间所使用的超临界流体。在另一个实施例中，可以使用C3H8来形成超临界流体。超临界CO2或C3H8可以在超临界流体腔室中形成，或者可以在超临界流体腔室外部形成然后再引入超临界流体腔室。在一个实施例中，在约40℃和约95巴的超临界CO2是在超临界流体腔室外部形成，然后被引入超临界流体腔室，以便保持超临界CO2的超临界流体性质。在一个实施例中，在约100℃和约620psi(43巴)的超临界C3H8是在超临界流体腔室外部形成，然后被引入超临界流体腔室，以便保持超临界C3H8的超临界流体性质。在一个实施例中，超临界流体在被引入超临界腔室的整个过程中保持是超临界流体。在另一个实施例中，超临界流体在引入过程的部分路径上或仅在引入过程末端是超临界流体。
假使在置换工艺中使用的化学品或化学混合物是液体，则可以使用相转变工艺来将化学品或化学混合物转化成超临界流体。在一个实施例中，用以置换有机极性溶剂的90％或更浓的液体IPA可以被在约5℃至8℃和约50巴的液体二氧化碳取代。上述约5℃至8℃和约50巴的液体二氧化碳可以在超临界流体腔室中被加热到约40℃和约95巴。超临界相的结果是，由于液-气和液-固表面张力之间的差异所产生的毛细压力被消除了。消除毛细压力防止了高深宽比特征的弯曲和黏附。还构思的是，可以使用C3H8来将化学品或化学混合物转化为超临界流体。
超临界流体表现出介于气体和液体之间的中间性质，并且由于类气体的运输行为，超临界流体通常具有良好地穿透复杂纳米几何形状的能力，而且由于一般与液体相关联的优异质传能力，超临界流体在颗粒和残余物去除上是有效的。超临界冲洗工艺可以以几种方式进行，其中有两种方式可从器件特征去除污染物。第一种污染物去除方式牵涉到超临界流体由机械作用而物理性地从器件特征去除污染物，所述机械作用例如超临界流体和污染物之间的物理相互作用。超临界流体渗透器件结构中的空间(高深宽比结构、过孔、空隙、孔洞等)，并提供从器件结构冲洗掉污染物的流体流动，所述污染物例如溶剂、残余物及颗粒。由流动的流体产生的机械或物理作用获益于超临界流体表现出的类液体质传性能。
去除污染物的另一种方式是通过使用含有超临界流体的非污染物来形成浓度梯度。存在于基板表面上方的处理空间中的超临界流体具有比存在于器件结构中的超临界流体更低的污染物浓度。在一个实施例中，允许纯的超临界CO2或C3H8停滞在或甚至流过基板表面上方的空间。已知流体有存在热力学平衡的渴望，故靠近器件结构、含有污染物的超临界流体会扩散到基板上方的区域，从而减少了存在于器件结构中的污染物浓度。还有可能的是，两种污染物去除方式可以同时作用，例如通过使用扩散质传处理和物理性相互作用，以从器件结构去除污染物。在两种污染物去除方式所述方式的组合中，污染物可以被有效地从器件结构中去除。
接着，对基板进行超临界干燥工艺。可以控制所述处理，以确保化学品或化学混合物从超临界到气态的相转移不通过液相区。图6图示CO2的相变化。所述工艺确保超临界流体(虚线以外的区域)改变为气态而不通过分离液相和气相的线。在超临界干燥工艺中从高深宽比的沟槽排出的流体表现出可以忽略的表面张力，从而导致线黏附的减少或消除。在一个实施例中，在约40℃和约95巴的超临界CO2在约40℃进行等温减压，直到压力下降到约21巴。在另一个实施例中，在约100℃和约620psi(43巴)的超临界C3H8在约100℃进行等温减压，直至压力下降到约20巴。残留在超临界流体腔室中的气体被从腔室排出。从腔室排出的气体携带着从高深宽比的沟槽和基板的其它表面取出的颗粒和残余物。
在步骤880，通过湿式机械手将基板从超临界流体腔室传送到后处理腔室。在步骤890，通过使基板暴露于用于最终处理的低功率等离子体来对基板进行后处理，以完成干燥处理。在一个实施例中，可以以约75W的RF功率及13.56MHz的频率将RF氧(O2)等离子体施加于基板持续约10秒钟。基板的后处理释放了由在先前的清洁工艺中使用的化学品或化学混合物产生的局部杂质所引起的轻微或暂时性黏附(或有的话)。后处理若在超临界干燥工艺之后立即实施会是最有效的。在另一个实施例中，可以使用偏压等离子体来去除残留在基板上的有机污染物。还认为在基板的表面上沉积或形成钝化层可以减低存在于基板表面上的高深宽比特征之间发生黏附的可能性。
在替代的实施例中，步骤890可以包含通过使基板暴露于一或多种电磁能波长而对基板进行后处理，所述电磁能例如紫外(UV)光。在一个实例中，可以基于存在于基板上的材料来选择UV处理。可以使基板暴露于UV光持续一时间量，所述时间量适以释放由在先前的清洁工艺中使用的化学品或化学混合物产生的局部杂质所引起的任何残余的轻微或暂时性黏附(若有的话)。在一个实施例中，可以使基板暴露于具有约50nm和约500nm之间的波长的UV光，例如约150nm和约350nm之间，例如约172nm和约300nm之间。与上述的等离子体处理类似，UV处理若在超临界干燥工艺之后立即实施可能是最有效的。在另一个实施例中，步骤890可以包含等离子体和UV处理的组合，以对基板进行后处理，并去除基板上可能存在的任何残余黏附或有机污染物。
前述的发明提供了一种在超临界清洁和干燥工艺过程中增加基板产量的设备。利用转盘构造和多个机械手提高了处理设备的效率，这应可减少基板的超临界清洁和干燥的成本。此外，利用相互组合的置换、相变、超临界冲洗和干燥以及等离子体后处理在湿式清洁之后提供了线黏附的消除，尤其是对于具有高深宽比沟槽的基板而言。
虽然前述针对本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范围下，亦可设计出本发明的其它与进一步的实施例，而且本发明的范围由以下的权利要求书所决定。

Claims (15)

1.一种清洁基板的方法，所述方法包含以下步骤：
使基板暴露于溶剂，以去除位于所述基板的表面上的一数量的残余清洁溶液，其中所述基板上形成有高深宽比的特征；
在使基板暴露于所述溶剂之后，使所述基板暴露于超临界流体，以去除位于所述基板的所述表面上的溶剂；以及
在使基板暴露于所述超临界流体之后，使所述基板暴露于等离子体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述残余清洁溶液包含去离子水。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述溶剂包含非极性溶剂。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述溶剂选自于由丙酮、异丙醇、乙醇及甲醇所组成的群组。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述溶剂包含极性溶剂。
6.如权利要求1所述的方法，其中使所述基板暴露于所述超临界流体的步骤进一步包含以下步骤：
使气体转变到超临界态，以形成所述超临界流体；
使所述超临界流体流过所述基板的表面；以及
使所述超临界流体转变到气态。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述气体包含CO2。
8.如权利要求6所述的方法，其中使所述超临界流体流过所述基板的所述表面的步骤包含以下步骤：以一流率输送超临界CO2，所述流率能够从所述基板的所述表面去除颗粒和残余物。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述气体包含C3H8。
10.如权利要求6所述的方法，其中使所述超临界流体转变到所述气态的步骤进一步包含以下步骤：等温减压包含超临界CO2的所述超临界流体。
11.如权利要求1所述的方法，其中使所述基板暴露于等离子体的步骤包含以下步骤：使所述基板暴露于包含氧的等离子体。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述清洁基板的方法进一步包含以下步骤：
在湿式清洁腔室中使所述基板的所述表面暴露于所述残余清洁溶液，及其中：
所述使基板暴露于溶剂的步骤包含以下步骤：在溶剂交换腔室中使所述基板的所述表面暴露于两种或多种溶剂，
所述使所述基板暴露于超临界流体的步骤包含以下步骤：在超临界流体腔室中使所述基板的所述表面暴露于所述超临界流体并去除位于所述基板的所述表面上的溶剂，
所述使所述基板暴露于等离子体的步骤包含以下步骤：在等离子体腔室中使所述基板的所述表面暴露于所述等离子体；以及
在所述湿式清洁腔室、溶剂交换腔室、超临界流体腔室及等离子体腔室之间通过传送腔室依序传送所述基板。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述湿式清洁腔室、溶剂交换腔室、超临界流体腔室及等离子体腔室耦接至所述传送腔室。
14.一种基板处理设备，包含：
湿式清洁腔室，耦接至传送腔室，包含：
基板支撑件；及
处理区，所述处理区被耦接至清洁溶液输送设备，所述清洁溶液输送设备适以提供清洁溶液至基板的表面，所述基板位于所述基板支撑件上；
耦接至所述传送腔室的溶剂交换处理腔室，包含：
基板支撑件；及
耦接至液体溶剂输送设备的腔室入口，所述液体溶剂输送设备适以提供液体溶剂至基板的表面，所述基板位于所述基板支撑件上；
耦接至所述传送腔室的超临界流体腔室，包含：
腔室主体，限定出处理空间；
基板支撑件，位于所述处理空间中；
加热元件，热耦接至所述腔室主体；
端口，贯穿所述腔室主体，并适以接收流体；及
泵，适以加压所述处理空间；及
耦接至所述传送腔室的等离子体腔室，包含：
基板支撑件，
喷头，
等离子体腔室端口，被耦接至来源，所述来源适以输送卤素、氟碳化合物或氧气通过所述等离子体腔室端口；以及
RF电源，被耦接至所述等离子体腔室，并适以在所述等离子体腔室的处理区中形成等离子体，
其中所述传送腔室中设有第一机械手，而且所述第一机械手适以在所述湿式清洁腔室、所述溶剂交换处理腔室、所述超临界流体腔室及所述等离子体腔室之间传送一或多个基板。
15.一种清洁基板的方法，所述方法包含以下步骤：
使基板暴露于溶剂，以去除位于所述基板的表面上的一数量的残余清洁溶液，其中所述基板上形成有高深宽比的特征；
在使所述基板暴露于所述溶剂之后，使所述基板的所述表面暴露于超临界流体；以及
在使所述基板的所述表面暴露于所述超临界流体之后，使所述基板的所述表面暴露于电磁能量。
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