CN105529282B - 一种半导体预湿润装置及方法 - Google Patents

Abstract

TSV硅通孔电镀铜工艺在电镀开始之前需要进行预湿润处理。本发明提供了一种半导体预湿润装置，包括密闭室和控压模块，该预湿润装置具有驱动器，所述密闭室内安装有用于夹持晶圆的晶圆夹盘，该晶圆夹盘通过倾斜设置的传动杆连接至驱动器，在湿润液注入的情况下，晶圆夹盘通过旋转并于水平面成一定角度的部分浸没入湿润液；同时，控压模块对密闭室抽真空，使晶圆在真空状态下得到更充分的湿润，达到良好的湿润效果。本发明还公开了相应的预湿润方法。

Description

一种半导体预湿润装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体生产和制造领域，尤其涉及硅通孔电镀铜填充前预湿润工艺中的预湿润装置，以及相应的预湿润方法。

背景技术

半导体领域的研究开发和竞争形势持续白热化，基于三维硅通孔(TSV，ThroughSilicon Via)技术展开的半导体工艺是各个厂家竞相争夺的技术制高点。采用TSV技术毫无疑问地能够提供更短的电连通线路、拥有更多的信号通道、替代效率低下的引线，是提高器件性能的必由之路。

而电镀铜工艺作为TSV技术的重要一环，需要在电镀之前进行预湿润处理，通过预湿润可以使液体进入孔洞中，有利于下一步电镀工艺的进行。如果预湿润不充分，TSV电镀后将在内部产生严重的空洞缺陷，尤其是类似深孔的结构，液体无法完全抵达深孔，形成夹断，导致深孔电镀失效。

现有技术通常采用的就是常压下完全浸没晶圆的预湿润方法。常压环境下无法有效的置换出位于晶圆通道内的空气，而完全浸没晶圆的方式容易造成液体封住通道入口的情况，使湿润液无法抵达通道的深孔位置。因此，采用现有技术很难取得理想的湿润效果。

图1中即展示了在上述浸没方式下，湿润液无法到达深孔的情况。图1中阴影部分为湿润液101，竖直的长条为硅通道103，硅通道103内的空白区域为待预湿润的深孔102。可以看到，深孔102内被空气所占据，导致湿润液101根本无法抵达深孔102，而只浸润了晶圆的表面位置以及表面以下的浅层，所以并没有达到期望的预湿润效果。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术缺陷，本发明提出了一种新的预湿润装置，并一并提出了相应的预湿润方法，采用真空湿润技术，倾斜设置晶圆并使晶圆持续旋转，从而在晶圆表面形成一层薄薄的水层，促使位于深孔隧道中的气体让位于湿润液，使湿润液更容易抵达晶圆的深孔位置，达到了更好的预湿润效果。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种半导体预湿润装置，包括控压模块和密闭室，所述预湿润装置具有驱动器，所述密闭室内安装有用于夹持晶圆的晶圆夹盘，所述晶圆夹盘的中心通过一传动杆连接至驱动器，所述传动杆在驱动器的驱动下带动晶圆夹盘旋转，所述密闭室开设有排放口；

其中，所述密闭室内灌入湿润液，所述湿润液的液面浸没所述晶圆夹盘所夹持的晶圆的部分区域，所述晶圆夹盘所夹持的晶圆与所述湿润液的液面所成的夹角为α，所述夹角α的范围在0°到90°之间，所述排放口通过流通管道连接至所述控压模块，所述控压模块调节所述密闭室内的气压以将密闭室内的环境调节至真空并保证湿润液处于液相状态。

优选地，所述湿润液的液面与所述晶圆夹盘的中心齐平，所述湿润液浸没所述晶圆夹盘所夹持的晶圆的面积占晶圆总面积的一半，所述晶圆露出所述湿润液液面的部分为半圆形。

可选地，所述湿润液的液面位于不高于所述晶圆夹盘的中心0.2英寸处或不低于所述晶圆夹盘的中心0.2英寸处。

优选地，所述晶圆夹盘的中心为该晶圆夹盘所夹持的晶圆的中心，所述晶圆的正面朝上。

可选地，所述湿润液为脱气处理过的去离子水。

优选地，所述驱动器位于所述密闭室的内部或外部，所述驱动器为旋转电机。

优选地，所述预湿润装置设置有控温模块，所述控温模块包括温度传感器和温度控制器，所述温度传感器安装在所述密闭室内部，用于监测密闭室内的温度，并反馈调节所述温度控制器；所述温度控制器具有制冷和/或加热功能，所述温度控制器通过温度调节以保证所述密闭室内的湿润液维持在液相状态。

进一步地，所述控压模块包括压力传感器、蝶阀和抽气泵，所述压力传感器安装在所述密闭室内部，用于监测密闭室内的气压，并反馈调节所述蝶阀和抽气泵的开关以及所述抽气泵的功率，所述排放口通过所述流通管道与所述蝶阀和抽气泵相连通。

进一步地，所述抽气泵为真空泵，所述真空泵通过抽气方式将所述密闭室内的环境调节至真空。

一种半导体预湿润方法，包括下述步骤：

将晶圆放置于密闭室内，通过晶圆夹盘夹持固定，所述晶圆与水平面所成的夹角范围在0°到90°之间；

向密闭室内注入湿润液，至湿润液的液面浸没所述晶圆夹盘夹持的晶圆的部分区域；

调节密闭室内的环境参数，将密闭室抽真空并保证湿润液处于液相状态；

驱动器带动传动杆旋转，所述传动杆连接至晶圆夹盘的中心，从而带动所述晶圆夹盘旋转；

恢复密闭室内的正常状态，取出晶圆，预湿润过程结束。

本发明所提供的新的预湿润装置及方法，利用理想气体状态方程的原理，在真空条件下使晶圆深孔内的气体充分溢出，从而极大的降低了湿润液填充深孔的难度；而晶圆表面形成的薄的水膜，相比于晶圆完全浸入湿润液的方式，更有利于湿润液抵达深孔，带来了良好的湿润效果。

附图说明

图1是使用现有技术在常压下完全浸没晶圆进行预湿润后的效果展示图；

图2是本发明所述预湿润装置第一实施例的结构示意图；

图3是本发明所述预湿润装置第二实施例的结构示意图；

图4是本发明所述预湿润方法具体实施方式步骤框图。

具体实施方式

本领域技术人员可以结合下述实施例及实施方案并参阅附图对本发明所述技术方案进行无限次的重现。具体如下：

图2展示了本发明的第一实施例。该实施例公开了一种预湿润装置，包括密闭室201和控压模块。密闭室201的封闭性良好，构成整个湿润过程的工艺环境，与外界环境隔绝。一台具有防水性能的旋转电机206作为驱动器安装在密闭室201的底部，当密闭室201内灌入湿润液时，将在完全浸没的环境下工作。可以通过加装密封外壳的方式来实现旋转电机206的防水效果，以免其在潮湿的环境下漏电损毁或造成事故。密闭室201内还设置有安放晶圆203的晶圆夹盘204，该晶圆夹盘204由一根传动杆205支撑，晶圆夹盘204垂直于传动杆201。该传动杆205倾斜设置，其一端插接在晶圆夹盘204的中心O点处，晶圆夹盘204的中心同时也是晶圆203被准确安放后，其所夹持的晶圆203的中心；传动杆205的另一端连接旋转电机206，当旋转电机206旋转时，传动杆205发生传动，使晶圆夹盘204以传动杆205为轴作圆周旋转运动，进而带动所夹持的晶圆203旋转，保证整个晶圆203的每一部分都有机会被湿润液所沾湿。实施例中所使用的湿润液是半导体行业通常在预湿润工艺中均会使用的脱气处理的去离子水，即去离子水202。整个湿润过程，有必要将密闭室201抽真空，这样能够使位于晶圆203通道内的气体由于压强减小而体积膨胀，从而由通道排出，将空间让位于湿润液。所以，抽真空对湿润液202进入晶圆203通道的深孔位置有着重要的积极意义。为此，该预湿润装置还设置了控压模块以及排放口211。排放口主要为抽真空所用，其具体位置可以视情况而定，而在本实施例中排放口211开设在密闭室201的顶部。排放口211和控压模块经由流通管道207连通。其中，控压模块更具体地说，包括控制流通管道207开放或关闭的蝶阀208、用于抽气的真空泵209以及安装在密闭室201内用于监测并反馈调节密闭室201内气压值的压力传感器。压力传感器微小而灵敏，在图中并未标出。

在本发明中，抽真空使气体体积膨胀溢出的原理主要是基于PV＝nRT的理想气体状态方程，在密闭室201的绝热效果良好或外界环境对温度有所控制的情况下，仅调节压强P的值即可使气体排出通道。但考虑到温度变化的敏感性，在设计该预湿润装置还是自带了一组控温模块，包括温度传感器和温度控制器210。温度控制器210分布在密闭室201的两侧，对室内温度进行调节。根据该预湿润装置使用环境的不同，温度控制器210可以同时具有加热和制冷两种功能，也可以是单纯的加热器或制冷器，只要能够通过压强和温度两个环境参数的调节保证整个预湿润过程中DIW能够始终处于液相状态，而不要由于过低气压下沸腾汽化即可。而温度传感器安装在密闭室201的内部，用于监测和反馈内部环境的温度状况，由于个体较小，图中同样未予标示。在温度模块控制了密闭室201内的温度T恒定不变的情况下，根据PV＝nRT的公式，真空泵209抽气使P下降，会导致气体的体积V膨胀，从而使深孔中的气体被湿润液置换，进而实现预湿润目的。

在预湿润过程中，对注入密闭室201内的湿润液202的液位高度有所要求，并且需要使晶圆203相对于湿润液202的液面，也即水平面倾斜一定角度，该实例中的晶圆203相对于水平面倾斜了45°。这样做有助于湿润液202在整个晶圆203的表面形成一层比较均匀的、薄的水膜，在抽真空的作用下使湿润液202深入到通道的深孔位置。相比于完全浸没晶圆203的方式，由于晶圆203倾斜且持续旋转，在抽真空的作用下晶圆203表面的水膜将进入深孔。如此经过一段时间的持续抽真空和晶圆203持续的旋转，通道将被湿润液202填满，并且直抵深孔的底部，从而达到极佳的预湿润效果。前面所说的液位高度的要求，主要是希望整个晶圆203都能够被湿润液202浸润，同时还要有机会露出液面帮助排气，所以DIW液位的最佳位置是与晶圆203的中心O齐平，也即与晶圆夹盘204的中心齐平。在这种情况下，晶圆203露出液面的部分和浸入液面的部分恰好是两个面积相等的半圆，晶圆203各部分均有机会被湿润液沾湿渗入，也均有机会露出液面排气，因此效果最佳。

本发明第二实施例的具体特征集中在图3中进行了展示。其主体结构同样包括：密闭室301和控压模块。由于该实施例相比于第一实施例，省去了控温模块。该实施例的设计主要适用于外界环境对温度有所控制的情况，这种情况下就可以只通过控制压强来实现预湿润工艺。

在密闭室301内，安装了用于夹持晶圆303的晶圆夹盘304，该晶圆夹盘304为一种机械夹盘，能够将晶圆303固定。同时，由于晶圆303较为轻薄，当被准确摆放至晶圆夹盘304时，晶圆夹盘304的中心即可视为晶圆303的中心。晶圆304的中心O处由一根传动杆305插接，该传动杆305垂直于晶圆夹盘304和晶圆303，但相对于水平面倾斜。传动杆305的另一端连接一台驱动马达306，能够将驱动马达306的动能和转动传动至晶圆夹盘304，带动晶圆夹盘304旋转，进而使晶圆303跟随晶圆夹盘304一起旋转。旋转的目的主要在于能够使晶圆303的全局都能够得到浸润。

驱动马达306设置在密闭室301的外部，因此不会被湿润液浸湿，所以只要做到一般的防水效果即可。但是，该设计由于传动杆305将穿出密闭室301，所以在传动杆305穿过密闭室301的位置处，有必要密封良好，防止出现漏洞。

在密闭室301的顶部同样开设有排放口310，排放口310通过流通管道307连接至控压模块，控压模块包括蝶阀308、真空泵309和压力传感器。蝶阀308的开或关由压力传感器反馈并进行调节，真空泵309的开或关、以及真空泵309的功率同样由压力传感器反馈调节。压力传感器设置在该预湿润装置内部，图中未标出。排放口310和控压模块主要用于对密闭室301抽真空，在密封和隔热良好的情况下，根据理想气体状态方程PV＝nRT的原理，抽真空是密闭室301内的压强P减小，位于晶圆303通道内的气体体积V将增大膨胀，由此排出通道，被水302置换出来达到预湿润效果。

预湿润工艺开始后，密闭室301内将注入湿润液，具体地说就是纯净的水302。由于传动杆305倾斜于水平面且垂直于晶圆303，所以晶圆303与水302的液面，也即水平面，势必会成一定角度，该角度与传动杆和水平面所成的夹角α互余，α＝40°。即晶圆303与水302的液面所成的角度为50°。除此之外，该实施例对水302的液位高度同样有所限制。虽然在实施例一中提到，液位的高度停留在晶圆303的中心O点所在的高度为最佳，但在实际操作中肯定很难做到恰好停在O点位置。在能够保证预湿润效果的基础上，液位停留在不高于晶圆303的中心O0.2英寸处或不低于晶圆303的中心O0.2英寸处，通常来讲结果都是可以接受的。

图4是对本发明所述预湿润方法具体实施方式更为直观的表示。具体来讲，该预湿润方法主要包括以下步骤：

将晶圆放置于密闭室内，通过晶圆夹盘夹持固定，所述晶圆与水平面所成的夹角范围在0°到90°之间；

向密闭室内注入湿润液，至湿润液的液面与晶圆的中心齐平，或使湿润液的液面升至晶圆中心所在位置高度的±0.2英寸处；

调节密闭室内的环境参数，将密闭室抽真空并保证湿润液处于液相状态；

开动驱动器的电源，使晶圆夹盘在传动杆和驱动器的作用下旋转；

恢复密闭室内的正常状态，取出晶圆，预湿润过程结束。

上述步骤对顺序的要求并不十分严格，部分步骤的顺序可以颠倒，比如：加水的顺序可以和抽真空的顺序颠倒，开动电源的顺序和抽真空的顺序可以颠倒。

在该具体实施方式中，密闭室内所采用的环境参数为气压为400torr，温度保持在10℃的情况。在此环境下，将晶圆通过机械手准确放置在密闭室内的晶圆夹盘上并固定，调整晶圆夹盘的角度使晶圆相对于水平面成45°的夹角；晶圆摆放好后，向密闭室内灌入作为湿润液的水，尽量使液面接近或达到晶圆的中心O的位置处；此时关闭密闭室并对密闭室内抽真空，同时通过控温模块控制密闭室内的温度，根据传感器的度数将密闭室内的压强和温度调节并控制在400torr、10℃的条件下，在此条件下水通常处于液相状态下，不会出现汽化现象；之后开动驱动器的电源，使晶圆夹盘在传动杆和驱动器的作用下旋转并沾湿整个晶圆表面；在持续湿润一段时间之后，预计工艺已经完成，这是可以关闭驱动器的电源，并恢复常压，打开密闭室取走晶圆，预湿润工艺完毕。

显然地，本发明权利要求书及说明书中所阐释的技术方案，并不仅仅特指实施例中的具体内容，其他所有现存及潜在的与实施例具有实质上的相同性或等同性的技术方案，均不可避免的被本发明所界定的保护范围所囊括。

Claims (10)

1.一种半导体预湿润装置，包括控压模块和密闭室，其特征在于，所述预湿润装置具有驱动器，所述密闭室内安装有用于夹持晶圆的晶圆夹盘，所述晶圆夹盘的中心通过一传动杆连接至驱动器，所述传动杆在驱动器的驱动下带动晶圆夹盘旋转，所述密闭室开设有排放口；

其中，所述密闭室内灌入湿润液，所述湿润液的液面浸没所述晶圆夹盘所夹持的晶圆的部分区域，所述晶圆夹盘所夹持的晶圆与所述湿润液的液面所成的夹角为α，所述夹角α的范围在0°到90°之间，所述排放口通过流通管道连接至所述控压模块，所述控压模块调节所述密闭室内的气压以将密闭室内的环境调节至真空并保证湿润液处于液相状态。

2.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述湿润液的液面与所述晶圆夹盘的中心齐平，所述湿润液浸没所述晶圆夹盘所夹持的晶圆的面积占晶圆总面积的一半，所述晶圆露出所述湿润液液面的部分为半圆形。

3.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述湿润液的液面位于不高于所述晶圆夹盘的中心0.2英寸处或不低于所述晶圆夹盘的中心0.2英寸处。

4.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述晶圆夹盘的中心为该晶圆夹盘所夹持的晶圆的中心，所述晶圆正面朝上。

5.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述湿润液为脱气处理过的去离子水。

6.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述驱动器位于所述密闭室的内部或外部，所述驱动器为旋转电机。

7.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述预湿润装置设置有控温模块，所述控温模块包括温度传感器和温度控制器，所述温度传感器安装在所述密闭室内部，用于监测密闭室内的温度，并反馈调节所述温度控制器；所述温度控制器具有制冷和/或加热功能。

8.根据权利要求1所述的预湿润装置，其特征在于，所述控压模块包括压力传感器、蝶阀和抽气泵，所述压力传感器安装在所述密闭室内部，用于监测密闭室内的气压，并反馈调节所述蝶阀和抽气泵的开关以及所述抽气泵的功率，所述排放口通过所述流通管道与所述蝶阀和抽气泵相连通。

9.根据权利要求8所述的预湿润装置，其特征在于，所述抽气泵为真空泵，所述真空泵通过抽气方式将所述密闭室内的环境调节至真空。

10.一种半导体预湿润方法，其特征在于，包括下述步骤：

将晶圆放置于密闭室内，通过晶圆夹盘夹持固定，所述晶圆与水平面所成的夹角范围在0°到90°之间；

向密闭室内注入湿润液，至湿润液的液面浸没所述晶圆夹盘夹持的晶圆的部分区域；

调节密闭室内的环境参数，将密闭室抽真空并保证湿润液处于液相状态；

驱动器带动传动杆旋转，所述传动杆连接至晶圆夹盘的中心，从而带动所述晶圆夹盘旋转；

恢复密闭室内的正常状态，取出晶圆，预湿润过程结束。

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