CN105655234A - 脱气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体衬底的脱气方法，所述方法包括：依次将多个半导体衬底装载至脱气装置中；对半导体衬底以并行的方式进行脱气，每个半导体衬底在不同的、与半导体衬底被装载至脱气装置的时间相关的时间开始脱气；以及，当半导体衬底完成脱气后，将所述半导体衬底从所述脱气装置中卸载，而装载顺序靠后的半导体衬底仍然进行脱气；其中，半导体衬底的脱气是在小于10-4托的压强中进行的，并且在半导体衬底的脱气期间，所述脱气装置是被连续泵送的。

Description

脱气方法
技术领域
本发明涉及一种对多个半导体衬底进行脱气的方法，以及相关联的装置。
背景技术
半导体器件的制造是在严格受控的条件下执行的，其中将杂质维持在较低含量一般是很有必要的。杂质的一种潜在来源是待加工的半导体晶圆。因此，在一个或多个制造工艺步骤之前，对半导体晶圆进行脱气过程是众所周知的。例如，半导体器件的制造工艺经常使用将高纯度材料的薄膜层沉积在衬底上的技术。在这些工艺期间，使处理室保持为不含污染物以便所沉积的膜具有所需的性能，是非常重要的。很多标准的行业技术诸如物理气相沉积(PVD，PhysicalVaporDeposition)和化学气相沉积(CVD，Chemicalvapordeposition)都是在真空条件下进行操作的。为了使沉积的膜污染最小，维持低压是很重要的。
很多现代化的生产方法需要使用的衬底涂覆有受热时会释放大量气体的材料。这种材料的例子包括有机钝化层、粘合剂、光刻胶或旋涂材料。此外，越来越多的显著释放气体的新型衬底材料被使用。在晶圆封装行业中，诸如聚酰亚胺(PI，Polyimide)和聚苯并噁唑(PBO，Polybenzoxazole)的材料是尤其有问题的。当例如这样的材料释放气体时，污染物将被释放到加工工具中并掺入正在生成的膜中。这可能会导致实质性问题。例如，所沉积的膜的性能和特性降低。
通常使用群集工具来节省半导体晶圆的制造成本。一般地，晶圆从盒体或前开式晶圆盒(FrontOpeningUnifiedPods，FOUPs)中传输至在低压强中运行的传输模块。传输模块中的一个或多个机器人将晶圆从盒体/FOUP移动至位于接近传输模块的多个模块中。位于所述传输模块周围的模块通常在真空条件下进行操作，并且每个模块具有除了其它功能之外的专用功能，例如脱气，蚀刻，PVD沉积。
在后续的处理步骤(例如作为标准工艺流程的一部分的沉积步骤)之前，在专用的脱气处理模块中对半导体衬底进行脱气是比较普遍的。已知的是，提供有一次仅对一个晶圆进行脱气的脱气模块。批次脱气模块也是已知的。在这些布置中，可一起装载多个晶圆并脱气。然而，半导体行业中所使用的很多新型材料具有极低的脱气率，这将导致长达30分钟或更长的脱气时间。然而，实现任何商用处理设备的高吞吐量以使相关的固定成本可在每个晶圆基础上最小化是很重要的。由于脱气率低和脱气时间长将导致吞吐量太低而在商业上难以接受，因此对排气严重的衬底的处理在经济上是不可行的。
发明内容
本发明在至少一些实施例中解决了上述的一个或多个问题。虽然本发明尤其适用于包括排气严重的材料(如PBO及PI)的半导体衬底，然而本发明仍可广泛地应用于各种半导体衬底。
根据本发明的第一方面，提供了一种半导体衬底的脱气方法，所述方法包括：
依次将多个半导体衬底装载至脱气装置中；
对半导体衬底以并行的方式进行脱气，每个半导体衬底在不同的、与该半导体衬底被装载至脱气装置中的时间相关的时间开始脱气；以及，
当半导体衬底完成脱气后，将所述半导体衬底从所述脱气装置中卸载，而装载顺序靠后的半导体衬底仍然进行脱气；
其中，所述半导体衬底的脱气是在小于10-4托(Torr)的压强中进行的，并且在半导体衬底的脱气期间，所述脱气装置是被连续泵送的。
按照这种方式，吞吐量可以得到大幅度改善。也有可能在其他半导体衬底正在进行脱气的同时装载和卸载半导体衬底。这能够被完成而不污染正在进行脱气的半导体衬底。
半导体衬底可在小于5×10-5托的压强下进行脱气。
所述脱气可包括对半导体衬底进行辐射加热。
半导体衬底可以加热到任何所需的温度。一般地，半导体衬底可以加热到100℃或以上。
每个半导体衬底在卸载之前会进行预定时间量的脱气。相信这是确定半导体衬底已完成脱气的最实用的方法。可以由用户来设置预定的时间量。预定的时间量可以基于脱气装置的特性以及所述半导体衬底的特性凭经验来确定。理论上，某些形式的监测可以替换用于确定半导体衬底是否已经完成脱气。
至少三个半导体衬底可以依次地装载到脱气装置中。优选地，至少20个半导体衬底可依次装载到脱气装置中。更优选地，至少50个半导体衬底可以依次地装载到脱气装置中。
所述脱气装置可以包括脱气模块。所述脱气模块可形成用于对半导体衬底进行处理的群集工具的部分。
半导体衬底可以是半导体晶圆，如硅半导体晶圆。应当理解的是，半导体衬底可包括附加的非半导体的元件。
根据本发明的第二方面，提供了一种半导体衬底的脱气方法，所述方法包括：
依次将多个半导体衬底装载至脱气装置中；
在第一半导体衬底上进行脱气处理；
在所述第一半导体衬底进行脱气处理的同时将第二半导体衬底装载至所述脱气装置中；
在第二半导体衬底上进行脱气处理；以及
在所述第二半导体衬底仍进行脱气处理的同时，将已完成脱气处理的第一半导体衬底从所述装置中卸载；
其中，脱气处理是在小于10-4托的压强中进行的，并且在半导体衬底的脱气期间，所述脱气装置是被连续泵送的。
在所述第一半导体衬底和/或第二半导体衬底正在进行脱气处理的同时，另外的半导体可装载至所述脱气装置中。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于对半导体衬底进行脱气的脱气装置，所述脱气装置包括：
用于将半导体衬底依次装载至脱气装置以及将半导体衬底依次从脱气装置中卸载的装载和卸载器件；
用于对脱气装置进行泵送以达到对半导体衬底进行脱气的所需压强的泵送件，其中，所需压强小于10-4托；以及
使半导体衬底依次装载并且以并行的方式进行脱气的控制器，每个半导体衬底在不同的、与半导体衬底被装载至脱气装置的时间相关的时间开始脱气，其中，所述控制器可确定半导体衬底已经完成脱气并在装载顺序靠后的半导体衬底仍然在进行脱气的同时使已脱气的半导体衬底从所述脱气装置中卸载；
其中，所述装置配置为使得所述泵送件在半导体衬底的脱气期间连续泵送所述脱气装置。
所述脱气装置可进一步包括一个或多个用于对所述半导体衬底进行辐射加热的辐射加热器。所述辐射加热器可以是灯。
所述泵送件可包括低温泵。所述脱气装置的容积是可选择的以便与所述泵送件相结合，在半导体衬底装载至所述脱气装置以及在半导体衬底从所述脱气装置中卸载的同时，有可能达到所期望的真空压强水平。所期望的压强可小于5×10-5托。
一旦半导体衬底已经进行了预定时间段的脱气，所述控制器可确定半导体衬底已经完成脱气。如上所述，这可认为是确定半导体衬底完成脱气的最实际的方法。所述控制器可包括计时器功能，所述计时器功能可监测每个半导体衬底进行脱气的时间。一旦半导体衬底已经进行了预定时间段的脱气，所述计时器功能就可提供状况指示符。所述状况指示符可直接或间接地使已脱气的半导体衬底从所述脱气装置中卸载。
所述装载和卸载器件可包括孔隙，所述半导体衬底可穿过所述孔隙以在脱气装置中装载和卸载。所述装载和卸载器件可进一步包括如本领域已知的合适的衬底传输机构。
所述脱气装置可进一步包括可将半导体衬底装载在其上的结构。所述结构可以是盒体。所述盒体可以是竖直排列的能使半导体衬底在竖直排列中叠置的盒子。
所述脱气装置可包括脱气模块。所述半导体衬底可在脱气模块中进行脱气。所述脱气装置可进一步包括半导体衬底传输模块。所述脱气模块和所述半导体衬底传输模块可形成用于处理半导体衬底的群集工具的部分。所述脱气装置中维持的相对低压强有益于使传输模块中的真空不受影响。这进而避免群集工具中其他处理模块的交叉污染。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于处理半导体衬底的群集工具，所述群集工具包括本发明第三方面的脱气装置。所述脱气装置可进一步包括脱气模块和半导体衬底传输模块。
虽然本发明已经在上文中进行了描述，本发明仍可延伸至对上述或后续说明书、附图以及权利要求书中的特征的任何创造性的结合。例如，在本发明的一个方面中所描述的任何特征均可认为已在本发明的任何其他方面公开。
附图说明
现将参考附图对脱气装置以及脱气方法的实施例进行描述，其中：
图1示出了本发明的脱气装置，以及处理室的剖视图；
图2是群集工具的示意图；
图3是(a)现有技术的晶圆脱气的处理步骤以及(b)本发明的晶圆脱气的处理步骤；
图4示出了不同脱气装置以及方法的晶圆吞吐量与脱气时间的关系；
图5示出了所排出气体种类的分压；以及
图6示出了使用脱气模块的示例性制造过程中所使用的装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明的脱气模块，一般描述为10。脱气模块10包括处理室12，所述处理室12具有呈孔隙阀形式的开口14，所述晶圆可穿过所述开口装载到模块10中以及从模块10中卸载。所述处理室12包括可同时保持多个晶圆的晶圆保持器16。所述晶圆保持器16可以是能够使晶圆竖直堆叠的盒体的形式。所述晶圆保持器16包括提升组件，所述提升组件可使所述晶圆保持器16中所期望的孔隙与所述开口14对齐，以使晶圆既可以装载至孔隙中也可以从孔隙中卸载。所述处理室12还包括多个灯18，所述灯18对保持在晶圆保持器16的晶圆提供辐射加热。所述处理室12进一步包括连接至适当泵送件的泵送口20。所述泵送口20包括处理室12中的开口以及闸门阀20b。在图1所示的实施例中，主泵送件包括低温泵22。辅助排气管24设置为与低真空泵26连通。压力计28设置为监测所述处理室12中的压力。气体入口系统30能够使所需的气体(例如氮气)流被引入至所述处理室12中。控制器32以下文具体描述的方式控制所述晶圆的装载和卸载。优选地，本发明的控制方法可以通过使用软件以及基于适当微处理器的设备来实现。
图2示出了PVD群集工具100的示意性布图，它包括本发明的脱气模块102。所述脱气模块102可以是结合图1所描述的类型。所述群集工具100还包括附加的模块。所述附加的模块的性质取决于预期的最终产品。在图2的示例中，所述附加的模块包括热软蚀刻模块104和三个PVD模块106。模块102至106分布在晶圆传输模块108周围，所述晶圆传输模块108按照所期望的工艺流程将晶圆传输到模块102至106中并且将晶圆从模块102至106传输出去。晶圆传输模块108的功能之一是通过孔隙阀(诸如图1所示的孔隙阀14)将晶圆装载入脱气模块102中以及从脱气模块102中卸载。晶圆从FOUP110通过小的装载锁移入至群集工具100中。所述群集工具100还包括处理控制器112。所述处理控制器112设置有用户界面112a。所述处理控制器112控制整个群集工具100的操作，包括脱气模块102的操作。因此，图2的处理控制器112可以包括图1所示实施例的控制器32的功能。
现在对图1的脱气模块10的操作进行详细的阐述。半导体晶圆在期望的时间内被依次装载到模块10中。晶圆存储于晶圆保持器16中的孔隙中。每个晶圆都有单独的加工计时器。当每个晶圆被装载至处理室12中时，加工计时器启动。当用户定义的时间段过去之后，则认为该晶圆已经脱气。然后，已脱气的晶圆可从处理室中卸载。已卸载的晶圆随后在群集工具中传输至一个或多个其他模块中，以用于进一步处理。因此，处理室12中的晶圆可认为是并行脱气的。在任何时间均有多个晶圆12在处理室12中进行脱气。然而，这些晶圆在不同的时间装载，并在不同的时间卸载。类似地，每个晶圆的脱气过程在不同的时间开始并在不同的时间结束。这与现有技术的批次脱气过程形成对比。本发明的方法意味着当后续的处理模块可用时，所述脱气模块12可以持续装载和卸载晶圆。通过使用脱气处理模块对晶圆进行并行脱气，即使脱气时间长，仍可保持高动态的吞吐量。图3示出了在并行脱气模式中使用脱气模块的优点。图3(a)示出了现有技术中的标准单晶圆的脱气过程，其中，晶圆按顺序装载并脱气。例如，只有晶圆1完成脱气并且卸载以后晶圆2才能装载并进行脱气。在这种现有技术的过程中，可以看出晶圆1至3具有较长的相关脱气时间，因此吞吐量将受到严重的限制。图3(b)示出了根据本发明的过程。虽然晶圆1至3是依次装载的，但是相关的脱气是并行进行的。由此可以看出晶圆的吞吐量得到大幅度改善。
脱气模块被配置为在晶圆装载和卸载时使所述晶圆进行连续并行的脱气。处理室应当具有适当较大的容积以能够容纳所需数量的晶圆，并且足够大到有助于确保在处理期间所述处理室的压力不会显著上升。这有助于减少或防止污染。处理室的实际容积可以由本领域技术人员容易地选择，本领域的技术人员可以理解的是，这取决于各种因素，例如晶圆的数量和性质以及所使用的泵送件。按照这种方式，有可能打开和关闭处理室和晶圆之间的孔隙阀而不会将污染物引入至群集工具的其余部分。此外，当新的晶圆被装载至脱气模块中时，已部分脱气的晶圆将不会被污染。为实现晶圆的有效加热，晶圆的辐射加热是有利的，因为这意味着不需要增加处理室的压力。
图4示出了对于一个示例性的标称130℃的脱气过程而言的预计晶圆吞吐量，其作为用于不同脱气配置的脱气时间的函数。曲线40将单晶圆脱气(SWD)模块的吞吐量(每小时晶圆)表示为脱气时间(秒)的函数。曲线42、44将分别使用两个单晶圆脱气模块以及三个单晶圆脱气模块的配置的吞吐量表示为脱气时间的函数。曲线46示出了将本发明的每次容纳75个晶圆的模块的吞吐量作为脱气时间的函数。可以从曲线40中可以看出，运行120秒的周期的单晶圆脱气站可以达到理论上每小时30个晶圆的动态吞吐量。这随着脱气时间的增加迅速下降。使用两个或三个SWD模块作为群集工具的部分可成比例地增加吞吐量。然而，这以新模块的可观额外费用为代价，并需要使用群集工具的另外的端口。相反地，曲线46示出的是，本发明可提供一种能在所有脱气时间中实现的非常可观的吞吐量的收益。该可观的吞吐量收益可通过仅使用群集工具中的单个脱气模块来实现。
图5示出了作为时间函数的与排气相关联的特定种类的分压。使用残留气体分析仪(RGA)可获得数据。更具体地，曲线50、52、54分别示出了水、氮气和氧气的分压。该数据是在130℃脱气过程中获得的。可以看出，在大约15分钟后水峰达到约为4×10-6毫巴(mbar)(5.3×10-6托)的最大压强的脱气过程期间，维持了非常低的压强。由于系统优异的真空性能，即使在该脱气过程的峰值仍有可能继续将晶圆装载入脱气模块中或者从脱气模块中卸载而不会对模块中的晶圆产生任何不利的影响。在脱气模块中的相对低的压强还确保了传输模块中的真空度不会受到影响，这进而避免群集工具中其他处理模块的交叉污染。
图6示出了代表性的两步沉积过程，其包括在130℃进行的360秒的脱气，随后是120秒的PVD沉积步骤。该过程使用单个脱气模块60以供应三个并行运行的PVD模块62、64、66。FOUP模块68用于在处理模块之间传输晶圆。脱气模块60可以是现有技术中的SWD模块或者是本发明的对多个晶圆并行脱气的脱气模块。针对这两种情况模拟两步沉积过程。利用本发明的多晶圆脱气模块(MWD)，对装载相对适中的25个晶圆的脱气模块进行了模拟。结果在表1中示出。
脱气模块类型 静态吞吐量(每小时晶圆)
SWD 9.2
MWD(25个晶圆) 38.4
表1代表性的处理顺序下单晶圆以及多晶圆脱气配置的吞吐量(wph)
对于单晶圆的脱气模块，会产生停留时间的不匹配。更具体地，脱气时间为360秒，而每个PVD模块具有120秒的处理时间。这种不匹配导致系统不能有效地运行。因此，该配置的预计吞吐量是每小时9.2个晶圆(wph)。相反地，本发明的可操控25个晶圆的多晶圆沉积模块可消除由脱气时间的长度所引起的明显的吞吐量限制。由于晶圆以并行的方式进行脱气，这充分利用了并列配置的三个PVD模块。这得到了38.4wph的吞吐量。过程化编程技术可以确保晶圆在可能的最短时间内被处理。

Claims (10)

1.一种半导体衬底的脱气方法，包括：
依次将多个半导体衬底装载至脱气装置中；
对半导体衬底以并行的方式进行脱气，每个半导体衬底在不同的、与该半导体衬底被装载至脱气装置的时间相关的时间开始脱气；以及，
当半导体衬底完成脱气后，将所述半导体衬底从所述脱气装置中卸载，而装载顺序靠后的半导体衬底仍然进行脱气；
其中，在小于10-4托的压强中执行所述半导体衬底的脱气，并且在半导体衬底的脱气期间，连续泵送所述脱气装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在小于10-4托的压强中进行所述半导体衬底的脱气，优选在小于5×10-5托的压强中进行脱气。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述脱气包括对所述半导体衬底进行辐射加热。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个半导体衬底在卸载之前将进行预定时间量的脱气。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少三个半导体衬底，优选为至少20个，更优选为至少50个半导体衬底被依次装载至所述脱气装置中。
6.一种用于对半导体衬底进行脱气的脱气装置，所述脱气装置包括：
用于将半导体衬底依次装载至脱气装置并将半导体衬底依次从脱气装置中卸载的装载和卸载器件；
用于对脱气装置进行泵送以达到对半导体衬底进行脱气的所需压强的泵送件，其中，所需压强小于10-4托；以及
使半导体衬底依次被装载并且以并行的方式进行脱气的控制器，每个半导体衬底在不同的、与该半导体衬底被装载至脱气装置的时间相关的时间开始脱气，其中，所述控制器确定半导体衬底已经完成脱气并在装载顺序靠后的半导体衬底仍然在进行脱气的同时使已脱气的半导体衬底从所述脱气装置中卸载；
其中，所述脱气装置被配置为使得所述泵送件在半导体衬底的脱气期间连续泵送所述脱气装置。
7.根据权利要求6所述的脱气装置，所述脱气装置进一步包括一个或多个用于对所述半导体衬底进行辐射加热的辐射加热器。
8.根据权利要求6或7所述的脱气装置，其中，一旦所述半导体衬底进行了预定时间段的脱气，所述控制器确定半导体衬底已完成脱气。
9.根据权利要求8所述的脱气装置，其中，所述控制器包括计时器功能件，所述计时器功能件监测每个半导体衬底进行脱气的时间，并且一旦半导体衬底进行了预定时间段的脱气，就提供状况指示符，其中，所述状况指示符直接或间接地使已脱气的半导体衬底从所述脱气装置中卸载。
10.用于处理半导体衬底的群集工具，所述群集工具包括根据权利要求6所述的脱气装置。
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