CN107424908B - 一种晶圆处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种晶圆处理方法。该晶圆处理方法主要包括：惰性气体干燥步骤，有机溶剂干燥步骤和升温干燥步骤，其中有机溶剂干燥步骤包括：恒压干燥步骤，在预设时间内，将腔体内的压强保持在第一压强，同时向腔体内通入有机溶剂蒸汽；和降压干燥步骤，逐步将腔体内的压强自第一压强降低至第二压强，同时向腔体内通入有机溶剂蒸汽，通过降低腔内压强的形式而控制并加快少量水分的蒸发。本发明能够解决现有晶圆干燥模式中存在的问题，特别是能够更好地适应集成电路器件形貌从二维平面结构往三维结构、密集度不断提高的发展趋势。

Description

一种晶圆处理方法
技术领域
本发明涉及大规模集成电路制造领域，具体地涉及一种晶圆处理装置和方法。
背景技术
无论是大批量先进的集成电路制造，还是小批量研发型微纳加工等都离不开湿法腐蚀、清洗工艺。湿法工艺一般大致分为三个部分：化学液浸泡、去离子水冲洗和最终干燥。
主要的干燥的方式有以下几种：
一、以SEMITOOL SRD(注册商标)为代表的机械式甩干
该干燥方式是在短时间内(～5分钟)把大部分的水以离心力(centrifugalforce)的方式甩出晶圆表面，然后接下来较长时间内(～25分钟)再用热氮气通过蒸发的形式烘干其余残留水分。因为是机械式旋转，晶圆会被累计较多静电，虽然有静电综合等补救措施，但是多多少少会被颗粒所影响。如果是疏水表面(hydrophobic surface)的话，颗粒问题会非常严重。除此之外，因为这只是机械旋转加吹热N2的蒸发形式，所以它并不适合干燥很多高线宽比(high asepct ratio,high-AR)结构、MEMS(Micro-electromechanical-system：微机电系统)器件，水蒸发时的毛细管力(capillary force)会直接拉拽它们脆弱结构直接造成永久性的缺陷，如粘连(stiction)。还有一点是它是以晶圆中心为轴的机械旋转，晶圆中心部分所受离心力接近于0，所以这种干燥方式很难试用于后HF(氢氟酸：hydrofluoric acid)工艺(HF-last)晶圆。因为中心部分的水珠只能在热N2步骤长时间内干燥，而且机台是非完全与外界隔离，所以机台内残留的O2、水珠与疏水表面很容易形成叫做水痕(watermark)的缺陷。
二、以用低表面张力(surface tension)的有机溶剂蒸汽替换晶圆表面的水分的蒸汽干燥(vapor drying)
如典型的有日本早稻田大学T.Ohmi教授等人发明的异丙醇(IPA,isopropylalcohole)蒸汽干燥(IPA vapor drying)。如表1所示，在25℃，IPA的表面张力不到水的1/3，所以它们蒸发时的毛细管力远小于水，而且它们的沸点比水低(表2)，有非常高的蒸汽压(vapor pressure)有助于蒸发以致干燥。
表1各种液体在不同温度下的表面张力
Figure GDA0002668363480000021
表2各种液体在不同压强下的沸点
Figure GDA0002668363480000022
Figure GDA0002668363480000031
其中，e为evaporation的缩写，说明液体开始蒸发；s为solid的缩写，说明该液体还是固态。
虽然它有很好的大批量干燥晶圆、无静电干扰、低颗粒等优点，但是因较高的IPA温度(82℃，常压IPA沸点)对安全要求极高。因为采用纯蒸发模式，相比机械式甩干工艺时间长，而且消耗较多IPA，所以有时留下有机残留物。
三、荷兰飞利浦公司发明的马兰格尼(Marangoni)原理干燥方式
晶圆放入水槽后慢慢浮出水面的同时通入低表面张力有机溶剂蒸汽，比如IPA。因为IPA和水是可以互溶的，所以贴近晶圆的IPA浓度比水槽的浓度高。这样晶圆表面和水槽之间形成表面张力梯度(surface tension gradient)，且方向指向从晶圆指到水槽。晶圆表面的水分逐渐被马兰格尼效果拉到水槽，从而起到干燥效果。马兰格尼原理干燥因IPA消耗量很少(20～30mL/次)、工艺时间短(10～20分钟)，而且这是在常温下工作的，所以马兰格尼干燥成为业界较为主流的干燥方式。因为水是被马兰格尼效果的物理力带走，所以这种干燥方式对避免水痕有非常好的效果。但是，马兰格尼效果只能在相对平滑，又亲水(hydrophilic)的表面才形成表面张力梯度，所以这种干燥方式很难适用于对毛细管力相对敏感或者高线宽比器件、结构，如MEMS(微机电系统)、TSV(Through Silicon Via)等。因为此时它只能是仿IPA蒸汽干燥机，而且是常温下工作，常常发现晶圆未完全干燥。如果是疏水表面的话，也同样难形成有效的表面张力梯度，干燥模式也会变成IPA蒸汽干燥，加上常温、常压、非与外界隔离，晶圆表面很容易被氧气氧化容易形成水痕。
四、超临界干燥(supercritical drying)
最后一种是只能在少批量MEMS制造工艺中为释放使用的超临界干燥(supercritical drying)。因为这种干燥方式是，绕过水三相的临界点，直接让它升华，避免因毛细管力引起的粘连等问题，所以这种干燥方式在MEMS器件制造中交普遍使用。但是，因为使用大量的液态CO2，较长的工艺时间(～1小时)，所以无法在集成电路工艺采用。
纵观上述干燥机台的优缺点，因有集成电路(IC，Integrated Circuits)器件形貌从二维平面结构往三维结构发展趋势，如密集鳍式场效应晶体管(Fin field effecttransistor,FET)、高线宽比DRAM(Dynamic Random Access Memotry)、纳米线(nanowire)场效应晶体管等，而在TSV等封装方面在纵向叠加更多的晶圆、晶圆内高线宽比(AR,AspectRatio)深槽结构密度越来越高，所以这不得不重新研发高效的干燥模式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种晶圆处理装置，包括：腔体，其为具有可开启挡板的密闭结构，并且内部设有浸泡槽，所述浸泡槽具有废液排出口；真空系统，对所述腔体内的压强进行调控和保持；气体供给系统，包括惰性气体供给单元和有机溶剂蒸汽供给单元，分别向所述腔体供给惰性气体和有机溶剂蒸汽；温度调控系统，对所述腔体温度进行调控。
优选为，在所述腔体内以可拆装的方式设置晶圆匣，当晶圆放置于所述晶圆匣中时，与水平面垂直。
优选为，所述真空系统包括压力传感器、真空泵和显示装置，其中，所述压力传感器设置于所述腔体内，对所述腔体的压强进行测试，所述显示装置对所述压力传感器所测数据进行显示。
优选为，所述惰性气体供给单元包括气体储罐、气体过滤器和第一气体流量计；所述有机溶剂蒸汽供给单元包括第二气体流量计、液体储罐、液体流量计、雾化装置、温控器，其中，所述第二气体流量计与所述气体过滤器相连接，所述液体储罐与所述液体流量计相连接，所述第二气体流量计和所述液体流量计分别与所述雾化装置相连接，所述温控器对所述有机溶剂蒸汽温度进行调控，使其以蒸汽状态进入腔体；其中，所述惰性气体供给单元和所述有机溶剂蒸汽供给单元中的至少一个具有喷淋头，所述喷淋头设置于所述腔体内，所述雾化装置及所述第一气体流量计与所述喷淋头相连接。
优选为，所述温度调控系统至少包括热辐射装置。
本发明还提供一种晶圆处理方法，包括如下步骤：装载步骤，将晶圆以垂直于水平面的方式浸入预先注满超纯水的浸泡槽内；冲水步骤，对所述晶圆进行快速冲排去除所述晶圆表面残留化学液；惰性气体干燥步骤，关闭挡板，通过惰性气体供给单元向腔体内通入惰性气体的同时排出浸泡槽里的超纯水，并使所述腔体内部压强保持在第一压强，其中，所述第一压强不小于所述腔体外部压强；有机溶剂蒸汽干燥步骤，当所述浸泡槽内的水排净时，通过有机溶剂蒸汽供给单元向腔体内通入有机溶剂蒸汽，并以预设工艺时间将所述腔内压强自所述第一压强降低至第二压强；升温干燥步骤，停止气体供给，通过温度调控系统将所述腔体内温度升至预设温度；以及，取出步骤，通过所述惰性气体供给单元向所述腔体内通入惰性气体直到所述腔体内压强与所述腔体外部压强相同，取出所述晶圆。
优选为，所述有机溶剂蒸汽干燥步骤包括：恒压干燥步骤，在预设时间内，将所述腔体内的压强保持在所述第一压强，同时向所述腔体内通入有机溶剂蒸汽；降压干燥步骤，逐步将所述腔体内的压强自所述第一压强降低至所述第二压强，同时向所述腔体内通入有机溶剂蒸汽。
优选为，所述向腔体内通入有机溶剂蒸汽具体包括如下步骤：使所述惰性气体和有机溶剂分别经由气体流量计和液体流量计进入雾化装置，并通过温控器调节温度，使有机溶剂以蒸汽形式经由喷淋头均匀的与所述晶圆表面接触。
优选为，所述第二压强为1kpa。
优选为，所述惰性气体为氮气，所述有机溶剂蒸汽为异丙醇蒸汽。
附图说明
图1是晶圆处理装置的功能框图。
图2是对真空系统及其与腔体的连接关系进行表示的功能框图。
图3是对气体供给系统及其与腔体的连接关系进行表示的功能框图。
图4是对温度调控系统及其与腔体的连接关系的一个实施例进行表示的功能框图。
图5是对温度调控系统及其与腔体的连接关系的另一实施例进行表示的功能框图。
图6是晶圆处理方法的流程图。
图7是有机溶剂蒸汽干燥步骤的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，晶圆处理装置，包括：腔体10，腔体10为密封结构，具有可开启的挡板102，并且在腔体10内部设有浸泡槽101，其中，浸泡槽101具有废液排出口；真空系统11，对腔体10内的压强进行调控和保持；气体供给系统12，包括惰性气体供给单元121和有机溶剂蒸汽供给单元122，分别向腔体10供给惰性气体和有机溶剂蒸汽；温度调控系统13，对腔体10的温度进行调控。
优选地，在腔体10内以可拆装的方式设置晶圆匣(图中未示出)，当晶圆放置于晶圆匣中时，与水平面垂直，这样水、残留化学液等可以借助重力向下排走。
优选地，浸泡槽101是预先经过疏水处理的，例如，镀一层全氟烷氧基烷(PFA,Perfluoroalkoxy alkane)聚合物膜。
优选地，如图2所示，真空系统11包括压力传感器111、真空泵112和显示装置113，其中，压力传感器111设置于腔体10内，对腔体10的压强进行测试，显示装置113对压力传感器111所测量的数据进行显示。真空系统11例如，也可以还包括控制装置，分别与压力传感器111及真空泵112相连接，根据压力传感器111所反馈数据对真空泵112进行控制。真空泵112例如可以为智能真空泵，即与压力传感器111相连接，根据压力传感器111所测试的数据调节真空泵112运行模式等。当然，本发明不限定于此，可以是任何本领域常用真空系统，只要能够实现对腔体的压强进行调控和保持即可。
优选地，如图3所示，惰性气体供给单元121包括气体储罐1211、气体过滤器1212和第一气体流量计1213。有机溶剂蒸汽供给单元122包括第二气体流量计1221、液体储罐1222、液体流量计1223、雾化装置1224、温控器1225和喷淋头1226。
其中，气体储罐1211、气体过滤器1212、第一气体流量计1213、喷淋头1226依次相连接。第二气体流量计1221与气体过滤器1212相连接，液体流量计1223与液体储罐1222相连接，第二气体流量计1221和液体流量计1223分别与雾化装置1224相连接。
温控器1225对有机溶剂蒸汽温度进行调控。例如可以包括加热装置、测试装置和调节装置。或者也可以是其他任何合适的温控器，只要能够使雾化装置中以及自雾化装置进入腔体过程中有机溶剂蒸汽的温度控制在30℃或以上，保证其是以蒸汽的形式通过喷淋头1226均匀的接触晶圆表面即可。
喷淋头1226设置于腔体10内，雾化装置1224与喷淋头1226相连接，来自雾化装置的有机溶剂蒸汽通过喷淋头1226与晶圆表面均匀接触。
需要说明的是上述实施例中，以有机溶剂蒸汽供给单元包括喷淋头，并且与惰性气体供给单元共用的情况进行了说明，但是本发明不限定于此，在一些实施例中，也可以是惰性气体供给单元包括喷淋头并与有机溶剂蒸汽供给单元公用，或者也可以是有机溶剂蒸汽供给单元和惰性气体供给单元分别具有喷淋头等方式。总之，本领域技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据实际情况进行的容易想到的选择或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
优选地，温度调控单元13例如可以包括一个或多个热辐射装置131，热辐射装置例如可以是红外灯管。在一个实施例中，如图4所示，在腔体10内设置有两个热辐射装置131，使整个腔体内升温速度更快，且温度更加均衡。在另一实施例中，如图5所示，温度调控单元13包括热辐射装置131、测温装置132和温度调节装置133，其中，热辐射装置131和测温装置132分别与温度调节装置133相连接，温度调节装置133根据测温装置132反馈的数据对热辐射装置进行控制。
接下来，针对晶圆处理方法的实施例进行说明。如图6所示，晶圆处理方法包括以下步骤：
装载步骤(S1)，将晶圆以垂直于水平面的方式浸入预先注满超纯水的浸泡槽101内。
冲水步骤(S2)，对晶圆进行快速冲排或者溢流冲水，去除晶圆表面残留化学液。
惰性气体干燥步骤(S3)，关闭挡板102，通过惰性气体供给单元121向腔体10内通入惰性气体的同时排出浸泡槽101里的超纯水，并使腔体10内部压强保持在第一压强。其中，第一压强不小于外部压强，从而防止空气中的氧进入腔体，通常来说可以为1标准大气压。
有机溶剂蒸汽干燥步骤(S4)，当浸泡槽101内的水排净时，通过有机溶剂蒸汽供给单元122向腔体10内通入有机溶剂蒸汽，并以预设工艺时间将腔内压强自第一压强降低至第二压强。优选地，第二压强为1kpa。
更具体地说，如图7所示，惰性气体干燥步骤(S4)包括以下步骤：
恒压干燥步骤(S41)，在预设时间内，将腔体10内的压强保持在第一压强，同时通过惰性气体供给单元121向腔体10内通入有机溶剂蒸汽。如果是常规平滑表面的晶圆，由于IPA与晶圆表面的水互溶，并且晶圆顶部接触IPA蒸汽的时间比底部早，所以晶圆上部的IPA浓度永远略高于晶圆下面的浓度，从而，在晶圆上下形成表面张力梯度，其方向是从上往下。这样一来，晶圆上部的水会被马兰格尼效果迅速拉向晶圆下部。如果是三维复杂结构，IPA和水慢慢互溶形成共沸化合物，在第一压强这样较高的蒸汽压下，通常为1标准大气压，大部分的水以共沸化合物的形式因蒸发而带走。
降压干燥步骤(S42)，逐步将腔体10内的压强自第一压强降低至所述第二压强，同时向腔体10内通入有机溶剂蒸汽。由于共沸化合物的沸点直接与压强有关，因此，通过降低腔内压强的形式，可以控制及加快少量水分的蒸发。
其中，向腔内10内通入有机溶剂蒸汽具体包括以下步骤：
使惰性气体和有机溶剂分别经由气体流量计1221和液体流量计1223进入雾化装置1224，并通过温控器1225调节温度，使有机溶剂以蒸汽形式经由喷淋头1226均匀的与晶圆表面接触。
升温干燥步骤(S5)，停止气体供给，通过温度调控系统13将腔体10内温度升至预设温度。如表2所示，当压强为1kPa时，水的沸点是7℃，所以残留的水分也将被蒸发干净。例如将红外灯管温度提升到预设温度并维持2分钟，该温度可以根据压强、具体工艺等需求进行设定。根据BET(Brunauer-Emmett-Teller)方程，包括水、IPA在内的分子的解吸附率(desorption rate)会大大增加，从而不会留下任何有机残留物。
取出步骤(S6)，通过惰性气体供给单元121向腔体10内通入惰性气体，直到腔体10内压强与腔体10外部压强相同，通常为1标准大气压，取出晶圆。
在上述任一实施例中，有机溶剂蒸汽优选为异丙醇蒸汽，惰性气体优选为氮气。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种晶圆处理方法，其特征在于，
包括如下步骤：
装载步骤，将晶圆以垂直于水平面的方式浸入预先注满超纯水的浸泡槽内；
冲水步骤，对所述晶圆进行快速冲排，以去除所述晶圆表面残留化学液；
惰性气体干燥步骤，关闭挡板，通过惰性气体供给单元向腔体内通入惰性气体的同时排出浸泡槽里的超纯水，并使所述腔体内部压强保持在第一压强，其中，所述第一压强不小于所述腔体外部压强；
有机溶剂蒸汽干燥步骤，当所述浸泡槽内的水排净时，通过有机溶剂蒸汽供给单元向腔体内通入有机溶剂蒸汽，在预设时间内，将所述腔内压强自所述第一压强降低至第二压强，所述有机溶剂蒸汽干燥步骤包括：恒压干燥步骤，在预设时间内，将所述腔体内的压强保持在所述第一压强，同时向所述腔体内通入有机溶剂蒸汽；和降压干燥步骤，逐步将所述腔体内的压强自所述第一压强降低至所述第二压强，同时向所述腔体内通入有机溶剂蒸汽，通过降低腔内压强的形式而控制并加快少量水分的蒸发；
升温干燥步骤，停止气体供给，通过温度调控系统将所述腔体内温度升至预设温度；以及，
取出步骤，通过所述惰性气体供给单元向所述腔体内通入惰性气体直到所述腔体内压强与所述腔体外部压强相同，取出所述晶圆。
2.根据权利要求1所述的晶圆处理方法，其特征在于，
所述向腔体内通入有机溶剂蒸汽具体包括如下步骤：
使所述惰性气体和有机溶剂分别经由气体流量计和液体流量计进入雾化装置，并通过温控器调节温度，使有机溶剂以蒸汽形式经由喷淋头均匀地与所述晶圆表面接触。
3.根据权利要求1所述的晶圆处理方法，其特征在于，
所述惰性气体为氮气，所述有机溶剂蒸汽为异丙醇蒸汽。
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