CN111383946A - 一种纳米图形快速固化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米图形快速固化装置，包括腔体，在腔体内设有旋转夹持机构和微波耦合匹配器，旋转夹持机构包括载片台和旋转电机，旋转电机与载片台以机械方式相连接，进而能够驱使载片台围绕旋转电机的旋转轴转动；微波耦合匹配器通过微波传输导线与微波功率源相连接，微波耦合匹配器包括微波天线、阻抗匹配网络和微波检测器，根据微波检测器的检测结果，阻抗匹配网络自动调整，以使得微波天线能够将微波功率源的输出功率完全施加至腔体内；腔体内还设有开口，其通过导管与外部的真空泵组相连。本发明纳米图形快速固化装置，能够有效彻底地清除晶圆上的水分，进而快速固化纳米图形结构，并且干燥过程不会导致这些结构塌陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种固化装置，特别涉及一种纳米图形快速固化装置。
背景技术
现代集成电路工艺不断向着更小特征尺寸和更大晶圆尺寸方向发展，例如特征尺寸进入10纳米以及晶圆直径大于12寸，这对微电子器件制作工艺提出了更大的挑战。因为在微电子器件的制造过程中，随着特征尺寸的进一步减小和结构复杂程度的进一步提高，晶圆上的纳米图形结构的塌陷已成为日益严重的问题。结构塌陷的原因有很多，例如受到外界力的作用、结构自身的应力、较弱的结构材料以及干燥过程中的表面张力等。其中，由于湿法工艺的存在，晶圆上的纳米图形结构内可能存留少量的水分，特别是深沟深槽内，这些水分在干燥过程往往会因表面张力作用而造成纳米图形结构的塌陷，因此，如何快速有效地彻底去除这些水分是避免上述塌陷的关键。
传统的干燥装置，例如离心甩干机，它是利用离心力将水分从晶圆内甩出从而实现干燥，这样方式对宏观结构是有效的，然而对纳米图形结构很难彻底清除其内附着的水分。
又如氮气枪，它是利用喷出的氮气对晶圆上结构进行吹扫，这样方式对宽浅槽结构是有效的，但是对于高深宽比的光刻胶深槽基本无效，甚至还有可能因吹扫力过大而将这些结构吹塌。
此外，还有一些复合干燥装置，即在上述这些装置的基础上增加高温干燥模块，利用烘烤的方式来干燥，然而由于上述装置无法彻底清除水分，在烘烤过程中，会因附着在纳米图形结构内的水分的表面张力作用，不可避免地会使得纳米图形从内部塌陷，造成整个晶圆报废，损失很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米图形快速固化装置，能够有效彻底地清除晶圆上的水分，进而快速固化纳米图形结构，并且干燥过程不会导致这些结构塌陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米图形快速固化装置，包括腔体，在所述腔体内设有旋转夹持机构和微波耦合匹配器；其中，所述旋转夹持机构包括载片台和旋转电机，所述载片台用于承载已显影置换后的晶圆，所述旋转电机与所述载片台采用机械方式相连接，使所述载片台围绕所述旋转电机的旋转轴转动；其中，所述微波耦合匹配器通过微波传输导线与微波功率源相连接，所述微波耦合匹配器包括微波天线、阻抗匹配网络和微波检测器，所述微波检测器用于检测所述微波功率源输出至所述微波耦合匹配器的微波功率信号的入射功率和反射功率，并且根据所述入射功率和所述反射功率，自动调整所述阻抗匹配网络，直至所述微波天线将所述微波功率源的输出功率全部施加至所述腔体内；所述腔体内还设有开口，所述开口通过导管与外部的真空泵组相连，将所述腔体内的水汽排出至所述腔体外。
进一步地，所述腔体内还设有紫外固化灯。
进一步地，所述载片台具有真空吸附装置，通过所述真空吸附装置将所述晶圆固定在所述载片台上。
进一步地，所述微波功率源的频率范围为900MHz至13GHz。
进一步地，所述微波功率源的额定输出功率范围为100W至5000W。
进一步地，所述载片台围绕所述旋转电机的旋转轴转动的速度范围为每分钟100转至每分钟10000转。
进一步地，所述阻抗匹配网络包括微带线和可调电容。
进一步地，所述微波检测器还包括一幅值相位检测电路，且所述幅值相位检测电路用于检测所述微波功率信号的电压和电流之间的幅值相位关系。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
A、本发明纳米图形快速固化装置，首先利用旋转夹持机构将晶圆进行旋转甩干，再利用微波使得晶圆上的纳米图形结构内存留的水分进入一种旋转的超临界状态，从而打破水分子团簇结构，消除水的表面张力，所以解决了纳米图形结构在干燥过程中发生的断裂、倒伏或粘连等问题，能够有效彻底地清除晶圆上的水分，实现对纳米图形结构的快速固化。
B、本发明纳米图形快速固化装置，包括有微波耦合匹配器，其能够根据因腔体内的负载变化而引起入射功率和反射功率变化的情况，自动调整阻抗匹配网络，从而自适应地调节微波功率源输出至微波耦合匹配器的微波功率，进而使得微波天线能够将微波功率源的输出功率完全施加至腔体内，输送过程功率耗损最小，水分干燥更为充分。
C、本发明纳米图形快速固化装置还设有紫外固化灯，可以对纳米图形结构进行辅助固化，有助于增强干燥固化效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种纳米图形快速固化装置的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种纳米图形快速固化装置，包括腔体1、紫外固化灯2、微波耦合匹配器3、微波传输导线4、微波功率源5、旋转夹持机构、晶圆6、载片台7、真空泵组8、导管9和旋转电机10。
其中，腔体1一般由铝材料制成，可以采用纯铝或铝合金材料；旋转夹持机构包括载片台7和旋转电机10，载片台7设置在腔体1内的底部，用于承载已显影置换后的晶圆6，载片台7还具有真空吸附装置，以便于将晶圆6固定在载片台7上；旋转电机10与载片台7以机械方式相连接，进而能够驱使载片台围绕旋转电机的旋转轴转动，并且转动的速度范围为每分钟100转至每分钟10000转，其中，所述机械方式包括并不限于螺纹连接、键槽连接和销孔连接等等。本发明纳米图形快速固化装置可采用首先进行旋转甩干的方式来清除晶圆上的大部分水分，然后再利用微波方式来彻底去除晶圆上的纳米图形结构内部附着的少量水分；或者旋转甩干方式与微波方式同时进行。
在腔体1的侧壁，设置有微波耦合匹配器3，腔体1外的微波功率源5通过微波传输导线4与微波耦合匹配器3相连接，并将微波功率输送至微波耦合匹配器3，微波耦合匹配器3包括有微波天线、阻抗匹配网络和微波检测器。微波天线用于将微波功率施加至腔体1内部，阻抗匹配网络用于调节负载阻抗与微波功率源的输出阻抗相匹配，而微波检测器用于检测微波功率源输出至微波耦合匹配器的微波功率信号的入射功率和反射功率。此外，微波检测器还包括幅值相位检测电路，其用于检测微波功率信号的电压和电流之间的幅值相位关系，这可以辅助判断阻抗匹配情况。
由于腔体1内的负载并不恒定，晶圆的水分从液态到气态，并且将水分排出腔体外，整个负载处于动态变化过程；又因微波是高频传输，当负载阻抗变化时，而微波功率源的设计输出阻抗是固定的，因此需要在负载与微波功率源之间增设阻抗匹配网络，该阻抗匹配网络用于将负载阻抗变换为与微波功率源的设计输出阻抗相匹配，从而达到将微波功率源的输出功率完全施加至负载上的目的。
通过微波检测器检测的入射功率和反射功率的情况反映了负载(本发明中的负载是腔体1内的各物质之和，包括微波天线)与阻抗匹配网络结合后是否与微波功率源的输出阻抗相匹配，若完全匹配，则微波功率源的输出功率可通过微波天线完全施加至腔体内，表征为入射功率与微波功率源的输出功率相同，而反射功率为0，幅值相位关系表现为相位为0和幅值等于输出功率与输出阻抗乘积的开方；若不完全匹配，则在微波功率源与微波耦合匹配器之间的传输路径上存在驻波，有功率损耗，入射功率小于微波功率源的输出功率，而反射功率不为0，幅值相位关系表现为相位不为0和幅值不等于输出功率与输出阻抗乘积的开方。
当检测到阻抗不匹配时，由微带线和可调电容组成的阻抗匹配网络将自动调整，例如调节可调电容的容值，由此改变阻抗匹配状态，直至阻抗匹配，即反射功率为0，入射功率等于微波功率源的输出功率，相位为0和幅值等于输出功率与输出阻抗乘积的开方，只有这种情况下，阻抗匹配网络才停止调整，认为微波天线能够将微波功率源的输出功率完全施加至腔体内，达到最佳干燥固化效果。
其中，微波功率源5的频率范围为900MHz至13GHz，优选915MHz至10GHz，特别是915MHz至3GHz；微波功率源5的额定输出功率范围为100W至5000W，优选200W至3500W，特别是200W至2000W。微波传输导线4可采用波导带或同轴电缆。
在腔体1的侧壁，设置有开口，其通过导管9与外部的真空泵组8相连，用于将腔体1内因干燥过程而产生的水汽排除至腔体1外。在腔体1内的顶部，设置有紫外固化灯2，用于对放置在其下方且吸附在载片台7上的晶圆的纳米图形结构进行辅助固化。
利用电磁波进行干燥的基本物理原理如下：由于水属于极性分子，极性分子在没有外加电场时不显示极性。在外加交变电磁场的条件下，水分子会迅速极化，外加交变电磁场越强，极化作用也越强。此时，分子热运动的动能增大，也就是热量增加，水的温度也随之升高，实现了电磁能向热能的转换。因此，水分子能够吸收电磁波，将电磁波能量转换成为热量而吸收。随着外加交变电磁场方向不断改变，水分子的极性也随之不断翻转，最终在交变电场中，快速旋转，动能增加，从液态快速升温汽化，避免气液界面的产生，达到良好的干燥效果，实现无损伤干燥。
本发明纳米图形快速固化装置的工作原理及过程如下：具有纳米图形结构的晶圆6经过显影后，再利用去离子水将显影液置换出来，由此得到含有一定水分的晶圆6。然后，将此晶圆6放入本发明纳米图形快速固化装置的腔体1内，搁置在载片台7上，关闭腔体1，上电启动纳米图形快速固化装置。此时，载片台7的真空吸附装置启动，将晶圆6贴紧在载片台7上，首先旋转电机10开始带动载片台7以一定速度旋转，例如每分钟2000转，通过旋转能够将晶圆6上的大部分水分清除，此时真空泵组8也启动，将水分排出腔体1外。旋转一段时间后，例如10分钟，停止旋转电机10，启动微波功率源5，微波功率源5通过微波传输导线4将一定功率的微波能量输送至微波耦合匹配器3，微波耦合匹配器3借助于微波天线将微波能量施加至腔体1内部，同时启动阻抗匹配网络和微波检测器，实时检测和进行阻抗匹配，使得微波功率源的输出功率能够完全施加至腔体1内部，从而使得晶圆6上的纳米图形结构内部附着的少量水分能够吸收相应的微波能量，实现水分子的极化，进入一种旋转的超临界状态，由此打破水分子团簇结构，消除水的表面张力，并且将电磁波能量转换为热量，从液态快速升温汽化，与此同时，外部的真空泵组8也通过导管9将汽化产生的水汽不断地排除至腔体1外，达到干燥效果。另外，根据需要，可开启紫外固化灯2，这能够辅助固化纳米图形结构，进一步加快干燥过程。因此，采用本发明提供的纳米图形快速固化装置，解决了纳米图形结构在干燥过程中发生的断裂、倒伏或粘连等问题，能够有效彻底地清除晶圆上的水分，从而达到快速固化纳米图形的目的。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种纳米图形快速固化装置，其特征在于，包括腔体，在所述腔体内设有旋转夹持机构和微波耦合匹配器；
其中，所述旋转夹持机构包括载片台和旋转电机，所述载片台用于承载已显影置换后的晶圆，所述旋转电机与所述载片台采用机械方式相连接，使所述载片台围绕所述旋转电机的旋转轴转动；
其中，所述微波耦合匹配器通过微波传输导线与微波功率源相连接，所述微波耦合匹配器包括微波天线、阻抗匹配网络和微波检测器，所述微波检测器用于检测所述微波功率源输出至所述微波耦合匹配器的微波功率信号的入射功率和反射功率，并且根据所述入射功率和所述反射功率，自动调整所述阻抗匹配网络，直至所述微波天线将所述微波功率源的输出功率全部施加至所述腔体内；
所述腔体内还设有开口，所述开口通过导管与外部的真空泵组相连，将所述腔体内的水汽排出至所述腔体外。
2.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述腔体内还设有紫外固化灯。
3.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述载片台具有真空吸附装置，通过所述真空吸附装置将所述晶圆固定在所述载片台上。
4.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述微波功率源的频率范围为900MHz至13GHz。
5.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述微波功率源的额定输出功率范围为100W至5000W。
6.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述载片台围绕所述旋转电机的旋转轴转动的速度范围为每分钟100转至每分钟10000转。
7.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述阻抗匹配网络包括微带线和可调电容。
8.根据权利要求1所述的纳米图形快速固化装置，其特征在于：所述微波检测器还包括一幅值相位检测电路，且所述幅值相位检测电路用于检测所述微波功率信号的电压和电流之间的幅值相位关系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200707 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |