CN114914176A - 晶圆干燥方法以及半导体干燥设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶圆干燥方法以及半导体干燥设备，用于处理表面具有掩膜层的晶圆；方法包括：将晶圆置入干燥槽中；向干燥槽内部通入去离子水，直至去离子水液面高度完全高于晶圆；去离子水温度具有第一预设温度；向干燥槽内部液面上方的空间中通入异丙醇蒸汽，以与去离子水相溶并在液面上形成异丙醇溶液膜；异丙醇蒸汽温度具有第二预设温度，第二预设温度满足掩膜层无法与异丙醇蒸汽相溶，且上述第一预设温度满足去离子水能够与异丙醇蒸汽相溶；保持向空间中通入异丙醇蒸汽，同时驱动晶圆上升，直至晶圆完全高于去离子水液面。本发明实施例提供的晶圆干燥方法以及半导体干燥设备，能够在保证晶圆的干燥效果的同时避免损伤晶圆表面的掩膜层。

Description

晶圆干燥方法以及半导体干燥设备
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种晶圆干燥方法以及一种半导体干燥设备。
背景技术
随着半导体制造工艺的发展，集成电路芯片的特征尺寸越来越小，相应的，半导体制造工艺对晶圆表面洁净度的要求也越来越高，因此湿法工艺的工艺效果也越来越重要。晶圆干燥作为湿法工艺的最后一步，其用于去除晶圆表面的水分子，以避免晶圆表面残留的水痕融入了空气中的氧而生成二氧化硅、硅酸或者硅酸盐沉淀，可见，晶圆干燥的工艺效果是至关重要的。
目前，传统晶圆干燥工艺通常采用马兰戈尼(Marangoni)干燥法，其利用了马兰戈尼效应：由于表面张力不同的两种液体的界面存在表面张力梯度，而使液体从表面张力低向张力高的方向流动。该方法具体包括：在完成晶圆清洗工艺后，利用热氮气携载异丙醇(IPA)进入干燥槽，热异丙醇溶解到水里形成一层异丙醇薄膜，在晶圆慢提拉过程中，热氮气继续携带异丙醇进入干燥槽，则异丙醇在晶圆表面的浓度大于在水中的浓度，以利用异丙醇表面张力与去离子水表面张力的不同，晶圆表面水分子由晶圆表面流向去离子水面，即，利用异丙醇蒸汽将晶圆表面水分子置换掉。
但是，在一些特殊制程中，为了对晶圆表面指定的区域进行刻蚀，需要在晶圆的表面覆盖光刻胶，以在后续步骤中形成刻蚀图案。然而，由于异丙醇和光刻胶都是有机物，在高温条件下光刻胶会溶于异丙醇中，因此高温异丙醇蒸汽会破坏光刻胶，并导致光刻胶从晶圆表面剥离并形成光刻胶残留，可见，这不仅会对晶圆上的刻蚀图案造成破坏，还会对晶圆和干燥槽内环境造成污染，进而对同一干燥槽进行干燥的晶圆造成交叉污染。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种晶圆干燥方法以及半导体干燥设备，其能够在保证晶圆的干燥效果的同时避免损伤晶圆表面的光刻胶。
为实现本发明的目的而提供一种晶圆干燥方法，用于处理表面具有掩膜层的晶圆，所述掩膜层的材质包含有机物质，其包括：
将所述晶圆置入干燥槽中；
向所述干燥槽内部通入具有第一预设温度的去离子水，直至所述去离子水液面高度完全高于所述晶圆；
向所述干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽，以与所述去离子水相溶并在液面上形成异丙醇溶液膜；其中，所述第二预设温度满足所述掩膜层无法与所述异丙醇蒸汽相溶，且所述第一预设温度满足所述去离子水能够与所述异丙醇蒸汽相溶；
保持向所述空间中通入所述异丙醇蒸汽，同时驱动所述晶圆上升，直至所述晶圆完全高于所述去离子水液面。
可选的，所述第一预设温度大于等于40℃，且小于等于80℃。
可选的，所述第二预设温度小于等于30℃。
可选的，所述向所述干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽的步骤，包括：
采用常温的携载气体携带所述异丙醇蒸汽进入所述干燥槽；所述异丙醇蒸汽和所述携载气体的混合气体的流量为10L/min～200L/min。
可选的，所述向所述干燥槽内部通入具有第一预设温度的去离子水，直至所述去离子水液面高度完全高于所述晶圆，还包括：
以第一流量通入所述去离子水，并保持以第一溢流状态持续第一预设时长；其中，所述第一流量为10L/min～60L/min；所述第一预设时长为10s～60s。
可选的，在所述向所述干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽之前，还包括：
以第二流量向所述空间中持续通入所述携载气体，并持续第二预设时长，以将所述空间中原有的气体排出；其中，所述第二流量为10L/min～200L/min；所述第二预设时长时长为10s～60s。
可选的，所述保持向所述空间中通入所述异丙醇蒸汽，同时驱动所述晶圆上升，直至所述晶圆完全高于所述去离子水液面的步骤包括：
以第三流量通入所述去离子水，并保持第二溢流状态，控制机械手以预设上升速度移动，以减小液面与晶圆表面相对运动速度；其中，所述预设上升速度为0.1mm/s～10mm/s，所述第三流量为0.1L/min～10L/min。
可选的，所述晶圆完全高于所述去离子水液面后，还包括：
持续通入所述异丙醇蒸汽，同时排空所述干燥槽内的所述去离子水；
通入所述携载气体对所述晶圆进行干燥。
可选的，所述掩膜层为光刻胶层。
作为另一种技术方案，本发明实施例还提供一种半导体干燥设备，其用于执行上述任意一个实施例中所述的晶圆干燥方法。
可选的，半导体干燥设备包括：干燥槽和去离子水加热装置；其中，所述去离子水加热装置的输入端与外部去离子水源连通，所述去离子水加热装置的输出端与所述干燥槽的进水口连通；所述去离子水加热装置用于对流经自身的去离子水进行加热。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的晶圆干燥方法，通过在干燥过程中的通入具有第一预设温度的去离子水，该第一预设温度满足去离子水能够与异丙醇蒸汽相溶，以能够保证其与异丙醇蒸汽的溶解度；并且，通过在干燥过程中的通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽，该第二预设温度满足掩膜层中的有机物质无法与异丙醇蒸汽相溶，以能够避免晶圆表面的掩膜层图案因异丙醇蒸汽过热而受损；这样，在干燥过程中，既能够避免晶圆上的刻蚀图案被破坏和污染干燥槽，又能够保证晶圆的干燥效果。
本发明提供的半导体干燥设备，用于执行上述干燥方法，以既能够避免干燥槽被污染，又能够保证晶圆的干燥效果。
附图说明
图1为马兰戈尼干燥法原理示意图；
图2为本发明实施例提出的晶圆干燥方法的流程图；
图3为晶圆表面水痕缺陷的电镜图；
图4为本发明实施例提出的半导体干燥设备的结构简图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的晶圆干燥方法以及半导体干燥设备进行详细描述。
如图1所示，在采用马兰戈尼干燥法对晶圆进行干燥的过程中，晶圆保持其表面与竖直方向相平行，并被缓慢地提升；在此过程中，晶圆、液体和气体三者交界处会在表面张力的作用下形成一个“弯月面”。具体的，以图1中的A点和B点为例，其中，A点为去离子水液面与晶圆表面交界处的最高点，B为去离子水与异丙醇蒸汽交界处的远离晶圆的某一点；如图1所示，A点附近的去离子水量较少，B点附近的去离子水量较多，因此随着晶圆在缓慢地被提升，异丙醇蒸汽会不断地溶于去离子水中，A点处的异丙醇溶液浓度就会升高，且远高于B点处的异丙醇溶液浓度。而由于异丙醇溶液浓度越高，液面张力就越小，这就导致了马兰戈尼效应的发生，即，A点处到B点处之间的液面存在表面张力梯度导致液体从表面张力低处向张力高处的流动，因此，A点处的液体会不断地向B点处流动，从而在晶圆缓慢地上升的过程中，晶圆表面的去离子水会不断地朝着远离晶圆方向流动，进而在晶圆完全高于去离子水表面后，晶圆表面将不会残留去离子水，从而完成晶圆的干燥工艺。
如图1所示，在干燥过程中，晶圆的已被干燥的部分表面会长时间地暴露在异丙醇蒸汽中。但是在晶圆表面具有掩膜层的情况下，由于异丙醇蒸汽温度较高，因此附着在晶圆表面的掩膜层中的有机物质容易与高温异丙醇蒸汽相溶，进而导致掩膜层形成的构图图案被损坏。
为了解决上述技术问题，本实施例提供一种晶圆干燥方法，用于处理表面具有掩膜层的晶圆，掩膜层的材质包含有机物质，例如，在一些实施例中，掩膜层为光刻胶层。
如图2所示，该晶圆干燥方法包括：
步骤S1：将晶圆置入干燥槽中；
步骤S2：向干燥槽内部通入具有第一预设温度的去离子水，直至去离子水液面高度完全高于晶圆；
步骤S3：向干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽，以与去离子水相溶并在液面上形成异丙醇溶液膜；
具体的，上述步骤S3中的第二预设温度满足掩膜层无法与异丙醇蒸汽相溶，以保证在掩膜层暴露在异丙醇蒸汽中时不会被损坏；而且，上述步骤S2中的第一预设温度满足去离子水能够与异丙醇蒸汽相溶，以保证晶圆、去离子水和异丙醇蒸汽交界处马兰戈尼效应的发生；
步骤S4：保持向液面上方的空间中通入异丙醇蒸汽，同时驱动晶圆上升，直至晶圆完全高于去离子水液面。具体的，为了保证干燥效果，步骤S4中晶圆的上升速度应当尽可能地慢，例如，上升速度为0.1mm/s～10mm/s。
本实施例提出的晶圆干燥方法通过采用具有上述第二预设温度的异丙醇蒸汽，能够避免晶圆表面的掩膜层不会受到异丙醇蒸汽的损伤，从而能够保护晶圆的掩膜层形成的构图图案，以在后续的刻蚀步骤中能够刻蚀出期望的晶圆表面，而且能够避免溶解到异丙醇蒸汽中的有机物质污染干燥槽内环境，以供后续其他晶圆能够在该干燥槽内进行干燥工艺。
而且，若一味降低异丙醇蒸汽的温度，则会造成异丙醇蒸汽在去离子水中的溶解度大大降低，导致在步骤S3中无法在液面上形成完整的异丙醇溶液膜，或者导致在晶圆缓慢地升起的过程中A点处的溶液浓度和B点处的溶液浓度相差不大，进而导致马兰戈尼效应难以发生，A点处的液体不能完全向B点处流动，导致晶圆表面残留有去离子水，并在吸收了氧气后在晶圆表面形成如图3所示的水痕缺陷。为了避免这种情况的发生，本实施例提出的晶圆干燥方法通过使去离子水具有第一预设温度，以保证去离子水与第二预设温度的异丙醇蒸汽能够相溶，从而在后续晶圆缓慢地升起的过程中，马兰戈尼效应能够在液面处有效地发生，进而能够保证晶圆的干燥效果。
在一些实施例中，上述第一预设温度大于等于40℃，此温度下的去离子水易与异丙醇蒸汽相溶；但为了降低工艺难度并节约工艺耗能，去离子水温度不必过高，因此，上述第一预设温度还小于等于80℃。
在一些实施例中，上述第二预设温度小于等于30℃，在此温度下的异丙醇蒸汽不会与掩膜层相溶。而且，在一些优选的实施例中，上述第二预设温度也不必过低，大于等于25℃即可，从而不需要额外设置异丙醇温度调节装置，使异丙醇蒸汽保持在室温条件下即可。
在一些实施例中，上述步骤S3和步骤S4中，向干燥槽通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽的方式为：采用常温的携载气体携带异丙醇蒸汽进入干燥槽，且异丙醇蒸汽和携载气体的混合气体的流量为10L/min～200L/min。优选的，在一些实施例中，携载气体例如为氮气。
在一些实施例中，在上述步骤S2中，以第一流量通入去离子水，并保持以第一溢流状态持续第一预设时长，以使去离子水快速地浸没晶圆；其中，第一流量为10L/min～60L/min；第一预设时长为10s～60s。
在一些实施例中，在进行上述步骤S3之前，即在向干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽之前，还包括以下步骤：
以第二流量向干燥槽中液面以上的空间中持续通入携载气体，并持续第二预设时长，以将该空间中原有的气体排出，避免其影响干燥工艺的进行。其中，第二流量为10L/min～200L/min，以将原有的气体快速地排出；第二预设时长为10s～60s。
在一些实施例中，上述步骤S4，即驱动晶圆上升的步骤，具体包括以下步骤：
以第三流量通入去离子水，并保持第二溢流状态，控制机械手以预设上升速度移动，以减小液面与晶圆表面相对运动速度，从而保证晶圆能够被充分干燥；其中，预设上升速度为0.1mm/s～10mm/s，第三流量为0.1L/min～10L/min。
在一些实施例中，在上述步骤S4完成后，还包括以下步骤：
持续通入异丙醇蒸汽，同时排空干燥槽内的去离子水；
通入携载气体对晶圆进行干燥，以保证晶圆表面不会残留去离子水。而且由于携载气体通常为氮气，因此利用携载气体吹扫晶圆表面能够避免晶圆被氧化。
作为另一种技术方案，为了进行上述晶圆干燥方法，本实施例还提供一种用于执行上述晶圆干燥方法的半导体干燥设备。
在一些实施例中，上述半导体干燥设备包括：干燥槽1和去离子水加热装置2；其中，如图4所示，干燥槽1用于容纳上述晶圆干燥方法的进行，干燥槽1的上部具有至少一个进气口11，干燥槽1的底部具有至少一个进水口12以及至少一个出水口13。
去离子水加热装置2的输入端与外部去离子水源连通，去离子水加热装置2的输出端与干燥槽1的进水口连通；去离子水加热装置2用于对流经自身的去离子水进行加热，以将输送至干燥槽1中的去离子水温度控制在上述第一预设温度。
在一些实施例中，如图4所示，半导体干燥设备还包括异丙醇液槽3和携载气体管路5；其中，携载气体管路5包括第一支路51、第二支路52和第三支路53；第一支路51的进气端与携载气源连通，第一支路51的出气端与异丙醇液槽3的进气口连通；携载气体管路5的第二支路52的两端分别连通异丙醇液槽3的出气口和干燥槽1的进气口11，以在第一支路51和第二支路52中的通断阀均开启时，使携载气体能够携带异丙醇蒸汽进入干燥槽1；第三支路53的两端分别与第一支路51和第二支路52连通，且第三支路53的进气端和出气端均分别位于第一支路51中的通断阀的上游和第二支路52中的通断阀的上游，以在第一支路51中的通断阀关闭、第二支路52中的通断阀开启时，使携载气体不会进入异丙醇液槽3中，而是直接进入干燥槽1中，以对晶圆进行吹扫，使之表面干燥。
在一些实施例中，如图4所示，为了驱动晶圆上升，干燥槽中还设置有机械手4。
基于上述晶圆干燥方法和半导体干燥设备，本实施例还提供一种晶圆干燥方法的具体实施流程，包括以下步骤：
步骤S01：将晶圆放入干燥槽中；
步骤S02：控制机械手带动晶圆下降至待干燥工位；
步骤S03：开启干燥槽底部的进水口，向干燥槽内部通去离子水进行以大流量溢流，并使液面完全高于晶圆；具体的，此步骤中的去离子水流量为10L/min～60L/min，通水时间为10s～60s，水温为40℃～80℃；
步骤S04：开启干燥槽上部的进气口和与该进气口对侧的出气口，并向液面上方空间通入氮气，并将空间中原有的空气置换掉；具体的，此步骤中氮气流量为10L/min～200L/min，通气时间为10s～60s，氮气温度为25℃～30℃；
步骤S05：开启干燥槽上部的进气口，并向液面上方空间持续通入异丙醇蒸汽-氮气混合气体，以在水面形成一层异丙醇溶液薄膜；具体的，此步骤中的异丙醇蒸汽和氮气温度均为25℃～30℃，混合气体的流量为10L/min～200L/min；
步骤S06：保持步骤S05中的通气状态，同时控制干燥槽中的机械手带动晶圆缓慢上升，并利用去离子水进行小流量溢流，以使液面与晶圆表面相对运动速度尽可能地小；具体的，机械手的上升速度为0.1mm/s～10mm/s，去离子水流量为0.1L/min～10L/min；
步骤S07：在当晶圆完全脱离水面后，继续保持步骤S05中的通气状态，并开启干燥槽底部的出水口，直至去离子水排空；具体的，此步骤中的通气时间为10s～300s；
步骤S08：开启干燥槽上部的进气口，向干燥槽通入氮气，对干燥槽以及晶圆进行吹扫，以去除晶圆表面残留的异丙醇，使晶圆完全干燥；具体的，此步骤中的进气流量为10L/min～200L/min，通气时长为10s～300s；
步骤S09：干燥工艺完成，开启干燥槽槽盖，将晶圆由干燥槽取出。
本实施例提供的晶圆干燥方法，通过在干燥过程中的通入具有第一预设温度的去离子水，该第一预设温度满足去离子水能够与异丙醇蒸汽相溶，以能够保证其与异丙醇蒸汽的溶解度；并且，通过在干燥过程中的通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽，该第二预设温度满足掩膜层中的有机物质无法与异丙醇蒸汽相溶，以能够避免晶圆表面的掩膜层图案因异丙醇蒸汽过热而受损；这样，在干燥过程中，既能够避免晶圆上的刻蚀图案被破坏和污染干燥槽，又能够保证晶圆的干燥效果。
本实施例提供的半导体干燥设备，用于执行本实施例提供的干燥方法，以既能够避免干燥槽被污染，又能够保证晶圆的干燥效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种晶圆干燥方法，用于处理表面具有掩膜层的晶圆，所述掩膜层的材质包含有机物质，其特征在于，包括：
将所述晶圆置入干燥槽中；
向所述干燥槽内部通入具有第一预设温度的去离子水，直至所述去离子水液面高度完全高于所述晶圆；
向所述干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽，以与所述去离子水相溶并在液面上形成异丙醇溶液膜；其中，所述第二预设温度满足所述掩膜层无法与所述异丙醇蒸汽相溶，且所述第一预设温度满足所述去离子水能够与所述异丙醇蒸汽相溶；
保持向所述空间中通入所述异丙醇蒸汽，同时驱动所述晶圆上升，直至所述晶圆完全高于所述去离子水液面。
2.根据权利要求1所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述第一预设温度大于等于40℃，且小于等于80℃。
3.根据权利要求1所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述第二预设温度小于等于30℃。
4.根据权利要求1所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述向所述干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽的步骤，包括：
采用常温的携载气体携带所述异丙醇蒸汽进入所述干燥槽；所述异丙醇蒸汽和所述携载气体的混合气体的流量为10L/min～200L/min。
5.根据权利要求1所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述向所述干燥槽内部通入具有第一预设温度的去离子水，直至所述去离子水液面高度完全高于所述晶圆，还包括：
以第一流量通入所述去离子水，并保持以第一溢流状态持续第一预设时长；其中，所述第一流量为10L/min～60L/min；所述第一预设时长为10s～60s。
6.根据权利要求4所述的晶圆干燥方法，其特征在于，在所述向所述干燥槽内部液面上方的空间中通入具有第二预设温度的异丙醇蒸汽之前，还包括：
以第二流量向所述空间中持续通入所述携载气体，并持续第二预设时长，以将所述空间中原有的气体排出；其中，所述第二流量为10L/min～200L/min；所述第二预设时长时长为10s～60s。
7.根据权利要求1所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述保持向所述空间中通入所述异丙醇蒸汽，同时驱动所述晶圆上升，直至所述晶圆完全高于所述去离子水液面的步骤包括：
以第三流量通入所述去离子水，并保持第二溢流状态，控制机械手以预设上升速度移动，以减小液面与晶圆表面相对运动速度；其中，所述预设上升速度为0.1mm/s～10mm/s，所述第三流量为0.1L/min～10L/min。
8.根据权利要求4所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述晶圆完全高于所述去离子水液面后，还包括：
持续通入所述异丙醇蒸汽，同时排空所述干燥槽内的所述去离子水；
通入所述携载气体对所述晶圆进行干燥。
9.根据权利要求1所述的晶圆干燥方法，其特征在于，所述掩膜层为光刻胶层。
10.一种半导体干燥设备，其特征在于，用于执行权利要求1-9任意一项所述的晶圆干燥方法。
11.根据权利要求10所述的半导体干燥设备，其特征在于，包括：干燥槽和去离子水加热装置；其中，所述去离子水加热装置的输入端与外部去离子水源连通，所述去离子水加热装置的输出端与所述干燥槽的进水口连通；所述去离子水加热装置用于对流经自身的去离子水进行加热。
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WO2024051335A1 (zh) * 2022-09-08 2024-03-14 上海至纯洁净系统科技股份有限公司 一种可提升晶圆干燥效能的液体张力控制方法

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