CN1271686C

CN1271686C - 清洗孔洞材料的方法及其装置

Info

Publication number: CN1271686C
Application number: CN 03131382
Authority: CN
Inventors: 王静亚; 庄平; 林俞良; 周梅生; 罗冠腾
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: CN1549307A

Abstract

本发明涉及一种清洗孔洞材料的方法及其装置；此方法及其装置是在利用超临界流体清洗孔洞材料上的工艺残余物时，先在低压状态下使流体注入孔洞，再将反应压力从低压渐升至产生超临界流体的高压；如此一来，可平衡孔洞材料的内外压力，达到降低压力对孔洞材料的冲击的目的。

Description

清洗孔洞材料的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种清洗孔洞(Porous)材料的方法及其装置，特别是涉及一种于利用超临界流体(Supercritical Fluid)清洗孔洞材料的残余物时，降低超临界流体的高压对孔洞材料的冲击的方法及其所使用的装置。

背景技术

温度和压力同时高于临界值的流体称作超临界流体。超临界流体具有许多独特的性质，例如粘度、密度、扩散系数、溶解能力等性质，有些性质接近气体，而有些性质则与液体接近。超临界流体既具有气体的低粘度与高扩散系数，又具有液体的高密度与溶解能力，因而具有很好的流动、传热和渗透性能。

在现今的半导体工艺中，超临界流体可应用于显影光阻层、形成介电薄膜、以及清洗晶片上的工艺残余物等等。目前，利用超临界流体清洗晶片上的工艺残余物时，都是直接利用高压的超临界流体进行清洗。其中，常用的超临界流体必须在相当高的反应压力，大约每平方英寸400磅(lb/in²，psi)至4000psi(1psi≈703.3千克/平方米)之间下才能形成。

此外，为了提升组件的电性品质，目前大都采用低介电常数材料来作为多层金属联机间的隔离材料，以降低金属层与金属层间的寄生电容，而改善电阻电容延迟时间，进而达到提高组件操作速度以及降低组件功率消耗的目的。其中，低介电常数薄膜中通常具有孔洞用以降低介电常数，因此低介电常数薄膜的结构强度低于一般的介电薄膜，例如低于二氧化硅(SiliconDioxide)介电薄膜。

在半导体制造过程中，由于基材的洁净度对制造的合格率有举足轻重的影响，因此通常必须在每一道半导体工序进行之前，或者在每一道工序完成之后，另外再进行一道基材洗净的步骤，借以清除附着在基材上的工艺微粒以及化学残留物等。

当利用高压的超临界流体清洗附着于晶片上的工艺残余物或杂质时，晶片上由孔洞材料所构成的低介电常数薄膜亦会受到清洗。由于，孔洞材料中具有相当多孔洞，再加上超临界流体的压力非常大。因此，直接以超临界流体清洗孔洞材料时，孔洞材料突然受到高压超临界流体的挤压与冲击后，孔洞材料极可能会让超临界流体所压碎，甚至导致孔洞材料破裂。如此一来，工艺可靠度与产品合格率会受到相当严重的冲击。

发明内容

鉴于上述公知利用超临界流体清洗孔洞材料薄膜时，超临界流体的压力相当高，而超临界流体突来的高压冲击会压碎结构脆弱的孔洞材料薄膜，甚至使孔洞材料薄膜产生破裂而损坏。

因此，本发明的主要目的之一就是在提供一种清洗孔洞材料的方法，其是在利用超临界流体处理孔洞材料薄膜时，预先在低压下操作一段时间，然后再使反应压力从低压逐渐加压至产生超临界流体的高压。如此一来，流体分子即可在较低压的状态下，逐渐渗透到孔洞材料薄膜的孔洞中，并填满孔洞。于是，可大幅提高孔洞材料薄膜对后续的高压超临界流体的抵抗能力，进而可有效避免孔洞材料薄膜受到高压超临界流体的冲击而受损。

本发明的另一目的就是在提供一种清洗孔洞材料的方法，由于利用超临界流体清洗孔洞材料薄膜时，反应压力是从低压逐渐增加到超临界流体形成，因此清洗用的流体分子可先渗透至孔洞材料薄膜的孔洞中。如此一来，流体分子存在孔洞中的时间较长，而可更有效地溶解孔洞材料薄膜中的杂质，进而可大幅提升对孔洞材料薄膜的清洗效果。

本发明的再一目的就是在提供一种清洗孔洞材料的装置，至少包括可变动压力泵以及可程序化终点检测组件，其中可变动压力泵可改变超临界流体的入射压力，而可程序化终点检测组件可在清洗过程中提供数组不同终点的检测。因此，可提升清洗工艺的灵活度。

本发明的目的可通过如下措施实现：

根据以上所述的目的，本发明更提供了一种清洗孔洞材料的方法，至少包括下列步骤：提供一基材于一反应室中，其中此基材上至少包括一孔洞材料薄膜，且此孔洞材料薄膜至少包括多个孔洞；提供一清洗流体注入上述的反应室中，其中此反应室具有一初始压力；加热此清洗流体；以及以一预设加压速率提升上述反应室的压力，而使上述的清洗流体转变成一超临界流体，以利用此超临界流体清洗孔洞材料薄膜。

其中，以上述的预设加压速率提升反应室的压力时，还至少包括使清洗流体渗透进入孔洞材料薄膜的孔洞中，并使清洗流体充满孔洞材料薄膜的孔洞。

上述的清洗孔洞材料的方法，至少包括：

在一第一压力下提供一清洗流体持续一第一时间，以使该清洗流体的分子渗透至该孔洞材料的孔洞中；

加热该清洗流体；以及

在一第二压力下提供该清洗流体持续一第二时间，其中该第二压力大于该第一压力，且该清洗流体在该第二压力下形成一超界流体。

所述的清洗孔洞材料的方法，该清洗流体为二氧化碳。

所述的清洗孔洞材料的方法，该清洗流体选自于由氮、氩、氙、丙烷、氨、异丙醇、甲醇、以及水所组成的一族群。

所述的清洗孔洞材料的方法，该第一压力介于15psi与100psi之间。

所述的清洗孔洞材料的方法，该第二压力的大小取决于该清洗流体的种类。

所述的清洗孔洞材料的方法，该第二压力介于1000psi与6000psi之间。

所述的清洗孔洞材料的方法，该第一时间与该第二时间取决于该孔洞材料的性质和厚度以及该孔洞材料中的孔洞的尺寸。

所述的清洗孔洞材料的方法，该第一时间与该第二时间取决于该清洗流体的种类。

根据以上所述的目的，本发明另外还提供了一种清洗孔洞材料的装置，至少包括：一流体储存槽，其用以储放一流体；一可变动压力泵，其与该流体储存槽相连接且提供具不同压力的流体；一处理反应室，其与该可变动压力泵相连接且用以放置并清洗孔洞材料；一互溶剂槽，其与该处理反应室和该可变动压力泵相连接；预热器，其与该处理反应室、该互溶槽以及该可变动压力泵相连接；以及一终点检测器，其与该处理反应室相连接且用以检测出孔洞材料的清洗终点。

所述的清洗孔洞材料的装置，该终点检测器是一可程序化终点检测器。

本发明的优点在于：

本发明提供的清洗孔洞材料的方法及其装置，由于使清洗流体在较低压状态下先充满孔洞材料薄膜的孔洞，因此可增加孔洞材料薄膜的结构强度，有利于抵抗后续的超临界流体的高压冲洗，进而达到确保孔洞材料薄膜品质的目的。除此之外，还因为清洗流体存在孔洞的时间较长，而使得清洗流体有更长的时间溶解孔洞材料薄膜中的杂质与残余物，进而可大幅提升孔洞材料薄膜的清洗效果。又因为该清洗孔洞材料的装置至少包括可变动压力泵以及可程序化终点检测组件，可变动压力泵可改变超临界流体的入射压力，而可程序化终点检测组件可在清洗过程中提供数组不同终点的检测，因此，可提升清洗工艺的灵活度。

附图说明

图1是绘示本发明的一较佳实施例的清洗孔洞材料的流程图；以及

图2是绘示本发明的一较佳实施例的清洗处理器的运作示意图。

其中，附图标记说明如下：

100 提供基材

102 提供清洗流体

104 提高反应室的压力

106 形成超临界流体

200 清洗处理器

202 流体供应源

204 流体储存槽

206 可变动压力泵

208 互溶剂槽

210 泵

212 预热器

214 处理反应室

216 可程序化终点检测组件

218 分离器

具体实施方式

本发明揭示一种清洗孔洞材料的方法及其装置，其是在清洗前先在低压下操作一段时间，借以使清洗流体的分子渗透至孔洞材料薄膜中的孔洞并充满孔洞，再将反应压力从低压逐渐增加至超临界流体形成的高压。因此，不仅可平衡孔洞内外压力，而可提高孔洞材料薄膜抗超临界流体的高压冲击的能力，更可增加清洗流体分子对孔洞材料薄膜中的杂质的作用时间，有效提升清洗效果。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图1与图2的图标。

请参照图1，图1是绘示本发明的一较佳实施例的清洗孔洞材料的流程图，且请一并参照图2，图2是绘示本发明的一较佳实施例的清洗处理器的运作示意图。利用超临界流体清洗孔洞材料时，首先如同步骤100所述，将待清洗的基材送入清洗处理器200的处理反应室214中，其中此基材可为一般半导体工艺的晶片，且此基材可包括一层孔洞材料薄膜位于基材上。此层孔洞材料可为介电材料，且有相当多的孔洞分布在此层孔洞材料薄膜中。

待将基材固定在处理反应室214中后，如同步骤102所述，先由流体供应源202提供流体储存槽204清洗流体，再利用连接于流体储存槽204的可变动压力泵206控制清洗流体的压力并使清洗流体经过与可变动压力泵206连接的预热器212，而注入基材所在的处理反应室214中，以利用此清洗流体去除附着在基材及其上的孔洞材料薄膜上的工艺残余物或杂质。其中，预热器212也与处理反应室214连接。清洗流体注入处理反应室214一预设期间后，停止注入清洗流体。其中，清洗用的流体可采用氮(Nitrogen)、氩(Argon)、氙(Xenon)、二氧化碳(Carbon Dioxide)、丙烷(Propane)、氨(Ammonia)、异丙醇(Isopropanol)、甲醇(Methanol)、以及水等。此时，反应室压力的控制是根据所采用的清洗流体而定，这是因为所采用的清洗流体不同，其临界压力不同，所以反应室压力的大小亦不相同。下表一为所采用的清洗流体的临界压力与临界温度表。此外，此时的反应室压力与清洗流体注入时间受到下列因素的影响：待清洗的孔洞材料薄膜的性质、此孔洞材料薄膜的厚度、此孔洞材料薄膜中孔洞的尺寸、以及所采用的清洗流体对此孔洞材料的渗透性等。在本发明的一较佳实施例中，此时的反应室压力较佳是介于15psi与100psi之间。此外，若清洗流体为二氧化碳时，此时的反应室压力较佳为控制在约50psi左右。在处理反应室214的预加压期间，此时清洗用的流体的分子会渐渐渗透到孔洞材料薄膜的孔洞中，进而逐渐充满这些孔洞。

表一

流体	临界温度(T_c，℃)	临界压力(P_c，psi)
流体	临界温度(T_c，℃)	临界压力(P_c，psi)	氮	-147	492
氩	-122	706	氮	-147	492
氩	-122	706	氙	17	858
二氧化碳	31	1072	氙	17	858
二氧化碳	31	1072	丙烷	97	616
氨	133	1654	丙烷	97	616
氨	133	1654	异丙醇	236	690
甲醇	240	1173	异丙醇	236	690
甲醇	240	1173	水	374	3209

接着，如同步骤104所述，利用可变动压力泵206而以一预设加压速率逐渐提高处理反应室214的压力。其中，可变动压力泵206可根据工艺需求改变清洗流体的压力。此预设加压速率可取决于待清洗的孔洞材料薄膜的性质、此孔洞材料薄膜的厚度、以及此孔洞材料薄膜中孔洞的尺寸。

本发明的一特征就是由于清洗流体的分子在处理反应室214未达超临界流体的高压状态下，流体分子渐渐地充满孔洞材料薄膜的孔洞，进而使得孔洞材料薄膜中的每个孔洞的内外压力逐渐趋于平衡。借此可达到强化孔洞材料薄膜的整体结构强度的目的。

本发明的另一特征就是因为清洗流体在尚未达到形成超临界流体的高压时，流体分子已逐渐进入孔洞材料薄膜的孔洞中，而可先行溶解孔洞中的残余物或杂质。如此一来，可大幅延长清洗流体对孔洞中的残余物或杂质的作用时间。

当清洗的流体分子充满孔洞材料薄膜的孔洞时，即可利用可变动压力泵206将储放在流体储存槽204的流体抽出，并将流体的压力增加到超过此清洗流体的临界点，此时即如同步骤106所述，注入处理反应室214内的清洗流体转变成超临界流体。于是，可借由超临界流体所具有的优良渗透性能、高扩散系数、以及极佳的溶解能力等，将附着于基材及其上的孔洞材料薄膜上的工艺残余物予以去除。其中，清洗流体转变成超临界流体的临界压力取决于所使用的清洗流体的种类以及反应温度。在此较佳实施例中，此时的处理反应室214的压力较佳是增加至介于1000psi与6000psi之间。此外，在超临界流体进入预热器212之前，清洗处理器200亦可提供互溶剂槽208以及泵210，而可利用泵210将互溶剂槽208内的互溶剂加入超临界流体，来增加超临界流体的溶解力，进而提升超临界流体的清洗能力。其中，泵210的一端连接互溶剂槽208，而泵210的另一端则与预热器212以及可变动压力泵206连接。另外，预热器212可用以在超临界流体进入处理反应室214前，先加热超临界流体，亦可用以加热互溶剂，或同时加热超临界流体以及互溶剂。

超临界流体的清洗时间，可取决于待清洗的孔洞材料薄膜的性质、此孔洞材料薄膜的厚度、此孔洞材料薄膜中孔洞的尺寸、以及所采用的超临界流体对此孔洞材料的渗透性等。可程序化终点检测组件216连接于处理反应室214，可在清洗过程甲，计算处理反应室214从开始注入超临界流体至终止的总时间，或计算注入处理反应室214的超临界流体的体积。此可程序化终点检测组件216可根据清洗工艺的需求，提供数组不同终点的检测，并可据以变化清洗流体的注入压力。待可程序化终点检测组件216检测出清洗终点时，即可停止超临界流体的供应，而将清洗后的超临界流体收集在与可程序化终点检测组件216连接的分离器218中。此分离器218可用以将清洗后的超临界流体内的杂质或互溶剂过滤出。而且，若处理过后的超临界流体有回收使用的价值，则予以回收重复利用，而若并无回收使用的价值，也对环境无害的话，就可将其排放至外界环境中。

本发明之一优点就是因为利用超临界流体处理孔洞材料薄膜时，先在一低压环境下操作一段时间，再使反应压力从低压逐渐加压至产生超临界流体时的高压。如此一来，流体分子即可在较低压的状态下，逐渐渗透到孔洞材料薄膜的孔洞中，并填满孔洞。因此，可强化孔洞材料薄膜的结构强度，而可提升孔洞材料薄膜对后续的高压超临界流体的抵抗能力，确保孔洞材料薄膜的品质，进而达到改善产品合格率的目的。

本发明之又一优点就是因为利用超临界流体清洗孔洞材料薄膜时，反应室的压力系从低压逐渐增加到超临界流体形成所需的高压。因此，用以清洗的流体分子可先渗透至孔洞材料薄膜的孔洞中。如此一来，流体分子对孔洞材料薄膜的杂质的作用时间可获得大幅延长，而可更有效地溶解孔洞材料薄膜中的杂质，进而可达到提升孔洞材料薄膜的清洗效果的目的。

本发明的再一优点就是因为本发明的清洗孔洞材料的装置至少包括可变动压力泵以及可程序化终点检测组件。因此，可临场改变超临界流体的入射压力，亦可在清洗过程中提供数组不同终点的检测。固，可提升清洗工艺的灵活度。

如熟悉此项技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它在未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求范围内。

Claims

1、一种清洗孔洞材料的方法，至少包括：

加热该清洗流体；以及

2、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该清洗流体为二氧化碳。

3、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该清洗流体选自于氮、氩、氙、丙烷、氨、异丙醇、甲醇、以及水的其中之一。

4、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该第一压力介于15psi与100psi之间。

5、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该第二压力的大小取决于该清洗流体的种类。

6、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该第二压力介于1000psi与6000psi之间。

7、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该第一时间与该第二时间取决于该孔洞材料的性质和厚度以及该孔洞材料中的孔洞的尺寸。

8、如权利要求1所述的清洗孔洞材料的方法，其特征在于该第一时间与该第二时间取决于该清洗流体的种类。

9、一种清洗孔洞材料的装置，至少包括：

一流体储存槽，其用以储放一流体；

一可变动压力泵，其与该流体储存槽相连接且提供具不同压力的该流体；

一处理反应室，其与可变压力泵相连接且用以放置并清洗该孔洞材料；

一互溶剂槽，其与该处理反应室和该可变动压力泵相连接；

预热器，其与该处理反应室、该互溶槽以及该可变动压力泵相连接；以及

一终点检测器，其与该处理反应室相连接且用以检测出该孔洞材料的清洗终点。

10、如权利要求9所述的清洗孔洞材料的装置，其特征在于该终点检测器是-可程序化终点检测器。