CN1630931A - 包含流量增强特征的半导体衬底高压加工室 - Google Patents

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Abstract

一种用于半导体衬底加工的高压室，它包含高压加工腔、多个注入喷嘴、以及第一和第二出口。高压加工腔在高压加工过程中夹持半导体衬底。多个注入喷嘴向着高压加工腔内取向成涡流角，且能够在半导体衬底表面上产生涡流。第一和第二出口位于多个注入喷嘴的中心附近，且能够在第一时间段提供第一出口的工作出口，并能够在第二时间段提供第二出口的工作出口。在一个备选实施方案中，高压加工腔的上表面包含高度变化。此高度变化对半导体衬底上流动的工艺流体产生了更为均匀的分子速度。

Description

包含流量增强特征的半导体衬底高压加工室
相关的申请
本申请要求2001年4月10日提交的美国临时专利申请No.60/283132的优先权，此临时专利申请被列为参考。
发明的领域
本发明涉及到高压加工领域。更确切地说，本发明涉及到半导体衬底的高压加工领域。
发明的背景
半导体衬底的加工存在着一些与其它工件的加工无关的独特问题。通常，半导体加工开始于硅晶片。半导体加工开始于硅晶片的掺杂以产生晶体管。接着，半导体加工继续淀积金属层和电介质层，其间穿插线条和通孔的腐蚀，以产生晶体管触点和互连结构。在半导体加工中，晶体管、晶体管接触、以及互连最终构成集成电路。
半导体衬底加工的关键加工要求是清洁度。大多数半导体加工本来就是清洁环境的真空中进行。其它的半导体加工在大气压下于湿法工艺中进行，由于湿法工艺的冲洗性质而本来是一种清洁工艺。例如，线条和通孔腐蚀之后的光抗蚀剂和光抗蚀剂残留物的清除，采用等离子体灰化，这是一种真空工艺，随之以在剥离剂槽中剥离，这是一种湿法工艺。
半导体衬底加工的其它关键加工要求包括产率和可靠性。半导体衬底的生产加工在半导体制造设施中进行。半导体制造设施要求大量资本支出用于加工设备，用于设备的本身及其运行人员。为了偿还这些费用并从这些设施产生足够的收益，加工设备要求一定时间内产出足够数量的晶片。此加工设备还必须促进可靠的工艺，以便确保从设施得到不断的收益。
迄今，等离子体烧蚀和剥离剂槽已经被发现足以清除半导体加工中的光抗蚀剂和光抗蚀剂残留物。但集成电路的新近进展包括了腐蚀特征临界尺寸低于具有足以承受剥离剂槽的结构的尺寸，还包括了不能承受等离子体烧蚀的氧环境的低介电常数材料。
新近，已经开始感兴趣用超临界工艺取代等离子体烧蚀和剥离剂槽来清除光抗蚀剂和光抗蚀剂残留物。但现有的超临界加工系统的高压加工室不适合于满足半导体加工要求的独特需要。特别是现有超临界加工系统的高压加工室不提供适合于从半导体晶片表面清除特殊物质的流速。
所需要的是一种在半导体衬底表面上提供合适的流速的半导体加工的高压加工室。
发明的概述
本发明是一种用于半导体衬底加工的高压室，它包含高压加工腔、多个注入喷嘴、以及第一和第二出口。此高压加工腔在高压加工过程中夹持半导体衬底。多个注入喷嘴向着高压加工腔内取向成涡流角，且能够在半导体衬底表面上产生涡流。第一和第二出口位于多个注入喷嘴的中心附近，且能够在第一时间段提供第一出口的工作出口，并能够在第二时间段提供第二出口的工作出口。
在本发明的一个备选实施方案中，高压加工腔的上表面包含高度变化。此高度变化对半导体衬底上流动的工艺流体产生了更为均匀的分子速度。
附图的简要说明
图1示出了本发明的压力室构架。
图2示出了本发明第一备选压力室。
图3示出了本发明第一备选压力室的剖面。
图4A和4B示出了本发明的间隔件/注入环。
图5示出了本发明的晶片腔和二个出口。
图6示出了本发明的超临界加工组件和第二备选压力室。
图7示出了本发明的晶片腔。
图8A-8C示出了本发明的第一到第三备选晶片腔。
图9示出了本发明的优选压力室。图10A和10B示出了本发明的上腔板/注入环。
发明的详细描述
本发明的优选压力室最好被用于半导体晶片的超临界加工。优选压力室最好构成部分超临界压力加工组件。超临界加工组件最好被用来从半导体晶片清除诸如光抗蚀剂、光抗蚀剂残留物、以及腐蚀残留物之类的材料。或者，超临界加工组件被用于诸如光抗蚀剂显影之类的半导体晶片的其它超临界加工。
图1示出了本发明的压力室构架。压力室构架10包括压力室外壳部分12、液压致动部分14、晶片狭缝16、窗口18、支柱19、顶部窗口20、以及顶部螺栓孔22。晶片狭缝16的尺寸最好按300mm的晶片制造。或者，晶片狭缝的尺寸按更大或更小的晶片制造。还可以按晶片之外的诸如圆盘之类的半导体衬底制造。
压力室构架10的液压致动部分14包括用来装卸优选压力室的窗口18。最好有4个窗口18位于压力室构架10的各个侧面。各个窗口18的结构最好在其侧面有二个支柱19，在其顶部有压力室外壳部分12，而在其底部有基座23。压力室外壳部分12的螺栓孔22是用来将顶盖栓到压力室构架10的。
在描述本发明的优选压力室之前，先来描述本发明的第一和第二备选压力室，以便更简单地介绍本发明的情况。
图2示出了本发明的第一备选压力室。第一备选压力室30包括压力室构架10、顶盖32、晶片台板34、圆柱36、以及密封板38。最好用螺栓(未示出)将顶盖32连接到压力室构架10。晶片台板34被连接到圆柱36。圆柱36被连接到活塞(未示出)。密封板38使活塞相对大气密封。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，紧固件将晶片台板34连接到圆柱36，将圆柱36连接到活塞，以及将密封板38连接到压力室构架10。而且，本技术领域熟练人员显而易见的是，能够用其它的紧固件，例如用螺钉，或借助于螺纹连接压力室构架10和顶盖32，来代替较好地将顶盖32连接到压力室构架10的螺栓。
图3示出了处于封闭结构的第一备选压力室30的剖面图。第一备选压力室30包括压力室构架10、顶盖32、晶片台板34、圆柱36、密封板38、活塞40、以及间隔件/注入环42。压力室构架10、顶盖32、晶片台板34、圆柱36、密封板38、活塞40、以及间隔件/注入环42最好包含不锈钢。间隔件/注入环42、顶盖32、以及晶片台板34，构成晶片腔44。晶片腔44最好用位于第一、第二、第三O形环沟槽48、50、52中的第一、第二、第三O形环(未示出)密封。压力室构架10和密封板38包围活塞本体54，使活塞颈部56延伸穿过密封板38。活塞颈部56连接到圆柱36，圆柱36又连接到晶片台板34。
压力室构架10和活塞本体56在活塞本体56下方构成液压腔58。压力室构架10、密封板38、活塞本体54、以及活塞本体54紧邻上方的活塞颈部56，在活塞本体54与密封板38之间构成一个气动腔60。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，活塞本体54与压力室构架10之间的活塞密封将液压腔58与气动腔60隔离。而且，对于本技术领域熟练人员显而易见的是，活塞颈部56与密封板38之间的颈部密封以及密封板38与压力室构架10之间的平板密封，将气动腔60与大气隔离。而且，对于本技术领域熟练人员显而易见的是，在工作过程中，本技术熟知的液压系统和气动流体系统被分别连接到液压腔58和气动腔60。
在超临界加工过程中，半导体晶片46占据晶片腔44，其中的超临界流体最好结合溶剂被使用，以便从半导体晶片46清除光抗蚀剂。晶片台板34最好包含真空吸盘，此真空吸盘在半导体加工过程中夹持半导体晶片46。在超临界加工和晶片腔排气到大气压之后，液压腔58中的液压流体被减压，而气动腔60稍许被气体加压，这使活塞40向下运动。这就降低了晶片台板34，致使半导体晶片6邻近狭缝16。晶片46于是通过狭缝16被移走。最好用机械手(未示出)移走半导体晶片。或者由技术人员移走半导体晶片46。
然后，通过狭缝16将第二个半导体晶片装载到晶片台板34上。接着，气动腔60被排气到大气压，而液压腔58被液压流体加压，这就将晶片台板34推入到间隔件/注入环42中，重新形成晶片腔44。晶片腔44然后被加压，且超临界流体和溶剂从第二晶片清除光抗蚀剂。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，在超临界加工过程中，液压腔58中的液压流体必须保持一定的液压压力，此液压压力引起的向上的力要大于超临界流体在晶片台板34上引起的向下的力。
图4A进一步示出了本发明的间隔件/注入环42。间隔件/注入环包含环本体62，它具有高压封闭空间64和注入喷嘴66。间隔件/注入环42最好具有按300mm晶片制造的稍许大于12英寸的内径。或者，间隔件/注入环42具有更大或更小的内径。间隔件/注入环最好具有45个注入喷嘴66。或者，间隔件/注入环具有更多或更少的注入喷嘴66。各个注入喷嘴66最好相对于间隔件/注入环42的内径的半径取向为45度。或者，注入喷嘴处于更大或更小的角度。间隔件/注入环42最好具有0.200英寸的厚度。或者，间隔件/注入环42具有更大或更小的厚度。
图4B示出了间隔件/注入环42的剖面，显示了环本体62、高压封闭空间64、以及一个注入喷嘴66。高压封闭空间64最好具有宽度为0.160英寸而高度为0.110英寸的矩形剖面。各个注入喷嘴66最好具有0.028英寸的直径。高压封闭空间64和间隔件/注入环42的注入喷嘴66，构成超临界流体进入晶片腔44的通路(图3)。在超临界加工过程中，超临界流体首先进入作为超临界流体储存室的高压封闭空间64。超临界流体然后被注入喷嘴66注入到晶片腔44中，在晶片腔44中产生涡流(图3)。
图5示出了本发明的晶片腔44和二个出口。由顶盖32、晶片台板34、以及间隔件/注入环42构成的晶片腔44，最好通过二个出口70被排气。此二个出口70包括在第一位置74和第二位置76之间改变的往返装置72。借助于在第一和第二位置之间改变往返装置，由间隔件/注入环42形成的涡流的中心将在第一排气口78和第二排气口80之间改变。第一和第二排气口78和80最好具有0.40英寸的直径，且中心分隔开1.55英寸的距离。或者，依赖于本发明的具体实现，直径和距离更大或更小。
在工作过程中，输入的超临界流体82进入间隔件/注入环42的高压封闭空间64，在晶片腔44中产生涡流，并随着往返装置从第一位置74运动到第二位置76而交替地产生邻近第一和第二排气口78和80的第一和第二涡流中心。输出的超临界流体84则从二个出口70出来。以这种方式，确保了半导体晶片46整个表面的超临界加工。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，间隔件/注入环42的注入喷嘴66和二个出口70能够被组合到具有半导体衬底通过阀门的入口和出口的一般压力室中。而且，对于本技术领域熟练人员显而易见的是，二个出口70的往返装置72能够被更一般的阀门装置代替。而且，对于本技术领域熟练人员显而易见的是，额外的出口能够被增加到此二个出口70中。
图6结合本发明的第二备选压力室示出了本发明的超临界加工组件。超临界加工组件200包括第二备选压力室30B、压力室加热器204、二氧化碳供应装置206、循环回路208、循环泵210、化学试剂和冲洗剂供应装置212、分离器214、液体/固体废物收集器217、以及液化/纯化装置219。
第二备选压力室30B包括备选的压力室外壳12A和备选的晶片台板34B。备选的压力室外壳12A和备选的晶片台板34B构成半导体衬底46的第一备选晶片腔44A。备选的压力室外壳12A包括备选的注入喷嘴66A和备选的二个出口70A。最好用液压力将备选的晶片台板34B压向备选的压力室外壳12A。或者，用机械夹持力将备选的晶片台板34B压向备选的压力室外壳12A。最好借助于释放液压力而使备选的晶片台板34B移动到装/卸位置215。或者，在机械夹持力释放时，使备选的晶片台板34B移动到装/卸位置215。或者借助于操纵连接到备选的晶片台板34B的驱动螺杆，或用气动力，使备选的晶片台板34B移动到装/卸位置215。
二氧化碳供应装置206包括二氧化碳供应器216、二氧化碳泵218、以及二氧化碳加热器220。化学试剂和冲洗剂供应装置212包括化学试剂供应器222、冲洗剂供应器224、以及第一和第二高压注入泵226和228。
二氧化碳供应器216经由二氧化碳泵218和二氧化碳管道230被连接到第二备选的压力室30B。二氧化碳管道230包括位于二氧化碳泵218与第二备选的压力室30B之间的二氧化碳加热器220。压力室加热器204被连接到第二备选的压力室30B。循环泵210位于循环回路208上。循环回路208在循环入口232处以及在循环出口234处连接到第二备选的压力室30B。化学试剂供应器222经由化学试剂供应管道236被连接到循环回路208。冲洗剂供应器224经由冲洗剂供应管道238被连接到循环回路208。分离器214经由排气管道240被连接到第二备选的压力室30B。液体/固体废物收集器217被连接到分离器214。
分离器214最好经由回气管道241被连接到液化/纯化装置219。液化/纯化装置219最好经由液体二氧化碳管道243被连接到二氧化碳供应器216。或者，在外部安置液化/纯化装置219，将排除的气体收入到气体收集器并将液体二氧化碳返回到液体二氧化碳容器中。
压力室加热器204对第二备选的压力室30B进行加热。压力室加热器204最好是一种加热毯。或者，压力室加热器是某种其它的加热器。
第一和第二过滤器221和223最好被连接到循环回路208。第一过滤器221优选包含精细过滤器。第一过滤器221包含构造成过滤0.05微米和更大颗粒的精细过滤器更优选。第二过滤器223优选包含粗过滤器。第二过滤器223包含构造成过滤2-3微米和更大颗粒的粗过滤器更优选。第三过滤器225最好将二氧化碳供应器216连接到二氧化碳泵218。第三过滤器225优选包含精细过滤器。第三过滤器225包含构造成过滤0.05微米和更大颗粒的精细过滤器更优选。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，超临界加工组件200包括阀门、控制电子装置、以及是对超临界流体加工系统来说通常的公用设施联接。而且，对于本技术领域熟练人员显而易见的是，备选的注入喷嘴66A能够被构造成备选的晶片台板34B的一部分，而不构造成备选的室外壳12A的一部分。
在工作过程中，此超临界加工组件被较好地用来从半导体晶片46清除光抗蚀剂和光抗蚀剂残留物。采用此超临界加工组件200的光抗蚀剂清除工艺包含装载步骤、清洁过程、冲洗过程以及卸载步骤。
在装载步骤中，半导体晶片46被置于备选的晶片台板34B上，然后，备选的晶片台板34B被向着备选的室外壳12A移动，将备选的晶片台板34B密封到备选的室外壳12A，从而形成第一备选的晶片腔44A。
清洁手续包含第一到第四工艺步骤。在第一工艺步骤中，第一备选的晶片腔44A被二氧化碳泵218加压到所希望的超临界条件。在第二工艺步骤中，第一注入泵226将溶剂从化学供应器222经由化学供应管道和循环回路208泵入到第一备选的晶片腔44A中。在达到所希望的超临界条件时，二氧化碳泵停止加压第一备选的晶片腔44A。在达到所希望的溶剂浓度时，第一注入泵226停止注入溶剂。在第三工艺步骤中，循环泵210使超临界二氧化碳和溶剂通过第一备选的晶片腔44A和循环回路208循环，直至光抗蚀剂和光抗蚀剂残留物从半导体晶片被清除为止。在第四工艺步骤中，晶片腔44A被部分地抽气，同时保持临界压力以上的压力，然后用二氧化碳泵218重新加压第一备选的晶片腔44A，并再次部分地抽气，同时保持临界压力以上的压力。
冲洗手续包含第四到第七工艺步骤。在第四工艺步骤中，第一备选晶片腔被二氧化碳泵218加压。在第五工艺步骤中，第二注入泵228将冲洗剂从冲洗剂供应器224经由冲洗剂供应管道238和循环回路208泵入到第一备选晶片腔44A中。在达到所希望的冲洗剂浓度时，第二注入泵228停止注入冲洗剂。在第六工艺步骤中，循环泵210使超临界二氧化碳和冲洗剂通过第一备选晶片腔44A和循环回路208循环预定的时间。在第七工艺步骤中，第一备选晶片腔44A被减压。或者，可能发现不需要第五和第六工艺步骤。
在卸载步骤中，备选的晶片台板34B被移动到装载/卸载位置215，半导体在此处被从备选的晶片台板34B移出。
本发明的至少二种超临界加工组件较好地构成了多工件加工系统部分，此系统提供了同时加工至少二个半导体晶片的能力。在其整个内容被列为参考的2000年11月1日提交的美国专利申请No.09/704642中，提出了这种多工件加工系统。或者，本发明的超临界加工组件与非超临界加工组件一起构成多工序半导体加工系统部分。在其整个内容被列为参考的2000年11月1日提交的美国专利申请No.09/704641中，提出了这种多工序半导体加工系统。或者，本发明的超临界加工组件构成采用单个本发明超临界加工组件的单独运行超临界加工系统。
图7进一步描述了本发明的第一备选压力室30的晶片腔44。(注意，相对于图3和5中所用的水平和垂直尺度，在图7中，水平尺度已经缩小了0.75倍，而垂直尺度已经放大了4倍。)晶片腔44的上表面包含平坦的表面。基于计算流体动力学，已经发现平坦表面在半导体晶片46上提供了从半导体晶片46外边沿处的最大值到半导体晶片46外边沿与中心之间大约一半处的最小值变化的分子速度。靠近半导体晶片46的中心，平坦表面提供了最小值与最大值之间的中等分子速度。对于某些应用，分子速度的这一变化是可以接受的。但在其它应用中，最好具有更为均匀的分子速度，以便确保有足够的分子速度来清除颗粒。本发明的第二到第四备选晶片腔提供了有时需要的更为均匀的分子速度。
图8A示出了本发明的第二备选晶片腔。第二备选晶片腔44B包含第一备选上表明92。此上表面92具有从第二备选晶片腔44B外径处的最大值到第二备选晶片腔44B中心处的最小值的高度变化。基于计算流体动力学，已经发现第一备选的上表面92在半导体晶片46上提供了比平坦表面提供的分子速度更为均匀且更高的分子速度。但在半导体晶片46的中心处，分子速度比在半导体晶片46上其它地方更高。
图8B示出了本发明的第三备选晶片腔。第三备选晶片腔44C包含第二备选上表面94。第二备选上表面94包含从第三备选晶片腔44C外径处的最大值经过第三备选晶片腔44C外径与中心之间大约一半处的最小值到第三备选晶片腔44C中心处的中等高度的连续高度变化。基于计算流体动力学，已经发现第二备选的上表面94在半导体晶片46上提供了比第一备选上表面92更为均匀的分子速度。
图8C示出了本发明的第四备选晶片腔。第四备选晶片腔44D包含第三备选上表面96。第三备选上表面96包含不连续的高度变化，此变化接近第二备选上表面94的连续高度变化。此不连续的高度变化开始于第四备选晶片腔44D外边沿处的最大高度，并变化到第四备选晶片腔44D中不远处的最小高度。此不连续的高度变化继续以最小高度向着第四备选晶片腔44D的中心延续，然后在第四备选晶片腔44D的中心附近回到最大值。基于计算流体动力学，已经发现第三备选的上表面96在半导体晶片46上提供了比第一备选上表面92更为均匀的分子速度，但不如第二备选上表面94所提供的分子速度那样均匀。但第三备选上表面96超越第二备选上表面94的优点在于，第三备选上表面96更容易制造。
图9示出了本发明的优选压力室。优选压力室130包含第二压力室构架110、第二顶盖132、晶片台板34、圆柱36、密封板38、活塞40、以及上腔板/注入环142。晶片台板34和上腔板/注入环142构成优选晶片腔144。位于第三O形环沟槽52中的第三O形环(未示出)对优选晶片腔144进行密封。第二压力室构架110包含入口导管146。入口导管146连接到注入环入口168。第一c形密封(未示出)对入口导管146与注入环入口168之间的第一界面进行密封。上腔板/注入环142包含连接到第二顶盖132的第五和第六出口178B和180B的第三和第四出口178A和180A。第二和第三c形密封(未示出)分别对第三和第五出口178A和178B与第四和第六出口180A和180B之间的第二和第三界面进行密封。
图10A和10B进一步示出了本发明的上腔板/注入环142。上腔板/注入环142包含第二高压封闭空间164、第二注入喷嘴166、注入环入口168、第五和第六出口178A和180A、以及第二不连续高度变化特征。第二不连续高度变化特征包含递降的高度特征170和均匀的高度特征172。降低的高度特征170位于上腔板/注入环142外径区域附近。均匀的高度特征172位于上腔板/注入环142内径区域附近。
最好借助于将外环焊接到平板来制造上腔板/注入环142。外环包含第二高压封闭空间164。平板包含第二注入喷嘴166。外环和平板最好包含316L不锈钢。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，本发明的优选压力室130以及第一和第二备选压力室30和30B适合于在超临界条件以下的高压加工。
对于本技术领域熟练人员显而易见的是，对此优选实施方案可以作出其它各种修正而不偏离所附权利要求确定的本发明的构思与范围。

Claims (10)

1.一种用于半导体衬底加工的高压室，它包含：
a.半导体衬底的高压加工腔；
b.向着高压加工腔内取向成涡流角的多个注入喷嘴，此多个注入喷嘴能够在半导体衬底表面上产生涡流；以及
c.位于多个注入喷嘴的中心附近的第一和第二出口，此第一和第二出口能够在第一时间段提供第一出口的工作出口，并能够在第二时间段提供第二出口的工作出口。
2.权利要求1的高压加工室，其中，高压加工腔包含半导体衬底夹持表面、面对半导体晶片夹持表面的出口表面、以及将半导体衬底夹持表面连接到出口表面的圆柱形表面。
3.权利要求2的高压加工室，其中，圆柱形表面包括多个注入喷嘴。
4.权利要求2的高压加工室，其中，出口表面包括第一和第二出口。
5.权利要求4的高压加工室，其中，高压加工腔在半导体衬底夹持表面与出口表面之间具有大致均匀的距离。
6.权利要求4的高压加工室，其中，高压加工腔在半导体衬底夹持表面与出口表面之间具有不均匀的距离。
7.权利要求6的高压加工室，其中，不均匀的距离包括在出口表面外边沿处的最大值和在出口表面中心处的最小值。
8.权利要求6的高压加工室，其中，不均匀的距离包括在出口表面外边沿处的第一距离、出口表面外边沿和中心之间中间位置处的第二距离、以及出口表面中心处的第三距离，另外，第一距离和第三距离各大于第二距离。
9.一种用于半导体衬底加工的高压室，它包含：
a.高压加工腔，它包含半导体衬底夹持表面、面对半导体衬底夹持表面的出口表面、以及将半导体衬底夹持表面连接到出口表面的圆柱形表面；
b.位于圆柱表面中且取向成涡流角的多个注入喷嘴，此多个注入喷嘴能够在半导体衬底表面上产生涡流；以及
c.位于多个注入喷嘴的中心附近的出口表面内的第一和第二出口，此第一和第二出口能够在第一时间段提供第一出口的工作出口，并能够在第二时间段提供第二出口的工作出口。
10.一种用于半导体衬底加工的高压室，它包含：
a.高压加工腔，它包含半导体衬底夹持表面、面对半导体衬底夹持表面的出口表面、以及将半导体衬底夹持表面连接到出口表面的圆柱形表面，此高压加工腔包含半导体衬底夹持表面与出口表面之间的不均匀距离，此不均匀距离包含出口表面外边沿处的第一距离、出口表面外边沿和中心之间中间位置处的第二距离、以及出口表面中心处的第三距离，其中，第一距离和第三距离各大于第二距离；
b.位于圆柱表面中且取向成涡流角的多个注入喷嘴，此多个注入喷嘴能够在半导体衬底表面上产生涡流；以及
c.位于多个注入喷嘴的中心附近的出口表面内的第一和第二出口，此第一和第二出口能够在第一时间段提供第一出口的工作出口，并能够在第二时间段提供第二出口的工作出口。
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