CN1735467A - 利用密相气体和声波处理基片的基片处理设备 - Google Patents

利用密相气体和声波处理基片的基片处理设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及处理基片的基片处理设备和方法。在一个实施例中，基片处理设备包括处理室，在处理室内用于夹持基片的基片夹持器，和在处理室内供应基本上垂直于基片的声波的声盒。声盒可包括薄膜和连接于薄膜的换能器。

Description

利用密相气体和声波处理基片的基片处理设备
技术领域
已经有各种专利和刊物描述利用声波能量和流体处理基片的基片处理设备。
背景技术
美国专利No.5,456,759描述了一种直接安放在处理室内部而产生声能的换能器的基片处理设备。处理室包括液化的气体。
不过，美国专利No.5,456,759中描述的基片处理设备具有一些缺点。压电换能器具有不良的腐蚀阻力并当它们与液化气体接触时迅速恶化。腐蚀中的换能器可产生不受欢迎地沉积在处理中基片上的污染物。
美国专利No.6,228,563披露一种利用声极产生声波的基片处理设备。声极为穿过基片处理设备的处理室壁部的棍状物。在处理室外面，压电换能器把震动传送到棍上，而棍子传送能量到处理室内的流体中。
美国专利No.6,228,563描述的系统具有一些缺点。首先，在处理室和声极之间难以获得高压密封而不致吸收大部分声能。其次，难以控制声极所产生声波，特别在其端部。曾经证明声波在声极端部为最强而这些声波能够破坏(例如)在半导体晶片上的图案。
美国专利No.5,522,938描述一种基片处理设备，其中利用天线产生百万级声波，其方位垂直于基片。如此，所产生的声波沿晶片移动而导致流动效果。
在美国专利No.5,522,938描述的系统具有一些缺点。首先，是难以产生美国专利No.5,522,938中述及波形均匀地进入基片的宽度。也很难在圆柱形处理室中如此实施。处理室的圆柱形几何形状是由于处理室内处理压力而必须造成的。其次，在美国专利No.5,522,938中，要求使用临界压力值以便使流体能够在气相和超临界状态之间来回振荡，这不是非常有效的。在流体的气相和超临界状态之间没有实际的相变化，因为如果压力变化很小则流体特征(例如，密度、表面张力等)的变化也很小。
相应地，利用密相气体和声能的改进的基片处理设备和方法是适当的。本发明实施例致力于个别和集体地解决上问题和其它问题。
发明内容
本发明实施例涉及处理基片的基片处理设备和方法。在本发明实施例中，诸如超临界流体的密相气体用来与声能(例如百万级声波)组合处理诸如半导体晶片的基片。
本发明一个实施例涉及一种基片处理设备，包括：(a)处理室；(b)在处理室内的基片夹持器，用于夹持基片；和(c)在处理室中的声盒，用于供应基本上垂直于基片的声波，声盒包括(i)薄膜，和(ii)连接于薄膜的换能器。
本发明另一实施例涉及一种处理基片的方法，该方法包括：(a)在处理室中引入基片；(b)在处理室中引入密相气体；(c)利用具有连接于薄膜的换能器的声盒，产生基本上垂直于在处理室内的基片的声能；(d)利用声能和密相气体处理基片。
本发明另一方面涉及在处理室中使用的声盒，声盒包括：(a)主体；(b)附着在主题上的薄膜，其中薄膜和主体形成封闭体；(c)连接于薄膜的换能器；和(d)在封闭体内的不可压缩液体。
本发明这些和其它实施例将在以下详细描述。
附图说明
图1(a)显示按照本发明一个实施例的基片处理设备的侧视剖面图。
图1(b)显示图1(a)中基片处理设备水平方向剖面图。
图2(a)显示按照本发明另一个实施例的基片处理设备的侧视剖面图。
图2(b)显示图2(a)中基片处理设备水平方向剖面图。
图3显示可以使用在本发明实施例的再循环系统。
图4显示具有在介电蚀刻后涂层的基片剖面图。
具体实施方式
本发明实施例涉及利用高压下的密相气体的基片处理设备和方法。“密相气体”是一种存在于超临界或亚临界状态下获得相似于液体密度的气体。密相气体的例子包括超临界流体和液化气体。密相气体较佳地由诸如百万级声波的声能所促动。本发明实施例可使用在各种清洁操作和化学过程中。本发明实施例的其它潜在应用在以下描述。
如将在以下进一步详细描述，本发明实施例利用声盒产生声能，用来与密相气体一起处理基片。声能在听不见的范围内。例如，本发明实施例中所采用声能频率大于约20,000赫芝。在某些实施例中，可以用来处理基片的声能频率可以从超声到百万级声波。后者容许更小的颗粒从基片除去。较佳地，声能具有在约100千赫芝到约3兆赫芝之间的频率。该频率范围包括百万级声波频率范围。
超声浴形式的超声波能量曾经用来清洁基片。超声浴利用气穴现象作为清洁机理。由于有些诸如硅晶片的基片的脆性，当清洁基片时希望减少声能的波长。较小波长的声波和较高的频率可进入较小的结构并从基片除去较小的颗粒。
在高频率，由换能器产生的声能产生溶解气泡“较软”的气穴。此外，在液体中处理基片的表面上声学边界层为大约0.1mm厚度，并且在超临界液体中趋向于零，而这增加其界面反应动力学。这些情况是合适的，特别是当处理中的基片为脆性时。
如以上指出，在本发明实施例中，诸如超临界流体和液化气体的密相气体与声能联合使用处理基片。例如当处理纳米多孔材料时使用普通液体是一个问题，因为通常要牵涉到干燥步骤。从纳米多孔材料消除液体时，毛细管力将施加强烈的机械应力。这些力可损坏某些微系统的结构，并且纳米多孔材料不能高效率地和有效地干燥。使用诸如超临界流体和液化气体的密相气体可解决这些干燥问题并且减小声学边界层。
用来处理基片的密相气体较佳地为超临界流体。当化合物经受高于其临界压力Pc的压力并且在其临界温度Tc以上的温度时，就达到其临界状态。例如二氧化碳的临界压力为74巴(bar)而临界温度为31℃。相应地，临界的二氧化碳将在74巴的压力以上和31℃温度以上。一般地说，超临界流体的物理性质可包括如下：(1)密度接近液体：0.2＜d＜1；(2)粘度接近：10-2＜n(cp)＜10-1；和(3)特性在气体和液体自扩散系数之间：10-4＜D(cm2/s)＜10-3。作为超临界流体的替代，亚临界流体(P＞Pc，T＜Tc)或二相液体-气体的流体也可以在本发明实施例中使用。
任何合适的密相气体形式可以在本发明实施例中使用。合适物质的具体例子包括氨、一氧化二氮、二氧化碳、碳氢化合物、卤代烃、和轻质烃。诸如二甲基乙醚(CH3-O-CH3)之类的乙醚也可使用。不管其强烈的易燃性和高临界温度，二甲基乙醚是一种有力的溶剂并且与水有高亲合力(与二氧化碳相反)。二氧化碳是较佳的超临界流体，由于其容易获得超临界状态。它也是无毒的，环境方面友好，不可燃烧，并且其溶剂特性可与己烷比拟。以上任何材料可以是纯粹的或者与其他材料混合。
添加剂(例如，极性溶剂，诸如乙醇或碳酸丙烯)可以包括在密相气体以内，连同(例如)超临界流体以便增加超临界流体的处理效率。这些添加剂有时可以称作“共溶剂”。
任何合适的添加剂均可在本发明实施例中使用。合适的添加剂包括诸如酒精(例如乙醇、或异丙基乙醇)、乙醚、酯类、酮类、内酯类(例如，γ-丁内酯)、醚类、叔胺类、二代氨基化合物、尿素、醋酸盐、四氢呋喃、二氧杂环乙烷、亚砜(例如，二甲基亚砜)和亚硫酸盐等有机溶剂。其它适当的例子包括：有机液化气体诸如醚类、胺类；氧化剂诸如氧气、臭氧、过氧化氢和过硫酸铵；诸如三甲胺、三乙胺等季铵类；表面活性剂；三氟乙酰丙酮和六氟乙酰丙酮等螯合剂；和水。还有另外合适添加剂的例子包括：诸如羧基或二羧基酸的有机酸类(例如，柠檬酸、草酸)；溶解于水或溶剂的无机酸；诸如在水中或酒精中的HF3或NH4F酸；溶解于水或溶剂的碱；和NH3。
密相气体(带或不带添加剂)可以是均匀或不均匀的。压力和温度状况如此设置使其二相共存，如同当超临界气体较多的相和液体溶剂较多的相一起共存。这些状况可以通过研究相图决定。
任何基片可以利用本发明实施例处理。例如，适当的基片包括诸如半导体晶片、硅、玻璃、砷化镓或其它材料的圆片、材料堆、线路板、光学圆片等晶片。基片可包括集成电路、微系统、微型传感器或其它利用照相平版印刷产生的微型元件。基片可具有微孔材料，或可具有形成在其上面的微孔层。
用密相气体和声能实施的过程可以是，例如，清洁、溶解、或干燥操作。该过程可以附加地或可选地包括一个或许多化学反应。有些过程包括：在照相平版印刷中的光敏抗蚀显影；在显影后的光敏抗蚀剥离；除去任何其它有机材料的残余；除去聚合物，包括聚合物蚀刻过程除去副产品；微粒除去过程，诸如除去在化学机械抛光(CMP)中产生的微粒，或者除去由环境或其它制造过程中带入的微粒；清洁和/或干燥微孔材料；微型机械加工；和用于MEMS(微型电气机械系统)制造的牺牲性涂层蚀刻过程。
按照本发明实施例的设备利用声盒在高压下密相气体中产生声波，该声盒具有一般平行于基片方位的薄膜。换能器放置在薄膜上。薄膜在物理上分开密相气体和正在从换能器处理的基片。相应地，从换能器出来的潜在的污染物(从换能器出来的腐蚀材料)并不污染正在处理的基片，因为换能器在物理上与基片隔开。这样就减少污染的风险并且也减少产生缺陷基片的风险。
图1(a)显示按照本发明一个实施例的基片处理设备200。基片处理设备200包括用于处理诸如晶片的基片6的处理室21。在图中阐明一个基片。应该理解在其它实施例中，在单独的处理室中可以有许多基片。
在本例子中，处理室21包括两个圆柱形部分1和1’。圆柱形部分1和1’可以涂层或不涂层，并且可以包括不绣钢或其它具有良好的耐腐蚀性和高机械强度的材料制成。在处理室21内，基片的处理区域为圆柱形空穴，部分地由部分1所限定。为开启处理室21，上部分1可以提起，和/或下部分1’可以降低，以便使其分开并且容许接近处理室21内部。
处理室21可以在任何适当压力和任何适当温度下运行。例如，在本发明一些实施例中，处理室21可在约50到约500巴之间的压力下运行。在本发明一些实施例中，处理室21也可在约0℃和约150℃之间温度下运行。
诸如超临界流体的密相气体可通过一个或更多进口2、3注射。密相气体可以从基片6上方引入基片6。在接触基片6以后，密相气体通过基片6下游并且通过侧面出口4和/或底部出口5离开处理室21。虽然在图1(a)中显示和描述两个进口和两个出口，应该理解在其它本发明实施例中出口和进口数目可以大于或少于2。
在图1(a)中，基片6以旋转夹钳7形式固定在基片夹持器中。在所阐明的例子中，基片由边缘握持件7’保持，使与基片6表面的接触尽量减少。通过边缘夹持基片6，由于与基片6表面接触而污染或损坏的可能性减少。此外，当基片在其边缘被夹持时，基片6的背面可以由完全密相气体所润湿。
旋转夹钳7可以任何适当的速度旋转。例如，在某些实施例中，旋转夹钳7可以在每分钟1到3000转之间的速度旋转。在其它实施例中，旋转夹钳7的旋转速度可以大于或小于这些数值。通过旋转基片6，所有基片6的区域能够从其上面的声盒25接受声能。另外，通过旋转基片6，在处理室中密相气体被搅动。搅动密相气体可通过在基片6表面附近提供充足新鲜的密相气体而协助处理基片6。
诸如百万级声能的声能利用设置在基片6前方正对面的声盒25传递到处理室内的密相气体中。在该例子中，声盒25用锁定在垫圈13上的螺帽12固定在上室部分1。平面密封件保证声盒25和上室部分1之间的密封。当密相气体在处理室内时，声盒25可以浸没在密相气体中。
在该例子中，声盒25包括具有开放区域的主体8和薄膜10。薄膜10固定在主体8上并一起形成封闭体。在形成的封闭体内为不可压缩流体11。
如图1(a)所示，声能从声盒25引向基片6，其方向基本上垂直于基片6的方位。薄膜10作为声能对于密相气体的转发器并且它能够以任何方式固定在主体8上。例如，薄膜10可以用旋入主体8的钳子固定在适配的密封系统上，或它可以直接焊接在主体8上。
薄膜10可具有任何合适特性。例如，薄膜10可以具有良好的对于密相气体和对于不可压缩液体11的化学兼容性(例如，耐腐蚀性并且因此不污染正在处理的基片)，良好的声学特性(例如，震动模式)，和吸收压力波动的灵活性。
薄膜10可包括任何适当材料。较佳地，薄膜10包括金属薄板或石英。金属薄板可为纯金属或合金。适当材料的例子为phynox(一种Ni-Cr-Co镍铬钴合金)，由法国，Ugine，Imphy Ugine Precision生产。在某些实施例中，薄膜10可是约0.1到约5mm之间的厚度。在本发明其它实施例，厚度可以大于或小于这些特定厚度。
换能器9可以任何方式附着在薄膜10上。例如，可以用粘合剂把换能器9粘合在薄膜10上。换能器9的数目和换能器9的尺寸可依据薄膜10的尺寸和要求声能的分布而定。在本发明各实施例中，不同的换能器9的集合形状可以是相同的或不同的(六面体、圆柱形等)。
换能器9可以是磁致伸缩的换能器或可为单晶体，但是较佳地为压电换能器，诸如铅-锆酸盐-钛酸盐(PZT)换能器。例如，适当的换能器为(联合王国)Morgan Matroc供应的产品。在某些实施例中，换能器9的发射功率在1到100瓦/平方厘米之间。换能器9可具有在100千赫芝到3兆赫芝之间的共振频率。可替代地，可以采用在约20千赫芝或更大频率的磁致伸缩换能器。
如以上指出，声盒25可以注满不可压缩液体11以便对于薄膜10增加支持。不可压缩液体11可以基本上是不可压缩的，是一种电气绝缘体并且可具有低热膨胀系数，良好声学耗散特性和良好的散热性质。在支承薄膜10以外，不可压缩液体11吸收换能器9背面发出的能量。不可压缩液体11的例子包括合成油类，诸如使用在高温液压系统中者，如凝胶体、干凝胶和气凝胶。
发电机15可在电气上激励换能器9。发电机15发出电气信号并利用两个或多个电缆通过主体8和高压密封连接器14传递。发电机16可包括任何适当的电源。
声盒25的尺寸和几何形状可以变化以便使声能分布最佳化。不过，在本例子中，声盒25的长度较佳地至少等于基片6的半径，当基片6自转时，使基片6表面整体接受声能。
参照图1(b)，声盒25在此例子中包括三个换能器9。如图所示，声盒可保持静止，而基片6在下面旋转(例如，逆时针方向)。虽然显示为沿直线布置的3个换能器，应该理解换能器的数目和布置在其它实施例中可以不同。
在处理器21中的密相气体或基片6也可以加热。可以用任何数量的方法完成加热。例如，可以用加热的空气或加热的流体对于处理室内部供热。例如，处理室和/或旋转夹钳7可以设置流体通路(未示)以便流体热交换。可替代地，可以使用电热器(未示)对于处理室中密相气体或基片6供热。
按照本发明实施例的另一基片处理设备201显示在图2(a)、2(b)中。在图1(a)、1(b)、2(a)、和2(b)中，同样的数字标识同样的元件而同样元件的描述综合在此作为参考。
图2(a)和2(b)中基片处理设备201不包含基片6的旋转夹钳。基片夹持器是图2(a)中的夹钳7形式，基片6夹持在静止位置。还有，声盒8’一般按照图1(a)和1(b)显示的声盒8相同原理设计。不过，不同于图1(a)和1(b)中显示的声盒8，在图2(a)和2(b)显示的基片处理设备201中的声盒8’基本上充满处理室21的所有上部内表面。还有，与图1(a)和1(b)中声盒8相比，声盒8’包含更多的换能器9并且传递声能到基片的整个表面而不是在给定时间内只到其一部分。相应地，不需要在图2(a)和2(b)显示的实施例中采用旋转夹头。
图3显示按照本发明实施例的系统。该系统包括基片处理设备72和再循环系统。在图3中提供示范性温度和压力。基片处理设备72可以与图1(a)-1(b)，和2(a)-2(b)中显示的基片处理设备相同或不同。
如图3所示，例如，系统中可设置包括液体CO2的液体CO2源72和共溶剂输送系统92。在处理中，共溶剂可利用泵88通过热交换器94输送到基片处理设备72。液体CO2可以通过冷交换器80和利用高压泵82输送到基片处理设备72。背压调节器74可以调节通过基片处理设备72下游流体的背压。分离器76设置在基片处理设备72的下游。分离器76可以分离CO2而回收共熔剂和残余。如图所示，CO2可以再循环，使其可以在基片处理设备72中重新使用。
对于图1(a)、1(b)和4可以描述在用基片处理设备蚀刻后在多孔介电材料上剥离有机残余的示范性过程。
在图4中显示半导体基片300的剖面。半导体基片300包括在硅晶片上的金属层101和多孔介电材料102。对于先进工艺，金属层101能够在硅晶片100中的晶体管(未示)之间形成互联。金属层101可包括诸如铝或铜，并且与其它层之间用多孔介电材料绝缘。
多孔介电材料102可以用照相平板印刷作图案和用等离子蚀刻。这样的方法在本行业普通熟练人士中众所周知。在等离子蚀刻后，等离子蚀刻过程所产生的有机残余物104、105沉积在光致抗蚀掩模103的顶部和介电材料102的侧壁上。有机残余物104、105和光致抗蚀掩模103然后可以利用本发明实施例剥离。
参照图1(a)和1(b)，基片300固定在处理室21内的边缘夹钳7’上。处理室21被关闭，而包括超临界流体和添加剂的浓处理流体在适当的压力和温度下被引入处理室21。压电换能器9被促动同时旋转夹钳7也被促动。来自声盒25的声能和由旋转夹钳7移动的浓处理流体联合促使浓处理流体加速扩散进入光致抗蚀掩模103，并且造成其溶解。这一联合作用也使硬化的有机残余物104、105分层并且剥离残余物104、105。浓处理流体然后通过下游并携带剥离材料(例如，微粒形式)离开处理室。由于其低表面张力和粘度，浓处理流体也迅速扩散并且溶解任何深入介电材料102微孔内部的残余。基片300然后在随后的步骤中用纯粹的超临界流体漂清。最后，处理室中的压力降低至大气压力。处理室21被打开而基片300从其中取出。
这里采用的名词和表达式仅用作描述而不作为限制，并且不打算使用这些名词和表达式作为所显示和描述特征或其一部分唯一的等同物，应该认为在本发明权利要求范围内各种变化均为可能。例如，虽然在图1(a)中显示一种旋转夹钳，它在处理过程中转动基片，应该理解，作为可替代方案，声盒也可以旋转以便对于基片不同部分提供声能。此外，本发明实施例任何一个或多个特征可以与本发明任何其它实施例一个或多个特征组合，而不偏离本发明范围。例如，在图2(a)中显示的具体声盒可以与图1(a)中显示的具体旋转夹钳一起使用而不偏离本发明范围。

Claims (25)

1.一种基片处理设备，包括：
(a)处理室；
(b)在处理室内的基片夹持器，用于夹持基片；
(c)在处理室内的声盒，用于供应基本上垂直于基片的声波，该声盒包括(i)薄膜，和(ii)连接于薄膜的换能器。
2.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，声盒还包括(iii)具有开放区域的主体，其中薄膜覆盖开放区域并与主体一起形成封闭体；和(iv)在封闭体内的不可压缩液体。
3.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，还包括多个连接于薄膜的换能器。
4.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，基片夹持器能够旋转。
5.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，还包括可操作地连接于处理室的超临界流体源或液化气体源。
6.如权利要求5所述的基片处理设备，其特征在于，超临界流体或液化气体包括二氧化碳、二甲醚、氨、一氧化二氮、轻碳氢化合物、卤代烃、和其混合物。
7.一种系统，包括：
如权利要求5所述的基片处理设备；和
再循环系统，适合于使经过基片处理设备下游的超临界流体或液化气体的至少一部分再循环返回基片处理设备。
8.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，换能器为压电换能器，其共振频率在约100千赫芝到约3兆赫芝之间。
9.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，换能器为压电换能器，其发射功率在约0.1瓦/平方厘米到约100瓦/平方厘米之间。
10.如权利要求1所述的基片处理设备，其特征在于，薄膜包括金属材料或石英。
11.一种处理基片的方法，该方法包括：
(a)在处理室中引入基片；
(b)在处理室中引入密相气体；
(c)利用包括连接于薄膜的换能器的声盒在处理室中产生基本上垂直于基片的声能；和
(d)利用声能和密相气体处理基片。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，密相气体包括超临界流体或液化气体。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
(e)旋转基片。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，声盒包括多个附着在薄膜上的换能器。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，声盒包括具有开放区域的主体，和其中薄膜覆盖开放区域，从而形成封闭体，和其中声盒还在封闭体内部包括不可压缩流体。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，密相气体包括超临界流体或液化气体，其中超临界流体或液化气体包括二氧化碳、二甲醚、氨、一氧化二氮、轻质烃、卤代烃、和其混合物。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，密相气体还包括添加剂，其中添加剂至少包括下列之一：有机溶剂；酯类；酮类；内酯类；醚类；叔胺类；二代氨基化合物；尿素；醋酸盐；四氢呋喃；二氧杂环乙烷；亚砜；亚硫酸盐；有机液化气体；氧化剂；季铵类；表面活性剂；螯合剂；和水。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
再循环至少一部分密相气体返回基片处理设备。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，处理室维持在约20巴到约500巴之间的压力。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，基片的处理包括基片在约0℃到约150℃之间温度的处理。
21.一种在处理室中使用的声盒，包括：
(a)具有开放区域的主体；
(b)附着在主体上的薄膜，其中薄膜和主体形成封闭体；
(c)连接于薄膜上的换能器；和
(d)在封闭体内的不可压缩液体。
22.如权利要求21所述的声盒，其特征在于，薄膜为金属薄板或石英薄板。
23.如权利要求21所述的声盒，其特征在于，还包括多个连接于薄膜的换能器。
24.如权利要求21所述的声盒，其特征在于，薄膜包括金属合金，和其中声盒还包括多个附着于薄膜的换能器。
25.如权利要求21所述的声盒，其特征在于，不可压缩液体包括油类或凝胶。
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