TW201731596A - 清洗半導體襯底的方法和裝置 - Google Patents

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Jun Wang
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Abstract

一種使用超/兆聲波裝置清洗半導體襯底且不損傷半導體襯底上的圖案化結構的方法包括將液體噴射到半導體襯底和超/兆聲波裝置之間的間隙中；設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動超/兆聲波裝置；在液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2以驅動超/兆聲波裝置；待氣泡內的溫度冷卻到設定溫度後，再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；重復上述步驟直到半導體襯底洗淨。通常，如果f1=f2，那麽P2等於0或遠小於P1；如果P1=P2，那麽f2大於f1；如果f1<f2，那麽P2可以等於或小於P1。

Description

清洗半導體襯底的方法和裝置
本發明關於清洗半導體襯底的方法和裝置，尤其關於控制在清洗過程中超聲波/兆聲波裝置產生的氣穴振盪以在整片襯底上獲得穩定或可控的氣穴振盪，有效去除微粒，而不損傷襯底上的器件結構。
半導體器件是在半導體襯底上經過一系列不同的加工步驟形成電晶體和互連線而成的。近來，電晶體的建立由兩維到三維，例如鰭型場效應電晶體。為了使電晶體終端能和半導體襯底電連接在一起，需要在半導體襯底的介質材料上做出導電的(例如金屬)槽、孔及其他類似的結構作為器件的一部分。槽和孔可以在電晶體之間、內部電路以及外部電路傳遞電信號和能量。
為了在半導體襯底上形成鰭型場效應電晶體和互連結構，半導體襯底需要經過多個步驟，如掩膜、刻蝕和沈積來形成所需的電子線路。特別是，多層掩膜和等離子體刻蝕步驟可以在半導體襯底的電介質層形成鰭型場效應電晶體和/或凹陷區域的圖案作為電晶體的鰭和/或互連結構的槽和通孔。為了去除刻蝕或光刻膠灰化過程中在鰭結構和 /或槽和通孔中產生的顆粒和污染，必須進行濕法清洗。特別是，當器件製造節點不斷接近或小於14或16nm，鰭和/或槽和通孔的側壁損失是維護臨界尺寸的關鍵。為了減少或消除側壁損失，應用溫和的，稀釋的化學試劑，或有時只用去離子水非常重要。然而，稀釋的化學試劑或去離子水通常不能有效去除鰭結構和/或槽和通孔內的微粒，因此，需要使用機械力來有效去除這些微粒，例如超聲波/兆聲波。超聲波/兆聲波會產生氣穴振盪來為襯底結構提供機械力，這些猛烈的氣穴振盪例如不穩定的氣穴振盪或微噴射將損傷這些圖案化結構。維持穩定或可控的氣穴振盪是控制機械力損傷限度並有效去除微粒的關鍵參數。
在美國專利No.4,326,553中提到可以運用兆聲波能量和噴嘴結合來清洗半導體襯底。流體被加壓，兆聲波能量透過兆聲感測器施加到流體上。特定形狀的噴嘴噴射出像帶狀的液體，在襯底表面上以兆聲波頻率振動。
在美國專利No.6,039,059中提到一個能量源透過振動一根細長的探針將聲波能量傳遞到流體中。在一個例子中，流體噴射到襯底正反兩面，而將一根探針置於靠近襯底上表面的位置。另一個例子中，將一根短的探針末端置於靠近襯底表面的位置，在襯底旋轉過程中，探針在襯底表面移動。
在美國專利No.6,843,257 B2中提到一個能量源使得一根杆繞平行於襯底表面的軸振動。杆的表面被刻蝕成曲線樹枝狀，如螺旋形的凹槽。
為了有效去除微粒，而不損傷襯底上的器件結構，需要一種好的方法來控制在清洗過程中超聲波/兆聲波裝置產生的氣穴振盪以在整片襯底上獲得穩定或可控的氣穴振盪。
本發明提出了一種使用超聲波/兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷。穩定的氣穴振盪透過設置聲波電源在時間間隔小於τ1內功率為P1，設置聲波電源在時間間隔大於τ2內功率為P2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，功率P2等於0或遠小於功率P1，τ1是氣泡內的溫度上升到臨界內爆溫度的時間間隔，τ2是氣泡內的溫度下降到遠低於臨界內爆溫度的時間間隔。
本發明提出了另一種使用超聲波/兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷。穩定的氣穴振盪透過設置聲波電源在時間間隔小於τ1內頻率為f1，設置聲波電源在時間間隔大於τ2內頻率為f2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，f2遠大於f1，最好是f1的2倍或4倍，τ1是氣泡內的溫度上升到臨界內爆溫度的時間間隔，τ2是氣泡內的溫度下降到遠低於臨界內爆溫度的時間間隔。
本發明還提出了一種使用超聲波/兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化 結構無損傷，氣泡的尺寸小於圖案化結構之間的間距。具有氣泡尺寸小於圖案化結構之間間距的穩定的氣穴振盪透過設置聲波電源在時間間隔小於τ1內功率為P1，設置聲波電源在時間間隔大於τ2內功率為P2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，功率P2等於0或遠小於功率P1，τ1是氣泡的尺寸增大到臨界尺寸的時間間隔，該臨界尺寸等於或大於圖案化結構之間的間距，τ2是氣泡的尺寸減小到遠小於圖案化結構之間的間距的值的時間間隔。
本發明還提出了一種使用超聲波/兆聲波清洗襯底時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對襯底上的圖案化結構無損傷，氣泡的尺寸小於圖案化結構之間的間距。具有氣泡尺寸小於圖案化結構之間間距的穩定的氣穴振盪透過設置聲波電源在時間間隔小於τ1內頻率為f1，設置聲波電源在時間間隔大於τ2內頻率為f2，重復上述步驟直到襯底被清洗乾淨，其中，f2遠大於f1，最好是f1的2倍或4倍，τ1是氣泡的尺寸增大到臨界尺寸的時間間隔，該臨界尺寸等於或大於圖案化結構之間的間距，τ2是氣泡的尺寸減小到遠小於圖案化結構之間的間距的值的時間間隔。
1003‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
1004‧‧‧壓電式感測器
1008‧‧‧聲學共振器
1010‧‧‧晶圓
1012‧‧‧噴頭
1014‧‧‧晶圓卡盤
1016‧‧‧驅動裝置
1032‧‧‧去離子水(清洗液化學試劑)
3003‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
4034‧‧‧精細結構
6080‧‧‧微噴嘴
6082‧‧‧氣泡
15010‧‧‧晶圓
15034‧‧‧圖案化結構
15046‧‧‧氣泡
15048‧‧‧氣泡
16010‧‧‧晶圓
16014‧‧‧晶圓卡盤
16016‧‧‧驅動裝置
16060‧‧‧去離子水(清洗液化學試劑)
16062‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
16064‧‧‧噴頭
17010‧‧‧晶圓
17072‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
17070‧‧‧清洗液化學試劑
17074‧‧‧溶液槽
17076‧‧‧晶圓盒
圖1A-1B為採用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的示範性實施例；圖2A-2G為超聲波/兆聲波感測器的各種形狀； 圖3為晶圓清洗過程中的氣穴振盪；圖4A-4B為在清洗過程中不穩定的氣穴振盪損傷晶圓上的圖案化結構；圖5A-5C為在清洗過程中氣泡內部熱能的變化；圖6A-6C為晶圓清洗方法的示範性實施例；圖7A-7C為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖8A-8D為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖9A-9D為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖10A-10B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖11A-11B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖12A-12B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖13A-13B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖14A-14B為晶圓清洗方法的又一示範性實施例；圖15A-15C為在清洗過程中穩定的氣穴振盪損傷晶圓上的圖案化結構；圖16為採用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的另一示範性實施例；圖17為採用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的實施例；圖18A-18C為晶圓清洗方法的另一示範性實施例；圖19為晶圓清洗方法的又一示範性實施例。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加 明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明，使本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。並未刻意按比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。
圖1A-1B示意了採用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗裝置。該晶圓清洗裝置包括晶圓1010、由轉動驅動裝置1016驅動旋轉的晶圓卡盤1014、噴灑清洗液化學試劑或去離子水1032的噴頭1012、超聲波/兆聲波裝置1003及超聲波/兆聲波電源。超聲波/兆聲波裝置1003進一步包括壓電式感測器1004及與其配對的聲學共振器1008。感測器1004通電後振動，共振器1008會將高頻聲能量傳遞到液體中。由超聲波/兆聲波能量產生的氣穴振盪使晶圓1010表面的微粒鬆動，污染物因此從晶圓1010表面脫離，進而透過由噴頭1012提供的流動液體1032將其從晶圓表面移除。
圖2A-2G示意了本發明的超聲波/兆聲波裝置的俯視圖。圖1所示的超聲波/兆聲波裝置1003可以被不同形狀的超聲波/兆聲波裝置3003所代替，如圖2A所示的三角形或餡餅形，圖2B所示的矩形，圖2C所示的八邊形，圖2D所示的橢圓形，圖2E所示的半圓形，圖2F所示的四分之一圓形，以及圖2G所示的圓形。
圖3示意了在壓縮過程中的氣穴振盪。氣泡的形狀逐漸從球形A壓縮至蘋果形G，最終氣泡到達內爆狀態I並形成微噴射。如圖4A和4B所示，微噴射很猛烈(可達到上千個大氣壓和上千攝氏度)，會損傷半導體晶圓1010上的精細結構4034，特別是當特徵尺寸縮小到70nm及更小時。
圖5A-5C示意了本發明的氣穴振盪的簡化模型。當聲波正壓作用于氣泡時，氣泡減少其體積。在體積減小過程中，聲波壓力PM對氣泡做功，機械功轉換為氣泡內部的熱能，因此，氣泡內部的氣體和/或蒸汽的溫度增加。
理想氣體方程式可以表示如下：p0v0/T0=pv/T (1)
其中，P0是壓縮前氣泡內部的壓強，V0是壓縮前氣泡的初始體積，T0是壓縮前氣泡內部的氣體溫度，P是受壓時氣泡內部的壓強，V是受壓時氣泡的體積，T是受壓時氣泡內部的氣體溫度。
為了簡化計算，假設壓縮或壓縮非常慢時氣體的溫度沒有變化，由於液體包圍了氣泡，溫度的增加可以忽略。因此，一次氣泡壓縮過程中(從體積N單位量至體積1單位量或壓縮比為N)，聲壓PM所做的機械功Wm可以表達如下：wm=ʃ0 x0-1pSdx=ʃ0 x0-1(S(x0p0)/(x0-x))dx=Sx0p0ʃ0 x0-1dx/(x0-x)=-Sx0p0ln(x0-x)|0 x0-1=Sx0p0ln(x0) (2)
其中，S為汽缸截面的面積，x0為汽缸的長度，p0為壓縮前汽缸內氣體的壓強。方程式(2)不考慮壓縮過程中溫度增長的因素，因此，由於溫度的增加，氣泡內的實際壓強會更高，實際上由聲壓做的機械功要大於方程式(2)計算出的值。
假設聲壓做的機械功部分轉化為熱能，部分轉換成氣泡內高壓氣體和蒸汽的機械能，這些熱能完全促使氣 泡內部氣體溫度的增加(沒有能量轉移至氣泡周圍的液體分子)，假設壓縮前後氣泡內氣體質量保持不變，氣泡壓縮一次後溫度增量鎠T可以用下面的方程式表達：T=Q/(mc)=β wm/(mc)=β Sx0p0ln(x0)/(mc) (3)其中，Q是機械功轉換而來的熱能，β是熱能與聲壓所做的總機械功的比值，m是氣泡內的氣體質量，c是氣體的比熱係數。
將β=0.65，S=1E-12m2，x0=1000麱m=1E-3m(壓縮比N=1000)，p0=1kg/cm2=1E4kg/m2，m=8.9E-17kg(對氫氣)，c=9.9E3 J/(kg 0k)代入方程式(3)，那麽ΔT=50.9 0k。
一次壓縮後氣泡內的氣體溫度T1可以計算得出：T1=T0+ΔT=20℃+50.9℃=70.9℃ (4)
當氣泡達到最小值1微米時，如圖5B所示。在如此高溫下，氣泡周圍的液體蒸發，隨後，聲壓變為負值，氣泡開始增大。在這個反過程中，具有壓強PG的熱氣體和蒸汽將對周圍的液體表面做功。同時，聲壓PM朝膨脹方向拉伸氣泡，如圖5C所示。因此，負的聲壓PM也對周圍的液體做部分功。由於共同作用的結果，氣泡內的熱能不能全部釋放或轉化為機械能，因此，氣泡內的氣體溫度不能降低到最初的氣體溫度T0或液體溫度。如圖6B所示，氣穴振盪的第一周期完成後，氣泡內的氣體溫度T2將在T0和T1之間。T2可以表達如下：T2=T1-δT=T0+ΔT-δT (5)
其中，δT是氣泡膨脹一次後的溫度減量，δT小于ΔT。
當氣穴振盪的第二周期達到最小氣泡尺寸時，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T3為： T3=T2+ΔT=T0+ΔT-δT+ΔT=T0+2ΔT-δT (6)
當氣穴振盪的第二周期完成後，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T4為：T4=T3-δT=T0+2ΔT-δT-δT=T0+2ΔT-2δT (7)
同理，當氣穴振盪的第n個周期達到最小氣泡尺寸時，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T2n-1為：T2n-1=T0+nΔT-(n-1)δT (8)
當氣穴振盪的第n個周期完成後，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T2n為：T2n=T0+nΔT-nδT=T0+n(ΔT-δT) (9)
隨著氣穴振盪的周期數n的增加，氣體和蒸汽的溫度也會增加，因此氣泡表面越多的分子蒸發到氣泡6082內部，氣泡6082也會變大，如圖6C所示。最終，壓縮過程中氣泡內的溫度將會達到內爆溫度Ti(通常內爆溫度Ti高達幾千攝氏度)，形成猛烈的微噴射6080，如圖6C所示。
根據公式(8)，內爆的周期數ni可以表達如下：ni=(Ti=T0-ΔT)/(ΔT-δT)+1 (10)
根據公式(1())，內爆時間t1可以表達如下：τi=nit1=t1((Ti=T0-ΔT)/(ΔT-δT)+1)=ni/f1=((Ti=T0-ΔT)/(ΔT-δT)+1)/f1 (11)
其中，t1為循環周期，f1為超聲波/兆聲波的頻率。
根據公式(10)和(11)，內爆周期數ni和內爆 時間壜i可以被計算出來。表1為內爆周期數ni、內爆時間t1和(Δ T-δ T)的關係，假設Ti=3000℃，Δ T=50.9℃，T0=20℃，f1=500KHz，f1=1MHz，以及f1=2MHz。
為了避免對晶圓上的圖案化結構造成損傷，需要保持穩定的氣穴振盪，避免氣泡內爆帶來的微噴射。圖7A-7C為本發明提出的一種使用超聲波/兆聲波清洗晶圓時透過維持穩定的氣穴振盪來達成不損傷晶圓上的圖案化結構。圖7A為電源輸出波形；圖7B為每個氣穴振盪周期所對應的溫度曲線；圖7C為每個氣穴振盪周期對應的氣泡的膨脹大小。根據本發明的避免氣泡內爆的操作工藝步驟如下所述：
步驟1：將超聲波/兆聲波裝置置於設置在卡盤或溶液槽上的晶圓或襯底表面附近；
步驟2：將晶圓和超聲波/兆聲波裝置之間充滿化學液體或加了水的氣體(氫氣、氮氣、氧氣或二氧化碳)；
步驟3：旋轉卡盤或振動晶圓；
步驟4：設置電源頻率為f1，功率為P1；
步驟5：在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti之前(或時間達到τ1<τi，τi由公式(11)計算出來)，設置電源的輸出功率為0瓦特，因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內氣體溫度開始下降。
步驟6：氣泡內氣體溫度降低至常溫T0或時間(零功率的時間)達到τ2後，再次設置電源頻率為f1，功率為P1。
步驟7：重復步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟5中，為了避免氣泡內爆，時間τ1必須小於τi，可以由公式(II)計算出τi。步驟6中，氣泡內的氣體溫度並不一定要冷卻到常溫或液體的溫度，可以是高於常溫或液體的溫度的一個特定溫度，但最好遠低於內爆溫度壜i。
根據公式8和9，如果知道(Δ T-δ T)，就可以計算出τi。但通常來說，(Δ T-δ T)不太容易被計算出或直接得到，以下步驟可以透過實驗得到內爆時間τi。
步驟1：基於表1，選擇五個不同的時間τ1作為DOE實驗設定的條件；
步驟2：選擇至少是τ1十倍的時間τ2，在第一次測試時最好是100倍的τ1。
步驟3：使用確定的功率P0運行以上五種條件來分別清洗具有圖案化結構的晶圓。此處，P0是在連續不間斷模式(非脈衝模式)下確定會對晶圓的圖案化結構造成損傷的功率。
步驟4：使用SEMS或晶圓圖案損傷查看工具來檢查以上五種晶圓的損壞程度，如AMAT SEM視圖或日立IS3000，然後內爆時間τi可以被確定在某一範圍。
重復步驟1至步驟4來縮小內爆時間τi的範圍。知道了內爆時間τi，τi可以在安全係數下設置為小於0.5τi的值。以下為舉例描述實驗資料：圖案化結構為55nm的多晶矽柵線，超聲波/兆聲波的頻率為1MHZ，使用Prosys製造的超聲波/兆聲波裝置，在一個間距振盪模式(PCT/CN2008/073471公開)下操作來達到晶圓內和晶圓間更好的均勻能量。以下表2總結了其他試驗參數以及最終的圖案損傷資料：
從上表可以看出，在55nm的特徵尺寸下，τ1=2ms(或周期數為2000)時，對圖案化結構造成的損傷高達1216個點；但是τ1=0.1ms(或周期數為100)時，對圖案化結構造成的損傷為0。因此τ1為0.1ms與2ms之間的某個數值，為了縮小這個範圍需要做更進一步的實驗。顯然，周期數與超聲波/兆聲波的功率密度和頻率有關，功率密度越大，周期數越小；頻率越低，周期數越小。從以上實驗結果可以預測出無損傷的周期數應該小於2000，假設超聲波/兆 聲波的功率密度大於0.1w/cm2，頻率小於或等於1MHZ。如果頻率增大到大於1MHZ或功率密度小於0.1w/cm2，那麽可以預測周期數將會增加。
知道時間τ1後，τ2也就可以基於與上述相似的DEO方法來縮短。確定時間τ1，逐步縮短時間τ2來運行DOE，直到可以觀察到圖案化結構被損傷。由於時間τ2被縮短，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度不能被足夠冷卻，從而會引起氣泡內的氣體或蒸汽的平均溫度的逐步上升，最終將會觸發氣泡內爆，觸發時間稱為臨界冷卻時間。知道臨界冷卻時間τc後，為了增加安全係數，時間τ2可以設置為大於2τc的值。
圖8A-8D示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置清洗晶圓的方法。該方法與圖7A示意的方法相似，除了步驟4設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f1，功率為振幅變化的波形。圖8A示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f1，功率具有不斷增大的振幅的波形。圖8B示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f1，功率具有不斷減小的振幅的波形。圖8C示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f1，功率具有振幅先減小後增大的波形。圖8D示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f1，功率具有振幅先增大後減小的波形。
圖9A-9D示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置清洗晶圓的方法。該方法與圖7A示意的方法相 似，除了步驟4設置超聲波/兆聲波電源的頻率為不斷變化的頻率。圖9A示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f1，後為f3，且f1高於f3。圖9B示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f3，後為f1，且f1高於f3。圖9C示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f3，後為f1，最後再為f3，且f1高於f3。圖9D示意了另一清洗方法為在步驟4中設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f1，後為f3，最後再為f1，且f1高於f3。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f1，後為f3，最後為f4，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f4，後為f3，最後為f1，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f1，後為f4，最後為f3，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f3，後為f4，最後為f1，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f3，後為f1，最後為f4，且f4小於f3，f3小於f1。
與圖9C示意的方法相似，在步驟4中，設置超聲波/兆聲波電源的頻率先為f4，後為f1，最後為f3，且f4小於f3，f3小於f1。
圖10A-10B示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波清洗晶圓時透過維持穩定的氣穴振盪來達成對晶圓上的圖案化結構零損傷。圖10A為電源輸出的波形，圖10B為與氣穴振盪的每個周期相對應的溫度曲線。本發明所提出的操作工藝步驟如下：
步驟1：將超聲波/兆聲波裝置置於設置在卡盤或溶液槽上的晶圓或襯底表面附近；
步驟2：將晶圓和超聲波/兆聲波裝置之間充滿化學液體或摻有水的氣體；
步驟3：旋轉卡盤或振動晶圓；
步驟4：設置電源頻率為f1，功率為P1；
步驟5：在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti(總時間τ1流逝)之前，設置電源輸出頻率為f1，功率為P2，且P2小於P1。因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內氣體溫度開始下降。
步驟6：氣泡內氣體溫度降低到接近常溫T0或時間(零功率的時間)達到τ2，再次設置電源頻率為f1，功率為P1。
步驟7：重復步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟6中，由於功率為P2，氣泡內氣體的溫度無法降到室溫，需要有一個溫度差ΔT2存在於時間區間τ2，如圖10B所示。
圖11A-11B示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2小於f1，P2小於P1。由於f2小於f1，氣泡內的氣體或蒸汽溫度快速上升，因此P2應該遠小於P1，為了降低氣泡內氣體或蒸汽的溫度，兩者最好相差5倍或10倍。
圖12A-12B示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2大於f1，P2等於P1。
圖13A-13B示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2大於f1，P2小於P1。
圖14A-14B示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置的晶圓清洗方法。與圖10A示意的方法相似，除了步驟5設置超聲波/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2，其中，f2大於f1，P2大於P1。由於f2大於f1，氣泡內的氣體或蒸汽溫度上升緩慢，因此，P2可以略大於P1，但要確保在時間區間τ2內氣泡內氣體或蒸汽的溫度與時間區間τ1比要減小，如圖14B。
圖4A-4B示意了圖案化結構被猛烈地微噴射所損傷。圖15A-15B示意了穩定的氣穴振盪也能夠損傷晶圓15010上的圖案化結構。由於氣穴振盪持續，氣泡內的氣體 或蒸汽溫度上升，因此氣泡15046的尺寸也不斷增大，如圖15A。當氣泡15048的尺寸變得大於圖15B所示的圖案化結構之間的間距W時，氣穴振盪的膨脹將對圖案化結構15034造成損傷，如圖15C。以下為本發明所提出的又一種清洗方法：
步驟1：將超聲波/兆聲波裝置置於設置在卡盤或溶液槽上的晶圓或襯底表面附近；
步驟2：將晶圓和超聲波/兆聲波裝置之間充滿化學液體或摻有水的氣體；
步驟3：旋轉卡盤或振動晶圓；
步驟4：設置電源頻率為f1，功率為P1；
步驟5：在氣泡的尺寸達到圖案化結構之間的間距W之前(時間τ1流逝)，設置電源的輸出功率為0瓦特，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內的氣體溫度開始下降。
步驟6：氣泡內氣體溫度冷卻到常溫T0或時間(零功率的時間)達到τ2後，再次設置電源頻率為f1，功率為P1。
步驟7：重復步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟6中，氣泡內的氣體溫度不一定要降到室溫，可以是任何溫度，但最好遠低於內爆溫度Ti。步驟5中，氣泡的尺寸可以略大於圖案化結構之間的間距的大小，只要氣泡的膨脹力不損壞圖案化結構。時間τ1可以透過以下方法來確定：
步驟1：類似表1，選擇5個不同的時間τ1作為DOE實驗的條件；
步驟2：選擇至少是τ110倍的時間τ2，首次測試最好選擇100覱倍；
步驟3：使用確定的功率P0運行以上五種條件來分別清洗具有圖案化結構的晶圓，此處，P0是在連續不間斷模式(非脈衝模式)下確定會對晶圓的圖案化結構造成損傷的功率。
步驟4：使用SEMS或晶圓圖案損傷查看工具來檢查以上五種晶圓的損壞程度，如AMAT SEM視圖或日立IS3000，然後損傷時間τ1可以被確定在某一範圍。
重復步驟1至步驟4來縮小損傷時間τd的範圍。知道了損傷時間τd，τ1可以在安全係數下設置為小於0.5τd的值。
圖7-圖14所描述的所有方法均適用於此或者與圖15所描述的方法相結合。
圖16所示為採用超聲波/兆聲波裝置的清洗晶圓的裝置的實施例。晶圓清洗裝置包括晶圓16010、由轉動驅動裝置16016驅動旋轉的晶圓卡盤16014、噴灑清洗液化學試劑或去離子水16060的噴頭16064、結合噴頭16064的超聲波/兆聲波裝置16062及超聲波/兆聲波電源。由超聲波/兆聲波裝置16062產生的超聲波/兆聲波透過化學試劑或去離子水16060液柱傳遞到晶圓。圖7至圖15所描述的所有清洗方法均適用於圖16所示的清洗裝置。
圖17為採用超聲波/兆聲波裝置的清洗晶圓的裝置的實施例。晶圓清洗裝置包括晶圓17010、溶液槽 17074、放置在溶液槽17074中用來支撐晶圓17010的晶圓盒17076、清洗液化學試劑17070、設置在溶液槽17074外牆上的超聲波/兆聲波裝置17072及超聲波/兆聲波電源。至少有一個入口用來向溶液槽17074內充入清洗液化學試劑17070以浸沒晶圓17010。圖7至圖15所描述的所有清洗方法均適用於圖17所示的清洗裝置。
圖18A-18C示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置清洗晶圓的方法的實施例。該方法與圖7A所示的方法相似，除了步驟5在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti(或時間達到τ1<τi，τi由公式(11)計算出來)之前，設置電源輸出值為正值或負的直流值來保持或停止超聲波/兆聲波裝置的振動，因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內氣體溫度開始下降。此處的正值或負值可以大於、等於或小於功率P1。
圖19示意了根據本發明的使用超聲波/兆聲波裝置清洗晶圓的方法的實施例。與圖7A所示意的方法相似，除了步驟5在氣泡內的氣體或蒸汽溫度達到內爆溫度Ti(或時間達到τ1<τ2，τi由公式(11)計算出來)之前，設置電源的輸出頻率與f1相同，相位與f1的相位相反以快速停止氣泡的氣穴振盪。因此，由於液體或水的溫度遠低於氣體溫度，氣泡內的氣體溫度開始下降。此處的正值或負值可以大於、等於或小於功率P1。在上述操作過程中，電源的輸出頻率可以與頻率f1不同但相位與f1的相位相反以快速停止氣泡的氣穴振盪。
通常來說，頻率範圍在0.1MHZ-10MHZ之間的超聲波/兆聲波可以應用到本發明所提出的方法中。
儘管本發明以特定的實施方式、舉例、應用來說明，本領域內顯而易見的改動和替換將依舊落入本發明的保護範圍。
1003‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
1004‧‧‧壓電式感測器
1008‧‧‧聲學共振器
1010‧‧‧晶圓
1012‧‧‧噴頭
1014‧‧‧晶圓卡盤
1016‧‧‧驅動裝置
1032‧‧‧去離子水(清洗液化學試劑)

Claims (64)

  1. 一種使用超/兆聲波裝置清洗半導體襯底且不損傷半導體襯底上的圖案化結構的方法，其特徵在於，包括：將液體噴射到半導體襯底和超/兆聲波裝置之間的間隙中；設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動所述超/兆聲波裝置；在所述液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置所述超/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2以驅動所述超/兆聲波裝置；待氣泡內的溫度冷卻到設定溫度後，再次設置所述超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；重復上述步驟直到半導體襯底洗淨。
  2. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構由氣泡內爆產生的微噴射引起。
  3. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，設置所述超/兆聲波電源的頻率為f1、功率為P1與設置所述超/兆聲波電源的頻率為f2、功率為P2之間的時間間隔小於2000倍的頻率f1的波形周期。
  4. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，設置所述超/兆聲波電源的頻率為f1、功率為P1與設置所述超/兆聲波電源 的頻率為f2、功率為P2之間的時間間隔小於((Ti=T0-ΔT)/(ΔT-δT)+1)/f1，其中Ti是當所述氣泡內爆時氣泡內部氣體和蒸汽的溫度，T0是所述液體的溫度，ΔT是所述氣泡一次壓縮後的溫度增量，δT是所述氣泡一次膨脹後的溫度減量。
  5. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構是由於氣泡尺寸增長大於圖案化結構之間的間距引起。
  6. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述設定溫度接近於所述液體的溫度。
  7. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述功率P2的值設為0。
  8. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f1等於所述頻率f2，所述功率P2小於所述功率P1。
  9. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f1高於所述頻率f2，所述功率P2小於所述功率P1。
  10. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f1小於所述頻率f2，所述功率P1等於所述功率P2。
  11. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f1小於所述頻率f2，所述功率P1大於所述功率P2。
  12. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f1小於所述頻率f2，所述功率P1小於所述功率P2。
  13. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有逐漸增大的振幅。
  14. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有逐漸減小的振幅。
  15. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有先增大後減小的振幅。
  16. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有先減小後增大的振幅。
  17. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f3，f3小於f1。
  18. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f1，f3小於f1。
  19. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f1最後為f3，f3小於f1。
  20. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f3最後為f1，f3小於f1。
  21. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f3最後為f4，f4小於f3，f3小於f1。
  22. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f4後為f3最後為f1，f4小於f3，f3小於f1。
  23. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f4最後為f3，f4小於f3，f3小於f1。
  24. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f4最後為f1，f4小於f3，f3小於f1。
  25. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f1最後為f4，f4小於f3，f3小於f1。
  26. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f4後為f1最後為f3，f4小於f3，f3小於f1。
  27. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f2為0，所述功率P2為正值。
  28. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f2為0，所述功率P2為負值。
  29. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f2等於f1，f2的相位與f1的相位相反。
  30. 如請求項1所述的方法，其特徵在於，所述頻率f2與f1不同，f2的相位與f1的相位相反。
  31. 一種使用超/兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，包括：支撐半導體襯底的卡盤；置於半導體襯底附近的超/兆聲波裝置；至少一個噴頭將化學液體噴射到半導體襯底以及半導體襯底與超/兆聲波裝置之間的間隙中；超/兆聲波電源； 設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動所述超/兆聲波裝置；在所述液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2以驅動所述超/兆聲波裝置；待氣泡內的溫度冷卻到設定溫度後，再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
  32. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構由氣泡內爆產生的微噴射引起。
  33. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，設置所述超/兆聲波電源的頻率為f1、功率為P1與設置所述超/兆聲波電源的頻率為f2、功率為P2之間的時間間隔小於2000倍的頻率f1的波形周期。
  34. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，設置所述超/兆聲波電源的頻率為f1、功率為P1與設置所述超/兆聲波電源的頻率為f2、功率為P2之間的時間間隔小於((Ti=T0-ΔT)/(ΔT-δT)+1)/f1，其中Ti是當所述氣泡內爆時氣泡內部氣體和蒸汽的溫度，T0是所述液體的溫度，ΔT是所述氣泡一次壓縮後的溫度增量，δT是所述氣泡一次膨脹後的溫度減量。
  35. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構是由於氣泡尺寸增長大於圖案化結構之間的間距引起。
  36. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述設定溫度接近於所述液體的溫度。
  37. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述功率P2的值為0。
  38. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f1等於所述頻率f2，所述功率P2小於所述功率P1。
  39. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f1高於所述頻率f2，所述功率P2小於所述功率P1。
  40. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f1小於所述頻率f2，所述功率P1等於所述功率P2。
  41. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f1小於所述頻率f2，所述功率P1大於所述功率P2。
  42. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f1小於所述頻率f2，所述功率P1小於所述功率P2。
  43. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有逐漸增大的振幅。
  44. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有逐漸減小的振幅。
  45. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有先增大後減小的振幅。
  46. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1具有先減小後增大的振幅。
  47. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f3，f3小於f1。
  48. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f1，f3小於f1。
  49. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f1最後為f3，f3小於f1。
  50. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f3最後為f1，f3小於f1。
  51. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f3最後為f4，f4小於f3，f3小於f1。
  52. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f4後為f3最後為f1，f4小於f3，f3小於f1。
  53. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f1後為f4最後為f3，f4小於f3，f3小於f1。
  54. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f4最後為f1，f4小於f3，f3小於f1。
  55. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f3後為f1最後為f4，f4小於f3，f3小於f1。
  56. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述超/兆聲波電源輸出功率P1，頻率先為f4後為f1最後為f3，f4小於f3，f3小於f1。
  57. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f2為0，所述功率P2為正值。
  58. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f2為0，所述功率P2為負值。
  59. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f2等於f1，f2的相位與f1的相位相反。
  60. 如請求項31所述的裝置，其特徵在於，所述頻率f2與f1不同，f2的相位與f1的相位相反。
  61. 一種使用超/兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，包括：支撐至少一片半導體襯底的盒子；容納所述盒子的溶液槽；設置在所述溶液槽外壁的超/兆聲波裝置；至少一個入口使所述溶液槽內充滿化學液體以浸沒所述半導體襯底；超/兆聲波電源；設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動所述超/兆聲波裝置；在所述液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2以驅動所述超/兆聲波裝置；待氣泡內的溫度冷卻到設定溫度 後，再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
  62. 如請求項61所述的裝置，其特徵在於，所述功率P2為0。
  63. 一種使用超/兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，包括：支撐半導體襯底的卡盤；置於半導體襯底附近的帶有噴頭的超/兆聲波裝置，所述噴頭向半導體襯底噴射化學液體；超/兆聲波電源；設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1以驅動所述超/兆聲波裝置；在所述液體中的氣穴振盪損傷半導體襯底上的圖案化結構之前，設置超/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2以驅動所述超/兆聲波裝置；待氣泡內的溫度冷卻到設定溫度後，再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；重復上述步驟直到半導體襯底被洗淨。
  64. 如請求項63所述的裝置，其特徵在於，所述功率P2為0。
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