TW202105555A - 清洗基板的方法和裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示了清洗基板的方法和裝置，該基板包括圖案結構特徵。清洗基板的方法包括將基板放置在可以使基板旋轉的基板保持器上；輸送清洗液到基板上；當通過感測器向清洗液施加聲能時，通過基板保持器以第一速率旋轉基板；當感測器沒有向清洗液施加聲能時，通過基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。

Description

清洗基板的方法和裝置
本發明關於清洗基板的方法和裝置，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基板上獲得穩定或可控的氣穴振盪，有效去除具有高深寬比的通孔、槽或凹進區域內的微粒。
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。近來，電晶體的建立由兩維發展到三維，例如鰭型場效應電晶體和3D NAND記憶體。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，例如掩膜、刻蝕和沉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，3D NAND快閃記憶體單元和/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，3D NAND孔和/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，猛烈的氣穴振盪例如不穩定的氣穴振盪或微噴射會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3D NAND孔結構中，不穩定的氣穴振盪可能不會損壞孔結構，但是，孔內氣泡飽和會停止或降低清洗效果。
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，兆聲波能量通過兆聲波感測器施加到流體上。特定形狀的噴嘴噴射出帶狀的液體，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。在另一個例子中，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。
為了有效去除具有高深寬比的通孔、槽或凹進區域內的微粒，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。
根據本發明的一個方面，提出一種清洗基板的方法，該基板包括圖案結構特徵，該清洗基板的方法包括：將基板放置在可以使基板旋轉的基板保持器上；輸送清洗液到基板上；當通過感測器向清洗液施加聲能時，通過基板保持器以第一速率旋轉基板；當感測器沒有向清洗液施加聲能時，通過基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。
根據本發明的另一個方面，提出一種清洗基板的方法，該基板包括圖案結構特徵，該清洗基板的方法包括：對基板進行預處理以去除吸引氣泡的缺陷；輸送清洗液到基板上；基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；以及基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第二時段以第 二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能；其中以預定數目的循環將該第一和第二時段先後交替施加。
根據本發明的又一個方面，提出一種清洗基板的方法，該基板包括圖案結構特徵，該清洗基板的方法包括：對清洗液進行預處理以去除清洗液中的至少一部分氣泡；輸送清洗液到基板上；基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；以及基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第二時段以第二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能；其中以預定數目的循環將該第一和第二時段先後交替施加。
根據本發明的一個方面，提出一種清洗基板的裝置，該基板包括圖案結構特徵，該清洗基板的裝置包括：基板保持器，被配置為保持基板和旋轉基板；出口，被配置為輸送清洗液到基板上；感測器，被配置為傳遞聲能到液體中；以及一個或多個控制器，被配置為：控制感測器向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以第一速率旋轉基板；以及控制感測器不向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。
根據本發明的一個方面，提出一種用於清洗基板的裝置的控制器，該控制器被配置為：控制感測器向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以第一速率旋轉基板；以及控制感測器不向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。
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‧‧‧轉動驅動裝置
1032‧‧‧清洗液化學試劑(去離子水)
3003‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
6080‧‧‧微噴射
6082‧‧‧氣泡
15034‧‧‧圖案化結構
15046‧‧‧氣泡
15048‧‧‧氣泡
16010‧‧‧晶圓
16014‧‧‧晶圓卡盤
16016‧‧‧轉動驅動裝置
16060‧‧‧清洗液化學試劑(去離子水)
16062‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
16064‧‧‧噴頭
17010‧‧‧晶圓
17070‧‧‧清洗液化學試劑
17072‧‧‧超聲波/兆聲波裝置
17074‧‧‧溶液槽
17076‧‧‧晶圓盒
20010‧‧‧襯底
20012‧‧‧氣泡
20034‧‧‧通孔
20036‧‧‧槽
20047‧‧‧新鮮化學液
20048‧‧‧雜質
21082‧‧‧氣泡
24010‧‧‧半導體晶圓
24032‧‧‧清洗液
24034‧‧‧圖案結構特徵
24046‧‧‧氣泡
24048‧‧‧雜質
26010‧‧‧半導體晶圓
26012‧‧‧噴頭
26014‧‧‧旋轉卡盤
26016‧‧‧旋轉驅動裝置
26032‧‧‧清洗液
26084‧‧‧去氣泡裝置
27010‧‧‧半導體晶圓
27032‧‧‧清洗液
27034‧‧‧圖案結構
27046‧‧‧氣泡
27050‧‧‧缺陷
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；
圖20A-20D為通孔或槽內的氣泡處於低於飽和點的狀態；
圖20E-20H為氣泡的尺寸增大導致氣泡總體積VB與通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R接近或超過飽和點；
圖20I-20J為氣泡的尺寸增大控制在一定範圍內從而使氣泡總體積VB與通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R遠低於飽和點；
圖21A-21D為襯底清洗方法的一示範性實施例；
圖22A-22D為襯底清洗方法的又一示範性實施例；
圖23A-23C為襯底清洗方法的又一示範性實施例；
圖24A-24E揭示了襯底清洗方法的一示範性實施例；
圖25揭示了清洗液中氣泡數量與氣體濃度之間的關係；
圖26揭示了具有去氣泡裝置的襯底清洗裝置的一示範性實施例；以及
圖27A-27B揭示了襯底清洗方法的另一示範性實施例。
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，進而通過由噴頭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，氣泡減小其體積。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：
Figure 108125730-A0202-12-0008-69
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品質保持不變，氣泡壓縮一次後溫度增量ΔT可以用下面的方程式表達：
ΔT=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是氣泡內的氣體品質，c是氣體的比熱係數。將β=0.65，S=1E-12m2，x0=1000μm=1E-3m(壓縮比N=1000)，p0=1kg/cm2=1E4kg/m2，m=8.9E-17kg for hydrogen gas，c=9.9E3 J/(kg 0k)代入方程式(3)，那麼ΔT=50.9℃。
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，氣穴振盪的第一週期完成後，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小於ΔT。
當氣穴振盪的第二週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)
當氣穴振盪的第二週期完成後，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個週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個週期完成後，氣泡內的氣體或蒸汽的溫度T2n為：
T2n=T0+nΔT-nδT=T0+n(ΔT-δT) (9)
隨著氣穴振盪的週期數n的增加，氣體和蒸汽的溫度也會增加，因此氣泡表面越來越多的分子蒸發到氣泡6082內部，氣泡6082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)，內爆的週期數ni可以表達如下：
ni=(Ti-T0-ΔT)/(ΔT-δT)+1 (10)
根據公式(10)，內爆時間τi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為循環週期，f1為超聲波/兆聲波的頻率。
根據公式(10)和(11)，內爆週期數ni和內爆時間τi可以被計算出來。表1為內爆週期數ni、內爆時間τi和(ΔT-δT)的關係，假設Ti=3000℃，ΔT=50.9℃，T0=20℃，f1=500KHz，f1=1MHz，and f1=2MHz。
表1
Figure 108125730-A0202-12-0011-2
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/兆聲波清洗晶圓時通過維持穩定的氣穴振盪來實現不損傷晶圓上的圖案化結構。圖7A為電源輸出波形；圖7B為每個氣穴振盪週期所對應的溫度曲線；圖7C為每個氣穴振盪週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上或溶液槽內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了氣體(氫氣、氮氣、氧氣或二氧化碳)的水；
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：重複步驟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(11)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τi。
根據公式8和9，如果知道(ΔT-δT)，就可以計算出τi。但通常來說，(ΔT-δT)不太容易被計算出或直接得到，以下步驟可以通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。
重複步驟1至步驟4來縮小內爆時間τi的範圍。知道了內爆時間τi，τ1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。
表2
Figure 108125730-A0202-12-0013-3
從上表可以看出，在55nm的特徵尺寸下，τ1=2ms(或週期數為2000)時，對圖案化結構造成的損傷高達1216個點；但是τ1=0.1ms(或週期數為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，週期數與超聲波/兆聲波的功率密度和頻率有關，功率密度越大，週期數越小；頻率越低，週期數越小。從以上實驗結果可以預測出無損傷的週期數應該小於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，那麼可以預測週期數將會增加。
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，功率具有振幅變化的波形。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，功率具有振幅不斷增大的波形。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，功率具有振幅不斷減小的波形。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/兆聲波清洗晶圓時通過維持穩定的氣穴振盪來實現對晶圓上的圖案化結構零損傷清洗。圖10A為電源輸出的波形，圖10B為與氣穴振盪的每個週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上或溶液槽內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氣體的水；
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：重複步驟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的微噴射所損傷。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所示的圖案化結構內的間距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上或溶液槽內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氣體的水；
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內的間距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：重複步驟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內的間距的大小，只要氣泡的膨脹力不損壞圖案化結構。時間τ1可以通過以下方法來確定：
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τ1十倍的時間τ2，首次測試最好選擇100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τi可以被確定在某一範圍。
重複步驟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至圖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/兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的實施例。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/兆聲波通過化學試劑或去離子水液柱16060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/兆聲波裝置的晶圓清洗裝置的實施例。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t1<ti，ti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。
圖20A-20D示意了襯底20010上的通孔20034或槽20036內的氣泡20012處於低於飽和點的狀態，由於圖案化結構內的氣穴振盪增強了通孔20034或槽20036內新鮮化學液的交換，同時提高了圖案化結構內的殘留物和顆粒等雜質的去除。飽和點Rs被定義為通孔、槽或凹進區域內的氣泡的最大量。超過飽和點時，化學液將受圖案化結構內的氣泡阻擋，難以到達通孔和槽的底部和側壁，因此，化學液的清洗效果會受到影響；低於飽和點時，化學液在通孔或槽內有足夠的活動路徑，從而獲得良好的清洗效果。
低於飽和點時，氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R為：
R=VB/VVTR<Rs
處於或超過飽和點Rs時，氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R為：
R=VB/VVTR=Rs
通孔、槽或凹進區域內的氣泡總體積為：
VB=NVb
其中，N為通孔、槽或凹進區域內的氣泡總數，Vb為單個氣泡的平均體積。
圖20E-20H示意了超/兆聲波裝置使氣泡20012逐漸增大到一定體積，從而導致氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R接近或超過飽和點Rs，造成增大的氣泡20012堵塞通孔或槽，即堵塞化學液交換和雜質移除的路徑。在這種情況下，超聲波/兆聲波無法 徹底傳遞到通孔或槽內進而到達其底部和側壁，同時，顆粒、殘留物以及其他雜質20048困在通孔或槽內無法有效排出。當臨界尺寸W1越來越小時，這種情況很容易發生，通孔或槽內增大後的氣泡趨於飽和。
圖20I-20J示意了氣泡20012的尺寸增大控制在一定範圍內，從而使氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R遠低於飽和點Rs。由於圖案化結構內的氣穴振盪，通孔或槽內的新鮮化學液20047自由交換，達到了良好的清洗效果，同時，雜質20048例如殘留物或顆粒排出通孔、槽或凹進區域。
由於通孔、槽內的氣泡總量與通孔、槽內的氣泡的數量和氣泡尺寸有關，在具有高深寬比的圖案化結構的清洗工藝中，控制因氣穴振盪增大的氣泡尺寸是清洗效果的關鍵。
如圖21A-21D所示，氣穴振盪的第一週期完成後，當聲波正壓作用于氣泡時，氣泡內氣體體積V1被壓縮到小於V0的最小尺寸；當聲波負壓作用于氣泡時，氣泡內氣體體積V2將回到原來大小。然而，具有體積V2的氣泡內的溫度T2高於具有體積V0的氣泡內的溫度T0，如圖21B所示。因此，由於氣泡周圍的液體分子在高溫下蒸發，體積V2大於體積V0。氣泡第二次壓縮後的體積V3介於V1和V2之間，如圖21B所示，V1、V2和V3可以表示為：
V1=V0-ΔV (12)
V2=V1+δV (13)
V3=V2-ΔV=V1+δV-ΔV=V0-ΔV+δV-ΔV=V0+δV-2ΔV (14)
其中，ΔV是由超/兆聲波產生的正壓使氣泡壓縮一次後氣泡的體積減量，δV是由超/兆聲波產生的負壓使氣泡膨脹一次後氣泡的體積增量，δV-ΔV是一個週期後由方程式(5)計算出的溫度增量ΔT-δT導致的體積增量。
氣穴振盪的第二個週期完成後，在溫度的持續增長過程中，氣泡的尺寸達到更大，氣泡內的氣體和/或蒸汽的體積V4為：
V4=V3+δV=V0+δV-2ΔV+δV=V0+2(δV-ΔV) (15)
當氣穴振盪的第三個週期完成後，氣泡內的氣體和/或蒸汽的體積V5為：
V5=V4-ΔV=V0+2(δV-ΔV)-ΔV=V0+2δV-3ΔV (16)
同理，當氣穴振盪的第n個週期達到最小氣泡尺寸時，氣泡內的氣體和/或蒸汽的體積V2n-1為：
V2n-1=V0+(n-1)δV-nΔV=V0+(n-1)δV-nΔV (17)
當氣穴振盪的第n個週期完成後，氣泡內的氣體和/或蒸汽的體積V2n為：
V2n=V0+n(δV-ΔV) (18)
為了將氣泡的體積限制在所需體積Vi內，該所需體積Vi是具有足夠物理活動的尺寸或者是氣泡狀態低於氣穴振盪或氣泡密度的飽和點，而不會阻塞通孔、槽或凹進區域內的化學液交換路徑。週期數ni可以表示為：
ni=(Vi-V0-ΔV)/(δV-ΔV)+1 (19)
根據方程式(19)，達到Vi所需時間τi可以表示為：
τi=nit1=t1((Vi-V0-ΔV)/(δV-ΔV)+1)=ni/f1=((Vi-V0-ΔV)/(δV-ΔV)+1)/f1 (20)
其中，t1為循環週期，f1為超/兆聲波的頻率。
根據方程式(19)和(20)，可以計算出限制氣泡尺寸所需的週期數ni和時間τi。
應該指出的是，當氣穴振盪的週期數n增加時，氣泡內的氣體或液體(水)蒸汽的溫度增加，因此，氣泡表面更多的分子將蒸發到氣泡內部，氣泡21082的尺寸將進一步增加且大於由方程式(18)計算出的值。在實際操作中，由於氣泡尺寸將由後續揭示的實驗方法決定，因此由於溫度增高使氣泡內表面的液體或水的蒸發對氣泡的尺寸的影響，這裡將不會從理論上詳細討論。由於單個氣泡的平均體積持續增大，氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R從R0不斷增大，如圖21D所示。
由於氣泡體積增大，氣泡的直徑最終達到與特徵尺寸W1的相同尺寸或同一數量級尺寸，如圖20E所示的通孔以及圖20G所示的槽或凹進區域。通孔和槽內的氣泡將阻擋超/兆聲波能量進一步到達通孔和槽的底部，尤其當深寬比(深度/寬度)大於3倍或更多時。因此，如此深的通孔或槽底部的污染物或顆粒無法有效去除或清理乾淨。
為了避免氣泡增長到臨界尺寸進而堵住通孔或槽內的化學液交換的路徑，圖22A-22D揭示了本發明的一 種通過維持一定尺寸的氣穴振盪，使用超聲波/兆聲波有效清洗具有高深寬比的通孔或槽的襯底的方法。圖22A示意了電源的輸出波形，圖22B示意了與每個氣穴振盪週期相對應的氣泡體積曲線，圖22C示意了在每個氣穴振盪週期氣泡尺寸增大，圖22D示意了氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R的曲線。根據：
R=VB/VVTR=Nvb/VVTR
氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R從R0增大到Rn，單個氣泡的平均體積在氣穴振盪一定週期數n後，在時間τ1內增大。Rn被控制在飽和點Rs之下。
Rn=VB/VVTR=Nvb/VVTR<Rs
氣泡總體積VB和通孔、槽或凹進區域的體積VVTR的比值R從Rn減小到R0，單個氣泡的平均體積在冷卻過程中，在時間τ2內回到初始大小。
本發明避免氣泡尺寸增長的操作過程如下：
步驟1：將超聲波/兆聲波裝置置於設置在卡盤上或溶液槽內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氣體(氫氣、氮氣、氧氣或二氧化碳)的水；
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：在氣泡的體積膨脹到一定體積Vn或直徑w後(或時間達到τ1)，設置電源的輸出功率為0瓦特，由於液 體或水的溫度冷卻了氣體溫度，氣泡內的氣體體積開始縮小；
步驟6：在氣泡的體積減小到初始體積後，且氣體溫度降低到室溫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：重複步驟1至步驟6直到晶圓洗淨。
步驟5中，膨脹的氣泡體積Vn或直徑w不必局限於小於堵塞通孔或槽的尺寸Vi或特徵尺寸w1。體積可以超過Vi，但為了獲得最短的工藝時間的有效清洗，最好小於尺寸Vi。τ1也不必局限於小於τi，但是最好小於方程式(20)定義的τi。
步驟6中，氣泡的體積不是必須縮小到初始體積，體積可以超過初始體積，但最好顯著的小於Vi以限制氣泡尺寸進而使超/兆聲波功率傳遞到例如通孔、槽或凹進區域的底部。
圖22B示意了在時間τ1內超/兆聲波功率作用於氣泡使氣泡膨脹到大體積Vn。在這種狀態下，部分傳輸路徑被堵塞。新鮮化學液無法徹底進入到通孔或槽進而到達它們的底部或側壁，同時，顆粒、殘留物和其他雜質困在通孔或槽內無法有效排出。但由於氣泡縮小，這種狀態將更替到下一個狀態：在時間τ2內關閉超/兆聲波電源以冷卻氣泡，如圖22A所示。在冷卻狀態下，新鮮化學液有機會進入到通孔或槽內以便清洗底部和側壁。當超/兆聲波電源在下一個打開週期打開時，顆粒、殘留物和其他雜質受到氣泡體 積增量產生的外拉力移出通孔或槽。如果在清洗過程中兩個狀態交替進行，可以達到使用超聲波/兆聲波有效清洗具有高深寬比的通孔，槽或凹進區域的襯底的目的。
時間τ2內的冷卻狀態在清洗過程中起到關鍵作用，需要精確的設定，且需要τ1<τi限制氣泡尺寸的時間，τi的定義也是需要的。以下用實驗方法可以確定時間τ2以在冷卻狀態下縮小氣泡尺寸，以及時間τ1以限制氣泡膨脹到堵塞尺寸。實驗使用超/兆聲波裝置結合化學液來清洗具有通孔和槽等微小特徵的圖案化襯底，存在可追蹤的殘留物以評估清洗效果。
步驟1：選擇足夠大的τ1以堵塞圖案化結構，可以像基於方程式(20)計算τi那樣計算出τ1；
步驟2：選擇不同的時間τ2運行DOE，選擇的時間τ2至少是10倍的τ1，第一屏測試時最好是100倍的τ1；
步驟3：確定時間τ1，確定一定的功率P0，分別以至少五種條件清洗特定的圖案化結構襯底，此處，P0為運行連續模式(非脈衝模式)時襯底上的通孔或槽確定沒有被清洗乾淨；
步驟4：採用SEMS或元素分析工具如EDX檢測以上五片襯底的通孔或槽內的可追蹤的殘留物狀態。
步驟1至步驟4可以重複以逐步縮短時間τ2直到觀察到通孔或槽內的可追蹤殘留物。由於時間τ2被縮短，氣泡的體積無法徹底縮小，從而將逐步堵塞圖案化結構並影響 清洗效果，這個時間被稱為臨界冷卻時間τc，知道臨界冷卻時間τc後，時間τ2可以設置為大於2τc以獲得安全範圍。
更詳細的舉例如下：
步驟1：選擇10個不同的時間τ1作為實驗設計(DOE)的條件，例如τ10,2τ10,4τ10,8τ10,16τ10,32τ10,64τ10,128τ10,256τ10,512τ10，如表3所示；
步驟2：選擇時間τ2至少是10倍的512τ10，在第一屏測試時最好是20倍的512τ10，如表3所示；
步驟3：確定一定的功率P0分別在特定的具有圖案化結構的襯底上運行以上10個條件，此處，P0為運行連續模式(非脈衝模式)時襯底上的通孔或槽確定沒有被清洗乾淨。
表3
Figure 108125730-A0202-12-0028-5
步驟4：使用表3所示的上述條件處理等離子刻蝕後的10片具有通孔或槽的襯底，選擇等離子刻蝕後的襯底的原因在於刻蝕過程中會在槽和通孔側壁產生聚合物，這些位於通孔底部或側壁上的聚合物難以用傳統方法去除。然後採用SEMS處理襯底的截面檢測10片襯底上通孔或槽的清洗狀態，資料如表3所示。從表3可以看出，清洗效果在τ1=32τ10，達到最優點6，因此最佳時間τ1為32τ10。
如果沒有找到峰值，那麼設置更寬的時間τ1重複步驟1至步驟4以找到時間τ1。找到最初的τ1後，設置接近τ1的時間重複步驟1至步驟4以縮小時間τ1的範圍，得知時間τ1後，時間τ2可以通過從512 τ2開始減小τ2到某個值直到清洗效果下降以優化時間τ2。詳細步驟參見表4：
表4
Figure 108125730-A0202-12-0029-6
從表4可以看出，清洗效果在τ2=256τ10時最優，因此最佳時間τ2為256τ10。
圖23A-23C示意了本發明使用超/兆聲波裝置清洗襯底的方法的另一種具體實施方式。該方法與圖22A-22D所示的方法相似，不同在於即使氣泡達到了飽和點Rs，電源仍然打開且持續時間為mτ1，此處，m的值可以是0.1-100，優選為2，取決於通孔和槽的結構以及化學液，可以通過圖22A-22D所示的實驗優化。
圖8至圖14以及圖16至圖19揭示的方法和裝置可以應用到圖22至圖23所示的實施例中，此處不再重複敘述。
一般來說，頻率在0.1MHz-10MHz的超/兆聲波可以應用在本發明所述的方法中。
綜上所述，本發明提出一種使用超/兆聲波裝置有效清洗襯底上的通孔、槽或凹進區域的方法，包括：將液體噴射到襯底和超聲波/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驅動超/兆聲波裝置；在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值增大到第一設定值後，設置超/兆聲波電源的頻率為f2，功率為P2驅動超/兆聲波裝置；在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值減小到第二設定值後，再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1；重複以上步驟直到襯底洗淨。
第一設定值低於氣泡飽和點。第二設定值遠低於氣泡飽和點。氣泡內溫度的冷卻導致氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值減小到第二設定值。氣泡內的溫度冷卻到接近液體的溫度。
在上述實施例，第一設定值為氣泡飽和點，即使在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值達到氣泡飽和點後，超/兆聲波電源仍然保持頻率為f1，功率為P1，且持續時間為mτ1，這裡的τ1為達到氣泡飽和點的時間，m為τ1的倍數，m的值為0.1-100，最優為2。
根據一種具體實施方式，本發明提出一種使用超/兆聲波裝置有效清洗襯底上的通孔、槽或凹進區域的裝置。該裝置包括卡盤、超/兆聲波裝置、至少一個噴頭、超/兆聲波電源和控制器。卡盤支撐襯底。超/兆聲波裝置置於襯底附近。至少一個噴頭將化學液體噴射到襯底上以及襯底 與超/兆聲波裝置之間的間隙中。控制器設置超/兆聲波電源以頻率為f1，功率為P1驅動超/兆聲波裝置，在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值增大到第一設定值後，控制器設置超/兆聲波電源以頻率為f2，功率為P2驅動超/兆聲波裝置，在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值減小到第二設定值後，控制器再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1，重複以上步驟直到襯底洗淨。
根據另一種具體實施方式，本發明提出一種使用超/兆聲波裝置有效清洗襯底上的通孔、槽或凹進區域的裝置。該裝置包括盒子、溶液槽、超/兆聲波裝置、至少一個入口、超/兆聲波電源和控制器。盒子支撐至少一片襯底。溶液槽容納盒子。超/兆聲波裝置設置在溶液槽的外壁。至少一個入口使溶液槽內充滿化學液體以浸沒襯底。控制器設置超/兆聲波電源以頻率為f1，功率為P1驅動超/兆聲波裝置，在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值增大到第一設定值後，控制器設置超/兆聲波電源以頻率為f2，功率為P2驅動超/兆聲波裝置，在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值減小到第二設定值後，控制器再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1，重複以上步驟直到襯底洗淨。
根據另一種具體實施方式，本發明提出一種使用超/兆聲波裝置有效清洗襯底上的通孔、槽或凹進區域的裝置。該裝置包括卡盤、超/兆聲波裝置、至少一個噴頭、 超/兆聲波電源和控制器。卡盤支撐襯底。帶有噴頭的超/兆聲波裝置置於襯底附近，噴頭向襯底上噴射化學液體。控制器設置超/兆聲波電源以頻率為f1，功率為P1驅動超/兆聲波裝置，在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值增大到第一設定值後，控制器設置超/兆聲波電源以頻率為f2，功率為P2驅動超/兆聲波裝置，在氣泡總體積和襯底上的通孔、槽或凹進區域的體積的比值減小到第二設定值後，控制器再次設置超/兆聲波電源的頻率為f1，功率為P1，重複以上步驟直到襯底洗淨。
參考圖24A至24E所示，揭示了根據本發明的使用聲能去除半導體晶圓24010上圖案結構特徵24034中的雜質24048如微粒、殘留物、和/或其他雜質的操作過程。以下步驟可以按循序執行。
步驟1：將具有圖案結構特徵24034的半導體晶圓24010放置在基座，例如旋轉卡盤上。該基座能夠以給定的速度旋轉半導體晶圓24010。這些特徵的線寬W可以不超過60奈米。
步驟2：使用出口將清洗液24032，例如化學液或者摻有氣體(氫氣，氮氣，氧氣，氨氣或二氧化碳)的水，輸送到半導體晶圓24010上，該出口可以是在半導體晶圓24010上注入或噴射清洗液24032的噴嘴。當使用清洗液24032時，可以旋轉半導體晶圓24010。
步驟3：如圖24B所示，當向清洗液24032施加聲能時，以低速ω 1旋轉半導體晶圓24010，ω 1可以是，例如10RPM 至100RPM或200RPM。例如，為了施加聲能，超聲波或兆聲波裝置放置在靠近晶圓24010表面的位置，其中，清洗液24032由於超聲波或兆聲波裝置的低轉速和位置而填充在超聲波或兆聲波裝置和半導體晶圓24010之間。更具體的說，由於清洗液24032的表面張力，在包括旋轉卡盤的轉速、半導體晶圓24010與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙距離、清洗液24032的流量、清洗液24032的物理特性等一定設置組合下，清洗液24032充滿半導體晶圓24010與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙。當打開超聲波或兆聲波裝置的電源後，產生氣泡24046，使用聲能清洗半導體晶圓24010的工藝就開始了。如圖24B所示，由超聲波或兆聲波裝置產生的聲能使困在特徵24034中的雜質24048浮起來。步驟3持續時間可以是，例如1秒至幾分鐘。
步驟4：如圖24C所示，當沒有向清洗液24032中施加聲能時，以高速度ω 2旋轉半導體晶圓24010，ω 2可以是例如100RPM或200RPM至1500RPM。舉例來說，為了停止施加聲能，可以關閉超聲波或兆聲波裝置的電源，和/或將超聲波或兆聲波裝置從靠近半導體晶圓24010的位置向上升起至高於液面的位置。當半導體晶圓24010的旋轉速度增加時，由於半導體晶圓24010表面上的清洗液24032隨著旋轉卡盤旋轉，所以半導體晶圓24010表面上的清洗液24032的切向速度也會增加。如圖24C所示，清洗液24032的切向速度的增加增強了在步驟3中浮起來的雜質24048的去除效率。雜質24048朝半導體晶圓24010的邊緣橫向移動，最終 從半導體晶圓24010的表面上被去除。步驟4的持續時間可以是，例如1秒至數分鐘。在這一步驟中，停止施加聲能，氣泡24046保持靜態狀態。在這一步驟中，在將半導體晶圓24010的旋轉速度增加至ω 2之前，最好將超聲波或兆聲波裝置從靠近半導體晶圓表面的位置升起，這將更利於雜質24048的去除。
步驟5：可選擇地，如圖24D至24E所示，重複步驟3和步驟4一個或多個週期，以去除回落進特徵24034或還留在特徵24034中的雜質24048。如圖24B至圖24C所示，一部分雜質24048在步驟3中浮起來遠離半導體晶圓24010上的圖案結構。這部分雜質24048在步驟4中由於半導體晶圓24010旋轉速度的增加很容易通過向外流動的液體去除。然而，另一部分雜質24048仍處於圖案結構中或處於圖案結構附近，而且因為停止了聲能，這些雜質可能會掉落回特徵24034中，在步驟4之後，這些雜質仍困在特徵24034中。因此，重複步驟3和步驟4一個或多個週期能夠更有效的去除雜質24048，如圖24D至24E所示。
圖7A至圖7C所揭示的方法，或圖8A至圖14B所揭示的任一方法可以應用在步驟3中的利用聲能的清洗工藝中。這樣，可以冷卻氣泡以避免破壞性內爆或阻塞圖案結構。
在使用施加有聲能的化學液或摻氣體的水清洗圖案結構的過程中，氣泡的體積會增大。孔、槽和/或凹陷區域等特徵有被氣泡堵塞的風險，尤其當深寬比達到3或3 以上時。因此，新鮮的清洗液不能有效到達孔、槽和/或凹陷區域的底部，在如此深的孔、槽和/或凹陷區域底部的顆粒，殘留物或其他雜質不能被有效去除和清洗。在圖案結構特徵中，飽和點Rs由孔、槽或凹陷區域等特徵中的氣泡最大量定義。超過飽和點時，清洗液被特徵中的氣泡堵塞，清洗液很難到達孔、槽或凹陷區域的特徵的底部或側壁，因此清洗效果不好。低於飽和點時，清洗液有足夠的通道到達孔、槽或凹陷區域等特徵中，因此可以獲得好的清洗效果。
因為孔、槽或凹陷區域等特徵中的氣泡總體積與孔、槽或凹陷區域等特徵中的氣泡數量和氣泡大小有關，因此在高深寬比特徵清洗過程中，控制氣泡數量和氣泡大小是至關重要的。一種方法，如圖21A至21D所示，控制單個氣泡的體積，已被揭露，將不再詳細論述。
圖25揭示了清洗液中氣泡數量與氣體濃度之間的關係。為了控制清洗液中的氣體濃度，清洗液中摻雜的氣體量需要精確控制。在超聲波或兆聲波清洗工藝參數優化後，應進行驗證試驗，即使用不同的氣體摻雜量和聲波能量來清洗具有孔、槽或凹陷區域的小特徵的圖案化基板，以確定適當的氣體濃度。最佳氣體濃度由實驗得到的最佳清洗效果決定。
圖26揭示了根據本發明的半導體晶圓清洗裝置的一示範性實施例。該裝置與圖1A所揭示的裝置相類似，除了本裝置包括去氣泡裝置26084。該去氣泡裝置26084可以設置在與噴頭26012相連通的通道中。清洗液 26032流經去氣泡裝置26084並供給噴頭26012。噴頭26012將清洗液26032輸送到半導體晶圓26010上，該半導體晶圓26010放置在旋轉卡盤26014上，旋轉卡盤26014由旋轉驅動裝置26016驅動旋轉。去氣泡裝置26084可以阻擋大氣泡但不會阻擋小氣泡，也就是說，小氣泡可以隨清洗液流經去氣泡裝置26084，但是大氣泡不能。在清洗液被供應至噴頭26012之前，去氣泡裝置26084去除清洗液中的大氣泡，這有助於在使用施加有聲能的清洗液清洗圖案結構的過程中，降低破壞性內爆和堵塞半導體晶圓26010上的圖案結構。
圖27A示意了半導體晶圓27010具有一個或多個缺陷27050，例如浮渣或毛刺在特徵27034中，這些影響了特徵27034表面光滑度，如晶體各向異性腐蝕產生的殘餘表面污染物和表面紋理。在使用施加有聲能的清洗液27032，例如化學液或摻雜氣體的水，清洗孔、槽或凹陷區域的特徵的過程中，氣泡27046可能在缺陷27050的周圍積聚，從而由缺陷27050引起的應變集中，氣泡27046更容易發生內爆。氣泡內爆產生的微噴射機械力將進一步導致微小特徵27034被損壞。
為了解決這個問題，需要一種預處理方法來去除缺陷27050並獲得圖案結構的光滑表面，如圖27B所示。
在一個實施例中，在清洗工藝之前先進行預處理工藝，使用高能等離子體去除圖案結構27034上的浮渣， 形成圖案結構27034的光滑表面，然後可以進行圖24A至24E揭示的步驟。
在另一個實施例中，高能等離子體用於在清洗工藝之前去除或平滑圖案結構27034上的毛刺，以獲得圖案結構27034的光滑表面，然後可以進行圖24A至24E揭示的步驟。
在一個實施例中，採用濕法預處理工藝去除或平滑圖案結構27034上的毛刺，包括如下步驟。以下步驟也可以按步驟1至步驟5以外的循序執行。
步驟1：將具有圖案結構特徵的半導體晶圓放置在基座上，例如旋轉卡盤上。
步驟2：使用出口將一種預處理液體或多種預處理液體先後輸送到半導體晶圓上，以去除或平滑圖案結構上的毛刺。該出口可以是在半導體晶圓上注入或噴射預處理液體的噴嘴。當使用一種或多種預處理液體時，可以旋轉半導體晶圓。
步驟3：使用去離子水沖洗半導體晶圓上的預處理液體。
隨後，可以執行圖24A至24E揭示的方法中的步驟2至步驟5以清洗具有圖案結構的半導體晶圓。
用於矽表面預處理的預處理液體可以是SC1溶液(水、雙氧水和氨水的混合液)。多種預處理液體也可以被用作如下：首先在半導體晶圓表面應用臭氧液體(一定量的臭氧溶解在水中)，形成用於矽鈍化的緻密氧化膜；使用 去離子水沖洗半導體晶圓上殘留的化學品；在半導體晶圓表面應用稀釋的氟化氫(DHF)刻蝕半導體晶圓上的氧化物，以獲得顆粒、殘留物或其他雜質的剪除，這樣，這些顆粒、殘留物或其他雜質在隨後的清洗步驟中更容易去除。
在本發明的一些方面，基座的旋轉和聲能的應用可由一個或多個控制器控制，例如，軟體可程式設計控制的設備。該一個或多個控制器可以包括一個或多個計時器，以控制旋轉和/或能量應用的定時。
本發明可以應用於半導體晶圓製造節點不超過45奈米，線寬不超過60奈米的器件中。
本發明也可以應用於3D NAND中。
圖7A至圖14B及圖18A至圖23C所揭示的方法，以及圖1A、圖16及圖17所揭示的裝置可以應用在圖24A至圖27B所揭示的實施例中。
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。
26010‧‧‧半導體晶圓
26012‧‧‧噴頭
26014‧‧‧旋轉卡盤
26016‧‧‧旋轉驅動裝置
26032‧‧‧清洗液
26084‧‧‧去氣泡裝置

Claims (40)

  1. 一種清洗基板的方法，所述基板包括圖案結構特徵，該方法包括以下步驟：
    將基板放置在可以使基板旋轉的基板保持器上；
    輸送清洗液到基板上；
    當通過感測器向清洗液施加聲能時，通過基板保持器以第一速率旋轉基板；
    當感測器沒有向清洗液施加聲能時，通過基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，當施加聲能時以第一速率旋轉基板和當未施加聲能時以第二速率旋轉基板的步驟先後交替施加多個循環。
  3. 如請求項1所述的方法，其中，所述第一速率在10RPM至200RPM。
  4. 如請求項1所述的方法，其中，所述第二速率在100RPM至1500RPM。
  5. 如請求項1所述的方法，其中，當施加聲能時，以第一速率旋轉基板包括：
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第二時段以第二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能。
  6. 如請求項5所述的方法，其中，第一和第二時段、第一和第二功率水準以及第一和第二頻率被確定使得由於傳遞聲能而導致特徵損壞的百分比低於設定閾值。
  7. 如請求項1所述的方法，其中，基板的製造節點為45奈米或小於45奈米。
  8. 如請求項1所述的方法，其中，圖案結構特徵的線寬為60奈米或小於60奈米。
  9. 如請求項1所述的方法，其中，圖案結構特徵的深寬比為3或大於3。
  10. 如請求項1所述的方法，進一步包括在施加聲能以第一速率旋轉基板之後，以及在未施加聲能以第二速率旋轉基板之前，將感測器從清洗液中移開。
  11. 如請求項1所述的方法，其中，進一步包括在基板上施加清洗液之前，對基板進行預處理以去除吸引氣泡的缺陷。
  12. 如請求項1所述的方法，進一步包括在基板上施加清洗液之前，對清洗液進行預處理以去除清洗液中的至少一部分氣泡。
  13. 一種清洗基板的方法，所述基板包括圖案結構特徵，該方法包括以下步驟：
    對基板進行預處理以去除吸引氣泡的缺陷；
    輸送清洗液到基板上；
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；以及
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第二時段以第二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能；
    其中以預定數目的循環將該第一和第二時段先後交替施加。
  14. 如請求項13所述的方法，其中，第一和第二時段、第一和第二功率水準以及第一和第二頻率被確定使得由於傳遞聲能而導致特徵損壞的百分比低於設定閾值。
  15. 如請求項13所述的方法，其中，預處理包括在基板上施加等離子體。
  16. 如請求項13所述的方法，其中，預處理包括將一種或多種預處理液體應用在基板上。
  17. 如請求項16所述的方法，其中，將一種或多種預處理液體應用在基板上包括應用SC1溶液。
  18. 如請求項16所述的方法，其中，將一種或多種預處理液體應用在基板上包括：
    在基板上應用臭氧液體；
    在基板上應用去離子水；以及
    在基板上應用稀釋的氟化氫。
  19. 一種清洗基板的方法，所述基板包括圖案結構特徵，該方法包括以下步驟：
    對清洗液進行預處理以去除清洗液中的至少一部分氣泡；
    輸送清洗液到基板上；
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；以及
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第二時段以第二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能；
    其中以預定數目的循環將該第一和第二時段先後交替施加。
  20. 如請求項19所述的方法，其中，預處理包括基本上去除大於閾值尺寸的氣泡。
  21. 一種清洗基板的裝置，所述基板包括圖案結構特徵，該裝置包括：
    基板保持器，被配置為保持基板和旋轉基板；
    出口，被配置為輸送清洗液到基板上；
    感測器，被配置為傳遞聲能到液體中；以及
    一個或多個控制器，被配置為：
    控制感測器向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以第一速率旋轉基板；以及
    控制感測器不向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。
  22. 如請求項21所述的裝置，其中，所述基板保持器包括旋轉卡盤。
  23. 如請求項21所述的裝置，其中，所述出口包括噴嘴，被配置為向基板提供清洗液。
  24. 如請求項21所述的裝置，其中，所述一個或多個控制器被進一步配置為當施加聲能時以第一速率旋轉基板和當未施加聲能時以第二速率旋轉基板先後交替施加多個循環。
  25. 如請求項21所述的裝置，其中，所述第一速率在10RPM至200RPM。
  26. 如請求項21所述的裝置，其中，所述第二速率在100RPM至1500RPM。
  27. 如請求項21所述的裝置，其中，所述感測器包括電源，所述一個或多個控制器包括計時器，以及所述一個或多個控制器進一步被配置為，當以第一速率旋轉基板：
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；以及
    基於計時器控制感測器的電源，從而在第一時段之後的預定的第二時段以第二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能。
  28. 如請求項21所述的裝置，其中，基板的製造節點為45奈米或小於45奈米。
  29. 如請求項21所述的裝置，其中，圖案結構特徵的線寬為60奈米或小於60奈米。
  30. 如請求項21所述的裝置，其中，圖案結構特徵的深寬比為3或大於3。
  31. 如請求項21所述的裝置，其中，所述一個或多個控制器進一步被配置為在施加聲能以第一速率旋轉基板之後，以及在未施加聲能以第二速率旋轉基板之前，將感測器從清洗液中移開。
  32. 如請求項21所述的裝置，進一步包括等離子體源，被配置為在向基板輸送清洗液之前，在基板上施加等離子體。
  33. 如請求項21所述的裝置，其中，所述出口進一步被配置為在向基板輸送清洗液之前，將一種或多種預處理液體應用在基板上。
  34. 如請求項33所述的裝置，其中，所述一種或多種預處理液體包括SC1溶液。
  35. 如請求項33所述的裝置，其中，所述一種或多種預處理液體包括臭氧液體、去離子水和稀釋的氟化氫。
  36. 如請求項21所述的裝置，進一步包括去氣泡裝置，被配置為去除清洗液中的至少一部分氣泡。
  37. 如請求項36所述的裝置，其中，所述去氣泡裝置進一步被配置為基本上去除大於閾值尺寸的氣泡。
  38. 一種用於清洗基板的裝置的控制器，該控制器被配置為：
    控制感測器向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以第一速率旋轉基板；以及
    控制感測器不向清洗液施加聲能時，控制基板保持器以高於第一速率的第二速率旋轉基板。
  39. 如請求項38所述的控制器，進一步包括計時器，所述控制器進一步被配置為：
    基於計時器控制感測器的電源，從而在預定的第一時段以第一頻率和第一功率水準向清洗液傳遞聲能；以及
    基於計時器控制感測器的電源，從而在第一時段之後的預定的第二時段以第二頻率和第二功率水準向清洗液傳遞聲能。
  40. 如請求項39所述的控制器，其中，所述第二功率水準為零。
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