TW558455B - High RPM megasonic cleaning - Google Patents

Description

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【發明領域】 用於半導 本發明之領域係關於基板清洗，尤其關於 體晶圓之百萬赫頻率帶域超音波清洗。 、 【發明背景】 在半導體裝置之製造中 掉晶圓污染物。倘若未將其 置性能特徵且造成裝置失誤 而言，有兩類型的晶圓污染 晶圓表面上的材料之細微塊 例而言，矽灰塵、氧化矽（s 殘留物、金屬薄片、大氣灰 粒。 ，半導體晶圓之表面必須清除 移除，晶圓污染物可能影響裝 以快於通常之速率發生。一 ^ :微粒與金屬。微粒係出現於 ’其具有容易界定的邊界，舉 〇2 )、泥聚殘留物、聚合體 塵、塑膠微粒、以及石夕酸鹽微 、、用以移除微粒污染之一種方法係百萬赫頻率帶域超音 波洗f i百萬赫頻率帶域超音波洗濯係牵涉到於空穴現 ^ 空穴現象係在音波攪動之作用下，液體介質中之微觀 &泡的迅速形成與萎陷。音波攪動係牵涉到使液體遭受衝 、波’並且就百萬赫頻率帶域超音波洗濯而言，此等衝擊 波之發生頻率介於（含）〇· 4與丨· 5 Mhz間。在百萬赫頻率帶 域超音波洗濯中’一空穴過的液體喷灑於一自旋的晶圓表 面上。 當一空穴過的液體喷灑於一自旋的晶圓上時，一邊界 層（亦即，一液體薄層）形成於晶圓表面上。當晶圓轉動 時，由於與晶圓運動相關聯的離心力，邊界層液體通常輻 558455 五 、發明說明（2) 射狀向外流過晶圓表面。一般而言，由於液體在與自旋之 晶圓相關聯的離心力之作用下更積極地被導向晶圓之外部 邊緣，故晶圓轉動愈快，邊界層變得愈薄。邊界層液體流 過晶圓表面’且一但其達到晶圓邊緣時，最終飛離晶圓。 既然被旋出的液體同時由新鮮的喷灑液體所取代，故百萬 赫頻率帶域超音波液體之連續喷灑保持邊界層厚度穩定。 發生於晶圓表面上之邊界層液體内的空穴現象活動移 開且鬆開與晶圓表面相關聯的微粒污染物。汽泡「彈起 (pop-up)」並使污染物鬆開。既然邊界層液體亦流過晶圓 表面朝向其邊緣，被鬆開的微粒由流體挾帶流過晶圓表 面，且最終隨著液體於晶圓邊緣處流出。除了所造成的流 體流動之外，與轉動的晶圓相關聯的離心力自身亦對微粒 之向外運動有貢獻。以此方式，百萬赫頻率帶域超 濯協助晶圓之清洗。 百萬赫頻率帶域超音波洗濯得進行於任何裝配有百萬 赫頻率帶域超音波噴灑設施與一晶圓自旋器的設施中。一 例子係包括如圖1所示的一晶圓刷洗機系統丨〇〇。在圖J所 不的系統100中，需要清洗的晶圓載入指標機臺丨1〇中，且 分別由内部與外部刷洗機臺12〇與1 30中之刷子刷洗。隨 ^ ’晶圓在機臺140中被洗濯、自旋、且乾燥。洗濯、自 方疋、並乾燥機臺140係發生如前述的百萬赫頻率帶域超音 波洗濯之位置。亦即，機臺丨4〇之洗濯器裝配有百萬 ^ 率帶域超音波喷灑設施。 百萬赫頻率帶域超音波喷灑技術之一問題係其相對的

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不成熟。因此，各種百萬赫頻率盤 對清洗效率（亦即，藉由百萬赫A 3 σ曰波喷灑製程參數 五、發明說明（3) 從晶圓表面所移除的微粒之數目^率^帶域超音波喷漢製程 瞭。 数目或百分比）之影響尚未明 【發明概述】 本發明之方法係牽涉到從一位於一基板 喷激：由百萬赫頻率帶域超音波頻率之音波所挽動：： 至該基板上。同時，當喷嘴掃過基板之上方美2 ^

過300 RPM之轉速自旋。在藉由音波授動液體之前土，超 得於一刷子機臺中刷洗。 ^傲 本發明之設備具有一臂，流體聯絡於一喷嘴，該 具有一大於0°的角度位置Θ。再者，有一基板自旋器位 於喷嘴之下方。 【較佳實施例之詳細說明】 茲將參照附隨的圖示，以舉例而非限制方式說明本發 明。在圖示中，相似的參考符號指示類似的元件。

茲說明一種方法，移牵涉到從一位於一基板上的噴 嘴，噴灑一由百萬赫頻率帶域超音波頻率之音波所攪動的 液體至該基板上。同時，當喷嘴掃過基板時，基板係以高 於3 0 0 RPM之轉速自旋。在以音波攪動液體之前，可於一刷 子臺中刷洗基板。 茲亦說明一設備，其具有一與喷嘴間有流體聯絡之

第7頁 558455 五、發明說明（4) 再者，有一基板自旋 臂，該喷嘴之备疮“ @ β 只肖 < 角度位置Θ大於〇 器位於喷嘴上方。 本"發*明it卜榮〇·、4+ 廿曰产丁 G寺或其他實施例得依據下列教導而實現， 太絡BH々^教導中顯然得進行各種修改與變化，而不偏離 糸在彳丨-乂廣的精神與範圍。據此，說明書及圖示僅被認 …、：：而非限制，且本發明僅由申請專利範圍所衡量。 刚〜〔的百萬赫頻率帶域超音波喷灑設施2 〇 〇之一例子 不於圖2中。百萬赫頻率帶域超音波喷灑設備具有一 疋於#202上的喷嘴201。液體流經在臂2〇2中之一管 ^ ^其他中空通道’隨後流過噴嘴2〇ι，從該處喷灑至晶 圓上。因此，臂2〇2與喷嘴2〇1係具有流體聯絡。晶圓 係由晶圓自旋器設施212a , b，c所轉動。液體係典型 地在喷嘴201中藉由一位於薄喷嘴2()1内且由電源單位2〇3 供能的壓電晶體加以空穴。許多的百萬赫頻率帶域超音波 喷濃製程參數係關於喷嘴2 〇 1之位置。 喷嘴201得以許多不同的方法安置。首先，喷嘴2〇1在 晶圓204上方之高度2〇5(稱為「喷嘴高度」）得典型地藉由 調整臂202於晶圓204上方之高度216而變化。再者，喷嘴 201典型上被設計成可轉動。此一噴嘴得被稱為一可轉動 的喷嘴。在圖2之實施例中，喷嘴頭係關於χ軸2〇9、^^軸 210、以及z轴211轉動，分別導致三個角度位置：0 206、p 207、α 208。此喷嘴201位置得由四個可能的製 程參數所描述：噴嘴高度2 05與三個角度位置：0 2〇6、 Ρ 207 、 α 208 。

558455 五、發明說明（5) 另一百萬赫頻率帶域超音波喷灑參數係關於由晶圓自 旋器設施21 2a , b，c所驅動的晶圓204之轉動速度（亦稱為 曰曰圓速度」）。日日圓速度之單位典型上為每分鐘的晶圓# 轉動（或RPM)。如所討論般，既然液體藉由與自旋的晶圓 2 04相關聯的離心力更積極地導向晶圓之外部邊緣，故晶 圓轉動愈快，邊界層21 3變得愈薄。此亦對應於邊界層2】3 液體在輻射狀方向上以較快的流體流動流過晶圓2〇4 面，。 另一百萬赫頻率帶域超音波噴灑參數關於喷嘴2〇1之 關於晶關4的運動。A多數的百萬赫頻率帶域超音 施允許喷嘴201沿著乂軸2〇9於晶圓2〇4之表面上方往復 亦即，參照圖2，喷嘴2〇1從晶圓中央215移動至 然後移回晶圓中央215(亦即，在晶圓2 = 被；广ί運動）。此運動(從晶圓中央215起且再返回) 圓二先濯一中V二額外的製程參數係關 -掃所喵缸二的數 以及母一完整的晶圓204洗濯中每 間。掃的數目成以所消耗的時間得稱為每 能：的ss圓204洗濯之總掃時間。其他的掃圖案亦為〜 穴製程參數之特徵如下：υ關於晶圓 如：液體流經喷咖之流速、所用：;4體=的= 558455 五、發明說明（6) 萬赫頻率帶域超音波攪動之頻率。 下列之时論係關於^一系万丨丨營給，田、丨Λ ^ ^ ^ ^ ^ ! 糸列貝驗，用以更了解各種製程 參數對於百萬赫頻率帶域超音波清洗效率之影響察每 一完整的晶圓洗濯使用丨、2、與3掃時之結果。再者，/更 觀察每掃所消耗的時間為10、14、20、與28秒時導致總掃 時巧在從10秒（1掃χ 4掃10秒）至84秒（3掃x #掃28秒） 之範圍内之結果。使用丨.5 Mhz之百萬赫頻率帶域超音波 頻率。液體流經喷嘴201之流速係從〇.8升/分鐘至2.0升/ 分鏵。所用的液體係電阻值為丨8 Μ Q之d I水。 此等貫驗之每一個係進行於〇11]^31^系列11〇83-200 刷洗系統中。對1 5 0 m m與2 0 0 m m晶圓進行處理。晶圓於許 多半導體製程應用中受處理，例如：1 )淺渠溝隔結（ST ][) 後之化學機械拋光（CMP) ; 2)鎢（W)後之CMP ; 3)銅（Cu)後 之CMP ; 4)氧化（02)後之CMP ; 5)鎢回蝕（WEB);以及6)與 用於喷墨印表機内的S i裝置之製程相關聯的「矽（s i)鑽 孔」。在S i錢孔中，孔洞穿過晶圓2 0 4之厚度而形成，在 鑽孔後需要進行徹底的清洗。S i鑽孔典型上造成大於〇. 5 V m的微粒。 典型地對於此等應用而言（並參照圖1 )，晶圓在放置 於洗濯、自旋、乾燥機臺140中之前係於機臺120與130中 被刷洗。在機臺1 4 0中，於僅自旋直到乾燥之前，百萬赫 頻率帶域超音波液體以一總掃時間被喷灑於晶圓上。一但 晶圓離開機臺1 4 0時，其即被加入輸出機臺1 5 0。此等實驗 更可延伸至基板，具體而言基板通常相對於晶圓或矽晶

第10頁 558455 五、發明說明（7) 圓。 晶圓速唐 典型上在百萬赫頻率帶域超音波洗濯之過程中，工業 晶圓速度係位於1 0 0-300 RPM之範圍内。此處，對於晶圓 速度位於1000-1400 RPM之範圍内而言，觀察到顯著改善 過的清洗效率。在使用10 mm喷嘴高度2〇5之實驗中，僅藉 由增加晶圓速度至1000 —14〇〇 RPM之範圍内，使在loo —3〇〇 RPM速度時所獲得的平均清洗效率改善超過二個因子（對於 大於〇· 15 /zm的微粒而言係從14· 5%至30%)。對於大於〇· 5 //m的微粒而言，肉眼檢查指出在1〇〇〇一14〇〇 RpM範圍内超 過50%的清洗效率。一般而言，當晶圓速度從1〇〇 —3〇〇 RpM 增加至1000-1400 RPM而所有其他的製程參數固定時，所 觀察到的清洗效率之改善約二倍多（例如，在另一實驗中 20%至37.5%)。再者，對於rpm值從4〇〇至1〇〇〇 rPM而言， 觀察到少於約二倍多的改善。因此，晶圓速度高於3 〇 〇 RPM對清洗效率之影響已被觀察到。 此清洗效率已被發現隨著晶圓速度之增加而改善。在 較高的晶圓速度時，因為流過晶圓204表面之液體的輻射 狀流動增加，故邊界層213厚度降低（對於從噴嘴2〇1而來 的固定流速而言）。清洗效率之改善相信是因為此增加的 輻射狀流速或降低的厚度。可理解地，在較高的邊界層 21 3輕射流之條件下，被鬆開的微粒更難重新固著於晶圓 204表面。

第11頁 558455 五、發明說明（8) 喷嘴位琶 在百萬赫頻率帶域超音波洗濯之技術中一般已知喷嘴 高度205被建議為晶圓2〇4上方10 mm-20 mm，而角度位置 Θ 206、p 207、α 208皆設定為零。在此範圍内已發現 晶圓清洗效率係均勻的，使得如圖2所示的在10 mm-20 mm 之喷嘴高度2 05且喷嘴2 〇1之所有角度位置θ 206、p 2 0 7、α 2 0 8皆為零之條件下，所達成的清洗效率幾乎沒 有變化。所觀察到的清洗效率典型上約為5〇 + / —5%。 對於喷嘴高度205低於1〇 mm而角度位置θ 206、0

207、α 208設為零而言，發現晶圓清洗效率惡化至無法 接受的程度。然而，參照圖3，編號32〇代表喷嘴3〇1與被 清洗的晶圓321間之距離。對於喷嘴高度3〇5低於1〇 mm(请 於10 mm亦同）且具有非零角度位置0 3〇6而言，已觀察受 可接收的清洗效率。非零角度位置0 306相信是改善空六 現象活動之原因。精確言之，回到圖2&與化，對於0 = 〇 0。（亦即，當喷嘴2〇1之位置係使液體以正向入 萬m=2〇4)而言，經過喷嘴201發射出的音波(從百 萬赫頻率帶域超音波單位203)在晶

除或降低用於喷嘴201内空穴 衣面反射且a 性干涉導致降低的清洗效率^ 此破壞 θ 於2 去、隹回到+圖i ’傾斜喷嘴301 (例如所顯示之非零的 306)，進入喷嘴301的反射波消除。對於θ 3〇6之值大 而-’觀察到顯著的清洗效率改善。對於3㈣或更

第12頁 558455 五、發明說明（9) 多的噴嘴高度305而言，最佳的清洗效率係出現於45。， 且清洗效率係從55。及其以上開始（從45。效率）逐漸降 低。 回到圖2a與2b，前述所建議的10 mm之最小喷嘴高度 205 (且0、φ、α= 〇。）用於使反射波的能量消失。亦 即，虽噴嘴尚度2〇5係1〇錢或更高時，進入喷嘴2〇1的反 射，不具足夠的用以有意義地降低在百萬赫頻率帶域超音 波單元2 0 3中空穴現象活動之振幅。就此而論，回到圖3， 具有非零的0 306角度之低至3 mm的喷嘴高度3〇5已被使 用。 。 舉例而言，在3 mm之喷嘴高度3〇5且0 306之值為〇 、30 、以及45。時，所觀察到的對於大於〇· 15 (直 徑）的微粒之清洗效率分別為23%、32%、以及38%。因此， 清洗效率隨著0 3 0 6之增加而改善。 禮_之數目與每掃所消耗的暗問 對 每掃所 亦即， 總掃時 在總掃 圓速度 著地降 的空穴 於總掃時間（亦即，每晶圓清洗流程：掃之數目X 消耗的時間）超過20秒而言，清洗效率係穩定的。 倘若總掃時間超過20秒，清洗效率不會強烈關聯於 間。然而，對於晶圓速度之值超過4〇〇 RpM而言， 時間低至1 0秒時觀察到清洗效率之改善（相較於曰 在100100 RPM範圍内）。低於10秒清洗效率可能曰;頁 低，或許由於缺乏暴露至對於微粒移除而言所 現象活動，該空穴現象活動係發生於晶圓表面。 第13頁 558455 五、發明說明（ίο) 液體與液體流^ 在一實施例中，使用具有18 M 從0·8至2·0升/分鐘）。一妒 2電阻值的DI水（流速 善。在-實施例中，最佳二、主：洗效率隨著流速而改 較快的流體流過晶圓204表面=曰θ加的流速相信會造成 現象活動。就此的空穴 處量測。其他可使用的液體包括稀釋的氨水沉广:：2二 積比為1 · 4 : 20的ΝΗ 0Η ·· Η 〇 ·· Η 八係谷 2 2 Η2 υ )、以及表面活性劑。 百萬赫頻率帶域勒音波頻率 在：實施例中’百萬赫頻率帶域超音 5MHz。二而’如所討論般，典型的有 ：赶 音波頻率範圍係0. 4-1. 5 ΜίίΖ。 聊頭半常域超 製程 矣又而口較好的/月洗效率得由下列各點的製程所獲 得：1)晶圓速度超過1 000 RPM ; 2)喷嘴高度高於1〇㈣且 喷嘴角度0大於2 ; 3)總掃時間超過2〇秒；以及4)流 1·5升/分姜里或更面的具有18MQ電阻值之di水。 、 558455 圖式簡單說明 圖1係顯示一刷子擦洗系統之一例子。 圖2a、2b、2c係顯示一百萬赫頻率帶域超音波喷灑設 備之一例子。 圖3係顯示一具有非零角度位置的喷嘴之一例子。 〔符號說明〕 100 系統 110 指標機臺 120 外部刷洗機臺 130 内部刷洗機臺 121， 122， 131， 132 刷子 140 洗濯、自旋、乾燥機臺 150輸出機臺 160機械手臂 170垂直晶舟 180水平晶舟 201 喷嘴 202 臂 203 電源單位 204 晶圓 20 5 高度 206 Θ 207 φ 208 a

558455 圖式簡單說明 2 0 9 X 軸 210 y 軸 211 z 軸 212a, b, c 晶圓自旋器設施 213 邊界層 214 往復移動 215 晶圓中央 216 高度 217 晶圓邊緣 230 喷嘴開口 301 喷嘴 305 喷嘴高度 306 Θ

Claims (1)

1. 558455 _案號89112683_年月日_f-i_ 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第1項之高轉速百萬赫頻率帶域超音波 清洗之方法，其中該液體之該喷灑係發生於包含0. 8與2. 0 升/分鐘間之流速範圍内。 6. 如申請專利範圍第1項之高轉速百萬赫頻率帶域超音波 清洗之方法，更包含在該喷灑之前使該液體流經一臂。 7. 如申請專利範圍第1項之高轉速百萬赫頻率帶域超音波 清洗之方法，更包含使該喷嘴在該半導體基板上方之高度 為包含10 mm與20 mm間之範圍内。 8. 如申請專利範圍第1項之高轉速百萬赫頻率帶域超音波 清洗之方法，更包含使該喷嘴之一角度位置0大於0 ° 。 9. 如申請專利範圍第8項之高轉速百萬赫頻率帶域超音波 清洗之方法，更包含使該喷嘴之該角度位置0為包含4 5 ° 與5 5 °間之範圍内。 10. —種高轉速百萬赫頻率帶域超音波清洗之方法，包 含： 在一刷子機臺中刷洗一半導體基板，其中該半導體基 板具有至少1 50mm之外徑； 由一位於該半導體基板上方的喷嘴，喷灑一空穴化液

   第18頁 558455 修正 案號 891126^ 六、申請專利範圍 體至該半導體基板上，其中該液體之空穴係由該喷嘴内之 音波產生； ' 將該喷嘴指向該半導體基板以減少該喷嘴中之音波干 涉，其中該干涉係由該半導體基板反射之音波所導二/· 於喷灑該空穴化液體時，該半導體基板同時以3〇〇’ RPM至1400RPM範圍内之轉速自旋；以及 喷灑該空穴化液體時，同時將該喷嘴掃過該半導體基 11. 如申請專利範圍第1 〇項之高轉速百萬赫頻率帶域赶立 波清洗之方法，更包含在該刷洗之前，對於該半導# ^二 進行化學機械拋光（chemical mechanical p〇iishi , CMP)。 12. 如申請專利範圍第11項之高轉速百萬赫頻率帶域 波清洗之方法，其中該CMP係進行於一淺渠溝隔絕區5域°曰 13·如申請專利範圍第11項之高轉速百萬赫頻率帶 波清洗之方法，其中該CMP係進行於鎢、銅、/ °曰 J 以及氧化物 14.如中請專利範圍第10項之高轉速百萬赫 波清洗之方法，更包含在該刷洗之前，對於該===超曰 Z干导體基板

   558455 _案號89Π2683_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 進行一鶴回#製程。 15. 如申請專利範圍第1 0項之高轉速百萬赫頻率帶域超音 波清洗之方法，更包含在該刷洗之前，對於該半導體基板 進行S i鑽孔。 16. 一種高轉速百萬赫頻率帶域超音波清洗之設備，包 含： 一臂； 一喷嘴，與該臂流體連通，該噴嘴具有一大於0 °的 角度位置β ，其中該Θ為喷嘴與晶圓平面法線方向之夾 角，且該角度位置係用以防止該晶圓反射向該喷嘴之音 波，且於使用時該喷嘴將空穴液體推向該晶圓； 一空穴引致單元，用以製造該喷嘴將液體推向該晶圓 時產生該空穴之超音波；以及 一半導體基板自旋器，位於該喷嘴下方，其中該半導 體基板自旋器具有至少150mm之外徑且以3 0 0 RPM至 1 4 0 0RPM之轉速範圍自旋。 17. 如申請專利範圍第1 6項之高轉速百萬赫頻率帶域超音 波清洗之設備，其中該臂與喷嘴係位於一洗濯、自旋、乾 燥機臺内。 18.如申請專利範圍第1 7項之高轉速百萬赫頻率帶域超音

   第20頁 558455 案號 89112683 剃孑機臺’ Μ合於該洗濯 六、申請專利範圍 波清洗之設備，更包含 旋、乾燥機臺。 Ιβ if工高轉速百萬赫頻率帶域超立 19.如申請專利範圍第1 6 、位置沒係4 5。。 〆 曰 波清洗之設備，其中該角度 之高轉速百萬赫頻率帶域超音 2 0.如申請專利範圍第1 6 、 Α %自施哭总 τ *也導艏基板自方疋态係使一半導體基 波清洗之設備’其中該+ =範圍内自旋。 板於40 0 RPM至1 4 0 0RPM之轉$ 種高 轉速百萬赫頻率帶城超音波清洗之設備，包 用以將-喷嘴置於-半導體基板上方，且其中該半導 體基板具有至少150mm之外彳呈f · 用以由該喷嘴喷灑一办a儿、、产触,Γ •丄 、 至該半導體基板上，且直中$二UqUld 波產生之裝置； …液體之空穴係由喷嘴内之音 用以轉動該喷嘴使其不鱼 ^ ^ ψ ^ ^ ^ ^ „ 、+與戎+導體基板垂直，避免該 喷鳴發出之音波反射回該嘴嘴中之裝置. 用以於喷灑該空穴化汸卿^士 ^ ’ ’夜體時，該半導體基板同時以 3 0 0 RPM至1 4 0 0RPM範圍内夕土 A卞守版土攸u t以 固鬥之轉速自旋之裝置；以及 用以喷灑該空穴化液髀肿门士 體基板之上方之裝置。 ”同日'將該喷嘴掃過該半導 苐21頁 558455

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