TWI227683B - Solid CO2 cleaning - Google Patents

Description

1227683 五、發明說明（1) 【技術領域】 本發明係關於自底材（substrate)表面移除殘留物 (residue)之領域，特別地，自電子元件，如積體電路及半 導體晶片移除殘留物。 【先前技術】 積體電路係由半導體底材形成，電阻器（resist〇r)、 電晶體（transistor)、二極體（diode)、線路、中介窗 (vi a)及其他電子電路元件形成於半導體底材表面内或半 體底材表面上。電子元件接觸半導體底材内外，並於半導| 體底材上藉由介電層（dielectric iayer)的隔離形成圖案 化（patterned)的導體層（conductor layer)。一般於積體 電路製造技術中，係藉介電層形成中介窗及其他裝置，如 此使圖案化導體層和由介電層分隔之電子電路元件得以導 電相通。中介窗及其他裝置内及/或通過積體 層可由微影方法、及隨後的㈣方法形成'，^；7法包 含但並不限於濕式化學蝕刻（wet chemical etch)、反應性 離子蝕刻（reactive i〇n etch(RIE))及乾式電漿蝕刻（d;y plasma etch)方法 〇 fl 通常執行移除各層需要使用液體或氣體的蝕刻劑 (enchant)。於一些實例中，當反應產物為流體時，將很快 自反應處移除使得進行蝕刻的速率能一致。然而，於特定 的實例中，反應產物為不能溶解之固體時即難以移除。蝕

1227683 五、發明說明（2) 刻劑僅能逐漸損害或微弱地蝕刻接近表面部分，並無其他 作用，因此非常沒效率。 於許多蝕刻製程，機械藉一研磨液（Slurry)幫助化學 蝕刻劑進行反應，而研磨液係包含一研磨粉末（abrasive powder)懸浮於適當的液體媒介（如蝕刻劑本身）中。此技術 結合化學及機械設備以移除材料，稱為化學機械研磨 (chemical mechanical polishing(CMP)) °CMP 亦有機會控 制沿平面蝕刻被移除材料，不像純流體蝕刻順著原始表面 匕 輪廓蝕刻。CMP因此而廣泛地使用於積體電路的平坦 化。CMP的缺點在於CMP操作完成，一些研磨液傾向留在研 磨表面背後。 已知使用超臨界流體（super critical fluid(SCF))二 氧化碳以清潔或剝離（strip)晶片。U.S. Patent No. 5, 976, 264中係應用自CF4型蝕刻劑剝離R IE殘留物，使用 SCF及一低溫的氣溶膠（aerosol)，其中可允許一高壓氣體 液體混合物於低溫下快速延伸至較低壓之區域，冷卻噴出 物使混合物變為固體殘留物。已知使用固態二氧化碳顆粒ϋ (pel let)，但未大量實施於晶片轟擊（wafer bombardment) 〇 因先前技藝的問題及缺陷，本發明之目的之一係提供 一種自底材表面包含如積體電路及半導體晶片之電子元件

4IBM0386TW.ptd 第9頁 1227683 五、發明說明（3) 移除固體及/或液體殘留物之方法 曰曰 進一步目的係提供一裝置以自如積體電路及半導體 片之電子元件移除固體及/或液體殘留物。 其他本發明之目的及優點將由說明書之描述得知。 【内容】 相上=其他目的及優點將可由熟習本項技藝者根據本· 發明之指導而達到’於第一方面’ 一種自電子元件底材，鬈丨· 如半導體晶片移除固體及/或液體殘留物之方法，包含以 步驟： * 供應一壓力容器； 供應一半導體底材於容器中，半導體底材 移除之殘留物； 〃有欲 供應二氧化碳於容器中，於一壓力及溫度下使二 3 ΐ體，或高於臨界壓力及溫度下使二氧化碳為^ 界流體； ~ ~ 降低底材表面溫度使接觸底材表面之二氧化碳於 表面轉變為固體； 、底材|丨· 變為 改變容器之溫度及/或壓力使容器中之二氧 液體及/或氣體狀態； A轉 容器移除二氧化碳；以及 容器移除半導體材料。

4IBM0386TW.ptd 第10頁 1227683 五、發明說明（4) 本發明之另一方面係提供— 體晶片移除固體及/或液體殘留物 i 70底材如半導 -壓力容器，適於容納—半導體晶片’，含： 一設備（means)，供雍一与 供應一虱化碳於壓力

一設備，調整壓力容哭之厭上#、 — J 變為液體狀態或超臨界狀態； 狐x ’使二氧化碳轉 化 * :設備’降低底材表面溫度使接觸底材表二 石反於半導體底材表面轉變為固體； 一 一設備，調整壓力容器之壓力及溫度 •義 變為液體及/或氣體狀態； 使一乳化峡轉馨] 一設備，自容器移除二氧化碳； 其中當二氧化碳於底材表面轉換固體狀態，而後轉變 為液體及/或氣體狀態，則於半導體底材上之殘留物被移 除。 本發明之另-方面，於二氧化碳自容器移除之前，重 ，（循環）降低底材表面溫度及調整容器之溫度及壓力使二 氧化碳轉變為液體及/或氣體狀態之步驟。 | ^ 【實施方法】 〜於描述本發明之較佳實施例，係參考圖i 1 c之圖式 以說明本發明之特徵，但本發明之特徵並非按比例顯示於 圖中。

1227683 五、發明說明（5) * 本發明一方面自底材表面移除殘留物及將已完成如 RIE，CMP之半導體製程步驟後仍留在半導體表面之固體或 液體殘留物，利用固態/液態/氣態二氧化碳有效移除。 Ϊ0 本發明優點在於利用不同狀態下二氧化碳密度 (density)不同。乾冰（固態二氧化碳）的密度約1· 56。〇 °C 下液體二氧化碳的密度約〇. 9 1而3 1 °C下約〇 · 5 (小於 1 00 Opsi )。當二氧化碳凝固，其體積依據下列公式：體積 質量/密度，增加三（3 )倍（〇 · 5到1 · 5 6 )，以冰為例，這樣 比例比冰高許多。液態及超臨界態二氧化碳能有效分層 (delaminating)及/或移除顆粒（particie)，特別地，液態 或SCF二氧化碳滲透至底材之孔洞可能留下殘留物。本發明 較佳利用一熱電 / 冷部台（thermo electric/cooling stage) 接觸晶片以凝固接觸晶片之二氧化碳。超臨界高壓反應器 一般範圍能在例如-180。(：到1〇〇〇。〇及至lOOOOpsi。二氧化 碳在各種狀態下的物理性質如下： 二氧化瑞物理狀態 固體 密度 液體 二10 °C 下1· 56 及-180 °C 液態氮下1. 62 _ 0 °C 下0. 9 及31 °C 下0、

SCF 氣 — >31°C&>1200psiT0.3-0.9 it 下0· 09 及30 °C 聚集；SFtCP 下0. 3

4IBM0386TW.ptd 1227683 五、發明說明（6) . 本發明之二個主要方面係： (1 )終點測定（e n d ρ 〇 i π t d e t e c t i 〇 η ): 若晶片降至- 8 0 C，例如使用液態氮冷指（c 〇 1 d finger)冷卻晶片表面之固態二氧化碳，必定關於暴露至空 氣前之南於室溫之一點。於此製程時需以乾燥氮氣清洗以 降低暴露至空氣中之水分。晶片可使用歐姆（〇hm i c )或可能 以微波（microwave)或超音波（uitras〇nic)能量加熱。歐姆 加熱被認為是最有效率。 (2 )晶片回復至大氣下而無聚集顆粒或水汽於晶片上 · 冷指如上所述係較佳或冷卻控制晶片構建台（bu i丨d i ng stage)。建議使用最高等級的壓力容器鋼（pressure vessel steel)以防止在壓力及熱循環時破裂。為使裝置安 全使用，偵測表面固體二氧化碳含量並停止冷卻是重要 的。震盪器（oscillator)需能在低溫下使用及能藉頻率改 變而偵測存在於表面之固體。 用在這裡的的”底材”一詞包含 何料旎控制表面下的 特徵，例如，併入底材之洞（cavity)、溝渠（trench)或 1 道以及建起的特徵如台地（m e s a s )。清潔此類表面需選擇f 留物而非更改表面形狀（大小）。底材係包含但非限""制於半 導體、金屬、聚合物或絕緣體。 用在這裡的的”超臨界流體”一詞表示一材料處於在此

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1227683 五、發明說明（7) '~' 材料之壓-溫度圖中，不低於臨界溫度乃及不低於臨界壓 f Pi之^狀悲下。使用於本發明之較佳超臨界流體為單一二 氧化奴或與其他添加物例如Ar、NH3、⑼、CHI^、^、n — 4¾、札0、％0之一混合物及類似材料。表面活性劑 (surfactant)如包含至少CFx之官能基使用於連接液體 臨界液體。 材料處於高於其臨界點之狀 超6¾界流體一詞係指 態 例如-臨界溫度[及一臨界墨力^，處於二相…〇 pha+se)之材料能達到平衡而變為一單獨之一相。任一 5 ί Ϊ所知之超臨界流體，例如二氧化碳及/或任-本發明 超臨ρΞΓ 樣之殘留物。較佳之流體或 二界二體為二氧化碳。其他材料包含紆、關3、CH4、 3 、n-c3H8、H20、N20 及類似材料。 任等級之材料皆能使用於本發明，若_ 3 a 物之Γ:級材料可先以習知技術“不：= 前先二於進入此製程腔體(―） ^ 官柱（column)以純化。

$P 此材料也可結合能移除半導體之 面活性劑。適當的添加物包含但並非：J添加物或表 料。於添加物中特佳為M。 M艮制上返所提及之材

1227683 五、發明說明（8) 典型地，於本發明中，材料轉變為超臨界流體係於預 壓（pre-pressurized)至壓力1 0 70到6 0 0 0psi。較佳的係於 進入製程腔體前預壓達壓力3000psi。於預壓下的超臨界流 體之後於是轉進具有需清潔之半導體之製程腔體中。

本發明所使用之半導體為任一半導體經過r I E及任一上 述所提及之其他I虫刻技術。本發明說明之適當半導體係包 含但非限制於半導體晶片（semiconductor wafer or semiconductor chip)、陶瓷（ceramic)底材、圖案化薄職 結構及類似材料。 於移除殘留物時之製程腔體壓力典型約丨0 7 〇到 6 0 0 Opsi，較佳於移除殘留物時之製程腔體壓力為 3 0 0 Ops i 〇 於移除殘留物時之製程腔體溫度大於3 1 °c，通常約為 4 0 C到8 0 °C。較佳於移除殘留物時之製程腔體溫度約 4 0 〇C 。 #« 為有效自半導體移除殘留物，半導體需暴露於液體或 超臨界流體約2到3 〇分鐘，甚至更多，典型約4 - 6分鐘，例 如5分鐘。 存在於製程腔體之材料可能需要於裝置中清潔或循環

4IBM0386TW.ptd 第15頁 1227683 五、發明說明（9) - 以形成一封閉之反應系統。此一封閉反應系統能於製造清 潔的晶片製程降低成本。 參見圖1A，數字1 0顯示一般之一高壓反應器。一晶片 1 2位於一冷卻/熱模組11上。模組1 1係用於以下描述之加熱 或冷卻晶片12。晶片12有顆粒13a、13b於其上，而顆粒14 於空隙20内。氣體15於此反應器中為液態二氧化碳或SCF二 · 氧化碳。 參見圖1 B，啟動冷卻/熱模組1 1以冷卻晶片1 2使暴露 lb 晶片表面之液體或SCF二氧化碳15轉換為遮蓋晶片表面之固 體。 參見圖1C ’裝置顯示具有及自壓力容器1〇使二氧化碳 汽化及沖洗（flush)以移除顆粒13a、131)及14。現 片1 2是乾淨的。

以液化或二介要之一方面，冷卻以固化二氧化碳及加熱 污毕物二二要化碳之步驟重複多次（循環）以幫助逐出< 沖洗。 、的一虱化碳循環次數後自壓力容器汽化及 虽本發明被特別地描述時， — 的是前述描述之_ & π ^ U β 、軏仏貫施例中，可預須 管換、修飾及變體一 白為名知技勢者所顯iff

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4IBM0386TW.ptd 第17頁 1227683 圖式簡單說明 - 本發明之特徵是新穎的，及本發明之元件特徵係藉申 請專利範圍而特別提出。圖式係僅說明並非按比例繪製。 然而，本發明包含操作之組織及方法，可於參考以下之發 明詳述部分與所附之圖式而了解： 圖1 A-1 C係圖式說明一高壓反應器，含有一殘留物於 表面之晶片於内，藉由本發明之方法及裝置處理之。 %· 圖示元件符號說明 10 高壓反應器 11 冷卻/熱模組 12 晶片 13a、13b、14 顆粒 15 氣體

4IBM0386TW.ptd 第18頁

Claims (1)

1. 92130037 六、申請專利範圍 9a 11 -8 年月日_修正 L 一種自電子元件底材（electronic component substrate)移除固體及/或液體殘留物（residUe)之方法，. 包含以下步驟·· 供應一壓力容器（pressure vessel); 供應一半導體底材（semiconduct〇r substrate)於該 容器中’該半導體底材具有欲移除之殘留物； 供應一材料於該容器中，於一壓力及溫度下使該材料 為液體，或高於臨界（critical)壓力及溫度下使該材料為 一超臨界流體（supercritical fluid); 降低該底材纟面溫度使接觸該底材’ 為固體於該底材表面上； 刊了十平寻又 改變該容器之溫度及/或壓力使今 格达、六触贫/斗、a 7從口亥各器中之該材料轉 換為液體及/或氣體狀態； 自該容器移除該材料；以及 自該容器移除該半導體材料。 專利範sfl項所述之^ ’其中該材料為二氧 化碳（carbon dioxide)。 3.如申請專利範圍第丨項所述之方法’其中該二氧化碳包 含一表面活性劑（surfactant)。 4.如申請專利範圍第2項所述之方法’其中該二氧化碳用 於混合砷（Ar)、氨（題3)、烷（CH4)、三氟甲烷（(：叮3)、乙烷

   41BM0386TW-替換頁 11 〇804.pt c 第19頁 1227683 案號 92130037 9¾ 1L -a 务月曰 修正 六、申請專利範圍 (C2H6)、丙烷（n-C3H8)、水及氧化亞氮（N20)之一或多。 5 ·如申請專利範圍第2項所述之方法’其中该一氧化破係 於超臨界狀態。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該降低該底材 表面溫度使該材料轉變為固體及改變溫度及/或壓力使該 材料轉換為液體及/或氣體狀態之步驟重複一或多次。 7· —種自電子元件底材移除固體及/或液體殘留物之裝 置，包含： 一壓力容器，適於容納一半導體晶片； 一設備’供應該材料於該壓力容器； 一設備，調整該壓力容器之壓力及溫度 換為液體狀態或超臨界狀態； 文邊材枓轉 口又備降低该底材表面溫度使接觸該底材矣^ 材料轉變為固體於該底材表面上； &材表面之該 使該材料轉 一設備，調整該壓力交 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 奋為之壓力及溫度， 換為液體及/或氣體狀態； 又 一設備，自該壓力容哭 其中當該材料於該底5 j除该材料； 為液體及/或氣體狀態，則於、半面導轉:广固/狀態，而後轉換 除。 ^體底材之殘留物被移

   4 i BM()386TW -替換頁 110804 · p t c 苐20頁 !227683 〜^____ 氧 、申凊專利範圍 _置，其中該材 ;·如申請專利範圍第7項所述之在 化碳。 q ,, 缺甏，其中該二氧化碳係 9·如申請專利範圍第8項所述之衣氣 n 於超臨界狀態。 1 0 ·如申社直制鉻囹楚n a !裝！，其中該設備係提供 戈曱叫專利犯圍弟9項所述之衣 ^ ^ 重複一或多次降低該底材表面温度使二乳化妷轉變為固體 及調整溫度及壓力使該二氧化破轉換為液體及/或氣體狀 態之步驟。

   4 [ BM0386TW -替換頁丨 10804. p t c 第21貢