TWI473669B - 改良之超音波處理方法與設備 - Google Patents

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TWI473669B
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Description

改良之超音波處理方法與設備
本發明係關於基板表面之超音波(包含百萬赫次超音波(megasonic)與十億赫次超音波(gigasonic))處理之領域。
可以藉由超音波清洗來完成從半導體基板去除顆粒污染物。當超音波之頻率接近或超過1000 kHz(1 MHz)時，其常被稱為「百萬赫次超音波(megasonic)」。當超音波之頻率接近或超過1000 MHz(1 GHz)時，其可以稱為「十億赫次超音波(gigasonic)」。用於半導體晶圓之超音波清洗之習知技術依賴空化效應(cavitation effect)，在其中超音波能量誘發小氣泡之形成，小氣泡之破裂將大量能量釋放到周圍流體中，並促進基板之清洗。然而，在具有精細表面或元件之基板附近之過量空化能量亦可能造成基板之損壞。
本發明提供使用共振器將超音波施加到半導體基板之方法與設備，該共振器之頻率範圍在不會造成實質空化現象的情況下而在環境介質中誘發聲波流。這些共振器包含共振器板，並且藉由薄膜技術(例如：物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、以及濺鍍)而在共振器板上形成轉換器元件。
聲波能量源之範例為連接到共振器板之壓電元件，該壓電元件藉由高頻產生器而驅動。
根據本發明之方法與設備不僅對清理基板有幫助，而且對於在例如電化學反應(例如：將銅沉積在半導體晶圓上)、蝕刻、與清洗期間增進介面處之擴散限制性反應亦有幫助。
根據本發明之設備可以包含：一基板之支撐器；一聲波共振器組件，其設置為與藉由支撐器而支撐之基板隔開一預定距離； 一分配器，其用來將液體供應到藉由支撐器而支撐之基板與聲波共振器間之間隔中；以及一聲波能量源，其能供應該聲波共振器組件具有以下頻率之聲波能量：至少約100 MHz之頻率、至少500 MHz之頻率為較佳的、以及在500MHz到5GHz之範圍內為更佳的。
本發明設備之特別實用之實施例為在一轉盤中，該轉盤用來將半導體晶圓支撐在用於單晶圓濕處理之處理模組中。
聲波共振器組件包含至少一壓電元件，該壓電元件最好具有以下厚度：具有在200 nm到20微米之範圍內之厚度、500 nm到10微米之厚度為較佳的、以及1-5微米之厚度為更佳的。該壓電元件可以為一分層，如同在薄膜體聲波共振器(FBAR，film bulk acoustic resonator)過濾器中所形成之分層。
當這類聲波共振器組件設置在距離基板從100 μm到1000 μm之範圍內之距離時，可以在實質沒有相關空化現象產生以及液體中沒有氣泡形成的情況下，在處理液體中誘發聲波流(例如：Eckart 或Rayleigh流)。
根據本發明之處理基板之方法可以包含：將基板放置在支撐器上；將聲波共振器組件距離基板之表面一預定距離而設置；將處理液體分配到在聲波共振器組件與基板間之間隔中；以及供應聲波共振器組件具有至少約100 MHz之頻率之聲波能量。
如果根據本發明之方法使用於基板清理，那麼舉例來說，處理液體可以為去離子水，而當此方法用來增進在基板-液體介面之擴散限制性反應時，那麼舉例來說，處理液體可以為包含金屬離子、最好為包含銅離子之溶液，該溶液用來將金屬、最好為銅電沉積到基板(例如：半導體晶圓)之表面上。
本發明之較佳實施例因此提供一種用來清理基板與增進在基板表面之擴散限制性反應之改良方法與設備，其使用操作於十億赫次超音波(gigasonic)範圍內之壓電轉換器。共振器組件最好包含數個轉換器堆疊，各轉換器堆疊包含薄膜壓電元件，其連接到面向基板之共振器板。在所使用之揭露頻率與功率下，可以在實質不產 生空化現象的情況下而在液體處理介質中誘發Eckart或Rayleigh流。
當高頻共振器接觸液體時，強大的液體流顯露在共振器之振動部之前方。此液體流被稱為聲波流(acoustic streaming)、或更具體而言稱為Eckart或Rayleigh流，因為它們源自流體中之聲波擾動所造成之二次效應(second-order effects)。
此聲波流促進下面現象：(1)引發或維持有益於運送或混合之流動；(2)增進在介面之擴散限制性反應(diffusion limited reactions)，其將有益於電化學反應(例如：Cu之沉積)、蝕刻、清洗；以及(3)在介面產生剪應力，舉例來說，其可以導致顆粒污染物自表面去除。
根據本發明之共振器之操作頻率最好挑選為100 MHz與5 GHz之範圍內，而操作功率可高達10 W/cm2 。在這樣的高頻率與那樣的功率位準下，在共振器與基板間之液體中實質上不會引發空化效應。如上所述，這類空化效應會負面地影響製程。
在這個情況中之高頻共振器為一裝置，其將電能轉變為機械能。這代表振盪電子信號將使適當挑選之壓電材料經歷幾何變化之振盪。如果適當地結合，壓電材料之位移將在鄰近介質中激發聲波。此波將從共振器傳播到介質中。當聲波經過介質時，它們會被吸收。因此，從聲場吸收之動量將其本身顯現為聲場方向上之液體流，稱為聲波流。
對於大部分類型之流體以及在大頻率範圍中，流速係與聲波強度和聲衰減係數(acoustic attenuation coefficient)成比例。聲衰減係數α可以表示為：α=ω2 /(2ρ0 c0 3 )[4/3 μ+μ']
其中ω為角速度、ρ0 為液體密度之平衡值、c0 為聲音之平衡 速度、μ為剪切黏度、以及μ’為膨脹黏度。因此，高流速將需要高頻共振器。結合可接受之衰減長度(大約100μm到1000μm以上)，頻率在100 MHz與5 GHz之間為最適當的。
一般而言，可以產生具有高達1 m/s之速度之渦流，並且此渦流靠近基板(<100 μm)，其導致在基板上非常高之剪切率(超過10000 1/s)。這些渦流在增進擴散限制性製程(例如：一些蝕刻製程與大部分之電化學製程)中扮演很重要的角色，用來加速清洗製程(將污染物運輸離開基板)、以及從基板去除顆粒污染物。
現在參考圖示，圖1顯示轉換器板(transducer plate)之第一實施例之概略側視圖。聲波共振器堆疊150鄰近基板100而設置。舉例來說，基板100可以為300 mm之半導體晶圓，其設置在用於單晶圓濕處理之處理模組中。共振器主體110與基板間之距離dl通常在100 μm與1000 μm間變化(例如：500 μm，雖然該距離在圖1中為了說明之目的而為誇大的)，並且被液體140填滿。聲波共振器推疊150包含一共振器主體110，舉例來說：其可以為藍寶石、矽、或石英，並且在其背面，存在一壓電材料層160夾在兩個電極120中間，舉例來說：該壓電材料層160可以為氮化鋁、鈦酸鋯鉛(PZT，lead zirconium titanate)、鈮酸鋰(lithium niebate)、或氧化鋅。當電氣驅動此聲波共振器堆疊時，聲波將在液體中發射，因此在液體中產生聲波流130。
在此所提及之共振器主體或共振器板，其意味著將超音波從壓電層傳送到處理液體之固體構件。在此稱為共振器島狀物之元件亦可以稱為共振器區，並且這些名稱一般代表僅遮蓋部分共振器而非整個共振器之壓電層。壓電層普遍包含具有壓電特性之複數層，並且亦可以稱為壓電堆疊。聲波共振器組件因此包含一主體(或一平板)、一壓電層、以及兩個相對的電極(用來電氣振盪壓電層)。轉換器一詞普遍代表共振器板與壓電堆疊。
主體110具有從20 μm(以確保充足的裝置之機械強度)到675 μm(可取得基板之厚度)之範圍之較佳厚度，在此範例中使用500 μm厚之藍寶石。
各聲波共振器堆疊150普遍由主體、電極、與壓電材料所組成。如之前所討論，主體可以由藍寶石、矽、石英、或這些材料之結合所組成，並且石英薄層亦可以選擇性地沉積在藍寶石之前及/或後側。電極普遍由鋁、銅、鎢、鉬、或鉑/鈦所組成，並且舉例來說，壓電材料可以為ZnO、AlN、GaAs、或PZT。因此，藉由結合這些不同的材料可以產生許多不同的堆疊。
可以使用有關體聲波(BAW，bulk acoustic wave)過濾器所描述之技術(使用於電信中)、尤其是有關薄膜體聲波共振器(FBAR)所描述之技術來製造共振器堆疊150。
或者，兩電極120可以設置在壓電材料層160之同一側，在這個情況下，最好使兩電極120構成交叉陣列，如同有關電信領域中之表面聲波(SAW，surface acoustic wave)過濾器所描述。
圖2a與圖2b顯示共振器板之另一實施例，其中聲波共振器堆疊250包含許多小壓電島狀物220。如圖3中所顯示，該島狀物之尺寸一般為150 μm x 150 μm之等級，並且二維地排序在一連串陣列中。複數個島狀物之尺寸高達約1 cm x 1 cm為有幫助的。
如圖3中更詳細地顯示，普遍藉由在主體210上圖案化位於小定義區域中之沉積電極以及其間之電連接器來產生壓電島狀物220。各島狀物可以發射聲波到位於基板200與聲波共振器堆疊250間之液體240中。這將導致聲波流230之產生。
圖3顯示三個獨立的共振器島狀物305(為轉換器板300之一部分)之剖面圖。各島狀物具有150μm x 150μm之一般寬度，並且藉由圖案化沉積電極303而產生。為了以串聯或並聯方式電氣驅動島狀物，該圖案化亦包含在不同島狀物間之電連接器304之形成，該島狀物以50 μm之距離互相分隔開。
在此範例中之電極303a與303b由鋁所組成，並且在由Al2 O3 (藍寶石)所組成之主體301上被濺鍍與圖案化。沉積AlN(氮化鋁)以作為壓電材料302，並且該AlN再次被另一圖案化之鋁層所覆蓋。
如果電極由銅(而非鋁)所組成，那麼電極與連接到電極之連接 器最好藉由在主體(由藍寶石等等所組成)上所形成之絕緣層中先形成對應之貫孔與溝槽而產生。貫孔與溝槽接著被銅所填滿，並且藉由CMP而去除過量之銅，如同有關用來在半導體裝置中產生內連線層之雙重金屬鑲嵌技術中所描述。
如上所述，根據本發明之轉換器陣列可以依據用來製造BAW過濾器之技術而製造，舉例來說：如Lakin,“Thin Film Resonator Technology,”IEEE 2003 FCS-EFTF Paper We1A-4(2003)中所描述。
在第一步驟中，使用藍寶石晶圓(500 μm之厚度)作為主體，其上面沉積100nm之SiO2 。在下一個步驟中，300 nm之鋁膜藉由DC濺渡而沉積在SiO2 層上，並且對應所設計之共振器之下電極303a圖案而圖案化成內連線304a與主動區域。
在接下來之步驟中，藉由RF濺渡而沉積一AlN層以作為共振器。共振器層之厚度最好選擇為約略液體介質中待產生聲波之波長的一半、或者該半波長之奇數倍，在此例中之半波長厚度為約3 μm。共振器層之整個表面上之厚度最好實質上為固定的。
在下面的步驟中，另外的300nm鋁層藉由DC濺渡而沉積作為第二電極303b層，並且依據上電極圖案而圖案化，以產生第二組內連線304b與主動區域。
接著，電極303可以直接連接到頻率產生器。
表1中給予沉積轉換器堆疊之材料之範例：
主體、電極、與壓電層之圖案化可以各藉由光微影製程(包含形成暴露待去除區域之遮罩)而執行。之後，待去除區域普遍藉由乾蝕刻(例如：電漿蝕刻)而去除。
圖4顯示藉由一連串共振器440(皆同時驅動於1.9GHz)而在液體460中產生之聲波流430。為了顯現系統之流動，將螢光粒子添加到液體流中。在共振器上方可以觀察到許多渦流，其具有約100μm之尺寸。各渦流代表共振器之一壓電島狀物。
圖5顯示主體之另一結構。超高音速建立區塊560(由預定數量之共振器所組成)相對於基板500而傾斜於特定角度內(0與45度之間)。舉例來說，這樣可以在液體540內之選定方向上產生大規模之流效應(streaming effect)570。
圖6係具有一連串超高音速建立區塊640之主體600之範例，該超高音速建立區塊640包含一或多個共振器。基板W繞M軸旋轉，其向上之主要表面平行於固體元件並面向共振器。此外，處理液體入口602可以結合至主體600中，以供應所需之處理液體量。
圖7中給予另一設計，在其中主體700具有一連串超高音速建立區塊740，其包含一或多個共振器。當基板線性移動T於共振器上方或下方時，結合於主體700中之一連串處理液體入口702與處理液體出口703使基板W潤濕或去濕。
圖8顯示擴散限制性異質反應831之範例。在第一步驟中，反應物1透過液體840而朝向固體表面800擴散832，並且其反應831以形成產物2。在下面步驟中，產物2將從表面擴散開832。如果此反應為擴散限制性的，藉由共振器810所產生之聲波流833之出現將增進反應物1朝向表面擴散、以及產物2從表面擴散開。
圖9概略地描述聲波共振器組件920，其可以建構成有關符合本發明上述實施例之任一者或其他方法所描述者，該聲波共振器組件920相對基板W而設置，在此範例中該基板W為半導體晶 圓(例如：300mm之半導體晶圓)。晶圓W設置在轉盤900上，該轉盤900依序安裝在用於單晶圓濕處理之處理模組910內。
頻率產生器915驅動聲波共振器組件920之壓電元件。如果聲波共振器組件設有液體供應開口(如上所述)，那麼頻率產生器915也可以設置通往那些開口之流體供應。
舉例來說，參考圖1之實施例，當其安裝在圖9所顯示之設備中時，處理液體140將存在於晶圓W之上表面與主體110之向下表面間之空間中，而聲波共振器組件之向上表面最好暴露到處理腔室內之氣體周圍，而不要浸沒在處理液體中。
如上所述，基板與聲波共振器組件間之距離最好為100μm與1000μm之間。如果共振器與基板間之距離太大(即數毫米)，藉由GHz級之共振器所誘發之聲波流不會對異質製程(例如：清洗、蝕刻、與沉積)發揮期望之效果。
上述之本發明實施例可以在不需要很多移動部(即噴嘴或幫浦)、以及不需要聲音誘發之氣泡之存在的情況下，控制在基板附近之小液體容量內之高流速流之導引，該聲音誘發之氣泡之存在會遮蔽一些待處理區域、或者如果發生暫態空化現象，該聲音誘發之氣泡之存在會損壞基板之表面或呈現於基板表面上之結構。將理解上述說明與在此顯示之特定實施例僅闡明本發明及其原則，並且在不離開本發明之精神與範圍內，熟悉本技藝者可輕易地實行各種修改與添加，因此本發明之範圍應理解為僅藉由隨附之申請專利範圍所限制。
d1‧‧‧距離
W‧‧‧基板
M‧‧‧軸
T‧‧‧線性移動
1‧‧‧反應物
2‧‧‧產物
100‧‧‧基板
110‧‧‧主體
120‧‧‧電極
130‧‧‧聲波流
140‧‧‧液體
150‧‧‧共振器堆疊
160‧‧‧壓電材料層
200‧‧‧基板
210‧‧‧主體
220‧‧‧島狀物
230‧‧‧聲波流
240‧‧‧液體
250‧‧‧共振器堆疊
300‧‧‧轉換器板
301‧‧‧主體
302‧‧‧壓電材料
303、303a、303b‧‧‧電極
304‧‧‧電連接器
304a、304b‧‧‧內連線
305‧‧‧島狀物
430‧‧‧聲波流
440‧‧‧共振器
460‧‧‧液體
500‧‧‧基板
540‧‧‧液體
560‧‧‧超高音速建立區塊
570‧‧‧流效應
600‧‧‧主體
602‧‧‧處理液體入口
640‧‧‧超高音速建立區塊
700‧‧‧主體
702‧‧‧處理液體入口
703‧‧‧處理液體出口
740‧‧‧超高音速建立區塊
800‧‧‧表面
810‧‧‧共振器
831‧‧‧擴散限制性異質反應
832‧‧‧擴散
833‧‧‧聲波流
840‧‧‧液體
900‧‧‧轉盤
915‧‧‧頻率產生器
920‧‧‧共振器組件
本發明包含隨附之圖示以提供本發明更全面的了解。這些圖示說明本發明實施例，並且連同說明內容得以更充分地解釋本發明實施例之原理。
圖1係根據本發明一實施例之聲波共振器之概略側視圖，該聲波共振器相對於待處理基板而設置；圖2a與圖2b分別為聲波共振器組件之另一實施例之概略底 視平面圖與側視圖；圖3係顯示三個獨立之共振器島狀物之橫剖面，該共振器島狀物為根據本發明另一實施例之轉換器堆疊之一部分；圖4係聲波流之顯微照片，該聲波流係藉由根據本發明實施例之一連串共振器而產生於液體中；圖5係顯示根據本發明另一實施例之聲波共振器組件之另一結構；圖6係顯示根據本發明另一實施例之聲波共振器組件之又另一結構；圖7係顯示根據本發明另一實施例之聲波共振器組件之再另一結構；圖8係顯示擴散限制性異質反應之範例；以及圖9係概略地描述用於單晶圓濕處理之設備，該設備設有根據前述實施例之任一者之聲波共振器組件。
dl‧‧‧距離
100‧‧‧基板
110‧‧‧主體
120‧‧‧電極
130‧‧‧聲波流
140‧‧‧液體
150‧‧‧共振器堆疊
160‧‧‧壓電材料層

Claims (17)

  1. 一種處理基板之設備，包含：一基板之支撐器；一聲波共振器組件，其設置為與藉由該支撐器而支撐之該基板隔開一預定距離，該聲波共振器組件包含至少一壓電層，該壓電層具有在200nm到20μm之範圍內之厚度；一分配器，其用來將液體供應到藉由該支撐器而支撐之該基板與該聲波共振器組件間之間隔中，其中該聲波共振器組件包含一固體共振器主體，該固體共振器主體位於該壓電層與該間隔內的液體之間；以及一聲波能量源，其用以供應該聲波共振器組件具有至少約100MHz之頻率之聲波能量。
  2. 如申請專利範圍第1項之處理基板之設備，其中該支撐器為一轉盤，其用來將半導體晶圓支撐在用於單晶圓濕處理之處理模組中。
  3. 如申請專利範圍第1項之處理基板之設備，其中該聲波能量源供應該聲波共振器組件具有在500MHz到5GHz之範圍內之頻率之聲波能量。
  4. 如申請專利範圍第1項之處理基板之設備，其中該至少一壓電層具有在500nm到10微米之範圍內之厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項之處理基板之設備，其中該聲波共振器組件相對於該支撐器而設置，如此當該基板藉由該支撐器而支撐時，該預定距離在從100μm到1000μm之範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項之處理基板之設備，其中該至少一壓電層為複數層，該複數層包含挑選自由AlN、鈦酸鋯鉛(PZT)、ZnO、與GaAs所組成之群組之壓電材料之至少一者，該複數層連接到面 向該支撐器之共振器板；其中該複數層接觸一對電極，該對電極具有設置在該複數層之一側之第一電極、以及設置在該複數層之對側之第二電極。
  7. 如申請專利範圍第6項之處理基板之設備，其中該共振器板包含挑選自由藍寶石、矽、與石英所組成之群組之材料之至少一者。
  8. 如申請專利範圍第1項之處理基板之設備，其中該至少一壓電層具有在1-5微米之範圍內之厚度。
  9. 一種處理基板之方法，包含：將基板放置在支撐器上；將聲波共振器組件距離該基板之表面一預定距離而設置，該聲波共振器組件包含至少一壓電層，該壓電層具有在200nm到20μm之範圍內之厚度；將處理液體分配到在該聲波共振器組件與該基板間之間隔中，其中該聲波共振器組件包含一固體共振器主體，該固體共振器主體位於該壓電層與該間隔內的液體之間；以及供應該聲波共振器組件具有至少約100MHz之頻率之聲波能量。
  10. 如申請專利範圍第9項之處理基板之方法，其中該支撐器為一轉盤，其用來將半導體晶圓支撐在用於單晶圓濕處理之處理模組中。
  11. 如申請專利範圍第9項之處理基板之方法，其中該聲波共振器組件被供應具有在500MHz到5GHz之範圍內之頻率之聲波能量。
  12. 如申請專利範圍第11項之處理基板之方法，其中該至少一壓電層具有在500nm到10μm之範圍內之厚度。
  13. 如申請專利範圍第9項之處理基板之方法，其中該預定距離在從100μm到1000μm之範圍內。
  14. 如申請專利範圍第12項之處理基板之方法，其中該至少一壓電層連接到面向該支撐器之共振器板，並且其中該共振器板包含挑選自由藍寶石、矽、與石英所組成之群組之材料之至少一者。
  15. 如申請專利範圍第10項之處理基板之方法，其中該處理液體為用來清理該半導體晶圓之表面之液體，並且該液體挑選自由去離子水、酒精、酸、以及鹼所組成之群組。
  16. 如申請專利範圍第10項之處理基板之方法，其中該處理液體為包含金屬離子、並且最好為包含銅離子之溶液，該溶液用來將金屬、並且最好為銅電沉積到該半導體晶圓之表面上。
  17. 一種處理基板之設備，包含：一基板之支撐器；一聲波共振器組件，其設置為與藉由該支撐器而支撐之該基板隔開100μm到1000μm；一分配器，其用來將液體供應到藉由該支撐器而支撐之該基板與該聲波共振器組件間之間隔中，其中該聲波共振器組件包含一固體共振器主體，該固體共振器主體位於該壓電層與該間隔內的液體之間；以及一聲波能量源，其用以供應該聲波共振器組件具有在500MHz到5GHz之範圍內之頻率之聲波能量，其中該聲波共振器組件包含至少一壓電層及一共振器主體，該壓電層具有在500nm到10μm之範圍內之厚度，該共振器主體 具有在20微米到675微米之範圍內之厚度。
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