TWI483299B - 半導體矽片的清洗方法和裝置 - Google Patents

Description

半導體矽片的清洗方法和裝置

本發明是關於半導體矽片的清洗方法和裝置的。更確切地說，是關於在清洗過程中，矽片旋轉的同時，藉由改變一個超聲波或兆聲波裝置與矽片表面的相對間距，使得矽片表面的超聲波或兆聲波能量密度分佈均勻，從而有效地去除矽片表面的顆粒而不會損傷表面元件結構。

半導體器件是在半導體矽片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。爲了使電晶體終端能和矽片連在一起，需要在矽片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爲器件的一部分。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。

在形成互連元素時，半導體矽片可能需要掩膜、刻蝕和沈積等工藝來形成半導體器件所需要的電子回路。特別是多層掩膜和等離子體刻蝕工藝可以在半導體矽片的電介質層形成凹陷區域的圖案，用於充當互連線的槽和通孔。爲了去除刻蝕或光刻膠灰化過程中在槽和通孔中產生的顆粒和污染，必須進行一個濕法清洗步驟。特別地，隨著器件製造節點不斷接近和小於65nm，槽和通孔的側壁損失是維護臨界尺寸的關鍵。爲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往往不能有效地去除槽和通孔內的顆粒。所以爲了有效地去除顆粒，需要用到機械裝置如超聲波或兆聲波裝置。超聲波或兆聲波裝置將爲矽片表面提供機械力，能量密度和能量分佈是控制機械力不損傷矽片表面而又能有效地去除顆粒的關鍵常數。

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矽片。流體被加壓，兆聲波能量藉由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，在矽片表面上以兆聲波頻率振動。

在美國專利No. 6,039,059中提到一個能量源藉由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，流體噴射到矽片正反兩面，而將一根探針置於靠近矽片上表面的位置。另一個例子中，將一根短的探針末端置於靠近矽片表面的位置，在矽片旋轉過程中，探針在矽片表面移動。

在美國專利No. 6,843,257 B2中提到一個能量源使得一根桿繞平行於矽片表面的軸振動。桿的表面被刻蝕成曲線樹枝狀，如螺旋形的凹槽。

爲整個矽片表面提供適量的、均勻的兆聲波能量是清洗工藝的關鍵。如果兆聲波能量沒有均勻地施加到矽片表面上，得到較少兆聲波能量的矽片部分將不會被清洗乾淨，顆粒和污染將會遺留在這部分矽片表面，而得到過多超聲波能量的矽片部分表面的器件結構可能被損壞。

爲了高效且對結構低損傷地去除矽片或襯底表面的顆粒和污染，需要有一種好的方法來控制兆聲波在矽片表面的能量密度分佈。

本發明介紹的一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉的矽片正面，並且隨著矽片的不斷旋轉，連續增大兆聲波裝置和矽片之間的間距。矽片每旋轉一圈，間距的增量是兆聲波半波長的一部分，而間距的總增加量在0.5λN範圍之內，這裏λ是兆聲波的波長，N是從1開始的整數。

本發明介紹的另一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉的矽片正面，並且隨著矽片的不斷旋轉，連續減小兆聲波裝置和矽片之間的間距。矽片每旋轉一圈，間距的縮小值是兆聲波半波長的一部分，而間距的總縮小值在0.5λN範圍之內，這裏λ是兆聲波的波長，N是從1開始的整數。

本發明介紹的另一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉的矽片背面，並且隨著矽片的不斷旋轉，連續增大兆聲波裝置和矽片之間的間距。矽片每旋轉一圈，間距的增量是兆聲波半波長的一部分，而間距的總增加量在0.5λN範圍之內，這裏λ是兆聲波的波長，N是從1開始的整數。

本發明介紹的另一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉的矽片背面，並且隨著矽片的不斷旋轉，連續減小兆聲波裝置和矽片之間的間距。矽片每旋轉一圈，間距的縮小值是兆聲波半波長的一部分，而間距的總縮小值在0.5λN範圍之內，這裏λ是兆聲波的波長，N是從1開始的整數。

圖1A到圖1B展示了利用兆聲波儀器對矽片進行清洗的常見裝置。矽片清洗裝置包括矽片1010，由旋轉傳動裝置1016控制旋轉的矽片夾1014，傳輸清洗液化學試劑或去離子水1032的噴嘴1012，及兆聲波裝置1003。兆聲波裝置1003由壓電式感測器1004及與其配對的聲學共振器1008組成。感測器1004通電後作用如振動，而共振器1008會將高頻聲能量傳遞到液體中。由兆聲波能量產生的清洗液的振動使矽片1010表面的顆粒鬆動，進而藉由由噴嘴1012提供的流動液體1032將其從矽片表面移除。

如圖1C所示，爲了得到最少的反射能量，反射波r1(從水膜上表面射出)的相位必需與反射波R2(從水膜下表面射出)的相位相反，這樣水膜厚度應等於：

d=nλ/2,n=1,2,3……　(1)

這裏，d是水膜的厚度或是兆聲波裝置1003與矽片1010之間的間距，n是一個整數，而λ是兆聲波在水中的波長。例如，當兆聲波的頻率是937.5K Hz，λ=1.6mm時，d=0.8mm,1.6mm,2.4mm等等。

圖1D所示爲間距d與由圖1A中所示感測器1002測得的兆聲波能量密度之間的關係。在間距增大到0.4mm的過程中，可得到從谷值20w/cm2到峰值80w/cm2的多個能量密度值，並能在間距增大到0.8mm(0.5λ)時得到一個完整的週期。精確穩定地控制間距是能在矽片表面保持均勻的兆聲波能量分佈的關鍵。

然而，實際上很難精確地保持一個均勻的間距，特別是當矽片處於旋轉模式時。如圖2所示，如果矽片夾1014的軸心不是百分之百垂直於兆聲波裝置2003表面，兆聲波裝置與矽片2010表面的間距會從矽片邊緣向矽片中心不斷減小。據圖1D所示的資料，這將引起從矽片邊緣向矽片中心兆聲波能量分佈的不均勻。

如圖3A和3B所示，引起間距變化的另一個原因可能是由於矽片夾的旋轉軸不垂直於矽片3010表面。旋轉時矽片上下擺動，圖3B所示爲從圖3A所示狀態旋轉180度之後的狀態。矽片邊緣處的間距從圖3A所示的最大值減小到圖3B所示的最小值。這將導致當矽片經過兆聲波裝置時，矽片表面的兆聲波能量密度分佈不均勻。所有這些不均勻的能量分佈將導致矽片表面的器件結構損傷及矽片清洗不均勻。

爲了克服在矽片夾旋轉過程中由間距變化引起的能量分佈不均勻，本發明揭示了一種如圖4所示的方法。在清洗過程中，當矽片夾4014旋轉時，藉由控制螺桿4005和馬達4006，使兆聲波裝置4003和矽片4010之間的間距增大或減小。控制單元4088用來以馬達4016的速度爲基準控制馬達4006的速度。矽片4010或矽片夾4014每旋轉一圈，控制單元4088命令馬達4006控制兆聲波裝置4003向上或向下移動的間距爲：

Δz=0.5λ/N

這裏，λ是超聲波或兆聲波的波長，N是從2到1000之間的整數。

更進一步的細節如圖5所示，當矽片或矽片夾每旋轉一圈增大間距時，在矽片的相同位置兆聲波能量密度從P1變到P2。當間距增大到兆聲波的半波長時，能量密度變化了從P1到P11的一個週期。週期的起點取決於兆聲波裝置與矽片特定位置的間距，然而當間距增大到兆聲波的半波長時，矽片的每一部分都將得到一個完整週期的能量密度。換句話說，當兆聲波裝置向上移動兆聲波的半波長時(頻率爲937.5kHz時爲0.8mm)，即使是由於圖2，圖3A和圖3B中提到的原因導致兆聲波裝置和矽片之間的間距不均勻，矽片的每一部分也將得到一個完整週期的能量密度。這將保證矽片的每個點都得到同量的兆聲波能量密度，包括同樣的平均能量密度，同樣的最大能量密度和同樣的最小能量密度。操作過程如下所述：

工藝過程1(兆聲波頻率：f=937.5kHz，在去離子水中的波長λ=1.6mm)：

步驟1：以速度ω旋轉矽片，ω的範圍從10rpm到1500rpm。

步驟2：將兆聲波裝置移動到離矽片間距爲d的位置，d的範圍從0.5到15mm。

步驟3：打開噴嘴噴射去離子水或化學試劑，然後開啟兆聲波裝置。

步驟4：矽片夾每旋轉一圈，將兆聲波裝置上移0.5λ/N(mm)，這裏N是從2到1000的整數。

步驟5：繼續步驟4的操作，直到兆聲波裝置上移0.5nλ(mm)的間距，這裏n是從1開始的整數。

步驟6：矽片夾每旋轉一圈，將兆聲波裝置下移0.5λ/N(mm)，這裏N是從2到1000的整數。

步驟7：繼續步驟6的操作，直到兆聲波裝置下移0.5nλ(mm)的間距，這裏n是從1開始的整數。

步驟8：重復步驟4到7，直到矽片清洗完成。

步驟9：關閉兆聲波裝置，停止噴射去離子水或化學試劑，使矽片乾燥。

工藝過程2(兆聲波頻率：f=937.5kHz，在去離子水中的波長λ=1.6mm)：

步驟1：以速度ω旋轉矽片，ω的範圍從10rpm到1500rpm

步驟2：將兆聲波裝置移動到離矽片間距爲d的位置，d的範圍從0.5到15mm。

步驟3：打開噴嘴噴射去離子水或化學試劑，然後開啟兆聲波裝置。

步驟4：矽片夾每旋轉一圈，將兆聲波裝置上移0.5λ/N(mm)，這裏N是從2到1000的整數。

步驟5：繼續步驟4的操作，直到兆聲波裝置上移0.5nλ(mm)的間距，這裏n是從1開始的整數。

步驟6：關閉兆聲波裝置，停止噴射去離子水或化學試劑，使矽片乾燥。

感測器的頻率可以設置在超聲波和兆聲波範圍內，頻率的大小取決於被清洗的顆粒的尺寸。顆粒尺寸越大，用到的頻率越小。超聲波的範圍在20kHz到200kHz之間，而兆聲波的範圍在200kHz到10MHz之間。爲了去除相同基底或矽片表面不同尺寸的顆粒，也需要連續或同時交替改變機械波的頻率。如果一個雙重的波頻率被使用，高頻率f₁ 應該是低頻率f₂ 的整數倍，而感測器的移動範圍應該是0.5λ₂ n，矽片夾每旋轉一圈間距的增大或減小值應爲0.5λ₁ /N，這裏λ₂ 是頻率爲f₂ 的低頻波對應的波長，λ₁ 是頻率爲f₁ 的高頻波對應的波長，N爲從2到1000之間的整數，n爲從1開始的整數。

以下所述爲利用化學試劑去除顆粒和污染的一個例子：

有機物去除：H₂ SO₄ :H₂ O₂ =4:1

顆粒減少：NH₄ OH:H₂ O₂ :H₂ O=1:1:5

金屬污染去除：HCl:H₂ O₂ :H₂ O=1:1:6

氧化物去除：HF:H₂ O=1:100

圖6所示爲按照本發明將兆聲波儀器運用到矽片清洗裝置的另一個實例。這個裝置與圖4所示裝置相似，不同之處在於矽片夾是藉由螺桿6005和馬達6006的控制而垂直移動。控制單元6088藉由螺桿6005和馬達6006來控制矽片夾6014上下移動，進而改變兆聲波裝置6003和矽片6010之間的間距。

圖7所示爲按照本發明將兆聲波儀器運用到矽片清洗裝置的另一個實例。這個裝置與圖4所示裝置相似，不同之處在於兆聲波裝置7003被放置在矽片7010背面，並在螺桿7005和馬達7006的控制下垂直移動。控制單元7088藉由螺桿7005和馬達7006來控制兆聲波裝置7003上下移動，進而改變兆聲波裝置7003和矽片7010背面之間的間距。兆聲波穿過水膜7034和矽片7010傳遞到矽片7010正面和水膜7032。噴嘴7011提供去離子水或化學試劑來維持兆聲波裝置7003和矽片7010背面之間的水膜7034。這個裝置的優點在於，可以減小或消除可能由兆聲波引起的對矽片7010正面器件結構的損傷。

圖8所示爲按照本發明將兆聲波儀器運用到矽片清洗裝置的另一個實例。這個裝置與圖4所示裝置相似，不同之處在於矽片8010正面朝下，而一排噴嘴8018朝向矽片8010正面。兆聲波穿過水膜8032和矽片8010本身傳遞到矽片8010正面。

圖9所示爲按照本發明將兆聲波儀器運用到矽片清洗裝置的另一個實例。這個裝置與圖4所示裝置相似，不同之處在於壓電式感測器9004表面與矽片9010之間有個夾角α。共振器9008與壓電式感測器9004相連，兆聲波穿過共振器9008和去離子水膜或化學試劑膜傳遞到矽片上。工藝過程1，2和3可以應用到這裏。

圖10A到圖10G所示爲按照本發明兆聲波裝置的俯視圖。圖4所示的兆聲波裝置可以由不同形狀的兆聲波裝置10003替代，即圖10A所示的三角形或餡餅形，圖10B所示的矩形，圖10C所示的八角形，圖10D所示的橢圓形，圖10E所示的半圓形，圖10F所示的四分之一圓形，圖10G所示的圓形。

儘管本專利已經對一些具體裝置，例子和應用進行了描述，但是本發明並不排除那些顯而易見的各種修改和變化。

1002．．．感測器

1003．．．兆聲波裝置

1004．．．感測器

1008．．．共振器

1010．．．矽片

1012．．．噴嘴

1014．．．矽片夾

1016．．．旋轉傳動裝置

1032．．．去離子水(流動液體)

2003．．．兆聲波裝置

2010．．．矽片

2014．．．矽片夾

3010．．．矽片

4003．．．兆聲波裝置

4005．．．螺桿

4006．．．馬達

4010．．．矽片

4014．．．矽片夾

4016．．．馬達

4088．．．控制單元

6003．．．兆聲波裝置

6005．．．螺桿

6006．．．馬達

6010．．．矽片

6014．．．矽片夾

6088．．．控制單元

7003．．．兆聲波裝置

7005．．．螺桿

7006．．．馬達

7010．．．矽片

7011．．．噴嘴

7032．．．水膜

7034．．．水膜

7088．．．控制單元

8010．．．矽片

8018．．．噴嘴

8032．．．水膜

9004．．．感測器

9008．．．共振器

9010．．．矽片

10003．．．兆聲波裝置

圖1A-1D描述了一個典型的矽片清洗裝置；

圖2描述了一個典型的矽片清洗工藝；

圖3A-3B描述了另一個典型的矽片清洗工藝；

圖4描述了另一個典型的矽片清洗裝置；

圖5描述了一種矽片清洗方法；

圖6描述了另一個典型的矽片清洗裝置；

圖7描述了另一個典型的矽片清洗裝置；

圖8描述了另一個典型的矽片清洗裝置；

圖9描述了另一個典型的矽片清洗裝置；

圖10A-10G描述了超聲波或兆聲波感測器的各種形狀。

1002．．．感測器

1003．．．兆聲波裝置

1004．．．感測器

1008．．．共振器

1010．．．矽片

1012．．．噴嘴

1014．．．矽片夾

1016．．．旋轉傳動裝置

1032．．．去離子水(流動液體)

Claims (27)

1. 一種利用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體矽片的方法，包含：利用一個矽片夾夾住半導體矽片；將一套超聲波或兆聲波裝置置於接近半導體矽片的位置；利用至少一個噴嘴將化學液體噴射到半導體矽片與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中。 在清洗過程中，矽片夾每旋轉一圈，都要改變半導體矽片和超聲波或兆聲波裝置之間之間隙的間距。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，藉由將超聲波或兆聲波裝置以垂直於半導體矽片的方向移動來改變間距的大小。
3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，藉由將矽片夾以垂直於超聲波或兆聲波裝置的方向移動來改變間距的大小。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，超聲波或兆聲波裝置置於朝向並靠近半導體矽片正面的位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，超聲波或兆聲波裝置置於朝向並靠近半導體矽片背面的位置。
6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中，化學液體藉由置於半導體矽片正面附近的第一個噴嘴噴射到半導體矽片正面，同時，化學液體置於半導體矽片背面附近的第二個噴嘴噴射到半導體矽片背面。
7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距增大0.5λ/N，這裏λ是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數。
8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距減小0.5λ/N，這裏λ是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數。
9. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，在清洗過程中，間距大小在0.5λn範圍內變化，這裏λ是超聲波或兆聲波的波長，n是從1開始的整數。
10. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，超聲波或兆聲波裝置的聲波頻率是雙頻率。
11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，雙頻率包括一個高頻f1和一個低頻f2，並且f1=Mf2，這裏M是從2開始的整數。
12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距減小0.5λ₁ /N，這裏λ₁ 是頻率為f1的高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數。
13. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，在清洗過程中，間距大小在0.5λ₂ n範圍內變化，這裏λ₂ 是頻率為f2的低頻波的波長，n是從1開始的整數。
14. 一種利用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體矽片的裝置，包含：一個夾著半導體矽片的矽片夾；一套置於半導體矽片附近的超聲波或兆聲波裝置；至少有一個噴嘴將化學液體噴射到半導體矽片與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中；在清洗過程中，矽片夾每旋轉一圈，一個控制單元改變半導體矽片和超聲波或兆聲波裝置之間之間隙的間距。
15. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，藉由將超聲波或兆聲波裝置以垂直於半導體矽片的方向移動來改變間距的大小。
16. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，藉由將矽片夾以垂直於超聲波或兆聲波裝置的方向移動來改變間距的大小。
17. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，超聲波或兆聲波裝置置於朝向並靠近半導體矽片正面的位置。
18. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，超聲波或兆聲波裝置置於朝向並靠近半導體矽片背面的位置。
19. 如申請專利範圍第18項所述的裝置，其中，化學液體置於半導體矽片正面附近的第一個噴嘴噴射到半導體矽片正面，同時，化學液體藉由置於半導體矽片背面附近的第二個噴嘴噴射到半導體矽片背面。
20. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距增大0.5λ/N，這裏λ是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數。
21. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距減小0.5λ/N，這裏λ是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數。
22. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，在清洗過程中，控制單元使得間距大小在0.5λn範圍內變化，這裏λ是超聲波或兆聲波的波長，n是從1開始的 整數。
23. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中，超聲波或兆聲波裝置產生雙波長。
24. 如申請專利範圍第23項所述的裝置，其中，雙頻率包括一個高頻f1和一個低頻f2，並且f1=Mf2，這裏M是從2開始的整數。
25. 如申請專利範圍第24項所述的裝置，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距增大0.5λ₁ /N，這裏λ₁ 是頻率為f1的高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數。
26. 如申請專利範圍第24項所述的裝置，其中，矽片夾每旋轉一圈，間距減小0.5λ₁ /N，這裏λ₁ 是頻率為f1的高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數。
27. 如申請專利範圍第24項所述的裝置，其中，在清洗過程中，控制單元使得間距大小在0.5λ₂ n範圍內變化，這裏λ₂ 是頻率為f₂ 的低頻波的波長，n是從1開始的整數。