TWI509721B - 半導體晶圓之乾燥方法與設備 - Google Patents

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Description

半導體晶圓之乾燥方法與設備
本發明有關於平板狀物件表面的乾燥方法與設備。更具體而言，本發明有關於藉由以水性沖洗液清洗而後以有機溶劑清洗的使平板狀物件表面乾燥的方法與設備。
為了在生產過程期間清潔矽晶圓(如光刻前清潔、CMP後清潔、及電漿處理後清潔)，典型地將用以乾燥盤狀物件表面的技術用於半導體產業中。然而，可將此乾燥方法應用於其他平板狀物件，例如：光碟、光罩、光網、磁碟或平板顯示器。當用於半導體產業中時，亦可將其應用於玻璃基板(如在絕緣層上矽(silicon-on-insulator)製程中)、III-V基板(如GaAs)或用以製成積體電路的任何其他基板或載體。
數種乾燥方法係於半導體產業中為人知悉。一類乾燥方法使用明確的液/氣界限層。此乾燥方法係更為人知悉為Marangoni乾燥方法。
US5,882,433揭露組合的Marangoni旋轉乾燥方法，其中將去離子水分配至晶圓上，且同時分配2-丙醇(異丙醇)與氮的混合物。在氮中的2-丙醇影響其中產生表面梯度的液/氣界限層，此促進水離開晶圓而不在晶圓上留下液滴(Marangoni效應)。當將液體分配器自晶圓中心移動至邊緣且當晶圓旋轉時，氣體分配器直接跟隨液體分配器之後，使得氣體直接自晶圓移開液體。US5,882,433亦揭露水溶液被有機溶液移除的方法。
然而，當使晶圓乾燥時，尤其當使逐漸取代較舊200 mm晶圓技術之使用的300 mm晶圓乾燥時，發生缺陷增加。
在半導體晶圓上形成的裝置之持續逐步微型化亦使得乾燥晶圓更加困難。尤其考量到當在半導體晶圓上形成的裝置變小時，其比例並不必要維持相同。舉例而言，鑑於提供足夠表面積以達成目標電容之需求，具有相對於前一世代技術減少的元件寬度之電容器將不總是成比例地變矮。因此，當半導體裝置變小時，其高寬比經常增加。吾人可將此比作在曼哈頓的不動產之發展：當在水平方向上的空間變得更加侷限時，唯一建造的方向就是向上。
更小裝置結構的較高高寬比造成「圖型崩塌」的非期望現象，其中由於去離子水之相對高的表面張力，因此無論是否在具有氮氣流動的情形下實施乾燥，圍繞裝置結構且由清洗步驟殘留的去離子水均在旋轉乾燥期間將破壞性力量施加至該等結構。
本發明反映發明人的發現：當將異丙醇(isopropyl alcohol,IPA)加熱至超過60℃並小於82℃(IPA沸點)之溫度時，其更加有效率地清潔並乾燥平板狀物件表面。雖然液體表面張力通常隨增加的溫度而減少，但由加熱至超過60℃之溫度的IPA所達成的改良乾燥，明顯較在此溫度所預期者好。因此，可將本發明以具有圖型崩塌之改良性預防的溼式化學處理後之平板狀物件的清洗及乾燥方法來實施。亦將本發明以平板狀物件之濕式處理設備來實施，該設備設有配置成在超過60℃並接近82℃溫度下提供IPA至平板狀物件表面的構件。
本發明不僅就所達成的改善乾燥結果而言令人驚訝，而且在可燃且具有僅約12℃閃點的IPA可在接近其沸點之溫度下安全地加以使用的發現上亦然。
更概括而言，本發明提供用以乾燥平板狀物件的方法，包含：以水性清洗液清洗平板狀物件；在以水性清洗液開始該清洗之後，更以具有少於20質量%之含水量的有機溶劑(如異丙醇)清洗平板狀物件；其中有機溶劑呈液態形式且維持在超過60℃且小於有機溶劑沸點(即若有機溶劑為異丙醇，則為在1巴下82℃)之溫度。
較佳的有機溶劑為至少在10質量%至50質量%之溶劑的範圍內與水形成溶液且剩餘部份為水者。因此溶劑不需要在所有比例上與水互溶，但此有機溶劑係包含於本發明之範圍內。較佳的有機溶劑係選自由酮、醚及醇所組成的群組。
該方法亦可在2巴之升高壓力下實施，這導致較高的沸騰溫度，且因此導致有機溶劑溫度之較高上限。
在較佳實施例中，有機溶劑具有低於10質量%的含水量。
在該方法的另一實施例中，使平板狀物件在以有機溶劑清洗期間旋轉。
在該方法的又另一實施例中，有機溶劑係以20ml/min至400ml/min之範圍內的容積流量供應。
在該方法的又另一實施例中，將有機溶劑溫度維持在高於60℃且低於有機溶劑之沸騰溫度2K的溫度(即若有機溶劑為異丙醇，則在1巴下為80℃)。如前述，沸騰溫度不僅取決於所使用的有機溶劑種類，且亦取決於執行處理的壓力。
該方法的又另一實施例更包含將已加熱氣體供應至平板狀物件表面以促進有機溶劑蒸發。此氣體可為乾淨空氣，但較佳地為如稀有氣體或氮氣的惰性氣體。較佳而言，所使用的氣體之含氧量低於1質量%。
在該方法的又另一實施例中，已加熱氣體係藉由使平板狀物件及氣體分配噴嘴之間產生相對運動而供應橫跨平板狀物件表面。
在該方法的又另一實施例中，當分配噴嘴接近平板狀物件周圍時，使氣體流量減少。
該方法的又另一實施例更包含至少在該有機溶劑所施加之一側的相反側之周圍區域中，將加熱去離子水施加至平板狀物件的該相反側。
本發明之另一態樣包含用以乾燥平板狀物件的設備，其包含：清洗噴嘴，用以利用水性清洗液清洗平板狀物件，且與水性清洗液源連通；有機溶劑供應導管，與有機溶劑源連通，該有機溶劑供應導管包含加熱裝備，該加熱裝備係用以將經由導管供應的有機溶劑 加熱至超過60℃且小於該有機溶劑之沸騰溫度的溫度；及有機溶劑供應噴嘴，配置成將呈液態形式的有機溶劑施加至平板狀物件表面。
在本發明之較佳實施例中，該設備更包含加熱氣體源及用以將已加熱氮氣引導至平板狀物件表面的分配噴嘴。
在本發明的另一實施例中，該設備更包含加熱水(較佳為去離子水)源及用於該加熱去離子水的分配噴嘴，將該分配噴嘴加以定位，以至少在該清洗噴嘴及該有機溶劑供應噴嘴所作用之一側的相反側之周圍區域中，將加熱去離子水施加至平板狀物件之該相反側。
在本發明的又另一實施例中，該設備更包含用以接收及處理平板狀物件的封閉處理模組，其中該設備為用於半導體晶圓之單晶圓濕式處理站。
在又另一實施例中，該加熱裝備包含雙成列加熱器，該雙成列加熱器係配置成在不過分加熱至超過有機溶劑沸騰溫度的溫度之情形下，將有機溶劑加熱超過60℃且小於有機溶劑沸騰溫度。
現將參考隨附圖式更為詳細地描述本發明之較佳實施例。本發明之方法包含以水性清洗液清洗平板或圓盤狀物件，之後以IPA(呈液態形式)清洗，其中IPA較佳地具有不大於20質量%的含水量，其中IPA在大於60℃且小於82℃的溫度下供應。
水溶液較佳地為去離子水(DI水)，但亦可為臭氧、氫氟酸、氫氯酸、碳酸、或氨的稀釋溶液。
後續清洗意指以IPA清洗之開始係於以水溶液清洗之開始之後。這意指可在以水溶液清洗之後立即執行以IPA清洗；或可在該二清洗步驟之間具有一段時間；或可在停止以水溶液清洗前開始以IPA清洗。
IPA有利地具有低於10質量%的初始含水量。當溶劑殘留物蒸發時，這留下基本上無水的表面。當含水量低於5質量%或甚至 低於2質量%時，將更加改善此效果。由於IPA及水的共沸物處於異丙醇佔重量的87.9%且水佔重量的12.1%，故此暗示IPA係藉由共沸蒸餾所製備。
一旦停止DI水的供應，即可回收及再循環流離圓盤表面的IPA。由於IPA為吸濕性，故除非在此再循環期間以新鮮IPA加以補充，否則這將導致IPA中逐漸增加的含水量。
在以IPA清洗期間較佳地使平板狀物件旋轉，但亦可使其直線移動。IPA較佳地以在20ml/min至400ml/min之範圍內的容積流量加以供應。更佳而言，IPA流量不大於200ml/min。更確切地，在依據本發明所使用的IPA溫度下，有機溶劑流量可小於100ml/min而不產生水印(watermarks)。這不僅是環境上所期望，而且亦協助維持乾燥費用低廉。
在另一實施例中，將含氟溶液(如含有氟化氫、氟化銨)於實施乾燥前分配至圓盤狀物件上。較佳而言，此含氟溶液為具有低於1g/l分析性濃度之氟化氫的水溶液之稀釋氫氟酸。
現參照隨附圖式，參考編號1代表腔室C中的旋轉夾盤，該腔室C較佳地為用於半導體晶圓之單晶圓濕式處理的處理模組。腔室C較佳地為封閉模組，以便侷限包含熱IPA之所使用的化學物質。300mm半導體晶圓W係定位於旋轉夾盤1上且受到夾鉗銷(未顯示)所夾持。
執行其中經由噴嘴頭2將不同液體分配至晶圓上的濕式處理。當分配液體時，可將分配噴嘴頭2以選定速度橫越晶圓自中心朝邊緣移動並返回中心。只要個別液體獲得分配，即可重複此運動。分配清潔液期間的旋轉速度係較佳地設定在300rpm至2000rpm的範圍內。
首先，分配具有0.01g/l之HF濃度的稀釋氫氟酸；其次，分配清洗液(如去離子水)；第三，關閉清洗液且同時開啟IPA供應；第四，同時分配有機溶劑及氮氣；及第五，執行旋轉脫離步驟。
用於本處理的乾燥臂桿3包含噴嘴頭2，其包含複數個噴嘴。有用以分配稀釋氫氟酸或去離子水的噴嘴24、用以分配熱IPA的 噴嘴22、用以於乾燥期間將氣體(較佳地為氮氣)吹至晶圓上的噴嘴20、及用以將氣體供應至腔室C內部以維持期望大氣的一對遮幕噴嘴18。
乾燥方法的順序係以下列次序執行：
步驟A：如同最後的化學分配步驟，當使晶圓以500-1200rpm(如800rpm)的範圍內之轉速旋轉時，將稀釋氫氟酸(1g/l至100g/l之間的濃度)以1.7-2 l/min的流量分配在晶圓中心30s至200s之間的時間。液體溫度為22℃。
步驟B：(清洗步驟)亦於使晶圓以500-1200rpm(如800rpm)的範圍內之轉速旋轉時，將去離子水以1.7-2 l/min的流量自DI水源6分配在晶圓中心20s的時間。液體溫度為22℃。
步驟C：(乾燥步驟)噴嘴頭以10mm/s的平均速度自中心至邊緣掃掠晶圓一次，其中在中心的掃掠速度為20mm/s，且當朝向邊緣移動時掃掠速度減少至5mm/s。在掃掠期間，將IPA自晶圓中心分配直到邊緣。當供應IPA時同時吹送氮。在晶圓邊緣關閉IPA。在本實例中的IPA具有75℃之溫度。
為達成經過加熱器的穩定IPA流以及高溫輸出，故期望具有定義良好的加熱溫度範圍以避免IPA沸騰及可能的安全性失效。依據本實施例，IPA係自儲存槽8供應，並在抵達噴嘴頭2之前通過雙成列加熱器15及17、輸送管線7、歧管11。藉由串連兩IPA加熱器，使整體加熱穩定，這允許增高加熱器設定點以在出口達成較高之IPA溫度。反之，當使用單一加熱器時，有較低的加熱設定點之必要以避免加熱超過IPA溫度設定點。
為了在晶圓上達成較高的IPA溫度，故亦期望在輸送管線7內維持IPA溫度，使得熱IPA不在輸送期間冷卻。尤其應將管線7朝向噴嘴頭2維持熱穩定，使得可將任何對管線之熱傳減至最小。在本實施例中，管線受到熱外罩12覆蓋以避免當正輸送IPA時溫度下降。熱外罩12之加熱溫度應受到良好控制，使得輸送管線內部的IPA溫度應在小於其沸點之溫度，以預防IPA氣泡被輸送至晶圓上，而可能在晶圓乾燥期間造成顯著微粒缺陷。
當晶圓在旋轉夾盤上受到處理時，晶圓邊緣的IPA溫度將可能因相對於晶圓較中心區域的晶圓周圍之較高自旋動量而顯著地冷卻。相似地，即使在使用熱IPA時，圖型崩塌仍在邊緣具有更嚴重的傾向。為避免晶圓上的IPA溫度下降，故將熱DI水自熱DI水源9供應至晶圓對側，以使晶圓上的IPA溫度保持均勻。發明人所實施的實驗已證實，相較於處理期間不將熱DI水供應至背側的正常條件，可在邊緣達成較高晶圓溫度。
當將IPA用於晶圓乾燥時，氮氣係典型地用以移除及/或蒸發當旋轉時之晶圓上的殘餘IPA。由於正常N2 流可於處理期間冷卻IPA溫度，故為了使溫度下降最小化並促進IPA乾燥，可使用來自熱N2 源4的熱N2 。
IPA流量係較佳地設定在50ml/min至160ml/min之間。噴嘴口之橫剖面積為8mm2 (得自1/8英吋管)。因此，流速在0.1m/s及0.33m/s之間的範圍內。熱IPA增加晶圓溫度，這顯著地減少水印數量-據信這是由於冷凝減少，因為可如此將晶圓表面溫度維持高於周圍空氣之露點。在噴嘴頭自中心至邊緣的移動期間可增加氮流量(最大氮流量之50%至100%)。在最大值時(接近邊緣)，氮流量約為30 l/min。當有機溶劑分配噴嘴自圓盤狀物件中心朝向邊緣移動時，將夾盤速度自1100rpm線性減少至450rpm。在IPA溫度大於60℃的情況下，可將IPA流量選定成低於100ml/min而不產生水印，此可顯著減少IPA消耗。
較佳而言，對晶圓W供應熱IPA係始於DI水清洗步驟期間而非在其完成時。尤其在DI水清洗步驟期間，為了即使當關閉DI水流時仍維持晶圓潮濕，將加熱IPA(高達82℃，典型處理為60~80℃)引至晶圓。應將IPA加熱器15、17之加熱設定點維持盡可能高，但應當穩定以避免加熱器過熱。熱外罩12亦被開啟且應保持受到控制。熱外罩12之加熱設定點亦需要特定設定點以避免安全性顧慮。當乾燥臂桿3朝晶圓邊緣移動時，將氮氣引至晶圓以乾燥晶圓。當乾燥臂桿3向外移動時，使氮氣流量改變。一旦乾燥臂桿3移出晶圓，則晶圓旋轉一定時間以確保晶圓乾燥。
當將熱IPA分配在晶圓頂側上時，將熱DI水施加至晶圓背側以維持溫度。為了避免處理期間來自腔室壁的反濺，故應將熱DI水流量維持盡可能低。其亦需要具有一定流量以確保其熱量轉移至晶圓邊緣。當乾燥臂桿3通過晶圓上的一定位置時，應關閉熱DI水以避免如上述的反濺。
當乾燥臂桿3朝晶圓邊緣移動時，將加熱氮氣朝晶圓排出以乾燥晶圓。選定氮氣溫度以於處理期間促進晶圓乾燥。使加熱N2 流量較佳地在乾燥臂桿3向外移動時改變。當乾燥臂桿3通過晶圓上一定位置時，應關閉熱DI水以避免如上述的反濺。
在回流至儲存槽8前，可將流離晶圓W表面的熱IPA在熱IPA收集區域14中收集，並在熱IPA回收區域16中回收。如上述，IPA之吸濕本質意指其含水量將逐漸增加，尤其當利用再循環時。為抵銷上升的含水量，可自新鮮IPA源13將新鮮IPA供應至儲存槽8。
可將含水量已變得過高而無法使用的IPA用作燃料，或藉由如鹽析之已知技術加以再純化，藉由該等已知技術可基於IPA在水性鹽溶液中相對低的溶解度而使IPA及水分離。
步驟D：最終步驟為在不分配任何化學物質之情況下以1500rpm旋轉轉速旋轉10s。雖然本步驟並非必要，但是其避免可能黏附在晶圓背側上及/或旋轉晶圓之夾盤上的任何液滴之反濺。雖然本發明已結合其各種例示性實施例加以描述，但應明瞭，不應將該等實施例用作限制隨附請求項之真正範圍及精神所賦予的保護範圍之託辭。
1‧‧‧旋轉夾盤
2‧‧‧噴嘴頭
3‧‧‧乾燥臂桿
4‧‧‧熱N2 源
6‧‧‧DI水源
7‧‧‧管線
8‧‧‧儲存槽
9‧‧‧熱DI水源
11‧‧‧歧管
12‧‧‧熱外罩
13‧‧‧新鮮IPA源
14‧‧‧熱IPA收集區域
15‧‧‧加熱器
16‧‧‧熱IPA回收區域
17‧‧‧加熱器
18‧‧‧霧幕噴嘴
20‧‧‧噴嘴
22‧‧‧噴嘴
24‧‧‧噴嘴
C‧‧‧腔室
W‧‧‧晶圓
圖1示意地描繪依據本發明之設備的實施例；及圖2為圖1之噴嘴頭的示意仰視圖。
1．．．旋轉夾盤
2．．．噴嘴頭
3．．．臂桿
4．．．熱N2 源
6．．．DI水源
7．．．管線
8．．．儲存槽
9．．．熱DI水源
11．．．歧管
12．．．熱外罩
13．．．新鮮IPA源
14．．．熱IPA收集區域
15．．．加熱器
16．．．熱IPA回收區域
17．．．加熱器
C．．．腔室
W．．．晶圓

Claims (14)

  1. 一種平板狀物件之乾燥方法，包含：清洗液清洗步驟，以水性清洗液清洗該平板狀物件；有機溶劑清洗步驟，在開始利用該水性清洗液之該清洗液清洗步驟之後，更以具有少於20質量%之含水量的有機溶劑清洗該平板狀物件；其中該有機溶劑呈液態形式且維持在超過60℃並小於該有機溶劑之沸點的溫度，其中該有機溶劑係經由與一有機溶劑源連通的一導管加以供應，該導管包含加熱設備，該加熱設備係用以加熱經由該導管供應的有機溶劑至超過60℃且小於該有機溶劑之沸騰溫度的溫度，其中該有機溶劑以在20ml/min至400ml/min之範圍內的容積流量加以供應。
  2. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該有機溶劑係選自由酮、醚及醇所組成的群組。
  3. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該有機溶劑為醇。
  4. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該有機溶劑為異丙醇。
  5. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該有機溶劑至少在該有機溶劑10質量%至50質量%之範圍內與水形成溶液且剩餘部份為水。
  6. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該有機溶劑具有低於10質量%的含水量。
  7. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該平板狀物件係於以該有機溶劑清洗期間旋轉。
  8. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，其中該有機溶劑之溫度係維持在高於60℃並低於80℃的溫度。
  9. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，更包含將加熱氣體供應至該平板狀物件之表面以促進該有機溶劑之蒸發。
  10. 如申請專利範圍第1項之平板狀物件之乾燥方法，更包含：加熱去離子水施加步驟，至少在該平板狀物件的受該有機溶劑施加之一側的相反側之周圍區域中，將加熱去離子水施加至該相反側。
  11. 一種平板狀物件之乾燥設備，包含：清洗噴嘴，用以利用水性清洗液清洗該平板狀物件，並與水性清洗液源連通；有機溶劑供應導管，與有機溶劑源連通，該有機溶劑供應導管包含加熱裝備，該加熱裝備係用以加熱經由該有機溶劑供應導管供應的有機溶劑至超過60℃且小於該有機溶劑之沸騰溫度的溫度；及有機溶劑供應噴嘴，配置成將呈液態形式的該有機溶劑施加至該平板狀物件的表面，其中該有機溶劑以在20ml/min至400ml/min之範圍內的容積流量加以供應。
  12. 如申請專利範圍第11項之平板狀物件之乾燥設備，更包含：加熱氣體及加熱水其中一者的來源；及分配噴嘴，用以引導該加熱氣體或該加熱水至該平板狀物件之表面。
  13. 如申請專利範圍第11項之平板狀物件之乾燥設備，更包含封閉處理模組，用以接收及處理該平板狀物件，其中該設備為用於半導體晶圓之單晶圓濕式處理站。
  14. 如申請專利範圍第11項之平板狀物件之乾燥設備，其中該加熱裝備包含雙成列加熱器，配置成加熱該有機溶劑超過60℃並小於該有機溶劑之沸騰溫度，而不過分加熱至超過該有機溶劑之沸騰溫度的溫度。
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