TWI571948B - 基板冷凍乾燥設備及方法 - Google Patents

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Description

基板冷凍乾燥設備及方法 【交叉參考之相關申請案】
本申請案主張於2011年10月13日提出申請之名為「基板冷凍乾燥設備及方法」(SUBSTRATE FREEZE DRY APPARATUS AND METHOD)的美國專利申請案第13/273,090號之優先權，其主張於2011年5月31日提出申請之名為「在不造成損害的情況下將液體從涵蓋半導體、MEMS、或光電裝置之半導體晶圓上移除的創新方法」(NOVEL DAMAGE-FREE METHOD FOR REMOVING LIQUIDS FROM SEMICONUCTOR WAFERS CONTAINING SEMICONDUCTING,MEMS,OR PHOTOELECTRIC DEVICES)的美國臨時申請案第61/491,727號之優先權，該等案件皆併入本文以供所有用途之參考。
本發明係關於半導體裝置之形成。更明確而言，本發明係關於在半導體裝置形成期間將液體從基板上移除的設備或方法。
本發明係關於半導體裝置之形成。更明確而言，本發明係關於在半導體裝置形成期間將液體從基板上移除的設備或方法。
在半導體晶圓處理期間，濕式處理需要後續從半導體裝置上移除液體。
隨著半導體裝置的大小持續縮小至較小的尺寸，因而需要較高的深寬比結構以達成預期的裝置效能。生產微電子/半導體裝置需要反覆進行多個處理步驟，例如材料沉積、平坦化、特徵部圖案化、特徵部蝕刻、以及特徵部清潔。朝向更高深寬比的趨力為眾多該等傳統的生產步驟帶來處理上的挑戰。濕式製程如蝕刻與清潔(通常會占高於25%的製程流程)在高深寬比特徵部上 會因在乾燥期間產生得毛細力而特別具挑戰性。該等毛細力的強度係取決於表面張力與蝕刻、清潔、或是沖洗正在乾燥之流體的接觸角度、以及特徵部間距與深寬比。若於乾燥期間所產生的力量太高，則高深寬比特徵部將會塌陷於彼此上且可能會產生黏滯力(stiction)。特徵部塌陷與黏滯力將嚴重降低裝置良率。
為了達成且依據上述本發明的目的，提供一種用於冷凍乾燥基板的裝置。用於支承和靜電夾持該基板的靜電夾盤(ESC)係於該腔室之內。一溫度控制器控制該靜電夾盤的溫度。一冷凝器係連接至該腔室。一真空泵係與該腔室流體連通。
在本發明的另一樣態中，提供一種用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法。該液體係以乾燥化學品取代。將該基板置於一乾燥腔室之中的一靜電夾盤之上。將該基板夾持至該靜電夾盤。利用該靜電夾盤以背側超冷卻該基板至低於該乾燥化學品的凝固點，以凝固該乾燥化學品。降低在該腔室中的壓力，以移除該被冷凍的乾燥化學品。加熱該基板，在不融化該乾燥化學品的情況下昇華該乾燥化學品。
本發明的這些和其他特徵，將在以下本發明的詳細說明且結合以下圖形，作更詳細的描述。
現將參照如隨附圖式中所繪之數個較佳實施例來詳細描述本發明。在下列敘述中，為供全面了解本發明而提出大量具體細節。然而，精於本技藝者顯然當知本發明可在不具該等具體細節之部分或全部的情況下實行。在其他情況下，並未詳述為人熟知的製程步驟及/或結構以免不必要地混淆本發明。
在當前與先前技藝中，為防止特徵部塌陷，已採用具有低於去離子水之表面張力的非傳統沖洗液體。雖然此種方法對於較低深寬比結構有效，但在較高的深寬比與較小的特徵部間距之 情況下，此法仍會面臨和去離子水相同的塌陷與黏滯力問題。此一失效是由於這些較低表面張力之流體仍具有一定的表面張力，其會於乾燥期間產生對於脆弱的特徵部而言太過強大的力量。另一種乾燥高深寬比結構的方法是以超臨界流體溶解並沖洗沖洗流體。超臨界流體一般而言應無表面張力且因而消除會造成特徵部塌陷的毛細力。儘管超臨界流體具備該等優點，但在使用該等流體上仍有數個技術與製造上的挑戰。該等挑戰包含高設備與安全成本、長製程時間、製程期間的可變溶解量、由於流體的擴散與可調本質造成極度的製程敏感度、以及流體和腔室零件之交互作用而帶來的晶圓缺陷/汙染議題。防止高深寬比結構塌陷的另一策略是增加支撐特徵部的機械支撐件(bracing)結構。此種方法具有數種折衷條件，包含會對產能與良率帶來不良影響的較高成本與製程複雜度。此外，由於支撐件係侷限於特定結構形式，因而其非建全的解決方案。因此，在不造成損害的情況下將液體從半導體/微電子裝置上移除的替代方法與系統係備受期望。
本發明一實施例能在不造成損害的情況下將液體從半導體晶圓上移除。此方法是透過冷卻含有液體層的晶圓至一溫度來進行，該溫度低於液體的三相點、共熔溫度、或玻璃轉化溫度，因而使得該層由液體轉變成固體或玻璃。乾燥腔室的壓力係降到低於冷凍流體的蒸氣壓之下且晶圓的溫度是以受到控制的方式均勻增加。該等條件造成冷凍層的直接昇華。該等條件會持續至直到所有的冷凍流體皆透過昇華而移除。此方法消除高深寬比特徵部之間的蒸氣/液體介面。冷凍材料的表面張力相當低。因此，在傳統液體汽化乾燥期間所產生的力量係被消除並達成在無塌陷的情況下乾燥微電子拓樸/高深寬比特徵部。
如圖1所示，本實施例中的冷凍乾燥系統100包含乾燥腔室102。氣體源/氣體供應機構104和乾燥腔室102為流體連通。氣體源/氣體供應機構104提供部分的氛圍控制系統，其控制乾燥腔室102中的壓力與氣體類型。靜電夾盤(ESC,electrostatic chuck)108係設置於腔室中以支撐例如晶圓的基板106。冷凍乾燥 系統100更包含濕式運送台132，其提供將濕晶圓運送至冷凍乾燥腔室102的方法並提供真空密封，藉此氛圍可受到控制且可達成乾燥製程壓力，冷凍乾燥系統100尚包含冷凝器117、真空泵116、電漿源136、加熱燈陣列153、加熱燈電源152、光學發射光譜(OES,optical emission spectroscopy)系統140，其中加熱燈陣列153與OES系統140係鄰近形成乾燥腔室102一側的窗部154。
在此實施例中，ESC 108包含接觸層112、熱電裝置115薄層、與主體120。主體120具有數個通道124。通道124係和冷卻器128為流體連通。冷卻器冷卻並供應流體至該流體所通過的通道，藉此冷卻ESC 108的主體120。熱電電源184係電連接至熱電裝置115薄層。熱電電源184供應電壓至熱電裝置115。熱電電源184使用電壓的量值與方向來決定熱電裝置115是提供熱差量或冷差量以及ESC主體120與接觸層112之間此差量的量值。夾盤電源157供應夾持電壓以將基板106靜電夾在ESC 108上。背側冷卻與加熱系統130係和ESC 108連接並供應例如氦的流體通過ESC 108而來到基板106的背側以提高ESC 108與基板106之間的熱傳。背側冷卻/加熱系統亦連接真空泵116，其使基板能被真空夾至ESC 108上。背側冷卻系統的一實例係描述於McMillin等人所提出名為「高密度電漿化學氣相沉積用之可變高溫度夾盤」(Variable High Temperature Chuck for High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)之美國專利案第5,835,334號，該案係併入本文以供所有用途之參考。
在本發明此實施例中，冷凝器117與真空泵116係整合於低溫泵110中，其供應真空且冷凝的蒸氣。皮冉尼(pirani)壓力計118與電容式壓力計119係連接至乾燥腔室102。
控制器170係可控地連接至熱電電源184、冷卻器128、夾盤電源157、低溫泵110、氣體源104、電漿源136、加熱燈電源152、背側冷卻與加熱系統、皮冉尼壓力計118、電容側壓計、以及OES 140。
圖2為呈現電腦系統200的高階方塊圖，電腦系統200 係適合用以實行用於本發明實施例的控制器170。電腦系統可具有眾多實體型態，範圍從積體電路、印刷電路板、與小型手持裝置至大型超級電腦。電腦系統200包含一個以上的處理器202，並更可包含電子顯示裝置204(用以顯示圖形、文字、以及其他資料)、主記憶體206(如隨機存取記憶體(RAM))、儲存裝置208(如硬碟機)、可拆卸儲存裝置210(如光碟機)、使用者介面裝置212(如鍵盤、觸控螢幕、手寫板、滑鼠或其他指向裝置等等)、及通訊介面214(如無線網路介面)。通訊介面214使得軟體與資料可透過連線而在電腦系統200與外部裝置之間傳輸。該系統亦可包含前述裝置/模組所連接的通訊設施216(如通訊匯流排、交越條(cross-over bar)、或網絡)。
透過通訊介面214傳輸的資訊可為信號的型態，例如電子、電磁、光學、或其他透過乘載信號且可藉由使用線路或電纜、光纖、電話線、手機連線、無線射頻連線、及/或其他通訊管道之通訊連線而可被通訊介面214接收的信號。在具有此類通訊介面的情況下，當可思及一個以上的處理器202可於執行上述方法步驟的過程中從網絡接收資訊、或輸出資訊至網絡。另外，本發明之方法實施例可單獨依靠該等處理器來執行，或是可透過例如網際網路的網絡而配合共同負責部分處理之遠端處理器來執行。
詞彙「非暫態電腦可讀媒體」係用以一般性地指稱例如主記憶體、次要記憶體、可拆卸儲存裝置之媒體，以及例如硬碟、快閃記憶體、磁碟記憶體、CD-ROM與其他型態的永久記憶體之儲存裝置，且不應解釋為涵蓋暫時性物件，例如載波或信號。電腦編碼實例包含機器編碼(如編譯器所產生者)與內含透過電腦使用解譯器加以執行之較高階編碼的檔案。電腦可讀媒體亦可為由電腦資料信號所傳送的電腦編碼，該電腦資料信號是以載波加以實現並代表一連串由處理器執行的指令。
為增進理解，圖3為可用於本發明實施例之製程的高階流程圖。濕式製程係用在基板上(步驟304)，其殘留液體在基板上。該液體係替換為乾燥化學品(步驟308)，其殘留乾燥化學液體於基 板上。受控氛圍係供至乾燥腔室中(步驟312)。此可透過將氮或氮與氫流入乾燥腔室來達成，其提供無氧、惰性、或還原氛圍。基板係置於乾燥腔室(步驟316)中。基板係受夾持至預冷電磁夾盤(步驟320)，其用以快速冷卻基板並使乾燥化學品冷凍(步驟322)。接著可增加ESC的溫度以使由於冷凍層所產生的任何介穩狀態退火而不會融化乾燥化學品。乾燥腔室中的壓力係降到乾燥化學品的蒸氣壓之下(步驟324)。基板係加熱以使乾燥化學品昇華而不會融化乾燥化學品(步驟328)。若有需要，額外的熱能係為第二回乾燥而提供，而同時降低腔室壓力(步驟332)。之後，乾燥腔室中的壓力增加(步驟336)。基板係從乾燥腔室中移開(步驟340)。
實例
在實行本發明的實例中，記憶體裝置的特徵部係蝕刻進矽晶圓上的薄層中，以形成具有小於40nm的CD及小於80nm的節距之記憶體線。濕式製程係用以移除蝕刻遮罩與記憶體線，其會殘留清潔液體在晶圓的表面上(步驟304)。在此實例中，清潔液體為去離子水(DI,deionized water)。清潔液體係被乾燥化學品取代(步驟308)。在此實例中，乾燥化學品為90%三級丁醇(TBA,tert-butanol)與10%水的溶液。在此實例中，清潔液體係於旋轉基板時透過將乾燥化學品流至基板上而被乾燥化學品取代。
圖4A為乾燥化學品408已取代清潔液體之後之基板106的橫剖面圖。圖4B為圖4A中如標示之部位的放大圖，其呈現記憶體線412與基板106上的蝕刻特徵部416，而乾燥化學品408係置於其上。基板106與記憶體線412之間可放置一或多個薄層。
一受控氛圍係供應至乾燥腔室102中(步驟312)，如圖1所示。在此實例中，惰性、無氧或還原氛圍係藉由從氣體源104將氣體流進乾燥腔室102中來提供。在此實例中，該氣體為氮。
基板106係置於乾燥腔室中(步驟316)，例如圖1所示的乾燥腔室102。在此實例中，濕式運送台132係用以將基板106運至處於大氣壓與室溫下的乾燥腔室102中。濕式運送台132可 在濕式處理台與乾燥腔室102之間連接並可具有用以將基板從濕式處理台運至乾燥腔室102的機械手臂機構。在乾燥之後，濕式運送台中的機械手臂機構可用以將基板從乾燥腔室102中移至另一腔室。濕式運送台將可處理濕機板，其係透過提供受控氛圍以防止乾燥或防止濕基板的其他化學變化。
由於90%TBA與10%水的溶液在室溫下相對黏稠，所以該溶液在運送期間不易溢出。基板106係置於ESC 108上。冷卻器係設定成在基板106置於ESC 108之前使ESC的主體120預冷至約-40℃。在此實例中，熱電電源未供應電壓至熱電裝置以在ESC主體120與接觸層112之間產生0℃的溫度差量，致使接觸層係預冷至-40℃。夾盤電源157提供夾持電壓以將基板106靜電夾在ESC 108上(步驟320)。背側冷卻與加熱系統130在接觸層112與基板106之間提供氦的背側氣體壓力，用以提高接觸層112與基板106之間的熱傳並提升基板106的溫度均勻度。
乾燥化學品408係藉由來自ESC 108的冷卻而完全冷凍(步驟322)。可針對冷凍製程決定一固定時間。
在這個實例中，低溫泵110設有冷凝器117及真空泵116，其將乾燥腔室102排空至0.1-1000毫托的減壓(reduced pressure)(步驟324)。接著將基板加熱，以在不融化乾燥化學品的狀態下將該乾燥化學品昇華(步驟328)。在這個實例中，加熱係藉由施加電壓至熱電裝置而改變由該熱電裝置所提供的溫度差量而提供。在此實例中，溫度差量係10℃，以將接觸層112設置於-30℃的溫度。在此實例中，將冷卻器128維持於固定的溫度，而熱電裝置115係用以提供額外的冷卻和/或加熱。這在接觸層112的溫度於冷凍乾燥製程中在冷凍乾燥化學品的溫度、任何退火製程、及昇華該乾燥化學品的溫度之間循環時，提供更快速、更有效率、更精確之在溫度上的改變。在這個冷凍乾燥製程中，藉由維持壓力低於冷凍乾燥化學品的蒸氣壓，使用低壓將固態乾燥化學品直接昇華至氣相。冷凝器117減少到達真空泵之汽化的乾燥化學品，以維持真空泵116的效率。因為冷凍乾燥製程將蒸氣昇 華，冷凝器較佳用以處理昇華之蒸氣。
圖5A係若干冷凍的乾燥化學品408已被昇華之後，基板106的橫剖面圖。圖5B係圖5A中如標示之部位的放大圖，顯示在基板106之上的記憶體線412和蝕刻特徵部416，其中若干冷凍乾燥化學品408已被昇華。
OES系統140可用以判定何時已昇華所有的冷凍乾燥化學品。或者是，可執行固定時間的乾燥處理。另外或者是，可利用皮冉尼壓力計和電容壓力計之壓力收斂(pressure convergence)以判定何時已昇華所有的冷凍化學品。這個實例藉由增加基板106的溫度(步驟332)和進一步降低腔室壓力，提供第二回乾燥。這個進一步之溫度增加可由熱電裝置115或加熱燈陣列153加以執行。第二回乾燥的目的係移除任何物理吸附之溶劑。在冷凍乾燥化學品已被昇華和移除後，在此實例中，增加腔室壓力(步驟336)。
將基板由乾燥腔室102中移除(步驟340)。在移除過程期間，藉由移除夾持電壓將基板釋放。在乾燥腔室102中的壓力回復至大氣壓，且濕式運送台132開啟。
替代實施例
可提供本發明的各種替代實施例。在本發明的其他實施例中可使用其他的乾燥化學品。若干替代化學品可為二甲亞碸(DSMO)、環己烷、乙酸、四氯化碳、異丙醇、碳酸二甲酯、水和其混合物，但不限定於此。在使用(DSMO)的實施例，其中乾燥化學品不包含水，受控氛圍可具有低濕度。此乾燥化學品可為純粹液體或二種以上液體的混合物。在另一實施例中，可使用濕式處理液體作為乾燥化學品，以使濕式處理液體不需要由乾燥化學品加以取代。
在另一實施例中，可在乾燥腔室中執行以乾燥化學品取代液體。在以乾燥化學品取代液體期間，此等製程可旋轉或可不旋轉基板。
在另一實施例中，受控氛圍可為含有低百分比水分或不 含水分之惰性氣體。若干惰性氣體，例如Ar，對於由ESC靜電夾持/釋放晶圓可能具有優點。吾人相信若未控制氛圍，氧將會被吸收進乾燥化學品而導致冷凍層的剝離，這可能會增加塌陷。
在另一實施例中，沒有預冷卻夾盤，而是將基板置於夾盤之後，降低夾盤的溫度。在另一實施例中，使用真空或機械式夾盤取代靜電夾盤。在另一實施例中，將基板置於一平台之上，在該處基板未被夾持。這個實施例將具有較慢的冷卻時間，且因此增加處理時間，但可能提供其他的優點。在另一實施例中，液態氮可接觸基板以提供冷卻。
可利用各種不同的裝置以達成腔室真空，舉例來說，機械真空泵和/或渦輪分子泵。可以受控的流速供給例如Ar、He、或N2之惰性氣體至腔室以維持所欲的腔室壓力。在一替代實施例中，沒有供給氣體以維持所欲的腔室壓力。腔室壓力較佳維持在小於5毫托。對於背側冷卻或加熱，以較佳在1托-40托之範圍的壓力，將例如但不限定於He或Ar之惰性氣體供給至經靜電夾持的晶圓之背側，以提供該晶圓均勻且有效率的熱傳。
在替代實施例中，基板的加熱可藉由以下方法而達成：改變ESC上的冷卻器設定值；或藉由提供在較高溫度之第二冷卻器及由該第二冷卻器所提供的流體；或改變由熱電單元所提供的溫度差量；或由加熱燈陣列供熱。可使用升降銷在以加熱燈加熱基板之前將該基板由夾盤升起。在另一實施例中，可將冷凍層暴露於由氣體與有機材料反應所產生的RF電漿以形成揮發性化合物。這些氣體包含，但不限定於，H2、N2、NH3、O2、CO2、CO、NxOy、SOx、及其組合。此外，可加入例如Ar、Kr、或Ne之額外的惰性氣體以提供離子能量而促進反應。這些電漿可提供熱至冷凍層，且可經由增效(synergistic)化學品和離子強化反應促進由冷凍材料至蒸氣物種的轉變。電漿可為電容性或電感性。或者，可利用下游電漿以消除在晶圓上的離子轟擊。
昇華蒸氣係被釋放至腔室，且被運送至冷凝器。將冷凝器溫度設定在低於ESC接觸層112的溫度；冷凝器較佳在-20 ℃-100℃。冷凝器壓力將類似於乾燥腔室，且它們較佳共用相同的真空系統。
將晶圓保持於所欲的腔室壓力和溫度直到偵測到乾燥步驟的終點。在一個實施例中，可藉由使用電容式壓力計和皮冉尼壓力計偵測終點。當溶劑蒸氣在該腔室時這些壓力計會讀到不同的值，但當乾燥終點出現時，這些壓力計將會收斂至相同的值。偵測乾燥終點的替代方法亦可包含將腔室與真空泵隔離且檢測腔室的漏率(lead rate)，若由晶圓產生蒸氣時，漏率預期會高得多。若使用RF電漿，藉由監測對應至揮發性反應產品物種的波長可使用光發射光譜學判定乾燥步驟的終點。在若干應用中，可不使用冷凝器。
在一個實施例中，在冷凍層的昇華完成後，可加熱晶圓/ESC至接近冷凍乾燥溶劑的融化溫度或該溫度之上。對於三級丁醇，所欲溫度係在-40℃至+300℃之範圍。腔室壓力將降低至760托至0.1毫托範圍的壓力。在這個步驟的壓力較佳小於10毫托。在這個步驟期間，可以固定的流速將惰性氣體導入腔室。這個步驟的目的係移除任何物理吸附溶劑。對達成若干冷凍乾燥溶劑或若干微電子拓樸形態的無損害乾燥，可能不需要這個步驟。在一替代實施例中，可暴露晶圓至由氣體與有機材料反應所產生的RF電漿以形成揮發性化合物。這些氣體包含，但不限定於，H2、N2、NH3、O2、CO2、CO、NxOy、SOx、及其組合。此外，可加入例如Ar、Kr、或Ne之額外的惰性氣體以提供離子能量而促進反應。這些電漿可提供熱至殘留溶劑且與該殘留溶劑反應，以經由增效(synergistic)化學品和離子強化反應形成蒸氣物種。在其他實施例中，晶圓的加熱可藉由以下方法：經由改變冷卻器設定值溫度而加熱ESC；藉由ESC之內的加熱器；藉由利用發出由晶圓所吸收之紅外線輻射的燈；或藉由RF電漿。
在其他實施例中，在完成第二回乾燥後，可調整腔室的壓力至使電漿能夠被點燃(ignite)的壓力。較佳調整壓力至50毫托到10,000毫托的範圍。可暴露晶圓於由與有機材料反應之氣 體所產生的RF電漿以形成揮發性化合物。這些氣體包含，但不限定於，H2、N2、NH3、O2、CO2、CO、NxOy、SOx、及其組合。此外，可加入例如Ar、Kr、或Ne之額外的惰性氣體，以提供離子能量而促進反應。這個步驟的目的是利用乾燥電漿化學品移除任何非揮發性殘留物，其可能原本被包含於濕式蝕刻、清洗、或冷凍乾燥酸/溶劑而隨後在乾燥製程期間沉積於晶圓之上。此外，來自電漿的能量可在處理期間使本來可能塌陷的任何特徵部得以免除塌陷。在若干實施例中，可去除這個步驟，或可與乾燥步驟同時發生，或可在分離的腔室中發生。
在各種實施例中，在移除基板期間，藉由導入例如，但不限定於，N2、Ar、或He之惰性氣體，將腔室壓力增加至760托。將晶圓由ESC釋放(discharge)，且關閉任何晶圓背側氣流。接著將晶圓由腔室移除。在一個實施例中，可使用來自以RF功率所激勵之惰性氣體的電漿，以自ESC釋放晶圓。可在將腔室壓力增加至大氣壓之前、同時、或之後釋放晶圓。在另一實施例中，可將晶圓移至另一腔室以進行電漿處理。
在另一實施例中，可於具有深寬比15：1的Si晶圓的柱狀結構上實施一連串的實驗。該等結構以純三級丁醇弄濕，且置於充滿空氣的腔室內部。將該等試樣冷卻至於-15℃到-40℃範圍之不同凝固溫度。在將三級丁醇凝固於晶圓上之後，將腔室壓力降低至300毫托且將晶圓溫度升高至+25℃ 10分鐘。所有的三級丁醇藉由昇華加以移除。之後，將腔室壓力降低至30毫托且將晶圓溫度升高至30℃ 10分鐘。接著將腔室回復至大氣壓且自該腔室移除該等晶圓試樣。圖6係塌陷百分比對凝固溫度的圖。如圖6所示，當凝固溫度小於或等於-30℃，試樣顯示小於1%之塌陷。
當溫度緩慢地變化(<5 C/min)至凝固溫度時，吾人無預期地發現在空氣或N2環境中利用純TBA造成不可預期的塌陷模式。吾人發現TBA對水溶液重量比例9：1提供不可預期的損害降低。更一般而言，在本發明之實施例中所使用的TBA對水 溶液之重量比例係由5：95到99.9：0.1。
在另一實施例中，在具有深寬比25：1的Si晶圓上之柱狀結構之上實行一連串的實驗。將該等乾燥結構置於具有無水分且無氧之N2氛圍的腔室。該等晶圓以純三級丁醇弄濕且接著迅速地冷卻至在-60C到-20C的範圍之各種凝固溫度。在將三級丁醇凝固於晶圓上之後，將腔室壓力降低至小於5毫托，且該晶圓被靜電夾持至ESC。接著增加晶圓溫度至-25 C到-5 C之間的溫度。所有三級丁醇由昇華加以移除。接著以N2氣體將腔室回復至大氣條件，且自腔室移除該等晶圓試樣。圖7係塌陷百分比對凝固溫度的圖。如圖7中所觀察到的，在無水分N2氛圍中之冷凍乾燥，藉由最小化冷凍乾燥溶劑中的水分吸附而能夠達成在-30 C以上之溫度低百分比的塌陷。
在其他實施例中，可利用退火增加冷凍乾燥化學品的晶體結構，其減少塌陷。在另一實施例中，採用冷卻至冷凍乾燥化學品的玻璃轉化溫度之下以減少塌陷。在另一實施例中，施加乾燥化學品和冷凍乾燥可在相同的腔室中達成。
利用快速冷卻之靜電夾盤之實施例的構造使腔室能夠為低容積，其具有小於3 cm的小間隙之腔室頂部和基板頂部之間的間隙。此低容積能夠進行較快速的壓力改變和較佳的溫度控制。
在本發明的另一實施例中，複數之ESC係位於單一乾燥腔室，其中ESC每一者固持一基板以使複數之基板被同時處理。ESC可於單一平面或可加以堆疊。
藉由消除蒸氣/液體介面，本發明之實施例消除造成習知汽化乾燥期間特徵部塌陷的毛細力。
各種實施例具有相對於超臨界乾燥製程的優點。一個優點在於由於本發明的實施例係操作於大氣壓或基於真空的壓力，不需要超臨界製程所需的高壓容器。另一優點是與超臨界製程中所使用的化學品的量相比，需要較少的化學品。此外，與超臨界製程相比，在各種實施例中乾燥溶劑與腔室間的交互作用被 最小化，因而降低晶圓缺陷和汙染問題，且增加腔室的平均無故障工作時間。此外，各種實施例降低乾燥時間，且能夠作更精確的溫度控制。此外，在本發明各種實施例中所使用的壓力使電漿能夠被點燃，其提供乾燥清洗殘留溶劑/汙染物的能力，這增加裝置良率。
各種實施例消除所需之高深寬比特徵部的特殊支撐件，這降低總製程複雜度和成本。這些實施例可應用於所有型態的微電子拓樸，而支撐件限定於非常特定應用。
雖然已以數個較佳實施例說明這個發明，仍存在有落入本發明範圍之內的變化、置換、及各種替代均等物。吾人應該亦注意到存在有許多實行本發明的方法和設備的替代方式。因此以下隨附之申請專利範圍應解釋為包含所有落入本發明的真正精神和範圍之此等變化、置換、和各種替代均等物。
100‧‧‧冷凍乾燥系統
102‧‧‧乾燥腔室
104‧‧‧氣體源/氣體供應機構
106‧‧‧基板
108‧‧‧靜電夾盤(ESC)
110‧‧‧低溫泵
112‧‧‧接觸層
115‧‧‧熱電裝置
116‧‧‧真空泵
117‧‧‧冷凝器
118‧‧‧皮冉尼壓力計
119‧‧‧電容式壓力計
120‧‧‧主體
124‧‧‧通道
128‧‧‧冷卻器
130‧‧‧背側冷卻與加熱系統
132‧‧‧濕式運送台
136‧‧‧電漿源
140‧‧‧光學發散光譜(OES)系統
152‧‧‧加熱燈電源
153‧‧‧加熱燈陣列
154‧‧‧窗部
157‧‧‧夾盤電源
170‧‧‧控制器
184‧‧‧熱電電源
200‧‧‧電腦系統
202‧‧‧處理器
204‧‧‧電子顯示裝置
206‧‧‧主記憶體
208‧‧‧儲存裝置
210‧‧‧可拆卸儲存裝置
212‧‧‧使用者介面裝置
214‧‧‧通訊介面
216‧‧‧通訊設施
304‧‧‧步驟
308‧‧‧步驟
312‧‧‧步驟
316‧‧‧步驟
320‧‧‧步驟
322‧‧‧步驟
324‧‧‧步驟
328‧‧‧步驟
332‧‧‧步驟
336‧‧‧步驟
340‧‧‧步驟
408‧‧‧乾燥化學品
412‧‧‧記憶體線
416‧‧‧蝕刻特徵部
在隨附圖式的圖形中，以例示為目的而非以限制為目的，對本發明加以說明，其中相同的參考符號表示相同的元件，且其中：圖1係本發明之一實施例的冷凍乾燥裝置的示意圖；圖2說明一電腦系統，其適用於實施本發明之實施例中所使用的控制器；圖3係本發明之一實施例的高階流程圖；圖4A係乾燥化學品已取代清洗液體之後基板的橫剖面圖；圖4B係圖4A的一個部位的放大圖；圖5A係若干經冷凍的乾燥化學品已被汽化後基板的橫剖面圖；圖5B係圖5A的一個部位的放大圖；圖6係塌陷百分比對凝固溫度的圖；及圖7係在無水分之N2氛圍中塌陷百分比對凝固溫度的 圖。
100‧‧‧冷凍乾燥系統
102‧‧‧乾燥腔室
104‧‧‧氣體源/氣體供應機構
106‧‧‧基板
108‧‧‧靜電夾盤(ESC)
110‧‧‧低溫泵
112‧‧‧接觸層
115‧‧‧熱電裝置
116‧‧‧真空泵
117‧‧‧冷凝器
118‧‧‧皮冉尼壓力計
119‧‧‧電容式壓力計
120‧‧‧主體
124‧‧‧通道
128‧‧‧冷卻器
130‧‧‧背側冷卻與加熱系統
132‧‧‧濕式運送台
136‧‧‧電漿源
140‧‧‧光學發散光譜(OES)系統
152‧‧‧加熱燈電源
153‧‧‧加熱燈陣列
154‧‧‧窗部
157‧‧‧夾盤電源
170‧‧‧控制器
184‧‧‧熱電電源

Claims (21)

  1. 一種用於冷凍乾燥基板的設備，包含：一乾燥腔室，用於容納一基板，其中該基板具有充滿著乾燥化學品之複數高深寬比特徵部，該乾燥化學品包含三級丁醇、二甲亞碸(DSMO)、環己烷、乙酸、四氯化碳、異丙醇及碳酸二甲酯其中至少一者；一濕式運送台，用於運送一濕基板進入該乾燥腔室，其中該濕式運送台連接於一濕式處理腔室與該乾燥腔室之間；一靜電夾盤(ESC)，用於在該乾燥腔室之內支承和靜電夾持該基板；一溫度控制器，用於控制該靜電夾盤的溫度，其中該靜電夾盤以背側冷卻該基板至低於該乾燥化學品的凝固點，以凝固該乾燥化學品；一冷凝器，連接至該乾燥腔室以減少該乾燥化學品的昇華之蒸氣；及一真空泵，與該乾燥腔室流體連通，其中該真空泵減少該乾燥腔室內的壓力至低於該乾燥化學品的蒸氣壓，以使該乾燥化學品昇華。
  2. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含嵌入該靜電夾盤的至少一熱電單元，其用於提供該至少熱電單元嵌入其中之該靜電夾盤的部分和該靜電夾盤的其餘部分之間的溫度差量。
  3. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含氛圍控制系統，其用於提供在該腔室中的受控氛圍。
  4. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，其中該濕式運送台密封該乾燥腔室。
  5. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，其中該溫度控制器包含一冷卻器，其與該靜電夾盤流體連通。
  6. 如申請專利範圍第5項的用於冷凍乾燥基板的設備，其中該溫度控制器更包含一第二冷卻器，其與該靜電夾盤流體連通。
  7. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含連接至該腔室的電漿源，其用於提供腔室內部的電漿。
  8. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含加熱燈，其用於加熱該基板的表面。
  9. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含與該腔室連接之壓力計，其用於量測該腔室之內的壓力。
  10. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含連接至該腔室的光學終點光譜計。
  11. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含電壓源，其用於提供用於夾持該基板至該靜電夾盤的電壓。
  12. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，其中該真空泵和該冷凝器構成一低溫泵，其提供真空且凝結來自該腔室的流體。
  13. 如申請專利範圍第1項的用於冷凍乾燥基板的設備，更包含連接至該靜電夾盤的背側加熱和冷卻系統。
  14. 如申請專利範圍第3項的用於冷凍乾燥基板的設備，其中該氛圍控制系統提供無水分之氮氛圍。
  15. 一種用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，包含：以乾燥化學品取代該液體；將該基板置於一乾燥腔室之中的一靜電夾盤之上；夾持該基板至該靜電夾盤；利用該靜電夾盤以背側冷卻該基板至低於該乾燥化學品的凝固點，以凝固該乾燥化學品；降低在該腔室中的壓力，以移除該被冷凍的乾燥化學品；及加熱該基板，在不融化該乾燥化學品的情況下汽化該乾燥化學品。
  16. 如申請專利範圍第15項的用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，更包含在將該基板置於該靜電夾盤之前，將該靜電夾盤預冷卻至低於該乾燥化學品之凝固點的溫度。
  17. 如申請專利範圍第15項的用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，更包含提供惰性或還原氣體，以提供該腔室之內的無氧氛圍。
  18. 如申請專利範圍第15項的用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，其中該利用該靜電夾盤以背側冷卻該基板之步驟，致使該乾燥化學品凍結至完全固化，且消除該乾燥化學品的介穩狀態。
  19. 如申請專利範圍第15項的用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，其中該乾燥化學品包含水和三級丁醇。
  20. 如申請專利範圍第17項的用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，其中該無氧氛圍係無水分的氮氛圍。
  21. 如申請專利範圍第15項的用於冷凍乾燥來自基板之液體的方法，其中該乾燥化學品實質上由三級丁醇所組成。
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