TWI602235B - 用以處理晶圓狀物件之方法及設備 - Google Patents

Description

用以處理晶圓狀物件之方法及設備

本案係關於處理晶圓狀物件，例如半導體晶圓，時之設備與方法。

在半導體晶圓的製造過程中，晶圓表面會經過多種的製程，包括移除特定的物質或化學殘留物。目前，在單一晶圓的濕式處理模組中的清潔處理乃使用混合噴嘴。這些噴嘴將清潔溶液與加壓氣體混合以形成噴霧。當形成在半導體晶圓上的元件特徵部的尺寸持續減小時，使用習知的濕式處理造成的各種問題將浮現，包括在基板表面上的細微結構的損傷、不均勻清潔所造成的基板上的圖樣、過長的處理時間、與控制能力的缺乏。因此需要一種可解決這些問題的晶圓狀物件處理設備。

本案發明人發現，與習知溼式處理設備有關的上述問題至少部分地與習知的液體噴霧之液滴為多分散性有關，換而言之，其液滴在直徑上變化極大。基於此發現，本案發明人研發了一種新設備與方法，藉由使用單分散性噴霧來減輕若干的上述問題。

因此，在一態樣中，此發明係關於一種晶圓狀物件的濕式處理設備，包括：一旋轉卡盤，適於以預設的方向承載晶圓狀物件；一液滴產生器，含有一主體、一液體入口、用於排出液體至旋轉卡盤上晶圓狀物件的表面上之至少一孔口、和至少一與主體聲耦合的換能器，俾使音波能抵達主體中圍繞該至少一孔口的區域。液滴產生器係用以透過該至少一孔口投放液體做為單分散性液滴噴霧。處理液體施給器係相對於旋轉卡盤與液滴產生器而定位，以便在液滴產生器排出液體時，將處理液體施給至晶圓狀物件的同一側。控制器係係用於相對於由處理液體施給器所投放之處理液體而控制來自液滴產生器之單分散性液體液滴之噴霧。

根據本發明之裝置的較佳實施例，一臂係連接至液滴產生器及以線性或弧形路徑移動液滴產生器，該線性或弧形路徑係大致與置放在旋轉卡盤上之晶圓狀物件平行。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該至少一孔口，其寬度w至少為1μm，最多為200μm，其高度h應得以使h與w之比值不大於1。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該液滴產生器更包含一液體貯存器、一用以容納壓縮氣體的壓力容器，且其中液體貯存器、壓力容器與該液滴產生器為內連的。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該液滴產生器更包含一高壓泵與一液體貯存器，而其中此高壓泵連結至該液體貯存器與液滴產生器。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該液滴產生器含有至少兩孔口之至少一線性陣列。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該至少一孔口位於被裝設在主體的板中。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該高壓泵被設置用以加壓液體至一壓力P，壓力P的範圍為2至50 bar。

根據本發明之裝置的較佳實施例，該寬度w係從10μm至80μm。

在另一態樣中，此發明係關於一種處理晶圓狀物件的方法，包括：從一處理液體施給器將處理液體施給於晶圓狀物件的主要表面上，以便在晶圓狀物件的主要表面上形成一處理液體膜，並使用液滴產生器，透過形成在液滴產生器中的至少一孔口獨立地施給另一液體，並於該液體通過該至少一孔口時施加音波能，其中音波能之波長為λ，俾使波數ka係從0.3至1，其中ka= wπ/λ，由此產生液體的一束單分散性液滴，並使該束單分散性液滴衝擊在處理液體膜上。

根據本發明之方法的較佳實施例，液滴產生器沿著與晶圓狀物件的主要表面平行之方向移動。

根據本發明之方法的較佳實施例，該晶圓狀物件繞一大致與主要表面垂直之軸旋轉，並且施給處理液體，俾使被該束單分散性液滴衝擊的處理液體膜厚度不超過0.5mm。

根據本發明之方法的較佳實施例，該單分散性液滴之液體之黏度小於或等於水之黏度。

根據本發明之方法的較佳實施例，該音波能是由壓電換能器所產生。

根據本發明之方法的較佳實施例，液體透過多個孔口而排出，且每個孔口具有10μm至80μm的實際相同的大小。

在圖1中，用於單一半導體晶圓之濕式處理設備包含用於支撐與旋轉晶圓W的旋轉卡盤4、液滴產生器2、及讓液滴產生器2裝設於其上的支撐臂3。支撐臂3係安裝於一支撐架5上，俾使液滴產生器2可以於旋轉卡盤(因此也是基板W)上移動，例如沿著與旋轉卡盤4之旋轉軸大約垂直的直線路徑移動，或在與旋轉卡盤4之旋轉軸大約垂直的平面上沿著弧形路徑移動。實際操作時，支撐臂3與液滴產生器2的移動通常發生在基板W旋轉時。

較佳地也包括另一液體施給器6，其透過噴嘴7施給處理液體，液體施給器可為習知結構。在電腦微型控制器8的控制下，液滴產生器2與噴嘴7在晶圓W朝上的表面之不同位置，施給各自的處理液體，而後面將會有更詳盡的說明。在圖解的實施例中，液滴產生器2與噴嘴7皆可獨立地在晶圓W的表面上移動，不過在其他實施例中，這些元件亦可為固定位置的，或兩者被相對固定在一起，即是能共同移動。

在圖2中，此實施例的液滴產生器2包括主體100，其中，加壓的處理液體210透過入口130被供應給主體100。主體100包含一底板160與一頂板110。底板160含有至少一個孔口150，通過此孔口150形成層流液體噴流(laminar liquid jet)190 。頂板110裝配有一換能器170，(例如一個被環氧樹酯黏著在頂板110上的壓電換能器) 。此換能器170可在選定的頻率f與功率下被電力驅動，進而對主體100中的處理液體120施加波長為λ的音波能140。因此，孔口150裡的處理液體120中將會有音波能140存在。此音波能140將於層流液體噴流190中誘發瑞利高原不穩定性(Rayleigh-Plateau instability)，並導致噴流190崩解成為單分散性液滴180。

圖3說明孔口150的寬度w與深度h。該寬度w應從1μm至200μm，較佳地從2μm至100μm，更佳地從10μm至80μm，以10μm、20μm、30μm作為示範值。h與w的比值應不大於1，較佳地介於0.05與0.5間。w的較佳值與h:w的較佳值會決定h值的範圍，從而導致相對較薄的出口底板，因此將孔口150設置在較厚的底板160上一個寬度為d的凹陷中會是有幫助的。

改變液體210的壓力可以調整噴流190之流速。液滴180的直徑D為孔口寬度w、施加於處理液體210的壓力P、驅動頻率f、與液體210的物理特性之函數。然而，對低黏度的液體而言(例如黏度低於或等於水)，雖然改變頻率f可能輕微地影響液滴直徑D，但D主要是孔口直徑w的函數，且大約為1.891w。

方程式已經被推導出來，其基於驅動流量的壓力，定義出確保全部噴流形成單分散性液滴之頻率範圍、以及穿過一薄板中銳緣孔洞的液體之容積流量(因此噴流速度亦同)。頻率可由以下方程式得知:          方程式1其中，w為孔口的寬度，ρ為液體210的密度，μ為液體210的黏度，P為壓力，C1與C2經過實驗判定分別為0.3601與0.5774，而ka為音波能之無因次波數(dimensionless wavenumber)。ka應在0.3到1的範圍中，且應如Rayleigh於1878年提出的，較佳地等於約0.69。

波數ka可由以下方程式推估:           方程式2其中，u為音波能140之相位速率，而V’為液體210之容積流量。因此對應較佳ka範圍的頻率可以表示為: 方程式3

根據上述方程式1至3，圖4與圖5透過圖表分別描繪了液體壓力P對液滴速度(或噴流速度)、還有與頻率f間的關係。因此兩圖中的橫座標單位皆為施加壓力的MPa，而圖4之縱座標為出口噴流速度(因此也是液滴形成的初始速度)的單位m/s，圖5之縱座標則為頻率單位的100 kHz。

圖6為室溫下之水液滴陣列之照片，由高速攝影機所拍攝。該等液滴被施加的壓力P為3 bar，激發頻率f為188 kHz，並透過寬度w為20μm的單一孔口產生。液滴直徑D為38μm且噴流速度為20 m/s。

在圖6中可以發現液滴的直徑D非常地一致，然而，在此使用的術語「單分散性」並不要求液滴直徑的絕對統一，而是應被理解為包含液滴的噴霧，其中液滴直徑之變異係數不大於5 %，較佳地不大於3%，而更佳地不大於1%，這裡的變異係數為液滴直徑標準差與液滴平均直徑的比。

出於實用的目的，多個孔口會比單一的孔口150更佳，且雖然孔口的數量會因個別的應用方法而變化，但其數量以超過十個為佳，更佳則為超過二十個。圖7顯示一個裝配有孔口陣列820的板810；圖8顯示一個裝配有多個孔口陣列920的板910；圖9顯示複數的板1010，其中每一者至少含有一個孔口陣列1020。在較佳實施例中，圖2的部分或全部的底板160皆可以被板810、910、或1010取代。這些板810、910與1010是由例如矽、塑膠、或不銹鋼製成。板160、810、910或1010皆可從其主體100、800、900或1000上移除。在這種情況下，一板可與主體100結合在透過O型環(未顯示)密封之二平行板之間。當然，有需要的話，主體100也可與多個底板結合。

在特定板810、910、1010中的孔口820、920與1020應盡可能地趨近相同大小，而音波能140應於所有流出的液體噴流上生效。表1顯示出對於假設的孔口寬度w、容積流量V’、與孔口的數量，透過方程式3計算出數個最小頻率f_min 、最佳頻率f_opt 、與最大頻率f_max 之計算值。

表1

較佳地，孔口由乾式或濕式蝕刻製成，或使用雷射鑽孔作為一種替代方法。蝕刻製作法確保所有孔口實質上皆為相同尺寸。一般情況下，液滴產生器2係配置為使孔口陣列與基板W的半徑平行。

在圖10中，液體在被引進液滴產生器的主體300前，會用壓縮氣體加壓。壓縮氣體(例如氮氣、氧氣、或空氣)被儲存在一耐壓容器340中。較佳地，耐壓容器340可承受高達50 bar的壓力。此壓縮空氣透過壓力管330連接至液體貯存器320。而貯存器320亦為一種耐壓容器，可經由液體供應管360而裝滿液體。貯存器320儲存液態介質，而打開供應管310可以將加壓液體輸送至液滴產生器之主體300中，而此主體可將液滴分配到基板W上。

在圖11的實施例中，液體被一高壓泵420加壓。該高壓泵420透過管線430連接至液體貯存器440。此高壓泵420可以為轉動泵浦或理想的活塞泵浦，並可以將液體加壓至較佳為2~50 bar的壓力。泵420經由高壓管410連結到液滴產生器的主體400上，而此主體可將液滴分配到基板W上。

在圖12的實施例中，液滴產生器620與基板W處於加壓環境600中，該加壓環境會對液滴產生器外之液滴640施加需求的壓力。該加壓環境600可由例如密封的處理腔室630提供，處理腔室含有置放晶圓W的旋轉卡盤 、液滴產生器620和與其相關的入口610。

如圖13所示，處理液體施給器噴嘴7係相對於液滴產生器2而配置，俾使單分散性液滴被噴灑至形成於晶圓上的處理液體薄膜上。例如，處理液體可為去離子水或SC-1，並且使用單分散性噴霧以提供液滴脈衝到一薄液體層中。控制單分散性噴霧噴嘴的位置，以噴灑至一區域中，在該區域處由噴嘴7所分配的處理液體膜的厚度較佳不超過0.5 mm。圖13中的區域A代表單分散性噴霧被供應的位置。因此清潔液體噴嘴施給器與液滴噴嘴施給器間最好可以獨立活動。或者，該晶圓可被化學品預濕，例如 SC1，之後供應單分散性噴霧，由此造成化學品的逐漸稀釋與移除。此外，當噴灑停止時，可再行投放化學品。

圖14中描述液滴產生器的替代實施例，包含作為液體貯存器的主體500、用於供給液體至液滴產生器的供應管道530、環形超音波換能器570、用於產生單分散性液滴噴霧之噴嘴頂端510、在此實施例中被固定到主體500上的噴嘴頂端外蓋540、及將噴嘴510 固定在外蓋540中的固定螺絲520。

此實施例中的噴嘴頂端510可如美國專利公開案第2012/0012105號中描述方法製作，而本案之圖15與圖16乃分別由該案之圖8與圖3衍生而來。具體而言，如該案中所述，噴嘴頂端510可包含一噴嘴缺口515，其中，參照圖16，待霧化的液體透過形成於第一薄膜516與第二薄膜517間的空洞518而通過兩薄膜。

雖然本案已參照相關較佳實施例加以描述，應了解這些實施例僅為舉例性而非限制性者，且本案之範圍為由隨附之申請專利範圍所限定而非由上述說明所限制，所有與申請專利範圍意義相等之變化均應包含於本案中。

2．．．液滴產生器

3．．．支撐臂

4．．．旋轉卡盤

5．．．支撐架

6．．．液體施給器

7．．．噴嘴

8．．．電腦微型控制器

100．．．主體

110．．．頂板

120．．．處理液體

130．．．入口

140．．．音波能

150．．．孔口

160．．．底板

170．．．換能器

180．．．單分散性液滴

190．．．層流液體噴流

210．．．處理液體

300．．．主體

310．．．供應管

320．．．液體貯存器

330．．．壓力管

340．．．耐壓容器

360．．．液體供應管

400．．．主體

410．．．高壓管

420．．．高壓泵

430．．．管線

440．．．液體貯存器

500．．．主體

510．．．噴嘴頂端

515．．．噴嘴缺口

516．．．第一薄膜

517．．．第二薄膜

518．．．空洞

520．．．固定螺絲

530．．．供應管道

540．．．外蓋

570．．．環形超音波換能器

600．．．加壓環境

610．．．入口

620．．．液滴產生器

630．．．處理腔室

640．．．液滴

800．．．主體

810．．．板

820．．．孔口

900．．．主體

910．．．板

920．．．孔口

1000．．．主體

1010．．．板

1020．．．孔口

A．．．區域

D．．．直徑

W．．．晶圓

d．．．寬度

h．．．深度

w．．．寬度

閱讀後述較佳實施例的詳細說明並參照所附圖示後，將更清楚本發明之其他目的、特色與優點，其中:

圖1 為本發明的實施例中，一種用於晶圓濕式處理的設備之立體示意圖。

圖2 為圖1中的液滴產生器2之橫剖面圖。

圖3 為圖2中細部A之放大圖，能較清楚地顯示孔口150。

圖4 顯示根據本發明方法的實施例中，對不同孔口直徑而言，其液體壓力與液滴速度之間的關係。

圖5顯示根據本發明方法的實施例中，產生單分散性液滴之最佳頻率與液體壓力之間的關係。

圖6 顯示根據本發明方法與裝置的實施例，其產生的水液滴陣列的圖片。

圖7 顯示液滴產生器所使用底板之一實施例之示意圖。

圖8顯示液滴產生器所使用底板之另一實施例之示意圖。

圖9顯示於液滴產生器中使用多個底板的一實施例之示意圖。

圖10顯示本發明裝置的一較佳實施例之示意圖。

圖11 顯示裝置的另一較佳實施例之示意圖。

圖12 顯示一液滴產生器被設置於加壓環境中的實施例之示意圖。

圖13 為一俯視圖，顯示液滴產生器所施給之液滴與另一被分開施給之處理液體之間可能的位置關係。

圖14 為適用於本發明裝置與方法的液滴產生器之另一實施例之立體剖面圖。

圖15 為一用於液滴產生器的噴嘴插件之立體剖面圖。

圖16 以一立體透視圖描繪一適用於液滴產生器上的霧化器主體。

2．．．液滴產生器

3．．．支撐臂

4．．．旋轉卡盤

5．．．支撐架

6．．．液體施給器

7．．．噴嘴

8．．．電腦微型控制器

Claims (14)

1. 一種晶圓狀物件的濕式處理設備，包括：一旋轉卡盤，用於以預設的方向承載晶圓狀物件，並繞著該旋轉卡盤之旋轉軸旋轉；一液滴產生器，含有：一主體、一液體入口、至少一孔口及至少一換能器，當一晶圓狀物件被置放於該旋轉卡盤上時該至少一孔口用以排出液體至該晶圓狀物件之表面上，該至少一換能器係聲耦合至該主體，俾使音波能抵達該主體中圍繞該至少一孔口的區域；其中，該液滴產生器係用以透過該至少一孔口投放液體做為單分散性液滴噴霧，其中該至少一孔口具有至少為1μm、最多為200μm之寬度w及高度h，俾使h與w之比值不大於1，且其中該音波能之波長為λ，俾使波數ka係從0.3至1，其中ka=wπ/λ，由此產生該單分散性液滴噴霧；一處理液體施給器，其係相對於該旋轉卡盤及該液滴產生器而定位，俾使在該液滴產生器排出液體時，將處理液體施給至晶圓狀物件的同一側；及一控制器，用於相對於由該處理液體施給器所投放之處理液體而控制來自該液滴產生器之單分散性液體液滴之噴霧。
2. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件的濕式處理設備，更包含一臂，該臂係連接至該液滴產生器及沿著線性或弧形路徑移動該液滴產生器，該線性或弧形路徑係位在實質上垂直於該旋轉卡盤之該旋轉軸的平面中。
3. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件的濕式處理設備，其中該液滴產生器更包含一液體貯存器、及一用以容納壓縮氣體的壓力容器，且其中該液體貯存器、該壓力容器及該液滴產生器係內連的。
4. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件的濕式處理設備，其中該液滴產生器更包含一高壓泵及一液體貯存器，其中該高壓泵連結至該液體貯存器及該液滴產生器。
5. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件的濕式處理設備，其中該液 滴產生器包含至少兩孔口之至少一線性陣列。
6. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件的濕式處理設備，其中，該至少一孔口係位於被裝設於該主體的一板中。
7. 如申請專利範圍第4項之晶圓狀物件的濕式處理設備，其中該高壓泵係用以加壓液體至一壓力P，該壓力P的範圍為2至50bar。
8. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件的濕式處理設備，其中該寬度w係從10μm至80μm。
9. 一種處理晶圓狀物件的方法，包括：從一處理液體施給器將處理液體施給於晶圓狀物件的主要表面上，以便在該晶圓狀物件的該主要表面上形成一處理液體膜；使用一液滴產生器，透過形成在該液滴產生器中之至少一孔口獨立地施給另一液體，並於該液體通過該至少一孔口時施加音波能至該液體，其中該至少一孔口具有至少為1μm、最多為200μm之寬度w及高度h，俾使h與w之比值不大於1，且其中該音波能之波長為λ，俾使波數ka係從0.3至1，其中ka=wπ/λ，由此產生該液體的一束單分散性液滴；及使該束單分散性液滴衝擊在該處理液體膜上。
10. 如申請專利範圍第9項之處理晶圓狀物件的方法，更包括使該液滴產生器平行於晶圓狀物件的該主要表面移動。
11. 如申請專利範圍第9項之處理晶圓狀物件的方法，更包括使該晶圓狀物件繞著一實質上與該主要表面垂直之軸旋轉，其中，施給該處理液體，俾使被該束單分散性液滴衝擊的該處理液體膜之厚度不超過0.5mm。
12. 如申請專利範圍第9項之處理晶圓狀物件的方法，其中該單分散性液滴之該液體的黏度小於或等於水的黏度。
13. 如申請專利範圍第9項之處理晶圓狀物件的方法，其中該音波能係經由壓電換能器所產生。
14. 如申請專利範圍第9項之處理晶圓狀物件的方法，其中該液體係 透過多個孔口而排出，且每個孔口具有10μm至80μm的實際相同的大小。