TWI623968B - 使用液態二氧化碳以使半導體基板乾燥的方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本文提供用於在基板處理系統中清洗及乾燥半導體基板的方法及設備，其中該基板具有例如水的第一清洗液體在其上。該方法包含使液態二氧化碳分配於基板上以置換存在於基板上的任何液體，並使基板乾燥。該設備包含用於清洗及乾燥基板的腔室。

Description

使用液態二氧化碳以使半導體基板乾燥的方法及設備
本發明係關於半導體表面的濕式處理。更具體而言，本發明提供用於使半導體表面乾燥的新穎方法、用於實行所提出之方法的設備、及相關方法。 ［相關申請案的交互參照］本申請案主張於2015年9月30日所提申之美國臨時申請案第62/235,126號的優先權，其整體內容併入本申請案中以供參照。
使半導體表面乾燥涉及移除水、水溶液、溶劑、有機溶液、用以處理半導體表面之任何其他處理液體、或上述其中兩或更多者的任何混合物。乾燥製程應會造成不含處理液體之全新的半導體表面，且不損害任何表面特徵部。超臨界二氧化碳(sc-CO2 )已被提出在乾燥半導體表面時使用。在如此的製程中，例如，以異丙醇置換基板上的水，然後以sc-CO2 處理基板，接續為乾燥腔室的吹淨，接著以新的sc-CO2 吹淨腔室數次，後續為使腔室通氣至大氣。儘管sc-CO2 不具表面張力，且因此在乾燥製程期間限制了對半導體表面的結構性損害，但為了容許獲得sc-CO2 所需的高壓，能達成sc-CO2 之使用所需的設備係過於重且昂貴的。例如，設備成本對於壓力額定（壁部厚度、安全規定等）是敏感的，sc-CO2 不會充分地吸收水，因此需要共溶劑（例如異丙醇或乙醇）來增進水的吸收，且在壓降期間需要加熱，以避免異丙醇及水淋降於基板或在離開乾燥腔室後的水痕凝結。
本發明提供對於上述不利條件及缺點其中一或更多者的解決方法。
在一廣泛態樣中，本發明之實施例解決將處理液體自半導體表面移除的挑戰性問題，而不在半導體表面上留下任何殘留物及/或水痕，且不對半導體表面上的任何特徵部引起任何損害。在半導體積體電路上之尺寸規模化的情況下，眾所周知，在乾燥製程期間，基於存在於半導體表面上之特徵部的表面張力及接觸角度所施加的應力已增加，並且，若使用非最佳化的乾燥製程，可能會造成特徵部的崩塌。
本發明之實施例使用液態二氧化碳(Liq-CO2 )以自半導體表面置換處理流體，且後續可控制地使Liq-CO2 自半導體表面揮發，而不留下任何殘留物及/或水痕，且不對存在於半導體表面上的特徵部引起任何損害。儘管表面張力不如sc-CO2 般低，Liq-CO2 極低的表面張力能使乾燥製程不發生圖案崩塌。Liq-CO2 的表面張力約比異丙醇的表面張力小10倍，後者為用於半導體處理中的常見溶劑。液態CO2 能夠滲入半導體表面結構以移除材料。液態CO2 具有如sc-CO2 般的相同能力，以置換流體但同時在較低壓力及溫度下操作。然而，共溶劑可與液態CO2 一起使用，其會增加較低壓力或較高溫度下的液體密度。因此，液態CO2 乾燥製程會降低系統設計的複雜度、降低關於sc-CO2 的製造成本，同時在相等的密度下容許等效的乾燥效能。再者，液態CO2 乾燥製程可減少製程缺陷，由於與sc-CO2 不同，液態CO2 不會自系統密封部、O形環、閥等提取油類及碳氫化合物（其可能會污染製程）。有利地，液態CO2 具有表面張力，據信其夠低而可避免半導體基板上的圖案崩塌。
因此在一廣泛態樣中，本發明係為在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，包含：使第一清洗液體分配於該基板上；及使液態二氧化碳(CO2 )分配於該基板上，以置換存在於該基板上的任何液體，並使該基板乾燥。
進一步的實施例亦提供用於半導體表面之液態二氧化碳處理的設備，其能夠移除存在於該半導體表面上的任何流體，而不留下任何殘留物及/或水痕，且不對存在於該半導體表面上的特徵部引起任何損害。因此在另一廣泛態樣中，本發明係為基板處理系統，包含：具有基板支撐體的處理腔室，該該處理腔室係配置以使液態二氧化碳(CO2 )分配於基板上；液態CO2 源，其用於將液態CO2 供應至該處理腔室；及轉移系統，其用於將該基板轉移至該處理腔室及自該處理腔室轉移，及/或用於將該基板轉移至該基板處理系統及自該基板處理系統轉移。
在另一廣泛態樣中，本發明係為製造用於半導體表面之液態二氧化碳處理之設備的方法，其包含設置具有基板支撐體的處理腔室，該處理腔室係配置以使液態二氧化碳(CO2 )分配於基板上；設置液態CO2 源，其用於將液態CO2 供應至該處理腔室；及設置轉移系統，其用於將該基板轉移至該處理腔室及自該處理腔室轉移，及/或用於將該基板轉移至該基板處理系統及自該基板處理系統轉移。
針對Liq-CO2 處理所需之低處理溫度及壓力提供相較於其他解決方法（包含sc-CO2 ）更寬的製程寬容度。再者，本發明會減少處理設備（例如：泵浦、墊片、接頭、 管線、腔室材料、和接件、及其他零件）方面的需求，且設備製造成本顯著地降低。Liq-CO2 製程的壓力及溫度操作點亦會顯著地降低腔室及設備部件的腐蝕情況。
在液態二氧化碳中使半導體基板乾燥提供了乾燥製程，該乾燥製程使用低於二氧化碳之臨界點的壓力，而導致硬體成本及複雜度方面的顯著降低。液態CO2 通常於5000-6000 kPa下，在氣體瓶中供應。因此，本發明之設備及製程利用可承受使二氧化碳能夠在施加至待乾燥之半導體基板時保持為液態的壓力之裝備。
液態CO2 流體滲入結構並移除材料的能力係隨其密度而變化。在本發明之實施例中，可使液態CO2 達到與用於scCO2 乾燥製程時相同的密度。因此，液態CO2 具有與scCO2 相同的分配流體之能力，但操作於較低壓力及溫度點。
本說明書中描述依據本發明實施例之用於半導體基板的乾燥方法。就此而言，利用化學溶液來處理半導體基板；利用去離子水(DIW, deionized water)來清洗半導體基板；藉由例如以異丙醇(IPA, Isopropyl alcohol)取代水來將覆蓋半導體基板表面之液體自去離子水改變為水溶性有機溶劑（亦即：異丙醇(IPA, Isopropyl alcohol)），將利用水溶性有機溶劑潤濕的半導體基板轉移至乾燥腔室；利用液態二氧化碳來清洗半導體基板上的水溶性有機溶劑；以及將液態二氧化碳及醇類自乾燥腔室排出。
或者，可去除包含使用水溶性有機溶劑的步驟，而將利用DIW潤濕的半導體基板轉移至乾燥腔室，然後接著利用液態二氧化碳與水溶性有機溶劑（即IPA）之混合物來清洗（取代）DIW。
乾燥腔室中的製程溫度係保持低於水溶性溶劑的沸點。將半導體基板轉移至具有受控制之環境的出口腔室，以防止半導體基板表面上的凝結作用。出口腔室具有加熱功能，以使半導體基板的溫度升至室溫。
應察知，將共溶劑添加至超臨界二氧化碳(scCO2 )會使得臨界點更難以到達，因此，相較於以scCO2 的狀態來操作，以液態CO2 的狀態來操作係容易的。再者，將溶劑添加至液態CO2 會增加其在較低壓力或較高溫度下的密度，而擴展液態CO2 製程的處理容許度。
儘管液態CO2 的表面張力不為零，但其係較IPA的表面張力低約10倍。因此，本發明容許具有足夠低之表面張力的乾燥操作，其會避免半導體基板上的圖案崩塌。
轉向圖1，其顯示實施例，該實施例包含用於半導體基板之液態二氧化碳處理的設備100。該設備包含具有入口的轉移模組110、及耦接至該轉移模組的液態二氧化碳處理模組120。處理模組120係配置以於具有實質上固定之容積的腔體中，在半導體基板上執行液態二氧化碳處理。該設備包含可被稱為環境產生器(condition generator)的液態二氧化碳源130，其耦接至處理模組腔體。液態二氧化碳源能夠將液態二氧化碳供應至處理模組腔體，並能循環再利用自處理模組腔體排出的有機溶劑及液態二氧化碳。設備100包含耦接至轉移模組110的轉移機構。該轉移機構係配置以在入口與液態二氧化碳處理模組間移動半導體基板。該設備可包含環境調節裝置140，其耦接至轉移模組，以使環境調節裝置在操作中維持轉移模組內部之低濕度的環境，以及高於模組環境之露點的晶圓溫度。設備100可包含潤濕腔室145，其用於使清洗液體分配於基板上。同樣地，設備100可包含出口腔室147，其配置以接收基板，以在將基板自設備100移出之前，使基板溫度能達到環境溫度或高於環境之露點溫度的溫度。出口腔室可包含用於加熱基板的加熱器。設備100可包含設立在處理模組120之壁部中的超音波或其他換能器，該換能器攪動液態二氧化碳，以促進二氧化碳與水、溶劑、或兩者的混合，以達成基板表面之乾燥操作。可將換能器或其他攪拌機構設置於設備100中的其他位置以提供攪動作用。腔室及設備係為了控制壓力以容納液態二氧化碳而製造及設計。
在操作中，設備100係用於包含下列處理的製程中：利用化學溶液來處理半導體基板；利用去離子水清洗半導體基板；將覆蓋半導體基板表面之液體自去離子水改變為水溶性有機溶劑（亦即：異丙醇(IPA, Isopropyl alcohol)）；將利用水溶性有機溶劑潤濕的半導體基板轉移至乾燥腔室；利用液態二氧化碳來替代半導體基板上的水溶性有機溶劑；以及將液態二氧化碳及醇類自乾燥腔室排出。用以清洗基板的水量將依據基板的類型、待移除的殘留物量、及其他習知因素而變化。用於此製程中的液態二氧化碳量亦可依據待移除的水量及/或溶劑量而變化。液態二氧化碳量可填滿腔室，但並不需要如此。液態二氧化碳量應足以且有效於充分地移除水及/或溶劑。
就製程流程而言，乾燥腔室中的製程溫度係保持低於溶劑的沸點。將半導體基板轉移至具有受控制之環境的出口腔室，以防止半導體基板表面上的凝結作用。
在將基板引入乾燥腔室中之前，可使液態CO2 分配於腔室中以冷卻腔室。此外，監測乾燥腔室中的溫度及壓力有助於在引入及流動液態CO2 的期間確保維持飽和狀態。並且，在液態CO2 之流動步驟後的加熱操作會幫助避免淋降於基板上的殘餘溶劑。可藉由在將液態CO2 分配於乾燥腔室中時轉動基板而加強液態CO2 對去離子水及/或溶劑(例如異丙醇)的質量傳送；可使用噴淋頭噴灑器來將液態CO2 分配於腔室中；可使用在腔室壁中、在晶圓臂式固持器上、或與液態CO2 分配流成一直線、或其組合的超音波(ultrasonic)或超高音波(megasonic)換能器來將震動能量引入系統中。
在下列範例中，使用包含容納待處理基板之可密封腔室的設備。該腔室係連接至液態二氧化碳源。此外，該腔室具有裝設有安全閥及壓力計之習用的埠口，且其包含可達成腔室排氣的閥。該腔室包含圍繞圓柱形腔室的圓柱形加熱器，而絕熱體包覆於其周圍。在密封腔室及引入液態二氧化碳之前，可將異丙醇手動引入腔室中。在此試驗中，「晶片」樣本試驗設備包含通往晶片固持設備的液態CO2 輸送系統，如此一來晶片會被浸入液態IPA溶劑中，液態CO2 係自壓縮CO2 瓶供應至該系統，而液態CO2 可藉由針形閥被洩放出該系統。加熱器及壓力感測器係用以監測晶片試驗設備中的溫度及壓力。在晶片試驗實施期間，在晶片被加至該設備前，藉由該系統及循環的壓力而沖淨液態CO2 ，而使試驗設備在該試驗開始前處於初始冷態。在晶片被加至該系統後，將IPA倒在晶片頂部，該系統對大氣封閉，然後供應液態CO2 ，並在新的液態CO2 被加至該系統時使液態CO2 緩慢地洩出，以維持高壓液態狀態。為進行試驗，晶片係以浸入液態CO2 液坑(puddle)中的狀態被固持著，達一段可變的時間量。最後，將系統外罩的溫度升高，以在CO2 壓力釋放期間將系統溫度維持在IPA的凝結溫度以上，而因此避免返回晶片樣本的任何液態IPA。以此方式，透過掃描式電子顯微鏡(SEM)上之崩塌狀態的量測，確認大部分的IPA藉由以CO2 進行置換而自該系統移除。使用SEM來鑑定試驗晶圓上7個隨機的位置。可發現，圖案崩塌平均為0.2%的比率。據信可藉由最佳化設備及製程條件來降低此圖案崩塌比率。
在此範例中，在加入液態CO2 之後，加熱器係設定至220°C，其隨時間而將內部腔室溫度自約25°C升高至100°C以下的最大溫度（尤其是約90°C -95°C的溫度）。條件係維持在使壓力約為5.5 MPa的狀態。
對於熟習本領域技術者而言，在參考此敘述後，本發明之進一步的修改及替代的實施例將變得顯而易見。因此，可確認本發明不受此等例示性配置所限制。因此，此敘述係被解釋為僅為說明性的，且係為了教示熟習本領域技術者執行本發明之方法的目的。應瞭解，本說明書中所示的本發明之形式係被視為目前較佳的實施例。在該實施及結構中可進行各種改變。例如，可以等效的元件來替代本說明書中所說明及所敘述的元件，且本發明的特定特徵係可獨立於其他特徵之使用而利用，在受益於本發明之此敘述後，對於熟習本領域技術者而言，整體將變得顯而易見。
100‧‧‧設備
110‧‧‧轉移模組
120‧‧‧處理模組
130‧‧‧液態二氧化碳源
140‧‧‧環境調節裝置
145‧‧‧潤濕腔室
147‧‧‧出口腔室
應注意，因為本發明可容許其他等效的實施例，因此所附圖式僅說明本發明之例示性實施例，且因此不應被視為是其範圍之限制。
圖1概括地繪示使用液態二氧化碳來使半導體基板乾燥的設備100。

Claims (36)

  1. 一種在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該基板具有第一清洗液體在其上，該方法包含下列步驟：使液態二氧化碳(CO2)及與該液態CO2一起的一第二清洗液體分配於該基板上以置換存在於該基板上的任何液體，並使該基板乾燥。
  2. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該第二清洗液體包含選自由下列各者所構成之群組的一或更多有機溶劑：異丙醇、乙醇、酮、乙酸、丙酮、乙腈、1-丁醇、2-丁醇、2-丁酮、第三丁醇、二乙二醇、乙醚、二乙二醇二甲醚(diglyme)、1,2-乙二醇二甲醚(glyme,DME)、二甲基甲醯胺(DMF)、二甲基亞碸(DMSO)、1,4-二噁烷、醚、乙酸乙酯、乙二醇、丙三醇、六甲基磷酸三醯胺(HMPA)、六甲基亞磷三醯胺(HMPT)、甲醇、甲基第三丁基醚(MTBE)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、硝基甲烷、1-丙醇、2-丙醇、及四氫呋喃(THF)。
  3. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該液態CO2的溫度係低於該第二清洗液體的沸點溫度。
  4. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含：在分配該液態CO2的該步驟之前，使第三清洗液體分配於該基板上。
  5. 如申請專利範圍第4項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該液態CO2的溫度係低於該第三清洗液體的沸點溫度。
  6. 如申請專利範圍第5項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該第三清洗液體包含選自由下列各者所構成之群組的一或更多有機溶劑：異丙醇、乙醇、酮、乙酸、丙酮、乙腈、1-丁醇、2-丁醇、2-丁酮、第三丁醇、二乙二醇、乙醚、二乙二醇二甲醚(diglyme)、1,2-乙二醇二甲醚(glyme,DME)、二甲基甲醯胺(DMF)、二甲基亞碸(DMSO)、1,4-二噁烷、醚、乙酸乙酯、乙二醇、丙三醇、六甲基磷酸三醯胺(HMPA)、六甲基亞磷三醯胺(HMPT)、甲醇、甲基第三丁基醚(MTBE)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、硝基甲烷、1-丙醇、2-丙醇、及四氫呋喃(THF)。
  7. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含使該第一清洗液體分配於該基板上；其中該第一清洗液體包含去離子水。
  8. 如申請專利範圍第7項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中在相同的處理腔室中執行分配該第一清洗液體的該步驟及分配該液態CO2的該步驟。
  9. 如申請專利範圍第7項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中在潤濕腔室中執行分配該第一清洗液體的該步驟，而在與該潤濕腔室分離的乾燥腔室中執行分配該液態CO2的該步驟。
  10. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含：在將該基板自該基板處理系統移出之前，將該基板轉移至出口腔室。
  11. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含：在將該基板自該基板處理系統移出之前，加熱該基板以容許該基板的溫度達到環境之溫度。
  12. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含：在將該基板自該基板處理系統移出之前，加熱該基板以容許該基板的溫度達到高於環境之露點溫度的溫度。
  13. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中在分配該第一清洗液體或分配該液態CO2或兩者的期間，於基板支撐體上轉動該基板。
  14. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該液態CO2的壓力係低於CO2的臨界壓力。
  15. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該液態CO2的溫度係自-50℃至30℃。
  16. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該液態CO2的溫度係高於該第一清洗液體的凝固點。
  17. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該液態CO2的溫度約為10℃。
  18. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含：將所分配的液態CO2自任何混合狀態的清洗液體分離，及在後續分配步驟中，重新使用所分離的液態CO2。
  19. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中該基板包含半導體裝置、光伏(PV,photo-voltaic)裝置、發光二極體(LED,light-emitting diodes)、平面顯示器(FPD,flat panel displays)、或微機電系統(MEMS,micro-electromechanical system)裝置。
  20. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中使液態二氧化碳(CO2)分配於該基板上的該步驟，更包含：攪動該液態CO2。
  21. 如申請專利範圍第20項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，其中藉由超音波或超高音波換能器來達成該攪動步驟。
  22. 如申請專利範圍第1項之在基板處理系統中清洗及乾燥基板的方法，更包含：在將該基板引入該基板處理系統中之前，以一或更多虛設的(dummy)分配循環將液態二氧化碳(CO2)分配於該基板處理系統中。
  23. 一種基板處理系統，其包含：處理腔室，其具有基板支撐體，該處理腔室係配置以使液態二氧化碳(CO2)分配於基板上；液態CO2源，其用於將該液態CO2供應至該處理腔室；第二清洗液體源，其用於將該第二清洗液體與該液態CO2一起供應至該處理腔室；及轉移系統，其用於將該基板轉移至該處理腔室及自該處理腔室轉移，以及用於將該基板轉移至該基板處理系統及自該基板處理系統轉移。
  24. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，更包含：潤濕腔室，其係配置以使清洗液體分配於該基板上。
  25. 如申請專利範圍第24項之基板處理系統，更包含：出口腔室，其配置以接收處理後的該基板，並在將該基板自該基板處理系統移出之前，容許該基板的溫度達到環境之溫度或高於該環境之露點溫度的溫度。
  26. 如申請專利範圍第25項之基板處理系統，其中該出口腔室包含基板加熱器，其用於加熱該基板。
  27. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，其中該基板支撐體能夠被轉動。
  28. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，其中該基板支撐體包含溫度控制系統，其用於在處理期間控制該基板之溫度。
  29. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，其中該處理腔室包含溫度控制系統，其用於控制該處理腔室之暴露於該液態CO2的至少一內表面之溫度。
  30. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，更包含至少一噴嘴，其用於使該液態CO2分配於該基板上。
  31. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，更包含噴淋頭，其用於使該液態CO2分配於該基板上。
  32. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，更包含至少一入口埠，其用於將該液態CO2供應至該處理腔室，該至少一入口埠係位於該基板之下。
  33. 如申請專利範圍第23項之基板處理系統，更包含用以重新使用所分配之液態CO2的裝置。
  34. 如申請專利範圍第33項之基板處理系統，其中用以重新使用所分配之液態CO2的該裝置包含用以將該液態CO2自任何混合狀態之清洗液體分離的裝置。
  35. 如申請專利範圍第24項之基板處理系統，其中該處理腔室包含超音波或超高音波換能器，其用於攪動該液態二氧化碳(CO2)。
  36. 一種製造基板處理系統的方法，其包含：設置具有基板支撐體的處理腔室，該處理腔室係配置以使液態二氧化碳(CO2)分配於基板上；設置液態CO2源，其用於將該液態CO2供應至該處理腔室；設置第二清洗液體源，其用於將該第二清洗液體與該液態CO2一起供應至該處理腔室；及設置轉移系統，其用於將該基板轉移至該處理腔室及自該處理腔室轉移，以及用於將該基板轉移至該基板處理系統及自該基板處理系統轉移。
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