TWI678764B - 藉由利用熱氣體撞擊的對流式晶圓加熱 - Google Patents

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Abstract

用於處理晶圓形物件的設備包含適於將預定直徑之晶圓形物件支撐於預定方向上的旋轉卡盤。該卡盤包含加熱器，該加熱器包含當卡盤支撐晶圓形物件時指向該晶圓形物件表面的多個氣體噴嘴。該加熱器包含氣體入口及用於加熱待通過該多個氣體噴嘴而排出之氣體的至少一加熱元件。該加熱器係配置以主要藉由來自通過該多個氣體噴嘴而排出之加熱氣體的對流式熱傳遞來加熱晶圓形物件。

Description

藉由利用熱氣體撞擊的對流式晶圓加熱
本發明係關於用於晶圓形物件之液體處理的方法及設備，而更具體而言，係關於主要藉由利用加熱氣體透過對流式熱傳遞來將熱能傳給晶圓形物件而改善晶圓處理之熱管理。
液體處理包含濕式蝕刻與濕式清潔兩者，其中待處理之晶圓表面區域係以處理液體來潤濕，而該晶圓的一層藉此被移除或雜質藉此被處理掉。一用於液體處理之裝置係描述於美國專利第4,903,717號中。在此裝置中，可藉由對晶圓賦予旋轉運動來促進液體之散布。
隨著晶圓直徑增加，在將一液體施用於晶圓中心區域當時的該液體與在該液體徑向向外移動至晶圓邊緣之後的相同液體之間的溫度差別亦增加。此溫度差別可造成對晶圓上所形成之裝置結構的損害，例如，稱為「圖案崩塌」的損害現象。
隨著亞微觀的結構之縱橫比持續增加，圖案崩塌之問題變得更為嚴重。由於降低裝置尺寸之壓力一般較多針對於水平布局而較少針對於厚度方向，因而此情況亦為半導體裝置生產中正持續的趨勢。
習知設備係裝配有用於加熱晶圓的紅外線、LED、或傳導式加熱器，以促進遍及晶圓表面之均勻溫度分布。然而，利用IR(紅外線)加熱器的情況下，該加熱作用對晶圓類型敏感，且可能引起晶圓中之微量的光腐蝕。再者，處理化學物以及處理模組之元件可為光敏感性，此外，加熱器燈絲之非常高的溫度係為一安全疑慮。
利用LED加熱器的情況下，該加熱作用亦對晶圓類型敏感，且處理化學物及處理模組之元件的光敏感性亦為疑慮。再者，個別LED之非常高的功率密度對有效冷卻而言為具挑戰性的。
傳導性加熱器在不具有耦接之流體的情況下不具熱效力，且熱質量係為疑慮。
因此，在一態樣中，本發明係關於一種用於處理晶圓形物件的設備，包含旋轉式的卡盤，其適於將預定直徑之晶圓形物件支撐於預定方向上；及加熱器，其包含當該卡盤支撐晶圓形物件時指向該晶圓形物件表面的多個氣體噴嘴。該加熱器包含氣體入口及用於加熱待通過該多個氣體噴嘴而排出之氣體的至少一加熱元件，該加熱器係配置以主要藉由來自通過該多個氣體噴嘴而排出之加熱氣體的對流式熱傳遞來加熱晶圓形物件。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，當該卡盤支撐晶圓形物件時，該多個噴嘴係定向於該晶圓形物件之垂直方向的10°以內。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，當該卡盤支撐晶圓形物件時，該多個噴嘴係定位與該晶圓形物件距離0.5-10mm。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，當該卡盤支撐晶圓形物件時，該多個噴嘴係定位與該晶圓形物件距離1-5mm。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該多個噴嘴包含50至5000個噴嘴。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該多個噴嘴包含500至3000個噴嘴。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該多個噴嘴其中各者具有0.1至1.5mm範圍內之直徑。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該加熱器係配置以在2m/s至30m/s範圍內之氣體速度下使加熱氣體通過該多個噴嘴而排出。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該加熱器係配置以將內部操作氣體壓力維持在相對於大氣壓力1至5巴(bar)的過壓。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，在該旋轉式的卡盤之旋轉期間，該加熱器維持固定。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該卡盤包含主體，該主體係設置以相對於固定中心柱而旋轉，且其中該加熱器係設置於該固定中心柱的上部，以當該卡盤支撐晶圓形物件時，置於該主體之上並置於該晶圓形物件之下。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該多個噴嘴係以二維陣列排列，當該卡盤支撐晶圓形物件時，該二維陣列位於大於90%之該晶圓形物件的預定直徑下方。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，提供用於該加熱元件的控制器，其係配置以啟動該加熱元件，以在加熱循環期間加熱供應至該加熱器的氣體，且配置以停止該加熱元件，以在冷卻循環期間不加熱供應至該加熱器的氣體。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該旋轉式的卡盤包含一環形系列的周緣插針，其用於在其邊緣區域中接觸晶圓形物件，且其中該加熱器係位於該環形系列的插針之內側。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該加熱器包含在該加熱器之入口下游且在該多個噴嘴上游的加熱之腔室，且其中該加熱元件係配置以加熱該腔室中之氣體。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該多個噴嘴包含：位於晶圓形物件(當其位於該卡盤上時)之邊緣區域下方的至少一組噴嘴；及位於晶圓形物件(當其位於該卡盤上時)之較中心區域下方的至少一組噴嘴；且其中位於邊緣區域下方的該組噴嘴之數量大於位於較中心區域下方的該組噴嘴之數量。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該加熱器具有在垂直於該卡盤之旋轉軸的第一方向上之最大範圍，其係大於該預定直徑的90%；及在垂直於該卡盤之旋轉軸的第二方向上之最大範圍，其係小於該預定直徑的50%。
依據本發明，在該設備之較佳實施例中，該多個噴嘴係形成於平板中，該平板不使該加熱元件所放射之輻射透過。
W‧‧‧晶圓
1‧‧‧旋轉卡盤/卡盤
2‧‧‧加熱組件
10-1‧‧‧夾持插針/插針
10-2‧‧‧夾持插針/插針
10-3‧‧‧夾持插針/插針
10-4‧‧‧夾持插針/插針
10-5‧‧‧夾持插針/插針
10-6‧‧‧夾持插針/插針
11‧‧‧旋轉卡盤的上基體
12‧‧‧旋轉卡盤的下基體
16‧‧‧鋸齒齒輪/環形齒輪
20‧‧‧固定噴嘴頭/噴嘴頭/固定噴嘴
21‧‧‧螺栓
22‧‧‧噴嘴
23‧‧‧加熱元件
24‧‧‧噴嘴
25‧‧‧排出開孔/噴嘴/排出噴嘴
26‧‧‧平板
27‧‧‧內部腔室/腔室
28‧‧‧供應導管/導管
29‧‧‧加熱組件的主體
30‧‧‧控制器
40‧‧‧空心軸馬達
42‧‧‧裝置板
44‧‧‧固定架
50‧‧‧上液體分配器
在閱讀下列本發明之實施方式並參照隨附圖式之後，本發明之其他目的、特徵、及優點將更顯明白。其中：圖1依據本發明之第一實施例，係為從卡盤上方觀看之示意透視圖；圖2係為圖1之實施例的上平面視圖；圖3係為通過圖1及圖2中所描繪的該卡盤並沿圖2中III-III直線所取的局部軸向剖面圖，其中晶圓放置於適當位置上；及圖4係為圖3中所標示之細部IV的放大圖。
現參照圖式，圖1及圖2描繪旋轉卡盤1，其以預定方向將晶圓支撐在其上，該方向較佳使主要表面水平放置或在水平面之±20°以內。旋轉卡盤1可例如為依據白努利定律來操作的卡盤，如例如在美國專利第4,903,717號中所描述。
然而在本實施例中，卡盤1係經由一系列夾持插針來支撐晶圓W，在此實施例中，該等夾持插針的數量為6，標定為10-1至10-6。夾持插針10-1至10-6防止晶圓側向滑出該卡盤。在此實施例中，夾持插針10-1至10-6的上部亦針對晶圓W提供下方支撐，而因此該卡盤不需要依據白努利定律來操作且不需要調整以在晶圓下方供應氣墊。
儘管未顯示於圖中，該旋轉卡盤可被製程腔室所包圍，該製程腔室可為多層次製程腔室，如共同擁有的美國專利第7,837,803號(對應WO 2004/084278)中所描述。藉由相對於固定的周圍腔室而軸向移動卡盤或藉由相對 於軸向固定的卡盤而軸向移動周圍腔室，可使旋轉卡盤位於所選定之層次，如結合美國專利第6,536,454號之圖4所描述。
卡盤1更包含加熱組件2，其用於加熱設置在該卡盤上之晶圓的下側。加熱組件2係與固定噴嘴頭20(見圖3)整合，在此實施例中該固定噴嘴頭亦使其他流體通過例如顯示於圖2中的噴嘴22、24而供應至晶圓W之面向下的側。
加熱組件2係例如藉由四個螺栓21而固緊至固定噴嘴頭20的上端，如圖2中所示。加熱組件2包含大量的排出開孔25，當晶圓W位於卡盤1上時，該等排出開孔朝晶圓W之下側敞開。
如圖3中所詳加顯示，加熱組件2包含主體29，其固緊至非旋轉(固定的)噴嘴頭20。主體29距離旋轉卡盤的上基體11上有一小段距離。設置夾持插針10-1至10-6以使其置於旋轉卡盤1的下基體12之上，且通過在上基體11中形成的開孔而向上延伸。夾持插針10-1至10-6係自加熱組件2徑向向外設置。因此，在旋轉卡盤1的操作期間，上基體11及下基體12、夾持插針10-1至10-6、及晶圓W被驅使旋轉，加熱組件2則仍為固定。加熱組件2可因此被視為以懸臂式來設置，其中加熱組件2係中心固緊並與置於上方的晶圓W以及卡盤1的旋轉上表面兩者皆隔出間隔，而非固緊於其周緣。主體29因此足夠固定而並不接觸卡盤的旋轉表面或晶圓。
旋轉卡盤1係設置於空心軸馬達40(概略顯示於圖3中)的旋轉體，而固定噴嘴頭20貫穿旋轉卡盤1之下基體12的中央開孔。空心軸馬達40的定子係設置於裝置板42(概略顯示於圖3中)。噴嘴頭20及裝置板42係設置於相同的固定架44(概略顯示於圖3中)。
夾持插針10-1至10-6係裝設有偏離中心設置的夾持器。該等夾持元件係藉由鋸齒齒輪16共同地繞其圓柱形軸旋轉，該鋸齒齒輪係與所有的夾持元件嚙合。該等偏離中心的夾持器係因而在徑向內部封閉位置(晶圓W在其中被 固緊)至徑向外部開放位置(晶圓W在其中被釋放)之間協力移動。可製造夾持插針10-1至10-6，如共同擁有的美國專利請案第12/668,940號(對應WO 2009/010394，或如2009年12月18日申請之共同擁有的美國專利請案系列號第12/642,117號中所描述)中所描述。夾持插針10-1至10-6因而包含接觸晶圓W之偏離中心的最上部分，並自基底突出，該基底係設置以繞其中心軸而樞轉移動。尤其，環形齒輪16係定心於上基體11之下側上，且經由其周緣的齒輪鋸齒而與在插針10-1至10-6其中各者之基底上所形成的齒輪鋸齒同時嚙合。插針10-1至10-6係繞旋轉卡盤1的周緣而均勻地分布，且其中設置有至少三個而較佳六個此類插針10。
上液體分配器50自上方供應處理液體，且可結合多個不同液體分配噴嘴以分配各種不同的處理液體，如例如在共同擁有的美國專利第7,891,314號(對應WO 2006/008236)中所描述。上液體分配器50較佳為可針對晶圓W徑向移動，以在晶圓W於旋轉卡盤上旋轉時有助於將處理液體散布遍及晶圓W之整個面向上的表面。
在圖4的細節中，可觀察到，加熱組件2包含加熱元件23，其結合在該加熱組件的主體29內。加熱元件23較佳為電阻加熱元件，且實際上較佳設置多個此類加熱元件23。加熱元件23係藉由控制器30來進行開關，其係依據在旋轉卡盤1上所執行的處理而操作。
加熱組件2更包含至少一供應導管28，其為顯示於圖3中之供應導管通過固定噴嘴20的延伸。導管28將待加熱之氣體供應至加熱組件2，且更特別供應至內部腔室27，其中加熱元件被放置在該內部腔室下方，而平板26被放置在該內部腔室上方，且平板26在其本身中形成排出孔或噴嘴25。
本說明書中所述之設備係配置以主要藉由對流式熱傳遞來加熱晶圓W。為達該目的，加熱組件2係配置以使通過排出噴嘴25而排出的加熱氣體撞擊設置於卡盤1上之晶圓W面向下的表面。
因此，噴嘴25的方向較佳為垂直於晶圓W的主要下表面，且較佳地，噴嘴25的軸並不偏離垂直方向大於+/-10°。再者，較佳存在大量的噴嘴25，例如，50至5000個噴嘴，較佳為500至3000個噴嘴，而更佳為1000至2500個噴嘴。
噴嘴25的開孔與當晶圓W設置在卡盤上時所使用的平面之間的間隔係以圖4中之間隙「d」來繪示。該間隔較佳為0.5-10mm，而更佳為1-5mm。噴嘴25的直徑較佳為0.1mm至1.5mm，而更佳為0.5至1.0mm。
較佳以適用於在腔室27內將內部操作氣體壓力維持在相對於大氣壓力1至5巴(bar)的過壓之流率來將氣體供應通過導管28而至腔室27中。較佳以2m/s至30m/s範圍內的氣體速度來使加熱氣體通過噴嘴25而排出。
平板26係較佳以不使加熱元件23所放射之輻射透過的材料來形成，平板26在此實施例中主要藉由因加熱氣體撞擊晶圓W下側所致之對流式熱傳遞來幫助晶圓W被加熱。氮係較佳作為該加熱氣體之用。
如圖1及圖2中可見，在此實施例中，噴嘴25以二維陣列排列，該陣列在其主要方向上係位於大於90%的晶圓W直徑之下方。另一方面，在該陣列的垂直方向上，其最大範圍小於晶圓W直徑之50%。
再者，顯示於圖1及圖2中的該陣列係具有狗骨頭的形狀，其中大多數的噴嘴25位於該陣列之較寬的、相對的周緣區域中，而少數噴嘴25位於該陣列之較窄的中央區域中。
本說明書中所述之設備的另一優勢為：控制器30可配置以在加熱循環期間啟動加熱元件23以加熱供應至加熱組件2之氮氣，且配置以停止該加熱 元件(當氮氣仍供應至加熱組件2的情況下)，以在冷卻循環期間不加熱供應至加熱組件2之氣體。
在操作中，藉由從自噴嘴25排出之一系列撞擊噴射流吹至晶圓W上之氣體來加熱晶圓W。該撞擊之效用主要為該陣列之實體設計及該氣體之特性的函數。即使考量到相牴觸的晶圓加熱及冷卻負載，仍可因而更改該陣列設計及氣體特性以達到任何特定晶圓溫度分布。
撞擊係為對流式熱傳遞的一種形式，其對欲處理晶圓之材料相當不敏感。因此，製程氣體可為與通常在半導體廠房中使用的相同。再者，來自撞擊之有效的熱傳遞係非常高，而氣體溫度因此只需較所需之晶圓溫度稍高。此因而使安全疑慮最小化，且使可相容的材料選擇最大化。又再者，由於可在室溫下將製程氣體供應至加熱組件2，因此可僅藉由關閉加熱元件23而使用相同的設備來冷卻晶圓W。
儘管本發明係結合其數個較佳實施例來加以描述，然而應瞭解，該等實施例僅供說明本發明，且不應作為限制由隨附申請專利範圍的真實範圍及精神所賦予之保護範圍的藉口。

Claims (19)

  1. 一種用於處理晶圓形物件的設備，包含旋轉式的卡盤，其適於將預定直徑之晶圓形物件支撐於預定方向上；及加熱器，其包含當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時指向該晶圓形物件之表面的多個氣體噴嘴，該加熱器包含氣體入口、及用於加熱待通過該多個氣體噴嘴而排出之氣體的至少一加熱元件，該加熱器係配置以主要藉由來自通過該多個氣體噴嘴而排出之加熱氣體的對流式熱傳遞來加熱該晶圓形物件，其中當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時，該多個氣體噴嘴係定位與該晶圓形物件距離0.5-10mm。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時，該多個氣體噴嘴係定向於該晶圓形物件之垂直方向的10°以內。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時，該多個氣體噴嘴係定位與該晶圓形物件距離1-5mm。
  4. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該多個氣體噴嘴包含50至5000個噴嘴。
  5. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該多個氣體噴嘴包含500至3000個噴嘴。
  6. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該多個氣體噴嘴其中各者具有0.1至1.5mm範圍內之直徑。
  7. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該加熱器係配置以在2m/s至30m/s範圍內之氣體速度下使加熱氣體通過該多個氣體噴嘴而排出。
  8. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該加熱器係配置以將內部操作氣體壓力維持在相對於大氣壓力1至5巴(bar)的過壓。
  9. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中在該旋轉式的卡盤之旋轉期間，該加熱器維持固定。
  10. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該旋轉式的卡盤包含主體，該主體係設置以相對於固定中心柱而旋轉，且其中該加熱器係裝設於該固定中心柱的上部，以當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時，置於該主體之上並置於該晶圓形物件之下。
  11. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該多個氣體噴嘴係以二維陣列排列，當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時，該二維陣列位於大於90%之該晶圓形物件的預定直徑下方。
  12. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，更包含用於該加熱元件的控制器，其係配置以啟動該加熱元件，以在加熱循環期間加熱供應至該加熱器的氣體，且配置以停止該加熱元件，以在冷卻循環期間不加熱供應至該加熱器的氣體。
  13. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該旋轉式的卡盤包含一環形系列的周緣插針，其用於在其邊緣區域中接觸該晶圓形物件，且其中該加熱器係位於該環形系列的周緣插針之內側。
  14. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該加熱器包含在該加熱器之入口下游且在該多個氣體噴嘴上游的加熱腔室，且其中該加熱元件係配置以加熱該加熱腔室中之氣體。
  15. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該多個氣體噴嘴包含：位於該晶圓形物件(當其位於該旋轉式的卡盤上時)之邊緣區域下方的至少一組噴嘴；及位於該晶圓形物件(當其位於該旋轉式的卡盤上時)之較中心區域下方的至少一組噴嘴；且其中位於邊緣區域下方的該組噴嘴之數量大於位於較中心區域下方的該組噴嘴之數量。
  16. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該加熱器具有在垂直於該旋轉式的卡盤之旋轉軸的第一方向上之最大範圍，其係大於該預定直徑的90%；及在垂直於該旋轉式的卡盤之該旋轉軸的第二方向上之最大範圍，其係小於該預定直徑的50%。
  17. 如申請專利範圍第1項之用於處理晶圓形物件的設備，其中該多個氣體噴嘴係形成於平板中，該平板不使該加熱元件所放射之輻射透過。
  18. 一種用於處理晶圓形物件的設備，包含旋轉式的卡盤，其適於將預定直徑之晶圓形物件支撐於預定方向上；及加熱器，其包含當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時指向該晶圓形物件之表面的多個氣體噴嘴，該加熱器包含氣體入口、及用於加熱待通過該多個氣體噴嘴而排出之氣體的至少一加熱元件，該加熱器係配置以主要藉由來自通過該多個氣體噴嘴而排出之加熱氣體的對流式熱傳遞來加熱該晶圓形物件，其中該多個氣體噴嘴包含50至5000個噴嘴。
  19. 一種用於處理晶圓形物件的設備，包含旋轉式的卡盤，其適於將預定直徑之晶圓形物件支撐於預定方向上；及加熱器，其包含當該旋轉式的卡盤支撐該晶圓形物件時指向該晶圓形物件之表面的多個氣體噴嘴，該加熱器包含氣體入口、及用於加熱待通過該多個氣體噴嘴而排出之氣體的至少一加熱元件，該加熱器係配置以主要藉由來自通過該多個氣體噴嘴而排出之加熱氣體的對流式熱傳遞來加熱該晶圓形物件，其中該多個氣體噴嘴其中各者具有0.1至1.5mm範圍內之直徑。
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