TWI748741B - 電漿晶圓清潔機及使用其清潔晶圓的方法 - Google Patents
電漿晶圓清潔機及使用其清潔晶圓的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本發明係關於一種電漿晶圓清潔機及使用其清潔晶圓的方法，電漿晶圓清潔機包含作用腔室、電漿系統與排氣系統；作用腔室的底部定義有一晶圓放置區域以放置一晶圓，電漿系統包含複數個電漿噴頭，複數個電漿噴頭設置於作用腔室底部相對該晶圓放置區域的周緣，且複數個電漿噴頭的開口面向該晶圓的背面，並噴出電漿以清除晶圓背面周緣殘留的物質；排氣系統包含至少一乾淨空氣進氣口與複數個排氣口，至少一乾淨空氣進氣口設置於作用腔室上方，且複數個排氣口設置於作用腔室底面。
Description
本發明關於一種電漿晶圓清潔機及使用其清潔晶圓的方法，利用電漿有效清除沉積於晶圓背面周緣的汙染物。
晶圓製造過程的基本步驟包含清洗、氧化及沉積、微影、蝕刻與離子植入等等；進行蝕刻步驟之前，會在晶圓上設置一層光阻，再將光罩的圖案移轉到光阻上，接著再進行蝕刻技術將未被光阻保護的氧化矽層除去，之後再進行離子植入，最後才去除光阻。但去除光阻時，晶圓背面的周緣仍會殘留有聚合物，該些殘留的聚合物必須被去除掉，以免影響到晶圓的功能。但目前相關的研發多是關於移除晶圓正面的光阻的技術，例如中華民國專利第TW 201936575 (A)號公開案的光阻移除劑組合物，便是一種主要含有烷基苯磺酸的光阻移除劑，又中華民國專利第TW 201921177(A)號專利則是一種含有極性非質子溶劑、水、羥胺、腐蝕抑制劑、氫氧化四級銨及選擇性界面活性劑的剝除劑溶液；但是目前針對晶緣背面周緣聚合物去除的相關技術仍然較為缺乏。
今，發明人有鑑於現有目前清潔晶圓背面周緣汙染物使用的儀器與方法於實際使用仍有不足之處，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明關於一種電漿晶圓清潔機及其用於清潔晶圓的方法，其中電漿晶圓清潔機包含一作用腔室、一電漿系統與一排氣系統；作用腔室的底面定義有一晶圓放置區域以放置一晶圓，電漿系統包含複數個電漿噴頭，複數個電漿噴頭設置於作用腔室底部相對晶圓放置區域的周緣，且複數個噴頭的開口面向該晶圓的背面；排氣系統包含至少一乾淨空氣進氣口與複數個排氣口，至少一乾淨空氣進氣口係設置於該作用腔室上方，且複數個排氣口係設置於該作用腔室底部，此處所指稱的乾淨空氣是指經過過濾、去除粉塵後的乾淨空氣。
本發明以電漿晶圓清潔機清潔晶元的方法，包含將一晶圓放置於一作用腔室底部的一晶圓放置區域，並以一電漿系統所產生之電漿，自設置於該作用腔室底部的複數個電漿噴頭噴出，並使該電漿作用於該晶圓的一背面周緣，以去除該晶圓的背面周緣沉積之汙染物。
於本發明之一實施例中，晶圓放置區域係設置一可旋轉的支架，以放置該晶圓。
於本發明之一實施例中，電漿系統為一氬氣(Ar)電漿系統，一氬氣與氧氣混合電漿系統、一氮氣(N
2)電漿系統或是一乾燥壓縮空氣(CDA)電漿系統。
於本發明之一實施例中，每一該複數個電漿噴頭的孔徑介於1~5 mm。
於本發明之一實施例中，電漿的作用溫度係介於50~450℃。
於本發明之一實施例中，電漿的作用時間可介於但不限制為3~10分鐘。
藉此，本發明之電漿晶圓清潔機，利用電漿作用於晶圓片背面周緣，能有效清除晶圓背面周緣沉積的汙染物，且所需的作用時間短，使用上相當方便。
為令本發明之技術手段其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲藉由下述具體實施例，詳細說明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍，請一併參閱揭露之圖式。
本發明關於一種電漿晶圓清潔機及使用其於清潔晶圓的方法，請參見第一圖，本發明之電漿晶圓清潔機包含一作用腔室(1)、一電漿系統以及一排氣系統，其中電漿系統可為但不限於常壓射頻電漿系統或是噴射電漿系統，且電漿作用氣體可為但不限於一般空氣、氬氣、氮氣、氧氣或是包含至少二種上述氣體的混合氣體。
作用腔室(1)的底部(11)定義有一晶圓放置區域(12)以放置一晶圓(W)，於一實施例中，晶圓放置區域(12)設有一可旋轉的真空吸引裝置，且晶圓(W)係放置於該可旋轉的真空吸引裝置上。
本發明之電漿系統為噴射電漿系統，包含複數個電漿噴頭(2)，電漿噴頭(2)設置於作用腔室底部(11)、相對於晶圓放置區域(12)的周緣的位置，電漿噴頭(2)的開口係面向晶圓(W)的底面周緣的位置；於本發明較佳實施例中，所使用的電漿噴頭的孔徑介於1~5 mm。
排氣系統包含至少一乾淨空氣進氣口(31)與複數個排氣口(32)，其中至少一乾淨空氣進氣口(31)設置於作用腔室(1)上方，例如設置於作用腔室(1)的頂部(13)，且該複數個排氣口(32)係設置於該作用腔室底部(11)，該乾淨空氣進氣口(31)係用於導入經過粉塵過濾後的乾淨空氣，以使作用腔室(1)內的氣體產生對流。
使用本發明之電漿晶圓清潔機清除晶圓底面周緣殘留的汙染物，例如蝕刻後的聚合物時，係將晶圓(W)放置於作用腔室(1)底部(11)的晶圓放置區域(12)，例如放置於晶圓放置區域(12)的可旋轉支架上，再啟動電漿系統，使電漿自設置於作用腔室(1)底部(11)的複數個電漿噴頭(2)噴出，並使電漿作用於晶圓(W)的下表面周緣，以去除沉積在晶圓(W)的背面周緣的聚合物；由於晶圓(W)是放置於可旋轉支架上，因此在電漿作用的同時，晶圓(W)也會持續旋轉，使電漿可以作用到晶圓(W)背面周緣的每一處。
本發明以下的實施例中，使用氬氣(Ar)電漿系統或是氮氣(N
2)電漿系統，進行晶圓背面聚合物的清除；而判斷是否完整清除聚合物的方法包含目視法與美工刀刮除法；目視法是用雙眼觀察晶圓背面的周緣是否還有聚合物的痕跡，而美工刀刮除法則是使用美工刀的刀片輕刮晶圓上經過電漿處理的部位，以觀察是否有細屑產生，若無細屑產生則代表聚合物已經被清除乾淨了。以下實施例所使用的晶圓背面具有0.5~7 μm厚度的殘留聚合物，並將其以下列各種電漿處理後，再觀察聚合物的殘留情形。
請參見表一，為使用一支氬氣(Ar)電漿系統的電漿噴頭、處理晶圓之後的測試結果，本測試是於電漿射頻功率300 W、電漿噴頭到樣品距離(後簡稱為Gap)為2mm、以及氬氣氣體流量20 SLM (standard liter minutes)的固定條件下，調整氧氣的氣體流量、電漿處理時晶圓的旋轉速度與電漿處理時間，再分別以目視法與美工刀刮除法檢測晶圓上聚合物的殘留情形，表一中，「無」代表無聚合物殘留，「殘留」則是代表有聚合物殘留；根據表一，只有Ar-8組的作用條件，能將晶圓上的聚合物有效清除。
表一
| 組別 | 功率(W) | Gap (mm) | 氬氣 (slm) | 氧氣 (sccm) | 速度 (m/min) | 處理時間 (min) | 目視法 | 美工刀刮除法 |
| Ar-1 | 300 | 2 | 20 | 100 | 1.6 | 7 | 無 | 殘留 |
| Ar-2 | 300 | 2 | 20 | 80 | 1.75 | 8.6 | 無 | 殘留 |
| Ar-3 | 300 | 2 | 20 | 80 | 2.3 | 8.2 | 無 | 殘留 |
| Ar-4 | 300 | 2 | 20 | 80 | 1.2 | 6.2 | 無 | 殘留 |
| Ar-5 | 300 | 2 | 20 | 120 | 1.2 | 9.4 | 無 | 殘留 |
| Ar-6 | 300 | 2 | 20 | 150 | 1.5 | 7.5 | 無 | 殘留 |
| Ar-7 | 300 | 2 | 20 | 180 | 1.5 | ＞7.5 | 殘留 | 殘留 |
| Ar-8 | 300 | 2 | 20 | 160 | 1.5 | 7.5 | 無 | 無 |
請再參見表二，為使用兩支氮氣電漿系統的噴頭、處理晶圓之後的測試結果，本測試是於電漿功率700 W、Gap 6mm、氮氣氣體流量45 slm (standard liter minutes)、以及速度為1.5 m/min的固定條件下，使用3 mm或2.5 mm孔徑的噴嘴、調整晶圓旋轉的圈速以及調整電漿處理時間，再分別以目視法與美工刀刮除法檢測晶圓上聚合物的殘留情形，其中表二中，「無」代表無聚合物殘留，「殘留」則是代表有聚合物殘留；根據表二，四種作用條件，都能將晶圓上的聚合物有效清除。
表二
| 組別 | 噴嘴孔徑 (mm) | 功率(W) | Gap (mm) | 氮氣 (slm) | 速度 (m/min) | 圈數 | 處理時間 (min/片) | 目視法 | 美工刀刮除法 |
| N-1 | 3 | 700 | 6 | 45 | 1.5 | 10 | 6 | 無 | 無 |
| N-2 | 3 | 700 | 6 | 45 | 1.5 | 15 | 10 | 無 | 無 |
| N-3 | 3 | 700 | 6 | 45 | 1.5 | 8~10 | 5~6 | 無 | 無 |
| N-4 | 2.5 | 700 | 6 | 45 | 1.5 | 8~10 | 5~6 | 無 | 無 |
接著，請參見表三，為使用單支氮氣電漿系統的噴頭、處理晶圓之後的測試結果，本測試是於電漿功率700 W、氮氣氣體流量40 slm (standard liter minutes)、以及速度為1.0 m/min的固定條件下，使用3 mm或2.5 mm孔徑的噴嘴、不同Gap的作用條件進行電漿處理，再以美工刀刮除法檢測晶圓上聚合物的殘留情形；根據表三，三個組的作用條件，都能將晶圓上的聚合物清除，但是N-5組與N-6組，處理後的晶圓上仍有微微的聚合物殘留，而N-7組處理後的晶圓上已無聚合物殘留，即N-7組的聚合物清除效果最佳。
表三
| 組別 | 噴嘴孔徑 (mm) | 功率(W) | Gap (mm) | 氮氣 (slm) | 速度 (m/min) | 處理時間 (min) | 美工刀刮除法 |
| N-5 | 3 | 700 | 4 | 40 | 1.0 | 4 | 微殘留 |
| N-6 | 3 | 700 | 3 | 40 | 1.0 | 4.5 | 微殘留 |
| N-7 | 2.5 | 700 | 4 | 40 | 1.0 | 5 | 無 |
此外，本案發明人進一步檢測電漿處理時，被處理晶圓片正面的溫度，以確認晶圓正面的溫度不會過高而影響設置於晶圓正面的電路；請參見第二圖，分別偵測位於晶圓下表面(WD)周緣的第一點(P1)、位於晶圓上表面(WU)周緣第二點(P2)、晶圓上表面(WU)上，距離周緣5 mm處的第三點(P3)、以及晶圓上表面(WU)上，距離周緣10 mm的第四點(P4)的溫度；其中晶圓下表面(WD)周緣的第一點(P1)，為電漿噴頭(2)直接作用的位置。
請參見第三圖，為使用氬氣(Ar)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個點的溫度測量結果；此實施例是使用表一之Ar-8組的作用條件處理晶圓，且使用的電漿噴頭的直徑為3 mm，溫度測量時間的間隔為0.1秒；第三圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到100~110℃，但是於電漿作用後2秒內，溫度會降低到小於60℃，第二點(P2)與第三點(P3)位置的溫度則是落在50~60℃之間，第四點(P4)位置的溫度則是落於40~50℃，且不會超過50℃，即第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度都不會超過60℃。
第四圖為使用氮氣(N
2)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個位置的溫度測量結果；此實施例是使用表二中N-3組別的條件進行晶圓的處理，且溫度測量時間的間隔為0.1秒；第四圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到400℃上下，但是於電漿作用後2.5秒內，溫度會降低到小於60℃；第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度則是落在100℃上下，且於處理後2.0秒內溫度會下降到小於50℃。
第五圖也是使用氮氣(N
2)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個位置的溫度測量結果；此實施例是使用表二中N-4組別的條件進行晶圓的處理，且溫度測量時間的間隔為0.1秒；第五圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到410℃上下，但是於電漿作用後3.0秒內，溫度會降低到小於60℃；，第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度則是落在100~125℃，且於處理後2.5秒內溫度會降低到小於55℃。
第六圖為使用氮氣(N
2)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個位置的溫度測量結果；此實施例是使用表三中N-5組別的條件進行晶圓的處理，且溫度測量時間的間隔為0.1秒；第六圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到450~490℃，但是於電漿作用後4.0秒內，溫度會降低到小於100℃；第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度則是皆小於100℃。
第七圖為使用氮氣(N
2)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個位置的溫度測量結果；此實施例中是使用表三中N-6組別的條件進行晶圓的處理，且溫度測量時間的間隔為0.1秒；第七圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到470~560℃，但是於電漿作用後4.0秒內，溫度會降低到小於100℃；第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度則是皆小於100℃。
第八圖為使用氮氣(N
2)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個位置的溫度測量結果；此實施例是使用表三中N-7組別的條件進行晶圓的處理，且溫度測量時間的間隔為0.1秒；第八圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到510~530℃，但是於電漿作用後4.0秒內，溫度會降低到小於100℃；第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度則是皆小於100℃。
第九圖為使用氮氣(N
2)電漿系統進行晶圓的處理，並偵測晶圓上四個位置的溫度測量結果；此實施例是使用表三中N-8組別的條件進行晶圓的處理，且溫度測量時間的間隔為0.1秒；第九圖顯示，第一點(P1)位置的溫度可達到510~560℃，但是於電漿作用後4.0秒內，溫度會降低到小於100℃；第二點(P2)、第三點(P3)與第四點(P4)位置的溫度則是皆小於100℃。
接著，檢測電漿處理前後，晶圓周緣殘留聚合物的厚度；請參見表四，取五片無電漿處理的晶圓測量其殘留聚合物的厚度，且獲得晶圓周緣殘留聚合物的平均厚度為3.35 μm，而經過電漿處理的五片晶圓，周緣聚合物的平均厚度為0.68 μm，則咬蝕率為2.67 μm/min；又，第十圖為無電漿處理的晶圓的掃描式電子顯微鏡觀察照片，第十一圖則為電漿處理後的晶圓的掃描式電子顯微鏡觀察照片。
表四
| 樣品一 | |||||
| 無電漿處理 | 2.47 | 2.36 | 2.71 | 4.47 | 4.5 |
| 電漿處理 | 0.64 | 0.65 | 0.89 | 0.71 | 0.52 |
請參見表五，於另一實施例中，檢測的五片無電漿處理的晶圓，晶圓周緣殘留聚合物的平均厚度為3.27 μm，而另取五片經過電漿處理的晶圓，周緣聚合物的平均厚度為1 μm，則咬蝕率為2.27 μm/min；又，第十二圖為此實施例中、無電漿處理的晶圓的掃描式電子顯微鏡觀察照片，第十三圖則為電漿處理後的晶圓的掃描式電子顯微鏡觀察照片。
表五
| 樣品二 | |||||
| 未經電漿處理 | 2.06 | 2.54 | 2.08 | 2.21 | 7.49 |
| 經電漿處理 | 0.6 | 1.78 | 0.59 | 1.19 | 0.84 |
綜。上，本發明揭露之電漿晶圓清潔機與使用其清潔晶圓的方法，利用電漿去除晶圓下表面周緣殘留的聚合物，所需要的時間短，也不會使晶圓正面的溫度過高而影響晶圓上設置的電路。
綜上所述，本發明電漿晶圓清潔機與使用其清潔晶圓的方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；其；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
1:作用腔室
11:底部
12:晶圓放置區域
13:頂部
2:電漿噴頭
31:乾淨空氣進氣口
32:排氣口
W:晶圓
WU:晶圓上表面
WD:晶圓下表面
P1:第一點
P2:第二點
P3:第三點
P4:第四點
第一圖：本發明電漿晶圓清潔機之示意圖。
第二圖：本發明測量晶圓溫度之位置示意圖。
第三圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(一)。
第四圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(二)。
第五圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(三)。
第六圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(四)。
第七圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(五)。
第八圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(六)。
第九圖：以本發明電漿晶元清潔機處理之晶圓溫度分析圖(七)。
第十圖：無電漿處理晶圓之掃描式電子顯微鏡照片(一)。
第十一圖：電漿處理後晶圓之掃描式電子顯微鏡照片(一)。
第十二圖：無電漿處理晶圓之掃描式電子顯微鏡照片(二)。
第十三圖：電漿處理後晶圓之掃描式電子顯微鏡照片(二)。
無
1:作用腔室
11:底部
12:晶圓放置區域
13:頂部
2:電漿噴頭
31:乾淨空氣進氣口
32:排氣口
W:晶圓
Claims (9)
- 一種電漿晶圓清潔機，包含：一作用腔室，該作用腔室的底面定義有一晶圓放置區域以放置一晶圓；一電漿系統，包含複數個電漿噴頭，其中該複數個電漿噴頭係設置於作用腔室底面相對該晶圓放置區域的周緣，且該複數個電漿噴頭的開口面向該晶圓的底部；以及一排氣系統，包含至少一乾淨空氣進氣口與複數個出氣口，其中該至少一乾淨空氣進氣口係設置於該作用腔室上方，且該複數個出氣口係設置於該作用腔室底面。
- 如請求項1所述之電漿晶圓清潔機，其中該晶圓放置區域係設置一可旋轉的支架，以放置該晶圓。
- 如請求項1所述之電漿晶圓清潔機，其中該電漿系統為一氬氣(Ar)電漿系統、一氬氣與氧氣混合電漿系統、一氮氣(N2)電漿系統或是一壓縮乾燥空氣(CDA)電漿系統。
- 如請求項1所述之電漿晶圓清潔機，其中每一該複數個電漿噴頭的孔徑介於1~5mm。
- 一種以請求項1所述之電漿晶圓清潔機清潔晶圓的方法，係將一晶圓放置於一作用腔室底面的一晶圓放置區域，並以一電漿系統所產生之電漿，自設置於該作用腔室底面的複數個電漿噴頭噴出，並使該電漿作用於該晶圓的一下表面周緣，以去除該晶圓的該下表面周緣沉積之汙染物。
- 如請求項5所述之方法，其中該電漿系統為一氬氣(Ar)電漿系統、一氬氣與氧氣混合電漿系統、一氮氣(N2)電漿系統或是一壓縮乾燥空氣(CDA)電漿系統。
- 如請求項5所述之方法，其中該電漿的作用溫度係介於50~450℃。
- 如請求項5所述之方法，其中該電漿的作用時間介於3~10分鐘。
- 如請求項5所述之方法，其中每一該複數個電漿噴頭的孔徑介於1~5mm。
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