TW201404475A - 晶圓狀物件之液體處理用方法及設備 - Google Patents

Abstract

一種提供處理晶圓狀物件之處理液體的線路內混合系統。此系統包含用以調節第一液體流之流動的第一流量調節器、用以調節具有一化學成分之第二液體流之流動的第二流量調節器、用以提供第一和第二液體流之混合物的折射率測量值的折射率測量計、用以提供第一和第二液體流之混合物的合併流量測量值之合併式流量計、以及自動控制器。自動控制器係用以根據折射率測量值以及合併流量測量值操作第一和第二流量調節器。

Description

晶圓狀物件之液體處理用方法及設備

本發明整體關於用於晶圓狀物件，如半導體晶圓之液體處理的方法及設備，其中一或更多處理液體係分配至晶圓狀物件之表面上。

半導體晶圓遭受各種表面處理程序，如蝕刻、清潔、研磨、乾燥及材料沉積。為了提供此等程序，單一晶圓相對於一或更多處理流體噴嘴、可由與可旋轉式托架相連之夾盤支撐，例如美國專利第4903717號及和5513668號所描述之範例。

可替代地，為環狀轉子之形式、用以支撐晶圓的夾盤可位於封閉的處理腔室中，並在沒有實際接觸的情況下，透過主動磁軸承趨動，如在國際公開號WO 2007/101764及美國專利第6485531號中所描述。其它已知的結構，包含旋轉和非旋轉支持支台，可用以在液體處理過程中支撐晶圓狀物件。

可選擇地，當晶圓旋轉時，處理液體可分配至半導體晶圓之一或兩個主表面上。此等處理液體包含例如去離子(DI)水及在去離子水中之預定濃度的各種化學成份。合適的化學成份包含，例如氫氟酸(HF)、硫酸、鹽酸、氫氧化銨、及異丙醇。

預定濃度之化學成分，可藉由將去離子水以及化學成份以一定比例在槽式混合系統中結合，再將所得到之處理液體傳輸至晶圓狀物件而獲得。但是，槽式混合系統係為批次處理，且通常為大、昂貴且不適合快速改變處理液體之濃度，尤其是在表面處理程序期間。

線路內(in-line)或「使用點」(point of use，POU)混合可 藉由將去離子水流與既定化學成分流以預定之各自流率相混合而達成。當化學成分流之濃度係為固定且已知時，混合後的結合處理液體流之濃度可根據單獨去離子水和化學成分流之各別流率判定。位於混合點上游之各別流之每一者中的流量計，可用於達成該目的。然而，流量計僅能間接測量預期的處理流體濃度並假設輸入之化學成分流的濃度係為穩定。當運用大範圍的處理液體濃度時，僅根據輸入流之流動測量值以改變下游濃度通常為緩慢的且不準確的。

本發明人已開發用於提供晶圓狀物件之表面處理的處理液體之改良處理和設備，其中該處理液體流之折射率和流率係用以調節各別水流及化學成分流之流率。因此，傳輸至晶圓狀物件之處理液體可依需求修改，以改正流量和濃度之非預期性偏差，並根據任何期望之分布，改變相對於時間之處理液體的流率及/或濃度。此等對於處理液體流之改變，可在數個液體處理階段之間或在既定的處理過程中實施。

因此，本發明在一實施態樣中關於一種用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的線路內混合系統，此系統包含用以調節第一液體流之流動的第一流量調節器、用以調節具有一種化學成分之第二液體流之流動的第二流量調節器、用以提供第一和第二液體流之混合物的折射率測量值的折射率測量計、用以提供第一和第二液體流之混合物的合併流量測量值之合併式流量計、以及用以根據折射率測量值以及合併流量測量值操作第一和第二流量調節器的自動控制器。

在根據本發明之線路內混合系統的較佳實施例中，自動控制器係用以根據折射率測量值調整第一及/或第二流量調節器，以便選擇性地提供調整後的第一及第二液體流之混合比例，而不實質地改變第一和第二液體流之混合物的合併流率。

在根據本發明之線路內混合系統的較佳實施例中，自動控制器係用以根據合併流量測量值調整第一及第二流量調節器，以便選擇性地提供調整後的第一及第二液體流之流動，而不實質地改變第一和第二液體流之混合比例。

在根據本發明之線路內混合系統的較佳實施例中，自動控制器係用以根據合併流量測量值及折射率測量值，產生合併輸出信號，並根據該合併輸出信號操作該第一或該第二流量調節器。

在較佳實施例中，根據本發明之線路內混合系統更包含用以打開和關閉第一液體流之流動的第一自動開/關閥、用以打開和關閉第二液體流之流動的第二自動開/關閥，且自動控制器係用以根據折射率測量值操作第一和第二自動閥。

在另一實施態樣中，本發明提供了一種晶圓狀物件之液體處理用之設備，包含用於以預設方向握持晶圓狀物件的支台、處理液體傳輸系統、以及線路內混合系統，其中處理液體傳輸系統具有用以傳送含有水之第一液體流之第一流動路徑、用以傳送含有一化學成分之第二液體流之第二流動路徑、流體連接至第一和第二流動路徑以將第一和第二液體流之混合物傳送至支台的第三流動路徑，線路內混合系統包含用以調節第一液體流之流動的第一流量調節器、用以調節第二液體流之流動的第二流量調節器、用以提供第一和第二液體流之混合物的折射率測量值之折射率測量計、用以提供第一和第二液體流之混合物的合併流量測量值之合併式流量計、以及用以根據折射率測量值及合併流量測量值調整第一及第二流量調節器的自動控制器。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，溫度測量裝置係可操作地與第三流動路徑連接，其中折射率測量值係經溫度補償。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，自動控制器係用以根據經由第一控制迴路之折射率測量值，以及根據經由第二控制迴路的合併流量測量值調整第一和第二流量調節器。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，第一控制迴路之操作比第二控制迴路快。

在較佳實施例中，根據本發明之設備亦包含在第一和第二流體路徑中之每一者的自動開/關閥，其中該自動控制器係用以操作第一和第二自動閥，以選擇性地改變處理流體之濃度。

在另一實施態樣中，本發明提供晶圓狀物件之液體處理用方法，包含以預定之方位將晶圓狀物件定位在支台上、傳送含有水的第一液 體流、傳送含有一化學成分的第二液體流、混合第一和第二液體流以提供處理液體流、決定該處理液體流的折射率和流率、傳輸處理液體流至晶圓狀物件、以及藉由根據該處理液體流之折射率及流率調整該第一及/或第二液體流之流動，以調節處理液體流之濃度或流率。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，調節之步驟包含在液體處理過程中改變處理流體流之濃度。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，調節之步驟包含在液體處理過程中改變處理流體流之流率。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，調節之步驟包含回應藉由合併對應於處理液體流之折射率及流率之信號所產生之控制信號，操作位於第一和第二液體流之每一者中的流量調節器。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，調節之步驟更包含回應對應於處理液體流之折射率的控制信號，操作設置在第一和第二液體流之每一者中的自動開/關閥。

1‧‧‧第一流動路徑

2‧‧‧水源

3‧‧‧第二流動路徑

4‧‧‧化學成分源

5‧‧‧混合點

6‧‧‧第三流動路徑

7‧‧‧夾盤

8‧‧‧箭頭

9‧‧‧第一流量調節器

10‧‧‧第二流量調節器

11‧‧‧合併式流量計

12‧‧‧折射率測量計

13‧‧‧控制器

14‧‧‧溫度計

15‧‧‧第一自動閥

16‧‧‧第二自動閥

W‧‧‧半導體晶圓

本發明之其它目的、特徵、和優點於閱讀以下關於本發明之較佳實施例的詳細描述、參照隨附圖式後變得更顯而易見，其中：圖1為根據本發明之第一實施例的設備及線路內混合系統之示意圖；且圖2為可用本發明獲得之混合分布之範例的示意圖。

現參照圖1，該圖顯示根據本發明之第一實施例之用於晶圓狀物件之液體處理的設備，該設備包含使用點線路內混合系統。

第一流動路徑1傳送來自水源2之含有水，較佳地去離子(DI)水的第一液體流。水源2可為加壓流、儲存槽或任何其它合適之來源。第二流動路徑3傳送來自化學成分源4之第二液體流，該第二液體流包含一種化學成分，諸如HF或任何其他適用於進行晶圓狀物件之液體處理的化學成分。化學成分源4亦可為加壓流、儲存槽或任何其它合適之來源。 第二液體流提供預定之濃度之化學成分，較佳地於水中、更佳地於去離子水中。

混合點5係沿著第一液體路徑1和第二液體路徑3之長度、設置於第一和第二液體路徑合併之位置處。因此，混合點結合第一和第二液體流以形成處理晶圓狀物件用的處理液體流。混合點5可包含任何適用於合併該第一和第二液體路徑之結構，包含但不限於T型接頭、靜態混合器及其相似物。

流體連接至混合點的第三液體路徑6將來自混合點之處理液體流傳送至一通常係由可轉動式夾盤7所支撐的半導體晶圓w，此時晶圓之軸與夾盤之重合旋轉軸垂直座向，或在垂直軸之任一側之幾度內座向。夾盤7係較佳地為單一晶圓濕式處理用之旋轉夾盤，且可例如以美國專利第4903717號和5513668號中所描述加以構建。

可替代地，夾盤7可於共同擁有的美國專利公開案第2011/0253181號(對應於WO 2010/113089)中所描述加以構建。在此情況吾人將可以理解，晶圓W將被懸置並從構成夾盤之旋轉部的磁性轉子處朝下懸掛。

箭頭8代表液體分配噴嘴。雖然圖1中之噴嘴8係置於晶圓W上，以分配液體至晶圓W朝上之表面，但熟悉本技藝者將察覺噴嘴8可設置於晶圓W下方，以分配處理液體至晶圓W朝下之表面，或該等液體分配噴嘴可設置在晶圓W之兩側上。再者，亦可設置複數噴嘴於晶圓W之其中任一側或兩側上。

根據前面的描述，熟悉本技藝者將顯而易見，由第三流體路徑6所傳送之處理液體流將具有與第一和第二液體流之合併流率成比例的流率，以及可根據第一和第二液體流之各自濃度和流率所決定的化學成分濃度。換言之，第一和第二液體流之任一者或兩者之界定的流率改變，將可預測的改變處理液體流之流率和濃度。

處理液體之流動及濃度的自動和選擇性控制係藉由在圖1中所示之本發明之具有使用點線路內混合系統的實施例達成，現將進一步參照圖1加以說明。

第一流量調節器9，例如可變化地控制之流體閥，係可操作 地位於水源2和混合點5之間沿著第一流動路徑1之一點處。第二流量調節器10係相似地可操作地位於化學成分源和混合點之間沿著第二流動路徑3之一點處。流量調節器9、10可為任何在回應信號，較佳地為電子信號時，依照預定之量增加或減少液體流的自動操作之裝置。流量調節器9、10可以逐漸增加或減少液體流，從而藉由回應既定信號之一組數目的變化量以改變受影響之液體流的流率。較佳地，每個流量調節器9，10在相同大小之變化量下操作。

合併式流量計11係可操作地位於混合點5處，或位於混合點5和分配噴嘴8之間沿著第三流動路徑6之一位置處。合併式流量計11測量於第三流動路徑6中傳送之處理液體流的流率或流率之相對改變。合併式流量計11較佳地係為電子流量計，其產生代表處理液體流之流率，或是處理液體流之流率的相對改變之電子信號。合併式流量計11可持續性地、週期性地或在程式化之時間間隔產生電子信號。

諸如折射計之折射率測量計12亦可操作地位於混合點5處或混合點和分配噴嘴8之間沿著第三流動路徑6之一位置處。折射率測量計測量在第三流動路徑6中傳送之處理液體流之折射率或折射率的相對改變。折射率測量計12係較佳地為電子折射計，其產生代表處理液體流之折射率，或是處理液體流之折射率的相對改變之電子信號。折射率測量計可持續性地、週期性地或在程式化之時間間隔產生電子信號。

將可理解的是，亦可設置提供類比信號之流量計和折射率測量計。

控制器13係可操作地與折射率測量計12、合併式流量計11、以及每個流量調節器9、10相連。如圖1中之虛線箭頭所示意性地描繪，控制器13係用以從折射率測量計12及合併式流量計11接收信息、較佳地信號，及更佳地電子信號。控制器13係進一步用以發送信息、較佳地信號，及更佳地電子信號，至流量調節器9和流量調節器10。

控制器13處理由折射率測量計所產生的輸入信號，以提供用以控制流量調節器9之回應輸出信號，以及用以控制流量調節器10之回應輸出信號。較佳地，控制器13根據第一控制迴路處理折射率信號。溫度計14可操作地與第三流動路徑相連，以提供顯示出處理液體溫度之溫度信 號。溫度信號係由控制器13，或由折射率測量計12所利用，在每種情況下以增進折射率信號之溫度補償。溫度測量和折射率測量值之補償亦出現於折射率測量計內。

溫度信號亦可由控制器13所利用以調節溫度，此係藉由摻入一加熱液體(例如加熱的去離子水)，以準確地控制處理液體之溫度。從而濃度相同但溫度未知(第一液體之第一溫度高於期望溫度，第二溫度低於期望溫度)之兩種液體可用以混合，並因此提供期望溫度之混合物。若兩種相同溫度之液體被混合，此應較佳地發生於化學成分的摻入之上游。

控制器13亦處理由合併式流量計所產生的輸入信號，以提供用以控制流量調節器9之回應輸出信號，以及用以控制流量調節器10之回應輸出信號。較佳地，控制器13根據第二控制迴路處理合併流量信號。通常但並非一定地，上述第一控制迴路處理信息的速度將比第二控制迴路快。

因此，藉由控制器13之操作，流量調節器9、10之每一者回應處理液體流之折射率及流率而受自動控制。因此達成基於濃度及基於流動之控制。

舉例而言，處理液體濃度之意外偏差，可能由發生在水源、化學成分源、或第一及/或第二流動路徑處之流動波動所引起，或可能由發生在例如化學成分源處之意外的濃度變化所引起，而此等處理液體濃度之意外偏差可藉由折射率測量計原位地(in-situ)加以指示，並可透過第一控制迴路經由第一及/或第二調節閥之回應控制加以修正。在此情況下，控制器13可藉由足以修正處理液體濃度偏差之數個變化量以調整每個調節閥9、10，以修正處理液體濃度之偏差，同時保持相同的處理液體流率。例如，可調整調節閥9以增加一個變化量之流量，而調整調節閥10以降低相同變化量之流量。

此外，處理液體流率之意外偏差亦可能由發生在水源、化學成分源、或第一及/或第二流動路徑處之流動波動所引起，而此等處理液體流率之意外偏差可藉由合併式流量計原位地加以指示，並可透過第二控制迴路經由第一及/或第二調節閥之回應控制加以修正。在此情況下，控制器13可藉由足以修正處理液體濃度偏差之數個變化量以調整每個調節閥 9、10，以修正處理液體之流動偏差，同時保持相同的處理液體濃度。

圖1所描繪之較佳實施例中的控制器13亦配置俾使其操作流量調節器9、10以增加或減少流動，以便回應接收自合併式流量計之合併流量信號並結合期望且較佳地預先程式化之液體處理協定，提供改變之處理液體流率。在所描繪之較佳實施例中的控制器13亦配置俾使回應接收自折射率測量計之折射率信號並結合期望且較佳地預先程式化的液體處理協定，流量調節器9、10可受驅動以增加或減少流動，以便提供改變的處理液體濃度。

較佳地，控制裝置13係進一步配置俾使第一和第二控制迴路相互連接，以便產生第一流量調節器1用之單一控制信號，以及第二流量調節器3用之單一控制信號，每個控制信號係回應處理液體流之合併流率和折射率之兩者。換言之，控制器13係配置以重疊、添加或以其他方式合併第一和第二控制迴路之輸出，俾使每個流量調節器接收單一控制信號，此執行提供處理液體流流率和濃度兩者的期望之效果。

根據本文所提供之描述，用以合併第一和第二控制迴路之合適的處理和運算，對於熟悉本技藝者將是顯而易見。藉由例示而無限制之方式，控制器13可包含一信號加法器，根據第一和第二控制迴路所產生之信息從而被添加。

例如，當液體處理協定需要一個使處理液體以較低的濃度和較高的流率傳輸至晶圓狀物件之階段時，控制器13係用以結合由第一和第二控制迴路所處理的信息，以產生兩個控制信號，每個流量調節器一個，此足以操作每個流量調節器，以便實質上同時地實現所期望之處理液體流量和濃度之變化。

藉由根據由合併式流量計11和折射率測量計12兩者所產生之信號自動地控制流量調節器9、10，便幾乎可自動提供任何濃度及流量分布。可由本發明實現之此一濃度和流量分布係提供於圖2中。如前所述，可應用期望之流量和濃度分布以影響不同晶圓、用於一既定晶圓之不同處理階段，或影響液體處理階段之過程。

在圖1所描繪之較佳實施例的進一步實施態樣中，第一自動閥15和第二自動閥16可操作地各自位於沿著第一和第二流動路徑，介於水 或化學成分源及混合點之間。通常情況下，自動閥15、16係為開/關閥，較佳地係能迅速(較佳地小於大約200毫秒)及頻繁地(較佳地大約每兩秒鐘)切換。

控制器13回應由折射率測量計12所產生之信號，調節自動閥15、16。自動閥15、16係適用於使處理液體濃度快速及/或間歇性地改變。舉例來說，藉由頻繁地打開和關閉自動閥15及/或自動閥16，並藉由變更每個自動閥打開和關閉之持續的時間，可在很寬的濃度範圍內快速設置處理液體之流量和濃度。理所當然地，控制器13可用以在預定的時間關閉自動閥16，以迅速地將處理液體流從化學組成物改變為實質上純的去離子水。

現將描述圖1之設備的操作範例。

半導體晶圓W係相對於夾盤7定位並被旋轉。去離子水流係以受流量調節器9所支配之流率、經由流動路徑1傳送。同時地，包含一既定濃度之HF的化學成分流係以受流量調節器10所支配之流率、經由流動路徑3傳送。自動閥15和16之每一者係為開啟。

去離子水流和化學成分流係結合並混合，以提供包含一預定濃度之HF的處理液體流，該處理液體流係傳輸至定位以將處理液體流傳輸至半導體晶圓W的表面之噴灑噴嘴。

處理液體流之折射率係藉著由折射率測量計12所產生並發送至控制器13之信號所顯示。同時地，處理液體流的流率係藉著由合併式流量計11所產生並發送至控制器13之信號所顯示。

在預定的時間，並根據第一和第二控制迴路所處理之合併的信息，控制器13操作流量調節器9以降低一個變化量之流量，並操作流量調節器10以增加一個變化量之流量，以在不改變其流率的情況下，修改處理液體流以使之具有一預定之較高HF濃度。

1‧‧‧第一液體路徑

2‧‧‧水源

3‧‧‧第二液體路徑

4‧‧‧化學成分源

5‧‧‧混合點

6‧‧‧第三液體路徑

7‧‧‧夾盤

8‧‧‧箭頭

9‧‧‧第一流量調節器

10‧‧‧第二流量調節器

11‧‧‧合併式流量計

12‧‧‧折射率測量計

13‧‧‧控制器

14‧‧‧溫度計

15‧‧‧第一自動閥

16‧‧‧第二自動閥

W‧‧‧半導體晶圓

Claims (15)

1. 一種用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，包含：第一流量調節器，用以調節第一液體流之流動，第二流量調節器，用以調節具有一化學成分之第二液體流之流動，折射率測量計，用以提供該等第一和第二液體流之混合物的折射率測量值，合併式流量計，用以提供該等第一和第二液體流之該混合物的合併流量測量值，自動控制器，其中該自動控制器係用以根據該折射率測量值及該合併流量測量值操作該等第一和第二流量調節器。
2. 如申請專利範圍第1項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，其中該自動控制器係用以根據該折射率測量值調整該第一及/或該第二流量調節器，以選擇性地提供調整後的該等第一及第二液體流之混合比例，而不實質地改變該等第一和第二液體流之該混合物的合併流率。
3. 如申請專利範圍第1項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，其中該自動控制器係用以根據該合併流量測量值，調整該等第一及第二流量調節器，以選擇性地提供調整後的該等第一及第二液體流之流動，而不實質地改變該等第一和第二液體流之混合比例。
4. 如申請專利範圍第1項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，其中該自動控制器係用以根據該合併流量測量值及該折射率測量值產生合併輸出信號，並根據該合併輸出信號操作該第一或該第二流量調節器。
5. 如申請專利範圍第1項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，更包含用以打開和關閉該第一液體流之流動的第一自動開/關閥、用以打開和關閉該第二液體流之流動的第二自動開/關閥，其中該自動 控制器係用以根據該折射率測量值操作該等第一和第二自動閥。
6. 如申請專利範圍第1項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，更包含處理液體傳輸系統，該處理液體傳輸系統包含用以傳送含有水之該第一液體流的第一流動路徑、用以傳送含有一化學成分之該第二液體流的第二流動路徑、以及流體連接至該等第一和第二流動路徑以傳送該等第一和第二液體流之混合物的第三流動路徑。
7. 如申請專利範圍第6項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，更包含溫度測量裝置，其可操作地與該第三流動路徑連接，其中該折射率測量值係經溫度補償。
8. 如申請專利範圍第6項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，其中該自動控制器係用以根據經由第一控制迴路之該折射率測量值，以及根據經由第二控制迴路之該合併流量測量值調整該第一和該第二流量調節器，其中該第一控制迴路之操作比該第二控制迴路快。
9. 如申請專利範圍第1項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，更包含溫度測量裝置，用以提供該等第一和第二液體流之該混合物的溫度測量值，其中該控制器係用以回應該溫度測量值調節一加熱液體之流動，以調節該等第一和第二液體流之該混合物的溫度。
10. 如申請專利範圍第6項之用以提供處理晶圓狀物件之處理液體的設備，更包含：支台，用於以預定之方位握持晶圓狀物件，其中該第三流動路徑將該混合物傳送至該支台。
11. 一種晶圓狀物件之液體處理用方法，包含將晶圓狀物件以預定之方位定位在支台上、傳送含有水的第一液體流、傳送含有一化學成分的第二液體流、混合該等第一和第二液體流以提供一處理液體流、決定該處理液體流 的折射率和流率、傳輸該處理液體流至該晶圓狀物件、以及藉由根據該處理液體流之該折射率及流率，調整該第一及/或該第二液體之流動，以調節該處理流體流之濃度或流率。
12. 如申請專利範圍第11項之晶圓狀物件之液體處理用方法，其中該調節之步驟包含在一液體處理過程中，改變該處理流體流之濃度。
13. 如申請專利範圍第11項之晶圓狀物件之液體處理用方法，其中該調節之步驟包含在液體處理過程中，改變該處理流體流之流率。
14. 如申請專利範圍第11項之晶圓狀物件之液體處理用方法，其中該調節之步驟包含回應藉由合併對應於該處理液體流之該折射率及該流率之信號所產生之控制信號，操作位於該等第一和第二液體流之每一者中的流量調節器。
15. 如申請專利範圍第14項之晶圓狀物件之液體處理用方法，其中該調節之步驟更包含回應對應於該處理液體流之該折射率的控制信號，操作設置在該等第一和第二液體流之每一者中的自動開/關閥。