TWI460807B - 晶圓狀物件之液體處理方法與設備 - Google Patents

Description

晶圓狀物件之液體處理方法與設備

本發明係關於一種晶圓狀物件之液體處理方法及設備。

液體處理包含了濕式蝕刻及濕式清理兩者，其中利用處理液體來潤濕待處理之晶圓的表面區域，藉此移除晶圓的膜層或藉此帶走雜質。在美國專利4,903,717中揭露了一種液體處理設備。在此設備中對藉著對晶圓施加旋轉移動來協助液體分散。

在半導體產業中，在製造處理期間通常將用以乾燥碟狀物件之表面的技術用於清理矽晶圓(例如微影前的清理、CMP後的清理及電漿後的清理)之後。然而，可將此類乾燥方法應用至其他板狀物件如光碟、光遮罩、光罩、磁碟或平面顯示裝置。當用於半導體產業時，其亦可被應用至玻璃基板(例如在絕緣層上覆矽的製程中)、III-V基板(例如GaAs)或製造積體電路用的任何其他載板。

在半導體業界中已知各種乾燥方法，其中某些使用異丙醇來降低半導體晶圓表面上的沖洗水的表面張力。例如見美國專利5,882,443。在共有的專利申請案WO 2011/007287與美國專利申請案12/914,802(2010年10月28日申請)中揭露了使用加熱過的異丙醇來改善此類方法。

然而，仍需要發展出一種較佳的方法，不只是在此類乾燥處理期間且在其他液體處理期間用以避免形成在此類半導體晶圓上之次微結構中的圖案倒塌。當徑向地向外移動越過正在旋轉中的晶圓的液體的表面張力對形成在晶圓表面上的次微結構施加損害性或破壞性的力量時，可能會發生圖案倒塌。

圖案倒塌的問題會隨著半導體晶圓的直徑增加而變得更嚴重。例如，此一世代的單晶圓濕式處理技術係針對直徑300 mm的晶圓所設計，但前一個世代的技術係針對直徑200 mm的晶圓所設 計而下一世代的技術係針對直徑450 mm或更大直徑的晶圓所設計。

隨著次微結構的深寬比持續地增加，圖案倒塌的問題也變得更嚴重。當水平佈局有較大的元件尺寸減少壓力但厚度方向卻沒有這麼大的元件尺寸減少壓力時，這也是半導體元件製造的持續趨勢。

本發明係部分基於下面體認：WO 2011/007287與美國專利申請案12/914,802中所揭露的技術可能無法完全有效地避免圖案倒塌，因為正在旋轉中的晶圓表面在外圍處的線性速度係相對高於在中央的線性速度，以致於當分配於晶圓狀物件之上側中央區中的加熱過液體徑向地向外朝向晶圓狀的外圍移動時，會實質上冷卻。

因此，在使用分配至正在旋轉中之基板之上側之加熱過媒體的乾燥處理期間，所用的媒體不會均勻地冷卻。由於從中央至邊緣的圓周速度增加，故從中央至邊緣冷卻過程會大幅地增加。因為較冷媒體的較高表面張力，這可能會導致結構圖案倒塌。

上述體認導致本發明的產生。本發明的一態樣係關於一種晶圓狀物件之處理設備，包含：旋轉夾頭，用以支撐具有預定位向的晶圓狀物件，其中該晶圓狀物件的下表面係與該旋轉夾頭的上表面相隔一預定距離。該設備更包含：至少一上噴嘴，在該晶圓狀物件係置於該旋轉夾頭上時，用以將處理流體分配至該晶圓狀物件的面向上表面；及至少一下噴嘴臂，包含自該旋轉夾頭之中央區延伸至該旋轉夾頭之外圍區的一系列下噴嘴，當該晶圓狀物件係置於該旋轉夾頭上時，該系列之噴嘴係向上地指向該晶圓狀物件的下表面。該系列的噴嘴包含在該旋轉夾頭之中央區的較小噴嘴與在該旋轉夾頭之外圍區的較大噴嘴，且該至少一下噴嘴臂係安裝至該旋轉夾頭俾以在該旋轉夾頭旋轉時維持固定且俾以無法相對於該旋轉夾頭作軸向移動。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該旋轉夾頭更包含外圍系列之向上突伸的抓取構件，該抓取構件設置成可與該夾頭欲支撐的晶圓狀物件的外緣銜合，每一該向上突伸的抓取構件係圍繞平行該旋轉夾頭之旋轉軸的一軸可樞轉。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，每一該向上突伸的抓取構件包含偏心銷，當該抓取構件自銜合晶圓狀物件的徑向向內位置樞轉至卸載晶圓狀物件之徑向向外位置時，此偏心銷可移動。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該設備為半導體晶圓之單晶圓濕式處理用的製程模組。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該至少一下噴嘴臂為單噴嘴臂。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該至少一下噴嘴臂包含徑向最內的下噴嘴，其位於該旋轉夾頭的旋轉軸的徑向外側並與該旋轉軸距離5至25 mm較佳地距離7至15 mm更較佳地約10 mm。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該至少一下噴嘴臂在該旋轉夾頭的上旋轉表面上方延伸並與該上旋轉表面距離0.5 至3 mm較佳地0.7至2 mm更較佳地約2 mm的固定距離。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該系列的噴嘴包含至少四較佳地至少六更較佳地至少八最較佳地九個噴嘴。

在根據本發明之設備的較佳實施例中，該旋轉夾頭係用以支撐晶圓狀物件俾使該晶圓狀物件的面向下主表面與該至少一下噴嘴臂間距離2至10 mm較佳地3至7 mm更較佳地約5 mm的距離。

本發明之另一態樣為一種晶圓狀物件的處理方法。此方法包含：依預定位向將晶圓狀物件放置到旋轉夾頭上，其中該晶圓狀物件的下表面與該旋轉夾頭的上表面相隔一預定距離。當旋轉該旋轉夾頭中的該晶圓狀物件時自至少一上噴嘴將處理流體分配至該晶圓狀物件的面向上表面上，同時將加熱過的液體分配至正 在旋轉中的該晶圓狀物件的下表面上。該加熱過的液體係經由自該旋轉夾頭之中央區延伸至該旋轉夾頭之外圍區的一系列下噴嘴所分配，該系列下噴嘴包含在該旋轉夾頭之中央區的較小噴嘴與在該旋轉夾頭之外圍區的較大噴嘴。設計該系列噴嘴的尺寸與位置俾使經由該系列噴嘴所分配的加熱過液體在該晶圓狀物件之外圍區中所供應每單位面積的熱多於在該晶圓狀物件之中央區中所供應每單位面積的熱。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，該系列噴嘴為形成在安裝至該旋轉夾頭之下噴嘴臂中的複數開口俾以在該旋轉夾頭旋轉時維持固定且俾以無法相對於該旋轉夾頭作軸向位移。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，藉著使該晶圓狀物件的外緣與一系列抓取銷之每一者銜合以將該晶圓狀物件置於該旋轉夾頭上，其中該抓取銷包含一主體，此主體係圍繞平行該旋轉夾頭之旋轉軸的一軸可樞轉。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，被分配至該晶圓狀物件之該面向上表面上的該處理流體為包含異丙醇的液體，而被分配至該晶圓狀物件之該下表面上的加熱過液體為水。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，包含異丙醇的該液體係加熱至超過30℃的溫度較佳地被加熱至超過60℃的溫度。

在根據本發明之方法的較佳實施例中，包含異丙醇之該液體與該水的流量係受到控制俾使該晶圓狀物件的外圍區處與中央區處的溫度維持實質上相等。

現在參考附圖，圖1顯示其上支撐了具有預定位向之晶圓W的旋轉夾頭1，較佳地俾使主表面水平地放置或與水平夾±20°。旋轉夾頭1可以例如是根據白努力定律操作的夾頭，例如是美國專利4,903,717中所揭露者。

夾頭1包含一系列的抓取銷，在此實施例中有六個抓取銷，由標號10-1到10-6來代表。抓取銷10-1至10-6能避免晶圓 橫向滑落夾頭。或者，抓取銷10-1至10-6亦可對晶圓W提供下方支撐，在此情況下夾頭毋需根據白努力定律操作且毋需在晶圓W下方供應氣體緩衝。

雖然圖中未顯示，但旋轉夾頭可被處理室所圍繞，處理室可以是共有之美國專利7,837,803(對應至WO 2004/084278)中所揭露的多級處理室。如美國專利6,536,454的圖4所述，藉著使夾頭相對於固定的圍繞處理室作軸向移動，或者藉著使圍繞處理室相對於軸向固定的夾頭作軸向移動，可讓旋轉夾頭位於選定的級別。

夾頭1更包含用以將流體供應至晶圓W之面向下側的分配組件，其在某方面係類似於美國專利6,536,454與美國專利申請案2010/0200163(對應至WO 2009/010394)中所揭露者。如圖2中更詳細地顯示，該分配組件包含貫穿旋轉夾頭之中央孔並在旋轉夾頭與噴嘴頭之間較佳地留下約0.2 mm間隙的不旋轉(固定)噴嘴頭20。在處理期間可利用氣體(例如氮氣)吹淨間隙。五個噴嘴22、24、26、28、60經由噴嘴頭突出。每一管22、24、26係連接至不同的液體源並如噴嘴頭較佳地突出於旋轉夾頭的上表面5 mm。管22、24、26的複數開口(複數噴嘴)係朝向晶圓的面向下表面。管28係設置在中央並連接至一氣體源。經由管28可將氣體如氮氣或超潔淨空氣導向晶圓的面向下表面。

參考標號60代表徑向噴嘴臂，其在接收加熱過液體的徑向向內端處開放而在徑向向外端封閉。在此兩端間設置了一系列的噴嘴或開口62，在此實施例中有九個噴嘴。應注意，從旋轉夾頭的中央區出發至外圍區，每一噴嘴62皆比前一個噴嘴62具有更大的直徑。

尤其，選擇噴嘴62的尺寸與數目俾使晶圓W背側的外圍區比中央區受到較大量的加熱過液體供應。

在一較佳實施例中，噴嘴62相對於彼此的尺寸為上方晶圓之圓周的函數，因此從旋轉夾頭中央出發之每一噴嘴間的距離也是函數。因此，例如其中心距離旋轉夾頭中心14 cm之外噴嘴62 之出口的橫剖面積是其中心距離旋轉夾頭中心1 cm之內噴嘴62之出口的橫剖面積的14倍。

的確應注意，由於晶圓的最中央區可能不需要額外的加熱，因此徑向最內的噴嘴62放置在晶圓W中央的徑向外側並與其有一段距離。徑向噴嘴臂60例如藉由螺絲64而精確地固定至噴嘴頭20。因此，若旋轉夾頭被設計成可軸向移動，則包含徑向噴嘴臂60的噴嘴組件將會隨著旋轉夾頭作軸向移動；然而，噴嘴組件與徑向噴嘴臂60無法相對於旋轉夾頭作軸向移動。

此實施例中的噴嘴62係沿著徑向噴嘴臂60均勻分佈，彼此間的距離約為15 mm。然而，噴嘴62間的距離可以變化且亦可為非均勻的。噴嘴62的數目與橫剖面積亦可變化。

現在參考圖3，可見徑向噴嘴臂60係以懸臂樑的方式安裝俾使其與上方的晶圓W以及夾頭1的旋轉上表面皆有間隙。因此徑向噴嘴臂60必須要足夠剛硬而使其不接觸夾頭的旋轉表面或晶圓。

旋轉夾頭1係安裝在中空桿軸馬達40的轉子(如圖3中概略所示)，固定的噴嘴頭20貫穿旋轉夾頭1的中央開口。中空桿軸馬達40的定子係固定至安裝板42(如圖3中概略所示)。噴嘴頭20與安裝板42係安裝至相同的固定框架44(如圖3中概略所示)。

抓取構件10-1至10-6係利用偏心安裝的抓取銷來設置。抓取構件藉由齒輪16而繞著其圓柱軸共同旋轉，齒輪16係與所有抓取構件嚙合。因此偏心抓取銷在固定晶圓W的徑向向內封閉位置與卸載晶圓W的徑向向外開放位置之間共同移動。抓取構件10-1至10-6可以共有的美國申請案12/668,940(對應至WO 2009/010394)或2009年12月18日所申請之共有的美國申請案12/642,117中所揭拓的方式製作之。因此抓取溝件10-1至10-6包含與晶圓W接觸並自底部突伸的偏心最上部，底部係用以繞著其中央軸作樞轉移動所安裝。尤其，環形齒輪16係位於夾頭上主體的下側中央上，並同時藉由其外圍齒輪的齒部與形成在每一抓取銷10-1至10-6之底部上的齒輪齒部銜合。抓取銷10-1至10-6係 沿著旋轉夾頭1的外圍均勻分佈，最少至少設置三個而較佳地設置六個此類抓取銷10。

上液體分配器50從上方供應處理液體，且可包含用以分配各種不同處理液體的複數不同液體分配噴嘴，如例如共同的美國專利7,891,314(對應至WO 2006/008236)中所述。上液體分配器50較佳地可相對於晶圓W作徑向移動，以在晶圓W於旋轉夾頭上旋轉時，協助處理液體在晶圓W的整個面向上表面上分散。

在圖4的細節中，可見晶圓W係位於徑向噴嘴臂60的上表面上並與其距離「a」，a為2至10 mm較佳地3至7 mm更較佳地約5 mm。另一方面，下噴嘴臂與旋轉夾頭的上旋轉表面相隔0.5至3 mm較佳地0.7至2 mm更較佳地約1 mm的固定距離。因為此實施例中的徑向噴嘴臂60具有約7 mm的厚度，自夾頭1之上旋轉表面至晶圓W之下側間的距離只有約13 mm。

下面將說明晶圓W的處理方法。將晶圓W如300 mm矽晶圓放置到旋轉夾頭1上，並以抓取銷10-1至10-6穩固地支撐。旋轉夾頭在例如500 rpm的旋轉速度下旋轉。經由噴嘴50將1500 ml/min體積流量之包含加熱過之異丙醇的乾燥液體供應至晶圓上表面的中央。同時經由噴嘴62供應加熱過之去離子水的第二流。之後當旋轉速度為1500 rpm時，經由噴嘴28供應10 l/min體積流量的氮氣以去除沖洗液體。在整個處理期間，可供應0.1 l/min體積流量的氮氣。

設計噴嘴62的尺寸與位置俾使經由該系列噴嘴所分配的加熱過液體在晶圓W之外圍區中供應每單位面積較多的熱但在晶圓W之中央區中供應每單位面積較少的熱。。

雖然已針對本發明的各種較佳實施例說明了本發明，但應瞭解，提供此些實施例只是為了說明本發明，此些實施例不應被用來限制應由隨附申請專利範圍之真正範圍與精神所提供的保護範圍。

W‧‧‧晶圓

1‧‧‧旋轉夾頭

10‧‧‧抓取銷

10-1‧‧‧抓取銷

10-2‧‧‧抓取銷

10-3‧‧‧抓取銷

10-4‧‧‧抓取銷

10-5‧‧‧抓取銷

10-6‧‧‧抓取銷

16‧‧‧齒輪

20‧‧‧噴嘴頭

22‧‧‧噴嘴/管

24‧‧‧噴嘴/管

26‧‧‧噴嘴/管

28‧‧‧噴嘴/管

40‧‧‧馬達

42‧‧‧安裝板

44‧‧‧固定框架

50‧‧‧上液體分配器

60‧‧‧噴嘴臂

62‧‧‧噴嘴

64‧‧‧螺絲

在參考了隨附的附圖並閱讀了上面之本發明較佳實施例的詳細敘述後，當能更明白本發明的其他目的、特徵與優點，其中：圖1為根據本發明一實施例之夾頭的上視透視概圖，破折線代表放置定位的晶圓；圖2為圖1之實施例之下噴嘴組件之上側元件的放大透視圖；圖3為沿著圖1之線III-III所取之經過圖1中所示之夾頭的部分軸向部；圖4為圖3中以IV代表之細節的放大圖。

W‧‧‧晶圓

1‧‧‧旋轉夾頭

10-1‧‧‧抓取銷

10-2‧‧‧抓取銷

10-3‧‧‧抓取銷

10-4‧‧‧抓取銷

10-5‧‧‧抓取銷

10-6‧‧‧抓取銷

22‧‧‧噴嘴/管

24‧‧‧噴嘴/管

26‧‧‧噴嘴/管

28‧‧‧噴嘴/管

60‧‧‧噴嘴臂

62‧‧‧噴嘴

Claims (15)

1. 一種晶圓狀物件之處理設備，包含：一旋轉夾頭，用以支撐具有預定位向的晶圓狀物件，其中該晶圓狀物件的下表面係與該旋轉夾頭的上表面相隔一預定距離；至少一上噴嘴，在該晶圓狀物件係置於該旋轉夾頭上時，用以將處理流體分配至該晶圓狀物件的面向上表面；及至少一下噴嘴臂，包含自該旋轉夾頭之中央區延伸至該旋轉夾頭之外圍區的一系列下噴嘴，當該晶圓狀物件係置於該旋轉夾頭上時，該系列之噴嘴係向上地指向該晶圓狀物件的下表面，該系列的噴嘴包含在該旋轉夾頭之中央區的較小噴嘴與在該旋轉夾頭之外圍區的較大噴嘴；其中，該至少一下噴嘴臂係安裝至該旋轉夾頭俾以在該旋轉夾頭旋轉時維持固定且俾以無法相對於該旋轉夾頭作軸向移動。
2. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該旋轉夾頭更包含外圍系列之向上突伸的抓取構件，該抓取構件設置成可銜合於該旋轉夾頭欲支撐的晶圓狀物件的外緣，每一該向上突伸的抓取構件係依平行該旋轉夾頭之旋轉軸的一軸可樞轉。
3. 如申請專利範圍第2項之晶圓狀物件之處理設備，其中，每一該向上突伸的抓取構件包含一偏心銷，當該抓取構件自銜合晶圓狀物件的徑向向內位置樞轉至卸載晶圓狀物件之徑向向外位置時，此偏心銷可移動。
4. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該設備為半導體晶圓之單晶圓濕式處理用的製程模組。
5. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該至少一下噴嘴臂為單噴嘴臂。
6. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該至少一下噴嘴臂包含徑向最內的下噴嘴，其位於該旋轉夾頭的旋轉軸的徑向外側並與該旋轉軸距離5至25 mm較佳地距離7至15 mm更較佳地約10 mm。
7. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該至少一下噴嘴臂在該旋轉夾頭的上旋轉表面上方延伸並與該上旋轉表面距離0.5至3 mm較佳地0.7至2 mm更較佳地約2 mm的固定距離。
8. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該系列的噴嘴包含至少四較佳地至少六更較佳地至少八最較佳地九個噴嘴。
9. 如申請專利範圍第1項之晶圓狀物件之處理設備，其中，該旋轉夾頭係用以支撐該晶圓狀物件俾使該晶圓狀物件的面向下主表面與該至少一下噴嘴臂間距離2至10 mm較佳地3至7 mm更較佳地約5 mm的距離。
10. 一種晶圓狀物件的處理方法，包含：依預定位向將一晶圓狀物件放置到一旋轉夾頭上，其中該晶圓狀物件的下表面與該旋轉夾頭的上表面相隔一預定距離；當旋轉該旋轉夾頭中的該晶圓狀物件時自至少一上噴嘴將處理流體分配至該晶圓狀物件的面向上表面上；及同時將加熱過的液體分配至正在旋轉中的該晶圓狀物件的下表面上，該加熱過的液體係經由自該旋轉夾頭之中央區延伸至該旋轉夾頭之外圍區的一系列下噴嘴所分配，該系列下噴嘴包含在該旋轉夾頭之中央區的較小噴嘴與在該旋轉夾頭之外圍區的較大噴嘴； 其中，設計該系列噴嘴的尺寸與位置俾使經由該系列噴嘴所分配的加熱過液體在該晶圓狀物件之外圍區中所供應每單位面積的熱多於在該晶圓狀物件之中央區中所供應每單位面積的熱。
11. 如申請專利範圍第10項之晶圓狀物件的處理方法，其中，該系列噴嘴為形成在安裝至該旋轉夾頭之下噴嘴臂中的複數開口俾以在該旋轉夾頭旋轉時維持固定且俾以無法相對於該旋轉夾頭作軸向位移。
12. 如申請專利範圍第10項之晶圓狀物件的處理方法，其中，將該晶圓狀物件放置於該旋轉夾頭上的步驟包含：使該晶圓狀物件的外緣與一系列抓取銷之每一者銜合，其中該等抓取銷包含一主體，此主體係依平行該旋轉夾頭之旋轉軸的一軸可樞轉。
13. 如申請專利範圍第10項之晶圓狀物件的處理方法，其中，被分配至該晶圓狀物件之該面向上表面上的該處理流體為包含異丙醇的液體，而被分配至該晶圓狀物件之該下表面上的加熱過液體為水。
14. 如申請專利範圍第13項之晶圓狀物件的處理方法，其中，包含異丙醇的該液體係加熱至超過30℃的溫度較佳地被加熱至超過60℃的溫度。
15. 如申請專利範圍第14項之晶圓狀物件的處理方法，其中，包含異丙醇之該液體與該水的流量係受到控制俾使該晶圓狀物件的外圍區處與中央區處的溫度維持實質上相等。