TWI668779B

TWI668779B - 除氣方法

Info

Publication number: TWI668779B
Application number: TW104139691A
Authority: TW
Inventors: 史帝芬Ｒ柏吉斯; Stephen R Burgess; 安東尼Ｐ維爾拜; Anthony Paul Wilby
Original assignee: 英商Ｓｐｔｓ科技公司; Spts Technologies Limited
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2019-08-11
Also published as: CN105655234B; GB201421151D0; US20160155652A1; TW201631685A; US9728432B2; EP3026698A1; JP2016105479A; EP3026698B1; CN105655234A; KR102472255B1; JP6681179B2; KR20160065027A

Abstract

本發明提供一種半導體基板除氣方法，其包含：循序地將複數之半導體基板負載進入一除氣裝置；並列地將半導體基板除氣，在與該半導體基板經負載進入該除氣裝置的時間有關的一個別時間下開始每一半導體基板之除氣；以及；當該半導體基板已除氣時，將半導體基板由該除氣裝置卸載，而按順序稍後經負載的半導體基板仍在進行除氣；其中該等半導體基板之除氣係在小於10^-4Torr的一壓力下執行，以及於該等半導體基板之除氣期間該除氣裝置係經連續地泵送。

Description

除氣方法

發明領域

本發明係有關於複數之半導體基板的除氣方法，以及係有關於相關聯的裝置。

發明背景

半導體元件之製造係在小心地控制的狀況下執行，該狀況一般而言係需保持雜質於低的程度。雜質之一潛在來源係為待加工的半導體晶圓。因此，在一或更多的製程步驟之前在半導體晶圓上執行除氣程序係所廣為熟知的。例如，半導體元件製程經常地使用在基板上沉積高純度材料之薄層的技術。極為重要的是在該等製程期間，該製程腔室係維持不受污染因此該沉積薄膜具有所需要的性質。複數的標準工業技術，諸如物理氣相沉積(PVD)及化學氣相沉積(CVD)，是在真空狀況下運作。重要的是，維持低壓因此僅發生極微小的沉積薄膜污染。

複數的現代生產方法需要使用基板，其係以當暴露至熱量時可極為大量地排氣的材料塗佈。該等材料之實例包括有機鈍化層、黏著劑、光阻劑或是旋塗式材料。此外，逐漸增加地使用大量排氣的新穎基板材料。於晶圓封裝工業領域內，諸如聚醯亞胺(PI)及聚苯並惡唑(PBO)的材料，其有特別的問題性。當該等材料排氣時，污染物釋放進入加工工具並係併入一成長薄膜。如此能夠致使實質的問題。例如，該等沉積薄膜之性質及特性會惡化。

群集工具通常係用於具成本效益的半導體晶圓之製造。典型地，晶圓係由卡匣或是晶圓傳送盒(FOUP)運送進入在一低壓下運作的一運送模組。該運送模組內一或更多的機器人將晶圓由該等匣/FOUP移動至經定位而接近該運送模組的多數模組。經定位在該運送模組附近的該等模組典型地係在真空狀況下運作並且除了其他功能外，分別地具有專用功能，諸如除氣、蝕刻、PVD沉積。

通常地，在諸如沉積的一接續製程步驟之前，將於一專用除氣製程模組中的半導體基板除氣作為一標準製程流程的一部分。所熟知的是提供除氣模組，其中有時將一單一晶圓除氣。批次除氣模組亦係為所熟知的。於該等佈置中，複數之晶圓係一起地被負載並除氣。然而，於半導體工業中使用的多種新穎材料具極低的除氣率，導致30分鐘或更久的長除氣時間。然而，重要的是達成任一商業製程設備之高的生產量，因此相關聯的每一晶圓成本能夠降至最低。因此，對於加工大量排氣的基板可能無經濟效益，因為低除氣率及長除氣時間會導致生產量太低而在商業方面無法接受。

發明概要

本發明，於其之至少一些具體實施例中，解決一或更多的上述問題。儘管本發明係特別地應用在包括大量地排氣材料，諸如PBO及PI，的半導體基板，但本發明亦廣泛地應用在所有類型之半導體基板。

根據本發明之一第一觀點，提供一種半導體基板除氣方法，其包含：循序地將複數之半導體基板負載進入一除氣裝置；並列地將半導體基板除氣，在與該半導體基板經負載進入該除氣裝置的時間有關的一個別時間下開始每一半導體基板之除氣；以及當該半導體基板已除氣時，將半導體基板由該除氣裝置卸載，而按順序稍後經負載的半導體基板仍在進行除氣；其中該等半導體基板之除氣係在小於10^-4Torr的一壓力下執行，以及於該等半導體基板之除氣期間該除氣裝置係經連續地泵送。

如此，能夠獲得生產量方面的實質性改良。負載及卸載半導體基板，同時其他的半導體基板係進行除氣係為可能的。此作業能夠在對進行除氣的半導體基板無污染的狀況下完成。

該等半導體基板之除氣可在小於5x10^-5Torr的一壓力下執行。

該除氣可包含輻射地加熱該等半導體基板。

該等半導體基板可經加熱至任何需要的溫度。典型地，該等半導體基板可經加熱至100℃或是更高的溫度。

每一半導體基板在卸載之前可經除氣持續一段預定的時間量。咸信此係為確定該半導體基板何時已除氣的最具實務性之方式。可由使用者設定該預定的時間量。該預定的時間量可在實驗上基於該除氣裝置及該半導體基板的特性而確定。原則上，可替代地使用一些形式之監測作業以確定半導體基板何時已除氣。

至少三個半導體基板可循序地負載進入該除氣裝置。較佳地，至少20個半導體基板係循序地經負載進入該除氣裝置。更佳地，至少50個半導體基板可循序地經負載進入該除氣裝置。

該除氣裝置可包含一除氣模組。該除氣模組可構成用於加工半導體基板的一群集工具的一部分。

該半導體基板可為半導體晶圓，諸如矽半導體晶圓。應瞭解的是該等半導體基板可包含附加的、非半導體成分。

根據本發明之一第二觀點，提供一種半導體基板除氣之方法，其包含：將一第一半導體基板負載進入一除氣裝置；在該第一半導體基板上執行一除氣製程；將一第二半導體基板負載進入該除氣裝置，而同時在該第一半導體基板上執行該除氣製程；在該第二半導體基板上執行一除氣製程；以及該第一半導體基板一經完成其之除氣製程即自該裝置卸載，而該第二半導體基板係仍進行其之除氣製程；其中該等除氣製程係在小於10^-4Torr的一壓力下執行，以及於該等半導體基板之除氣期間，該除氣裝置係經連續地泵送。

另外的半導體可經負載進入該除氣裝置，而同時該除氣製程係仍在該第一及/或第二半導體基板上執行。

根據本發明之一第三觀點，提供一種用於半導體基板除氣的除氣裝置，其包含：一負載及卸載構件，其用於循序地將半導體基板負載進入該除氣裝置以及自該除氣裝置卸載而出；一泵送佈置，其用於泵送該除氣裝置以達成一所需的壓力以將該等半導體基板除氣，其中該所需壓力係小於10^-4Torr；以及一控制器，其容許該等半導體基板循序地負載以及並列地除氣，在與該半導體基板經負載進入該除氣裝置的時間有關的一個別時間下開始每一半導體基板之除氣，其中該控制器確定一半導體基板已除氣並致使該除氣半導體基板由該除氣裝置卸載，而同時之後按順序負載的半導體基板仍在進行除氣；其中該裝置係經組配因此在該等半導體基板除氣期間，該泵送佈置持續地泵送該除氣裝置。

該除氣裝置可進一步包含一或更多用於輻射地加熱該等半導體基板的輻射加熱器。該等輻射加熱器可為燈具。

該泵送佈置可包含一低溫泵。該除氣裝置之容積可經選定因此與該泵送佈置連接，在半導體基板被負載進入該除氣裝置以及由該裝置卸載半導體基板的同時達成該需要的壓力真空水平係為可能的。該需要的壓力可小於5x10^-5Torr。

一旦半導體基板已除氣持續一段預定的時間，該控制器即可確定一半導體基板已除氣。如以上提及，咸信此係為能夠確定一半導體基板何時已除氣的最具實務性之方式。該控制器可包含一定時器功能性，其監測每一半導體基板接受除氣的時間。一旦一半導體基板已除氣持續該段預定的時間，該定時器功能性即可提供一狀況指示器。該狀況指示器可直接或是間接地致使該除氣的半導體基板由該除氣裝置卸載。

該負載及卸載構件可包含一槽口，半導體基板經由該槽口能夠負載進入該除氣裝置以及由該裝置卸載。該負載及卸載構件可進一步包含如於業界所廣為熟知的一適合的基板運送機構。

該除氣裝置可進一步包含該等半導體基板能夠負載於其上的一結構。該結構可為一匣。該匣可為一垂直對準的匣，使一半導體基板能夠以一垂直佈置方式堆疊。

該除氣裝置可包含一除氣模組。該等半導體基板可於該除氣模組中除氣。該除氣裝置可進一步包含一半導體基板運送模組。該除氣模組及該半導體基板運送模組可構成為用於加工半導體基板的一群集工具的一部分。在該除氣裝置中維持的相對低壓具有的優點在於該運送模組中的真空並未折衷。如此依次地有助於避免於該群集工具中其他製程模組之交叉污染。

根據本發明之一第四觀點，提供一種用於加工半導體基板的群集工具，其包含本發明之第三的一除氣裝置。該除氣裝置可包含一除氣模組以及一半導體基板運送模組。

儘管本發明已於以上說明，但它擴展至在上文或在接下來的描述、圖式或是申請專利範圍中提出之特徵的任何創造性的組合。例如，與本發明其中之一觀點相關說明的任何特徵係被認為亦與本發明之任何的其他觀點相關地被揭示。

10,102‧‧‧除氣模組

12‧‧‧腔室

14‧‧‧開口/開槽閥

16‧‧‧晶圓支架

18‧‧‧燈具

20‧‧‧泵送口

20b‧‧‧閘閥

22‧‧‧低溫泵

24‧‧‧輔助排氣管線

26‧‧‧粗抽泵

28‧‧‧壓力表

30‧‧‧氣體入口系統

32‧‧‧控制器

40,42,44,46,50,52,54‧‧‧曲線

60‧‧‧單一除氣模組

62,64,66‧‧‧PVD模組

68‧‧‧FOUP模組

100‧‧‧PVD群集工具

104‧‧‧熱軟蝕刻模組

106‧‧‧PVD模組

108‧‧‧晶圓運送模組

110‧‧‧FOUP

112‧‧‧製程控制器

112a‧‧‧使用者介面

現將參考該等伴隨的圖式說明除氣裝置及除氣方法的具體實施例，其中：圖1顯示本發明之一除氣裝置，具有該腔室的一剖視圖；圖2係為一群集工具的一概略圖；圖3顯示針對(a)一先前技術晶圓除氣以及(b)本發明之一晶圓除氣的晶圓除氣製程順序；圖4顯示針對不同的除氣裝置與方法的晶圓生產量對除氣時間；圖5顯示除氣種類之部分壓力；以及圖6係為利用一除氣模組的一示範性製程中所使用的裝置之一概略圖。

較佳實施例之詳細說明

圖1顯示本發明之一除氣模組，一般地以符號10標示。該除氣模組10包含一腔室12，其具有一開槽閥形式的開口14，晶圓通過該開口能夠負載進入該模組10以及由該模組10卸載。該腔室12包含能夠同時地固持複數晶圓的一晶圓支架16。該晶圓支架16可為匣的形式，使能夠垂直地堆疊該等晶圓。該晶圓支架16包含一升降總成，使位於該晶圓支架16中的一需要槽口與開口14對準，因此一晶圓能夠負載進入該槽口或是由該槽口卸載。該腔室12亦包含複數之燈具18，其提供固持於該晶圓支架16中的該等晶圓之輻射加熱。該腔室12進一步包含連接至一適合的泵送佈置的一泵送口20。該泵送口20包含位在該腔室12中的一開口以及一閘閥20b。於圖1中顯示的該具體實施例中，該主要的泵送佈置包含一低溫泵22。提供與一粗抽泵26連通的一輔助排氣管線24。提供一壓力表28以監測腔室12中的壓力。一氣體入口系統30使一所需的氣體流，諸如氮，能夠被引導進入該腔室12。提供一控制器32，其以於以下將更為詳細說明的一方式控制該等晶圓之負載及卸載。方便地，本發明之控制方法能夠使用軟體及一適合的微處理器式構件實作。

圖2顯示包含本發明之一除氣模組102的一PVD 群集工具100的一概略布局。該除氣模組102可為相關於圖1所說明的該型式。該群集工具100進一步包含附加的模組。該等附加模組之性質係視所預期的最終產品而定。於圖2中顯示的該實例中，該等附加的模組包含一個熱軟蝕刻模組104以及三個PVD模組106。該等模組102-106係環繞著一晶圓運送模組108分布，根據一所需的製程流程將該等晶圓運送至該等模組102-106以及由該等模組102-106運出。該晶圓運送模組108的其中之一功能係將晶圓通過一開槽閥，諸如於圖1中所顯示的該開槽閥14，負載進入該除氣模組102以及由該除氣模組102卸載。晶圓係由一FOUP 110移動通過小的負載鎖而進入該群集工具100。該群集工具100進一步包含一製程控制器112。該製程控制器112係配置具有一使用者介面112a。該製程控制器112控制該整個群集工具100之作業，包括該除氣模組102之作業。因此，圖2之該製程控制器112能夠包括圖1中所顯示該具體實施例之該控制器32的功能性。

現在更為詳細地解釋圖1之該除氣模組10之作業。在需要的時間下循序地將半導體晶圓負載進入該模組10。該等晶圓係儲藏在該晶圓支架16的槽口中。每一晶圓具有一個別的製程定時器。當每一晶圓係經負載進入該腔室12時啟動製程定時器。當一使用者界定的時段已過去時，該晶圓係視為除氣。該除氣晶圓接著變成可用於由該腔室卸載。該卸載的晶圓接著於一群集工具內被運送至一或更多的其他模組，供進一步加工。因此，位於該腔室12中的該等晶圓能夠視為並列地進行除氣。在任一時間下，於該腔室12中具有複數之晶圓12正在進行除氣。然而，該等晶圓係在不同的時間負載以及在不同的時間卸載。相似地，在一不同的時間下開始及結束每一晶圓之該除氣製程。此係與先前技術的批次除氣製程成對比。本發明之方法意指當循序的製程模組變成可用時，該除氣模組12能夠持續地負載及卸載。藉由使用該除氣製程模組以並列地將晶圓除氣，即使除氣時間係為長的，仍能夠維持高的動態生產量。圖3圖示以一並列除氣模式利用一除氣模組的該等優點。圖3(a)顯示一標準的單一晶圓的先前技術除氣製程，其中晶圓係按順序地負載及除氣。例如，晶圓2係僅在晶圓1已除氣並卸載之後負載及除氣。利用此先前技術製程，能夠見到的是假若該等晶圓1-3具有長的相關聯除氣時間，則生產量係嚴重地受到限制。圖3(b)顯示本發明之一製程。儘管該等晶圓1-3係循序地負載，但相關聯的除氣作業係並列地進行。能夠見到該等晶圓之生產量係實質地改良。

該除氣模組係經組配以容許並列地進行晶圓之持續的除氣作業，而同時仍負載及卸載晶圓。製程腔室應具適當較大的容積，能夠固持該需要數目之晶圓，同時並係足夠大以有助於確保於加工作業中該製程腔室中該壓力並未顯著地升高。如此有助於減少或是防止污染。熟練的讀者能夠立即地選擇該腔室之實際容積，讀者將察知的是視諸如該等晶圓之數目及性質以及所利用的該等泵送佈置的因素而定。如此，開啟及閉合介於該腔室與該晶圓之間的開槽閥而未引導污染物至該群集工具的其餘部分係為可能的。同時，當新的晶圓經負載進入該除氣模組時，部分除氣的晶圓將不受污染。晶圓之輻射性加熱係為有利的，因為其意指並不需要為了達成該等晶圓之有效加熱而增加腔室壓力。

圖4顯示計畫的晶圓生產量，針對一示範性、標稱130℃除氣製程隨著不同的除氣構態之除氣持續時間而變化。曲線40代表生產量(每小時生產的晶圓數)隨一單一晶圓除氣(SWD)模組之除氣時間(秒)而變化。曲線42、44分別地代表生產量隨著使用二單一晶圓除氣模組以及三單一晶圓除氣模組之構態的除氣時間而變化。曲線46顯示生產量隨著本發明之一次固持75片晶圓的一模組的除氣時間而變化。由該曲線40能見到的是運行一個120秒循環的一單一晶圓除氣站能夠達到一個理論上每小時30片晶圓的動態生產量。此生產量隨著除氣時間增加而迅速地下降。使用二或三個SWD模組作為一群集工具的一部分成比例地增加生產量。然而，如此係具有新模組之相當大的附加成本並且需要利用另外的群集工具口。對比地，曲線46顯示本發明能夠提供在所有的除氣時間下所能夠達到的極為實質的生產量利益。該等實質的生產量利益係僅使用一群集工具內的一單一除氣模組而達成。

圖5顯示與排氣相關聯的某些種類隨著時間變化的部分壓力。該等數據係使用一殘留氣體分析器(RGA)而獲得。更特定言之，曲線50、52、54分別地顯示水、氮及氧之部分壓力。該等數據係針對一130℃除氣製程所獲得。能夠見到的是在除氣製程期間讓水達到約為4x10-6mbarr(5.3x10-6Torr)的一最大壓力峰值，約15分鐘後維持一極低的壓力。由於該系統甚至在此除氣製程的尖峰處之極佳的真空性能，所以持續由該除氣模組負載及卸載晶圓而不致對該模組中的晶圓造成任何不良的影響將為可能的。該除氣模組中相對低的壓力亦確保該運送模組中的真空水平將不致折衷，其依次地將避免該群集工具中其他製程模組的交叉污染。

圖6顯示一代表性二步驟沉積製程，其包含在一個120秒PVD沉積步驟之後於130℃的溫度下的360秒除氣。該製程使用一個單一除氣模組60以供給三個並列運轉的PVD模組62、64、66。一FOUP模組68係用於在該等製程模組之間運送晶圓。該除氣模組60能夠為一先前技術的SWD模組或是本發明之並列地將複數晶圓除氣的一除氣模組。該二步驟沉積製程係針對該二方案進行模擬。利用本發明之複數晶圓除氣(MWD)模組，針對具有一相對地適度的25片晶圓負載的一除氣模組執行該模擬。該等結果係於表1中顯示。

就該單一晶圓除氣模組而言，具有滯留時間方面的失配狀況。更特定言之，該除氣時間係為360秒而每一PVD模組具有120秒之製程時間。此失配造成該系統無法有效地運作。因此，針對此構態的計畫生產量係為每小時9.2片晶圓(wph)。對比地，本發明之處理25片晶圓的該複數晶圓沉積模組使能夠除去因除氣時間長度所致使的裝置生產量限制。由於該等晶圓係被並列地除氣，所以充分使用並列地組配的三PVD模組。如此產生一38.4wph的生產量。程序程式化技術(procedural programming techniques)能夠確保該等晶圓能夠以可能的最短時間進行加工。

Claims

一種半導體基板除氣方法，其包含下列步驟：循序地將複數之半導體基板負載進入一除氣裝置之一除氣腔室中；並列地將該等半導體基板除氣，每一半導體基板之除氣係在與該半導體基板經負載進入該除氣裝置之該除氣腔室的時間有關的一個別時間下開始進行；以及；當該半導體基板已除氣時，將該半導體基板由該除氣裝置之該除氣腔室卸載，而按順序稍後被負載的多個半導體基板仍進行除氣；其中該等半導體基板之除氣係在小於10^-4Torr的一壓力下執行，以及於該等半導體基板之除氣期間，該除氣裝置係經連續地泵送。
如請求項1之方法，其中該等半導體基板之除氣係在小於5x10^-5Torr的一壓力下執行。
如請求項1之方法，其中該除氣包含輻射地加熱該等半導體基板。
如請求項1之方法，其中該每一半導體基板在卸載之前係經除氣持續一段預定時間。
如請求項1之方法，其中至少三個半導體基板，較佳地至少20個，更佳地，至少50個半導體基板係循序地被負載進入該除氣裝置。
一種用於半導體基板除氣的除氣裝置，其包含：一除氣腔室；一負載及卸載構件，其用於循序地將半導體基板負載進入該除氣裝置之該除氣腔室以及自該除氣裝置之該除氣腔室卸載而出；一泵送佈置，其用於泵送該除氣裝置以達到對該等半導體基板進行除氣的一所需壓力，其中該所需壓力係小於10^-4Torr；以及一控制器，其容許該等半導體基板循序地被負載以及並列地除氣，每一半導體基板之除氣係在與該半導體基板經負載進入該除氣裝置之該除氣腔室的時間有關的一個別時間下開始進行，其中該控制器判定一半導體基板已除氣並致使經除氣之該半導體基板由該除氣裝置之該除氣腔室卸載，而之後按順序被負載的多個半導體基板仍進行除氣；其中該裝置係經組配以使得在該等半導體基板除氣期間，該泵送佈置持續地泵送該除氣裝置。
如請求項6之除氣裝置，其進一步包含一或更多用於輻射地加熱該等半導體基板的輻射加熱器。
如請求項6之除氣裝置，其中一旦一半導體基板已經被除氣持續一段預定的時間，則該控制器判定該半導體基板已除氣。
如請求項8之除氣裝置，其中該控制器包含一定時器功能，其監測每一半導體基板接受除氣的時間，以及一旦一半導體基板已經被除氣持續該段預定的時間，該定時器功能可提供一狀況指示器，其中該狀況指示器可直接或是間接地致使經除氣的該半導體基板由該除氣裝置卸載。
一種用於加工半導體基板的群集工具，其包含如請求項6之一除氣裝置。