处理流体中半导体晶片的工艺和装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN94194011.X

申请日:

1994.09.22

公开号:

CN1134123A

公开日:

1996.10.23

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

专利权的终止(未缴年费专利权终止)授权公告日:2001.9.19|||授权|||公开

IPC分类号:

B08B3/00; B08B3/04; B08B3/12; B08B5/00; B08B7/02

主分类号:

B08B3/00; B08B3/04; B08B3/12; B08B5/00; B08B7/02

申请人:

莱格西系统公司;

发明人:

罗伯特·罗杰尔·马修

地址:

美国得克萨斯州

优先权:

1993.09.22 US 08/124,251

专利代理机构:

中国国际贸易促进委员会专利商标事务所

代理人:

杜日新

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内容摘要

提供一种去除半导体晶片上有机物的工艺及一种用化学溶剂干燥晶片的工艺。在干燥工艺中将浸在具有下含水层(152)和上有机层(154)的槽液中的晶片(14)从下含水层经上有机层中提起,移出槽液。也公布了完成该工艺的设备。

权利要求书

1: 用于使沉浸在含水漂洗槽液中的一个或多个半导体晶片 干燥的过程,包括: 将密度小于水的有机干燥溶剂加入到所说槽液中以在所说槽 液中形成下层含水层和上层有机层,所说晶片完全保持浸渍在所 说下层含水层,及; 将所说晶片通过所说上层有机层从所说下层含水层中提升 出。
2: 如权利要求1的过程,其进一步包括从所说槽中移出所说 晶片并在所说槽之外完成所说干燥步骤。
3: 如权利要求1的过程,其进一步包括在所说加入步骤之前 进行的一个或多个湿法处理步骤。
4: 如权利要求1的过程,其进一步包括蒸发干燥步骤,其中 臭氧流在所说晶片表面上通过。
5: 如权利要求1的过程,其进一步包括一个使保留在晶片表 面的有机干燥溶剂蒸发的步骤,其中所说蒸发是通过将所说晶片 暴露在红外线光源而被加速的。
6: 如权利要求1的过程,其中所说有机干燥溶剂是带有大于 5个碳链的不可溶支链烃,密度小于水。
7: 如权利要求6的过程,其中所说有机干燥溶剂是癸烷或 2-壬酮(2-nonanone)
8: 如权利要求1的过程,其中所说含水漂洗槽液是去离子 水。
9: 用于使浸渍在含水漂洗槽液中的多个半导体晶片干燥的 过程,包括通过用不可混溶的液体有机干燥溶剂取代所说含水漂 洗槽液将所说含水漂洗槽液从所说晶片上驱除。
10: 用于干燥半导体晶片表面的装置,其构成为: (a)用于支撑所说晶片与含水漂洗流体相接触的槽; (b)用于将液体有机溶剂引入所说槽的装置,以便使槽中形 成上层液体有机溶剂层;以及 (c)用于将所说晶片通过所说上层液体有机溶剂层从所说的 含水有机漂洗流体中提升出来的装置。
11: 如权利要求10的装置,其进一步包括, 与槽相连用于将流体提供到槽中的装置; 与槽相连用于将气体注入槽的装置;以及 用于将该气体扩散进槽以便使该气体被吸入该流体并与放置 在槽中的每个晶片表面接触的装置; 所说扩散装置包括有一个复合元件,复合元件具有一个可渗 透构件及一个不可渗透构件,所说可渗透构件具有顶部和底部,用 于在可渗透构件的中心部确定一开放空间的装置,及定出位于可 渗透构件的外部周边与确定开放空间的装置之间可渗透构件的顶 部设置的沟槽的装置,所说不可渗透构件具有一个在不可渗透构 件的中心部位定出开放空间的装置,该装置与在可渗透构件的中 心部分定出一开放空间的装置相对应,可渗透构件与不可渗透构 件被联合在一起使得沟槽在可渗透构件的顶部上开放,并被不可 渗透构件所覆盖,以及复合元件通过与槽相连的可渗透构件的底 部被设置。
12: 如权利要求11的装置,其中可渗透装置和渗透装置都包 括由聚四氟乙烯及全氟烷氧基乙烯醚的混合物。
13: 如权利要求11的装置,其中所说槽包括第一侧端和第二 侧端,槽的第一侧端在槽的顶部具有垂直部分,在槽的底部具有向 内缩减的部分,缩减部分长于垂直部分,槽的第二侧端在槽的顶部 具有垂直部分,在槽的底部具有向内缩减的部分,缩减部分短于垂 直部分。
14: 如权利要求13的装置,进一步包括位于槽第一侧端向内 缩减部分的高声波换能器。
15: 如权利要求11的装置,进一步包括位于槽内部在用于扩 散气体的装置的上方的紫外线光源。
16: 如权利要求11的装置,其中用于注入气体的装置设置在 用于扩散气体的装置之下,以便使气体向上被注入扩散装置。
17: 如权利要求16的装置,其中用于将流体提供入槽的装置 提供第一方向上的流体流动而用于将气体注入槽的装置提供第二 方向上的气体与流体流动相反的流动。
18: 如权利要求11的装置,其中用于将气体注入槽的装置提 供单个气体或是一个以上的不同气体组合的气体。
19: 如权利要求11的装置,进一步包括排泄装置。
20: 如权利要求11的装置,进一步包括用于覆盖所说槽的 盖。
21: 如权利要求20的装置,所说盖子上装备有红外线光灯。

说明书


处理流体中半导体晶片的工艺和装置

    本发明涉及半导体制造。本发明特别地涉及一种改进的工艺,这种改进的工艺用于在晶片制造的湿法腐蚀清洗步骤处理中从晶片上去除有机材料。本发明还包括一种装置,它用于在半导体制造处理中所进行的以流体对晶片的处理。

    本发明进一步涉及一工艺,该工艺用于在湿法处理之后对物件如半导体晶片的表面进行溶剂干燥。本发明也涉及用于实行该工艺的装置。

    在半导体晶片制造中几个工艺步骤都要求以流体接触晶片。这样的工艺步骤的例子包括腐蚀,去光刻胶,及预扩散清洗。通常在这些步骤中使用的化学剂由于它们可能含有强酸、碱,或挥发性溶剂而相当危险。

    通常用于以工艺处理的流体接触半导体晶片的装置由一系列槽或洗涤槽构成,半导体晶片的盒式装载架被浸渍在这些槽中。这样的现有湿法处理装置提出了几个困难。

    首先,从槽到槽转移晶片可以导致污染,这个污染对制造处理中产生的细微电路是完全有害的。第二,所使用的危险化学剂及去离子水必须定期用新的溶液来更换,在去离子水的场合通常是用瓶注,化学剂配给系统或从建筑设备中将新的溶液引入槽中。化学剂一般由化学剂工厂制造并运输至半导体制造工厂。因而化学剂制造者所用的水质,运输及贮藏化学剂所用的容器及化学剂的操作都限制了化学剂的纯度。

    此外,随着化学剂的老化,它们被来自空气及晶片地杂质所污染。在流体更新前最后一槽晶片的处理可能不像在新溶剂中晶片的第一槽处理那么有效。非均匀处理是半导体制造中的主要关注焦点。半导体制造的一些流体接触步骤包括从晶片表面去除有机材料及杂质。例如,在集成电路制造中,习惯于将光刻胶涂层烘烤到硅晶片上作为制造处理的部分。这个光刻胶涂层或有机材料在处理之后必须除去。

    一般地,是由掺有过氧化氢或是臭氧之一作为氧化剂的硫酸溶液来进行湿法光刻胶剥落工艺处理。美国专利第4,899,767号及4,917,123号涉及此工艺处理,并发布于CFM技术。然而,在半导体制造中用硫酸及氧化剂从晶片上去光刻胶是有许多不利之处的。首先,当使用过氧化氢作氧化剂时去光刻胶反应的副产品是水,它稀释了槽液的浓度并由此降低了其去光刻胶的能力。第二,这个处理是在一高温下操作的,一般在80℃到150℃之间,典型在约130℃以上,这就要求必须使用特殊的耐热材料及元件以便容纳、循环并过滤溶液,而且要求一附加能量来进行清除处理。第三,溶液对操作及清除都是危险的,对制造,运输及贮存是昂贵的。

    此外,由于溶解在处理所用液和不溶解在液中的杂质的结垢现象,溶液必须周期性更换。典型地,用于更换化学剂的间隔是约每八小时一次。由于化学剂对排泄管道有不利影响,在清除前溶液必须冷却至小于约90℃。因而,去光刻胶处理的使用要求用附加的槽来容纳热的溶液或在更换化学剂期间关闭处理站,减少了晶片生产量并增加了厂主的费用。

    最后,在为去除光刻胶而使用硫酸溶液之后,由于残余硫酸盐可能在处理期间在晶片上结晶,从而导致处理缺陷,必须将晶片在热的去离子水中漂洗。

    另一个被经常用于去除有机和金属表面污染的工艺处理是“RCA清洁”处理,它使用氢氧化铵,过氧化氢的第一溶液及晶片以及盐酸,过氧化氢的第二溶液及晶片。这些RCA清洗溶液典型地是在分离的槽中被混合。晶片首先经受由氢氧化铵溶液的清洗,然后转移至洗涤槽,之后放到含有盐酸清洗溶液的槽中,然后放到最后的洗涤槽。这个处理,就像硫酸处理,具有使用强化学剂的缺点。此外,在从槽到槽的转移中晶片暴露于空气,允许了污染。最后,过氧化氢的使用可能使晶片受来自在高pH值的氢氧化铵溶液中沉积的铝的铝污染。这个铝污染在盐酸溶液中没有完全被去除。

    为了改进用于以流体处理半导体晶片的工艺处理和装置,已采取了各种方法。这些要改进现有工艺的打算一般包括在装置中的改变或是在工艺所用化学剂中的改变。

    一种去除在流体处理处理中晶片污染问题的方法在美国专利第4,778,532号4,795,497号,及4,917,123号中被披露。这些专利描述了一种封闭全流方法及装置,这个方法允许工艺所用流体依次且连续流过晶片,不需要在工艺处理步骤之间操作晶片的操作人移动。然而,这些专利仍然告之的是使用危险化学剂来进行晶片的流体处理及清洗。此外,由于所有处理的次序是在同一容器中以浓缩溶液来进行,用于被封闭装置的设备在晶片生产量上受到限制。

    美国专利第4,899,767号告之了用于准备硫酸和氧化剂溶液的分离混合槽的使用,然后这个溶液必须被运到处理槽中。使用该分离槽的原因是消除由于过氧化氢分解成氧和水构成压力,从而引起的爆炸的可能性。

    美国专利第5,082,518号,授给SubMicron系统公司,描述了一个不同的方法来改进清洗半导体晶片的硫酸和氧化剂处理。在这个专利中的系统提供了一个气体分配系统,该系统包括一个带有扩散孔以便贯穿槽的液体中分布气体的喷雾器板。因而不是使用美国专利第4,899,767号那样的用于混合的分离槽,这个SubMicron专利提供了一个装置,该装置将臭氧直接分布在含有硫酸的处理槽中。然而,已发现这个扩散系统有一些缺点。第一,臭氧分布的效率及到水中的吸收电子装置所产生的臭氧大气泡而被降低。吸收的臭氧量对其与硫酸反应从而从晶片上去除有机材料的能力是重要的。此外,在美国专利第5,082,518号中描述的扩散元素类型不能通过槽来均匀地分布臭氧。最后由于在改进晶片清洗过程的以前的方法中,需要危险化学剂,就增加了操作及去除问题。

    Ohmi等人在电化学学会会刊(J.Electrochem.Soc.)1993年3月第140卷,第3期第804—810页上提出了一种去除使用危险化学剂问题的方法,该方法描述了使用注入的臭氧超纯水以便在室温下从硅晶片上清洗有机杂质。然而,这个处理也有几个问题。Ohmi等人只提出了一个去除非常薄层的有机材料的处理,即从平版印刷处理中留下的表面活性剂层。Ohmi等人描述的处理不能在一合理时间框架内去除光刻胶。这个工艺处理的目标是针对小于50A的有机污染层并只对此起作用。这个处理太慢以致不能对50—250密耳(mils)的有机污染层起作用。因此能够快速地并有效地从半导体晶片上去除所有厚度的有机材料而且不使用危险化学剂的工艺处理在这一工艺中仍不能获得。在半导体制造中能够消除前面所述及问题,同时提供有机材料的有效去除,这样的去除有机材料的工艺处理对半导体工业是很有价值的。此外,用于进行这样一个处理的装置,即消除对多个槽需求的过程的装置,对该工业也是极具价值的。

    在上面所述的清洗处理完成之后,通常将晶片漂洗并干燥。现有技术中,通过在一旋转漂洗器—干燥器中的离心力将半导体,晶片干燥。由于这些装置依靠离心力,它们的应用会导致几个问题。第一,在晶片上产生机械应力,可导致晶片断裂。第二,由于在旋转—漂洗器—干燥器内部的运动部分,污染控制变成了一个困难的问题。第三,晶片在现有技术中是以高速通过干燥氮气运行,在晶片表面上产生静电荷。在打开旋转漂洗器—干燥器时由于带相反电荷的空气中颗粒被快速拉向晶片表面,就产生了颗粒污染。第四,在旋转处理中避免水从晶片表面上蒸发是很困难的。由于超高纯度水与晶片表面的更为短的接触周期将使得水溶解微量硅或二氧化硅,含有被溶解硅(沉积硅或二氧化硅)或二氧化硅的水的蒸发将导致晶片表面的条纹或斑点。条纹或斑点常常最终地导致装置失灵。

    用于干燥半导体的另一个方法是以蒸汽例如异丙基醇(“IPA”)进行的蒸汽干燥,该方法披露了美国专利第4,984,597号上。在这个处理中,以前用去离子水的依次槽液漂洗的晶片在这之后被暴露于装在全封闭器皿中的异丙基醇(IPA)的过热蒸汽中。这个干燥蒸汽直接从表面取代水,取代速度是这样的即在用干燥蒸汽取代水之后基本没有液滴留在表面上。然后干燥蒸汽用一干燥的惰性气体流吹洗(purged)。这个干燥蒸汽与水是可混合的,与水形成最低蒸发共沸点并且在水与这个晶片同温时干燥蒸汽工作得最好。干燥处理只花几分钟。

    美国专利第4,778,532号披露了一个二步骤化学剂干燥处理。首先,将漂洗流体,较好的是水从晶片上驱走并由无水可混合干燥流体来取代。第二,用一已预干燥的气体以低流速蒸发无水干燥流体。最好是惰性气体如氮气。在所披露的这个处理中,将无水干燥流体加热来形成一蒸汽,这个蒸汽进入晶片槽并在其内部表面冷凝,包括要干燥的晶片表面。冷凝的蒸汽从晶片表面取代液体漂洗流体。已披露干燥流体作为一种气体从干燥流体液体源向晶片槽内部的输运是较可取的。

    欧洲专利0385 536A1披露了一种干燥方法,其中将一基板浸入一槽液中一些时间,槽液中含有一种液体,然后从槽中慢慢取出基板,如此之慢以致实际当中液体的总量保留在槽液中。将该基板直接从液体中与一蒸汽相接触,这个蒸汽并不冷凝于基板上,是一种与该液体及产物可溶合的物质,当与之相溶合时,混合物的表面张力低于该液体的表面张力。将晶片从槽液中慢慢地拉出,如此之慢以致在实际当中液体总量停留在槽中(即5厘米/分)。然而是,这个资料披露在晶片被从槽液中拉出之后可能希望在晶片表面保留一个水的薄层。所用溶剂是完全挥发的并具有在水中的高于1克/升的溶解度。辛烷(octane)与这个处理是不相容的。这个披露的工艺处理要求在将晶片拉出槽液之前从盒中去除晶片,然后在蒸汽干燥之前从盒中重新插入晶片。蒸汽在晶片表面上并不会冷凝。

    美国专利第4,984,597号披露了一个类似干燥处理,其中干燥蒸汽被提供在晶片表面上,提供的方式是这样的通过在表面上直接取代漂洗流体的方式蒸汽更替漂洗流体,取代速度为在干燥蒸汽取代漂洗流体之后基本上无液滴留在表面上。最好是,在全封闭的液压充满系统内从上述物件上提供干燥蒸汽,干燥蒸汽随着液体水平向下退而将漂洗液体推出。

    然而,存在着与上述化学剂蒸汽干燥处理相连系的几个缺点。首先,有机溶剂的蒸发具有着火的危险,因为蒸发通常由加热取得。第二,处理所需的大量蒸汽产生了散发和回收问题。第三,所有上述技术使用附加的硬件,这要增加费用并要求更多的清洗室的场地空间。第四,晶片的化学剂蒸汽干燥是相当花费时间的。第五,标准处理的晶片操作盒,舟或末端操作装置的干燥时间是很慢的并且干燥并不总是完全的。第六,蒸汽干燥对于可接受的干燥结果来说只允许溶剂的有限选择(即,那些与漂洗流体如异丙醇及水形成共沸点的物质)。

    也希望在一单个槽中进行所有处理步骤,包括干燥。

    因此,本发明的一个目标是提供一用于在同一槽中干燥物件表面如半导体晶片表面的工艺处理,在这个槽中也完成其它处理步骤。

    本发明的另一个目的是提供一用于干燥物件表面如半导体晶片表面的处理,其中在晶片表面上的条纹或斑点被减至最少因而提供较高的成品率。

    本发明的再一个目的是提供一用于干燥物件表面如半导体晶片表面的处理,其中晶片上产生有最小机械应力,晶片的污染最小及在干燥处理中晶片不接受静电荷。

    本发明还有另一个目的是提供一用于在物件如半导体晶片的表面上干燥的处理,这个过程不需要大量有机蒸汽的发生,操作及回收。

    本发明的进一步的目的是提供一用于物件如半导体晶片的表面的干燥处理,这个过程减少所有的时间及减少晶片操作。

    本发明的这些及其他目的通过参看下列说明及其附加权利要求书而明确。

    上述目标的取得是通过将一个或多个半导体晶片浸入含水漂洗浴槽的化学溶剂干燥处理来进行的,其构成为,将低于水的密度的有机干燥溶剂加入浴槽以在浴槽中形成一下层含水层及上层有机层,将晶片保持完全沉浸在所说下层含水层,通过上层有机层将晶片从下层含水层中提出并进行干燥晶片的蒸发。

    这些目标也可以通过这样一个处理来取得,使在含水漂洗浴槽中沉浸的多个半导体晶片干燥。其构成为,通过以液体有机干燥溶剂取代含水漂洗槽液以将含水漂洗液从晶片上驱除。

    本发明的另一个实施例包括一个干燥半导体晶片表面的装置,其构成有:用于支持晶片与含水漂洗流体接触的槽,将液体有机溶剂层引入槽以便它形成一上层液体有机溶剂层的装置,以及用于将晶片通过上层液体有机溶剂层以含水有机漂洗液体提出的装置。

    图1是根据本发明用流体处理半导体晶片的装置的侧剖面示意图。

    图2是本发明槽的正剖面示意图。

    图3是本发明气体扩散器最佳实施例的三维分解示意图。

    图4示出了根据本发明的用于半导体晶片溶剂干燥的装置。

    本发明的一个实施例的处理去除了在制造处理中在从半导体晶片上除去有机材料时使用危险化学剂的需求。虽然在室温或更高的温度下臭氧在去离子水中几乎不溶解,但申请者惊讶地发现通过低温去离子水溶液扩散的臭氧可以快速有效地从晶片上去除有机材料如光刻胶且不使用其他化学剂。虽然没有料想到,但人们确信这种溶液温度的降低可以使得溶液中有高浓度的氧从而提供晶片上基本所有有机材料与不可溶气体的氧化。

    在光刻胶的去除中,本发明的处理导致了现有的有机材料与不可溶解气体如CO2及NO2的氧化。这些气体以气泡形式跑出液体并从系统中被抽出,通常抽进一个排气罩或其他排抽装置。

    为了在去离子水中获取足够高的臭氧浓度,通常将槽液维持在约1℃到约15℃。低于约1℃槽中可形成冰。由于这些半导体处理槽典型地是用石英做的,冰可以引起石英破裂并阻止硅晶片进出处理器皿的运动。此外,由于水已改变物理状态以液态变为固态且不能均匀吸收气体,系统将会失灵。在15℃以上,足够量的臭氧可能不能以及时的方式被吸收到去离子水中从而去除半导体晶片上的有机材料。在一个最佳实施例中,槽液在约5℃到约9℃。

    用那些在本领域受过专业训练的人们所知的任何装置可维持一适当温度,包括槽液自身冷却或最好通过以新鲜,低温去离子水不断供应槽液的方法冷却槽液。在一个最佳实施例中水被用作工艺处理的化学剂并且全部或部分水在进入处理区之前经过一冷却器。

    可将晶片直接放入槽中,槽中含有被冷却的并臭氧化的水或较好地是将晶片放在一去离子水槽中并且臭氧在槽中被扩散。较好地是将臭氧在低温水溶液中扩散一段时间,这个时间足以使在晶片上的基本全部有机材料氧化。臭氧扩散进水中所需时间量依赖于要被去除的有机材料的性质及材料量。水槽液的比温度也影响臭氧扩散时间,因为臭氧被吸入水的量依赖于温度,并且水溶液的氧化能力依赖于所吸入的臭氧量。

    一般地,将臭氧扩散进去离子水约1到约15分钟。在最佳实施例中,臭氧被扩散进去离子水中约5到约10分钟。

    另一个变换的实施例中臭氧被扩散进水溶液并被暴露于从一紫外线光源而来的紫外线中,为的是产生氧化晶片上的有机材料或光刻胶的氧的自由基及氧分子。

    在水溶液中的臭氧充分氧化了有机材料之后,用新鲜的去离子水漂洗晶片约1到约5分钟。这个漂洗步骤一般在环境温度。在本发明的最佳实施例中,用加热到从约65℃到85℃的去离子水漂洗二次晶片以便从晶片表面去除水溶性金属,如钠Na和钾K。碱和碱土金属来源于光刻胶内的污染物。

    用本发明的过程去除有机材料可在任何类型的晶片槽液或晶片清洗装置内发生。此外,本发明的臭氧化的水处理由臭氧与溶液中的每一个晶片接触,氧化光刻胶或其他有机材料而进行。因而臭氧必须以这种方式在槽中分散,即由臭氧接触每个晶片。

    不像硫酸处理,其中光刻胶被拔起并消化在化学剂中(被氧化),而本发明的吸有臭氧的水处理并不把光刻胶从晶片上拔起,而只是依靠臭氧与晶片接触而氧化光刻胶。如果臭氧不能被适当的在槽中扩散或由于晶片。保持器皿而使晶片被遮盖,则光刻胶不能被去除。因而,最好是将臭氧这样放在槽中以致于它充分地被吸入水中并在接触区域与每个晶片的面均匀接触。这样,就有了有机光刻胶与不可溶气体的直接氧化,消除了在槽液中形成颗粒问题及对过滤设备的需求。

    在最佳实施例中,本发明是在图1的装置中进行的。处理是在一加罩的,被排空的湿法站(hooded,exhaustedi wet station)中发生的,带有固定就位(in place)的臭氧监控和适当的催化破坏设备(catalytic destruct equipment)。被涂有光刻胶的晶片或从其上要除去有机材料的其他晶片被引入处理槽13,槽中充满低温去离子水(1—15℃)。槽在处理中以低流速(约0.5克/分)喷流方式运行,带有馈水线7,它流经冷却器8,以便提供被冷却的去离子水流。然后臭氧从臭氧发生器6经管道5进入槽内经在此处的扩散器4扩散。去光刻胶是定时的,在此之后关闭臭氧并且用连续高流速(约10—15克/分)的去离子水漂洗晶片。排出线12被转向去离子水回收10,新鲜去离子水就被起动用于漂洗,在定时的低温去离子水漂洗之后,晶片可有选择地接受热离子水漂洗。

    在本发明的一个特别最佳实施例中,这个处理是在包含有图3的气体扩散器的图2的槽中进行的。然而,虽然本发明的图1的装置,图2的槽及图3的气体扩散器对用于本发明的吸入臭氧的水处理是尤其好的,但它们也可用于进行半导体晶片的任何流体处理。特别是,以前所知的从晶片上去除有机材料的方法可用在本发明的装置及槽中。申请者已发现本发明的装置可用于有效进行以前所知处理而不需多个槽。此外,本发明的装置提供了在现场产生化学剂的能力,避免了老化的化学剂及从远处运输危险化学剂的问题。

    用于以流体处理半导体晶片的最佳装置包括用在一加罩,被排抽的湿法站中的槽。槽一般具有与该槽相连以向槽内提供流体的装置,用于支持槽内的至少一个晶片与流体相接触的装置,与槽相连以便向槽内注入气体的装置,以及将气体扩散进槽以便气体被吸进流体并接触放在槽内的每个晶片的表面的装置。

    图1示出本发明的一个最佳实施例。槽13装有用于处理半导体晶片的流体。

    用于向槽13提供流体的装置一般是一个与该槽相连的管道,但是由那些在本领域中受过专门训练的人们所知道的用于将流体的流动提供到槽中的任何设备或装置都可以使用。可以通过例如全氟烷氧基乙烯醚(PFA)导管或管道,聚四氟乙烯(PTFE)导管或管道,聚偏二氟乙烯(PVDF)导管或管道,或石英导管将流体提供到槽中。在最佳实施例中,PFA管是用喇叭口管接口连接的方式被连到槽中。

    在图1所示的最佳实施例中,用于提供流体的装置是在槽底部通地馈线7使流体以向上方向流入槽13。一般地,槽是根据连续溢流原理工作的,所以当流体从提供流体的装置向上流动并到达槽的顶部时,流体将溢出槽进入溢流孔1,使得新鲜的流体在槽的底部被引入。从处理槽引入并除去流体的这种方法在半导体制造领域是为人熟知的。

    从溢流孔1流体被馈入返回线12。三通阀11的运行或是通过线9使流体再循环或是通过排泄线10排出流体。

    用于向槽中注入气体的装置是在本领域中受过专业训练的人们所知的任何用于向槽提供气体以对半导体晶片进行处理的装置。气体可通过例如PFA导管或PTFE导管或管道到达扩散器的底部。较好地是带有喇叭形管接口的PFA导管,其被用于向槽内注入气体。

    图1示出了通过5将气体注入槽的装置,5在槽的底部与槽相连,并低于用于将气体扩散进槽的装置。管道5直接馈入扩散器4来为槽提供均匀的气体流动。

    用于支持至少一个晶片在槽中与流体接触的装置(图2所示)可以是本领域中专业人士所知的任何的用于将晶片置于与处理溶液相接触的装置。用于此目的的晶片舟和盒是人们已熟知的。

    较好的是当将要在槽中进行本发明的吸有臭氧的水处理时,舟或盒允许流体越过在槽中的每一个晶片均匀流动。在最佳实施例中,为了使得流体越过晶片的流动有最大自由度,使用了在槽中支持晶片的无盒体系。一个最佳支持体系是用了4杆端操作装置15(effec-tor)(图2),端操作装置使得晶片可以在支持下只在2点被接触。图2示出了连于端板的四个支持轨的端视图。在5点和7点时钟位置的接触点及晶片槽沟的深度不大于约2mm。在这个最佳实施例中,晶片支持系统以一小角度牢固的支持着硅晶片,在晶片之间有均匀的间隔。

    用于扩散气体的装置是将臭氧或其他气体的微小气泡提供入槽并贯穿槽中均匀分布这个气体的任何装置,它确保每一个晶生由被吸入流体的气体所接触,较好的是扩散器提供的气泡初始直径约25到约40微米。

    用于扩散气体的装置可以被用来将任何气体运进在流体处理中所用的槽,如氯化氢气,氨,氟化氢气,氯气或溴。这些气体通过或是单独的或是结合的,或是带有臭氧或是不带臭氧的扩散装置被送进在处理槽中进行不同的化学反应。

    较好的是,用于扩散气体的装置由具有一可渗透构件和一不可渗透构件的混合元件构成。可渗透构件具有一顶部和一底部,一个在这个可渗透构件中央部分确定一开放空间的装置,及一个确定槽沟(trench)的装置,槽沟定位于在确定开放空间装置与可渗透构件外圆周边之间可渗透组件的顶部上。不可渗透构件具有一个在不可渗透构件的中央部分确定一开放空间的装置,这个装置与在可渗透构件中央部分确定开放空间的装置相对应。可渗透构件与不可渗透构件相连接以便使在可渗透构件顶部上的槽沟定位于可渗透构件及不可渗透构件之间。混合元件最好用与槽底部相连的可渗透构件的底部来定位。因而,混合元件的可渗透部分与槽的底部相面对,混合元件的不可渗透部分与槽的顶部相面对。槽构的开放部分在混合元件内部二构件之间。

    本发明的气体扩散器4是通过允许被接收进扩散器的气体通过可渗透构件的孔扩散进流体溶液而工作的。气体首先流进可渗透构件的槽沟部分,因为这个区域对气体流动提供最小阻力。由于气压增加,已流入槽沟的气体通过可渗透构件的孔出来扩散进槽中,由于在可渗透构件的顶部的不可渗透构件防止了气体从扩散器顶部流出,从扩散器底部和侧边部扩散出的气体向下流动。当用于提供流体的装置在槽底部时,气体的这个向下流动是与流体流动反向流动的,使得向上流进槽中的流体对气体的良好吸收。

    希望扩散器是疏水的以便阻止水回流进气体线,这种回流可导致气体调节箱处的金属腐蚀,此外,扩散器应在化学性能上与臭氧相容并在化学性能上是纯净的以避免将阳离子、阴离子或颗粒夹带进处理槽液。

    气体扩散器最好是由PTFE和PFA的混合物构造的。通过改变该混合物的制备温度和压力,这个混合物的制备是用本领域人员所熟知的方法进行的,则不仅形成多孔而且形成无孔构件。不可渗透和可渗透构件最好由约95%PTFE及约5%PFA构成。可以通过任何数目的方法来使可渗透构件及不可渗透构件联合只要所产生的混合元件在槽中的应力下不分离即可。较好的是将构件热焊(hedtsealed)在一起,用碳一碳链使构件根本熔化或融合在一起。

    一旦形成可渗透构件,在该构件的顶部中就由PTFE中生成槽沟。所产生的扩散器具有直径尺寸在约25到约40微米的孔,数量级在约100,000个孔上,通过这些孔气体可渗透进入处理槽。扩散器中使用槽沟使得气体可以以非常微小的气泡扩散进槽中,这些微小气泡可很容易地被吸入流体并通过槽均匀分布。

    根据本发明的最佳实施例的扩散器在图3中示出。不可渗透构件30是混合元件的顶部分。可渗透构件31是混合元件的底部分,在其中生成有槽沟32,用来通过槽均匀分布气体。较好的长方形外形的扩散器如图3所示。但也可用其他外形如用于正方形或长方形槽的平行杆,或用于圆形或锥状槽的环形扩散器。在最佳实施例中,扩散是槽底面积的约1/4。

    扩散器坐落在槽的底部并且可以用任何适当的装置被连到槽上。较好的是,应用未用过的端塞(end plug)连到槽上。该端塞首先被插入扩散器然后整个装置被安在槽上。管道5从槽底部将气体直接馈进槽的底部。这使得气体进入槽沟然后以可渗透构件的底部和侧边部以均匀方式扩散出来。

    图2中示出了这个最佳实施例的槽(标码与图1相对应),它进一步示出了在槽13中由最佳支座15所支撑的晶片14。槽13具有至少二个侧端,它们带有向里缩减的部分用来减少晶片处理所需的化学剂体积。二个侧端之一在槽的顶部具有垂直部分并且在该器皿底部具有向里缩减的部分,缩减部分长于垂直部分,而槽的另一端在槽顶部具有垂直部分,在该器皿底部具有向里缩减的部分,缩减部分短于垂直部分。这种槽结构减少了约27%的在处理处理中所用的化学剂体积并使得槽中化学成分快速移动

    槽13的结构在使用高声波换能器(megasonie transducers)时也提供了优点。槽13在其上可安有一个或多个高声波换能器用来搅动溶液。换能器最好在与气流垂直及与垂直方向偏30°间定向,晶片与高声波来平行定向。

    高声波换能器在一最佳实施例中是被装在具有长缩减部分的槽的一端。与此端相对是较短的缩减端。这二端的缩减是为了完成二个作用。第一是保证高声波波能不从远处槽壁反射并返回换能器。这样的被反射能量将导致换能器烧坏并由导致部件的短寿命。选择缩减槽壁的第二个原因是使高声波能通过硅晶片体积要被处理的区域并利用从远处槽壁反射的波束来造成其第二次经过硅晶片区。在这么做的处理中每一个高声波脉冲都二次通过晶片从而增加了去除颗粒的效能。

    槽13也可装有紫外线光源3以便从溶液经受紫外线(UV)辐射。紫外线源可装在槽外边或,较好的是如图1及图2所示在3的位置。在本发明的吸入臭氧的水过程操作中可利用紫外线光从直接进入处理槽的发泡臭氧中产生氧自由基,过氧化氢及氧分子,用于去除晶片14上的有机材料。

    在另一个实施例中,槽中装有一个在图4中示出的盖子157,用于关闭槽,槽上具有安装在该盖子上的红外线光源159。红外线光可用于在处理之后干燥晶片的目的。红外线光源放在盖子上结果当盖子关闭时光源在流体上方并被向下引入流体。

    虽然这里讨论的用于以流体处理半导体晶片的装置,槽及扩散器最好用于本发明的吸入臭氧的水处理,所提供的结构也可用于一些其他处理处理,通过提供一在原处产生化学剂的仪器,所提供的装置除去了对多个槽的使用的需求结果在一个槽中可进行一个处理的几个步骤而不用移动晶片。因而可用扩散器来将任何气体引入用于半导体晶片的流体处理或流体形成所需的槽中。在本领域中普通技能之一是通蛲在使用各种气体时所需的槽材料。

    例如,不仅上面描述的硫酸清洗处理而且RCA清洗处理可在现在这个装置中快速有效地被进行,不需要多个槽或分离的混合槽。

    对于硫酸处理,酸通过溢流孔内的一个运输管进入槽中,结果酸在进入槽的处理区域前首先过滤。酸从再循环部件的运输是通过槽的底部进行的。在带有光刻胶的晶片被引入槽的处理区域之后,臭氧被扩散进槽同时起动高速声波换能器。使用臭氧的其他类型硫酸清洗是通过扩散器将臭氧(O3)扩散进槽中,槽中放有带有光刻胶的晶片,然后起动紫外线光。紫外线光将产生氧自由基来与硅晶片上的有机物质直接反应并作为氧化剂起作用,氧自由基与硫酸反应形成与光刻胶发生反应的传统过一硫酸(Caro’s Acid)。这个反应与双频换能器的声能同步。

    对于RCA清洗,槽以溢流模式工作。去离子水以可变流速(0.5,1,5及10克/分)连续喷流,或槽在静止模式。晶片首先被漂洗,然后水流被关闭。在槽中产生吸入臭氧的水并且/或将吸入臭氧的水吸进槽中,然后将氨气(NH3)扩散进槽来产生SC1溶液。可任意选择的,用与紫外线辐射相联系的臭氧来产生氧自由基。开启高声波换能器,以双频模式及点火交替进行以防止晶体过热。在处理过程中,开启水流来将SC1溶液(从槽底部)从槽中注满。水的注满漂洗是定时的,排出也可具有一水流的阻力监测器。当漂洗槽和晶片时,水流线开启至热去离子水使在处理槽中升高温度。当槽温到达70℃,溢流关闭且槽返回静止模式。臭氧气体然后扩散进槽,并且跟着臭氧气体的是氯化氢气体,以产生SC2溶液。可任意选择,用与紫外线辐射相联系的臭氧来产生氧自由基。启动高声波换能器。在处理之后,水流开启来注满槽并依据时间和阻力漂洗晶片。以热去离子水定时进行最后漂洗。

    本发明也可引入晶片干燥处理及装置。在本发明的干燥处理一开始,晶片最好是完全被沉浸在一含水漂洗槽液(最后的漂洗槽液)中,这个槽液被容纳在一个最好是液压式充满漂洗槽液的槽中。

    漂洗槽液可以是任何类型的以含水液为基础的漂洗液,典型地被用在半导体晶片的湿法处理之后,最佳的漂洗流体是水。然而,根据要被漂洗的晶片表面性质,呈现在该表面的污染的性质,要被漂洗的处理用的化学剂(如清洗或刻蚀流体)的性质,可用其他漂洗流体。可使用的其他漂洗流体包括有机溶剂,有机溶剂与水的混合物,有机溶剂混合物等等。最好是漂洗流体为水,水已被去离子化并过滤以去除被溶解和悬浮物质。

    这样也较好,即漂洗流体作为一单相如液体接触晶片,并且基本无相边界,如气/液边界,当气泡出现在液体中时发生这种气/液相边界。颗粒可以聚结在气/液相边界上。这些粒子可吸附到晶片的表面。疏水颗粒倾向于聚集在这种边面上因而这些疏水颗粒是不被希望的。然而,粒子被吸附于晶片表面也是晶片表面组织的一种功能,亲水性晶片表面如二氧化硅对疏水性颗粒几乎没有亲合性,而疏水性表面如裸露硅是吸引疏水性颗粒的。

    在本发明的一个实施例中,使用如图4所描述的槽来完成本发明的处理。图4的槽除了具有附加设备来过滤干燥处理之外其他与图2的槽相似。用于以流体处理半导体晶片的最佳装置包括用在加罩、被抽空的湿法站中的槽。槽13一般具有被连结到槽用于将流体提供到槽的装置7,用来支撑在槽中的至少一个晶片与流体相接触的装置15,用于排泄的装置153,用于引入有机干燥溶剂的上层的装置154,以及溢流孔1。

    用于支持在槽中的至少一个晶片与流体152接触的装置15可以是那些在本领域中受过专业训练人干所已知的任何装置,用以将晶片如上所述与处理溶液相接触。

    用于将有机溶剂引入槽上部分的装置154一般是一个与槽的上部分连接的管道,但是本领域受过普通专业训练的人士已知的任何用于将流体流动引入槽的仪器或装置都可使用。流体可以由例如PFA导管或管道,PTFE导管或管道,PVDF导管或管道,或石英管被引入槽13。最好使用PFA导管或管道。在最佳实施例中,将PFA管用喇叭形管接头连接连到槽上。

    排泄装置153一般是在本领域中受到普通专业训练的人士所知的任何用于从槽中去除流体的装置,根据本发明的一个实施例,排泄装置153位于槽13的底部并包括一个用于控制从槽中被排泄液体的体积的装置。用于控制从槽中被排泄流体的体积的装置可以是一个简单的阀门装置或本领域中具有普通技能的人士所知的任何其他仪器。

    应该了解到如图4所描述的溢流孔(1)是围绕着槽箱13上部开放面的一个单沟槽设计。在一个实施例中溢流孔1装有沟槽排泄装置52,该沟槽排泄装置52可以是在本领域中具有普通技能的人士已知的任何型排泄装置且可任意选择包括一阀门。沟槽排泄装置52与有机干燥溶剂收集装置55以流体连结,有机干燥溶剂收集器55可以是本领域具有普通技能的人士已知的安全容纳有机溶剂的任何装置。较好的是,使用干燥溶剂收集装置55。溶剂收集装置55可以是回收罐(reclaim canister),它通过有机溶剂馈入装置163以其底部馈给。一旦回收罐已装满有机干燥溶剂,有机溶液馈入装置163可用作对用于引入有机溶剂的装置154的有机干燥溶剂替换源。

    由于可以消除罐中水的结垢,所以从底部馈给的回收罐是较可取的。在溢流处理中一些从槽中而来的有机干燥溶剂,从漂洗槽液中来的流体可以进入溢流孔并最终进入溶剂回收罐。在不运行期间,在回收罐中的漂洗槽液和有机干燥溶剂将沉积并在罐中形成二层。含水漂洗槽液将沉积在回收罐的底部而有机溶剂将沉积在漂洗槽液的顶部。如果在下一个干燥循环中溶剂从回收罐〔像一个灌注器(sy-ringe)〕的顶部被给出,则一些水可在回收罐中保留于后。在用了许多次后,水可最终在回收罐中取代溶剂则干燥器可能失灵。为了防止水在回收罐中结垢,通过有机溶剂馈入装置163从底部将流体汲出。这就保证了在每一个循环之后,全部的水以回收罐中被排出。因而,溶剂到达槽使得溶剂通过有机溶剂馈入装置163从回收罐的底部馈给但通过沟槽排泄装置52从溢流孔1返回回收罐的顶部。

    如前面提出的,晶片应全部沉入最后漂洗槽液152。在本发明的实施例,晶片在液压充满的槽箱中处于沉浸状态,槽箱充满的是含水漂洗槽液。含水漂洗流体150然后被排泄以便用于有机干燥溶剂的添加。典型的是,通过排泄装置153排泄最小为0.5英寸或更多。然而,晶片顶部将连续完全沉浸在漂洗流体152中。

    这里,通过用于引入有机溶剂的装置154然后将有机干燥溶剂150引入槽箱的顶部。足以干燥晶片的有机干燥溶剂高度将依靠溶剂,晶片从槽液中拉出的速度,槽液的温度及槽液上的压力而改变。典型地要求溶剂最小高度0.5英寸。晶片从槽液中被拉出的速度愈快,则有机干燥溶剂层应愈深。该层将从在10秒或更长的晶片转移时间内的10mm厚度改变到在2—4秒晶片转移时间的18mm厚度。所增加的干燥流体体积应与被排泄的漂洗流体体积相对应以便使槽箱保持液压充满至槽箱13的顶部。

    在一个实施例中,排泄与填充是同时发生的以致使槽总是液压充满并槽箱中的总流体高度保持恒定。正如本领域中具有普通技能的人士所知的那样,有机与含水溶液的混合给出了与未混合组分的总体积不同的最终体积。对此应提供适当补偿。

    为了将有机干燥溶剂与漂洗水液分离而不使用附加的萃取设备或溶剂回收/蒸馏系统,相界是必须的。溶剂与含水漂洗槽液最好不能溶解并在含水漂洗槽液的表面上流动。最好使用在水中的溶解度小于0.1克/升的溶剂。有机干燥溶剂的密度必须小于含水漂洗槽液的密度。因此,如果含水漂洗槽液的密度为1,则有机干燥溶剂的密度必小于1。

    为了减少干燥处理的挥发性有机化合物散发(VOC散发),溶剂也最好具有低的蒸气压力。如果溶剂具有高速蒸发,它不只需要再充满,而且还要求减压设备去收取气体并且或是使其烧起来或是使其冷凝并使气体再循环。无论是这样还是那样,所期望的溶剂将最好是在室温下保持液态并具有低的蒸发速率。这个目的是为了过程之中的溶剂损失(包括挥发和液体散发)减至最小。具有小于每天0.5磅(165)的干燥器是较好的。

    选择溶剂的另一个重要标准是安全性。例如,溶剂最好不是致癌物。因此醇类和脂肪族比芳香族如苯更可取。

    除了上述的标准,在选择溶剂时也应考虑特殊的晶片工艺处理。

    当接于干燥的下一个晶片工艺处理步骤是高温扩散步骤时,最好在晶片表面上留一小的有机层,因为它可作为用作基础的基片的保护层起作用并在膜的高温沉积(800—1600℃)之间易于以低温(200—400℃)在扩散炉中被除去。因此,当下一个晶片工艺处理步骤是高温扩散步骤时,溶剂只需满足上述标准即可。特别地,溶剂应具备与含水漂洗槽液的良好相界及低的VOC散发。

    当接于干燥的下一个晶片工艺步骤是低温化学气相沉积(CVD)时,晶片表面的有机物的微量存在都可能是有害的。它可形成不想要的副作用如碳化硅,可以多晶硅沉积形式在晶片上留下薄雾(haze),或者用于有机干扰使金属膜剥离晶片如硅化钨晶片,在低温CVD沉积中,因而从晶片表面去除所有有机物是较好的。可以用通过溶剂层将晶片拉出去掉水然后将晶片暴露在臭氧,紫外线和红外线加热的气态区来完成这一处理。这就氧化了任何微量残留污染。因而,当下一晶片工艺步骤是低温CVD沉积时,最好使用有机干燥溶剂,这个有机干燥剂由支链或氧化化合物如醚皮酮构成,因为它们比直链烃在臭氧中更快的断裂。因而,不仅直链而且支链烃(脂肪烃,酮及醚)比芳香化合物及会有氮硫或卤素的烃更可取。

    可以用简单地在最后的化学槽液及卸载站之间用铅封一带有臭氧气体的管道(plumbing a tunnel)的方法不占附加湿法站的空间而完成氧化处理,晶片在这个管道中的期间长度是可以被控制的,以便确保晶片充分地被暴露于氧化气体从而取得对有机残留物的完全去除(通常在二到三分钟)。如果希望是无氧化物表面则加入附加的气体步骤,在这个步骤中无水HF气体从管道未满馈入从而使得晶片沐浴在HF气体中。HF气体从管道末端馈入并且晶片在被放在即将抽去的盒中之前沐浴在HF气体中15秒。

    根据本发明的最佳有机溶剂的例子包括辛烷,癸烷,5庚烯-2-酮(5hepten-2-one)及2-壬酮(2-nonanone)。当希望保护层时,芳香族较好。期望无碳表面时,氧化酮类较好。根据本发明的有机干燥溶剂也可是一单组分或多组分溶剂。蒸气压力在室温下小于100帕的溶剂较好。带有大于5个碳链并且密度小于水的不可溶支链烃较好。该溶剂不需要与水具有最小共沸点。沸点从140℃到200℃的溶剂较好。

    在加入有机干燥溶剂之后,槽液中存有二相。下层含水相152是由在上述部分排泄之后仍留在槽箱中的漂洗槽液构成。上层有机相154是由有机干燥溶剂构成。

    晶片然后被从下层含水层152中提升出来并经过上层有机层150,因而从在上层及下层的交界151上的晶片表面驱除了漂洗流体。本发明不使用溶剂蒸气去完成干燥。虽然其他机理也可使用,但是人们确信有机干燥溶剂与含水漂洗槽液之间的相界有利于通过去除水来干燥。有机溶剂对硅几乎没有亲合力因而实际上被抽拉干燥的。在这种干燥技术中表面张力也可是一种副作用。

    在本发明的一种实施例中,槽箱装置包括用于去除端操作系统15的提升装置155,端操作系统15支持着晶片。提升装置155可以是二个垂直升降机(lift)每一个在槽的一端并与端操作系统的每一端的端板相连)。然后晶片可以被运至水平自动装置并运行到卸载站。

    升降装置155可以是晶片操作领域中具有普通技能的人士已知的多种升降方法中的任何一种的方法。美国专利第4,722,752号披露了一个这样的装置。升降装置也可是手动升降装置其中把柄连到端操作系统。然而这个系统最好是自动化装置。

    在本发明的一个实施例中,当晶片已越过液体水平时,将水通过去离子水入口从槽箱底部引入以便越过加入到溢流孔1的有机干燥溶剂体积溢流一部分体积。

    一旦晶片越过液体水平线,保留在晶片上的干燥溶剂蒸发。可以用加热或上述的后处理方法(post treatments)包括暴露晶片于臭氧气体,紫外线,红外线和或HF,加快蒸发处理。然而,一旦晶片越过液体,没有水保留在晶片表面。因此,蒸发发生是有机干燥溶液蒸发不是水的蒸发,因为所有的水已从晶片表面被驱除。

    在一最佳实施例中,上述红外线光用于溶剂干燥处理,其中将适当的烃溶剂引入槽箱内流体的顶部而且通过溶剂层慢慢地将晶片升起结果溶剂层从晶片上取代了水。通过使用红外线光将晶片加热到约150℃±30℃及将臭氧气体引入来氧化有机残留物,保留在晶片上的任何溶剂而被蒸汽化。红外线光既可被装在盖子157(最好是石英的)的外部也可装在气体管道170的外部,在从槽箱中去除之后通过这个气体管道,晶片被运走。

    本发明的各种改进及变换在不偏离本发明范围和精神的范围内对于那些在本领域受过训练的人们来说是显然的,应当明确本发明并不被不适当地限制于这里所提出的说明性实施例。

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提供一种去除半导体晶片上有机物的工艺及一种用化学溶剂干燥晶片的工艺。在干燥工艺中将浸在具有下含水层(152)和上有机层(154)的槽液中的晶片(14)从下含水层经上有机层中提起,移出槽液。也公布了完成该工艺的设备。 。

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