CN107210193A - 用于清洗和干燥集成电路基板的方法和装置 - Google Patents

用于清洗和干燥集成电路基板的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于清洗和干燥集成电路基板的方法和装置，该装置包括：保持和定位基板(104)的卡盘(103)；与卡盘(103)相连接以驱动卡盘(103)旋转的驱动单元(105)；位于基板(104)上方的固体板(101)；设置在固体板(101)上以向基板(104)的表面喷洒清洗液的第一喷嘴(107)；设置在固体板(101)上以向基板(104)的表面喷洒低张力液体的第二喷嘴(106)；位于基板(104)上方以向基板(104)的表面供应干燥气体的活动臂(102)。

Description

用于清洗和干燥集成电路基板的方法和装置
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及基板用化学溶液清洗后，对集成电路基板进行清洗和干燥的方法和装置。
背景技术
在处理半导体基板以制造半导体器件的过程中，避免细小颗粒和其他污染物接触基板表面是非常重要的，因为颗粒和污染物会造成器件的产量低和寿命短。因此在产生颗粒和污染物的工艺步骤后执行清洗工艺是至关重要的。如今，清洗方法主要是湿法清洗，一组基板同时清洗(槽式清洗)或者每个基板单独清洗(单片清洗)。由于多种原因，例如制程灵活性、成本效益和废液管理，近几年单片湿法清洗机在集成电路制造领域受到极大的欢迎。在单片湿法清洗机中，基板会用不同的工艺化学液进行一系列的处理，工艺的最终步骤是清洗和干燥。由于干燥是清洗工序的最后一步，它对整个清洗工艺而言是非常重要的。
旋转-清洗-干燥对于单片湿法清洗机来说是常见的清洗方法。在该方法中，化学液处理后，大多数的清洗液在离心力的作用下从基板上甩掉。然而，由于清洗液膜变薄，且达到一个点，在该点由于清洗液膜的粘性阻力比离心力大，离心力不再对清洗液的去除有效，最终，清洗液靠自然或强制蒸发而去除。微量的不易挥发的污染物和细小颗粒存在于变薄的清洗液中，清洗工艺结束后，这些污染物和细小颗粒结合在一起残留在基板上。根据基板的化学同质性，这些不易挥发的污染物和细小颗粒会造成基板上的诸多瑕疵，众所周知的例子就是基板疏水区域的水印。
Maragoni干燥机的开发解决了上述的部分问题，Maragoni干燥机主要使用表面张力梯度力将清洗液膜拉离基板，在干燥过程中，在基板表面留下微小残留清洗液膜。参考美国专利No.6,405,452公开了一种干燥基板的方法，在该方法中，首先将基板浸没在容器内的去离子水中，然后将乙醇蒸汽和惰性气体的混合物通入没有装满去离子水的容器的上部，接着，基板离开去离子水进入到容器的上部，从而去除基板表面的去离子水分子。Maragoni干燥法引入的液体运动只在存在表面张力梯度的情况下起作用，并不保证其他地方没有颗粒和污染物重新附着到基板表面，一旦重新附着，颗粒和污染物将很难去除。为了更好的去除颗粒和污染物，需要一种有效的方法来阻止颗粒和污染物重新附着在基板表面。
发明内容
根据本发明的一个方面，提出一种用于清洗和干燥集成电路基板的方法，包括：以第一转速旋转基板并移动固体板使固体板靠近基板，固体板的底面与基板的上表面之间具有间隙；向基板的上表面喷洒清洗液以形成清洗液膜，清洗液膜覆盖基板的整个上表面；降低固体板并使固体板大体上平行于基板的上表面，固体板上至少有一个区域覆盖基板的中心区域，液桥被限制在固体板的底面和基板的上表面之间；以第二转速旋转基板并向基板的上表面喷洒低张力液体；将固体板从基板的中心区域移动到基板的边缘，在移动过程中，固体板大体上平行于基板的上表面，将活动臂移动到基板上方的位置以向基板上表面供应干燥气体。
根据本发明的另一个方面，提出一种用于清洗和干燥集成电路基板的装置，包括：保持和定位基板的卡盘；与卡盘相连接用于驱动卡盘旋转的驱动单元；位于基板上方的固体板；设置在固体板上用于向基板表面喷洒清洗液的第一喷嘴；设置在固体板上用于向基板表面喷洒低张力液体的第二喷嘴；位于基板上方用于向基板表面供应干燥气体的活动臂。
附图说明
为使本领域的技术人员对本发明更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，其中：
图1A描述了用于清洗和干燥集成电路基板的装置的具体实施方式；
图1B是图1A所示装置的俯视图；
图2A-2G描述了集成电路基板的清洗和干燥工艺的具体实施方式；
图3A-3C描述了集成电路基板的清洗和干燥原理；
图4描述了集成电路基板的清洗和干燥原理；
图5A-5B描述了集成电路基板的清洗和干燥原理；
图6A-6D描述了集成电路基板的清洗和干燥原理；
图7A-7C描述了集成电路基板的清洗和干燥原理；
图8描述了集成电路基板的清洗和干燥原理；
图9描述了用于清洗和干燥集成电路基板的装置的另一个具体实施方式；
图10A描述了用于清洗和干燥集成电路基板的装置的又一个具体实施方式；
图10B是图10A的俯视图；
图11A-11B描述了用于清洗和干燥集成电路基板的装置的又一个具体实施方式；
图12A-12F描述了固体板的各种形状。
具体实施方式
下面将结合附图详细的描述本发明的多个实施例。
如图1A-1B所示为本发明提出的一种用于清洗和干燥集成电路基板的装置的具体实施方式。装置包括用于放置并支撑基板104的卡盘103，卡盘103与驱动单元105连接，驱动单元105可以是，例如马达，驱动单元105驱动卡盘103旋转，基板104随卡盘103一起旋转。驱动单元105可以驱动卡盘103以顺时针方向、逆时针方向或顺时针和逆时针交替旋转。固体板101位于基板104的上方。固体板101的底面可以由以下任意一种材料制成：蓝宝石玻璃、石英、不锈钢或阳极氧化铝。固体板101的底面还可以由以下任意一种可湿性陶瓷材料制成：三氧化二铝或二氧化硅。固体板101的底面还可以由以下任意一种惰性金属或金属合金涂层制成：铂金、黄金、钛或碳化钛。固体板101的底面还可以由以下任意一种可湿性改性塑料制成：PTFE、PVDF或PEEK。
第一喷嘴107设置在固体板101的端部以向基板104的表面喷洒清洗液。清洗液为去离子水或含臭氧的去离子水。第二喷嘴106设置在固体板101的端部并邻近第一喷嘴107，且第二喷嘴106比第一喷嘴107更靠近固体板101的末端，第二喷嘴106用于向基板104的表面喷洒低张力液体。低张力液体可以是以下任意一种：乙醇、IPA、丙酮、乙酸乙酯或者是乙醇、IPA、丙酮、乙酸乙酯的蒸汽形态，较佳的，低张力液体选用IPA液体或IPA蒸汽。活动臂102位于基板104的上方且与固体板101的末端相对以向基板104的表面供应干燥气体，干燥气体可以是以下任意一种：空气、氮气或氩气，优选为氮气。
根据该实施例，本发明还提供了清洗和干燥工艺步骤，其中，去离子水、IPA和氮气被喷到基板104的表面并结合固体板101的应用，颗粒和其他污染物将被有效的去除，并能阻止引入颗粒到基板104表面和装置自身上。使用固体板101的操作步骤可以设置如下：
步骤1：以第一转速ω旋转基板104，ω的范围在10-50rpm，移动固体板101，使固体板101靠近基板104，固体板101的底面与基板104的上表面之间具有间隙。
步骤2：使用第一喷嘴107向基板104的上表面喷洒去离子水以形成水膜108，水膜108覆盖基板104的整个上表面，水膜108的厚度大约3mm，图2A所示为步骤2的示例。
步骤2是去离子水清洗步骤，在这一步骤中，由于基板104以一个相对低的转速旋转，水膜108为连续的水膜并覆盖了基板104的整个上表面。
步骤3：降低固体板101，固体板101的底面大体上平行于基板104的上表面，此处的“大体上平行”意思是固体板101的底面平行或近似于平行基板104的上表面。固体板101紧挨着基板104以便在固体板101的底面和基板104的上表面之间形成液桥，由于毛细现象，液桥被限制在固体板101的底面和基板104的上表面之间。固体板101上至少有一个区域覆盖基板101的中心区域，中心区域包括基板101的中心和靠近中心的区域。
步骤4：以大约300rpm的第二转速旋转基板104并向基板104的上表面喷洒IPA一秒钟，IPA通过第二喷嘴106喷洒到基板104的上表面，图2B所示为步骤4的示例。由于基板104持续旋转，喷洒到基板104上表面的IPA的路径为螺旋状，如图2C所示。在这一步骤中，当IPA喷洒到基板104的上表面时，可以停止喷洒去离子水。
步骤5：以程序预设的速度将固体板101从基板104的中心区域移动到基板104的边缘，在移动过程中，固体板101大体上平行于基板104的上表面。同时，将活动臂102移动到基板104上方的特定位置以向基板104上表面供应氮气，然后开始在该特定位置和基板104的边缘之间做往复运动，活动臂102的运动终点为基板104的边缘，此过程有利于去除颗粒。以大约300rpm的第二转速持续旋转基板104并持续向基板104的上表面喷洒IPA。图2D所示为步骤5的示例。图2E所示为在基板104上表面的IPA的螺旋运动轨迹。
如图2F所示，在步骤5中，较佳的，当固体板101即将离开基板104时，将活动臂102移动到基板104的中心，然后开始基板104中心到边缘的往复运动，活动臂102的运动终点在基板104的边缘。
如图2G所示，在步骤5中，较佳的，当固体板101离开基板104后，将活动臂102移动到基板104的中心以供应氮气，然后开始基板104中心到边缘的往复运动，活动臂102的运动终点在基板104的边缘。
由于液桥被限制在固体板101的底面和基板104的上表面之间，表面张力低于去离子水的低张力液体被引入到靠近固体板101末端边缘的水膜108的自由液面上，且位于基板104的中心区域，在基板104的中心或靠近中心处形成一个表面张力梯度区域。移动固体板101往外推动水膜108，从而打破基板104中心区域水膜108的连续性。由于固体板101向外移动，拖拽下方的水膜108同轨迹移动，固体板101底面下方的水膜108持续与固体板101喷洒的低张力液体接触，可维持固体板101末端边缘表面张力梯度的存在，以推动水膜108向外流动。因此基板104可实现无水痕干燥，且颗粒和污染物随着水膜108一起被去除，并不会再吸附到基板104的表面。水膜108的缩减速度直接取决于固体板101的移动速度和基板104的转速。
在水膜108去除工艺的最后，氮气可以由单独的输送装置供应到基板104上，以帮助残留在基板104表面的挥发性成分蒸发。
根据图3A-3C所示的清洗和干燥原理，表面张力对于干燥性能来说是最重要的。在常用的Maragoni干燥机中，颗粒和水膜的去除是通过从覆盖有IPA层的水中拉基板。20℃，IPA的表面张力为21.3mN/m，去离子水的表面张力为72.7mN/m。由于高表面张力的液体比低表面张力的液体对周围液体的拉力更强烈，表面张力梯度的存在将自然而然的使液体从低表面张力的区域流向高表面张力区域。水面上IPA的量、腔内温度和向外拉基板的速度都需要精确控制。由于低粘度和低表面张力，IPA干燥在单片清洗机中也具有市场。IPA通过喷嘴喷到基板的表面，然后高速旋转基板，通过离心力干燥基板。这种方法非常方便，但对于疏水性和亲水性的混合硅基板表面来说，在干燥过程中，表面可能会存在水印的问题。所有现有的Maragoni干燥技术在干燥过程中具有自由液面，而本发明所揭示的方法将水膜108限制在固体板101的底面和基板104的上表面之间，通过这个方法，无论基板104是否具有可湿性表面，通过固体板101的移动和基板104的转动，以及移动固体板101附加的液体喷洒装置，可维持移动水膜108的连续性不被打破，通过固体板101的拖曳力与两种液体间的表面张力梯度驱动力，使得水膜108彻底从基板104表面拉走。被限制的水膜108的连续性没有被打破，因此从基板104的表面去除时有效避免了滴液的干燥印记，这些干燥印记，通常呈环形形成在疏水面，就是所谓的“水印”，它们因在半导体制造中会降低器件产量而闻名。
当固体板101向外移动，拖动固体板101下方被限制的水膜108同轨迹移动，固体板101底面下方的水膜108持续与固体板101喷洒的低张力液体接触，以维持固体板101末端边缘处的表面张力梯度区域，从而驱动水膜108向外流动。水膜108的缩减速度直接取决于固体板101的移动速度和基板104的转速。图3C所示为固体板101底面下方的水膜108与固体板101喷洒的低张力液体接触的实施例。γc是基板104表面上方和固体板101下方的水膜108的毛细长度，可以由以下计算：
其中，γ是表面张力，ρ是液体密度，g是重力加速度。在本发明所揭示的干燥过程中，γ由于喷洒低张力液体而逐渐减小，当固体板101离开基板104时，γc越来越小。
参考图4所示，图4示意了基板的两种属性。接触角大于90°，基板显示疏水性。接触角小于90°，基板显示亲水性。很难从疏水性的基板上去除表面颗粒，在半导体工业中，常用的去除颗粒的方法是将基板的疏水性改变为亲水性，但在工艺过程中，将在基板上生长轻微氧化层，这对于器件的电气特性是有害的，特别是临界尺寸减小到65nm及以下。开发一种化学氧化层可控的集成性干燥方法和设备是很有必要且急迫的。
如图5A-5B所示为使用固体板101的基板104清洗和干燥的基本原理的一个实施例。如图5A所示，通过旋转基板104，去离子水膜可以保持在基板104的表面和边缘，去离子水膜对于接下来的工艺步骤是非常重要的，例如，防止局部区域的化学浓度高，由于基板104边缘液膜的分离压力，图5A示意了一个不稳定的状态。喷洒IPA且IPA扩散至去离子水膜后，混合液体中将产生表面张力梯度，表面张力和基板104边缘处的分离压力之间的相互作用使得整个液膜分成两部分，如图5B。由于离心力和重力，位于基板104边缘处的部分将从基板104上滴落，图5B中所示的液膜可以解决基板104边缘的水印问题。
如图6A-6D所示为使用固体板201的基板204清洗和干燥的基本原理的另一个实施例。图6A所示为基板204上液相的接触角 和基板的表面特性之间的关系已经在图4中呈现。图6B所示为毛细作用力，发生在液体填满两个活动部件之间的微小空间时。当两个活动部件之间液体接触角小于90°时，由于“液桥”的形成使得两个表面之间存在引力，根据理论得到的表面张力为：
γ＝Fmax/2πr
其中，Fmax是最大过剩力，r是液体的半径。
图6C所示为在低张力液体喷洒到基板204表面的过程中可能发生的现象，该现象由表面张力引起，并对基板204的干燥工艺有害。幸运的是，这种现象可以通过固体板201的应用而避免。如图6D所示，可以看出均匀的液膜覆盖固体板201下方的基板204，固体板201的底面和基板204的上表面之间的间隙d应该被控制在小于r。
如图7A-7C所示为关于固体板301和基板304之间的均匀液膜的正式理论的一个实施例。图7A所示，往基板304表面喷洒低张力液体的过程中理论上会形成岛状液膜。图7B所示为固体板301作用于基板304表面。固体板301以特定的速度离开基板304，移动过程中固体板301大体上与基板304的表面平行，同时，基板304旋转且转速由干燥性能决定。当固体板301离开基板304时，固体板301的下方有层流309。图7C所示为固体板301作用于基板304的表面。离心力和表面张力之间的相互作用使均匀液膜覆盖固体板301下方的基板304。
如图8所示为使用固体板401的基板清洗和干燥原理的又一个实施例。布朗运动表面上看是液体内悬浮颗粒410的随机运动，尤其是在液膜中。如果液膜的温度升高，布朗运动加剧，如果液体的粘度降低，布朗运动依然加剧。因此，通过带有低张力液体输送***的固体板401对液膜进行加热处理，加剧颗粒410和污染物的布朗运动，阻止更多颗粒401和污染物附着到基板404的表面。此外，通过在固体板401上安装兆声波换能器对液膜施加兆声波能量，声波能量引起的微观高速流场去除可能重新依附到基板404表面的颗粒401和污染物。
如图9所示为用于清洗和干燥集成电路基板的装置的另一个具体实施方式。装置包括放置并支撑基板504的卡盘503，卡盘503与驱动单元505连接，驱动单元505可以是，例如马达，驱动单元505驱动卡盘503旋转，基板504随卡盘503一起旋转。固体板501位于基板504的上方。第一喷嘴507设置在固体板501的端部以向基板504的表面喷洒去离子水。第二喷嘴506设置在固体板501的端部并靠近第一喷嘴507，且第二喷嘴506比第一喷嘴507更靠近固体板501的末端，第二喷嘴506向基板504的表面喷洒低张力液体。活动臂502位于基板504的上方并与固体板501的端部相对以供应氮气。此外，装置还包括设置在固体板501上的温度控制装置511，温度控制装置511上涂有PEEK，温度控制装置511为多个电阻加热块或多个辐射加热灯。在清洗和干燥基板504的工艺过程中，通过固体板501提供热能，加剧小颗粒和污染物的布朗运动，阻止更多颗粒501和污染物附着到基板504的表面。通过使用温度控制装置511，基板504表面的低张力液体的温度根据工艺要求被保持在一个特定的范围。装置在不降低工艺性能的情况下能够提高加工能力。装置还包括设置在固体板501上的兆声波换能器，兆声波换能器向液膜提供兆声波能量，在被限制的液膜中产生空化微流，阻止小颗粒和污染物在清洗和干燥过程中重新吸附到基板504的表面。
如图10A-10B所示为用于清洗和干燥集成电路基板的装置的另一个具体实施方式的示意图和俯视图。装置包括放置并支撑基板604的卡盘603，卡盘603与驱动单元605连接，驱动单元605可以是，例如马达，驱动单元605驱动卡盘603旋转，基板604随卡盘603一起旋转。装置还包括固体板601，固体板601为矩形并覆盖大部分基板604。第一喷嘴607和第二喷嘴606分别固定在固体板601的中心。活动臂602位于基板604的上方用来供应氮气。与图1A所示的装置相比，固体板601的水平移动速度增大。
如图11A-11B所示为用于清洗和干燥集成电路基板的装置的又一个具体实施方式，与图1A所示的装置相比，其区别在于本实施例中的装置的第一喷嘴707设置在固体板701的端部，第二喷嘴706设置在固体板701的斜边上，且第二喷嘴706可以沿着固体板701的斜边移动。去离子水清洗工艺完成后，不论固体板701是否向基板704外侧移动，第二喷嘴706向基板704喷洒低张力液体并沿着固体板701的斜边移动。第二喷嘴706可以沿着固体板701的斜边往复运动。在喷洒低张力液体的过程中，当基板704旋转时，移动第二喷嘴706可以保持低张力液膜连续覆盖在基板704上。图11B所示为干燥过程中固体板701向基板704外侧移动的状态。在这一工艺期间，当第二喷嘴706喷洒低张力液体时，第二喷嘴706可以沿着固体板701的斜边往复运动，低张力液体连续覆盖基板704，以避免水印和污染物的问题。
图12A-12F是本发明的固体板的各种形状。固体板的形状可以从以下选择：如图12A所示的六边形、如图12B所示的覆盖整个基板的圆形、如图12C所示的覆盖部分基板的四分之三圆形、如图12D所示的同心圆、三角形、如图12E所示的覆盖一半基板的半圆形、如图12F所示的椭圆形等。
本发明不仅可以应用于半导体工业，还可以应用于其他需要被处理的对象，如太阳能电池基板和LCD基板等。
惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，本领域技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如后述的权利要求书所列。

Claims (26)

1.一种用于清洗和干燥集成电路基板的方法，其特征在于，包括：
以第一转速旋转基板并移动固体板使固体板靠近基板，固体板的底面与基板的上表面之间具有间隙；
向基板的上表面喷洒清洗液以形成清洗液膜，清洗液膜覆盖基板的整个上表面；
降低固体板并使固体板大体上平行于基板的上表面，固体板上至少有一个区域覆盖基板的中心区域，液桥被限制在固体板的底面和基板的上表面之间；
以第二转速旋转基板并向基板的上表面喷洒低张力液体；
将固体板从基板的中心区域移动到基板的边缘，在移动过程中，固体板大体上平行于基板的上表面，将活动臂移动到基板上方的位置以向基板上表面供应干燥气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，清洗液为去离子水或含臭氧的去离子水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，低张力液体的表面张力低于清洗液的表面张力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，低张力液体是以下任意一种：乙醇、IPA、丙酮、乙酸乙酯或者是乙醇、IPA、丙酮、乙酸乙酯的蒸汽形态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一转速低于第二转速。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当固体板即将离开基板时，将活动臂移动到基板的中心，然后开始做基板中心到基板边缘的往复运动。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当固体板离开基板后，将活动臂移动到基板的中心，然后开始做基板中心到基板边缘的往复运动。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括加热限制在固体板的底面和基板的上表面之间的液桥。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括向限制在固体板的底面和基板的上表面之间的液桥提供声能。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当向基板的上表面喷洒低张力液体时，停止喷洒清洗液。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，干燥气体为以下任意一种：空气、氮气或氩气。
12.一种用于清洗和干燥集成电路基板的装置，其特征在于，包括：
保持和定位基板的卡盘；
与卡盘相连接的驱动单元，该驱动单元驱动卡盘旋转；
位于基板上方的固体板；
设置在固体板上的第一喷嘴，该第一喷嘴向基板表面喷洒清洗液；
设置在固体板上的第二喷嘴，该第二喷嘴向基板表面喷洒低张力液体；
位于基板上方的活动臂，该活动臂向基板表面供应干燥气体。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，进一步包括设置在固体板上的温度控制装置。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，温度控制装置包括多个电阻加热块。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，温度控制装置包括多个辐射加热灯。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，进一步包括设置在固体板上的声换能器。
17.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，第二喷嘴设置在固体板的斜边上，且第二喷嘴可以沿着固体板的斜边移动。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，第二喷嘴可以沿固体板的斜边往复运动。
19.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，固体板的形状可以是以下任意一种：三角形、矩形、六边形、圆形、四分之三圆形、同心圆、半圆形和椭圆形。
20.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，驱动单元驱动卡盘朝顺时针方向旋转、逆时针方向旋转或顺时针、逆时针方向交替旋转。
21.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，固体板的底面由以下任意一种材料制成：蓝宝石玻璃、石英、不锈钢或阳极氧化铝。
22.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，固体板的底面由以下任意一种可湿性陶瓷材料制成：三氧化二铝或二氧化硅。
23.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，固体板的底面由以下任意一种惰性金属或金属合金涂层制成：铂金、黄金、钛或碳化钛。
24.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，固体板的底面由以下任意一种可湿性改性塑料制成：PTFE、PVDF或PEEK。
25.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，清洗液是去离子水或含臭氧的去离子水。
26.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，低张力液体为以下任意一种：乙醇、IPA、丙酮、乙酸乙酯或者是乙醇、IPA、丙酮、乙酸乙酯的蒸汽形态。
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