CN113539900A - 用于干燥晶圆的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种用于干燥晶圆的方法和装置。该方法包括：将去离子水和溶质混合得到表面张力低于所述去离子水的表面张力的溶液；在所述溶液上形成气体层；利用所述溶液浸泡所述晶圆；以及将所述晶圆经由所述溶液与所述气体层之间的气液界面从所述溶液移动至所述气体层中。

Description

用于干燥晶圆的方法和装置
技术领域
本申请涉及清洗设备领域，更具体的，涉及一种用于干燥晶圆的方法和装置。
背景技术
在半导体器件的制造工艺中，经常会对晶圆进行湿法清洗。在对晶圆进行湿法清洗后还需要对晶圆进行干燥。避免晶圆表面残留水痕等，以避免影响后续的工艺。
常用的干燥晶圆的方式有离心甩干、异丙醇(IPA)蒸汽干燥等。还有一种干燥晶圆的方式，是将浸泡在去离子水中的晶圆提拉出水面并进入水面之上的异丙醇蒸汽中。在晶圆从去离子水的水面拉出时，晶圆表面附着的水会在表面张力的作用下留下，进而晶圆在异丙醇蒸汽中可得到进一步干燥。
由于晶圆上所制造的半导体结构非常精细，例如三维存储器在制造过程中，将堆叠结构的牺牲层去掉后，剩下的氧化层很薄。这些薄薄的氧化层在表面张力的作用下会弯曲，进而影响后续的栅层填充。再例如半导体结构中有一些高深宽比的结构或一些具有脆弱材料的结构，在水的表面张力作用下，这些结构甚至可能被破坏。
发明内容
本申请的实施例提供了一种用于干燥晶圆的方法，该方法包括：将去离子水和溶质混合得到表面张力低于所述去离子水的表面张力的溶液；在所述溶液上形成气体层；利用所述溶液浸泡所述晶圆；以及将所述晶圆经由所述溶液与所述气体层之间的气液界面从所述溶液移动至所述气体层中。
在一个实施方式中，该方法还包括：将所述晶圆在所述气体层中停留预定时间，其中，所述气体层的气压低于标准大气压。
在一个实施方式中，所述气体层包括：氮气和所述溶质。
在一个实施方式中，通过控制所述去离子水的流量和所述溶质的流量而控制所述溶液中的所述溶质的浓度。
在一个实施方式中，所述溶质包括有机化合物。
在一个实施方式中，所述溶质选自异丙醇、正丙醇、乙醇及甲醇中的至少一种。
在一个实施方式中，所述溶质在所述溶液中的质量占比小于或等于30％。
第二方面，本申请的实施例提供了一种用于干燥晶圆的装置，该装置包括罐体，具有内腔；干燥槽，包括与所述内腔连通、且适于容纳所述晶圆的凹槽；供液装置，与所述凹槽连通以向所述凹槽中输送溶液，其中，所述溶液由去离子水和溶质混合得到、且表面张力低于所述去离子水的表面张力；以及供气装置，与所述内腔连通以向所述内腔输送用于形成在所述溶液上并与所述溶液之间具有气液界面的气体层的气体。
在一个实施方式中，所述装置还包括：抽气装置，用于从所述内腔抽气以使所述气体层的气压低于标准大气压。
在一个实施方式中，所述供气装置用于输送携带所述溶质的氮气。
在一个实施方式中，所述供气装置包括：蒸气罐，包括溶质空间及位于所述溶质空间上部的进气口和出气口；其中，所述溶质空间的下部适于盛放所述溶质，所述进气口适于通入用于携带气态的所述溶质的氮气，所述出气口与所述内腔连通。
在一个实施方式中，所述供液装置包括：第一供液管，所述第一供液管的一端与所述凹槽流体连通，另一端用于接收所述去离子水；以及第二供液管，所述第二供液管通过所述第一供液管与所述凹槽流体连通，用于通过所述第一供液管向所述凹槽供应所述溶质。
在一个实施方式中，所述第一供液管包括用于控制所述第一供液管的流量的第一控制阀；所述第二供液管包括用于控制第二供液管的流量的第二控制阀；以及其中，所述第二供液管与所述第一供液管连通于所述第一控制阀和所述第一供液管的一端之间，或者所述第二供液管与所述第一供液管连通于所述第一控制阀和所述第一供液管的另一端之间。
在一个实施方式中，所述溶质包括有机化合物。
在一个实施方式中，所述溶质选自异丙醇、正丙醇、乙醇及甲醇中的至少一种。
本申请的实施例提供的用于干燥晶圆的方法和装置，可以减小气液界面处液体的表面张力，进而减轻了液面表面张力对晶圆上的半导体结构的影响。清洗后的晶圆洁净、无水痕，面积较大的晶圆上，各处的清洗效果都比较好。而且清洗后的晶圆上半导体结构的完整性好。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了根据本申请实施方式的用于干燥晶圆的装置的示意性结构图；
图2是根据本申请实施方式的用于干燥晶圆的方法的流程框图；以及
图3至图5示出了根据本申请实施方式的用于干燥晶圆的工艺步骤。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一管路也可被称作第二管路。反之亦然。
在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。例如，内腔的尺寸和凹槽的尺寸并非按照实际生产中的比例。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1，其中示出了根据本申请的用于干燥晶圆的装置。该装置100包括：罐体110、干燥槽120、供液装置130和供气装置140。
罐体110具有内腔111，示例性地，内腔111是由罐底、罐壁和密封盖构成的一个密封腔体。在一些实施例中，罐体110还可以与其他密封结构连通，进而内腔111可仅包括例如罐壁和密封盖。密封盖与罐壁连接且可开合，用于取放晶圆。内腔111中适于形成气体层，防止晶圆暴露在空气中产生水痕。
干燥槽120可设置于内腔111，干燥槽120包括适于容纳晶圆的凹槽121。在一些实施方式中，干燥槽120与罐体110连接，而凹槽121与内腔111连通。凹槽121用于盛放溶液并用于容纳待处理的晶圆，该晶圆可完全地浸泡于凹槽121内盛放的溶液中。
示例性地，待处理的晶圆通过可移动的装置122被放入及取出于凹槽121，且晶圆可从凹槽121进入内腔111。示例性地，干燥槽120可配置为溢流槽。
供液装置130与凹槽121连通以向凹槽121中输送溶液。溶液由去离子水和溶质混合得到。表面张力低于去离子水的表面张力。供液装置可130可包括去离子水生成装置，去离子水生成装置可基于例如RO反渗透工艺以将纯水中的离子形式的杂质去除，进而可获得去离子水。溶质的表面张力低于去离子水的表面张力，进而该溶质与去离子水混合后的溶液的表面张力低于去离子水的表面张力。去离子水的表面张力大致在72.7mN/m，溶液的表面张力可小于70mN/m，进一步地，溶液的表面张力可小于60mN/m，例如50mN/m。
供气装置140与内腔111连通以向内腔111输送气体。该气体用于形成位于溶液上方的气体层，气体层与溶液接触且二者之间具有气液界面。示例性地，该气体为干燥气体。进一步地，该气体的温度可高于室温，例如为50度。
该装置100在使用时，可通过供液装置130向干燥槽120的凹槽121中通入溶液，溶液由去离子水和溶质混合得到、且表面张力低于去离子水的表面张力。晶圆浸泡在充满溶液的凹槽121中；并可通过供气装置140，向内腔111输送用于形成在溶液上并与溶液之间具有气液界面的气体层的气体；进而晶圆被可移动的装置122移出溶液，具体地，晶圆经由溶液与气体层之间的气液界面从溶液移动至气体层中。供气装置140输送的气体可进一步对晶圆表面附着的溶液进行干燥。
本实施方式提供的用于干燥晶圆的装置可在空间中构建出上部为气体层、下部为溶液的构造，且该溶液的表面张力较小。晶圆适于以晶面垂直于气液界面的姿态从溶液进入气体层。本申请提供的用于干燥晶圆的装置，可减小气-液界面处液体的表面张力，进而减轻了液面表面张力对晶圆上的半导体结构的影响，并且能够在比较彻底地清洗晶圆之后还避免晶圆表面留有水痕。
在一个实施方式中，参照图1，该装置100还包括：抽气装置150。抽气装置150用于从内腔111抽气以使气体层的气压低于标准大气压。具体地，在使用该装置100时可先通过抽气装置150将内腔111中的空气抽出，然后通过供气装置140向内腔111注入少量的气体。由于可保证内腔111为一个密封环境，因此内腔111中可形成低压的气体层。该用于干燥晶圆的装置100在使用时会将晶圆移动至内腔111中。当气体层具有低压状态时，晶圆表面的溶液可以得到更快的挥发且挥发的更彻底，这进一步减少了晶圆表面的水痕。此外，抽气装置150可以将供气装置140输送的气体和晶圆上挥发的溶质和水汽抽出内腔111，使内腔111内的气压维持在一个稳定状态。
在一个实施方式中，参照图1，供液装置130包括第一供液管131和第二供液管132。第一供液管131的一端与凹槽121流体连通，另一端用于接收去离子水。示例性地，第一供液管131的该另一端与去离子水生成装置流体连通。第二供液管132的一端通过第一供液管131与凹槽121流体连通，用于通过第一供液管131向凹槽121供应溶质。示例性地，第二供液管132的另一端可与溶质供应装置流体连通。供液装置130可将溶质和去离子水混合在一起，进而混合得到的溶液可通过第一供液管131进入凹槽121。
示例性地，溶质包括有机化合物。有机化合物可在与去离子水混合时避免产生离子，溶液中避免具有离子可提高清洗效果并避免对晶圆的半导体结构产生影响。
在示例性地实施方式中，溶质选自异丙醇、正丙醇、乙醇及甲醇中的至少一种。例如溶质为异丙醇，异丙醇的表面张力在22～23mN/m，且与去离子水的互溶性较好。进一步地，这些溶质与去离子水互溶后，得到的溶液的表面张力较低。
在一个实施方式中，参照图1，第一供液管131包括第一控制阀133，用于控制第一供液管131的通断状态，进一步可控制第一供液管131内输送的液体的流量。
在一个实施方式中，参照图1，第二供液管132包括第二控制阀134，用于控制第二供液管132的通断状态，进一步可控制第二供液管132内输送的溶质的流量。通过第一供液管131和第二供液管132的配合，可以控制第一供液管131内溶液的各组分的比例。进一步地，当去离子水和溶质的流量恒定时，溶液中溶质的浓度可比较稳定。当去离子水和溶质的流量变化时，溶液中溶质的浓度可也变化。
示例性地，第二供液管132与第一供液管131连通于第一控制阀133的流入端。示例性地，第二供液管132可于第一控制阀133的流出端与第一供液管131连通。
在一个实施方式中，供气装置140用于输送携带溶质的氮气。随着晶圆表面的液体不断挥发，晶圆表面渐次地直接接触气体层。氮气是一种惰性气体，能够保护晶圆表面以防止晶圆表面发生氧化等变化。而晶圆表面接触气体层中的溶质后，会使得晶圆表面的溶质浓度进一步提升，进而可增强干燥效果。
在一个实施方式中，参照图1，供气装置140包括：蒸气罐141，包括溶质空间142及位于溶质空间142上部的进气口143和出气口144。
溶质空间142的下部适于盛放溶质，具体地，溶质空间142的下部可盛放液态的溶质。同时，液态的溶质可向溶质空间142的上部挥发出气态的溶质。示例性地，溶质空间142内可具有低压。
进气口143适于通入惰性气体，例如氮气。具体地，进气口143可与气源或气泵流体连通，进而将气源或气泵供应的氮气通入溶质空间142。氮气用于携带气态的溶质，继而经过连通于内腔111的出气口144而进入内腔111。
示例性地，出气口144的进入到内腔111的部分可以包括至少两个喷嘴，分别置于干燥槽120的上方，且可高于已移出溶液的晶圆，这些喷嘴可用于对晶圆表面吹气。
图2是根据本申请实施方式的用于干燥晶圆的方法的流程框图。
参考图2，本申请实施例提供的方法2000包括如下步骤：
步骤S201，将去离子水和溶质混合得到表面张力低于去离子水的表面张力的溶液。
步骤S202，在溶液上形成气体层。
步骤S203，利用溶液浸泡晶圆。
步骤S204，将晶圆经由溶液与气体层之间的气液界面从溶液移动至气体层中。
在示例性实施方式中，方法2000还包括步骤S205，将晶圆在气体层中停留预定时间。示例性地，气体层的气压低于标准大气压。
本申请提供的用于干燥晶圆的方法2000可以使用前述的用于干燥晶圆的装置100实现。
以下参考图3至图5进一步详述方法2000的各步骤。
步骤S201
参照图3，经过步骤S201后得到的溶液1包括去离子水与溶质。在去离子水中添加溶质后所得到的溶液的表面张力更低。具体地，将去离子水与液态的溶质混合并得到比较均匀的溶液。
在一个实施方式中，溶质包括有机化合物。例如溶质选自异丙醇、正丙醇、乙醇及甲醇中的至少一种。
在一个实施方式中，溶质在溶液中的质量占比小于或等于30％。溶质和去离子水的质量比可以是例如3：7，2：8或者1：9。控制溶质的质量占比，可以保持溶液对晶圆的清洗性能。晶圆表面浸润的液体中水份的占比降低，而且在后续将晶圆从溶液中取出后，晶圆表面残留的液体中水份的占比也较低。
在一个实施方式中，通过控制去离子水的流量和溶质的流量而控制溶液中的溶质的浓度。
步骤S202
参照图3，经过步骤S202可形成气体层2。气体层2在溶液1的上面且二者可直接接触，溶液1和气体层2的交界面为气液界面12。
示例性地，参照图1，气体层2形成于内腔111。气体层2也可包括凹槽121的上部空间。气体层2的气体通过供气装置140提供，并可通过抽气装置150而从内腔111中被吸走。示例性地，在执行方法2000时，气体层2可以是流动的。在示例性实施方式中，气体层2包括：氮气和溶质。
步骤S203
利用溶液1浸泡晶圆3。
示例性地，晶圆3浸泡在溶液1中可达到第一预设时间，以使溶液1渗入晶圆3的半导体结构中，并浸润晶圆3的表面。示例性地，溶液1可以配合超声震荡的方式浸泡晶圆3；示例性地，参考图1，溶液1处于凹槽121中且在浸泡晶圆3时是流动的。例如溶液1通过供液装置130进入凹槽121，，并从干燥槽120上缘溢出。晶圆1表面附着的物质可被溶液1冲刷走。同时在表面张力、范德华力等的作用下，在晶圆1的表面可附着有基于溶液1的液膜。
步骤S204
参照图4，在将晶圆3经由溶液1与气体层2之间的气液界面12从溶液1移动至气体层2的过程中，晶圆3的一部分进入气体层2，另一部分还位于溶液1中，而附着于晶圆3表面的液体膜随晶圆3向上运动并被带起一定高度。示例性地，晶圆3的运动速度较慢。
在另一些实施方式中，通过缓慢排出溶液2使气液界面12下降。进而使气体层2也下降。这样相对地可使晶圆3从溶液1进入气体层2。
在晶圆3相对气液界面12运动的过程中，气液界面12、固液界面以及固气界面三者交汇处不断变化。具体地，气体层2不断浸润晶圆3的表面，晶圆3表面的液膜在溶液1的表面张力以及重力的作用下不断地被“吸回”。
而在气体不断浸润晶圆3且溶液1不断被剥离的过程中，晶圆3的半导体结构受到溶液1的拉扯。由于本申请提供的溶液1中含有溶质，使得溶液1的表面张力降低，继而对半导体结构施加的拉扯力也变小。晶圆3中的一些大高宽比、低强度的半导体结构能够保持的更完整。进一步地，气体层2中也含有溶质(气态)，进而其与溶液1之间的表面张力差也可降低。
步骤S205
将晶圆在气体层中停留第二预定时间。
示例性地，随着溶液1中溶质的质量占比增大，溶液1的表面张力不断减小。在晶圆3脱离溶液1的过程中，晶圆3表面的液膜的剥离效率会随着溶液1表面张力的减小而降低，即晶圆3表面残留的液体可能会增加。不过晶圆3的表面残留的液体中溶质的占比也提升了。溶质浓度增加时，低表面张力的溶质可以在晶圆3的表面“排挤”水分子，可以促进去离子水脱离晶圆表面。
如图5所示，在执行步骤S205时，晶圆3在气体层2中停留。具体地，参考图1，供气装置140提供低压气体对晶圆3表面上的去离子水和溶质进行干燥。示例性地，气体层2的气压低于标准大气压，这有利于晶圆3表面的液体挥发。示例性地，气体层2包含氮气和溶质。溶质可以是机化合物，例如异丙醇、正丙醇、乙醇和甲醇。示例性地，气体层2中的溶质的体积占比小于10％，在晶圆3脱离溶液1进入气体层2时可以脱离的更轻松，此外可保证晶圆3表面的残余液体的挥发效率。
如果晶圆3表面的去离子水和溶质成分残留会较多可以通过延长干燥时间达到最终良好的干燥效果。
本申请实施方式提供的干燥晶圆的方法，使用了表面张力较低的溶液浸泡晶圆，进而使晶圆在从溶液移动至气体层所经过的气液界面处受到的应力减小，从而减少了晶圆在提升过程中因在气液界面处的应力大所导致的半导体结构损伤的风险。进一步地，可以通过控制溶液中溶质浓度、气体层中溶质浓度或延长干燥时间达到更好的干燥效果。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (15)

1.一种用于干燥晶圆的方法，其特征在于，包括：
将去离子水和溶质混合得到表面张力低于所述去离子水的表面张力的溶液；
在所述溶液上形成气体层；
利用所述溶液浸泡所述晶圆；以及
将所述晶圆经由所述溶液与所述气体层之间的气液界面从所述溶液移动至所述气体层中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
将所述晶圆在所述气体层中停留预定时间，其中，所述气体层的气压低于标准大气压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体层包括：氮气和所述溶质。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过控制所述去离子水的流量和所述溶质的流量而控制所述溶液中的所述溶质的浓度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述溶质包括有机化合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述溶质选自异丙醇、正丙醇、乙醇及甲醇中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述溶质在所述溶液中的质量占比小于或等于30％。
8.一种用于干燥晶圆的装置，其特征在于，包括：
罐体，具有内腔；
干燥槽，包括与所述内腔连通、且适于容纳所述晶圆的凹槽；
供液装置，与所述凹槽连通以向所述凹槽中输送溶液，其中，所述溶液由去离子水和溶质混合得到、且表面张力低于所述去离子水的表面张力；以及
供气装置，与所述内腔连通以向所述内腔输送用于形成在所述溶液上并与所述溶液之间具有气液界面的气体层的气体。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置还包括：抽气装置，用于从所述内腔抽气以使所述气体层的气压低于标准大气压。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述供气装置用于输送携带所述溶质的氮气。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述供气装置包括：蒸气罐，包括溶质空间及位于所述溶质空间上部的进气口和出气口；
其中，所述溶质空间的下部适于盛放所述溶质，所述进气口适于通入用于携带气态的所述溶质的氮气，所述出气口与所述内腔连通。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述供液装置包括：
第一供液管，所述第一供液管的一端与所述凹槽流体连通，另一端用于接收所述去离子水；以及
第二供液管，所述第二供液管通过所述第一供液管与所述凹槽流体连通，用于通过所述第一供液管向所述凹槽供应所述溶质。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一供液管包括用于控制所述第一供液管的流量的第一控制阀；
所述第二供液管包括用于控制所述第二供液管的流量的第二控制阀；以及
其中，所述第二供液管与所述第一供液管连通于所述第一控制阀和所述第一供液管的一端之间，或者所述第二供液管与所述第一供液管连通于所述第一控制阀和所述第一供液管的另一端之间。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，其中，所述溶质包括有机化合物。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述溶质选自异丙醇、正丙醇、乙醇及甲醇中的至少一种。
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