CN1270355C - 用于从电子部件衬底去除残留材料的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于从电子部件去除固体和/或液体残留物的方法和装置，所述电子部件例如为半导体衬底，本发明利用液态或超临界二氧化碳，其在晶片表面上被固化，并且随后被汽化并从***中排出。在优选实施例中，在从容器中去除CO2之前，固化和汽化步骤被重复/循环。所述残留物利用汽化的二氧化碳被带走。
Description
技术领域
本发明涉及从衬底表面去除残留物的领域，特别是涉及从例如集成电路和半导体晶片的电子部件衬底去除残留材料。
背景技术
集成电路利用半导体衬底形成，在半导体衬底表面内和上面形成电阻、晶体管、二极管、金属线、通孔以及其它电路部件。该些电路部件被从内部和外部连接到半导体衬底，在半导体衬底上该些电路部件通过彼此由介质层隔开的图案化的导体层来形成。在集成电路制造技术中，普遍的是形成贯穿介质层的通孔和其他的孔，使得可以在由介质层隔开的图案化的导体层和电路部件间形成导电连接。在集成电路中介质层内部的和/或贯穿介质层的通孔和其他的孔可以通过光刻方法和后续的蚀刻方法来形成，所述的蚀刻方法包括但不局限于湿法化学蚀刻法、反应离子蚀刻(RIE)法以及干法等离子蚀刻法。
通常，各种层的移除是通过使用液态或气态蚀刻剂来完成的。如果反应产物是流体，这些反应产物容易从反应位置被移除，因此蚀刻可以以均匀的速率进行。但是，在某些情况下，反应产物是不可溶的固体，即使在最有利的情况下难以移除。这种蚀刻剂的作用只是破坏或恶化所述的层的表面附近的完整性，而且在不采用其它措施的情况下，是不能有效地起到蚀刻剂的作用的。
在许多蚀刻工艺中，以包括悬浮在合适的液体介质(例如蚀刻剂自身)中的研磨粉末的浆料的形式的机械辅助可以用于补充化学蚀刻剂的作用。通过结合化学和机械方法来去除材料的这种技术称为化学机械抛光(CMP)。CMP也使得沿平面蚀刻前端有控制地去除材料成为可能，而不同于纯流体蚀刻，后者的蚀刻前端往往沿原始表面的轮廓进行。因此，CMP被广泛地用于集成电路的平面化处理。CMP的缺点在于，在CMP操作完成时，某些浆料往往残留在新鲜的抛光表面上。
使用超临界流体(SCF)CO2清洗或剥除(strip)晶片是公知的。美国专利第5,976,264号提及使用SCF和低温气雾剂剥除CF4型蚀刻剂的RIE残留物，其中使得相对高压的气液混合物在低温下快速膨胀进入一低压区域，冷却该喷射物，使得该混合物固化。固态CO2颗粒的使用也是公知的，但对于大晶片轰击并不实用。
考虑到现有技术的问题和缺点，因此，本发明的一个目的在于提供一种从包括例如集成电路和半导体晶片的衬底表面去除固体和/或液体残留物的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种用于从例如集成电路和半导体的电子部件去除固体和/或液体残留物的装置。
由本说明书，本发明的其他目的和优点将部分变得清楚，部分变得显而易见。
发明内容
以上和其他目的和优点在本发明中得以实现，并对于本领域技术人员将是显而易见的。
本发明提供一种从电子部件衬底去除固体和/或液体残留物的方法，包括以下步骤：提供压力容器；在所述容器中提供包括所要从中去除的残留物的半导体衬底；在一压力和温度条件下在所述容器中提供一材料，使得所述材料为液体或者处于临界压力和温度以上，使得所述材料为超临界流体；降低衬底表面温度，使得接触衬底表面的所述材料在衬底表面上转变成固态；改变所述容器内的温度和/或压力，使得所述容器内的所述材料转变成液态和/或气态；从所述容器中去除所述材料；以及从所述容器中移除所述半导体衬底。
本发明还一种用于从电子部件衬底去除固体和/液体残留物的装置，包括：压力容器，其适于在其中容纳半导体晶片；用于提供一材料到压力容器的工具；用于调节压力容器内温度和压力的工具，使得所述材料转变成液态或超临界状态；用于降低衬底表面温度的工具，使得与衬底表面接触的所述材料在半导体衬底表面转变成固态；用于调节压力容器内温度和压力的工具，使得所述材料转变成液态和/或气态；以及用于从压力容器中去除所述材料的工具，其中当所述材料在衬底表面上转变成固态并随后转变成液态和/或气态时，半导体衬底上的残留物被去除。
本发明涉及，第一方面，从例如半导体晶片的电子部件衬底去除固体和/或液体残留物的方法，该方法包括以下步骤：
提供压力容器；
在该容器中提供包括所要从中去除的残留物的半导体衬底；
在一压力和温度条件下在该容器中提供二氧化碳，使得为液态或者处于临界压力和温度以上，使得二氧化碳为超临界流体；
降低衬底表面的温度，使得接触衬底表面的二氧化碳在衬底表面上转变成固态；
改变该容器内的温度和/或压力，使得该容器内的二氧化碳转变成液态和/或气态；
从该容器中去除二氧化碳；以及
从该容器中移除半导体衬底。
在本发明的另一方面，提供一种用于从例如半导体晶片的电子部件衬底去除固体和/或液体残留物的装置，包括：
压力容器，其适于在其中容纳半导体晶片；
用于提供二氧化碳到压力容器的工具；
用于调节压力容器内温度和压力的工具，使得二氧化碳转变成液态或超临界状态；
用于降低衬底表面温度的工具，使得与衬底表面接触的二氧化碳在半导体衬底表面转变成固态；
用于调节压力容器内温度和压力的工具，使得二氧化碳转变成液态和/或气态；以及
用于从压力容器中去除二氧化碳的工具；
其中当二氧化碳在衬底表面上转变成固态并随后转变成液态和/或气态时，半导体衬底上的残留物被去除。
在本发明的又一方面，在CO2被从容器中去除之前，重复(循环)降低衬底表面温度和改变容器内温度和压力，以将CO2转变成液态和/或气态。
附图说明
确信为具有新颖性的本发明的特点和本发明的基本特征在所附权利要求书中被具体提出。附图仅用于示例说明的目的，且未按实际比例绘出。但是，本发明的操作的装置和方法可以通过以下的详细描述并结合附图得到最好的理解，其中：
图1A至1C是其中具有晶片的高压反应釜的示意图，其中衬底上具有残留物并根据本发明的方法和装置被处理。
具体实施方式
在描述本发明优选实施例过程中，这里参考图1A至1C，其中相同的附图标记表示本发明相同的特征。在附图中，本发明的特征不必按比例地示出。
一方面，本发明用于从衬底表面去除残留物，并使用固态/液态/气态CO2以有效地从半导体表面去除在完成例如反应离子蚀刻(RIE)、干式等离子体蚀刻和化学机械抛光工艺步骤的半导体处理步骤后残留的固体或液体残留物。
本发明利用不同状态下二氧化碳密度的不同。干冰(固态CO2)的密度大约为1.56。0℃时液态CO2的密度大约为0.91，而31℃时CO2的密度大约为0.5(小于1000psi)。但CO2被凝固时，它的体积根据以下公式收缩超过三倍(从0.5变到1.56)：体积＝质量/密度。这例如比冰高很多。已发现液态或超临界CO2的凝固对于剥离和/或去除颗粒非常有效，特别是由于液态或SCFCO2进入可能含有残留物的衬底中的孔隙。本发明优选地与晶片接触的热电/冷却台来凝固与晶片接触的CO2。超临界高压反应釜通常能够达到例如-180℃到100℃和10000psi。各阶段CO2的物理性质见下表：
| CO2的物理状态 | 密度 |
| 固态 | -80℃时1.56；液氮温度(-180℃)时1.62 |
| 液态 | 0℃时0.9；31℃时0.5 |
| 超临界状态 | 大于31℃和大于1200psi时0.3～0.9； |
| 气态 | 0℃时0.09；30℃时0.3在CP收敛 |
本发明的两个重要方面是：
(1)终点检测。
如果使用例如液氮冷指将晶片冷却到-80℃以在晶片表面凝固CO2，那么晶片在暴露于空气以前必须与室温以上的一点相关。在该过程中晶片还应该利用干燥的氮气加以净化以降低暴露于大气中的水汽。晶片可以利用欧姆或者可能的微波或超声能量。欧姆加热被认为是最有效的。
(2)晶片返回到大气条件并且在其上没有凝结颗粒和水。
如上所述的冷指是优选的，或者采用冷却控制的晶片成型(building)台。推荐采用最高等级的压力容器钢以防止在压力和热循环过程中断裂。检测表面上固态CO2量和停止冷却对于装置的安全运行是重要的。这种检测可以通过光学方法或者使用石英晶体振荡器完成。所述振荡器必须能够在冷的温度下操作，并能够通过频率变化探测表面上固体的存在。
这里所用的术语“衬底”包括具有位于表面平面下例如结合到所述材料中的孔洞、凹槽或者沟道的受约束的特征部分或者例如台面的凸起的特征部分的材料。这种类型表面的清洁必须对残留物是有选择的，而不改变表面几何形状(尺寸)。衬底包括，但不局限于，半导体、金属、聚合物和绝缘体。
这里所用的术语“超临界流体”表示在所需混合物的压力-温度图中处于不低于临界温度Te和不小于临界压力Pe条件下的材料。本发明中所使用的优选的超临界流体为CO2，其可以单独使用或者以与其他添加剂的混合物的方式来使用，所述其他添加剂例如为Ar、NH3、CH4、CHF3、C2H6、n-C3H8、H2O、N2O等。例如那些至少含有CFx功能簇的表面活化剂也可以与液体或者超临界流体结合起来使用。
术语“超临界流体”是指临界点以上材料的物质状态，所述临界点也就是临界温度Te和临界压力Pe，在该条件下物质彼此平衡的两相变成同质的，形成一相。任何本领域技术人员公知的超临界流体，例如CO2和/或Ar可以用于本发明中，如果它们能够从半导体样品去除残留物。优选的液体或超临界流体为CO2。其他材料包括Ar、N2O、NH3、C2H4、CHF3、C2H6、H2O、n-C3H8等。
任何级别的材料都可以用于本发明。如果使用其中含有不可接收级别的杂质的低级别材料，则材料可以首先使用本领域技术人员公知的技术被纯化，以去除杂质。举例而言，低级别材料可以通过在进入处理腔之前将其通过柱状体加以纯化。
所述材料也可以结合在从半导体去除残留物过程中起辅助作用的添加剂或表面活化剂。适合的添加剂包括，但不局限于，以上提到的那些物质。在这些添加剂中，H2O是最优选的。
通常，在本发明中，所要转变成超临界流体的材料被预加压至大约1070psi到6000psi的压力。更优选地，所述超临界流体在进入处理腔之前被预加压至大约3000psi的压力。经过预加压的超临界流体随后被传输到容纳有所要清洗的半导体的处理腔。
在本发明中可以使用的半导体为任何通过RIE或者任何其他以上提到的蚀刻技术来加工的半导体。可以用于本发明的适合的半导体的示意的实例包括，但不局限于，半导体晶片、半导体芯片、陶瓷衬底、图形化的膜结构等。
在残留物的去除过程中处理腔内的压力通常为从大约1070psi到大约6000psi。更优选地，在残留物的去除过程中处理腔内的压力为大约3000psi。
在残留物的去除过程中处理腔内的温度为31℃以上，并且通常为从大约40℃到大约80℃。更具体地，在残留物的去除过程中处理腔内的温度为大约40℃。
为了保证有效地从半导体中去除残留物，所述半导体应该在上述条件下暴露于液体或超临界流体大约2分钟到大约30分钟或者更长时间，通常大约4到6分钟，例如5分钟。
退出处理腔的所述材料可以被清洗并再次进入该装置加以循环，以便形成闭合的反应釜***。这种闭合的反应釜***通常会降低制造清洁的半导体过程中的加工成本。
现在参照图1A，高压反应釜以标记10示出。晶片12位于冷却/加热模块11上。模块11适于加热或者冷却晶片12，如下文所述。晶片12的表面具有位于表面上的颗粒13a和13b以及位于孔洞20中的颗粒14。反应釜中的气氛15或者是液态CO2或者是SCF CO2。
现在参照图1B，冷却/加热模块11被启动以冷却晶片12，使得与晶片表面接触的液态或者SCF CO2 15被转变成包敷晶片表面的固态。
在图1C中，显示所述装置使得CO2被汽化并从压力容器10中排出，且去除颗粒13a、13b和14。现在所得到的晶片12是干净的。
在本发明的一个重要方面，固化CO2的冷却过程和液化或汽化CO2的加热过程被重复(循环)多次以帮助去除杂质。在经过所需次数的循环后，CO2被汽化并从压力容器中排出。
虽然结合特定的优选实施例已具体描述了本发明，显然，根据以上描述，许多替换、改进和变型对于本领域技术人员是显而易见的。因此认为所附权利要求书包括落入本发明的实质范围和精神内的任何替换、改进和变型。
Claims (8)
1.一种从电子部件衬底去除固体和/或液体残留物的方法，包括以下步骤：
提供压力容器；
在所述容器中提供包括所要从中去除的残留物的半导体衬底；
在一压力和温度条件下在所述容器中提供一材料，使得所述材料为液体或者处于临界压力和温度以上，使得所述材料为超临界流体；
降低衬底表面温度，使得接触衬底表面的所述材料在衬底表面上转变成固态；
改变所述容器内的温度和/或压力，使得所述容器内的所述材料转变成液态和/或气态；
从所述容器中去除所述材料；以及
从所述容器中移除所述半导体衬底。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述材料包括二氧化碳材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述二氧化碳材料包括表面活化剂。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述二氧化碳材料以与Ar、NH3、CH4、CHF3、C2H6、n-C3H8、H2O和N2O中的一个或多个的混合物的形式来使用。
5.如权利要求1所述的方法，其中降低衬底表面温度以将所述材料转变成固态和改变温度和/或压力以将材料转变成液态和/或气态的步骤被重复一次或多次。
6.一种用于从电子部件衬底去除固体和/液体残留物的装置，包括：
压力容器，其适于在其中容纳半导体晶片；
用于提供一材料到压力容器的工具；
用于调节压力容器内温度和压力的工具，使得所述材料转变成液态或超临界状态；
用于降低衬底表面温度的工具，使得与衬底表面接触的所述材料在半导体衬底表面转变成固态；
用于调节压力容器内温度和压力的工具，使得所述材料转变成液态和/或气态；以及
用于从压力容器中去除所述材料的工具，
其中当所述材料在衬底表面上转变成固态并随后转变成液态和/或气态时，半导体衬底上的残留物被去除。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述材料包括二氧化碳材料。
8.如权利要求7所述的装置，进一步配置为：用于重复一次或多次降低温度以将二氧化碳转变成固态和用于调节温度和压力以将二氧化碳转变成液态和/或气态。
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