CN1969367A - 用于半导体衬底的高压处理室 - Google Patents

Abstract

高压处理室包括室外壳、工作台以及机械驱动机构。室外壳包括第一密封表面。工作台包括用于支撑半导体衬底的区域以及第二密封表面。机械驱动机构将工作台连接到室外壳。在操作中，机械驱动机构将工作台与室外壳分开，用于装载半导体衬底。在进一步的操作中，机械驱动机构使工作台的第二密封面以及室外壳的第一密封表面在半导体衬底的周围形成高压处理室。

Description

用于半导体衬底的高压处理室

相关申请

本申请要求2000年7月26日申请的美国临时专利申请No.60/220,883以及2001年4月10日申请的美国临时专利申请No.60/283,132的优先权，在这里作为参考它们引入。

发明的领域

本发明涉及高压处理领域。具体地，本发明涉及半导体衬底的高压处理领域。

发明背景

半导体衬底的处理存在其它工件处理不存在的独特问题。通常，半导体的处理开始于硅晶片。半导体的处理从掺杂硅晶片以产生晶体管半导体开始。接下来，半导体处理继续进行淀积金属和介质层，其间腐蚀线和通路以制备晶体管接触和互连结构。在半导体处理的最后，晶体管半导体、晶体管触点以及互连形成集成电路。

半导体衬底处理的关键处理要求是清洁度。大多数的半导体处理在真空中进行，真空是一种固有的清洁环境。其它的半导体处理在大气压力下湿工艺中进行，这是由于湿工艺的清洗特性为固有的清洁工艺。例如，使用等离子体灰化即以一种真空工艺腐蚀线和通路之后，通过在剥离槽剥离即以一种湿工艺除去光致抗蚀剂和光致抗蚀剂的残留物。

半导体衬底处理的其它处理关键要求包括生产量和可靠性。半导体衬底的制造处理在半导体制造设备中进行。半导体制造设备需要大量的资本支出用于处理装置、用于设备自身以及操作设备的工作人员。为了收回这些费用并从设备中产生足够的收益，处理装置要求在一定的时间周期内生产足够数量的晶片。处理装置也必须能促进可靠的工艺，以便确保来自设备的持续收入。

近来，现已发现在半导体的处理中，等离子体灰化和剥离槽能够有效地除去光致抗蚀剂和光致抗蚀剂的残留物。然而，集成电路的最新进展包括处于具有足以承受剥离槽的结构的尺寸之下的蚀刻特征临界尺寸和不能承受等离子体灰化的氧环境的低介电常数材料。

最近，关心的问题发展为用超临界(supercritical)工艺代替等离子体灰化和剥离槽除去光致抗蚀剂和光致抗蚀剂的残留物。然而，现有的超临界处理系统的高压处理室不能满足半导体处理要求的独特需要。

需要一种用于半导体处理能够满足半导体处理的清洁度要求的高压处理室。

需要一种用于半导体处理能够满足半导体处理的生产量要求的高压处理室。

需要一种用于半导体处理能够满足半导体处理的可靠性要求的高压处理室。

发明概述

本发明为一种处理半导体衬底的高压室。高压室包括室外壳、工作台以及机械驱动机构。室外壳包括第一密封表面。工作台包括支撑半导体衬底的区域以及第二密封表面。机械驱动机构将工作台连接到室外壳。在操作中，机械驱动机构将工作台与室外壳分开，用于装载半导体衬底。在进一步的操作中，机械驱动机构使工作台的第二密封面以及室外壳的第一密封表面在半导体衬底的周围形成高压处理室。

附图简介

图1示出了本发明的压力室构架。

图2示出了本发明的第一备选压力室。

图3示出了本发明的第一备选压力室的剖面图。

图4A和4B示出了本发明的隔圈/注入环。

图5示出了本发明的晶片腔和两个排出口。

图6示出了本发明的优选压力室。

图7A到7C示出了本发明的上部工作台。

图8A到8F示出了本发明的压力室构架、隔圈/注入环以及晶片工作台组件。

图9示出了本发明的超临界处理组件以及第二备选压力室。

优选实施例的详细说明

本发明优选的压力室优选用于半导体晶片的超临界处理。优选地，所述优选压力室形成超临界处理组件的一部分。优选地，使用超临界处理组件从半导体晶片除去光致抗蚀剂。也可以选择，超临界处理组件用于半导体晶片的其它超临界处理，例如光致抗蚀剂显影。

本发明的压力室构架显示在图1中。压力室构架10包括压力室外壳部分12、打开/闭合外壳部分14、晶片狭缝16、窗口18、支柱19、顶部开口20、以及顶部螺栓孔22。晶片狭缝16优选尺寸制作得适合于300mm的晶片。此外，晶片狭缝16的尺寸可以制作得适合于更大或更小的晶片。另外可以选择，晶片狭缝16的尺寸制作得适合于除晶片之外的半导体衬底，例如橡胶圆盘(puck)。

压力室构架10的打开/闭合外壳部分14包括窗口18，其为优选压力室的装配和拆卸提供通道。优选地，有四个窗口18，其位于压力室构架10的侧面上。优选地，每个窗口18由两个支柱19在它们的侧面，压力室外壳部分12在它们的顶部，和基座23在它们的底部构架而成。压力室外壳部分12的螺栓孔22用于和用螺栓将顶盖固定到压力室构架10。

在介绍本发明的优选压力室之前，介绍第一备选压力室以便更简单地介绍本发明的各方面。

本发明的第一备选压力室显示在图2中。第一备选压力室30包括压力室构架10、顶盖32、晶片工作台34、汽缸36以及密封板38。顶盖32优选地通过螺栓(未示出)连接到压力室构架10。晶片工作台34连接到汽缸36。汽缸36连接到活塞(未示出)。密封板38将活塞密封，与大气隔开。

对于本领域中的技术人员来说显然，紧固件可以将晶片工作台34连接到汽缸36，将汽缸36连接到活塞，并将密封板38连接到压力室构架10。此外，对于本领域中的技术人员来说显然，将顶盖32连接到压力室构架10的优选的螺栓可以由其它紧固件代替，例如通过螺钉或通过螺纹连接压力室构架10和顶盖32。

封闭结构中第一备选压力室的剖面图显示在图3中。第一备选压力室30包括压力室构架10、顶盖32、晶片工作台34、汽缸36、密封板38、活塞40以及隔圈/注入环42。优选地，压力室构架10、顶盖32、晶片工作台34、汽缸36、密封板38、活塞40以及隔圈/注入环42包括不锈钢。隔圈/注入环42、顶盖32以及晶片工作台34形成晶片腔44。晶片腔44优选地用位于第一、第二以及第三O形环槽48，50以及52中的第一、第二以及第三O形环(未示出)密封。压力室构架10和密封板38把活塞体54围住，留下活塞颈56延伸穿过密封板38。活塞颈56连接到汽缸36，进而连接到晶片工作台34。

压力室构架10和活塞体54在活塞体54下形成液压腔58。压力室构架10、密封板38、活塞体54以及就在活塞体54之上的活塞颈56在活塞体54和密封板38之间形成气动腔60。

对于本领域中的技术人员来说显然，在活塞体54和压力室构架10之间的活塞密封将液压腔58与气动腔60隔开。此外，对于本领域中的技术人员来说显然，在活塞颈56和密封板38之间的颈密封，和在密封板38和压力室构架10之间的板密封将气动腔60与大气隔开。此外，对于本领域中的技术人员来说显然，在液压和气动流体系统的操作中，本领域中公知，两者分别连接到液压腔58和气动腔60。

在超临界处理中，半导体晶片46位于了晶片腔44内，在晶片腔中优选地将超临界流体与溶剂结合使用以从半导体晶片46除去光致抗蚀剂。在超临界处理并将晶片腔44通气至大气压之后，液压腔58内的液压流体被减压，同时气动腔60用气体稍微加压，其使活塞40向下移动。这降低了晶片工作台34，以便半导体晶片46靠近狭缝16。然后通过狭缝16移去晶片46。优选地，通过机械手(未示出)移走半导体晶片。此外，可以由技术人员移走半导体晶片46。

然后通过狭缝16装载第二半导体晶片并装到晶片工作台34上。接下来，气动腔60通气至大气压，同时用液压流体使液压腔58增压，其驱动晶片工作台34进入隔圈/注入环42，并且重组了晶片腔44。然后将晶片腔44加压，超临界流体和溶剂从第二晶片上除去光致抗蚀剂。

对于本领域中的技术人员来说显然，在超临界处理期间，液压腔58内的液压流体必须保持在使向上的力大于由超临界流体引起的晶片工作台34上向下的力。

本发明的隔圈/注入环42进一步显示在图4A中。隔圈/注入环包括具有环状空间64以及注入喷嘴66的环体62。优选地，隔圈/注入环42具有稍大于12英寸的内径，其尺寸制作得适合于300mm的晶片。可以选择，隔圈/注入环42具有更大或更小的内径。优选地，隔圈/注入环具有45个注入喷嘴66。此外，隔圈/注入环可以具有更多或更少注入喷嘴66。优选地，每个注入喷嘴66在与隔圈/注入环42的内径半径成45°的方向。此外，注入喷嘴可以具有更大或更小的角度。优选地，隔圈/注入环42具有200英寸的厚度。可以选择，隔圈/注入环42可以具有更大或更小的厚度。

隔圈/注入环42的剖面图显示在图4B中，其示出了环体62、环状空间64以及一个喷嘴66。优选地，环状空间64具有宽度为.160英寸并且高度为.110英寸的矩形剖面。优选地，每个喷嘴66具有.028英寸的直径。隔圈/注入环42的环状空间64和注入喷嘴66形成进入晶体腔44(图3)的超临界流体通路。在超临界处理中，超临界流体首先进入环状空间64，环状空间64作为超临界流体的储存器。然后通过注入喷嘴66将超临界流体到晶片腔44内，在晶片腔44(图3)内产生涡流。

本发明的晶片腔44和两个排出口显示在图5中。由可以选择的顶盖32A、晶片工作台34以及隔圈/注入环42形成的晶片腔44优选地通过丙个排出口70排出。两个排出口70包括往复件72，其交替位于第一位置74和第二位置76之间。通过往复件72在第一和第二位置之间交替，由隔圈/注入环42形成的涡流中心在第一排出口78和第二排出口80之间交替。优选地，第一排出口78和第二排出口80具有.50英寸的直径，并具有相隔1.55英寸的中心。此外，根据本发明的具体实施，直径和距离可以更大或更小。

在操作中，引入的超临界流体82进入隔圈/注入环42的环状空间64，在晶片腔44内产生涡流，随着往复件从第一位置74移动到第二位置76，靠近第一和第二排出口78和80交替地产生第一和第二涡流中心。然后流出的超临界流体84从两个排出口70排出。以此方式，确保了半导体晶片46的整个表面的超临界处理。

对于本领域中的技术人员来说显然，隔/注入环42的注入喷嘴66和两个排出口70可以通过闸门阀引入到具有进口和出口的用于半导体衬底的普通压力室内。此外，对于本领域中的技术人员来说显然，根据用于半导体衬底的特定的超临界工艺，由于特定的超临界工艺不要求用于适当处理的涡流，因此不需要隔圈/注入环42。此外，对于本领域中的技术人员来说显然，两个排出口70的往复件72可以由更普通的阀装置代替。

本发明的优选压力室显示在图6中。优选的压力室30A包括压力室框架10、备选顶盖32A、晶片工作台组件34A、密封板38、备选活塞40A、以及气动汽缸86。晶片工作台组件34A包括下工作台88、上工作台90以及台座92。备选活塞40A包括备选活塞体54A和备选活塞颈56A。

备选活塞颈56A包括空心的中心部分，在其中气动汽缸86连接到备选活塞40A。备选活塞颈56A连接到活塞颈56A顶部的下工作台88。下工作台88连接到下工作台88上表面处的上工作台90。下工作台88和上工作台90连接到下和上工作台88和90的中心处的台座92。台座92连接到台座92下端的气动汽缸86。台座92包括真空口94，其为台座真空吸盘96提供真空。

对于本领域中的技术人员来说显然，优选的压力室30A包括到达真空口94的真空管线以及到达气动汽缸86的气动管线。

上工作台90的顶视图显示在图7A中。上工作台90包括第四和第五O形环槽100和102，以及第一和第二真空槽104和106。在操作中，第四和第五O形环占据了第四和第五O形环槽100和102。

上工作台90的部分剖面图显示在图7B中。剖面包括第四和第五O形环槽100和102、第一和第二真空槽104和106以及第二真空口108。在操作中，第二真空口108连接到真空泵，以便为第一和第二真空槽104和106提供真空。由此，第四O形环槽100和第一真空槽104与下工作台88以及台座92(图6)一起形成真空吸盘。第五O形环槽102和第二真空槽为真空吸盘提供余度(redundancy)，以便穿过第四O形环槽100的泄漏不会影响真空吸盘的功能。余度也为半导体晶片46提供了背面保护(图6)。

上工作台90的下表面进一步显示在图7C中。优选地，下表面90包括电阻加热元件槽110。优选地在操作中，电阻加热元件位于电阻加热元件槽110内以帮助加热晶片腔44和半导体晶片46(图6)。

上工作台90的尺寸优选制作得能容纳300mm晶片。一备选的上工作台可用于代替上工作台90，其中备选上工作台具有第四和第五O形环槽100和102，第一和第二真空槽的尺寸制作得能容纳除300mm晶片之外的其它尺寸晶片，例如200mm晶片。由此，不需要更换优选的压力室30A(图6)中的晶片工作台组件34A，仅需要更换上工作台90，以容纳不同尺寸的晶片。

压力室框架10、备选顶盖32A、隔圈/注入环42以及优选的压力室30A的晶片工作台组件34A进一步显示在图8A-8F中。晶片工作台组件34A包括下工作台88、上工作台90以及台座92。下工作台包括第六和第七O形环槽112和114，以用于第六和第七O形环(未示出)，第六和第七O形环分别将下工作台88密封到上工作台90和台座92。下工作台88还包括将真空泵连接到第二真空口108(图7B)的第三真空口(未示出)。

在图8A中，晶片工作台组件34A处于闭合位置，并且晶片腔44是空的。在图8B中，备选活塞40A(图6)将晶片工作台组件34A降低到装载位置。在图8C中，机械手末端执行器116已将半导体晶片46移到优选的压力室30A内。在图8D中，台座92由汽缸86(图6)驱动以将半导体晶片46提升脱离机械手末端执行器116，机械手末端执行器116从优选的压力室30A收回。随着台座92升高半导体晶片46脱离机械手末端执行器，穿过第一真空口94施加的真空将半导体晶片46固定到台座真空吸盘96。

在图8E中，通过汽缸86降低台座92，以便在第七O形环槽114处，台座92的下表面密封到下工作台88。随着台座92到达下工作台88，施加到第一和第二真空槽104和106的真空将半导体晶片46固定到上工作台90。在图8F中，备选的活塞40A已经将晶片工作台组件34A升高，以便晶片腔44密封在上工作台90和隔圈/注入环42之间。

引入了本发明的第二备选压力室的本发明的超临界处理组件显示在图9中。超临界处理组件200包括第二备选压力室30B、压力室加热器204、二氧化碳提供装置206、循环回路208、循环泵210、化学剂和清洗剂提供装置212、分离容器214、液体/固体废料收集容器217、以及液化净化装置219。

第二备选压力室30B包括备选压力室外壳12A和备选晶片工作台34B。备选压力室外壳12A和备选晶片工作台34B形成用于半导体衬底46的备选晶片腔44A。备选压力室外壳12A包括备选注入喷嘴66A。优选地，备选晶片工作台34B使用液压力顶住备选压力室外壳12A。也可以选择，备选晶片工作台34B使用机械夹紧力顶住备选压力室外壳12A。优选地，通过释放液压力将备选晶片工作台34B移动到装载/卸载位置215。也可以选择，通过释放机械夹紧力，将备选晶片工作台34B移动到装载/卸载位置215。另外可以选择，通过操作连接到备选晶片工作台34B的驱动螺钉或通过使用气动力，将备选晶片工作台34B移动到装载/卸载位置215。

二氧化碳提供装置206包括二氧化碳提供容器216、二氧化碳泵218、以及二氧化碳加热器220。化学剂和清洗剂提供装置212包括化学制品提供容器222、清洗剂提供容器224、以及第一和第二高压注入泵226和228。

二氧化碳提供容器216借助二氧化碳泵218和二氧化碳管道230连接到第二备选压力室30B。二氧化碳管道230包括位于二氧化碳泵218和第二备选压力室30B之间的二氧化碳加热器220。压力室加热器204连接到第二备选压力室30B。循环泵210位于循环回路208上。循环回路208在循环入口232和循环出口234处连接到第二备选压力室30B。化学制品提供容器222借助化学制品提供管线236连接到循环回路208。清洗剂提供容器224借助清洗剂提供管线238连接到循环回路208。分离容器214借助排气管道240连接到第二备选压力室30B。液体/固体废料收集容器217连接到分离容器214。

分离容器214优选借助返回气管道连接到液化/净化装置219。液化/净化装置219优选借助液体二氧化碳管道243连接到二氧化碳提供容器216。可以选择，装置外的位置处设置着液化/净化装置219，其接受气收集容器中的排出气体，并将液体二氧化碳返回到液体二氧化碳容器。

压力室加热器204加热第二备选压力室30B。优选地，压力室加热器204为加热套。可以选择，压力室加热器为某种其它类型的加热器。

优选地，第一和第二过滤器221和223连接到循环回路208。优选地，第一过滤器221包括细滤器。更优选，第一过滤器221包括构形为过滤0.05μm和更大颗粒的细滤器。优选地，第二过滤器223包括粗过滤器。更优选，第二过滤器223包括构形为过滤2-3μm和更大颗粒的粗过滤器。优选地，第三过滤器225将二氧化碳提供容器216连接到二氧化碳泵218。优选地，第三过滤器225包括细滤器。更优选，第三过滤器225包括构形为过滤0.05μm和更大颗粒的细滤器。

对于本领域中的技术人员来说显然，超临界处理组件200包括阀、控制电子装置、以及为典型的超临界流体处理系统的多用连接装置。此外，对于本领域中的技术人员来说显然，备选注入喷嘴66A能构形成备选晶片工作台34B的一部分，而不是备选室外壳12A的一部分。

在操作中，超临界处理组件优选用于从半导体晶片46上除去光致抗蚀剂和光致抗蚀剂残留物。使用超临界处理组件200的光致抗蚀剂除去工艺包括装载步骤、清洁工序、清洗工序以及卸载步骤。

在装载步骤中，半导体晶片46放置在备选晶片工作台34B上，然后将备选晶片工作台34B移动靠住备选室外壳12A，将备选晶片工作台34B密封到顶住备选室外壳12A，由此，形成备选晶片腔44A。

清洁工序包括第一到第四工艺步骤。在第一工艺步骤中，通过二氧化碳泵218将备选晶片腔44A加压到需要的超临界条件。在第二工艺步骤中，第一注入泵226将来自化学制品提供容器222的溶剂借助化学制品提供管线和循环回路208泵送到备选晶片腔44A内。达到需要的超临界条件之后，二氧化碳泵停止向备选晶片腔44A加压。达到溶剂的需要浓度之后，第一注入泵226停止注入溶剂。在第三工艺步骤中，循环泵210使超临界二氧化碳和溶剂循环穿过备选晶片腔44A和循环回路208循环，直到从半导体晶片上除去光致抗蚀剂和光致抗蚀剂残留物。在第四工艺步骤中，晶片腔44A被部分排气，同时将压力保持在临界压力之上，然后通过二氧化碳泵218重新加压并再次部分排气，同时将压力保持在临界压力之上。

清洗工序包括第四到第七工艺步骤。在第四工艺步骤中，通过二氧化碳泵218对备选晶片腔加压。在第五工艺步骤中，第二注入泵228借助清洗剂提供管线238和循环回路208将来自清洗剂提供容器224的清洗剂泵送到备选晶片腔44A内。达到清洗剂的需要浓度之后，第二注入泵228停止注入清洗剂。在第六工艺步骤中，循环泵210使超临界二氧化碳和清洗剂穿过备选晶片腔44A和循环回路208循环预定的时间。在第七工艺步骤中，备选晶片腔44A被减压。可以选择地，发现可以不需要第五和第六工艺步骤。

在卸载步骤中，将备选晶片工作台34B移动到装载/卸载位置215，在该处从备选晶片工作台34B上移走半导体。

优选地，至少两个本发明的超临界处理组件形成多工件处理系统的一部分，该系统提供了同时处理至少两个半导体晶片的能力。多工件处理系统公开在申请日为2000年11月1日的美国专利申请No.09/704,642中，它的全部内容作为参考引入。可以选择地，本发明的超临界处理组件和非超临界处理组件一起形成多工艺半导体处理系统的一部分。多工艺半导体处理系统公开在申请日为2000年11月1日的美国专利申请No.09/704,641中，它的全部内容作为参考引入。另外可以选择地，本发明的超临界处理组件形成采用本发明的单个超临界处理组件的独立型超临界处理系统的一部分。

本发明的第三备选压力室包括增加了在半导体衬底46上方的备选室外壳12A的表面增强特性的第二备选压力室34B。表面增强特性包括从备选晶片腔44A的外径到备选晶片腔44A中心的高度变化，以便在半导体晶片46上提供更均匀的分子速度。优选地，高度变化包括从备选晶片腔34B外径处的高点到备选晶片腔34B中心处的低点，在晶片腔34B的中心提供了更狭窄的空间。可选择地，高度变化包括备选晶片腔34B外径处的高点、备选晶片腔34B的外径和中心之间的低点、以及备选晶片腔34B的中心处的中间点。

对于本领域中的技术人员来说显然，本发明的优选压力室30A和第一到第三备选压力室适合于超临界以下条件的高压处理。

对于本领域中的技术人员来说显然，可以对优选实施例进行其它各种修改，同时不脱离附带权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种处理半导体衬底的高压室，包括：

a.包括第一密封表面的室外壳；

b.包括用于支撑半导体衬底的区域和第二密封表面的工作台；

c.将工作台连接到室外壳的机械驱动机构，从而在操作中机械驱动机构可将工作台与室外壳分离，用于装载半导体衬底，此外在操作中，机械驱动机构可使工作台的第二密封表面和室外壳的第一密封表面形成半导体衬底周围的高压处理室。

2.根据权利要求1的高压室，其中室外壳的第一密封表面包括O形环槽。

3.根据权利要求2的高压室，还包括O形环槽内的O形环。

4.根据权利要求1的高压室，其中工作台的第二密封表面包括O形环槽。

5.根据权利要求4的高压室，还包括O形环槽内的O形环。

6.根据权利要求1的高压室，其中室外壳的第一密封表面密封到隔圈，另外工作台的第二密封表面密封到隔圈。

7.  根据权利要求1的高压室，其中机械驱动机构包括由流体驱动的活塞。

8.根据权利要求7的高压室，其中流体包括不能压缩的流体。

9.根据权利要求7的高压室，其中流体包括能压缩的流体。

10.根据权利要求1的高压室，其中机械驱动机构包括机电驱动机构。

11.根据权利要求10的高压室，其中机电驱动机构包括线性传动装置。

12.根据权利要求11的高压室，其中线性传动装置包括传动螺杆。

13.根据权利要求1的高压室，还包括连接到室外壳和工作台的机械夹具，使得操作中在处理期间机械夹具保持高压处理室。

14.一种处理半导体衬底的高压室，包括：

a.室外壳；

b.包括用于支撑半导体衬底的区域的工作台；

c.将工作台连接到室外壳的机械驱动机构，从而在操作中机械驱动机构可将工作台与室外壳分离以用于装载半导体衬底；

d.连接到室外壳的密封装置，从而在操作中机械驱动机构使用于密封的装置、工作台、以及室外壳可形成半导体衬底周围的高压处理室。

15.一种用于半导体衬底的高压处理装置，包括：

a.压力室框架；

b.连接到压力室框架并包括活塞体和活塞颈的活塞，压力室框架和活塞体形成第一流体腔；

c.连接压力室框架的密封板，密封板可与压力室框架、活塞体以及活塞颈共同形成第二流体腔；

d.连接到活塞颈的工作台，工作台包括用于支撑半导体衬底的区域以及第一密封表面；以及

e.顶盖，它连接到压力室框架并包括第二密封表面，工作台的第一密封表面和顶盖的第二密封表面被构型成在操作中第一和第二密封表面可形成高压处理室。

16.根据权利要求15的装置，其中在操作中高压处理室工作在超临界条件。

17.根据权利要求15的装置，其中在操作中高压处理室工作在超临界以下的条件。

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