專利名稱：特超聲清洗半導(dǎo)體晶片中的去離子水溫控去氣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個系統(tǒng)，包括一個方法和一個設(shè)備，用于去離子水的溫控去氣以對半導(dǎo)體晶片作特超聲清洗，特別是涉及這樣一個系統(tǒng)，用之制備的去離子水在選定的清洗高溫和隨之選定的清洗壓力下基本上溶有100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用于清洗半導(dǎo)體晶片，如硅片。
這里的“無反應(yīng)”清洗增強(qiáng)氣體的意思是，能夠溶解在去離子水中的氣體物質(zhì)用以增強(qiáng)清除半導(dǎo)體晶片的沾污物，如粒子，而不與存在于水中或半導(dǎo)體晶片的任何成分起反應(yīng)(即，對化學(xué)反應(yīng)是惰性的)。再者，這里的“半導(dǎo)體晶片”的意思是用于提供集成電路或其他有關(guān)電路結(jié)構(gòu)的任何半導(dǎo)體器件、襯底、芯片或類似物，如硅片，對之進(jìn)行沾污粒子的清除和化學(xué)清洗。
在晶片襯底或芯片，如硅片上制作半導(dǎo)體微電子器件及類似物來形成集成電路(IC)等時，要按選擇的順序淀積各種金屬層和絕緣層。為在可用的襯底面積上使元器件的集成最大化以在同一面積上加入更多的元件，就要增強(qiáng)IC的微型化。為了使今天的超大規(guī)模集成電路(VLSI)的元件更為密集，需要減小間隔尺寸，例如亞微米(小于1微米，即，1,000納米或10,000埃)尺度。
在用半導(dǎo)體晶片制作IC時所用的一種濕法化學(xué)處理是關(guān)于清洗晶片以由其表面清除沾污粒子的。這可將晶片浸在熱去離子水清洗浴中進(jìn)行快速攪動，如加入無反應(yīng)的清洗增強(qiáng)氣體(產(chǎn)生氣泡)，如氮?dú)猓?或施加特超聲(megasonic)振動。
為了完全清洗晶片，如硅片，使用了所謂的“RCA清洗”工藝，晶片依次用兩種清洗劑進(jìn)行處理一種為堿性液，所謂的SC1液(1號標(biāo)準(zhǔn)清洗液)，如過氧化氫(H2O2)和氫氧化銨(NH4OH)溶于去離子水中，作為第一步來除去有機(jī)和粒子沾污；然后用一種酸性液，所謂的SC2液(2號標(biāo)準(zhǔn)清洗液)，如過氧化氫和鹽酸(HCl)溶在去離子水中，作為第二步來除去金屬雜質(zhì)。每一步處理都是在，如75-85℃下處理10-20分鐘，接著進(jìn)行漂洗，典型地用熱去離子水漂洗。晶片在最終漂洗后通常在干燥步驟中進(jìn)行干燥。
為了特別除去粒子，使用了常規(guī)的SC1混合液，其中去離子H2O∶H2O2∶NH4OH的體積比為5∶1∶1，在65℃下清洗晶片10分鐘。使用高濃度的SC1化學(xué)清洗液和高溫來腐蝕晶片表面和粒子，使粒子與晶片的附著力減小并促使粒子脫離晶片而進(jìn)入溶液中，因而除去了大部分的粒子。SC1溶液的高pH值也引起晶片和粒子帶負(fù)電荷而互相排斥，使得松動的粒子不會再附著到晶片表面。然而，這種常規(guī)的SC1清洗液是昂貴的，用于現(xiàn)代器件的一些苛刻的清洗步驟時其侵蝕性又太強(qiáng)。
近來引入晶片清洗工藝的特超聲輔助技術(shù)導(dǎo)致了更好的粒子清除效率，所用溶液的侵蝕性大大降低，對晶片如硅片表面的侵害因而也較小。特超聲振動輔助清洗液通常是常規(guī)SC1液的稀釋版，用于很寬的溫度范圍，取決于所尋求的效果。用在這方面的典型的稀釋SC1液是去離子H2O∶H2O2∶NH4OH的體積比為100∶0.9∶0.5的混合液，其中98+％(100/101.4＝98.6)為去離子水，只有1.4％是活性的化學(xué)藥品。由于幾乎全部的溶液是水，溶在其中的氣體量將占稀釋SC1液總氣體濃度的絕大部分。
特超聲輔助技術(shù)增強(qiáng)粒子清除的確切機(jī)制目前還不完全了解。然而，如同下面注意到的，清洗液中溶解的氣體量對于有效的清洗，即，粒子清除，是十分嚴(yán)格的。
下面所示的一些例子是按照以前的工藝清洗半導(dǎo)體晶片的方法。
1995年11月7日發(fā)布的美國專利5,464,480號(Matthews)揭示，在清洗罐中用低于環(huán)境溫度或冷卻(1-15℃)的擴(kuò)散有臭氧(O3)的去離子水處理半導(dǎo)體晶片，然后用去離子水漂洗來除去半導(dǎo)體晶片上的有機(jī)材料，如抗蝕劑。雖然臭氧在室溫或較高溫度下幾乎不溶解在去離子水中，但在低于環(huán)境溫度時卻可充分溶解，使有機(jī)材料氧化成不溶解的氣體。特超聲傳感器用來攪動清洗罐中溶有臭氧的去離子水。
在這里的RCA清洗中，用去離子水漂洗晶片，用溶有臭氧的去離子水?dāng)U散入氨氣(NH3)而形成的SC1液來處理晶片，然后再漂洗。接著用熱(70℃)去離子水升高清洗罐的溫度。然后用擴(kuò)散有臭氧氣體和氯化氫氣體的去離子水，即形成的SC2液來處理晶片，最后用去離子水漂洗晶片。
1998年2月3日發(fā)布的美國專利5,714,203號(Schellenberger等)揭示，將硅片浸在含氟化氫(HF)的清洗水浴中，氟化氫使硅片表面疏水，然后在液浴表面有氣流時由液浴中取出硅片，或是取出硅片并使之干燥，氣流可只用氧/臭氧的混合氣或是化學(xué)惰性的載氣，如空氣，即氮?dú)狻⒀鯕夂投趸?N2、O2和CO2)，或二氧化碳、氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。當(dāng)氣流施加于液浴表面時，使液體的表面張力降低有助于晶片的干燥，而當(dāng)氣流施加于干燥的晶片時，使晶片表面親水。如果清洗浴含臭氧也可使晶片表面變得親水。
1996年10月29日發(fā)布的美國專利5,569,330號(Schild等)揭示，在同一容器中依次先在含HF而使晶片表面疏水的液浴中，然后在含臭氧而使晶片表面親水的液浴中進(jìn)行化學(xué)處理，在兩個處理步驟中都施加特超聲振動，最后使晶片干燥。晶片在兩步處理間也可立即干燥。
1996年5月28日發(fā)布的美國專利5,520,744號(Fujikawa等)揭示，在一密封室中依次用三種恒溫的去離子水熱(60℃)化學(xué)浴處理硅片，去離子水中分別含有(1)過氧化氫和氫氧化銨、(2)HF、(3)過氧化氫和HCl，每一步化學(xué)處理后都用去離子水漂洗。在末一步漂洗后將非活性的氣體和有機(jī)溶劑蒸汽，如氮?dú)夂彤惐?，施加于晶片以降低殘留的去離子水的表面張力，有助于晶片的干燥(在減壓下是有效的)，同時也減弱了沾污粒子的附著。
1998年9月1日發(fā)布的美國專利5,800,626號(Cohen等)(有一共同發(fā)明人，轉(zhuǎn)讓與國際商用機(jī)械公司)揭示了一種方法，用之控制在給定的處理溫度下用含去離子水和氣體的清洗液特超聲輔助清洗微電子器件襯底的效力。它是這樣進(jìn)行的，先將水真空除氣，然后再加入一定量的氣體，如氮?dú)?，以提供一種清洗液，其在給定的處理溫度下所含的氣體只是部分飽和的，如60-98％。清洗液是去離子H2O/H2O2/NH4OH的稀釋液(SC1)，如體積比分別為10∶1∶1至1,000∶2∶1，去離子H2O/H2O2/HCl(SC2)，如體積比分別為10∶0∶1至1,000∶1∶1。第一部分真空除氣的去離子水與第二部分至少所含氣體是部分飽和的去離子水按比例混合以有效地提供在給定的處理溫度下所含氣體只是部分飽和的水。
所說的5,800,626號專利注意到，較高的溫度或施加較低的壓力都可減小溶液中可溶解的氣體量，這樣，對溶有飽和氣體的水加熱會引起某些溶解的氣體通過氣泡而排出。一種危險是，清洗液的水中有過多的氣體在經(jīng)過溫度控制飽和時，在熱去離子水中可形成氣泡而造成硅的表面缺陷。為此，通常供給的是去過氣的去離子水，去過氣的水再加入具有特定溶解度與溫度關(guān)系的特殊氣體，以提供在給定處理溫度下使用的所含氣體只是部分飽和的水。供給所含氣體只是部分飽和的水就可在較低的特超聲功率、較低的溫度和低得多的化學(xué)藥品濃度下有效地清洗襯底，這樣制備的其中所含氣體只是部分飽和的水只限于使用在給定的處理溫度下。
這里引入所說的5,800,626號美國專利是供參考的。
顯然，在半導(dǎo)體晶片如硅片的特超聲清洗中所用去離子水的氣體濃度，即無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體(產(chǎn)生氣泡和攪動)的濃度對粒子計(jì)數(shù)有很強(qiáng)的影響，即清洗后殘留的沾污粒子數(shù)與清洗前原有的粒子數(shù)相比。
在這方面，為了用標(biāo)準(zhǔn)的SC1和SC2清洗得到，例如，親水的晶片，通常使用特超聲振動時清洗浴需有高濃度的清洗增強(qiáng)氣體，即產(chǎn)生攪動。另一方面，為用HF處理得到，例如，疏水晶片，清洗浴中的高氣體濃度會形成過量的氣泡，這是有害的，通常引起高的粒子計(jì)數(shù)，即清洗后有大量的沾污粒子殘留在晶片上。這是由于氣泡在疏水表面引起成核或遷移而使粒子沉積在表面上。因此，對于疏水的晶片，使用稀釋的溶液，如HF溶液，所溶的氣體量遠(yuǎn)低于其飽和濃度。
由于稀釋的清洗液主要是去離子水，作為今日的濕法清洗設(shè)備來清洗半導(dǎo)體晶片，必須特別注意去離子水中溶解氣體的量。
對于給定的清洗操作的一系列清洗和漂洗步驟，為使每一步處理的液浴中都含有最佳的氣體濃度，今日所用的濕法清洗設(shè)備在某些情況下，在去氣/加氣室裝有氣體調(diào)節(jié)部件，如所謂的接觸器。此部件典型地是一個密封的室，被一個滲氣膜分成液體室(水空間)和氣體室(氣空間)，而水被送入水空間。
當(dāng)此部件用作去氣室時，氣體由水中通過膜和氣空間被真空泵在選定的真空壓力下抽除，因而調(diào)節(jié)了水中溶解的氣體濃度，即降低濃度。另一方面，當(dāng)此部件用作加氣室時，泵則用作加壓泵，在選定的正壓下向氣空間，進(jìn)而通過滲氣膜向水中供給氣體，以調(diào)節(jié)水中溶解的氣體濃度，即增高濃度。
去氣室通常置于加熱室的上游，后者接受來自去氣室的，例如，室溫(冷)的去離子水，在送到清洗罐用于清洗半導(dǎo)體晶片前，使之加熱到(熱)清洗溫度。然而，也可供給室溫(冷)的和預(yù)熱(很熱)的兩種去離子水，冷水和很熱的水可按預(yù)定的比例混合而得到熱清洗溫度的水。
然而，今日的濕法清洗設(shè)備沒有一個考慮到在較高的溫度下清洗浴去離子水中的氣體會發(fā)生過飽和(超飽和)。這就大大降低了清洗時特超聲振動的效率。
所以希望有一個系統(tǒng)，包括一個方法和一個設(shè)備，使在去離子水被加熱到選定的清洗高溫之前能選擇調(diào)節(jié)水中的氣體濃度，用以在特超聲振動的作用下清洗半導(dǎo)體晶片，以避免因加熱的去離子水中氣體的過飽和或欠飽和而引起的清洗效率的下降。
按照本發(fā)明提供一個系統(tǒng)，包括一個方法和一個設(shè)備，使在去離子水被加熱到選定的清洗高溫之前能選擇調(diào)節(jié)水中的氣體濃度，用以在特超聲振動的作用下清洗半導(dǎo)體晶片，以避免因加熱的去離子水中氣體的過飽和或欠飽和而引起的清洗效率的下降，這就消除了前述的缺點(diǎn)。特別是，為提高特超聲清洗的效率，去離子水中的氣體濃度必須作為清洗處理溫度的函數(shù)而加以控制。
本發(fā)明的第一方面是提供一種制備去離子水的方法，在選定的清洗高溫和隨之選定的清洗壓力下水中溶有基本上100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用來清洗半導(dǎo)體晶片如硅片。
這個方法包括以下步驟調(diào)節(jié)去離子水中溶解的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體的濃度，去離子水在預(yù)定的初始低溫下溶有預(yù)定初始濃度的這種氣體，以使得在這樣的初始低溫下去離子水中溶有調(diào)節(jié)過的欠飽和濃度的這種氣體，這相當(dāng)于在清洗溫度和壓力下水中基本上溶有100％飽和濃度的這種氣體；充分加熱所得的調(diào)節(jié)了氣體濃度的去離子水來調(diào)節(jié)其溫度，以形成去離子水熱浴，在清洗溫度和壓力下，水中基本上溶有100％飽和濃度的氣體，用以清洗半導(dǎo)體晶片。
典型地，清洗溫度為50-85℃(122-185°F)，如66℃(151°F)，初始低溫為15-30℃(59-86°F)，如25℃(77°F)，伴隨的清洗壓力為大氣壓。
根據(jù)一個優(yōu)選的方案，這個方法還包括向熱浴添加化學(xué)清洗劑，如由過氧化氫和氫氧化銨或類似物組成的堿性清洗劑，來提供很稀的清洗液。典型地，稀釋的堿性清洗液是由去離子H2O/H2O2/NH4OH分別按體積比10∶1∶1至1,000∶2∶1，特別是100∶0.9∶0.5組成的(SC1)。
根據(jù)另一個優(yōu)選的方案，這個方法還包括將晶片與熱浴接觸來清洗半導(dǎo)體晶片，如將晶片浸在熱浴中，并向熱浴施加特超聲振動。
特別是，這個方法包括對在預(yù)定初始低溫下溶有預(yù)定初始濃度氣體的去離子水進(jìn)行去氣，以在初始低溫下水中溶有調(diào)節(jié)過的欠飽和濃度的氣體，這相當(dāng)于在清洗溫度和壓力下水中基本上溶有100％飽和濃度的氣體；充分加熱所得的調(diào)節(jié)了氣體濃度的去離子水，以形成去離子水熱浴，水中基本上溶有在清洗溫度和壓力下100％飽和濃度的氣體。
無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體典型地包括氮?dú)?N2)、氦氣(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)、氫氣(H2)、輕的碳?xì)浠衔锶缂淄?CH4)和乙烷(C2H6)、輕的碳?xì)浞锶缢姆淄?四氟化碳CF4)、輕的醚如二甲基醚(CH3OCH3)、輕的氟化醚及類似物。在其中微弱酸性的pH值不會成為問題時，氣體甚至可以是二氧化碳(CO2)，在其中某種氧化活性也不成問題時，氣體甚至可以是一氧化氮(笑氣，N2O)。
然而，每個所用的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體和去離子水，基本上是無氧的，最好本來是無氧的。
本發(fā)明的第二方面是提供一種制備去離子水的設(shè)備，以在選擇的清洗高溫和隨之選擇的清洗壓力下水中基本上溶有100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用來清洗半導(dǎo)體晶片。
該設(shè)備包括去氣室和接受來自去氣室的液體的液體加熱容器；用來向去氣室供給液體的液體入口；用來從去氣室排除氣體的氣體出口；用來從氣體出口排除氣體以調(diào)節(jié)去氣室的壓力的抽真空裝置；檢測室內(nèi)的壓力的壓力傳感器；用來為液體加熱容器加熱的加熱器；用來測量容器中液體的溫度的溫度傳感器。
控制器與真空泵、壓力傳感器、加熱器和溫度傳感器相連，用以控制抽真空裝置和加熱器的工作來選擇調(diào)節(jié)去氣室的壓力和對容器中的液體選擇加熱，使所得的熱的液體對應(yīng)于去離子水的熱浴，其中溶解的氣體在選擇的高溫和伴隨的壓力下具有選擇調(diào)節(jié)的濃度。
根據(jù)一個優(yōu)選的方案，該設(shè)備還包括清洗罐，用以接受由液體加熱容器得到的熱液來對半導(dǎo)體晶片作特超聲清洗。
由下面的詳細(xì)描述結(jié)合附圖和專利權(quán)要求，對本發(fā)明的了解將更為容易。


圖1是按照本發(fā)明來制備去氣和加熱的去離子水用以特超聲清洗半導(dǎo)體晶片的設(shè)備配置示意圖。
圖2表示在25℃恒溫下去離子水中氮化硅顆粒清除效率與氮?dú)鉂舛鹊年P(guān)系。
圖3表示對于不同溫度的去離子水在1大氣壓的恒定壓強(qiáng)下的最佳氮?dú)鉂舛取?br> 注意，這些圖不是按比例畫的，某些部分被放大了以易于了解。
現(xiàn)在參看圖1，這里示出的是按照本發(fā)明用于制備去離子水的設(shè)備10，去離子水是在選擇的清洗高溫(熱)和隨之選擇的壓力下溶有100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體而形成了清洗半導(dǎo)體晶片如硅片的熱浴。設(shè)備10包含有去氣室11、加熱容器12、清洗罐13、真空泵16、壓力傳感器18、加熱器19、溫度傳感器20、控制器21、泵控制線22、壓力控制線23、加熱器控制線24、溫度控制線25以及化學(xué)試劑供料器26。去氣室11有水入口14和氣體出口15，泵16有排氣口17。
加熱容器12以通常方式安排接受來自去氣室11的預(yù)定起始低溫(冷)的去離子水，清洗罐13以通常方式安排接受來自加熱容器12的熱去離子水，例如實(shí)現(xiàn)一批或多批半導(dǎo)體晶片(未示出)的批清洗。
去氣室11適于用作常規(guī)的去氣/加氣室，即一個密閉的室，如氣密的室，它被透氣膜(未示出)分成液體室(水空間)和氣體室(氣空間)。在用作去氣室時，室11備有供給去離子水的水入口14和排氣用的氣體出口15。氣體經(jīng)透氣膜、氣空間而被這里為抽氣泵的真空泵16在選定的真空壓力下由水中排除，靠這樣降低氣體濃度來調(diào)節(jié)溶于水中的氣體濃度。
水入口14連到去離子水源上(未示出)以保持去氣室11的水空間完全充水。這種水希望實(shí)質(zhì)上是無氧的，例如冷的去離子水，具有預(yù)定的初始濃度，如在15-30℃的預(yù)定初始低溫下，特別是在環(huán)境溫度或室溫下，如25℃，溶有100％(16.6ppm)無反應(yīng)清洗增強(qiáng)(產(chǎn)生鼓泡和攪動)氣體，如氮?dú)?N2)。
去離子水源典型地供給的去離子水已初步除去了所有的氣體，以提供無氧的水。實(shí)質(zhì)上無氧的去離子水儲存在儲水罐中，通常保持在15-30℃的室溫，如25℃，水面上覆蓋有在加壓頭或泵增壓下的惰性氣體幕，如氮?dú)?，使水足以流出去氣?1。在這樣的條件下儲存就為在去離子水加入惰性氣體，如氮?dú)?，達(dá)到所說的100％(16.6ppm)濃度。
真空泵16連到出氣口15上，壓力傳感器18與去氣室11的氣空間相通來測量和監(jiān)控壓力，即其中的氮?dú)馄胶夥謮骸Ｕ婵毡?6與壓力傳感器18聯(lián)用以使去氣室11的氣空間維持在選定的負(fù)壓(真空)下。這就足以引起去氣室11水空間中的水釋放出選定量的氮?dú)猓?jīng)滲氣膜進(jìn)入氣空間而通過抽吸作用由排氣口17排除，以調(diào)節(jié)去氣室11的壓力。
用這種方法，溶在去離子水中的氮?dú)獾念A(yù)定初始濃度，如100％(16.6ppm)，可在預(yù)定的初始低溫(冷)下選擇調(diào)節(jié)為欠飽和濃度，如60.2％(10ppm)，這對應(yīng)于在清洗高溫(熱)和伴隨的壓力下，如大氣壓下這種氣體的期望實(shí)質(zhì)溶解濃度為100％(10ppm)。
加熱容器12在選定的壓力下，如大氣壓(1大氣壓)下希望是個密閉容器而不是直接與環(huán)境溝通或如通常那樣保持在環(huán)境氣氛下以避免引入沾污。加熱容器12帶有加熱器19，如通常的加熱套或浸入式加熱器，和溫度傳感器20，如溫度計(jì)。溫度傳感器20用于測量和監(jiān)控加熱容器12中去離子水的溫度。
加熱器19與溫度傳感器20聯(lián)用，使加熱容器12中來自去氣室11的溫度為15-30℃，如25℃，的冷去離子水，在大氣壓下加熱至選定的熱清洗溫度50-85℃，如66℃。用這種方法就可有效地得到去離子水熱浴，它含有在選定的清洗溫度(66℃)和清洗壓力(大氣壓)下所希望的100％飽和濃度的氮?dú)狻?br> 因此，假設(shè)有一中央的或本地的冷去離子水源，在25℃下具有100％(16.6ppm)的飽和氮?dú)鉂舛?，濕法清洗設(shè)備配有氣體濃度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)，用以形成具有100％(10ppm)飽和氣體濃度的66℃熱清洗浴。冷水，例如以10加侖/分的流速，經(jīng)去氣，其氣體濃度由100％(16.6ppm)降至60.2％(10ppm)，然后由25℃加熱至66℃。當(dāng)然，氣體濃度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)都與水流速的選擇無關(guān)。
清洗罐13在選擇的清洗壓力，如大氣壓(1大氣壓)下希望是個密閉的罐或室，以避免引入沾污，例如不是與環(huán)境直接溝通或如通常那樣保持在環(huán)境氣氛下。清洗罐13通常配有特超聲傳感器，如特超聲振動發(fā)生器(未示出)用以向清洗罐13及其接受的來自加熱容器12的熱去離子水施加特超聲振動來形成熱液浴，熱清洗溫度為50-85℃，特別是66℃，清洗壓力為大氣壓。
控制器21按常規(guī)方式經(jīng)由泵控制線22、壓力控制線23、加熱器控制線24和溫度控制線25分別連接到真空泵16、壓力傳感器18、加熱器19和溫度傳感器20上，以控制真空泵16和加熱器19的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂破?1因此用于選擇調(diào)節(jié)去氣室11中的氣壓和選擇加熱容器12中的去離子水，以便為清洗罐13提供熱去離子水而形成半導(dǎo)體晶片特超聲清洗熱浴。
清洗罐13中的熱液浴可用作化學(xué)處理液浴，將通常的化學(xué)試劑或成份按希望的比例，如體積比，溶在去離子水中(標(biāo)準(zhǔn)清洗液)，例如熟知的過氧化氫和氫氧化銨在去離子水中按選擇比例的非常稀釋的溶液(SC1)，如去離子H2O/H2O2/NH4OH按體積比分別為10∶1∶1至1,000∶2∶1，尤其是100∶0.9∶0.5。
為此在清洗罐13上按工作要求備有化學(xué)物質(zhì)供料器26，用以將這樣的化學(xué)試劑或成份添加到由加熱容器12傳過來的熱液浴中。
去氣室11和加熱容器12可安排作接受和處理來自中央水站或本地水源的冷去離子水，對去離子水除氣來調(diào)節(jié)氮?dú)饣蚱渌线m的氣體的濃度，加熱調(diào)節(jié)了氣體濃度的冷去離子水達(dá)到所需要的熱浴溫度，用于在一個或多個清洗罐13中半導(dǎo)體晶片的批清洗操作，包括單個或多個晶片依次單獨(dú)進(jìn)行的漂洗和清洗處理。
因此，按照本發(fā)明，在去氣室11中冷去離子水可進(jìn)行與溫度有關(guān)的清洗增強(qiáng)氣體如氮?dú)獾姆謮赫{(diào)節(jié)。這樣就可在加熱室12中制備具有所希望的100％飽和的氣體平衡濃度的熱去離子水，以有效地用于化學(xué)清洗操作和去離子水漂洗操作，尤其是與清洗罐13中硅片的特超聲清洗結(jié)合起來。
在恒定的加熱溫度下，如66℃，在特定的液/氣系統(tǒng)的平衡氣體濃度下，清洗效率達(dá)到最高。在非平衡態(tài)的較高氣體濃度下，如實(shí)際上常發(fā)生的那樣，清洗效率降低。因此，常規(guī)的去離子水制備系統(tǒng)用于如下的處理順序去氣室→溫度調(diào)節(jié)→處理室，即清洗罐，只有在去氣室的去氣水平受溫度控制時才可達(dá)到最優(yōu)的特超聲清洗效率。
這是因?yàn)闅怏w的溶解度隨溫度的升高而減小。因此需對較冷的去離子水作較高程度的去氣以便將所希望的去離子水清洗浴加熱到較高的溫度。由于常規(guī)的去離子水制備系統(tǒng)不控制冷去離子水的去氣，它依賴于以后清洗操作所用的熱去離子水升高的溫度，而特超聲清洗效率只對給定的清洗工藝溫度才是最佳的。
現(xiàn)在參看圖2，此圖表示硅粒子清除效率(％)(Y軸，縱軸)與壓力(X軸，橫軸)的關(guān)系。它說明氣體過飽和及欠飽和的去離子水對半導(dǎo)體晶片清洗效率的影響，這里用氮?dú)庾鳛槿芙庠谌ルx子水中的氣體。
在這個粒子清除效率試驗(yàn)中，按照慣例，硅片可重復(fù)地先被試驗(yàn)粒子沾污，此處用的是氮化硅粒子。然后測量沉積的試驗(yàn)粒子數(shù)。根據(jù)已知的所用粒子的初始量由除去的粒子量計(jì)算粒子的清除效率。
應(yīng)考慮到晶片表面試驗(yàn)粒子的性質(zhì)與制備工藝中晶片表面預(yù)期實(shí)際存在的粒子是很不同的。然而對于給定的清洗設(shè)備，此試驗(yàn)還是清洗效率的可接受的量度。一般說來，可以假設(shè)在制備工藝中實(shí)際遇到的晶片表面的粒子要比試驗(yàn)的粒子更強(qiáng)地附著在晶片表面上，因而更難于除去。
圖2表示沾污的氮化硅粒子的清除效率作為氮?dú)鉂舛鹊暮瘮?shù)，亦即，清除效率＝f(p)，或者換一種表述，作為氣體分壓的函數(shù)，氣體分壓與氣體濃度相對應(yīng)。實(shí)驗(yàn)條件包括恒定溫度25℃和0.6-1.4大氣壓的氣體分壓范圍，用常規(guī)的Hoechest-Celanese接觸器作為氣體調(diào)節(jié)元件(去氣器或加氣器)來調(diào)節(jié)去離子水溶解的氮?dú)夂浚慈饣蚣託?，特超聲濕清洗操作是用CFM8050系統(tǒng)(CFM Techno1ogies Inc.)作為濕法清洗設(shè)備來完成的，用SC1溶液(去離子水∶過氧化氫∶氫氧化銨＝100∶0.9∶0.5)在1大氣壓的壓力下濕清洗60秒。
圖2中的垂直虛線表示正常的或環(huán)境氣壓(1大氣壓)，這樣垂直虛線左側(cè)的氣體濃度表示在低于大氣壓的負(fù)壓下，即欠飽和，而垂直虛線右側(cè)的氣體濃度表示在大氣壓以上的正壓下，即過飽和(超飽和)。
圖2使我們清楚地觀察到在大氣壓下的氮?dú)?100％飽和的平衡狀態(tài))有最高的粒子清洗效率。氣體濃度降低或升高時，清洗效率都顯著下降。
在去離子水中氮?dú)膺^飽和時粒子清洗效率的下降可解釋為形成了過量的(氮)氣泡，使得特超聲能量在達(dá)到晶片表面前被有害地吸收了。
在較低氣體濃度時粒子清洗效率的下降相信是由于在較低的氣體平衡濃度下穩(wěn)定的氣穴現(xiàn)象減弱了。這在工藝中至今顯然還沒有被覺察到。
注意，為了清楚地看到溶解的氣體濃度對清洗效率的影響，必須將清除效率調(diào)到低于100％(即，70％)，使我們能跟蹤溶解的氣體濃度的效果。為此，這里完成的實(shí)驗(yàn)是用很稀的SC1溶液(即，去離子水∶過氧化氫∶氫氧化銨＝100∶0.9∶0.5)在環(huán)境溫度(即，25℃)下進(jìn)行了很短的時間(即，60秒)。一般說來，清洗效率隨溶液中化學(xué)試劑濃度的增加、清洗時間的增加和溫度的增高而增加。
現(xiàn)在參看圖3，此圖表示氮?dú)鉂舛?ppm，Y軸)與溫度(℃，X軸)的關(guān)系。它說明了在溶解氮?dú)獾目倝汉愣?大氣壓時去離子水在15-75℃間的不同溫度下最佳的氮?dú)鉂舛?ppm)。因此，在圖3中以氮?dú)庾鳛槔诱f明了最佳平衡濃度就是平衡氣體濃度。圖3中的左、中、右三條垂直虛線分別代表溫度為25℃、29℃和66℃，而上、中、下三條水平虛線分別代表溶解在去離子水中的氮?dú)鉂舛葹?8ppm、16.6ppm和10ppm。
圖3的飽和曲線表明，100％的氮?dú)怙柡蜐舛认喈?dāng)于25℃時(左邊的垂直虛線)的18ppm(上面的水平虛線)、29℃時(中間的垂直虛線)的16.6ppm(中間的水平虛線)和66℃時(右邊的垂直虛線)的10ppm(下面的水平虛線)。因此，含18ppm氮?dú)獾娜ルx子水由25℃加熱至66℃，或含16.6ppm氮?dú)獾娜ルx子水由29℃加熱至66℃將引起熱去離子水中的氮?dú)鈬?yán)重過飽和。另一方面，將含氮?dú)?0ppm的去離子水由25℃加熱至66℃或由29℃加熱至66℃將產(chǎn)生所需要的含100％飽和氮?dú)獾臒崛ルx子水。
由圖3的飽和曲線可以清楚地看到，在25℃時水中含氮?dú)?6.6ppm相當(dāng)于90％的飽和平衡濃度，表示氮為欠飽和的。由圖3中也可清楚地看到，在去離子水由25℃加熱至66℃時，與10ppm的氮?dú)鉂舛认啾龋?6.6ppm的濃度相當(dāng)于大于60％的過飽和平衡濃度(即，16.6-10＝6.6；6.6/10＝66％)。
再參看圖2，可以看到，這個大于60％的過飽和濃度使氮化物粒子的清除效率降低30％以上。如圖2所示，在1大氣壓下粒子的清除效率可達(dá)70％(相當(dāng)于去離子水中100％的氮?dú)怙柡蜐舛?。另一方面，0.8在大氣壓(去離子水中氮?dú)獾那凤柡蜐舛?下粒子清除效率僅約40％，而在1.2大氣壓(去離子水中氮?dú)獾倪^飽和濃度)下粒子清除效率僅約65％。
如上面注意到的，當(dāng)溶解在去離子水中的氮?dú)鉂舛葹榍凤柡蜁r(即，低于100％的飽和濃度)，所希望的穩(wěn)定的氣穴現(xiàn)象減弱了，而當(dāng)?shù)獨(dú)馊芙庠谌ルx子水中的濃度為過飽和時(即，大于100％的正常飽和濃度)形成過量的氣泡，反而吸收了特超聲能量，于是在這兩種情況下施加的特超聲振動的效率都降低了。
因此，正如由圖2和圖3看到的，要提供在大氣壓下(1大氣壓)含飽和濃度氮?dú)?100％正常飽和濃度)的66℃熱去離子水，所用的去離子水應(yīng)調(diào)節(jié)到含氮?dú)?0ppm，使得在水溫調(diào)節(jié)到66℃時達(dá)到所需要的飽和氮?dú)鉂舛取?br> 因此，圖2的曲線確定了當(dāng)稀釋的SC1溶液中總的氣體濃度在選定的工藝溫度下實(shí)質(zhì)上為其100％的飽和值時，特超聲輔助的粒子清除是最有效的。接下來，圖3的曲線確定了在1大氣壓的壓力下，即進(jìn)行清除粒子的清洗操作的常壓下，氮?dú)獾娘柡蜐舛仁侨芤簻囟鹊膹?qiáng)函數(shù)。所以，可以推斷，所用的稀釋SC1溶液的氣體濃度必須依照在指定的情況下所用的工藝溫度來重新調(diào)節(jié)，以使施加的特超聲效率達(dá)到最大。
再者，由于要針對使用的不同工藝制備初始的去離子水，用作去離子水源的有關(guān)的中央或本地的制造方處的水中溶解的氣體量變化范圍可以很寬。因此，沒有附加對去離子水氣體濃度的調(diào)節(jié)，施加的特超聲清洗操作就不可能達(dá)到按照本發(fā)明所能達(dá)到的效率。
由上述可以明了，在不完全了解特超聲輔助技術(shù)增強(qiáng)粒子清除操作的確切機(jī)理時，對于期望有效的清洗，即粒子清除，清洗液中溶解的氣體量是十分嚴(yán)格的。
清洗罐13用于處理一個或多個半導(dǎo)體晶片時可采用任何常規(guī)的方式，如用含氮?dú)饣蚱渌线m氣體的去離子水進(jìn)行規(guī)定的漂洗，和/或用含有除了氮?dú)饣蚱渌线m氣體以外的一種或多種化學(xué)清洗劑的去離子水進(jìn)行化學(xué)清洗。
在清洗晶片如硅片時，可優(yōu)先使用預(yù)期的稀釋的SC1清洗步驟或接著使用其他必須的化學(xué)清洗步驟。這包括使用腐蝕劑，如稀釋的HF溶液的典型清洗程序來除去上層的二氧化硅以產(chǎn)生疏水的硅表面；在用SC1清洗后，用SC2溶液，如去離子水、過氧化氫和鹽酸的混合液，除去在SC1清洗步驟中沉積的金屬沾污；和/或通常在SC1清洗步驟前用氧化溶液，如硫酸與臭氧或過氧化氫的混合液或?qū)⒊粞跞茉谒衼沓ビ袡C(jī)沾污。
每一個這樣的化學(xué)處理后通常都接著用去離子水漂洗晶片以除去殘留的化學(xué)品。在完成了所有的化學(xué)清洗和漂洗步驟后，使晶片干燥?；瘜W(xué)清洗后的最終漂洗可在升高的溫度下加入特超聲輔助以增強(qiáng)化學(xué)擴(kuò)散/遷移效率。
一方面，按照本發(fā)明，可使用一種去離子水，開始時水是冷的，其溫度低于熱清洗溫度，然后被加熱到清洗溫度。另一方面，按照所說的同時申請的專利，也可使用兩份去離子水第一份起初是冷的低于熱清洗溫度的去離子水；第二份起初是很熱的高于熱清洗溫度的去離子水，然后與第一份按比例混合而成為達(dá)到清洗溫度的混合液。
注意，所說的美國專利5,800,626號表1中的試驗(yàn)結(jié)果是在如下條件下完成的使用H2O/H2O2/NH4OH的SC1清洗液的體積比為40∶2∶1，80∶3∶1和240∶3∶1；在只估計(jì)氮?dú)鉃?0％或100％飽和時的清洗溫度為45℃、65℃、22℃和23℃。然而，這些估計(jì)的飽和度的結(jié)果是基于這樣的試驗(yàn)，在這些試驗(yàn)中沒有按照本發(fā)明的方式依照調(diào)節(jié)去離子水中的氣體濃度來選擇溫度。
因此，可以理解，所述的特殊示例只是用來說明本發(fā)明的一般原理。按照所闡述的原理可以作出種種修改。
權(quán)利要求
1.一種制備去離子水的方法，在選定的清洗高溫和隨之選定的壓力下，去離子水中溶有基本上100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用于清洗半導(dǎo)體晶片，這個方法包括以下步驟調(diào)節(jié)去離子水中溶解的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體的濃度，去離子水在預(yù)定的初始低溫下溶有預(yù)定初始濃度的所說氣體，以提供在所說的初始低溫下去離子水中溶有調(diào)節(jié)過的欠飽和濃度的所說氣體，其對應(yīng)于在所說的清洗溫度和壓力下基本實(shí)質(zhì)上溶有100％飽和濃度的所說氣體；和充分加熱所得的調(diào)節(jié)了氣體濃度的去離子水來調(diào)節(jié)其溫度，以形成去離子水熱浴，在所說的清洗溫度和壓力下，水中基本上溶有100％飽和濃度的所說氣體，用以清洗半導(dǎo)體晶片。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所說的清洗溫度為50-85℃，初始的低溫為15-30℃，清洗壓力為大氣壓。
3.權(quán)利要求1的方法，其中還包括向所說的熱浴添加化學(xué)清洗劑。
4.權(quán)利要求1的方法，其中還包括向所說的熱浴添加由過氧化氫和氫氧化銨組成的化學(xué)清洗劑。
5.權(quán)利要求1的方法，其中還包括向所說的熱浴添加由過氧化氫和氫氧化銨組成的化學(xué)清洗劑，去離子水與過氧化氫和氫氧化銨的體積比為10∶1∶1至1,000∶2∶1。
6.權(quán)利要求1的方法，其中還包括使所說的晶片與所說的熱浴接觸來清洗半導(dǎo)體晶片。
7.權(quán)利要求1的方法，還包括將所說的晶片浸在所說的熱浴中并向所說熱浴施加特超聲(megesonic)振動來清洗半導(dǎo)體晶片。
8.一種制備去離子水的方法，在選定的約50.85℃的清洗高溫，和隨之選定的清洗壓力下，去離子水中溶有基本上100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用于清洗半導(dǎo)體晶片，該方法包括以下步驟調(diào)節(jié)去離子水中溶解的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體的濃度，去離子水在預(yù)定的約15-30℃的初始低溫下溶有預(yù)定初始濃度的所說氣體，以提供在所說的初始低溫下去離子水中溶有調(diào)節(jié)過的欠飽和濃度的所說氣體，這對應(yīng)于在所說的清洗溫度和壓力下水中基本上溶有100％飽和濃度的所說氣體；充分加熱所得的調(diào)節(jié)了氣體濃度的去離子水來調(diào)節(jié)其溫度，以形成去離子水熱浴，在所說的清洗溫度和清洗壓力下，水中基本上溶有100％飽和濃度的所說氣體；和將所說的晶片浸在所說的熱浴中，并對所說的熱浴施加特超聲(megasonic)振動來清洗所說的晶片。
9.權(quán)利要求8的方法，其中還包括向所說的熱浴添加化學(xué)清洗劑。
10.權(quán)利要求8的方法，其中還包括向所說的熱浴添加由過氧化氫和氫氧化銨組成的化學(xué)清洗劑。
11.權(quán)利要求8的方法，其中還包括向所說的熱浴添加由過氧化氫和氫氧化銨組成的化學(xué)清洗劑，去離子水與過氧化氫和氫氧化銨的體積比為10∶1∶1至1,000∶2∶1。
12.一種制備去離子水的方法，在選定的升高的清洗溫度和隨之選定的壓力下，去離子水中溶有基本上100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用于清洗半導(dǎo)體晶片，這個方法包括以下步驟對去離子水進(jìn)行去氣，去離子水在預(yù)定的初始低溫下溶有預(yù)定初始濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，以提供在所說的初始低溫下去離子水中溶有調(diào)節(jié)過的欠飽和濃度的所說氣體，這對應(yīng)于在所說的清洗溫度和清洗壓力下水中基本上溶有100％飽和濃度的所說氣體；和充分加熱所得的調(diào)節(jié)了氣體濃度的去離子水以形成去離子水熱浴，在所說的清洗溫度和清洗壓力下，水中基本上溶有100％飽和濃度的所說氣體，用以清洗半導(dǎo)體晶片。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所說的清洗溫度為50-85℃，所說的初始低溫為15-30℃，所說的清洗壓力為大氣壓。
14.權(quán)利要求12的方法，其中還包括向所說的熱浴添加化學(xué)清洗劑。
15.權(quán)利要求12的方法，其中還包括向所說的熱浴添加由過氧化氫和氫氧化銨組成的化學(xué)清洗劑。
16.權(quán)利要求12的方法，其中還包括向所說的熱浴添加由過氧化氫和氫氧化銨組成的化學(xué)清洗劑，去離子水與過氧化氫和氫氧化銨的體積比為10∶1∶1至1,000∶2∶1。
17.權(quán)利要求12的方法，其中還包括使所說的晶片與所說的熱浴接觸來清洗半導(dǎo)體晶片。
18.權(quán)理要求12的方法，其中還包括將所說的晶片浸在所說的熱浴中并向所說熱浴施加特超聲振動來清洗半導(dǎo)體晶片。
19.一種制備去離子水的設(shè)備，去離子水在選定的清洗高溫和隨之選定的清洗壓力下溶有基本上100％飽和濃度的無反應(yīng)清洗增強(qiáng)氣體，用于清洗半導(dǎo)體晶片，這種設(shè)備包括一個去氣室和用于接受來自所說的去氣室的液體的一個液體加熱容器；用以向所說的去氣室供給液體的液體入口，用以從去氣室排氣的氣體出口，通過所說的氣體出口排氣來調(diào)節(jié)所說的去氣室的壓力的抽真空裝置，和用來測量所說的去氣室的壓力的壓力傳感器。
全文摘要
提供了一個制備去離子水的系統(tǒng),去離子水在如50—85℃的熱的溫度和伴隨的如大氣壓的壓力下含有100%飽和濃度的氣體,如氮?dú)?用以清洗半導(dǎo)體晶片如硅片。在配有真空泵和壓力傳感器的去氣室中對在如15—30℃的低溫下含有預(yù)定氣體濃度的去離子水進(jìn)行氣體濃度調(diào)節(jié),使在低溫下氣體的欠飽和濃度相當(dāng)于在高溫和伴隨的壓力下的飽和濃度。然后,調(diào)節(jié)了氣體濃度的水被加熱至高溫,以在清洗罐中形成具有飽和氣體濃度的熱浴來清洗晶片。
文檔編號H01L21/304GK1276271SQ00108988
公開日2000年12月13日 申請日期2000年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月25日
發(fā)明者S·庫德爾卡, D·拉斯 申請人:因芬尼昂技術(shù)北美公司, 國際商業(yè)機(jī)器公司