阅读说明：本技术 基板的清洗方法及装置 (Method and apparatus for cleaning substrate ) 是由 王晖 王希 张晓燕 陈福发 于 2018-01-23 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种基板(2010、3010、4010、5010、6010、7010、8010)清洗方法,包括以下步骤：将基板(2010、3010、4010、5010、6010、7010、8010)放置在基板保持装置(1314)上；将清洗液输送到基板(2010、3010、4010、5010、6010、7010、8010)表面；实施预处理工艺以从基板(2010、3010、4010、5010、6010、7010、8010)表面分离气泡(2050、2052、3050、4050、5050、6050、7052、70584、7056、8052、8054、8056)；以及实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板(2010、3010、4010、5010、6010、7010、8010)。(The invention discloses a method for cleaning substrates (2010, 3010, 4010, 5010, 6010, 7010 and 8010), which comprises the following steps: placing a substrate (2010, 3010, 4010, 5010, 6010, 7010, 8010) on a substrate holder (1314); delivering the cleaning solution to the surface of the substrate (2010, 3010, 4010, 5010, 6010, 7010, 8010); performing a pretreatment process to separate bubbles (2050, 2052, 3050, 4050, 5050, 6050, 7052, 70584, 7056, 8052, 8054, 8056) from a surface of a substrate (2010, 3010, 4010, 5010, 6010, 7010, 8010); and performing an ultrasonic or megasonic cleaning process to clean the substrate (2010, 3010, 4010, 5010, 6010, 7010, 8010).)

基板的清洗方法及装置

技术领域

本发明涉及基板的清洗方法及装置，更具体地，涉及从基板表面分离气泡以避免在清洗过程中气泡破坏性内爆，从而更有效地去除基板上图案结构中的微小颗粒。

背景技术

半导体器件是在半导体基板上经过一系列不同的加工步骤形成晶体管和互连线而制成的。近年来，晶体管的建立由两维发展到三维，例如鳍型场效应晶体管和3D NAND存储器。为了使晶体管终端能和半导体基板电连接在一起，需要在半导体基板的介质材料上做出导电的(例如金属)槽、孔及其他类似的结构作为半导体器件的一部分。槽和孔可以在晶体管之间、内部电路以及外部电路传递电信号和能量。

为了在半导体基板上形成鳍型场效应晶体管和互连结构，半导体基板需要经过多个步骤，如掩膜、刻蚀和沉积来形成所需的电子线路。特别是，多层掩膜和等离子体刻蚀步骤可以在半导体基板的电介质层形成鳍型场效应晶体管、3D NAND闪存单元和/或凹陷区域的图案作为晶体管的鳍和/或互连结构的槽和通孔。为了去除刻蚀或光刻胶灰化过程中在鳍结构和/或槽和通孔中的颗粒和污染物，需要进行湿法清洗。特别是，当器件制造节点延伸至16或14nm以及更小时，鳍和/或槽和通孔的侧壁损失是维持临界尺寸的关键。为了减小或消除侧壁损失，应用温和的、稀释的化学试剂，或有时只用去离子水是非常重要。然而，稀释的化学试剂或去离子水通常不能有效去除鳍结构、3D NAND孔和/或槽和通孔内的微粒。因此，需要使用机械力，例如超声波或兆声波，来有效去除这些微粒。超声波或兆声波会产生气穴振荡为基板结构提供机械力，这些猛烈的气穴振荡例如不稳定的气穴振荡或微喷射将损伤这些图案结构。维持稳定或可控的气穴振荡是控制机械力损伤限度并有效去除微粒的关键参数。

图1A和图1B描述了在清洗过程中，不稳定的气穴振荡损坏基板1010上的图案结构1030。不稳定的气穴振荡可由用于清洗基板1010的声能产生。如图1A和图1B所示，由气泡1050内爆产生的微喷射发生在图案结构1030顶部的上方且非常猛烈(能达到几千大气压及几千摄氏度)，这将会损坏基板1010上的图案结构1030，尤其当特征尺寸t缩小到70nm或更小时。

通过控制清洗过程中的气泡的气穴振荡克服了由气泡内爆引起的微喷射导致的基板图案结构损坏。可以在整个基板上实现稳定或可控的气穴振荡，以避免图案结构的损坏，这已在2015年5月20日提交的专利申请号为PCT/CN2015/079342中公开。

在某些情况下，即使将用于清洗基板的超声波或兆声波的功率强度降至很低(几乎没有颗粒去除率)，基板图案结构的损坏仍会发生，损坏的数量仅为少数(100以下)。然而，在超声波或兆声波辅助的清洗过程中，气泡的数量通常有数万个。基板图案结构的损坏数量与气泡的数量是不匹配的，这种现象的机理尚不清楚。

发明内容

根据本发明的一个方面，揭示一种基板清洗方法，包括以下步骤：将基板放置在基板保持装置上；将清洗液输送到基板表面；实施预处理工艺以从基板表面分离气泡；以及实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板。

根据本发明的另一个方面，揭示一种基板清洗装置，包括：基板保持装置，被配置为保持基板；至少一个进液口，被配置为输送清洗液到基板表面；超声波或兆声波装置，被配置为向清洗液传递声能；一个或多个控制器，被配置为：控制超声波或兆声波装置具有第一功率以实施预处理工艺以从基板表面分离气泡，以及控制超声波或兆声波装置具有第二功率以实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板，第二功率高于第一功率。

根据本发明的又一个方面，揭示一种基板清洗装置，包括：基板保持装置，被配置为保持基板；一个或多个进液口，被配置为输送清洗液到基板表面以清洗基板，以及输送化学溶液到基板表面以实施预处理工艺以从基板表面分离气泡；超声波或兆声波装置，被配置为向清洗液传递声能以清洗基板。

附图说明

图1A及图1B揭示了在清洗过程中不稳定的气穴振荡损坏基板上的图案结构的示意图。

图2A至图2D揭示了附着在基板上的图案结构表面的气泡内爆造成图案结构损坏的示意图。

图3A至图3H揭示了附着在基板上的图案结构表面的气泡内爆造成图案结构损坏的机理的示意图。

图4A至图4B揭示了从基板上的图案结构表面分离气泡的示例性方法的示意图，其中，气泡附着在图案结构及基板的表面。

图5A至图5C揭示了从基板上的图案结构表面分离气泡的示例性方法的示意图，其中，气泡附着在杂质上。

图6A至图6C揭示了从基板上的图案结构表面分离气泡的另一示例性方法的示意图，其中，气泡附着在杂质上。

图7A至图7B揭示了从基板上的图案结构表面分离气泡的示例性方法的示意图，其中，气泡附着在颗粒上。

图8A至图8B揭示了从基板上的图案结构表面分离气泡的另一示例性方法的示意图，其中，气泡附着在颗粒上。

图9揭示了根据本发明的清洗基板的一个示例性方法的示意图。

图10揭示了根据本发明的清洗基板的另一个示例性方法的示意图。

图11揭示了根据本发明的清洗基板的又一个示例性方法的示意图。

图12揭示了根据本发明的清洗基板的又一个示例性方法的示意图。

图13A至图13B揭示了根据本发明的清洗基板的一个示例性装置的示意图。

具体实施方式

参考图2A所示，在使用超声波或兆声波辅助基板清洗过程中，有一种现象是，即使将清洗基板2010的超声波或兆声波的功率强度降低到非常低的水平(几乎没有颗粒去除率)，基板2010上的图案结构2030损坏仍然会发生。此外，通常情况下是图案结构2030的单壁受到损坏。图2A举例说明了两种损坏情况。一个例子是，图案结构2030的单壁朝一侧剥落。另一个例子是，图案结构2030的单壁的一部分被去除。尽管图2A举例说明了两个例子，但应认识到可能会发生其他类似的损坏。造成这些损坏的原因是什么？

参考图2B至图2D所示，在基板的清洗过程中，小气泡2050、2052趋于附着在固体表面上，例如基板2010的表面或图案结构2030的侧壁，如图2B和图2C所示。当气泡2050、2052附着在基板2010的表面上或是图案结构2030的侧壁上时，例如气泡2052附着在图案结构2030的底部角落，气泡2050附着在图案结构2030的单侧壁上，一旦这些气泡2050、2052发生内爆，图案结构2030朝向气泡内爆力作用于单侧壁的方向从基板2010的子层剥离或图案结构2030的单侧壁的一部分被去除，如图2A所示。虽然气泡内爆不如微喷射那样剧烈，但是，由于气泡2050、2052附着在基板2010的表面及图案结构2030的侧壁，小气泡内爆所产生的能量依然会损坏图案结构2030。

此外，在湿法工艺中，小气泡可能合并成较大的气泡。由于气泡趋向于附着在固体表面，图案结构及基板等固体表面上气泡的合并增加了气泡内爆发生在图案结构上的风险，尤其是在临界几何部分。

图3A至图3H描述了在根据本发明的超声波或超声波辅助湿法清洗过程中附着在基板上的气泡的内爆损坏基板上的图案结构的机理。图3A示意了清洗液3070输送到包括图案结构3030的基板3010的表面，且至少有一个气泡3050附着在图案结构3030的底部角落。在图3B所示的超声波或兆声波正的声压工作过程中，F1是作用在气泡3050上的超声波或兆声波压力，F2是气泡3050压在基板3010上时，由基板3010产生的作用在气泡3050上的反作用力，F3是气泡3050压在图形结构3030的侧壁上时，由图形结构3030的侧壁产生的作用在气泡3050上的反作用力。在图3C和图3D所示的超声波或兆声波负的声压工作过程中，由于超声波或兆声波负力拉伸气泡3050，气泡3050膨胀变大。在气泡体积膨胀的过程中，F1’是气泡3050推清洗液3070的力，F2’是气泡3050推基板3010的力，F3’是气泡3050推图案结构3030侧壁的力。超声波或兆声波正的声压和负的声压交替作用数个周期后，气泡内的气体温度越来越高，气泡体积越来越大，最终发生气泡内爆3051，其产生作用在清洗液3070上的内爆力F1”，作用于基板3010的力F2”，作用于图案结构3030侧壁的力F3”，如图3G所示。内爆力导致图案结构3030的侧壁被损坏，如图3H所示。

为了避免在使用超声波或兆声波辅助湿法清洗过程中因气泡内爆导致基板上的图案结构被损坏，优选地，在将声能施加到清洗液以清洗基板之前，将气泡从图案结构表面和基板分离。

下文揭示了从图案结构表面和基板分离气泡的多种方法。

图4A及图4B揭示了根据本发明的基板预处理以从基板上的图案结构表面分离气泡的一个实施例。当清洗液4070被输送到包括图案结构4030的基板4010的表面时，至少一个气泡4050附着在图案结构4030的底部角落，如图4A所示。因此，在使用超声波或兆声波清洗基板之前，需要进行气泡分离预处理。在气泡分离预处理工艺中，一种方法，例如分别从沿着图案结构4030的固体表面方向D1和基板4010的固体表面方向D2增加图案结构4030的表面润湿性，或者使用最小机械力从方向D1和方向D2进行干涉，以使图案结构4030表面和气泡4050之间的界面以及基板4010表面和气泡4050之间的界面逐渐收缩，从而达到从图案结构4030表面和基板4010上分离气泡的目的，如图4B所示。

根据本发明的气泡分离预处理工艺的一个实施例，是通过在基板4010表面提供化学溶液，将基板4010表面从疏水性改为亲水性，例如，提供化学溶液，在基板4010表面形成亲水涂层，或者使用例如臭氧溶液或SC1溶液(氢氧化铵，双氧水，水的混合物)等化学溶液将疏水性表面材料例如硅或多晶硅层氧化成亲水性氧化硅层。

根据本发明的气泡分离预处理工艺的一个实施例，是向基板4010表面提供含有表面活性剂、添加剂或螯合剂的化学溶液。含有表面活性剂、添加剂或螯合剂的化学溶液能够增加该化学溶液在基板4010表面的润湿性，从而分离附着在图案结构4030表面及基板4010上的气泡。化学品例如含羧基的乙二胺四乙酸(EDTA)、四羧基乙二胺四丙酸(EDTP)酸/盐等用作表面活性剂掺杂在化学溶液中以提高化学溶液的润湿性。

此外，低功率的超声波或兆声波能够被结合到上述各实施例中以提高气泡分离效率。低功率的超声波或兆声波产生小的机械力有助于稳定的气穴振荡，从而产生机械力将气泡4050从图案结构4030表面及基板4010表面上分离。低功率超声波或兆声波能够在连续模式(非脉冲模式)下运行，功率密度可以是，例如，1mw/cm²-15mw/cm²。应用具有连续模式的低功率超声波或兆声波到清洗液中以从图案结构4030表面及基板4010表面上分离气泡的持续时间可以是，例如，10s-60s。2008年12月12日提交的PCT/CN2008/073471号专利申请公开了将连续模式的超声波或兆声波应用于清洗液的更详细描述，所有这些都通过引用并入本文中。低功率的超声波或兆声波能够以脉冲模式运行，功率密度可以是，例如，15mw/cm²-200mw/cm²。应用具有脉冲模式的低功率超声波或兆声波到清洗液中以从图案结构4030表面及基板4010表面上分离气泡的持续时间可以是，例如，10s-120s。2015年5月20日提交的PCT/CN2015/079342号专利申请公开了将脉冲模式的超声波或兆声波应用于清洗液的更详细描述，所有这些都通过引用并入本文中。

参考图5A至图5C所示，揭示了根据本发明的气泡分离预处理工艺的一个实施例，是去除附着在基板表面的杂质，例如金属杂质、有机污染物和聚合物残留物。气泡5050容易附着在基板5010表面上的金属杂质、有机污染物和聚合物残留物等杂质5090周围，因此附着在图案结构5030及基板5010表面的气泡5050在随后的超声波或兆声波清洗过程中有内爆并损坏基板5010上的图案结构5030的风险。一种在基板5010表面提供化学溶液的预处理方法，有助于在超声波或兆声波清洗工艺之前去除基板5010表面的杂质5090，例如金属杂质和聚合物残留物，例如，利用臭氧溶液氧化表层聚合物残留物，或者利用高温(90-150℃)SPM溶液(硫酸、双氧水混合物)碳化表层聚合物残留物。在另一个实施例中，化学品例如EDTA也可用于表面金属离子螯合，以去除金属杂质。

在一些情况中，当杂质5090例如有机污染物或聚合物残留物等积聚在图案结构5030的角落时，由于化学溶液在杂质5090的表面润湿性差，气泡5050容易附着在杂质5090上，这可能会导致在图案结构5030表面发生破坏性内爆。以下揭示了两种去除杂质5090和分离积聚的气泡5050的方法。在一个实施例中，在预处理步骤中使用化学溶液去除杂质5090，如图5A所示利用臭氧溶液或SC1溶液去除有机污染物。当化学溶液与杂质5090反应时，杂质5090的尺寸正在缩小，如图5B所示。由于杂质5090被从图案结构5030和基板5010的表面去除，化学溶液的润湿性增加，使气泡5050离开图案结构5030表面，如图5C所示。

参考图6A至图6C所示，根据本发明的另一个实施例，在预处理步骤中，使用低功率超声波或兆声波工艺来提高杂质6090的去除效率，如使用臭氧溶液或SC1溶液去除有机污染物，如图6A所示。由于施加了低功率的超声波或兆声波，气泡6050的体积交替膨胀和收缩，从而使杂质6090充分接触化学溶液，进一步与化学溶液发生反应。这个过程加速了化学溶液与杂质6090的反应效率。由于杂质6090从图案结构6030表面被去除，化学溶液的润湿性增加使得气泡6050离开图案结构6030的表面，如图6C所示。低功率超声波或兆声波能够在连续模式(非脉冲模式)下运行，功率密度可以是，例如1mw/cm²-15mw/cm²。低功率超声波或兆声波也能够在脉冲模式下运行，功率密度可以是，例如15mw/cm²-200mw/cm²。

图7A及图7B揭示了根据本发明的从基板上的图案结构表面分离气泡的一个实施例。如果颗粒7090被困在基板7010的图案结构7030的角落，由于颗粒的形状不规则，气泡7052、7054、7056更容易在颗粒7090表面周围聚集。附着在图案结构7030表面及颗粒7090表面上的气泡7052、7054、7056具有内爆和损坏图案结构7030的风险。因此，在进行超声波或兆声波清洗工艺之前，需要进行颗粒去除及气泡分离预处理工艺。

如图7A及图7B所示，在预处理工艺中，先去除颗粒7090，以便进一步从图案结构7030表面及基板7010表面分离气泡7052、7054、7056。在超声波或兆声波清洗工艺之前，可以对清洗液7070施加低功率的超声波或兆声波以去除颗粒7090并从图案结构7030表面及基板7010表面分离气泡7052、7054、7056。低功率超声波或兆声波在气泡7052、7054、7056上产生气穴振荡。气泡7052、7054、7056的气穴振荡产生的机械力f1、f2、f3以及合力F向外推动颗粒7090，如图7A所示。颗粒7090最终被向上推起，气泡7052、7054、7056气穴振荡力也会产生声波搅动将气泡7052、7054、7056从图案结构7030表面及基板7010表面分离。低功率的超声波或兆声波能够在连续模式(非脉冲模式)下运行，功率密度可以是，例如1mw/cm²-15mw/cm²。低功率的超声波或兆声波也能够在脉冲模式下运行，功率密度可以是，例如15mw/cm²-200mw/cm²。

图8A及图8B揭示了根据本发明的从基板上的图案结构表面分离气泡的另一个实施例。在预处理工艺中，通过在基板8010表面提供化学溶液8070使之与颗粒8090反应或溶解颗粒8090，去除颗粒8090，以便进一步将气泡8052、8054、8056从图案结构8030表面及基板8010表面分离。化学溶液可以是臭氧溶液或SC1溶液，氧化聚合物颗粒。在这个过程中，在随后的超声波或兆声波清洗工艺之前，也可以采用低功率的超声波或兆声波工艺来辅助化学反应或溶解。低功率的超声波或兆声波在被困在图案结构8030角落的颗粒8090周围的气泡8052、8054、8056上产生气穴振荡。气泡8052、8054、8056气穴振荡所产生的机械力f1、f2、f3和合力F向外推动颗粒8090。化学溶液反应或溶解颗粒8090再结合低功率的超声波或兆声波产生的机械力使颗粒8090最终向上推起。气泡8052、8054、8056气穴振荡力也会产生声波搅动将气泡8052、8054、8056从图案结构8030表面及基板8010表面分离。

本发明揭示一种基板清洗方法，包括以下步骤：

将基板放置在基板保持装置上；

输送清洗液至基板表面；

实施预处理工艺以从基板表面分离气泡；以及

实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板。

实施预处理工艺的持续时间为5秒或多于5秒。

图9揭示了根据本发明的基板清洗方法的一个实施例。在这个实施例中，在脉冲模式下运行的超声波或兆声波被应用于预处理工艺中以从基板表面分离气泡。超声波或兆声波具有第一功率，功率密度可以是，例如15mw/cm²-200mw/cm²。应用脉冲模式的低功率超声波或兆声波分离气泡的持续时间可以是，例如10s-120s。从基板表面分离气泡之后，随后，在脉冲模式下运行的超声波或兆声波被应用于实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板。该超声波或兆声波具有第二功率，第二功率高于第一功率，第二功率的功率密度可以是，例如0.2w/cm²-2w/cm²。应用脉冲模式的高功率超声波或兆声波清洗基板的持续时间可以是，例如600s以内。

图10揭示了根据本发明的基板清洗方法的另一个实施例。在该实施例中，在连续模式(非脉冲模式)下运行的超声波或兆声波被应用于预处理工艺以从基板表面分离气泡。该超声波或兆声波具有第一功率，功率密度可以是，例如1mw/cm²-15mw/cm²。应用连续模式的低功率超声波或兆声波分离气泡的持续时间可以是，例如10s-60s。从基板表面分离气泡之后，随后，在脉冲模式下运行的超声波或兆声波被应用于实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板。该超声波或兆声波具有第二功率，第二功率高于第一功率，第二功率的功率密度可以是，例如0.2w/cm²-2w/cm²。应用脉冲模式的高功率超声波或兆声波清洗基板的持续时间可以是，例如600s以内。

图11揭示了根据本发明的基板清洗方法的又一个实施例。在该实施例中，在脉冲模式下运行的超声波或兆声波被应用于预处理工艺中以从基板表面分离气泡。该超声波或兆声波具有第一功率，功率密度可以是，例如15mw/cm²-200mw/cm²。应用脉冲模式的低功率超声波或兆声波分离气泡的持续时间可以是，例如10s-120s。从基板表面分离气泡之后，随后，在连续模式(非脉冲模式)下运行的超声波或兆声波被应用于实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板。该超声波或兆声波具有第二功率，第二功率高于第一功率，第二功率的功率密度可以是，例如15mw/cm²-500mw/cm²。应用连续模式的高功率超声波或兆声波清洗基板的持续时间t2可以是，例如10s-60s。在t2时间段，可能发生气泡内爆或不稳定的气穴振荡，然而，由于其发生在结构的上方，因此由微喷射所产生的冲击力可能不会损坏到基板上的图案结构。

图12揭示了根据本发明的基板清洗方法的再一个实施例。在该实施例中，在连续模式(非脉冲模式)下运行的超声波或兆声波被应用于预处理工艺中以从基板表面分离气泡。该超声波或兆声波具有第一功率，功率密度可以是，例如1mw/cm²-15mw/cm²。应用连续模式的低功率超声波或兆声波分离气泡的持续时间可以是，例如5s-60s。从基板表面分离气泡之后，随后，在连续模式(非脉冲模式)下运行的超声波或兆声波被应用于实施超声波或兆声波清洗工艺以清洗基板。该超声波或兆声波具有第二功率，第二功率高于第一功率，第二功率的功率密度可以是，例如15mw/cm²-500mw/cm²。应用连续模式的高功率超声波或兆声波清洗基板的持续时间可以是，例如10s-120s。

图4A至图8B所揭示的分离气泡的预处理方法可以被应用或结合在图9至图12所揭示的方法中。

参考图13A和图13B所示，揭示了根据本发明的基板清洗装置的一个实施例。图13A是该基板清洗装置的剖视图，该基板清洗装置包括：用于保持基板1310的基板保持装置1314、驱动基板保持装置1314的旋转驱动模块1316、输送清洗液及化学溶液1370至基板1310表面的喷头1312。该基板清洗装置还包括位于基板1310上方的超声波或兆声波装置1303。该超声波或兆声波装置1303进一步包括压电式传感器1304及与其配对的声学共振器1308。压电式传感器1304通电后作用如振动，声学共振器1308将低声能或高声能传递到清洗液或化学溶液中。由低声能产生的气泡气穴振荡使气泡从基板1310表面分离。由高声能产生的气泡气穴振荡使基板1310表面上的杂质颗粒等污染物振动松动去除。

再次参考图13A所示，该基板清洗装置还包括与超声波或兆声波装置1303相连接的臂1307，该臂1307用于在竖直方向Z上移动超声波或兆声波装置1303，从而改变液膜厚度d。竖直驱动模块1306驱动臂1307竖直移动。竖直驱动模块1306及旋转驱动模块1316都由控制器1388控制。

图13B是图13A所示的基板清洗装置的顶视图。超声波或兆声波装置1303仅覆盖了基板1310的一小部分区域，因此需要旋转才能在整个基板1310上获得均匀的声波能量。尽管在图13A及13B中仅示出了一个超声波或兆声波装置1303，然而在其他实施例中，也可以同时或间断地使用两个或两个以上的声波装置。同样的，也可以使用两个或两个以上的喷头1312，分别用于输送清洗液或化学溶液到基板1310表面。

在本发明的一些方面，基板保持装置的旋转及声能的应用可以由一个或多个控制器控制，比如设备的软件可编程控制。一个或多个控制器也可以包括一个或多个定时器，以控制旋转和/或能量应用的时间。

综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。