專利名稱：利用以傾斜角度施加的輻射去除材料的制作方法
在此涉及下述普通許可的申請(qǐng)和專利，其公開內(nèi)容在此引用作為參考美國(guó)專利申請(qǐng)第08/609,449號(hào)，1996年3月1日提交；美國(guó)專利申請(qǐng)第08/472,762號(hào)，1995年6月6日提交；美國(guó)專利中請(qǐng)第08/306,431號(hào)，1994年9月19日提交(在此稱為“431中請(qǐng)”)；美國(guó)專利申請(qǐng)第08/335,258號(hào)，1994年11月9日提交(在此稱為“258申請(qǐng)”)；美國(guó)專利申請(qǐng)第07/865,039號(hào)，1992年3月31日提交，現(xiàn)在是美國(guó)專利第5,531,857號(hào)；美國(guó)專利中請(qǐng)第07/611,198號(hào)，1990年11月9日提交，現(xiàn)在是美國(guó)專利第5,099,557號(hào)；美國(guó)專利申請(qǐng)第07/216,903號(hào)，1988年7月8日提交，現(xiàn)在是美國(guó)專利第5,024,968號(hào)；(所有這些申請(qǐng)和專利在此稱為“Engelsberg的啟發(fā)發(fā)明”)本發(fā)明涉及從表面上去除材料。更具體地講，發(fā)明涉及利用以斜交于襯底的入射角照射的輻射，在不改變留在襯底上的、在待去除材料下面或附近的材料的物理性質(zhì)的條件下，從襯底表面去除材料。這種技術(shù)可應(yīng)用于以下場(chǎng)合使用垂直襯底表面施加的輻射將使材料去除得不充分，或者損傷在待去除材料下面或附近的襯底表面，或者兼而有之。
從襯底表面有效地去除不需要的材料是許多重要的材料處理和產(chǎn)品制備工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問題。如258申請(qǐng)所描述的，不需要的材料(還可稱之為污染物)包括顆粒、不需要的化學(xué)元素或化合物和材料薄膜或材料層。顆?？梢允浅叨扔蓙單⒚椎饺庋劭梢娢⒘５奈镔|(zhì)碎片。不需要的化學(xué)品包括在進(jìn)行去除工藝時(shí)不需要的任何物質(zhì)、元素或化合物。例如，在工藝的一個(gè)階段，氫氧族化合物(-OH)是襯底表面上需要的反應(yīng)催化劑，而在另一個(gè)階段可能是不需要的污染物。材料薄膜或材料層可以是有機(jī)物，例如指紋帶來(lái)的人體油脂、涂料和環(huán)氧樹脂，或者是無(wú)機(jī)物，例如襯底材料的氧化物或與襯底接觸的其它無(wú)機(jī)材料。
需要去除這種不需要的材料以便使襯底更適用于預(yù)定用途。例如，在某些精確的科學(xué)測(cè)量?jī)x器中，如果儀器中的光學(xué)透鏡或反射鏡上覆蓋一層極薄的表面污染物，那么測(cè)量精度將受到影響。類似地，在半導(dǎo)體中，少數(shù)分子污染物引起的表面缺陷通常會(huì)使光掩膜或晶片報(bào)廢。即使少量降低石英光掩膜中的分子表面缺陷數(shù)也能大大地提高半導(dǎo)體晶片的成品率。類似地，在將電路層淀積在晶片上或者淀積在淀積層之間以前將硅晶片表面上的分子表面污染物去除，例如碳或氧，將顯著地提高制造出的計(jì)算機(jī)芯片的質(zhì)量。
選擇去除襯底材料層可以在襯底表面形成十分微小的結(jié)構(gòu)(所謂的“納米結(jié)構(gòu)”)。還可以選擇性地去除材料(無(wú)論是襯底材料，氧化層還是其它材料層)，使襯底表面各處的去除量不同，以便改變襯底表面的形貌(例如平滑粗糙表面)。
材料處理設(shè)備通常需要進(jìn)行去除不需要材料的處理以防止設(shè)備處理的產(chǎn)品受到污染。例如，生產(chǎn)設(shè)備將產(chǎn)生大量的、最終在生產(chǎn)過程中會(huì)污染硅晶片的不需要材料，這些生產(chǎn)設(shè)備包括放置晶片的處理腔，用于支托晶片通過石英加熱管的石英晶片托舟(和加熱管本身)，和將處理氣體導(dǎo)入腔室的管道。相應(yīng)地，周期性地清洗這些設(shè)備可以在生產(chǎn)過程中顯著降低晶片的污染程度。
通常，任何用于從襯底上去除材料的工藝不應(yīng)當(dāng)影響剩余(需要)材料的物理性質(zhì)。通常，不應(yīng)當(dāng)受到影響的物理性質(zhì)包括晶格結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、密度、介電常數(shù)、電荷密度、霍耳系數(shù)和電子/空穴的擴(kuò)散系數(shù)。特別是半導(dǎo)體應(yīng)用(例如金屬氧化物半導(dǎo)體(“MOS”)；場(chǎng)效應(yīng)晶體管(“FET”)；雙極型二極管(“BJT”))，物理性質(zhì)包括MOS中的電容/面積；結(jié)電容；FET中由漏極到源極的溝道電流；BJT中的集電極-基極電壓，發(fā)射極-基極電壓；FET中的漏極-源極電壓，柵極-源極電壓；MOS閾值電壓；MOS表面態(tài)電荷/面積；存儲(chǔ)延時(shí)。此外，還不希望改變剩余材料的形貌(例如表面粗糙度)。
如258和431申請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述的，已經(jīng)提出許多去除不需要材料的技術(shù)(也是正在使用的技術(shù))。這些技術(shù)包括溫法化學(xué)清洗(RCA工藝)，稀釋的HF，超高聲，和超聲，超臨界液體清洗，UV和臭氧清洗，刷清洗，氣態(tài)HF，激光輔助液體清洗(包括Allen工藝和Tam工藝)，表面溶化，退火，沖蝕，等離子體清洗和干冰(CO2)清洗。
所有這些技術(shù)都有一些缺點(diǎn)，包括不能去除非常小的顆粒；令人不希望地改變下面襯底的物理性質(zhì)；消耗大量昂貴材料，例如超純水和超純氣體；產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品(例如HF酸)。Engelsberg的啟發(fā)發(fā)明利用空間和時(shí)間濃度(能量和功率流)足以去除不需要材料、但不足以改變下面襯底的物理性質(zhì)的高能光子輻照不需要的材料而將不需要材料從襯底的處理表面去除，它解決了問題并避免了這些現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。然而，在特定的環(huán)境下，Engelsberg的啟發(fā)發(fā)明不能有效地去除不需要的材料，或者損傷留在襯底上的、在待去除材料下面或附近的材料。
本發(fā)明利用空間和時(shí)間密度(能量和功率流)足以去除不需要材料、但不足以改變下面襯底的物理性質(zhì)的高能光子以不垂直于襯底表面的角度輻照不需要的材料，將不需要的材料從襯底的處理表面去除，它解決了前述的問題，并避免了現(xiàn)有技術(shù)和Engelsberg的啟發(fā)發(fā)明的缺點(diǎn)。優(yōu)選地，氣體連續(xù)流過表面，將去除的材料帶走以避免材料再次淀積在被處理襯底上的某處。氣體最好相對(duì)于襯底和待去除材料是惰性的。此外，為了盡可能避免氣流攜帶的污染物淀積在處理表面上，氣流優(yōu)選地處于層流氣流狀態(tài)(laminar flow regime)。
(高能光子的)輻射源可以是在本領(lǐng)域眾知的、能提供具有所需能級(jí)的光子的任何裝置，包括脈沖或連續(xù)波激光器和高能燈。在一些應(yīng)用中，例如那些感興趣的化學(xué)鍵需要近同步地使用多光子的應(yīng)用，高輸出功率的輻射源是優(yōu)選的，例如脈沖紫外激光器。
本發(fā)明可以從帶有圖形的硅晶片上去除化學(xué)機(jī)械拋光(“CMP”)液剩余物。在垂直入射時(shí)，從晶片上去除液體剩余物的同時(shí)也破壞了鋁電路圖形。令人吃驚的是，利用傾斜入射角和降低的能量和功率流，可以去除液體，而不會(huì)產(chǎn)生損傷。
本發(fā)明還可以從裸硅表面去除氮化硅顆粒。這里，垂直入射的去除效果很差，而當(dāng)輻射以傾斜角度照射襯底時(shí)可以有效地、無(wú)損傷地去除。
本發(fā)明還可以從乙烯樹脂上去除聚氨酯泡沫。利用相同的能級(jí)，垂直入射時(shí)材料受到損傷，去除效果很差，而傾斜入射時(shí)可以無(wú)損傷地去除泡沫。
此外，本發(fā)明可以從石英光掩膜上的氧化鉻上去除光刻膠顆粒。傾斜入射可以無(wú)損傷地去除顆粒。與此相反，垂直入射時(shí)，顆粒的去除效果很差，而且氧化鉻與石英光掩膜剝離。
圖1是根據(jù)Engelsberg的啟發(fā)發(fā)明原理從襯底上去除不需要材料的方法和設(shè)備的簡(jiǎn)圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明原理從襯底上去除不需要材料的方法和設(shè)備的簡(jiǎn)圖。
圖3是由圖1-2設(shè)備中的一臺(tái)在襯底上產(chǎn)生的入射輻射區(qū)圖案的簡(jiǎn)圖。
圖4A和4B是在一個(gè)實(shí)例中示例氣體噴嘴位置的簡(jiǎn)圖。
圖5A和5B是示例輻射光束的焦平面配置的簡(jiǎn)圖。
現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，方案的實(shí)例示例在附圖中。所有附圖中的相同參考字符表示相同的元件。
1．基本處理方法和設(shè)備圖1簡(jiǎn)略地示出在不改變襯底物理性質(zhì)的條件下從襯底的處理表面去除不需要材料的方法和設(shè)備。如圖1所示，處理襯底12以便將不需要材料除去的設(shè)備10包括輻射系統(tǒng)400、氣體系統(tǒng)500和相對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)600。輻射系統(tǒng)400包括輻射11(由高能光子組成)的源410,例如激光器，和將輻射11導(dǎo)入襯底12的處理表面的適用傳送光學(xué)部件450。氣體系統(tǒng)500包括氣體18的源510和使氣體18流過施加了輻射11的襯底12的至少部分表面的輔助傳送系統(tǒng)550。氣體18優(yōu)選地相對(duì)于襯底12是惰性的，并流過襯底12以便在非反應(yīng)氣體環(huán)境中清洗襯底12。優(yōu)選地，氣體18是化學(xué)惰性氣體，例如氦、氖或氬，并在層流氣流狀態(tài)下傳送。相對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)600使待處理襯底12的處理表面部分相對(duì)于源11和任選的氣體18移動(dòng)。
設(shè)備10的這些部件的每一個(gè)組成元件(輻射源410，傳送光學(xué)部件450，氣體源510，氣體傳送系統(tǒng)550和相對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)600)可以與258申請(qǐng)描述的一致，并可以由技工進(jìn)行選擇以便根據(jù)本發(fā)明原理配置設(shè)備。例如，傳送光學(xué)部件450包括反射鏡、透鏡、光纖、準(zhǔn)直鏡，光闌，合束器和其它元件。氣體傳送系統(tǒng)550包括導(dǎo)管、腔室、線路、閥門、過濾器、流量計(jì)和其它元件。相對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)600可以是任何能夠相對(duì)于輻射11和氣體18移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)襯底12的適用系統(tǒng)，它包括平面?zhèn)魉鸵r底的傳送載物臺(tái)、旋轉(zhuǎn)襯底的旋轉(zhuǎn)夾具，或傳送光學(xué)部件中使輻射束11掃描襯底的可移動(dòng)元件。下面將更加詳細(xì)地描述設(shè)備10的示例性實(shí)施方案。
根據(jù)本發(fā)明的方法，高能光子以足以從襯底的處理表面去除不需要材料、但不足以改變需要留在襯底表面上的材料的物理性質(zhì)的空間和時(shí)間密度(能量和功率流)照射到襯底的處理表面。
為去除不需要的材料，必須打斷與處理表面下面和附近的材料相連的化學(xué)鍵(可以是相同材料、襯底材料或第三方材料)。引入的能量只有在至少等于化學(xué)鍵的形成能量時(shí)才能打斷這種化學(xué)鍵。相同襯底材料的化學(xué)鍵形成能量(即，形成化學(xué)鍵釋放的能量)示于下表1a。所示的化學(xué)鍵能是材料元素本身之間的化學(xué)鍵能(例如，Cr-Cr),和材料元素和氧之間的化學(xué)鍵能(例如，Cr-O)。各種碳化合物的化學(xué)鍵形成能示于下表1b。
表1a
表1b
當(dāng)光子攜帶的、傳遞到化學(xué)鍵的能量高于化學(xué)鍵形成能時(shí)，化學(xué)鍵斷開?？梢韵嘈牛芰啃实褪沁@種打斷化學(xué)鍵過程所固有的，因此，需要的光子能量大約是化學(xué)鍵形成能的兩倍。如表1a和1b所示，氧化學(xué)鍵能在4.0到8.3eV量級(jí)，而有機(jī)(碳)化學(xué)鍵能在3.5到11.2eV量級(jí)。因此，需要的光子能量大約是7到22eV。
光子能量決定于其波長(zhǎng)，其關(guān)系如下E=hcλ]]>等式1其中，c是光速(3.00×108m/s),λ是波長(zhǎng)(m),h是普朗克常數(shù)(4.14×10-15eVsec)。因此，光子源的選擇決定于所需的光子能量，由此決定于所需的波長(zhǎng)。下表1c列出各種激光器。表中列出激光器的媒質(zhì)(媒質(zhì)是指氣體(g)、液體(1)、固體(s)或是等離子體(p))，光子波長(zhǎng)λ(nm)和光子能量Eph(eV)。對(duì)于連續(xù)波激光器，還示出平均功率Pave(W)，對(duì)于脈沖激光器，示出單脈沖能量Epulse(J)、典型脈沖持續(xù)時(shí)間tpulse和脈沖峰值功率Ppeak(MW)。
表1c<
比較上述激光器的光子能量和上述相同襯底材料所需的能量(考慮到效率不高)，顯然在大多數(shù)情況下單個(gè)光子的能量不足以打斷感興趣的化學(xué)鍵。然而，可以相信，如果光子在非常短的時(shí)間內(nèi)或者基本上是“同時(shí)”打到化學(xué)鍵上，那么化學(xué)鍵斷開能可以由多個(gè)光子提供。
由于斷開每個(gè)化學(xué)鍵都需要一定的能量，因此將確定數(shù)量的不需要材料從襯底的處理表面去除所需的總能量(即具有確定能量的光子總數(shù))通常比例于材料中的化學(xué)鍵的數(shù)量。應(yīng)當(dāng)相信，光子只在處理表面的表層區(qū)域與化學(xué)鍵相互作用(即，最上面的一層或兩層原子或分子(單層))。為了去除連續(xù)層材料(例如氧化層)，因此，考慮單層中材料的單位表面積和厚度是有益的。由此，對(duì)于確定的表面積，去除確定厚度的材料(單層的數(shù)目)需要有效地施加確定數(shù)量的能量(光子數(shù))。當(dāng)然，并不是所有打到襯底處理表面的光子對(duì)斷開化學(xué)鍵有貢獻(xiàn)——應(yīng)當(dāng)認(rèn)為只有少量光子對(duì)斷開化學(xué)鍵有貢獻(xiàn)。其原因至少有一部分是由于吸收光子能量的有效位置(化學(xué)鍵或粒子對(duì))只占表面積的一小部分。然而，至少對(duì)于確定的材料，可以相信在實(shí)際所需的光子數(shù)目和根據(jù)待打斷的化學(xué)鍵數(shù)目確定的理論光子數(shù)目之間存在相對(duì)恒定的關(guān)系。因此，要考慮的有關(guān)參數(shù)是施加到襯底處理表面的能量流(單位面積的能量，或單位面積的光子數(shù)目)，它對(duì)應(yīng)于去除的不需要材料的厚度。
如上所述，有些情況下感興趣的化學(xué)鍵需要的能量比選擇的輻射源輻射出的單個(gè)光子攜帶的能量更高。這種化學(xué)鍵在此稱為“多光子化學(xué)鍵”。如上所述，只有當(dāng)光子同時(shí)打擊化學(xué)鍵時(shí)，才可以認(rèn)為兩個(gè)或多個(gè)光子的能量可疊加在一起提供打斷多光子化學(xué)鍵所需的能量。這意味著化學(xué)鍵位置上的光子到達(dá)速率，也就是功率流(單位時(shí)間單位面積的能量)。此外，應(yīng)當(dāng)相信多光子化學(xué)鍵的斷開具有隨機(jī)性。對(duì)于襯底區(qū)域上的確定平均功率流，在任意確定的化學(xué)鍵位置存在平均光子到達(dá)率。然而，實(shí)際的光子到達(dá)率應(yīng)當(dāng)是在平均值附近隨機(jī)分布的。由此，如果存在使光子能量累加進(jìn)而打斷多光子化學(xué)鍵的最小光子到達(dá)率(光子間的最大時(shí)間間隔)，與這種最小到達(dá)率對(duì)應(yīng)的、施加到確定區(qū)域的平均功率流將使該區(qū)域中近半數(shù)的化學(xué)鍵位置暴露于所需的到達(dá)率(或更高的速率)。與此相反，即使平均功率流低于產(chǎn)生最小必須光子到達(dá)率所需的功率流，也可以預(yù)見，光子在某些化學(xué)鍵位置仍能在所需間隔內(nèi)到達(dá)。
總之，為了從襯底處理表面去除確定厚度的不需要材料，必須將最小總能量流(單位面積中具有確定能級(jí)的光子總數(shù))施加到不需要的材料上。如果包括多光子化學(xué)鍵，還需要特定的功率流，功率流越高，每個(gè)化學(xué)鍵遇上所需光子到達(dá)率的機(jī)會(huì)越大。由此，適用高能光子源的選擇需要估計(jì)所需的光子能量，對(duì)于多光子化學(xué)鍵，需要估計(jì)可用功率。根據(jù)下面給出的數(shù)據(jù)將會(huì)清楚，為去除CMP剩余物和顆粒，優(yōu)選光子源是脈沖UV激光器，該激光器具有極高的峰值功率和較高的光子能量。
一個(gè)重要考慮限制了可以施加到襯底處理表面的能量和功率流，即需要避免改變留在表面上的材料的物理性質(zhì)。通常，材料物理性質(zhì)的改變是由于材料的溫度高于閾值溫度。由施加輻射能量引起的材料表面溫度的變化決定于材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)和施加的功率和輻射能量流。需要作一些實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找可用于確定襯底材料的最大功率和能量流。依賴汽化、沖蝕或表面熔化進(jìn)行的現(xiàn)有激光清洗技術(shù)為在襯底材料中產(chǎn)生表面變化所需能量和功率流提供了一些指導(dǎo)。
在Engelsberg的啟發(fā)發(fā)明中，光子優(yōu)選地垂直于待處理的襯底部分平面照射，以便對(duì)于光子源的確定輸出使表面的功率和能量流最大。曾經(jīng)認(rèn)為，傾斜照射光子的唯一作用是表面上的功率和功率流按照與相對(duì)于表面平面的入射角的正弦值對(duì)應(yīng)的因子降低。然而，本發(fā)明證明，存在這樣的情況，即盡管能量和功率流降低了，傾斜角度可以提高不需要材料的去除效果，這種降低的能量流減少了發(fā)生損傷的可能性。2．測(cè)試設(shè)備測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)略地示例于圖2。在該設(shè)備中(在圖中標(biāo)記為10A)，輻射源是激光器411，它是脈沖KrF受激準(zhǔn)分子激光器，由LambdaPhysik按照型號(hào)LEXtra200出售。該激光器的波長(zhǎng)是248nm(光子能量是5.01eV)，最大單脈沖輸出能量600mJ，固定脈沖持續(xù)時(shí)間34ns(單脈沖最大功率17.65MW)。最大脈沖重復(fù)頻率是30Hz，產(chǎn)生的最大平均功率18W。輻射光束的尺度在激光器輸出端是23mm乘13mm。
輻射傳送系統(tǒng)450包括，按照離開激光器411的輻射光束11所遇到的部件的順序，光闌板452，轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡453、454和455，和柱面透鏡456。光闌板425可以阻斷激光器411射出的高斯分布光子的“拖尾”，這樣輻射光束11的空間能量分布在垂直于光束的平面內(nèi)近似于均勻分布。確定適當(dāng)孔徑尺寸的方法是讓幾次激光轟擊足以將光束圖像照射到傳真感光紙上。利用公制標(biāo)度卡尺測(cè)量光束圖像的長(zhǎng)度和寬度。轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡453-455是平面反射鏡。反射鏡455可以在反射鏡支座457上升高和降低，并可以轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)節(jié)波束到襯底表面的入射角(AI)Θ。在實(shí)例中使用的最小和最大入射角分別是6°和83.9°-在更大的入射角，輻射光束將通過輻射傳送系統(tǒng)450反射回來(lái)。因此，在實(shí)例中討論的垂直入射是指相對(duì)于處理表面的水平面大約為84°的入射角。柱面透鏡456是一個(gè)焦距為200mm、由Acton，Massachusetts的Acton Research出售的2”×2”透鏡。柱面透鏡456可以在透鏡支座458上升高或降低以便截?cái)喙馐?1，也可以遠(yuǎn)離或靠近襯底以便調(diào)節(jié)光束的焦點(diǎn)。可以調(diào)節(jié)柱面透鏡456使輻射光束11的焦平面處于待處理襯底部分平面的上方(在此稱為“前焦點(diǎn)”)或下方(在此稱為“貫穿焦點(diǎn)”)(前焦點(diǎn)和貫穿焦點(diǎn)的作用將在第4部分詳細(xì)討論)。反射鏡455和柱面透鏡456固定在5-軸100mm的萬(wàn)向架上，并可以利用千分尺載物臺(tái)調(diào)節(jié)。襯底表面上的波束寬度也可以利用千分尺載物臺(tái)調(diào)節(jié)。任選地，可以增加元件459。它可以是起偏器、分束器或衰減器。所有的光學(xué)元件均鍍以248nm光的增透膜。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，該設(shè)備可以是機(jī)械的、自動(dòng)的。
輻射光束11沿著指向安裝襯底12的載物臺(tái)610的方向傳送。如圖3所示，載物臺(tái)610可以沿X和Y方向移動(dòng)(平行于載物臺(tái)平面，在圖3中由箭頭X和Y指示)。輻射光束11一般產(chǎn)生寬為W、長(zhǎng)為L(zhǎng)的矩形入射輻射區(qū)611。區(qū)域611通過傳送載物臺(tái)610掃過襯底12的表面。
氣體傳送系統(tǒng)500包括與以下元件串聯(lián)的液氮杜瓦瓶(4500升)雙態(tài)調(diào)節(jié)器；水/氧吸收器(MG工業(yè)氧吸收劑Oxisorb，可以將濃度吸收到0.01ppb)；微孔型304顆粒過濾器(可過濾到0.003μm)；與Cole-Parmer不銹鋼流量控制器相連的流量計(jì)，部件標(biāo)號(hào)H-32561-42，它是為氮?dú)夂投栊詺怏w用途校準(zhǔn)的；第二微孔型304顆粒過濾器(可過濾到0.003μm)；最后是在區(qū)域611附近終止的噴嘴551。噴嘴551噴出的氣體流18流過區(qū)域611，噴嘴相對(duì)于區(qū)域611是固定的，這樣載物臺(tái)610和襯底12可相對(duì)于噴嘴移動(dòng)。該氣體傳送系統(tǒng)適用于對(duì)典型的大氣氣體不敏感的材料，使設(shè)備比需要或期望在處理過程中將襯底與大氣隔離的情況下所需的設(shè)備更簡(jiǎn)單(例如258申請(qǐng)中所公開的)。
視頻攝像機(jī)700可以觀察區(qū)域611，由此提供處理結(jié)果的可視數(shù)據(jù)。
在示例實(shí)施方案中，當(dāng)輻射光束11施加到襯底12的表面上時(shí)，載物臺(tái)610首先沿X方向縱向移動(dòng)，在已經(jīng)暴露在輻射光束11下的襯底12上產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的矩形掃描帶612。載物臺(tái)610可以換擋返回起始位置，并再次沿X方向移動(dòng)，這樣輻射光束11在掃描帶612上形成另一次“行程”。在一次或多次行程之后，載物臺(tái)610沿Y方向側(cè)向移動(dòng)，移動(dòng)的距離大約等于長(zhǎng)度L，然后再次沿X方向移動(dòng)，形成緊鄰前掃描帶612的另一個(gè)掃描帶。這樣，待處理襯底12的表面部分順序地暴露在輻射光束11和并存的氣流18之下。
在激光器411的單個(gè)脈沖過程中由輻射光束11施加到襯底12的表面上任意一點(diǎn)的能量流(單位面積的能量)等于表面上的脈沖能量除以能量分布面積。這種關(guān)系可以表達(dá)為Feps=EpsI·w]]>等式2其中Feps是表面上單位面積的脈沖能量(J/cm2),Eps是表面上的脈沖能量(J),L和W是區(qū)域611的長(zhǎng)度和寬度(mm)。類似地，脈沖功率流(Fpps)可以這樣計(jì)算Fpps=Fepstp]]>等式3其中tp是激光脈沖持續(xù)時(shí)間。
輻射光束11通過光學(xué)裝置和光闌板將會(huì)發(fā)生能量損耗。因此，表面上的激光脈沖能量(Eps)小于發(fā)射的激光脈沖能量。LEXtra200激光器包括具有脈沖能量計(jì)的微型控制器，它可用于記錄實(shí)驗(yàn)過程中激光能量的輸出。然而，內(nèi)部能量計(jì)并不是十分精確。為了得到更加精確的能量測(cè)量值，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)以便得到針對(duì)內(nèi)部能量計(jì)讀數(shù)的校準(zhǔn)因子以產(chǎn)生更加精確的讀數(shù)。相應(yīng)地，利用處理表面位置上的Molectron J50探頭和JD1000功率計(jì)測(cè)量表面上的激光脈沖能量(Eps)，然后將測(cè)量到的能量讀數(shù)與脈沖能量的內(nèi)部能量計(jì)讀數(shù)(Epm)比較。這樣，得到包含光路損耗和能量計(jì)誤差在內(nèi)的校準(zhǔn)因子(Rcorrection)。
Eps=Epm·Rcorrection等式4該校準(zhǔn)因子不是恒定的-已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它近似地隨激光器的輸出線性變化。脈沖能量決定于激光器的輸入電壓(VI)，該電壓可以大約在17和22kV之間調(diào)節(jié)。激光輸出能量(如內(nèi)部能量計(jì)示出的)對(duì)于確定的電壓設(shè)定值是變化的，這決定于激光器氣體供應(yīng)值等因素，因此，電壓不能直接用于測(cè)量脈沖能量，但內(nèi)部能量計(jì)是可以使用的。為了方便，將校準(zhǔn)因子表示為電壓設(shè)定值的函數(shù)，然后，應(yīng)用于內(nèi)部能量計(jì)的能量讀數(shù)。校準(zhǔn)因子的形式為Rcorrection=1m·V1+b]]>等式5其中m和b分別是線性關(guān)系式的斜率和截距。因此，處理表面上的單脈沖能量為Eps=Epmm·Vl+b]]>等式6在示例實(shí)施方案中，掃描帶612由一系列獨(dú)立區(qū)域611構(gòu)成(如圖3中示于虛像中的第二區(qū)域611’所示)。區(qū)域611’偏離區(qū)域611的距離(ΔX)是激光脈沖間隔時(shí)間(激光脈沖重復(fù)頻率RI的倒數(shù))和載物臺(tái)610的移動(dòng)速度(掃描速度Vs)的乘積。因此，傳送到襯底上的確定點(diǎn)的能量是單脈沖能量流(Feps)和該點(diǎn)接收的激光脈沖數(shù)(Npl)的乘積。脈沖數(shù)Npl等于區(qū)域611的寬度W除以載物臺(tái)在脈沖間隔內(nèi)移動(dòng)的距離ΔX。當(dāng)然，如果W不是ΔX的整數(shù)倍，同時(shí)每個(gè)點(diǎn)必須接收整數(shù)個(gè)的脈沖，那么每個(gè)點(diǎn)接收的脈沖數(shù)就不會(huì)相同。然而，上面給出的關(guān)系式足以精確地確定施加到每個(gè)掃描帶612上的平均能量。此外，在開始另一條掃描帶之前不是側(cè)向轉(zhuǎn)換載物臺(tái)，而是將載物臺(tái)保留在同一側(cè)向位置，在同一位置開始另一條掃描帶612，由此，在襯底上產(chǎn)生另一次“行程”。因此，傳送的總能流(Fet)等于單行程能流(Fepa)乘以行程數(shù)(Npa)。
施加到襯底12的表面上的平均能流可以這樣計(jì)算Fepa=Feps·Rl·wVs]]>等式7單行程能流(Fepa)乘以行程數(shù)得到施加到確定點(diǎn)上的總能流Fet=Fepa·npa等式8在下面示出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，下表2b給出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
表2b
3．以各種入射角去除材料的實(shí)例下面的實(shí)例描述針對(duì)不需要材料的基本處理方法和設(shè)備的應(yīng)用。在每個(gè)實(shí)例中，對(duì)襯底材料的一個(gè)或多個(gè)樣品進(jìn)行一系列處理“操作”。每次操作包括在處理表面上形成單掃描帶612，在掃描帶上進(jìn)行一次或多次行程。除非另外標(biāo)注，樣品均是在表面平面上處理的。
在這些實(shí)驗(yàn)中，其目的是以盡可能少的行程(優(yōu)選的是單行程)和最高載物臺(tái)速度去除所有不需要的材料，而不損傷處理表面。這對(duì)應(yīng)于商業(yè)應(yīng)用的最大處理率——在最少時(shí)間內(nèi)處理襯底。如上所述，可以相信關(guān)鍵的工藝因素是單脈沖能流(Feps)，直接相關(guān)(以34ns的固定脈沖持續(xù)時(shí)間)的單脈沖功率流(Fpps)和總能流(Fet)。通過調(diào)節(jié)脈沖能量(Eps)、激光脈沖重復(fù)率(RI)、載物臺(tái)速度(Vs)和入射區(qū)寬度(W)可以改變這些工藝因素。另外，輻射到處理表面的入射角(AI)是可變的。
A．化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)液剩余物在該例中，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)液剩余物從具有圖形的硅晶片上去除。CMP在半導(dǎo)體工業(yè)中用于拋光微處理器和存儲(chǔ)器部分的表面，是一種極難從硅晶片表面去除的污染物?，F(xiàn)在的工業(yè)操作是單獨(dú)使用雙面刷清洗器、水、堿和表面活性劑，和它們的各種組合。
本例使用在150mm的晶片載體內(nèi)用5％的拋光液密封的100mm晶片。晶片上形成M1(金屬1)層圖形。鋁氧化物漿液用于平滑表面。晶片樣品包括拋光的和未拋光的(拋光樣品在表面上具有較少的液體剩余物)，然而，拋光樣品和未拋光樣品的去除效率沒有差異。當(dāng)進(jìn)行本發(fā)明工藝時(shí)晶片仍然是濕的。起初，盡管去除了液體，但是在利用圖4A所示的裝置處理之后仍有水痕留在晶片表面上，圖4A顯示了以輻射區(qū)611為中心的氣流擴(kuò)展區(qū)18a?？梢园l(fā)現(xiàn)，稍微修正氣流18的方向就可以完全去除水痕。如圖4B所示，氣體噴嘴551稍稍位于輻射區(qū)611之前，這樣在晶片經(jīng)受輻射和氣流的復(fù)合處理之前氣流擴(kuò)展區(qū)18a中的氣流18就可以去除殘留在晶片上的水分。利用這種結(jié)構(gòu)，流量為44l/min的氮?dú)饬鞯淖饔貌粌H是減少顆粒的再攜入，而且有助于去除作為CMP工藝一部分的濕法化學(xué)浴產(chǎn)生的水痕。
利用以83.9°的入射角(AI)入射到表面上的輻射完成操作1-4。操作1和2均使襯底損傷。操作2的去除效果好于操作1，這可能是因?yàn)槿コ窃谳^高的能量和功率流下進(jìn)行的。在操作3和4中使用了元件459(見圖2)。在操作3中，使用了50％的分束器，發(fā)生了損傷，而且沒有去除液體剩余物。操作4使用起偏器，其結(jié)果與操作3一樣差。利用相對(duì)于襯底為15°角的輻射執(zhí)行操作5。盡管避免了損傷，但是去除效果仍很差。
然后將輻射入射角調(diào)節(jié)到6°，這產(chǎn)生了令人驚訝的好結(jié)果。操作6和7以遠(yuǎn)低于操作1-5中使用的能量和功率流非常好地去除了剩余物，而且沒有損傷襯底。因此，利用較低的能量和功率流可以產(chǎn)生較好的清除效果，這與常規(guī)的結(jié)果相反，因?yàn)榍宄释ǔＪ请S著流量的下降而降低的。下表3a總結(jié)了CMP清洗液剩余物清除實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
表3a
．氮化硅顆粒在該例中，水懸濁液中的氮化硅顆粒淀積在裸硅上，并且使之干燥。這是非常粘的、十分致密的污染物(在150mm的晶片上多于10000個(gè)顆粒)。本例中使用的氣流在操作1中是氬，在操作2-17中是氮。氣體流速大約是44l/min。利用型號(hào)為3600XP的顆粒測(cè)量系統(tǒng)(PMS)硅晶片顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)量處理前后襯底上的污染物數(shù)量。該顆粒計(jì)數(shù)器使用兩個(gè)HeNe激光器一個(gè)工作在p-極化狀態(tài)，另一個(gè)工作在s-極化狀態(tài)，其入射光束以30°角入射到晶片平面。顆粒計(jì)數(shù)器的集光光學(xué)裝置垂直于晶片平面。這樣，在處理前后，可以比較襯底上的、在一定尺寸范圍內(nèi)的污染物顆粒的數(shù)目。
處理效率可以通過計(jì)算“去除百分比”或“PR”來(lái)估計(jì)，計(jì)算公式如下PR(％)=(去除的顆粒/處理前的顆粒)×(100)盡管數(shù)據(jù)是針對(duì)一定尺寸范圍的顆粒搜集的(所有的數(shù)據(jù)在下面給出)，計(jì)算了三種集合顆粒尺寸范圍的PR值0.1-0.3,0.4-10,0.1-10μm。
在操作1-2中，輻射以83.9°的入射角入射到表面。操作1和2利用非偏振光，在操作3和4中將起偏器作為元件459使用。其余操作利用非偏振光進(jìn)行，并且以6.5°入射角(操作5-10)和10°(操作11-17)入射角照射表面。對(duì)于全部的顆粒尺寸范圍(0.1-10μm)，83.9°入射角的平均去除率是66.1％，而入射角為10°和6.5°的顆粒去除率分別是80.8％和72.9％。因此，10°入射角是最有效的。對(duì)于0.1-0.3和0.4-10μm的顆粒尺寸范圍，觀測(cè)到同樣的相對(duì)效率，盡管這種效果對(duì)于較大的顆粒尺寸更顯著。
氮化硅顆粒去除實(shí)驗(yàn)的結(jié)果總結(jié)在下表3b1中。
下表3b2和3b3給出了詳細(xì)的顆粒分析，它提供了尺寸范圍從0.1到10μm的顆粒的“處理前”和“處理后”顆粒計(jì)數(shù)。
表3b1
表3b2
表3b3
C．從乙烯樹脂上去除聚氨酯泡沫在本例中，從ABS塑料乙烯樹脂室內(nèi)裝飾品上去除聚氨酯泡沫。在近垂直入射角，83.9°，操作6和7中的聚氨酯泡沫似乎熔入乙烯樹脂室內(nèi)裝飾品。與此相反，在操作1-5中，以6°的入射角可以干凈地去除泡沫。行程數(shù)，Npa，決定于粘附在乙烯樹脂表面上的泡沫厚度。這些結(jié)果是在類似的單行程流量(Fepa)和較低的單脈沖流量(Feps和Fpps)下獲得的。本例的結(jié)果示例于下表3c。
表3c
D．石英光掩膜上的鉻薄膜上的顆粒在本例中，從由鍍以鉻薄層的石英形成的光掩膜上去除顆粒。操作1-17以83.9°的入射角執(zhí)行，而操作18-21使用7°的入射角。操作19-21利用起偏器作為元件459(見圖2)。對(duì)于近垂直入射操作，能量和功率流的范圍分別是0.04-0.07J/cm2和1.2-2.0MW/cm2。在這些操作當(dāng)中，過半數(shù)的操作或者效率不高，或者損傷襯底。與此相反，“傾斜角”操作具有更大的流量范圍，卻不損傷襯底材料，而且有效。這些結(jié)果表明，對(duì)于非垂直入射，去除這種顆粒的操作窗顯然要大得多。本例的結(jié)果示于下表3d。
表3d
4．使用前焦點(diǎn)和貫穿焦點(diǎn)入射的材料去除實(shí)例如上所述，柱面透鏡456的焦平面可以聚焦在待處理襯底表面之前或貫穿該平面。前焦點(diǎn)和貫穿焦點(diǎn)分別示于圖5A和5B。
下例給出混合結(jié)果。一些實(shí)例說(shuō)明前焦點(diǎn)好，另一些說(shuō)明使用貫穿焦點(diǎn)的去除效果好而且損傷小。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，焦平面的位置代表另一個(gè)可變工藝變量--由本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)--，它影響著本發(fā)明的主要目的去除效率和避免損傷。所有操作均使用氮作為流動(dòng)氣體，其引入速率是44l/min。
A．X-射線板印掩膜在本例中，顆粒從具有金箔層的石英光掩膜上去除。在利用貫穿焦點(diǎn)和p-模式起偏器459的操作1-8和11-16中發(fā)現(xiàn)較好的去除效果。另一方面，在使用前焦點(diǎn)同時(shí)不使用起偏器的操作17-21中發(fā)生損傷。實(shí)例的結(jié)果示例于下表4a。
表4a<
B．石英光掩膜在本例中，顆粒從具有鉻薄層的石英光掩膜上去除。在使用前焦點(diǎn)的操作2和3中發(fā)現(xiàn)較好的去除效果，而在使用貫穿焦點(diǎn)的操作1中發(fā)生損傷。本例的結(jié)果示例于下表4b。
權(quán)利要求
1．在不影響保留在處理表面、靠近不需要材料或在不需要材料下面的需要材料的物理性質(zhì)的條件下，從襯底的處理表面去除不需要材料的方法，包括以下步驟選擇襯底和需要從襯底的處理表面去除不需要材料，這種不需要的材料不能利用以近乎垂直于處理表面施加的、其預(yù)定空間和時(shí)間濃度不足以改變期望材料的物理性質(zhì)的高能光子構(gòu)成的處理表面輻射去除；利用以傾斜角度施加的、其預(yù)定空間和時(shí)間濃度足以使不需要材料與處理表面脫離的高能光子照射處理表面；和同時(shí)在不需要材料上引入相對(duì)于襯底惰性的氣流。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中傾斜角大約小于20°。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中傾斜角大約小于10°。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中需要的材料是硅。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中不需要的材料從鋁氧化物和氮化硅組成的材料組中選擇。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中需要的材料是鉻。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中需要的材料是ABS聚合物，不需要的材料是聚氨酯。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中高能光子的能量大約是5eV/光子。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中高能光子由脈沖KrF準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生。
10．在不影響保留在襯底上、靠近不需要的材料或在不需要材料下面的需要材料的物理性質(zhì)的條件下，從襯底的處理表面去除不需要材料的設(shè)備，具有襯底座、將輻射導(dǎo)向安裝在襯底座上的襯底的輻射傳送系統(tǒng)、和與將輻射導(dǎo)向安裝在襯底座上的襯底的同時(shí)引入相對(duì)于襯底惰性的氣流的氣體傳送系統(tǒng)，其特征在于輻射傳送系統(tǒng)以小于20°的傾斜角將輻射導(dǎo)向安裝在襯底座上的襯底。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中輻射傳送系統(tǒng)包括激光器和位于激光器射出的輻射路徑上的轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡，輻射傳送系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡支架，該支架可調(diào)節(jié)地支撐轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡使轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡至少可以在垂直方向調(diào)節(jié)。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中輻射傳送系統(tǒng)還包括柱面透鏡，它位于激光器射出的輻射路徑中，和柱面透鏡支撐組件，該組件包括沿垂直軸和水平軸調(diào)節(jié)柱面透鏡的裝置，以便相對(duì)于襯底座調(diào)節(jié)輻射的焦點(diǎn)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括襯底座調(diào)節(jié)裝置，用于在x和y軸表示的平面內(nèi)調(diào)節(jié)座支架。
14．根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，還包括襯底座調(diào)節(jié)裝置，用于在x和y軸表示的平面內(nèi)調(diào)節(jié)座支架。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中襯底座調(diào)節(jié)裝置首先沿x和y軸之一移動(dòng)襯底座支架，然后沿x和y軸的另一軸移動(dòng)。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中x軸相對(duì)于施加到襯底上的輻射方向橫向延伸，氣體傳送系統(tǒng)包括中心軸位于施加到襯底上的輻射之前的噴嘴，用以在輻射前為襯底提供干燥處理。
17．根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中氣體傳送系統(tǒng)將逆向于傳送到襯底上的輻射的方向引導(dǎo)氣體。
18．根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中輻射傳送系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)施加到襯底座上的襯底部分的輻射入射角的裝置，和相對(duì)于施加的輻射移動(dòng)襯底座以便在襯底上移動(dòng)材料掃描帶的裝置。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中調(diào)節(jié)裝置包括在5-10度范圍內(nèi)改變?nèi)肷浣堑难b置。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中調(diào)節(jié)裝置能夠以角度的十分之一作為步長(zhǎng)改變?nèi)肷浣恰?br>
全文摘要
一種用于從襯底(12)的表面上去除不需要材料的裝置(10)和方法,在將以傾斜角(8)射到襯底(12)上的高能光子照射(11)不需要材料時(shí),使對(duì)襯底惰性的氣體流(18)流過有不需要材料的襯底表面。本發(fā)明使得能在不改變位于被去除的不需要材料的下面或附近的材料的物理特性的條件下去除不需要材料。在某些應(yīng)用中,當(dāng)垂直入射會(huì)損傷襯底或去除效果差時(shí),非垂直入射能獲得更有效的去除。
文檔編號(hào)B23K26/14GK1231623SQ97198187
公開日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1997年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月26日
發(fā)明者A·C·恩格爾斯伯格, A·W·約翰森, W·P·帕克爾 申請(qǐng)人:大鍋有限合伙人公司