CN111229688B - 晶圆清洗设备中的清洗喷头、晶圆清洗方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶圆清洗设备中的清洗喷头、晶圆清洗方法及设备，该清洗喷头包括喷头本体，所述喷头本体中设置有混合腔及均与所述混合腔连通的清洗液通道、至少两条气体通道、喷淋通道，所述清洗液通道用于向所述混合腔中通入清洗液，所述至少两条气体通道用于向所述混合腔中通入清洗气体，所述清洗液和所述清洗气体在所述混合腔混合后通过所述喷淋通道喷出；所述喷淋通道的喷淋口位于所述喷头本体的喷淋面上，所述喷淋面为内锥面，所述喷淋口位于所述喷淋面的中心位置。应用本发明可以将少量清洗液打散成大量小液滴，以小液滴的形式向晶圆进行喷淋，可有效节省清洗液的用量，节约清洗成本。

Description

晶圆清洗设备中的清洗喷头、晶圆清洗方法及设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种晶圆清洗设备中的清洗喷头、晶圆清洗方法及设备。
背景技术
在半导体工艺制程中，通常采用稀释氟化氢(DHF)去除晶圆表面的氧化层，但是采用DHF去除晶圆表面的氧化层后裸露出的晶圆表面为疏水界面，疏水界面的表面张力大易产生水痕和颗粒。
目前，为了防止水痕和颗粒的产生，通常采用具有表面活性剂的溶液清洗去除晶圆表面氧化层后的晶圆。具体地，应用槽式清洗设备，采用异丙醇(Isopropyl Alcohol，IPA)雾化干燥机，把IPA液体加热至82.7℃，液体达到该温度后会气化，然后再利用石英缸顶部冷却盘管使它直接落在要清洗的硅片上，使硅片得以清洗干净，再利用设备的提升机构把花篮(或其它晶圆承载装置)中的晶圆提起来。
但是，目前的槽式清洗方法由于每槽清洗药液(IPA)用量很大，槽中的清洗药液需要反复利用，这样就造成了后面清洗的晶圆没有前面清洗的晶圆效果好。而如果清洗一批晶圆就更换清洗药液，则会造成化学药液的浪费以及成本的增加；同时槽式清洗本身的微环境控制没有单片清洗好。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种晶圆清洗设备中的清洗喷头、晶圆清洗方法及设备。
根据本发明的第一方面，提供一种晶圆清洗设备中的清洗喷头，其特征在于，包括喷头本体，所述喷头本体中设置有混合腔及均与所述混合腔连通的清洗液通道、至少两条气体通道、喷淋通道，所述清洗液通道用于向所述混合腔中通入清洗液，所述至少两条气体通道用于向所述混合腔中通入清洗气体，所述清洗液和所述清洗气体在所述混合腔混合后通过所述喷淋通道喷出；所述喷淋通道的喷淋口位于所述喷头本体的喷淋面上，所述喷淋面为内锥面，所述喷淋口位于所述喷淋面的中心位置。
可选地，所述喷淋面与所述喷淋口的轴线的夹角的取值范围为50°～70°。
可选地，所述喷淋通道与所述混合腔的连接部为曲面，所述喷淋通道与所述喷淋面的连接部为曲面。
可选地，所述清洗液通道的直径的取值范围为2～3mm，所述气体通道的直径的取值范围为4～6mm，所述喷淋口的直径的取值范围为2～5mm。
可选地，所述混合腔呈锥形，所述清洗液通道及所述气体通道连通至所述锥形的底部，所述喷淋通道连通至所述锥形的顶部。
可选地，所述清洗液通道连通至所述锥形底部的中心位置，所述至少两条气体通道围绕所述清洗液通道均匀的分布。
可选地，所述清洗液包括：稀释氟化氢DHF或异丙醇IPA，所述清洗气体包括：氮气。
根据本发明的第二方面，提供一种晶圆清洗方法，采用第一方面提供的清洗喷头，包括：
通过清洗液通道向混合腔中通入清洗液，同时通过至少两条气体通道向所述混合腔中通入清洗气体；
所述清洗气体和所述清洗液在所述混合腔中混合后通过喷淋通道喷出。
可选地，所述清洗液的流量的取值范围为0.1～0.5L/min，所述清洗气体的流量的取值范围为0～200L/min。
根据本发明的第三方面，提供一种晶圆清洗设备，包括第一方面提供的清洗喷头。
本发明具有以下有益效果：
在本发明提供的技术方案中，清洗喷头的喷头本体中设置有混合腔及均与混合腔连通的清洗液通道、至少两条气体通道、喷淋通道，清洗液通道内的清洗液和气体通道内的清洗气体在混合腔混合，清洗气体进入混合腔时具有一定的冲击力，且清洗气体会从多条气体通道多个方向进入混合腔，因此其可以将少量的清洗液打散成大量的小液滴，以小液滴的形式从喷淋通道喷出，向晶圆进行喷淋，在晶圆表面形成清洗液膜，可有效节省清洗液的用量，节约清洗成本；且该喷头本体的喷淋面为内锥面，喷淋通道的喷淋口位于喷淋面的中心位置，使得从中心喷出的清洗液，可以沿靠近喷淋面的方向喷出，从而增大喷淋面积。
附图说明
图1为本申请实施例提供的喷头本体的结构示意图；
图2a为垂直的喷淋通道的喷淋面积示意图；
图2b为圆弧状的喷淋通道的喷淋面积示意图；
图3为本申请实施例提供的晶圆清洗方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
下面结合附图以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
本实施例提供一种晶圆清洗设备中的清洗喷头，该清洗喷头包括喷头本体100，喷头本体100中设置有混合腔50及均与混合腔50连通的清洗液通道30、至少两条气体通道40、喷淋通道20，清洗液通道30用于向混合腔50中通入清洗液，至少两条气体通道40用于向混合腔50中通入清洗气体，清洗液和清洗气体在混合腔50混合后通过喷淋通道20喷出；喷淋通道20的喷淋口位于喷头本体的喷淋面10上，喷淋面10为内锥面，喷淋口位于喷淋面10的中心位置。
如图1所示(图中箭头分别指清洗液或清洗气体的流动方向)，喷头本体100可以为金属材质的类似圆柱的结构，可以沿圆柱的中心轴设置一条清洗液通道30，清洗液通道30的入口可以设置在圆柱的顶面。在清洗液通道30的两侧对称设置两条气体通道40，气体通道40的轴线与清洗液通道30的轴线可以具有50°～70°的夹角，以使清洗气体能很好的将清洗液打散成小液滴，也可以防止夹角过大而将清洗液都打散至清洗液通道30或气体通道40的内壁上，造成清洗液的浪费。还可以防止由于夹角过小，冲击力不足而不能将清洗液完全打散。另外，气体通道40的入口可以设置在圆柱的顶面或侧面，还可以在圆柱侧面设置平台(如图1所示)，将气体通道40的入口设置在该平台上，以便于从侧面通入清洗气体。该清洗气体可以为氮气或其他惰性气体，只要其不与清洗液反应，且能对晶圆进行干燥即可。该喷头本体100的喷淋面10为内锥面，如图1所示，即向喷头本体100内部凹陷的锥面。
需要说明的是，本实施了并不限定喷头本体100的具体材质和结构，也不限定清洗液通道30和气体通道40的具***置及气体通道40的具体数量，也不限定清洗液通道30和气体通道40的夹角，只要应用该喷头本体100能将清洗液通道30中的液体打散，及对晶圆进行干燥即可。
本实施例提供的清洗喷头，其喷头本体100设置有混合腔50及均与混合腔50连通的清洗液通道30、至少两条气体通道40、喷淋通道20，清洗液通道30内的清洗液和气体通道40内的清洗气体在混合腔混合，清洗气体进入混合腔50时具有一定的冲击力，且清洗气体会从多条气体通道(多个方向)进入混合腔，因此其可以将少量清洗液打散成大量的小液滴，以小液滴的形式从喷淋通道20喷出，向晶圆进行喷淋，在晶圆表面形成清洗液膜，可有效节省清洗液的用量，节约清洗成本；且该喷头本体100的喷淋面10为内锥面，喷淋通道20的喷淋口位于喷淋面10的中心位置，使得从中心喷出的清洗液，可以沿靠近喷淋面10的方向喷出，从而增大喷淋面积。
本实施提供的清洗喷头可应用于喷淋IPA，气体通道40内的清洗气体可以将IPA溶液打散成小液滴，分散的IPA小液滴可以在晶圆表面迅速生成IPA液膜，即能够在较短的时间内，利用较少的IPA溶液实现晶圆表面IPA的全覆盖，缩短了整体清洗时间，节约了IPA溶液的成本。且气体通道40内的清洗气体可以在晶圆表面流动，保护晶圆的疏水表面不与氧气接触，可以有效防止疏水表面产生水痕和对晶圆进行干燥。当然，本实施提供的清洗喷头也可以用于喷淋DHF或其它的清洗液，本发明不做具体限定。
需要说明的是，将喷淋面10设置为内锥面只是本实施例的一较佳实施方式，本实施例并不以此为限，其也可以是其它中心向内凹的凹面，如弧面等。
具体地，喷淋面10与喷淋口的轴线的夹角的取值范围可以为50°～70°。由于该夹角过大和过小都会限制清洗液的喷出方向，如在两个极端数值0°和90°时，其结构实际上是类似的，均如图2a所示，喷淋面积只有喷淋口下方的小部分面积。所以，根据实际应用情况，可以设置喷淋面10与喷淋口的轴线的夹角的取值范围为50°～70°，以便获得更大的喷淋范围，优选的，如图1所示，可以设置为60°。
于一具体实施方式中，如图1和如图2b所示，喷淋通道20与混合腔50的连接部为曲面，喷淋通道20与喷淋面10的连接部也为曲面。如此，分别在喷淋通道20与混合腔50和喷淋面10的连接处实现圆滑过渡，清洗液从混合腔50至喷出的过程中，其清洗液的流经通道上没有死角，更便于清洗液的流动，可以提高喷淋速度和清洗液的使用率。另外，在喷淋通道20与喷淋面10的连接处进行圆滑过渡，即将喷淋通道20设计成圆弧状(如图2b所示)，圆弧状的喷淋通道20相较于垂直状的喷淋通道20(如图2a所示)，可以增大清洗液的喷淋范围，继而能够增加清洗液在晶圆表面的覆盖面积。
需要说明的是，本实施例并不以此为限，如图1和图2b所示，也可以直接设置喷淋通道20的内壁为凸出的弧面，还可以缩短喷淋通道20内壁的长度，提高清洗液的喷出速度，提高该喷头本体100的喷淋效率。
具体地，清洗液通道30的直径的取值范围可以为2～3mm，气体通道40的直径的取值范围可以为4～6mm，喷淋通道20的直径的取值范围可以为2～5mm。设计相对较大的气体通道40直径和相对较小的清洗液通道30直径，以保证有足够的清洗气体能够将清洗液打散，而设计相对较小的喷淋通道20直径，可以有效增加混合腔50的压力，增大气体通道40内的清洗气体对清洗液通道30中的清洗液的冲击力，以将清洗液打散成更小的液滴。需要说明的是，上述的直径尺寸只是本实施例的一较佳实施方式，本实施例并不以此为限。
进一步地，如图1中，混合腔50可以为锥形，清洗液通道30及气体通道40连通至锥形的底部，喷淋通道20连通至锥形的顶部。如此，清洗液从锥形的顶部流动至底部，具有一定的时间，可以使清洗气体和清洗液在混合腔50内充分混合，以便于在混合腔50将清洗液打散成总体积更大的小液滴，且锥形混合腔50的出口可以提高清洗液喷淋速度。更具体地，混合腔50的侧壁可以与气体通道40的延伸线重合，即混合腔50的侧壁与竖直方向形成的角度可以与气体通道40与竖直方向形成的角度相同，且气体通道40贴近混合腔50的侧壁与混合腔50连通。优选地，混合腔50可以为如图1中所示的球扇形(上部为球冠，下部为圆锥)，大体积的球冠便于小液滴的形成，束口的圆锥形可以提高清洗液喷淋速度。
需要说明的是，本实施例并不以此为限，混合腔50也可以是其它结构，如球状、漏斗状等。
更进一步地，如图1所示，清洗液通道30连通至锥形底部的中心位置，至少两条气体通道40围绕清洗液通道30均匀的分布。如此，气体通道喷出的清洗气体可以对清洗液形成均匀的冲击力，使得打散后的清洗液小液滴可以沿锥形底部的中心位置喷出，以提高清洗气体对清洗液的打散效果和清洗液的成膜速度。
另外，如图1所示，还可以设置喷头本体100靠近喷淋面10的部分(气体通道40的入口以下的部分)，其外径从中部到边缘逐渐减小，以避免喷淋面10的边缘影响喷淋口的喷淋面积，以获得更大的喷淋面积。
具体地，采用本实施例提供的清洗喷头对单片晶圆进行IPA喷淋时，可以设置一条位于喷头本体100中轴线上的清洗液通道30，和两条相对清洗液通道30对称设置的气体通道40，且气体通道40与清洗液通道30的夹角为50°-70°。清洗液通道30的直径为2mm-3mm，IPA溶液的流量控制在0.1L/min-0.5L/min，喷淋通道20的直径为2mm-5mm；气体通道40的直径可以为4mm-6mm，气体通道40内通入氮气(N2)，N2可以从厂端直接接过来的，在进入腔室之前用用一个三通接头通入气体通道40的入口处，厂端的N2流量为0-200L/min。具体喷淋过程可以如下：分别按上述条件向清洗液通道30和气体通道40内通入IPA和N2，随后增加晶圆的转速，使晶圆表面的水膜(采用稀释氟化氢DHF去除晶圆表面的氧化层后，应用去离子水进行清洗，在晶圆表面形成的去离子水膜)旋出；同时转动该清洗喷头，并调整转速，使喷出的IPA小液滴逐渐替代水膜，完成IPA液膜覆盖过程。
基于相同的构思，如图3所示，本实施例还提供一种晶圆清洗方法，采用上述任一实施方式的晶圆清洗设备中的清洗喷头，包括以下步骤：
步骤S1，通过清洗液通道30向混合腔50中通入清洗液，同时通过至少两条气体通道40向混合腔50中通入清洗气体；
步骤S2，清洗气体和清洗液在混合腔50内混合后通过喷淋通道20喷出。
于一具体实施方式中，可以通过控制清洗液及清洗气体的流量来控制清洗液膜的生成速率，清洗液的流量过大而清洗气体过小则可能无法将会清洗液完全打散；清洗液过小而清洗气体过大，则清洗液膜的生成速率较小，且清洗气体可能会将清洗液吹散至混合腔的内壁上，会进一步降低清洗液膜的生成速率，综合实际情况，清洗液的流量的取值范围优选为0.1L/min～0.5L/min，清洗气体的流量的取值范围优选为0～200L/min。其中，清洗液可以为IPA或DHF，清洗气体可以为氮气。
本实施例提供的清洗方法，采用上述的晶圆清洗设备中的清洗喷头，至少具有该清洗喷头能够实现的有益效果，在此不再赘述。
基于相同的构思，本实施例还提供一种晶圆清洗设备，包括清洗喷头，该清洗喷头为上述任一实施方式的清洗喷头。
本实施例提供的晶圆清洗设备，包含上述任一实施方式的清洗喷头，至少具有该清洗喷头能够实现的有益效果，在此不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本申请的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本申请的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种晶圆清洗设备中的清洗喷头，其特征在于，包括喷头本体，所述喷头本体中设置有混合腔及均与所述混合腔连通的清洗液通道、至少两条气体通道、喷淋通道，所述清洗液通道用于向所述混合腔中通入清洗液，所述至少两条气体通道用于向所述混合腔中通入清洗气体，所述清洗液和所述清洗气体在所述混合腔混合后通过所述喷淋通道喷出；所述喷淋通道的喷淋口位于所述喷头本体的喷淋面上，所述喷淋面为内锥面，所述喷淋口位于所述喷淋面的中心位置；
所述混合腔呈球扇形，所述清洗液通道及所述气体通道连通至所述球扇形的底部，所述喷淋通道连通至所述球扇形的顶部；
所述清洗液通道和所述至少两条气体通道均为直通道，所述清洗液通道位于所述喷头本体的中轴线上，所述至少两条气体通道围绕所述清洗液通道均匀的分布，位于两侧的所述气体通道相对所述清洗液通道对称设置，所述气体通道的延伸线与所述混合腔的侧壁重合，且所述气体通道贴近所述混合腔的侧壁与所述混合腔连通。
2.根据权利要求1所述的清洗喷头，其特征在于，所述喷淋面与所述喷淋口的轴线的夹角的取值范围为50°～70°。
3.根据权利要求1所述的清洗喷头，其特征在于，所述喷淋通道与所述混合腔的连接部为曲面，所述喷淋通道与所述喷淋面的连接部为曲面。
4.根据权利要求1所述的清洗喷头，其特征在于，所述清洗液通道的直径的取值范围为2～3mm，所述气体通道的直径的取值范围为4～6mm，所述喷淋口的直径的取值范围为2～5mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的清洗喷头，其特征在于，所述清洗液包括：稀释氟化氢DHF或异丙醇IPA，所述清洗气体包括：氮气。
6.一种晶圆清洗方法，采用权利要求1-5任一项所述的清洗喷头，其特征在于，包括：
通过清洗液通道向混合腔中通入清洗液，同时通过至少两条气体通道向所述混合腔中通入清洗气体；
所述清洗气体和所述清洗液在所述混合腔中混合后通过喷淋通道喷出。
7.根据权利要求6所述的晶圆清洗方法，其特征在于，所述清洗液的流量的取值范围为0.1～0.5L/min，所述清洗气体的流量的取值范围为0～200L/min。
8.一种晶圆清洗设备，包括权利要求1-5任一项所述的清洗喷头。
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