CN112718619A - 可动态调整姿态的晶圆清洗装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可动态调整姿态的晶圆清洗装置，包括：晶圆旋转组件，用于支撑晶圆并驱动晶圆旋转，其包括主动辊轮和从动辊轮，所述主动辊轮上设置有用于检测晶圆转速的转速传感器；两个清洗刷，设置于晶圆的两侧并绕自身轴线滚动以对晶圆表面进行刷洗；清洗刷运动机构，用于带动所述两个清洗刷相向移动并以一定夹角夹持晶圆进行刷洗；控制器，其利用所述转速传感器检测晶圆的转速并在所述转速不属于正常范围时控制所述清洗刷运动机构调整所述两个清洗刷之间的夹角。
Description
技术领域
本发明属于化学机械抛光后清洗技术领域，尤其涉及一种可动态调整姿态的晶圆清洗装置。
背景技术
化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平整化的超精密表面加工工艺。由于化学机械抛光中大量使用的化学试剂和研磨剂会在抛光完成后在晶圆表面残留大量的研磨颗粒和研磨副产物等污染物，这些污染物会对后续工艺产生不良影响，并可能导致晶圆良率损失。由于晶圆表面的清洁度是影响半导体器件可靠性的重要因素之一，为了达到晶圆表面无污染物的目的，需要移除晶圆表面的污染物以避免制程前污染物重新残留于晶圆表面。因此，在晶圆制造过程中需要经过多次的表面清洗，以去除晶圆表面附着的金属离子、原子、有机物及微粒等污染物。
晶圆清洗方式有辊刷清洗、兆声清洗等，其中，辊刷清洗应用较为广泛。其一方面利用机械作用使晶圆表面的污染物脱离并进入清洗液中，另一方面利用清洗液与晶圆表面的污染物发生化学反应使其溶解到清洗液中，从而实现从晶圆表面去除污染物。专利CN102768974B公开了一种晶圆清洗设备。所述晶圆清洗设备包括：机架；晶圆清洗装置，所述晶圆清洗装置设在所述机架上；晶圆刷洗装置，所述晶圆刷洗装置设在所述机架上且位于所述晶圆清洗装置的下游侧；晶圆干燥装置，所述晶圆干燥装置设在所述机架上且位于所述晶圆刷洗装置的下游侧；和机械手，所述机械手可移动地设在所述机架上用于竖直地夹持晶圆和搬运晶圆。
然而，现有技术中存在晶圆刷洗时转速不稳定的问题，会影响清洗液喷洒的一致性，使清洗液在晶圆表面的反应时间不一致，最终影响清洗效果。
发明内容
本发明实施例提供了一种可动态调整姿态的晶圆清洗装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明实施例提供了一种可动态调整姿态的晶圆清洗装置，包括：
晶圆旋转组件，用于支撑晶圆并驱动晶圆旋转，其包括主动辊轮和从动辊轮，所述主动辊轮上设置有用于检测晶圆转速的转速传感器；
两个清洗刷，设置于晶圆的两侧并绕自身轴线滚动以对晶圆表面进行刷洗；
清洗刷运动机构，用于带动所述两个清洗刷相向移动并以一定夹角夹持晶圆进行刷洗；
控制器，其利用所述转速传感器检测晶圆的转速并在所述转速不属于正常范围时控制所述清洗刷运动机构调整所述两个清洗刷之间的夹角。
在一个实施例中，所述控制器包括：
第一控制模块，用于当所述转速偏低时，增大两个清洗刷之间的夹角以增大清洗刷对晶圆的摩擦力矩；
第二控制模块，用于当所述转速偏高时，减小两个清洗刷之间的夹角以减小清洗刷对晶圆的摩擦力矩。
在一个实施例中，所述转速的正常范围为40rpm～60rpm。
在一个实施例中，所述夹角控制在使两个清洗刷的两端间距的差值保持在0.1mm～0.5mm之间。
在一个实施例中，所述夹角控制在使两个清洗刷的两端间距的差值保持在0.1mm～0.2mm之间。
在一个实施例中，所述控制器还包括：
存储模块，用于记录清洗刷累计运行量，其中，清洗刷累计运行量为清洗刷累计运行时长或清洗刷累计刷洗晶圆的片数；
预控模块，用于当清洗刷累计运行量达到预设量时，调整清洗刷夹持行程设定值，其中，清洗刷夹持行程设定值为预设的清洗刷从起始位移动至晶圆夹持位的距离。
在一个实施例中，所述清洗刷运动机构包括：
清洗刷支撑组件，用于支撑位于待清洗晶圆两侧的两个清洗刷；
清洗刷移动组件，其与所述清洗刷支撑组件连接，以驱动清洗刷支撑组件及其上的清洗刷整体移动。
在一个实施例中，所述清洗刷移动组件包括导轨、丝杠和驱动件，导轨和丝杆分别与清洗刷支撑组件连接以在丝杠的带动下使清洗刷支撑组件沿导轨移动，驱动件设置于丝杠的端部，驱动件驱动丝杠动作，从而带动洗刷支撑组件及清洗刷整体移动，以使得清洗刷的两端同时接触或远离晶圆。
在一个实施例中，所述主动辊轮和从动辊轮配置有用于支撑晶圆的卡槽。
本发明实施例的有益效果包括：实现了在晶圆刷洗时维持转速稳定，提高了清洗液喷洒以及清洗液在晶圆表面反应时间的一致性，提高了清洗效果。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1为本发明的一个实施例提供的晶圆清洗装置的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的晶圆清洗作业方式的流程示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的清洗流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)。基板(substrate)也称为晶圆(wafer)，其含义和实际作用等同。
图1是本发明一个实施例提供的可动态调整姿态的晶圆清洗装置1的结构示意图，晶圆清洗装置1包括底座10、晶圆旋转组件20、两个清洗刷30、清洗刷运动机构和控制器(未示出)。
如图1所示，晶圆旋转组件20设置于底座10的上部，待清洗晶圆W由晶圆旋转组件20支撑并绕晶圆W的轴线旋转。
其中，晶圆旋转组件20包括固定座、一对主动辊轮和从动辊轮，主动辊轮和从动辊轮配置有用于支撑晶圆的卡槽，所述卡槽绕辊轮的外周侧设置。所述主动辊轮和从动辊轮设置于所述固定座并且所述卡槽位于同一平面内。从动辊轮设置于所述固定座的中部，主动辊轮对称设置于从动辊轮的两侧。一对主动辊轮和从动辊轮沿晶圆的外缘轮廓设置，放置于晶圆旋转组件20的晶圆W由所述卡槽限位，晶圆的外缘与所述卡槽的底面相切设置。所述主动辊轮配置有驱动电机，驱动电机驱动主动辊轮旋转。晶圆的外缘与辊轮之间的摩擦力带动晶圆绕其轴线旋转。
在一个实施例中，主动辊轮上设置有用于检测晶圆转速的转速传感器，转速传感器可以由霍尔传感器或光电开关传感器实现。
如图1所示，清洗刷30为圆筒状结构，其由具有良好吸水性的材料，如聚乙烯醇制成。两个清洗刷30分别为第一清洗刷和第二清洗刷，分别设置于待清洗晶圆W的两侧，可绕自身轴线滚动以接触待清洗晶圆W的表面。
如图1所示，清洗刷运动机构，用于带动所述两个清洗刷相向移动并以一定夹角夹持晶圆进行刷洗。清洗刷运动机构包括清洗刷支撑组件40和清洗刷移动组件50。
清洗刷支撑组件40，用于支撑位于待清洗晶圆W两侧的两个清洗刷30。
清洗刷移动组件50，其与清洗刷支撑组件40连接，以驱动清洗刷支撑组件40及其上的清洗刷30整体移动。清洗刷移动组件50包括导轨、丝杠和驱动件，导轨和丝杆分别与清洗刷支撑组件40连接以在丝杠的带动下使清洗刷支撑组件40沿导轨移动，驱动件设置于丝杠的端部，驱动件驱动丝杠动作，从而带动洗刷支撑组件40及清洗刷30整体移动，以使得清洗刷30的两端同时接触或远离晶圆。进一步地，清洗刷两端分别设置丝杆，从而可实现分别调节清洗刷两端的移动距离。
本发明实施例提供的控制器用于获取转速传感器检测到的晶圆的转速并在所述转速不属于正常范围时调整所述两个清洗刷之间的夹角。
在本发明的一个实施例中，控制器包括：
第一控制模块，用于当所述转速偏低时，增大两个清洗刷之间的夹角以增大清洗刷对晶圆的摩擦力矩；
第二控制模块，用于当所述转速偏高时，减小两个清洗刷之间的夹角以减小清洗刷对晶圆的摩擦力矩。
本实施例中，清洗刷与晶圆旋转方向相同的一端夹持晶圆较紧，即间距小的一端，在刷洗时可以对晶圆提供转动的驱动力，从而在转速偏低时增大摩擦力矩以提高驱动力。清洗刷与晶圆旋转方向相反的一端夹持晶圆较松，即间距大的一端，在刷洗时会对晶圆施加阻力，故在转速偏高时减小摩擦力矩以提高阻力。清洗刷夹紧一端与晶圆旋转方向相同，整体上通过摩擦力矩实现对晶圆旋转的驱动。
进一步地，第一控制模块、第二控制模块可独立或组合运动实现夹角增大或减小，不一定一个控制增大，另一个控制减小。
在本发明的一个实施例中，控制器还包括：
存储模块，用于记录清洗刷累计运行量，其中，清洗刷累计运行量为清洗刷累计运行时长或清洗刷累计刷洗晶圆的片数；
预控模块，用于当清洗刷累计运行量达到预设量时，调整清洗刷夹持行程设定值，其中，清洗刷夹持行程设定值为预设的清洗刷从起始位移动至晶圆夹持位的距离。
两个清洗刷之间的夹角是指在一个清洗模块里的两个清洗刷之间不是完全平行，而是形成一个很小的夹角。比如，晶圆旋转时，靠近清洗模块里侧的晶圆圆周的线速度是向上的，靠近清洗模块外侧的晶圆圆周的线速度是向下的。此时，两个清洗刷靠近外侧一端的间距要略小于里侧，也就是说第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端之间的间距小于第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端之间的间距，该间距的差值优选为0.1mm～0.2mm之间。
如图2所示，结合图1简述晶圆清洗的作业方式。
第一步，由机械手将待清洗晶圆W放置于晶圆旋转组件20，此时，清洗刷30与晶圆W的侧面预留一定距离，从而为机械手提供作业空间；
第二步，晶圆旋转组件20带动晶圆W绕其轴线旋转，流体喷射装置(未示出)朝向旋转的晶圆W喷射清洗液，如酸性或碱性的清洗液；
第三步，两个清洗刷30绕其轴线滚动并朝向晶圆W的位置移动，使得清洗刷30与晶圆W的表面接触，并且第一清洗刷和第二清洗刷之间并不是完全平行的，具有一定夹角。举例来说，第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端加紧晶圆，第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端略接触晶圆。换句话说，第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端之间的间距小于第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端之间的间距；
第四步，清洗刷30滚动刷洗晶圆W的表面，去除晶圆表面的污染物，实现晶圆的表面刷洗；
第五步，晶圆刷洗完毕后，清洗刷30朝向晶圆W的外侧移动，清洗刷30与晶圆W的表面分离；
第六步，流体喷射装置(未示出)继续朝向旋转的晶圆W喷射清洗液，持续冲洗一段时间后停止晶圆旋转，机械手将完成清洗的晶圆W转移至下一工序。
由晶圆清洗的作业方式可知，在晶圆刷洗的开始阶段和结束阶段，需要移动清洗刷30的位置。由于清洗刷30与晶圆W的距离决定了清洗刷30与晶圆W的接触状态，两者的接触状态与晶圆表面清洗的效果直接相关。因此，需要精确控制两个清洗刷30的移动距离和夹角。
基于以上分析，本发明实施例提供了一种可动态调整姿态的晶圆清洗方法，包括：
步骤S1，在晶圆清洗过程中，利用转速传感器获取晶圆的转速，并检测所述转速是否属于正常范围；
步骤S2，若所述转速不属于正常范围，则根据所述转速调整两个清洗刷之间的夹角。
其中，晶圆的转速的正常范围为40rpm～60rpm，优选为50rpm±10％。两个清洗刷之间的夹角控制在使两个清洗刷的两端间距的差值保持在0.1mm～0.5mm之间，优选为0.1mm～0.2mm之间。可以理解的是，两个清洗刷的两端间距的差值为第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端之间的间距与第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端之间的间距的差值。
由于随着清洗刷使用磨损情况、清洗环境、设备使用情况等条件影响，晶圆在清洗过程中可能发生超速或掉速的情形，导致其转速不能维持恒定，因此解决转速稳定的问题是十分必要的。本发明实施例实现了在晶圆刷洗时维持转速稳定，提高了清洗液喷洒以及清洗液在晶圆表面反应时间的一致性，提高了清洗效果。
在本发明的一个实施例中，步骤S2包括：
步骤S21，当所述转速偏低时，增大两个清洗刷之间的夹角以降低清洗刷对晶圆进行刷洗的摩擦力；
步骤S22，当所述转速偏高时，减小两个清洗刷之间的夹角以提高清洗刷对晶圆进行刷洗的摩擦力。
具体地，调整夹角具有以下两种方式。
在一个实施例中，调整两个清洗刷之间夹角的方式包括：固定所述两个清洗刷同一端之间的距离，增大或者减小所述两个清洗刷另一端之间的距离。举例来说，使第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端之间的间距固定，增大或者减小第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端之间的间距，可以通过设置于清洗刷两端的丝杆来实现间距的控制。
在另一个实施例中，调整两个清洗刷之间夹角的方式包括：按照相同或相反的趋势同时调整所述两个清洗刷两端之间的距离。
另外，由于清洗刷随着使用次数增加，其表面会发生磨损，那么对于相同的夹持行程来说，随着清洗刷的使用会使其对晶圆的摩擦力降低，导致清洗效果变差。因此，还需要对清洗刷的夹持行程进行控制。
在本发明的一个实施例中，所述晶圆清洗方法还包括：
步骤S3，记录清洗刷累计运行量，其中，清洗刷累计运行量为清洗刷累计运行时长或清洗刷累计刷洗晶圆的片数。
步骤S4，当清洗刷累计运行量达到预设量时，调整清洗刷夹持行程设定值，其中，清洗刷夹持行程设定值为预设的清洗刷从起始位移动至晶圆夹持位的距离。例如，当清洗刷每处理100片晶圆时便调整清洗刷夹持行程设定值，以使两个清洗刷的间距缩小但对晶圆的摩擦力保持稳定。
步骤S5，按照所述清洗刷夹持行程设定值控制清洗刷移动至晶圆夹持位，执行晶圆清洗过程。
本实施例根据清洗刷的运行状况调整初始清洗刷移动至晶圆的距离，即清洗刷夹持行程设定值，也就是图2所示的第三步中清洗刷的移动距离，从而使刷洗时的摩擦力保持稳定，保证了清洗效果不会随时间累计而变差。
本申请中通过清洗刷运动机构控制每个清洗刷两端夹持运动的距离，比如，初始设定清洗刷夹持行程设定值为10mm，当清洗刷清洗晶圆达到100片时，由于清洗刷磨损等原因，为了保持对晶圆的夹持力一致，将该设定值由10mm调整到10.1mm。
优选地，在一个实施例中，步骤S4中的预设量可以由清洗刷的耗材种类确定，不同的清洗刷的耗材种类所对应的预设量有所不同。
在一个实施例中，记录清洗刷在不同运行量时的晶圆转速，在晶圆转速达到临界值时，将清洗刷此时的运行量设定为预设量。
为了便于理解，如图3所示，以一个具体应用场景为例说明本发明实施例提供的晶圆清洗方法。
1)开始后，判断清洗刷累计运行量是否达到预设量；
2)若是，则调整清洗刷夹持行程设定值，例如缩小清洗刷间距；
3)晶圆启动旋转，按照调整后的该行程设定值控制清洗刷旋转并夹持晶圆；
4)判断是否到达刷洗结束时间；
5)若未到达刷洗结束时间，则检测晶圆转速是否属于正常范围；
6)若是则继续清洗并持续检测晶圆转速，若不是则微调两个清洗刷之间的夹角；
7)若到达刷洗结束时间，则驱动清洗刷张开，在晶圆冲洗后停止旋转完成清洗。
综上所述，本发明实施例可以根据晶圆转速变化随时微调清洗刷夹角以维持晶圆转速稳定，可以根据耗材运行时长主动调整夹持行程，从而维持在清洗效果较好的水平，并提升清洗刷的使用寿命。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种可动态调整姿态的晶圆清洗装置，其特征在于，包括：
晶圆旋转组件，用于支撑晶圆并驱动晶圆旋转，其包括主动辊轮和从动辊轮，所述主动辊轮上设置有用于检测晶圆转速的转速传感器；
两个清洗刷，设置于晶圆的两侧并绕自身轴线滚动以对晶圆表面进行刷洗；
清洗刷运动机构，用于带动所述两个清洗刷相向移动并以一定夹角夹持晶圆进行刷洗；
控制器，其利用所述转速传感器检测晶圆的转速并在所述转速不属于正常范围时控制所述清洗刷运动机构调整所述两个清洗刷之间的夹角。
2.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述控制器包括：
第一控制模块，用于当所述转速偏低时，增大两个清洗刷之间的夹角以增大清洗刷对晶圆的摩擦力矩；
第二控制模块，用于当所述转速偏高时，减小两个清洗刷之间的夹角以减小清洗刷对晶圆的摩擦力矩。
3.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述转速的正常范围为40rpm～60rpm。
4.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述夹角控制在使两个清洗刷的两端间距的差值保持在0.1mm～0.5mm之间。
5.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述夹角控制在使两个清洗刷的两端间距的差值保持在0.1mm～0.2mm之间。
6.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述控制器还包括：
存储模块，用于记录清洗刷累计运行量，其中，清洗刷累计运行量为清洗刷累计运行时长或清洗刷累计刷洗晶圆的片数；
预控模块，用于当清洗刷累计运行量达到预设量时，调整清洗刷夹持行程设定值，其中，清洗刷夹持行程设定值为预设的清洗刷从起始位移动至晶圆夹持位的距离。
7.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述清洗刷运动机构包括：
清洗刷支撑组件，用于支撑位于待清洗晶圆两侧的两个清洗刷；
清洗刷移动组件，其与所述清洗刷支撑组件连接，以驱动清洗刷支撑组件及其上的清洗刷整体移动。
8.如权利要求7所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述清洗刷移动组件包括导轨、丝杠和驱动件，导轨和丝杆分别与清洗刷支撑组件连接以在丝杠的带动下使清洗刷支撑组件沿导轨移动，驱动件设置于丝杠的端部，驱动件驱动丝杠动作，从而带动洗刷支撑组件及清洗刷整体移动，以使得清洗刷的两端同时接触或远离晶圆。
9.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述主动辊轮和从动辊轮配置有用于支撑晶圆的卡槽。
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