CN219457539U - 一种晶圆清洗设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种晶圆清洗设备，其包括载物机构，用于承载和旋转晶圆；清洗机构，包括设在载物机构的一侧并用于清洗晶圆的第一表面的第一清洗组件，以及设在载物机构的另一侧并用于清洗晶圆的第二表面的第二清洗组件。与传统单面清洗的方法相比，本申请实施例提供的晶圆清洗设备的第一清洗组件和第二清洗组件能够在载物机构的协助下实现同时清洗晶圆的两个表面，显著提高了晶圆清洗的效率和质量。

Description

一种晶圆清洗设备

技术领域

本实用新型的实施方式涉及半导体清洗设备领域。更具体地，本实用新型涉及一种晶圆清洗设备。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型的实施方式提供背景或上下文。此处的描述可包括可以探究的概念，但不一定是之前已经想到或者已经探究的概念。因此，除非在此指出，否则在本部分中描述的内容对于本申请的说明书和权利要求书而言不是现有技术，并且并不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

在半导体芯片制造领域，加工过程中半导体晶圆表面沉积的颗粒、有机物残留、金属离子等沾污物一定程度上决定了芯片的最终良品率。因此，晶圆清洗是半导体制造工艺中最重要、最频繁的工序，晶圆清洁质量的好坏对半导体芯片的品质至关重要。而随着半导体技术的不断发展，半导体芯片的尺寸逐渐缩小、结构逐渐复杂化，芯片对杂质含量的敏感度也随之提高，相应地对晶圆的表面质量要求也越来越严。

目前半导体晶圆制造中通常使用单面湿法清洗工艺消除晶圆表面的沾污物，即先使用清洗剂对晶圆的一面进行清洗，再使用清洗剂对晶圆的另一面进行清洗，然后再使用超纯水对晶圆进行精洗。然而传统的单面清洗方法的清洗效率较低且清洗能力不足，需要反复清洗才使晶圆表面达到较高的清洁度，严重影响了晶圆加工的生产效率和加工成本。

为此，亟待提供一种晶圆清洗设备以提高晶圆清洗的清洗质量和清洗效率。

实用新型内容

为了解决如上所提到的一个或多个技术问题，本实用新型提供了一种晶圆清洗设备，其包括：载物机构，用于承载和旋转晶圆；清洗机构，包括设在所述载物机构的一侧并用于清洗所述晶圆的第一表面的第一清洗组件，以及设在所述载物机构的另一侧并用于清洗所述晶圆的第二表面的第二清洗组件。

通过如上所提供的晶圆清洗设备，其第一清洗组件和第二清洗组件能够在载物机构的协助下实现同时清洗晶圆的两个表面，显著提高了晶圆清洗的效率。与传统单面清洗的方法相比，本申请提供的晶圆清洗设备能够利用载物机构、第一清洗组件和第二清洗组件实现在一个设备中同时完成晶圆的两面清洗和干燥，大大提高了晶圆清洗的效率，同时避免了多道不同清洁工序引入不同的污染物，进而显著提高了晶圆清洗的质量。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1显示了本实用新型实施例的晶圆清洗设备的结构；

图2显示了图1所示晶圆清洗设备的第一清洗组件和第一驱动机构；

图3显示了图1所示晶圆清洗设备的第二清洗组件和第二驱动机构；

图4显示了图1所示晶圆清洗设备的载物机构和晶圆；

图5显示了图4所示晶圆清洗设备的从动辊轮。

附图标记说明：

10、晶圆清洗设备；1、清洗机构；11、第一清洗组件；111、第一驱动机构；12、第二清洗组件；121、第二驱动机构；13、声波喷嘴；14、毛刷；15、第一转动源；2、载物机构；21、主动辊轮；22、从动辊轮；22a、环形凹槽；20、晶圆；20a、第一表面；20b、第二表面。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

图1显示了本实用新型实施例的晶圆清洗设备的结构。如图1所示，本申请实施例提供了一种晶圆清洗设备10，其中晶圆20是半导体芯片制造所用的硅晶片。该晶圆清洗设备10包括用于承载及旋转晶圆20的载物机构2和用于清洗晶圆20的清洗机构1。其中，载物机构2能够承载晶圆20并使晶圆20发生旋转，以使清洗机构1对晶圆20的表面进行充分且有效的清洗。清洗机构1包括设在载物机构2的一侧并用于清洗晶圆20的第一表面20a的第一清洗组件11，以及设在载物机构2的另一侧并用于清洗晶圆20的第二表面20b的第二清洗组件12。本申请实施例提供的晶圆清洗设备10，其第一清洗组件11和第二清洗组件12能够在载物机构2的协助下实现同时清洗晶圆20的两个表面，显著提高了晶圆20清洗的效率和质量。与传统单面清洗的方法相比，本申请提供的晶圆清洗设备10能够利用载物机构2、第一清洗组件11和第二清洗组件12实现在一个设备中同时完成晶圆20的两面清洗和干燥，大大提高了晶圆20清洗的效率，同时避免了多道不同清洁工序引入不同的污染物，显著提高了晶圆20清洗的质量。

如图2和图3所示，第一清洗组件11和/或第二清洗组件12包括用于促使清洗剂产生空化效应和声流效应的声波发生器(未示出)，以及与声波发生器相连且用于喷射已产生空化效应和声流效应的清洗剂的声波喷嘴13。清洗剂在声波发生器的作用下产生空化效应和声流效应，并通过声波喷嘴13喷射到晶圆20的表面，从而实现对晶圆20的表面的有效清洁。具体地，空化效应是指液体中的微小气泡核在超声场/兆声波的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合并在闭合时产生冲击波的一系列动力学过程。气泡在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生具有强大冲击力的微射流，从而将附着在晶圆20的表面的颗粒剥离到清洗剂中，再被不断流动的清洗剂带走。而声流效应是指清洗剂在振动能量的作用下产生快速流动。快速流动的液体可以对附着在晶圆20的表面的颗粒产生剥离力，当剥离力大于同时作用于颗粒的范德华力以及静电力时，颗粒即被剥离晶圆20的表面，并被快速流动的清洗剂带走。

进一步地，在本实施例中清洗剂包括酸性清洗剂、碱性清洗剂、氮气和/或超纯水。其中，碱性清洗剂主要用于去除晶圆20的表面的颗粒和金属离子；酸性清洗剂主要用于去除晶圆20的表面的有机物及金属离子；超纯水主要用于去除晶圆20的表面残留的酸性清洗剂和碱性清洗剂以及其他沾污物；氮气主要用于对晶圆20的表面进行吹干。声波喷嘴13能够按照预定顺序向旋转的晶圆20的表面喷射已产生空化效应和声流效应的上述几种清洗剂，例如第一清洗组件11和第二清洗组件12的声波喷嘴13先向晶圆20两面喷射碱性清洗剂以去除晶圆20的表面残留的颗粒、金属离子等；碱性清洗剂充分清洗晶圆20的表面后，声波喷嘴13向晶圆20的表面喷射超纯水以去除晶圆20的表面残留的碱性清洗剂和其他沾污物；超纯水充分清洗晶圆20的表面后，声波喷嘴13向晶圆20的表面喷射酸性清洗剂以去除晶圆20的表面残留的有机物等；酸性清洗剂充分清洗晶圆20的表面后，声波喷嘴13向晶圆20的表面喷射超纯水以去除晶圆20的表面残留的酸性清洗剂和其他沾污物；超纯水充分清洗晶圆20的表面后，声波喷嘴13向晶圆20的表面喷射氮气以对清洗完成的晶圆20的表面进行吹干；在氮气和离心力的双重作用下，最终获得两面洁净且干燥的晶圆20。

示例性地，声波喷嘴13可选为一个或多个，用于喷射几种不同的已产生空化效应和声流效应的清洗剂。优选地，本实施例中声波喷嘴13选为两个且分别归属于第一清洗组件11和第二清洗组件12，而第一清洗组件11和第二清洗组件12内均包括与对应声波喷嘴13相连的且用于容纳不同清洗剂的多个管道(未示出)。例如，上述酸性清洗剂、碱性清洗剂、氮气和超纯水分别储存于不同的管道中，由此避免了不同清洗剂之间互相影响而降低清洁效果，同时降低了设备的生产成本和占用体积。

优选地，本实施例中声波发生器和声波喷嘴13分别为兆声波发生器和兆声波喷嘴13。在超声波清洗领域，根据声波发生器振动频率的不同可分为超声清洗(<100kHz)和兆声清洗(800～2000kHz)。声波发生器的振动频率越低，气泡尺寸越大，崩溃时产生的冲击力越大，去除颗粒的能力越强但对晶圆20的表面的损伤也越大。另外，在晶圆20的表面与清洗剂的接触面上存在一个相对静止的边界层，当附着在晶圆20的表面的颗粒直径小于边界层厚度时，声流效应就无法对颗粒产生作用。而声波发生器的振动频率越高，边界层越薄，从而可去除的颗粒尺寸越小。相对于超声清洗，更高频率的兆声清洗对晶圆20的表面的损伤更小并且清洁微小颗粒的能力更强，能够进一步提高晶圆20的表面清洗的质量，进而提高半导体芯片的品质。

进一步地，第一清洗组件11和/或第二清洗组件12还均包括用于清洗晶圆20的表面的毛刷14。毛刷14能够更有效地去除晶圆20的表面附着的难以去除的沾污物。配合声波喷嘴13中喷出的已产生空化效应和声流效应的清洗剂能够进一步提高晶圆20的表面清洗的质量。优选地，毛刷14的刷毛与晶圆20的第一表面20a和/或第二表面20b垂直，毛刷14的材质可根据使用需求选用天然毛料或人工纤维丝，以防止毛刷14对晶圆20的表面产生损伤。毛刷14的形状则不做限制，可根据实际需求进行选择，例如圆盘形、滚轮形等。

示意性的，如图2和图3所示，第一清洗组件11和/或第二清洗组件12还包括用于驱动毛刷14在晶圆20的表面上绕垂直于晶圆20的表面的轴线旋转的第一转动源15。毛刷14在第一转动源15的驱动下进行转动，旋转的毛刷14与旋转的晶圆20的表面进行摩擦，从而有效去除晶圆20的表面的颗粒、有机物残留、金属离子等沾污物。优选地，毛刷14转动的方向与晶圆20转动的方向相反，由此可以更好地对晶圆20的表面进行充分刷洗，进一步提高清洁效果。

进一步地，第一转动源15可选为电机等能够输出转动的设备。在本实施例中，第一转动源15优选为调速电机以便于对毛刷14的旋转速度进行调整。

如图2和图3所示，本实施例的晶圆清洗设备10还包括第一驱动机构111和/或第二驱动机构121。其中，第一驱动机构111与第一清洗组件11相连并驱动第一清洗组件11在晶圆20的第一表面20a上做平移运动，第二驱动机构121与第二清洗组件12相连并驱动第二清洗组件12在晶圆20的第二表面20b上做平移运动。其中，第一清洗组件11和/或第二清洗组件12所做的平移运动可选为水平方向上的线性运动和/或摆动，也可以在此基础上增加竖直方向上的线性运动。需要指出的是，第一清洗组件11和第二清洗组件12的所做平移运动的方向可以相同也可以不同，根据实际使用需求进行选择即可。

示例性地，第一驱动机构111和第二驱动机构121为两个单臂式机械臂，或为一个双臂式机械臂。在本实施例中，第一驱动机构111和第二驱动机构121选为一个双臂式机械臂，相较于两个单臂式机械臂，这种设置方式能够有效降低设备的占用体积和生产成本。双臂式机械臂是指在同一个基础或支架上设置两个机械臂主体，且两个机械臂主体可以独立完成对应清洗组件的驱动。

在本实施例中，如图1和图4所示，载物机构2包括沿着晶圆20的圆形边缘间隔开的且能够承托晶圆20的多个辊轮，在多个辊轮中包括至少一个主动辊轮21和至少两个从动辊轮22，且至少两个从动辊轮22沿着晶圆20的周向间隔开。其中，主动辊轮21用于驱动晶圆20在多个辊轮之间旋转，从动辊轮22用于旋转和承托晶圆20。晶圆20被放置于多个主动辊轮21和从动辊轮22之间，并在主动辊轮21和从动辊轮22的作用下旋转，从而使第一清洗组件11和/或第二清洗组件12能够对晶圆20的表面进行充分清洗。在本实施例中，载物机构2包括沿着晶圆20的圆形边缘间隔布置的两个主动辊轮21和两个从动辊轮22。

在本实施例中，如图5所示，为了能够更好地承托旋转的晶圆20，从动辊轮22还具有环形凹槽22a且其轴向截面为工字型，从动辊轮22通过环形凹槽22a承托晶圆20，从而使晶圆20的旋转更可靠，即使晶圆20转动也不易脱离载物机构2。优选地，环形凹槽22a的宽度略大于晶圆20的厚度，以保证将晶圆20可以更轻松地放置到主动辊轮21和从动辊轮22之间。

在本实施例中，晶圆清洗设备10还包括与主动辊轮21相连并用于驱动其旋转的第二转动源(图中未示出)。第二转动源可选为电机等能够输出转动的设备。在本实施例中，第二转动源优选为调速电机以便于对晶圆20旋转的速度进行调整。需要说明的是，除了本实施例所记载的载物机构2外，该载物机构2也可选为能够实现同样功能的其他已知结构。

可选的，本实施例中上述晶圆20的材料可选为碳化硅或氮化硅。碳化硅具有宽禁带，高击穿场，大热导率，电子饱和漂移速度高，抗辐射强和良好化学稳定性等优越性质，是新一代微电子器件和电路的关键半导体材料。

下面结合图1至图5，进一步说明本实施例中晶圆清洗设备10的工作原理。

首先将晶圆20放置到主动辊轮21和从动辊轮22之间，主动辊轮21与第二转动源相连，第二转动源驱动主动辊轮21转动，进而带动晶圆20和从动辊轮22一起做旋转运动。然后第一驱动源驱动第一清洗组件11和/或第二清洗组件12上的毛刷14做旋转运动，且毛刷14的旋转方向与晶圆20的旋转方向相反。接着第一驱动机构111和/或第二驱动机构121分别驱动第一清洗组件11和/或第二清洗组件12靠近晶圆20的表面，并分别使其毛刷14在晶圆20的第一表面20a和/或第二表面20b上做旋转和平移运动。同时第一清洗组件11和/或第二清洗组件12的兆声波发生器促使几种清洗剂产生空化效应和声流效应。兆声波喷嘴13喷出已产生空化效应和声流效应的碱性清洗剂，同时配合旋转的毛刷14对晶圆20的表面进行刷洗，以去除晶圆20两个表面残留的颗粒、金属离子等。毛刷14和碱性清洗剂充分刷洗晶圆20的表面后，兆声波喷嘴13向晶圆20的表面喷射超纯水以去除晶圆20的表面残留的碱性清洗剂和其他沾污物。通过毛刷14刷洗和超纯水冲洗充分清洗晶圆20的表面之后，兆声波喷嘴13再向晶圆20的表面喷射酸性清洗剂并配合毛刷14对晶圆20的表面进行刷洗，以去除晶圆20两个表面残留的有机物等。毛刷14和酸性清洗剂充分清洗晶圆20的表面后，兆声波喷嘴13继续向晶圆20的表面喷射超纯水以去除晶圆20的表面残留的酸性清洗剂和其他沾污物。通过毛刷14刷洗和超纯水冲洗充分清洗晶圆20的表面后，最后兆声波喷嘴13向晶圆20的表面喷射氮气以对清洗完成的晶圆20两个表面进行吹干。在氮气吹干和离心力甩干的双重作用下，最终获得两面洁净且干燥的晶圆20。

由此，通过如上提供的晶圆清洗设备10，其第一清洗组件11和第二清洗组件12能够在载物机构2的协助下实现同时清洗晶圆20的两个表面，显著提高了晶圆20清洗的效率。更进一步地，第一清洗机构1和/或第二清洗机构1还能利用兆声波发生器和兆声波喷嘴向晶圆20的第一表面20a和/或第二表面20b喷射酸性清洗剂/碱性清洗剂/超纯水/氮气并配合毛刷14对晶圆20两面进行刷洗，从而更有效地去除晶圆20的表面沉积的颗粒、有机物残留、金属离子等沾污物。与传统单面清洗的方法相比，本申请提供的晶圆清洗设备10能够利用载物机构2、第一清洗组件11和第二清洗组件12实现在一个设备中同时完成对晶圆20两个表面的清洗和干燥，大大提高了晶圆20清洗的效率，同时避免了多道不同清洁工序引入不同的污染物，显著提高了晶圆20清洗的质量。

本实施例的圆晶清洗设备与清洗方法在清洗完圆晶的比对结果如下表：

从表可以看出，本实施例的圆晶清洗设备相比传统清洗方法，1um以上的颗粒数下降了5倍，1um以下的颗粒数下降了3.3倍，重洗率下降了5倍，金属离子浓度≤5E10AT/cm2，同时加工效率提高了2倍，且清洗液寿命提高了1.67倍。

需要指出的是，在本申请的上述描述中，晶圆的第一表面和第二表面用于指代相对的两个表面，可以从晶圆的两个相对表面中任选一个作为第一表面，而剩余的一个表面为第二表面。另外，本申请中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明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”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本申请另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

虽然本文已经示出和描述了本实用新型的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式来提供。本领域技术人员可以在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。

Claims (11)

1.一种晶圆清洗设备，其特征在于，包括：

载物机构，用于承载和旋转晶圆；

清洗机构，包括设在所述载物机构的一侧并用于清洗所述晶圆的第一表面的第一清洗组件，以及设在所述载物机构的另一侧并用于清洗所述晶圆的第二表面的第二清洗组件；

所述第一清洗组件和/或第二清洗组件包括用于促使清洗剂产生空化效应和声流效应的声波发生器，以及与所述声波发生器相连且用于喷射已产生所述空化效应和声流效应的清洗剂的声波喷嘴；

所述第一清洗组件和/或第二清洗组件还均包括用于清洗所述晶圆的表面的毛刷。

2.根据权利要求1所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述声波发生器为兆声波发生器，所述声波喷嘴为兆声波喷嘴。

3.根据权利要求1所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述第一清洗组件和/或第二清洗组件还包括用于驱动所述毛刷在所述晶圆的表面上绕垂直于所述表面的轴旋转的第一转动源。

4.根据权利要求3所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述第一转动源包括调速电机。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的晶圆清洗设备，其特征在于，包括与所述第一清洗组件相连并驱动所述第一清洗组件在所述晶圆上做平移运动的第一驱动机构，和/或与所述第二清洗组件相连并驱动所述第二清洗组件在所述晶圆的表面上做平移运动的第二驱动机构。

6.根据权利要求5所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述第一驱动机构和第二驱动机构为两个单臂式机械臂，或为一个双臂式机械臂。

7.根据权利要求1到4中任一项所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述载物机构包括沿着所述晶圆的圆形边缘间隔开的且能够承托所述晶圆的多个辊轮，在多个所述辊轮中包括用于驱动所述晶圆在多个所述辊轮之间旋转的至少一个主动辊轮。

8.根据权利要求7所述的晶圆清洗设备，其特征在于，在多个所述辊轮中包括具有环形凹槽且轴向截面为工字型的至少两个从动辊轮，至少两个所述从动辊轮沿着所述晶圆的周向间隔开并通过所述环形凹槽承托所述晶圆。

9.根据权利要求7所述的晶圆清洗设备，其特征在于，还包括与所述主动辊轮相连并用于驱动其旋转的第二转动源。

10.根据权利要求9所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述第二转动源包括调速电机。

11.根据权利要求1到4中任一项所述的晶圆清洗设备，其特征在于，所述晶圆的材料为碳化硅或氮化硅。