CN102569128A - 用于清洁薄晶圆的旋转夹盘 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于清洁薄晶圆的器件和系统。一种优选实施例包括旋转夹盘，该旋转夹盘具有至少三个固定卡具。带有晶圆框架的薄晶圆通过胶带层安装在旋转夹盘上。当固定卡具打开时，晶圆框架的移除和放置不会受到阻碍。另一方面，当固定卡具锁定时，该固定卡具与晶圆框架的外边缘相接触，从而防止晶圆框架横向移动。而且，处于锁定状态的固定卡具的形状能够防止晶圆框架纵向移动。

Description

用于清洁薄晶圆的旋转夹盘
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体地，涉及用于清洁薄晶圆的旋转夹盘。
背景技术
诸如射频识别(RFID)集成电路、高密度存储器件的新兴应用越来越需要薄半导体器件。薄半导体器件等能够应用于更精密的制造技术，包括微机电系统(MEMS)、穿透硅通孔(TSV)以及新式3D封装技术。
在薄半导体器件的制造工艺中，一个重要的步骤是在半导体制造工艺之后清洁薄晶圆。例如，在化学机械抛光工艺之后，一些残留物，比如碳或者粘性的膜和颗粒可能会留在薄晶圆的表面上。这些薄膜和颗粒可能会导致表面粗糙，从而会在后续制造工艺中造成缺陷，比如由于晶圆的表面不平坦而产生的光刻工艺的缺陷。
在传统领域中，湿式晶圆清洁通常通过在晶圆上喷洒各种清洁化学溶剂，从而去除多余的残留物。当晶圆处于该晶圆清洁工艺中时，晶圆可以直接置于真空夹盘上，然后，随着真空夹盘的旋转，多个喷嘴首先将化学溶剂喷洒到晶圆上。在碳和粘性的薄膜和颗粒溶解或者分解之后，化学溶剂将薄膜和颗粒从晶圆清除。在清洁工艺的最终步骤中，随着晶圆的旋转，喷洒去离子水，从而进行彻底清洁。
然而，薄晶圆易碎，并且必须对其整个面积进行支撑，以防止不必要的损坏。一种保护薄晶圆的常见方法涉及使用粘性层来将薄晶圆暂时接合到平板上，从而利用晶圆框架(frame)来防止薄晶圆横向移动。这样，我们期望，在薄晶圆接合到胶带层(tape layer)并且通过晶圆框架保护的时候清洁薄晶圆。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于清洁薄晶圆的器件，包括：旋转夹盘，旋转夹盘包括：圆形平板，沿着圆形平板的边缘具有至少三个延长件；至少三个固定卡具，安装在延长件上，其中，在第一位置中，每个固定卡具打开，而通过将固定卡具从第一位置转动到第二位置，每个固定卡具锁定；以及转动的传动轴，连接到圆形平板。
其中，延长件为半椭圆形。
其中，转动的传动轴通过电机驱动。
其中，电机的速度处于500rpm和1000rpm之间，最大速度为大约2000rpm。
其中，固定卡具进一步包括上部和底部。
其中，当固定卡具处于第一位置时，底部在基本垂直于圆形平板的方向上延伸，上部从圆形平板的中心向外突出；当固定卡具处于第二位置时，上部从圆形平板的中心向内突出。
其中，圆形平板的直径为大约400nm。
该器件进一步包括：一个附加延长件和一个附加固定卡具，其中，圆形平板的所有延长件沿着圆形平板的边缘设置，每个延长件都具有固定卡具。
此外，还提供了一种用于清洁薄晶圆的系统，包括：旋转夹盘，旋转夹盘包括：圆形平板，沿着圆形平板的边缘具有至少三个延长件，配置为在圆形平板上容纳胶带层，胶带层具有第一直径；至少三个固定卡具，每个固定卡具都具有上部和底部，上部和底部安装在延长件上，其中，在第一位置中，每个固定卡具打开，而通过将固定卡具从第一位置转动到第二位置，每个固定卡具锁定；以及转动的传动轴，连接到圆形平板；以及晶圆框架，安装在旋转夹盘上，配置为固定胶带层。
其中，晶圆框架为圆环形，圆环形具有外边缘和内边缘，外边缘具有外直径，内边缘具有内直径。
其中，晶圆框架的外直径大于胶带层的直径，晶圆框架的内直径小于胶带层的直径。
其中，当固定卡具锁定时，固定卡具的上部防止晶圆框架纵向移动。
其中，当固定卡具锁定时，固定卡具的底部与晶圆框架的外边缘相接触，从而防止晶圆框架横向移动。
该系统进一步包括：胶带层区域，位于晶圆框架的内边缘和薄晶圆之间，薄晶圆安装在胶带层上，其中，胶带层区域无粘性。
该系统进一步包括：一个附加延长件和一个附加固定卡具，其中，圆形平板的所有延长件都沿着圆形平板的边缘设置，每个延长件都具有固定卡具。
此外，还提供了一种用于清洁薄晶圆的系统，包括：旋转夹盘，旋转夹盘包括：圆形平板，沿着圆形平板的边缘具有至少三个延长件，配置为在圆形平板上容纳胶带层；至少三个固定卡具，每个固定卡具都具有上部和底部，上部和底部安装在延长件上，其中，在第一位置中，每个固定卡具打开，而通过将固定卡具从第一位置转动到第二位置，每个固定卡具锁定；以及转动的传动轴，连接到圆形平板；晶圆框架，安装在旋转夹盘上，配置为固定胶带层；杯体，具有内壁和外壁；至少三个喷嘴和至少三个导管，至少三个喷嘴固定在杯体的内壁，至少三个导管固定在杯体的外壁；化学溶剂喷嘴，置于杯体内和旋转夹盘上方；以及废弃化学品吸收体。
其中，化学溶剂喷嘴包括第一导管和第二导管，第一导管提供加压化学溶剂，第二导管提供氮。
其中，化学溶剂喷嘴进一步包括：沟槽，在沟槽中，加压化学溶剂和氮混合。
其中，废弃化学品吸收体置于胶带层上。
其中，喷嘴提供空气、去离子水、表面活性剂以及上述的组合。
附图说明
为了更全面地理解本实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1是薄晶圆清洁装置的立体图；
图2A和图2B示出了根据实施例的用于清洁薄晶圆的旋转夹盘的立体图；
图3A和图3B示出了图2A中所示出的旋转夹盘和安装在用于清洁薄晶圆的旋转夹盘顶部的薄晶圆的顶视图；
图4A示出了沿着图3A中所示的线A-A’的旋转夹盘的横截面图；
图4B示出了沿着图3B中所示的线B-B’的旋转夹盘的横截面图；
图5A和图5B分别示出了当四个固定卡具(holding clamp)打开以及锁定时的旋转夹盘的顶视图；
图5C和图5D分别示出了当四个固定卡具打开以及锁定时的固定卡具的放大立体图；
图6示出了防止碳薄膜和颗粒留在胶带层上的方法；
图7A是使用UV灯来降低胶带层区域的粘性强度的立体图；
图7B是沿着图7A的线C-C’所得到的横截面图；
图8示出了根据实施例的薄晶圆清洁工艺；
图9A示出了化学溶剂喷嘴和废弃化学溶剂吸收体的立体图；以及
图9B和图9C示出了图9A中所示的器件的相应部分的横截面图。
除非另有说明，不同附图中对应的数字和符号指的是对应的部分。绘制附图以清晰示出各个实施例的有关方面，并且该附图没有必要按照比例绘制。
具体实施方式
下面，详细讨论本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
将结合具体环境中的优选实施例进行描述本发明，即用于清洁薄晶圆的旋转夹盘。然而，本发明还可以应用到其他各种晶圆清洁工艺中。
首先，参考图1，图1是薄晶圆清洁装置的立体图。薄晶圆清洁装置包括杯体100。旋转夹盘120位于杯体100内。导管104固定到杯体100的外壁。导管104连接到喷嘴124，该喷嘴124穿过杯体壁，从而位于杯体100内。同样，导管106和导管108沿着导管104的方向铺设。导管106和导管108分别连接到喷嘴126和喷嘴128。三个喷嘴124、126和128固定到杯体100的内壁，并且置于旋转夹盘120上方。
在实施例中，喷嘴124提供空气；喷嘴126提供加压的去离子水。喷嘴128起到混合分流管(mixing manifold)的作用，其中，当喷嘴128打开时，去离子水和表面活性剂加压混合，并且以分散喷洒的形式进行直接喷洒。薄晶圆清洁装置进一步包括化学溶剂喷嘴102。该化学溶剂喷嘴102置于旋转夹盘120上方。在实施例中，化学溶剂喷嘴102提供加压化学溶剂和氮，用于清洁薄晶圆。化学溶剂喷嘴102的详细工作方式将结合图9B进行描述。废弃化学品吸收体110置于旋转夹盘120上方。该废弃化学品吸收体110的详细工作方式将在下文中结合图9C进行示出和描述。
然而，本领域普通技术人员将会了解，这种薄晶圆清洁设备对在薄晶圆清洁工艺期间，施加工艺流体和收集废弃流体的单独适当方法的描述仅仅是说明性的。还可以选择使用任何其他适当方法，比如超声波清洁。所有这些方法都包含在本发明的范围内。
根据实施例，图1中所示出的旋转夹盘120在图2A中以立体图的方式示出。旋转夹盘120的背面连接到转动的传动轴210，该传动轴210通过转动机构产生转动，比如电机。在旋转夹盘120的正面上，四个固定卡具214均匀地围绕着晶圆(在图2A中没有示出，但是在图2B中示出)设置。通过将固定卡具214旋转180度，可以将该固定卡具214锁定。如图2B所示，薄晶圆200通过胶带层202安装在旋转夹盘120的正面。根据实施例，薄晶圆200的直径大约300mm。胶带层202的直径大于薄晶圆200的直径。薄晶圆200置于胶带层202的中部。薄晶圆200和胶带层202形成了圆环状区域(donut-shaped area)，其中，薄晶圆200占据了该圆环状区域的空腔。
晶圆框架204为圆环状，外直径大约400mm，内直径略小于胶带层202的直径。晶圆框架204置于胶带层202的外缘上。固定卡具214均匀地围绕在晶圆框架204的边缘，从而当这些固定卡具214锁定时，能够在水平方向上固定位晶圆框架204。固定卡具214的工作方式将会结合图5A-图5D进行更详细的描述。
应该了解，尽管图2A示出的旋转夹盘120带有四个均匀围绕晶圆框架204的固定卡具，但是，旋转夹盘120可以具有任何数量的固定卡具。而且，多个固定卡具可以不均匀地围绕在晶圆框架204的边缘。在这里，对所示的固定卡具的数量和相同间隔进行限制，仅仅为了清晰地示出各个实施例的发明的各个方面。本发明并没有对于固定卡具的具体数量和相同间隔进行限制。
图3A示出了用于晶圆清洁的旋转夹盘120的顶视图。旋转夹盘的顶表面包括圆形区域，该圆形区域具有四个半椭圆形延长件，该半椭圆形延长件沿着圆形区域的边缘均匀设置。固定卡具214安装在每个椭圆形延长件上，从而使得当固定卡具锁定时，四个均匀设置的固定卡具可以牢牢地固定位晶圆框架204。图3B示出了安装在旋转夹盘120上的薄晶圆200的顶视图。胶带层202与旋转夹盘120和薄晶圆200都相接触，从而防止薄晶圆200纵向移动。晶圆框架204安装在胶带层202的外缘上，从而使得当固定卡具214锁定时，四个固定卡具214可以固定住晶圆框架204，从而防止薄晶圆200由于旋转夹盘120高速转动时所产生的离心力而脱离旋转夹盘。
图4A示出了沿着图3A中所示的线A-A’的旋转夹盘120的横截面图。如结合图2A所作的描述，旋转夹盘120的背面连接到转动的传动轴210。在这里，将固定卡具214尺寸放大，从而示出其几何形状。固定卡具214具有两个部分。上部为右梯形(right trapezoidal)。底部为矩形。应该注意，上部和下部的形状选择完全是为了示出目的，并不对各个实施例进行限制。本领域普通技术人员可以想出许多种变化、替换和改变。如图4B中所示，当固定卡具214打开时，也就是说，当上部的锐角三角形转向旋转夹盘120的外缘时，因为晶圆框架204的外直径略小于两个处于打开状态的固定卡具214之间的距离，所以可以将晶圆框架214置于胶带层204上。在图4B中，当晶圆框架204安装在胶带层202的顶部时，在晶圆框架204的外边缘和固定卡具214之间存在一小段间隙。
图5A示出了当四个固定卡具214打开时，旋转夹盘120的顶视图。旋转夹盘120和置于旋转夹盘120顶部的薄晶圆200的详细描述已经结合图3B进行了描述。图5A中增加了虚线圆，该虚线圆突出了固定卡具214处于打开状态。图5C是虚线圆中所示的固定卡具214和晶圆框架204的放大立体图。如图5C中所示，在固定卡具214锁定前，在晶圆框架204的外边缘和固定卡具214的边缘之间存在一小段间隙。四个固定卡具214和晶圆框架204之间的间隙保证了晶圆框架204的移除和放置不会遇到阻碍。
图5B示出了当四个固定卡具214锁定时旋转夹盘120的顶视图。在图5D中，将虚线圆中的区域进行了放大。固定卡具214可以在水平面上转动大体180度，从而由打开状态转换到锁定状态。如图5D中所示，固定卡具的底部接触晶圆框架的边缘，从而防止晶圆框架横向移动。同样，固定卡具214的上部是半杯形(half-cup shaped)。上部的U型顶部大于底部的顶部。这样有助于防止晶圆框架204纵向移动。
图6示出了防止碳薄膜和颗粒留在胶带层202上的方法。如上面结合图2B所作的描述，胶带层202置于薄晶圆200下面，晶圆框架204位于胶带层202的外缘上。如图6中所示，在薄晶圆200的外边缘和晶圆框架204的内边缘之间存在间隙。在图6中，区域602代表位于该间隙中的胶带层区域。如图6中所示，区域602的表面低于薄晶圆200的表面。在清洁工艺期间，薄晶圆200顶部的所有残留物可以向下流到胶带层202的区域602中。胶带层202的粘性特性可能会使得一些残留物留在胶带层202上。这样就导致了制造缺陷。
通过应用图6中所示出的两步清洁方法，可以解决制造缺陷。首先，使用紫外线灯来降低区域602的粘性强度。如图6中所示，紫外线灯604位于区域602上方。当旋转夹盘120转动时，区域602暴露于紫外线固化(ultraviolet cure)，这可以将区域602的粘性强度降低到将近零。随后，在区域602上喷洒化学溶剂，比如异丙醇(IPA)、丙酮、酒精或者烃混合物等等。化学溶剂可以消除区域602的粘性。这样，区域602不再具有粘性。在随后的晶圆清洁工艺中，因为区域602上的粘性材料已经被冲洗掉，所以从薄晶圆200流下来的残留物不会留在区域602。这种胶带粘性消除方法的优点是，在随后的晶圆清洁工艺中，薄晶圆200和晶圆夹具204之间的无粘性表面为残留物和化学溶剂提供了排水沟槽。
图7A是粘性消除工艺的立体图。紫外线灯604置于区域602上方，并且覆盖了区域602的一部分。当旋转夹盘120转动时，区域602的各个区域都周期性地暴露在紫外线光下，直到区域602的粘性强度减小到将近零。
图7B是沿着线C-C’所得到的紫外线灯的横截面图。根据实施例，紫外线灯604可以置于晶圆清洁杯体100中。紫外线灯604的紫外线输出能量可以处于10mJ/cm2到200mJ/cm2的范围内。紫外线灯604的波长辐射范围可以降低区域602的表面的粘性强度。如上所述，通过将化学溶剂喷洒到区域602的表面，可以将胶带层202顶部的粘性材料冲洗掉。区域602可以变为无粘性排水沟槽，用于随后的晶圆清洁工艺中。
图8示出了根据实施例的薄晶圆清洁工艺。薄晶圆上的主要残留物可能包括碳和粘性的薄膜和颗粒。为了移除这些薄膜和颗粒，根据实施例，薄晶圆清洁工艺可以包括三个步骤。第一步是将碳薄膜和颗粒清除。第二步是清除留在晶圆上的粘性薄膜和颗粒。这两个清除步骤可以通过利用化学溶剂喷嘴102喷洒化学溶剂而完成。在这两个清除工艺之后，对薄晶圆200进行最终清洁工艺。
如图8中所示，薄晶圆200安装在胶带层202的顶部，从而防止了薄晶圆200的纵向移动或者横向移动。另外，处于锁定状态的固定卡具214进一步防止了薄晶圆200由于离心力而从旋转夹盘120脱落。化学溶剂喷嘴102置于薄晶圆200上方，基本上在轴810上。利用氮将清洁溶剂在混合分流管(在图8中未示出，但是在图9B中示出)中加压，然后通过化学溶剂喷嘴102喷洒在薄晶圆200上。可选地，可以将化学溶剂雾化之后送入化学溶剂喷嘴中。然后，化学溶剂喷嘴102将经过雾化的化学溶剂喷洒到薄晶圆上。旋转夹盘120围绕着轴810旋转，从而将化学溶剂分散到薄晶圆200上方。根据实施例，旋转夹盘120的旋转速度处于500rpm和1000rpm之间，最大速度为大约2000rpm。
将碳薄膜和颗粒从薄晶圆移除之后，化学溶剂喷嘴102再次喷洒经过加压的化学溶剂，从而将薄晶圆顶部的粘性薄膜和颗粒移除。为了有效地清除粘性材料，将化学溶剂送入加热器中，加热到25℃和100℃之间的温度，然后，利用氮在混合分流器中加压。然后，化学喷头102将经过加热和加压的化学溶剂喷洒到薄晶圆200上。可选地，可以将化学溶剂送入到超声波振动设备(未示出)中，变为超声波振动化学溶剂，然后，通过加压将该超声波振动化学溶剂送入化学溶剂喷嘴102中的混合分流管(在图8中未示出，但是在图9B中示出)。化学溶剂喷嘴102将超声波振动化学溶剂喷洒到薄晶圆200上。来自超声波振动设备的高频声波可以去除粘性薄膜和颗粒。化学溶剂作为很好的媒介，将去除掉的薄膜和颗粒向下流到废弃物排水管(在图8中未示出，但是在图9C中示出)中。
最终清洁工艺涉及三个喷头，这三个喷头固定在杯体的内壁上。如结合图1所作的描述中，三个喷头124、126和128固定到杯体100的内壁，并且置于旋转夹盘120上方。在实施例中，喷头124提供空气；喷头126提供去离子水。喷头128用作混合分流管，其中，当喷嘴128打开时，DI水和表面活性剂加压混合，并且以分散喷洒的形式进行直接喷洒。
根据各个实施例，最终清洁工艺可以涉及喷嘴124、喷嘴126、喷嘴128或上述的任何组合。在实施例中，旋转夹盘120转动经过静止的喷嘴126。通过喷头126，将去离子水喷洒到旋转的晶圆上。旋转夹盘120围绕着轴810旋转，从而将去离子水分散到晶圆上方。
图9A示出了化学溶剂喷嘴102和废弃化学溶剂吸收体110的立体图。混合分流管位于化学溶剂喷嘴102中，并且置于薄晶圆上方。图9B是混合分流管的放大图。混合分流管包括一个混合沟槽902和两个导管。根据实施例，第一导管904提供化学溶剂。第二导管906提供氮。导管906的末端有两个出口。一个氮出口置于导管904的出口的右侧，另一个氮出口置于导管904的出口的左侧。将高压的氮和化学溶剂送入混合沟槽902中，然后以分散喷洒的形式直接喷洒到薄晶圆200上。
图9C是废弃化学品吸收体110的放大立体图。废弃化学品吸收体110位于胶带层202的顶部。废弃化学品吸收体110具有开口，废弃化学溶剂通过该开口而被吸收，然后向下流到如图9A中所示的废弃物排水管908。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。
而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (10)

1.一种用于清洁薄晶圆的器件，包括：
旋转夹盘，所述旋转夹盘包括：
圆形平板，沿着所述圆形平板的边缘具有至少三个延长件；
至少三个固定卡具，安装在所述延长件上，其中，在第一位置中，每个所述固定卡具打开，而通过将所述固定卡具从所述第一位置转动到第二位置，每个所述固定卡具锁定；以及
转动的传动轴，连接到所述圆形平板。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述延长件为半椭圆形。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述转动的传动轴通过电机驱动。
4.根据权利要求3所述的器件，其中，所述电机的速度处于500rpm和1000rpm之间，最大速度为大约2000rpm。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述固定卡具进一步包括上部和底部。
6.根据权利要求5所述的器件，其中，当所述固定卡具处于所述第一位置时，所述底部在基本垂直于所述圆形平板的方向上延伸，所述上部从所述圆形平板的中心向外突出；当所述固定卡具处于所述第二位置时，所述上部从所述圆形平板的中心向内突出。
7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述圆形平板的直径为大约400nm。
8.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：一个附加延长件和一个附加固定卡具，其中，所述圆形平板的所有延长件沿着所述圆形平板的边缘设置，每个延长件都具有固定卡具。
9.一种用于清洁薄晶圆的系统，包括：
旋转夹盘，所述旋转夹盘包括：
圆形平板，沿着所述圆形平板的边缘具有至少三个延长件，配置为在所述圆形平板上容纳胶带层，所述胶带层具有第一直径；
至少三个固定卡具，每个所述固定卡具都具有上部和底部，所述上部和所述底部安装在所述延长件上，其中，在第一位置中，每个所述固定卡具打开，而通过将所述固定卡具从所述第一位置转动到第二位置，每个所述固定卡具锁定；以及
转动的传动轴，连接到所述圆形平板；以及
晶圆框架，安装在所述旋转夹盘上，配置为固定所述胶带层。
10.一种用于清洁薄晶圆的系统，包括：
旋转夹盘，所述旋转夹盘包括：
圆形平板，沿着所述圆形平板的边缘具有至少三个延长件，配置为在所述圆形平板上容纳胶带层；
至少三个固定卡具，每个所述固定卡具都具有上部和底部，所述上部和所述底部安装在所述延长件上，其中，在第一位置中，每个所述固定卡具打开，而通过将所述固定卡具从所述第一位置转动到第二位置，每个所述固定卡具锁定；以及
转动的传动轴，连接到所述圆形平板；
晶圆框架，安装在所述旋转夹盘上，配置为固定所述胶带层；
杯体，具有内壁和外壁；
至少三个喷嘴和至少三个导管，所述至少三个喷嘴固定在所述杯体的所述内壁，所述至少三个导管固定在所述杯体的所述外壁；
化学溶剂喷嘴，置于所述杯体内和所述旋转夹盘上方；以及
废弃化学品吸收体。
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