CN104941957B

CN104941957B - 晶圆清洁装置及方法

Info

Publication number: CN104941957B
Application number: CN201410109560.0A
Authority: CN
Inventors: 王英; 周万泉; 李茂森; 陈宝龙
Original assignee: Raintree Scientific Instruments Shanghai Corp
Current assignee: Raintree Scientific Instruments Shanghai Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: CN104941957A

Abstract

本发明提供一种晶圆清洁装置，包括具有箱体、箱门、密闭清洁腔体以及容置于密闭清洁腔体内支撑晶圆的支撑销的清洁箱，装设于密闭清洁腔体内的箱体顶部并构造成适于发出均匀照射到晶圆上的红外线的多个加热灯，具有控制模块和温度探测器的控制部分，冷却气体输入管路，排气管路和去污干燥装置。该装置可在晶圆被加热清洁之后使晶圆清洁箱与冷却气体源可连通，向箱内输送冷却气体来将晶圆冷却至箱外环境温度；并在冷却气体进入晶圆清洁箱之前先进行干燥和去污，从而避免在冷却过程中晶圆被再度污染。本发明还提供一种晶圆清洁方法。在本发明中，由于多个加热灯适于发出均匀照射到晶圆上的红外线，提高了加热效率，而且较为安全和低成本。

Description

晶圆清洁装置及方法

技术领域

本发明涉及晶圆清洁设备和方法，更具体地涉及通过红外线对晶圆进行加热清洁的晶圆清洁装置及方法。

背景技术

随着制程技术不断的提升以及纳米技术的不断发展，目前已进入32nm，甚至28nm制程。晶圆表面的空气污染物(AMC)会造成晶圆薄膜厚度测量的不稳定性。尤其现在闸极氧化层(Gate Oxide，SiO2)厚度随着高阶纳米制程的需求已越作越薄，已由20～30nm降至1nm以下。那么空气污染物的吸附与成长对如此薄的闸极氧化层来说，会造成很大的薄膜厚度量测值误差值。尤其是该闸极氧化层厚度的误差值量测会导致介电层的漏电流现象而影响电晶体的电性，进而影响晶圆的制程能力与生成良率。因此，为得到准确的薄膜厚度测量值，在测量前需对晶圆进行清洗，以去除晶圆表面污染物。

目前，清洁晶圆表面空气污染物都是采用加热晶圆或用激光点照射的方法，利用热膨胀，热汽化，或分子爆破等原理来实现清除污染物。然而这些方法都存在一些缺点，例如：激光点照射法容易造成晶圆表面膜层结构的改变，进而破坏晶圆；微波加热均匀性不够，而且加热后产生的热汽不能及时被带走，仍然会污染晶圆；铁盘加热相对均匀，但是加热效率低，而且盘面接触，也会造成二次污染。另外，冷却机构复杂，不利于提高产能。

发明内容

本发明的目的就是提供一种晶圆清洁装置及方法，利用适于发出均匀照射到晶圆上的红外线的多个加热灯对晶圆进行加热清洗，大大提高了加热均匀性和快速性，而且通过加热结束后向清洁箱内通入干燥洁净的流动冷却气体，在冷却晶圆的同时带走悬浮在腔内的污染物，从而保证了晶圆的彻底清洁。

为此，根据本发明的一个方面，提供一种晶圆清洁装置，包括：

清洁箱，其具有箱体、箱门和密闭清洁腔体，在密闭清洁腔体内容置有通过支撑销支撑的晶圆；

多个加热灯，其装设于密闭清洁腔体的顶部并构造成适于发出均匀照射到晶圆上的红外线；

冷却气体输入管路，其两端分别与冷却气体源和密闭清洁腔体可连通；

排气管路，其一端与密闭清洁腔体可连通，另一端连通至气体排放地；

去污干燥装置，其设置在冷却气体输入管路中以使得进入清洁箱内的冷却气体得到过滤和干燥；

控制装置，其包括用于控制晶圆加热和冷却过程的控制模块和与控制模块电连接并用来探测晶圆温度的温度探测器，控制模块分别控制冷却气体输入管路和排气管路的开启和关闭以在晶圆完成加热之后向密闭清洁腔体输送冷却气体来冷却晶圆至室温并同时排出密闭清洁腔体内的气体。

在本发明的该方面，通过使装设于密闭清洁腔体的顶部的多个加热灯发出均匀照射到晶圆上的红外线来完成对晶圆的加热清洗，大大提高了加热均匀性和快速性，并且对人体较为安全且成本低廉；通过加热结束后向清洁箱内通入经过去污和干燥的洁净冷却气体，并通过排气装置随时带走悬浮在腔内的污染物，有效保证了晶圆的彻底清洁，避免了晶圆在加热清洗过程中的再度污染。

冷却晶圆的冷却气体已被干燥和过滤，因此进入晶圆清洁箱内的冷却气体不会对经加热而被清洁或清洗的晶圆造成再度污染，而且，由于在向晶圆清洁箱内输送冷却气体的同时也同时向外排气，因此能够及时将晶圆被加热过程中产生的热汽以及从晶圆表面清洁掉的污染物带走。

优选地，上述红外线的波长在800～1000纳米之间。用红外线加热晶圆具有四大优势：加热效率高，虽然晶圆硅材料对于紫外的吸收比红外强，但是由于红外的振动频率更接近硅原子的振动频率，更能引起共振，因此红外的热效应比紫外好；晶圆不会被破坏，紫外的能量太强，容易引起物质晶格以及化合键的断裂，进而破坏硅材料及表面涂层，而红外只是引起原子／分子振动，进而产生热，不会破坏硅材料及表面涂层；安全可靠，紫外对人体有害，使用中需要一系列防护措施，使用红外就相对安全多了；成本低，红外比紫外更容易获得，成本低廉，在热应用中使用更为广泛。

优选地，上述加热灯为高压氙灯。这种灯的辐射光谱与晶圆的吸收光谱较为匹配，因而加热清洁的效率较高。

优选地，多个上述高压氙灯沿多个同心圆均匀排布或肩并肩排布。这样的排布方式使得晶圆表面的加热温度更均匀，污染物去除效果更好。

优选地，上述箱体由隔热材料形成。这样可以防止加热时的热量损失，大大提高晶圆清洗的加热效率。

优选地，上述控制模块为PLC控制器。

优选地，上述冷却气体输入管路的一端上设置有与所述冷却气体源可连通的冷却气体阀门，所述冷却气体阀门与所述控制模块电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向箱内输送冷却气体；上述排气管路的所述一端上设置有排风门和风机。通过上述设置，可以在晶圆加热结束后，清洁腔内通入冷却气体，并经由排气装置排出室外，从而冷却晶圆，同时带走从晶圆表面清洁掉的污染物及加热产生的水汽。

优选地，上述去污干燥装置设置有干燥剂、吸附剂和过滤器。冷却气体经由去污干燥装置后，吹进密闭清洁腔体，这样才能保证清洁腔室的干净与干燥，避免晶圆的二次污染。

优选地，上述干燥剂、吸附剂和过滤器在气体流动路径上依次排布。

根据本发明的另一个方面，提供一种晶圆清洁方法，其特征在于，包括：

向密闭清洁腔体内的晶圆均匀照射红外线以对晶圆进行加热清洁；

在晶圆完成加热清洁之后向密闭清洁腔体内输送冷却气体；

使冷却气体在流动经过晶圆之后从晶圆清洁箱内排出；

在晶圆被冷却至箱外环境温度后切断冷却气体的输送；

其中，在向密闭清洁腔体内输送冷却气体之前先对冷却气体进行干燥和过滤以保持进入密闭清洁腔体内的气体的干燥和洁净。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是根据本发明的一个优选实施方式的晶圆清洁装置的示意图；

图2是图1中晶圆清洁装置的多个加热灯的一种排布实施例的顶视图；

图3是图1中晶圆清洁装置的多个加热灯的另一种排布实施例的顶视图；

图4是根据本发明的一个优选实施方式的晶圆清洁方法的流程图。

附图标记说明

10 晶圆清洁箱

101 箱体 103 箱门

105 密闭清洁腔体 107 支撑销

111 箱体顶部

109 加热灯

129 高压氙灯 129’ 高压氙灯

201 控制部分

211 控制模块 221 温度探测器

203 冷却气体输入管路

213 冷却气体阀门 223 进气腔

205 排气管路

215 排风门 225 风机

235 排气腔

209 去污干燥装置

219 干燥剂 229 吸附剂

239 过滤器

30 晶圆

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

图1示出了根据本发明的优选实施方式的晶圆清洁箱10内微环境控制装置，其适用于控制晶圆清洁箱10内的微环境以防止清洁后的晶圆30被再次污染。

如图1所示，晶圆清洁箱10具有箱体101、箱门103和密闭清洁腔体105，其中，在密闭清洁腔体105内容置有通过例如支撑销107支撑的晶圆30，在密闭清洁腔体105内的箱体顶部111上装设有多个加热灯109。箱体101优选由隔热材料形成。多个加热灯109例如可以是多个红外加热管如多个高压氙灯129、129’，也可以是微波发生器等，用于加热晶圆30从而通过加热实现对晶圆30的清洁。本实施方式中所用红外线的波长在800～1000纳米之间。

如图1所示，晶圆清洁箱内微环境控制装置包括控制部分201、冷却气体输入管路203、排气管路205以及去污干燥装置209。控制部分201包括可以例如是PLC控制器控制模块211、以及与控制模块211电连接并用来探测晶圆30的温度的温度探测器221。在本实施方式中，温度探测器221设置于密闭清洁腔体105中，例如箱体101的底壁上，用来探测晶圆30的温度。控制模块211不仅负责执行完成晶圆加热清洁的一系列操作，例如：开关箱门，开关加热灯，开关冷却气体的输送，温度监控等等，还要负责整个系统的安全可靠性，例如：高温报警，超限切断系统电源等防护措施。

如图1所示，在本实施方式中，冷却气体输入管路203的一端与冷却气体源(图未示)可连通，另一端连接至晶圆清洁箱10的箱体101上并与密闭清洁腔体105可连通。冷却气体源例如可采用工厂厂务提供的压缩空气。在冷却气体输入管路203的该一端上设置有冷却气体阀门213，该冷却气体阀门与控制模块211电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向密闭清洁腔体105内输送冷却气体；去污干燥装置209装设于冷却气体输入管路203的另一端上，例如该另一端上可设有一个扩大的进气腔223，去污干燥装置209可装设在该进气腔223内。通过控制模块211对冷却气体阀门213的控制，可根据需要使冷却气体输入管路203与冷却气体源连通，从而经由去污干燥装置209再与密闭清洁腔体105连通。应当理解的是，在冷却气体输入管路203与晶圆清洁箱10的连接处可设有风门，该风门可构造成通过冷却气体自动敞开来使冷却气体输入管路与密闭清洁腔体连通。

如图1所示，去污干燥装置209内可设置有优选在气体流动路径(见箭头F)上依次排布的干燥剂219、吸附剂229和过滤器239，从而来自冷却气体源的冷却气体经由它可被干燥、吸附和过滤，使得进入密闭清洁腔体105内的冷却气体保持洁净、干燥。

如图1所示，排气管路205一端连接至晶圆清洁箱10的箱体101上并与密闭清洁腔体105(也可以说是微环境)可连通，另一端连接至气体排放地(图未示)。在排气管路205的该一端上设置有排风门215和风机225，在本实施方式中，排风门和风机都受控制模块211控制。排气管路205的该一端可以是扩大的排气腔235以更好地在其内容置排风门215和风机225，排风门215优选开设在箱体101的壁上。排风门215的设置可保证排气管路205在风机225工作过程中与晶圆清洁箱10内的微环境连通，风机225的设置可保证其工作时能向外抽吸微环境中的气体。排气管路205的设置一方面可以将冷却气体在冷却晶圆之后(这时冷却气体温度已经升高)及时排除提高冷却效率，另一方面可以在对加热清洁结束后的晶圆30进行冷却的过程中，及时将密闭清洁腔体105中悬浮的从晶圆表面清洁下来的污染物以及水汽及时地排出，避免晶圆冷却过程中再次污染晶圆表面。控制模块211优选同步控制冷却气体输入管路203和排气管路205的开启和关闭，从而使得在密闭清洁腔体105中形成流动的风，起到有效冷却晶圆并及时排污的目的。优选地，排气管路205与冷却气体输入管路203分别设置于箱体101的两端，这样可以使得进入密闭清洁腔体105的冷却气体充分地流动接触并冷却晶圆30。

需要说明的是，向晶圆吹冷却气体的目的有两个，一是冷却晶圆，二是及时带走去除的污染物，并保持腔体内的干净、干燥，避免清洗后的晶圆二次污染。待晶圆冷却到室温左右，便可以取出进行测量，或存放进干净的晶圆储存盒里。在另外的实施方式中，也可以配备不活泼气体输入管路(图未示)，以在晶圆30进入下一道工序之前保持在一个不活泼气体(例如惰性气体)环境中。

图2示出了图1中晶圆清洁装置的多个加热灯的一种排布实施例的顶视图。为了提高晶圆表面清洁的均匀性，也就是提高晶圆加热的均匀性，箱体顶部111的多个高压氙灯129沿多个同心圆均匀排布。

图3示出了图1中晶圆清洁装置的多个加热灯的另一种排布实施例的顶视图。为了提高晶圆表面清洁的均匀性，即提高晶圆加热的均匀性，箱体顶部111的多个高压氙灯129’也可以肩并肩排布。

根据本发明的第二个方面，提供一种晶圆清洁方法，其包括如下步骤：

1)向密闭清洁腔体内的晶圆均匀照射红外线以对晶圆进行加热清洁；

2)在晶圆完成加热清洁之后向密闭清洁腔体内输送冷却气体；

3)使冷却气体在流动经过晶圆之后从晶圆清洁箱内排出；

4)在晶圆被冷却至箱外环境温度后切断冷却气体的输送；

优选地，上述冷却气体的输送和箱内气体的排出同步进行。

在本实施方式中，优选地，步骤1)还包括先判断晶圆是否加热清洁完毕的步骤；步骤3)中还包括先判断对晶圆的冷却是否结束的步骤。

具体地，参照图1至图4介绍一下根据本发明优选实施方式的晶圆清洁方法。

首先，首先打开箱门103，将待洗晶圆30置于支撑销107上面，关闭箱门103。然后开启箱体顶部111上的高压氙灯，开始对晶圆进行加热。由控制模块211判断加热是否结束，如果是，则关闭多个加热灯；开启冷却气体阀门213；开启排风门215和风机225。由控制模块211判断冷却是否结束，如果是，则关闭冷却气体阀门213、排风门215和风机225；如果否，则回到判断的步骤。

下面结合图1和图4再详细介绍一下晶圆从进入晶圆清洁箱10清洁直至下一道工序的整个操作控制过程。

清洁晶圆的一系列操作由控制模块211完成。首先开启晶圆清洁箱10的箱门103，将待清洁晶圆30置于支撑销(Pin)107上，然后关闭箱门103，并开启密闭清洁腔体105顶部的多个加热灯109。温度探测器221则实时探测晶圆30的温度，当温度达到例如280度时，恒温控制例如3分钟后，关闭加热装置109，开启冷却气体阀门213，同时开启排风门215以及风机225。晶圆30开始进行冷却。冷却气体吹向密闭清洁腔体105，再经由风机225排出箱体外，这样，不仅加快了晶圆的冷却过程，同时，又把腔体内的污染物及热汽都排出去了。当温度探测器221探测到的晶圆温度达到箱外环境温度(即室温)时，关闭冷却气体阀门213、排风门215和风机225，结束整个对晶圆的加热清洁过程。此时，如果要取出清洁后的晶圆30进行下一道工序，或是转存到另一个专门的晶圆承载盒，只需打开箱门103，取出即可。由于冷却气体在进入密闭清洁腔体105之前先经过了去污干燥装置209，因此清洁后的晶圆30始终处于一个干净干燥的微环境中，避免了晶圆在加热之后的再次污染。

需要说明的是，尽管现有技术中也有用紫外对wafer进行加热的方式，但是比较而言，用红外线加热晶圆具有以下优点：

1)加热效率高

虽然硅材料对于紫外的吸收比红外强，但是由于红外的振动频率更接近硅原子的振动频率，更能引起共振，因此红外的热效应比紫外好。

2)晶圆不会被破坏

紫外的能量太强，容易引起物质晶格以及化合键的断裂，进而破坏硅材料及表面涂层，而红外只是引起原子／分子振动，进而产生热，不会破坏硅材料及表面涂层。

3)安全可靠

紫外对人体有害，使用中需要一系列防护措施，使用红外就相对安全多了

4)成本低

红外比紫外更容易获得，成本低廉，在热应用中使用更为广泛。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和／或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims

1.一种晶圆清洁装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述加热灯为高压氙灯。

3.如权利要求2所述的晶圆清洁装置，其特征在于，多个所述高压氙灯沿多个同心圆均匀排布。

4.如权利要求2所述的晶圆清洁装置，其特征在于，多个所述高压氙灯肩并肩排布。

5.如权利要求1所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述箱体由隔热材料形成。

6.如权利要求1所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述控制模块为PLC控制器。

7.如权利要求1所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述冷却气体输入管路的一端上设置有与所述冷却气体源可连通的冷却气体阀门，所述冷却气体阀门与所述控制模块电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向箱内输送冷却气体。

8.如权利要求1所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述排气管路的所述一端上设置有排风门和风机。

9.如权利要求1所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述去污干燥装置设置有干燥剂、吸附剂和过滤器。

10.如权利要求9所述的晶圆清洁装置，其特征在于，所述干燥剂、吸附剂和过滤器在气体流动路径上依次排布。

11.一种晶圆清洁方法，其特征在于，包括：

在晶圆完成加热清洁之后向密闭清洁腔体内输送冷却气体；

使冷却气体在流动经过晶圆之后从晶圆清洁箱内排出；

在晶圆被冷却至箱外环境温度后切断冷却气体的输送；

12.如权利要求11所述的晶圆清洁方法，其特征在于，所述红外线由高压氙灯发出。

13.如权利要求12所述的晶圆清洁方法，其特征在于，所述高压氙灯为多个并以多个同心圆均匀排布。

14.如权利要求12所述的晶圆清洁方法，其特征在于，所述高压氙灯为多个并以肩并肩方式均匀排布。

15.如权利要求11所述的晶圆清洁方法，其特征在于，所述红外线的波长在800～1000纳米之间。