CN105006424B - 单片式湿法清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单片式湿法清洗方法，包括：将整个晶圆固定置于旋转平台上，使晶圆的中心偏离旋转平台的中心；旋转平台和晶圆均以旋转平台的中心为旋转中心且以第一转速进行旋转；进行药液喷淋过程，机械手臂摆动，并且带动喷淋头摆动，使喷淋头以旋转平台的中心为摆动中心进行摆动，形成摆动轨迹，使药液喷淋到晶圆的整个上表面；提高旋转平台的转速到第二转速，然后，进行去离子水喷淋过程，其中，机械手臂将喷淋头置于晶圆中心上方，使喷淋头以晶圆的中心为定点进行去离子水的定点喷淋；完成去离子水喷淋过程之后，调整旋转平台的转速到第三转速，对晶圆进行干燥过程；将晶圆取出旋转平台。本发明克服了旋转的晶圆中心受力为零的缺陷。

Description

单片式湿法清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种单片式湿法清洗方法。
背景技术
早期湿法工艺主要采用槽式设备批量作业，生产效率高，也可以满足工艺要求。然而随着半导体工艺制程不断的发展，硅片尺寸逐渐由8寸发展到12寸、18寸，芯片的最小线宽也由微米级逐渐向纳米级过渡，如65nm，40nm，32nm，22nm等等。由于其工艺能力和均匀性已无法满足更为严格的工艺要求，槽式湿法设备在高端半导体产品制造中渐渐退出历史舞台。单片式湿法设备，由于其工艺效果以及均匀性高的特点，逐渐成为了半导体制造中的主流湿法设备。
单片式湿法设备主要是单片式作业。请参阅图1，为现有的旋转平台和晶圆的位置关系示意图；晶圆3由机械手从片盒中取出，放置在工艺腔内的连接转轴7的旋转平台1上，晶圆中心4与旋转平台中心2重合。晶圆固定好之后，开始进行工艺作业。工艺作业过程中，晶圆旋转，带有药液喷嘴6的机械手臂5伸向晶圆3上方中心，药液喷淋到晶圆3表面。由于离心力的作用，药液由晶圆3中心向周围扩散，从而达到药液与晶圆全部上表面接触进行反应作业。药液作用完成后，用去离子水对晶圆3进行清洗，去离子水由于离心力的作用沿边缘切线方向甩出。药液和去离子水作业完成后，带有药液或者去离子水喷嘴的手臂收回，晶圆3高速旋转实现干燥。工艺作业完成后，机械手将晶圆3取出放回片盒中。
当硅片表面具有深孔深槽等结构的时候，深孔深槽上方的液体由于离心力的作用沿着以圆周切线的方向进行流动。根据文丘里管原理，在高速运动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。深孔深槽中的杂质就是由于其上方液体的高速流动而产生的吸附作用而被带出深孔深槽中最终随流体一起被运送到硅片外。湿法工艺作业时，由于硅片以其圆心为中点进行旋转作业，那么硅片上各个点到硅片中心的距离不同，由于各个点的离心力与点到圆心的距离成正比，因此，越靠近边缘的点受到的离心力越大，从而其流速也越大。当硅片上的点无限趋近于硅片中心时，由于其距硅片中心的距离无限趋近于零，因此其受到的离心力为无限趋近于零。所以，硅片中心的刻蚀产物或者清洗的杂质最难以从硅片上清除干净，于是这个区域成为了清洗的盲区。进一步的，后续的硅片干燥过程，由于中心点受力趋近于零，硅片中心处区域的去离子水无法甩干从而造成液体残留。因此，硅片的中心区域为单片式清洗或者刻蚀的盲区，易产生缺陷而影响后续制程甚至芯片最终的性能，所以，亟需对单片式湿法设备的清洗方法进行改进，以提高硅片清洗效率。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种单片式湿法清洗方法，通过将晶圆的中心偏离所述旋转平台的中心来设置，从而避免晶圆旋转过程中晶圆中心受力为零的缺陷的产生。
为了实现上述目的，本发明提供了一种单片式湿法清洗方法，采用的单片式湿法清洗设备具有用于带动晶圆旋转的旋转平台，用于向所述晶圆上喷淋液体的喷淋头，以及与所述喷淋头连接的用于移动所述喷淋头的机械手臂，所述单片式湿法清洗方法包括：
步骤01：将整个所述晶圆固定置于所述旋转平台上，并且使所述晶圆的中心偏离旋转平台的中心；
步骤02：所述旋转平台和所述晶圆均以所述旋转平台的中心为旋转中心且以第一转速进行旋转；
步骤03：进行药液喷淋过程，其中，所述机械手臂摆动，并且带动所述喷淋头摆动，使所述喷淋头以所述旋转平台的中心为摆动中心进行摆动，使药液喷淋到所述晶圆的整个上表面；
步骤04：提高所述旋转平台的转速到第二转速，然后，进行去离子水喷淋过程，其中，所述机械手臂将所述喷淋头置于所述晶圆中心上方，使所述喷淋头以所述晶圆的中心为定点进行去离子水的定点喷淋；
步骤05：完成所述去离子水喷淋过程之后，调整所述旋转平台的转速到第三转速，对所述晶圆进行干燥过程；
步骤06：将所述晶圆取出所述旋转平台。
优选地，所述旋转平台的半径大于所述晶圆的半径。
优选地，所述步骤02中，所述第一转速小于300rpm。
优选地，所述步骤03中，所述喷淋头以所述旋转平台的中心为摆动中心进行摆动的轨迹的对称轴穿过所述摆动中心，所述喷淋头以所述旋转平台的中心为摆动中心进行摆动的轨迹的末端到所述对称轴的垂直距离不超过所述晶圆半径的2/3。
优选地，所述步骤04中，所述去离子水的流量大于700ml/min。
优选地，所述步骤04中，所述第二转速为200-1000r/min。
优选地，所述步骤05中，所述干燥过程所采用的时间不少于1min。
优选地，所述步骤05中，所述第三转速为1000-2000r/min。
优选地，所述机械手臂为两个，每个所述机械手臂连接有一个喷嘴，分别用于所述药液喷淋过程和所述去离子水喷淋过程，并且，在所述药液喷淋过程完成后，用于所述药液喷淋过程的机械手臂撤回，然后，用于所述去离子水喷淋过程的机械手臂移动到所述晶圆上方；在所述步骤05中，在完成所述去离子水喷淋过程之后，且调整所述旋转平台的转速到第三转速之前，将所述去离子水喷淋过程的机械手臂撤回。
优选地，所述机械手臂为一个，在所述机械手臂端部具有两个喷嘴，每个喷嘴上设置有阀门，在所述药液喷淋过程和所述去离子水喷淋过程中通过阀门的启闭来控制相应喷嘴的启闭，从而实现所述药液喷淋过程和所述去离子水喷淋过程之间的切换。
本发明的单片式湿法清洗方法，将晶圆固定置于旋转平台上且晶圆中心偏离旋转平台中心，在药液喷淋过程中，机械手带动喷淋头摆动从而将晶圆的整个表面都喷淋到；去离子水喷淋过程中，机械手不运动，从而使喷淋头静止于晶圆中心上方，以实现对晶圆的定点喷淋；这样，在旋转过程中，由于晶圆处于一种偏心状态，分布于晶圆表面的水膜层必然处于一种非均匀状态，所以晶圆上的去离子水水膜除了受到离心力外，还形成了一种重力分布梯度，从而打破了现有技术中晶圆中心以及旋转平台中心作为旋转中心的受力为零的状态。因此整片晶圆上的去离子水都具备一定的流速，能够将晶圆结构内部的杂质由于文丘管原理被吸附出来从而清洗干净。同样干燥时，由于其干燥初始状态的水膜具有重力梯度，避免了旋转中心为零的状态从而能够将晶圆上所有的去离子水甩干实现晶圆的干燥。
附图说明
图1a为现有的旋转平台和晶圆的位置关系的俯视示意图
图1b为现有的旋转平台和晶圆的位置关系的截面结构示意图
图2a为本发明的一个较佳实施例的旋转平台和晶圆的位置关系的俯视示意图
图2b为本发明的一个较佳实施例的旋转平台和晶圆的位置关系的截面结构示意图
图3为本发明的一个较佳实施例的单片式湿法清洗方法的流程示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的机械手臂摆动的路径示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图2-4和具体实施例对本发明的单片式湿法清洗方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
本实施例中，请参阅图2a和2b，采用的单片式湿法清洗设备具有用于带动晶圆203旋转的旋转平台201，旋转平台连接有转轴207，用于向晶圆203上喷淋液体的喷淋头206，以及与喷淋头206连接的用于移动喷淋头206的机械手臂205，请参阅图3，本实施例的单片式湿法清洗方法包括：
步骤01：将整个晶圆203固定置于旋转平台201上，并且使晶圆203的中心204偏离旋转平台201的中心202；
具体的，可以但不限于采用机械手将晶圆从片盒中取出并且放置于旋转平台上；可以但不限于采用夹持装置将晶圆固定于旋转平台上，并且，晶圆的中心偏离旋转平台的中心一定距离，例如，晶圆的中心到旋转平台的中心的距离小于或等于晶圆的半径，也就是晶圆的边缘可以正好位于旋转平台的中心处，或者超过旋转平台中心。本实施例中，晶圆203的半径为10cm，晶圆203的中心204与旋转平台201的中心202的距离则应当小于旋转平台半径202与晶圆半径204之差。这里，在晶圆中心204偏离于旋转平台中心202放置时，晶圆203的底部应当全部位于旋转平台201上，旋转平台201的半径应当大于晶圆203的半径，本实施例中，旋转平台的半径大于10cm。
需要说明的是，8寸晶圆半径是10cm，12寸晶圆的半径是15cm，本发明可以应用于8寸，12寸，甚至18寸的晶圆，不同晶圆半径应当设置不同旋转平台的半径，以满足在晶圆中心偏离于旋转平台中心放置时晶圆的底部全部位于旋转平台上的要求。
步骤02：旋转平台201和晶圆203均以旋转平台201的中心202为旋转中心且以第一转速进行旋转；
具体的，第一转速不应当太快，应小于第二转速，由于后续药液喷淋过程也是在第一转速下进行的，较慢的第一转速可以使药液均匀的分布于整个晶圆203表面和旋转平台201表面。这里，为了保证药液能与硅片表面充分的接触而发生反应，第一转速小于300rpm。
步骤03：进行药液喷淋过程，其中，机械手臂205摆动，并且带动喷淋头206摆动，使喷淋头206以旋转平台201的中心202为摆动中心进行摆动，使药液喷淋到晶圆203的整个上表面；
具体的，喷淋头的摆动配合较慢的第一转速，再配合喷淋头的摆动，可以使晶圆表面布满药液，因此，相比于现有的晶圆与旋转平台的同心设置，本实施例中晶圆203与旋转平台201偏心设置并不会使晶圆203的刻蚀速率均匀性等参数发生较大变化；这里，喷淋头206呈现弧线摆动轨迹，弧线摆动轨迹的对称轴穿过摆动中心，弧线摆动轨迹的末端到摆动中心所在对称轴的垂直距离不超过晶圆半径的2/3，较佳的，可以为晶圆半径的1/2。需要说明的是，喷淋头的摆动末端不一定要到晶圆边缘，由于离心力的作用，药液是可以布满整个晶圆的。
请参阅图4，为喷淋头摆动时的路径示意图，旋转平台201的半径为15cm，晶圆203的半径为10cm，晶圆203的中心204偏离旋转平台201的中心202的距离为2cm，机械手臂205带动喷淋头206进行旋转，这里，机械手臂205以其另一端的固定位置为旋转中心进行旋转，从而带动喷淋头206进行摆动，喷淋头206以旋转平台201的中心202为摆动中心，虚线为喷淋头206的弧线摆动轨迹，该弧线摆动轨迹的对称轴穿过摆动中心，喷淋头206的弧线摆动轨迹的末端(虚线末端)到该对称轴的垂直距离不超过晶圆203半径的2/3，约为6.66cm，较佳的，为5cm。
步骤04：提高旋转平台201的转速到第二转速，然后，进行去离子水喷淋过程，其中，机械手臂205将喷淋头206置于晶圆中心204上方，使喷淋头206以晶圆203的中心204为定点进行去离子水的定点喷淋；
具体的，将喷淋头206置于晶圆中心204上方，对晶圆203进行定点喷淋，并提高晶圆203旋转速度。由于去离子水偏离于旋转中心(旋转平台的中心202)喷淋，并且高速旋转的离心力作用下，将导致晶圆203和旋转平台201表面的水膜呈现不均匀分布，从而在晶圆203和旋转平台201表面产生去离子水的重力梯度，该重力梯度使得晶圆中心204和旋转平台中心202的受力均不为零，这样，由于文丘管原理的吸附作用，将晶圆中心204和旋转平台中心202处的晶圆203部分的内部杂质清洗干净。这里，去离子水的流量可以大于700ml/min，第二转速可以为200-1000r/min。
步骤05：完成去离子水喷淋过程之后，调整旋转平台的转速到第三转速，对晶圆203进行干燥过程；
具体的，提高旋转平台的转速，加快干燥过程的进行；由于旋转平台比晶圆的面积大，因此，干燥时间比常用的湿法清洗工艺的时间要长，这里，干燥过程所采用的时间可以不少于1min，干燥过程的第三转速可以为1000-2000r/min。在完成去离子水喷淋过程后，且调整旋转平台的转速到第三转速之前，可以使喷淋头离开晶圆，避免后续干燥过程中，喷淋头上残留去离子水滴到晶圆上，延长干燥时间。
在本发明的一个实施例中，机械手臂为两个，每个机械手臂连接有一个喷嘴，分别用于药液喷淋过程和去离子水喷淋过程，并且，在药液喷淋过程完成后，用于药液喷淋过程的机械手臂撤回，然后，用于去离子水喷淋过程的机械手臂移动到晶圆上方。
在本发明的另一个实施例中，机械手臂为一个，在机械手臂端部具有两个喷嘴，每个喷嘴上设置有阀门，在药液喷淋过程和去离子水喷淋过程中通过阀门的启闭来控制相应喷嘴的启闭，从而实现药液喷淋过程和去离子水喷淋过程之间的切换。
步骤06：将晶圆取出旋转平台。
具体的，采用机械手将晶圆从旋转平台上拾取，并且放入片盒中。
综上所述，本发明的单片式湿法清洗方法，将晶圆固定置于旋转平台上且晶圆中心偏离旋转平台中心，在药液喷淋过程中，机械手带动喷淋头摆动从而将晶圆的整个表面都喷淋到；去离子水喷淋过程中，机械手不运动，从而使喷淋头静止于晶圆中心上方，以实现对晶圆的定点喷淋；这样，在旋转过程中，由于晶圆处于一种偏心状态，分布于晶圆表面的水膜层必然处于一种非均匀状态，所以晶圆上的去离子水水膜除了受到离心力外，还形成了一种重力分布梯度，从而打破了现有技术中晶圆中心以及旋转平台中心作为旋转中心的受力为零的状态。因此整片晶圆上的去离子水都具备一定的流速，能够将晶圆结构内部的杂质由于文丘管原理被吸附出来从而清洗干净。同样干燥时，由于其干燥初始状态的水膜具有重力梯度，避免了旋转中心为零的状态从而能够将晶圆上所有的去离子水甩干实现晶圆的干燥。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种单片式湿法清洗方法，采用的单片式湿法清洗设备具有用于带动晶圆旋转的旋转平台，用于向所述晶圆上喷淋液体的喷淋头，以及与所述喷淋头连接的用于移动所述喷淋头的机械手臂，其特征在于，所述单片式湿法清洗方法包括：
步骤01：将整个所述晶圆固定置于所述旋转平台上，并且使所述晶圆的中心偏离旋转平台的中心；
步骤02：所述旋转平台和所述晶圆均以所述旋转平台的中心为旋转中心且以第一转速进行旋转；
步骤03：进行药液喷淋过程，其中，所述机械手臂摆动，并且带动所述喷淋头摆动，使所述喷淋头以所述旋转平台的中心为摆动中心进行摆动，使药液喷淋到所述晶圆的整个上表面；
步骤04：提高所述旋转平台的转速到第二转速，停止药液喷淋过程，然后，进行去离子水喷淋过程，其中，所述机械手臂将所述喷淋头置于所述晶圆中心上方，使所述喷淋头以所述晶圆的中心为定点，在晶圆和旋转平台以第二转速进行旋转过程中，对晶圆进行去离子水的定点喷淋；
步骤05：完成所述去离子水喷淋过程之后，调整所述旋转平台的转速到第三转速，对所述晶圆进行干燥过程；
步骤06：将所述晶圆取出所述旋转平台。
2.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述旋转平台的半径大于所述晶圆的半径。
3.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述步骤02中，所述第一转速为小于300rpm。
4.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述步骤03中，所述喷淋头以所述旋转平台的中心为摆动中心进行摆动的轨迹的对称轴穿过所述摆动中心，所述喷淋头以所述旋转平台的中心为摆动中心进行摆动的轨迹的末端到所述对称轴的垂直距离不超过所述晶圆半径的2/3。
5.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述步骤04中，所述去离子水的流量大于700ml/min。
6.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述步骤04中，所述第二转速为200-1000r/min。
7.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述步骤05中，所述干燥过程所采用的时间不少于1min。
8.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述步骤05中，所述第三转速为1000-2000r/min。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述机械手臂为两个，每个所述机械手臂连接有一个喷嘴，分别用于所述药液喷淋过程和所述去离子水喷淋过程，并且，在所述药液喷淋过程完成后，用于所述药液喷淋过程的机械手臂撤回，然后，用于所述去离子水喷淋过程的机械手臂移动到所述晶圆上方；在所述步骤05中，在完成所述去离子水喷淋过程之后，且调整所述旋转平台的转速到第三转速之前，将所述去离子水喷淋过程的机械手臂撤回。
10.根据权利要求1-8任意一项所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述机械手臂为一个，在所述机械手臂端部具有两个喷嘴，每个喷嘴上设置有阀门，在所述药液喷淋过程和所述去离子水喷淋过程中通过阀门的启闭来控制相应喷嘴的启闭，从而实现所述药液喷淋过程和所述去离子水喷淋过程之间的切换。
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