CN106714987A - 清洗半导体硅片的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种清洗半导体硅片的装置和方法。该装置包括刷子组件、摆臂、旋转驱动装置和升降驱动装置。刷子组件包括一个向硅片表面提供机械力的刷头。摆臂的一端安装刷子组件。旋转驱动装置与摆臂的另一端连接，旋转驱动装置驱动摆臂摆动并经过整个硅片表面，从而带动刷头在整个硅片表面移动。升降驱动装置与摆臂的另一端连接，升降驱动装置驱动摆臂上升或下降，从而带动刷子组件上升或下降。该装置利用刷头来清洗半导体硅片，提高了清洗效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体硅片的清洗技术，尤其涉及一种采用物理清洗，如刷洗的方式清洗半导体硅片的装置和方法。
背景技术
在半导体器件的制造过程中，几乎每道工序都涉及到清洗，且半导体器件的集成度越高，所需的清洗工序就越多。在诸多清洗工序中，只要有一道清洗工序无法满足要求，那么整批芯片都将报废。因此，在半导体制造业，清洗尤为重要。
在制造半导体器件过程中产生并粘附在硅片上的污染物主要包括颗粒、金属污染物和有机污染物。目前，传统的去除硅片上污染物的方法为湿法清洗和干法清洗。湿法清洗采用化学溶剂或去离子水冲洗硅片以便有效去除污染物。干法清洗采用气体去除硅片上残留的污染物。无论是干法清洗还是湿法清洗都依赖于化学反应来去除污染物而没有利用物理力作用于硅片表面。然而，随着半导体器件结构越来越复杂，清洗要求也越来越高。传统的清洗装置和方法无法满足工艺要求。因此，需要创造出一种改进的清洗半导体硅片的装置和方法来满足半导体技术的发展需求。
发明内容
本发明提出一种采用刷头来清洗半导体硅片的装置和方法，提高了清洗效果并满足了半导体技术发展需求。
根据本发明的实施例，提出的一种清洗半导体硅片的装置，包括刷子组件、摆臂、旋转驱动装置和升降驱动装置。刷子组件包括向硅片表面提供机械力的刷头。摆臂的一端安装刷子组件。旋转驱动装置与摆臂的另一端连接。旋转驱动装置驱动摆臂摆动并经过整个硅片表面，从而带动刷头在整个硅片表面移动。升降驱动装置与摆臂的另一端连接，升降驱动装置驱动摆臂上升或下降，从而带动刷子组件上升或下降。
根据本发明的实施例，提出的一种清洗半导体硅片的方法，包括以下步骤：将硅片固定在硅片夹上并旋转硅片；向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水；将刷子组件移进清洗腔，刷子组件的刷头位于硅片表面的上方；以第一速度将刷子组件向下移动至一个靠近硅片表面的位置；以第二速度将刷子组件向下移动至一个预设高度的工艺位置；根据一个预设的配方，摆动刷子组件的刷头且刷头经过硅片表面；将刷子组件向上移动至硅片上方；摆动刷子组件，使刷子组件离开清洗腔；停止向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水；干燥硅片；从硅片夹上取走硅片。
附图说明
本领域的技术人员通过阅读具体实施例的描述，并参考附图，能够清楚的理解本发明的内容，其中的附图包括：
图1A揭示了根据本发明一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。
图1B揭示了根据本发明另一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。
图2A和2B揭示了根据本发明又一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。
图3A和3B揭示了根据本发明又一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。
图4揭示了根据本发明又一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。
具体实施方式
如图1A，图1A揭示了根据本发明一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。该装置包括刷子组件1018、摆臂1010、旋转驱动装置1011和升降驱动装置1012。
刷子组件1018安装在摆臂1010的一端，刷子组件1018竖直设置，刷子组件1018包括刷头1016、基座1015、下轴承1005、下安装部1007、螺旋弹簧1006、上安装部1008、上轴承1020和阻尼器1009。刷头1016安装在基座1015上。下轴承1005的一端与基座1015连接，下轴承1005的另一端与下安装部1007连接。螺旋弹簧1006的一端固定在下安装部1007上，螺旋弹簧1006的另一端固定在上安装部1008上。下安装部1007与上安装部1008相对设置。上安装部1008与上轴承1020的一端连接，上轴承1020的另一端与阻尼器1009连接。阻尼器1009为液体型或气体型，阻尼器1009用来保证刷子组件1018在工艺过程中在竖直方向的稳定。刷头1016可以是PVA海绵或尼龙丝制成。
摆臂1010的另一端与旋转驱动装置1011和升降驱动装置1012连接。旋转驱动装置1011驱动摆臂1010摆动并经过整个硅片表面，从而带动刷头1016在清洗过程中在整个硅片表面移动。升降驱动装置1012驱动摆臂1010上升或下降，因此，刷子组件1018作用在硅片表面的压力可以调节。在旋转驱动装置1011或/和升降驱动装置1012的驱动下，摆臂1010能够摆动、上升或下降、或者摆动的同时上升或下降。升降驱动装置1012上安装有限位器1014来限制摆臂1010竖直下降的距离进而限制刷头1016压在硅片表面的压力，将压力控制在可承受的范围内。该装置还包括一个位于摆臂1010上的应变计1013以监测刷头1016压在硅片表面时螺旋弹簧1006产生弹性形变的大小。
该装置进一步包括清洗腔(图1A中未示意)，清洗腔包括硅片夹1002、旋转驱动机构1004和至少一个喷嘴1019。硅片夹1002设置在清洗腔内以固定硅片1001。旋转驱动机构1004驱动硅片夹1002转动。至少有一个喷嘴1019向硅片1001表面喷洒化学清洗剂或去离子水。
使用本装置清洗硅片1001时，硅片1001固定在硅片夹1002上，旋转驱动机构1004驱动硅片夹1002以一定转速转动，转速最好为30RPM至1500RPM。喷嘴1019向硅片1001表面喷洒化学清洗剂或无离子水，流速最好控制在100ml/min至4000ml/min范围内。旋转驱动装置1011驱动摆臂1010摆动使刷子组件1018移动到清洗腔内且刷头1016在硅片1001表面的上方。然后升降驱动装置1012驱动摆臂1010下降使刷子组件1018以第一速度下降到靠近硅片表面的位置，摆臂1010在升降驱动装置1012的驱动下继续下降使刷子组件1018以第二速度向下移动到预设高度的工艺位置，第二速度要慢于第一速度，且第一速度和第二速度为独立控制。旋转驱动装置1011驱动摆臂1010摆动使刷头1016根据一预设的配方在硅片1001的表面移动，清洗硅片1001表面。预设的配方运行结束后，摆臂1010停止摆动，升降驱动装置1012驱动摆臂1010上升使刷子组件1018上升到硅片1001表面上方的位置。旋转驱动装置1011驱动摆臂1010摆动并将刷子组件1018移动到清洗腔外部。喷嘴1019停止向硅片1001表面喷洒化学清洗剂或去离子水。最后，干燥硅片1001并将硅片1001从硅片夹1002上取走。
在上述清洗过程中，刷子组件1018向硅片1001表面提供机械力，通过升降驱动装置1012驱动摆臂1010上升或下降来控制机械力的强度。当硅片1001随硅片夹1002旋转时，旋转驱动装置1011驱动摆臂1010摆动并带动刷头1016在整个硅片1001表面移动。升降驱动装置1012驱动摆臂1010以一个可控的竖直移动速度朝硅片1001方向向下移动。升降驱动装置1012控制摆臂1010和刷子组件1018至工艺位置，在该工艺位置，刷头1016按压在硅片1001表面。螺旋弹簧1006的弹性形变产生刷头1016作用在硅片1001表面的压力，螺旋弹簧1006的弹性形变取决于刷子组件1018工艺位置的高度。刷头1016按压在硅片1001表面时，喷嘴1019向硅片1001表面喷洒化学清洗剂或去离子水。化学清洗剂或去离子水在刷头1016和硅片1001表面之间形成软介质，防止对硅片1001表面造成划伤或损伤。
如图1B，图1B揭示了根据本发明另一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。图1B所示的装置在图1A所示的装置的基础上增加了控制器1031。控制器1031分别与应变计1013和升降驱动装置1012连接。应变计1013、控制器1031和升降驱动装置1012形成回路，在清洗过程中，当摆臂1010在硅片1001表面扫动过程中，实时控制摆臂1010的竖直工艺位置，因此刷子组件1018的竖直方向的位置也被实时控制。应变计1013检测到刷子组件1018作用在硅片1001表面的压力后，应变计1013产生一个检测信号，应变计1013将检测信号发送到控制器1031，控制器1031接收到检测信号并给升降驱动装置1012一个反馈，升降驱动装置1012基于控制器1031给出的反馈调节摆臂1010工艺位置的高度。
如图2A和2B，揭示了根据本发明又一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。该装置包括刷子组件2018、摆臂2010、旋转驱动装置2011和升降驱动装置2012。
刷子组件2018竖直安装在摆臂2010的一端，刷子组件2018包括刷头2016、基座2015、下轴承2005、下安装部2007、螺旋弹簧2006、上安装部2008、上轴承2020和阻尼器2009。刷头2016安装在基座2015上，下轴承2005的一端与基座2015连接，下轴承2005的另一端与下安装部2007连接。螺旋弹簧2006的一端固定在下安装部2007上，螺旋弹簧2006的另一端固定在与下安装部2007相对布置的上安装部2008上。上安装部2008与上轴承2020的一端连接，上轴承2020的另一端与阻尼器2009连接。阻尼器2009为液体型或气体型，用来保证刷子组件2018在工艺过程中在竖直方向上的稳固。
摆臂2010的另一端与旋转驱动装置2011和升降驱动装置2012连接。旋转驱动装置2011驱动摆臂2010在整个硅片表面摆动，同时带动刷子组件2018在整个硅片表面移动。升降驱动装置2012驱动摆臂2010上升或下降，因此，刷子组件2018作用在硅片表面的压力可以调节。在旋转驱动装置2011或/和升降驱动装置1012的驱动下，摆臂2010能够摆动、上升或下降、或者摆动的同时上升或下降。升降驱动装置2012上安装有限位器2014来限制摆臂2010竖直下降的距离，从而进一步限制刷头2016压在硅片表面的压力，将压力控制在可承受的范围内。该装置还包括一个位于摆臂2010上的应变计2013以监测刷头2016压在硅片表面时螺旋弹簧2006产生弹性形变的大小。
该装置进一步包括清洗腔2000，清洗腔2000包括硅片夹、旋转驱动机构和至少一个喷嘴。硅片夹设置在清洗腔2000内以固定硅片2001。旋转驱动机构驱动硅片夹转动。至少有一个喷嘴2019向硅片1001表面喷洒化学清洗剂或去离子水。
清洗腔2000的旁边设有刷子清洗口2040，当刷头2016闲置时，刷子清洗口2040用来清洗刷头2016并检查刷子组件2018是否处于正常状态。刷子清洗口2040包括至少一个出口2043和至少一个进口2041。刷子清洗口2040的底部安装有压力传感器2045，压力传感器2045通过信号线2047连接到控制器。外壳2049罩住压力传感器2045以防止压力传感器2045接触到刷子清洗口2040内的清洗液。刷头2016闲置时，旋转驱动装置2011驱动摆臂2010移动到清洗腔2000外部，并移进刷子清洗口2040。升降驱动装置2012驱动刷头2016向下移动到刷子清洗口2040至设定的清洗位置的高度。清洗液喷洒到刷头2016上，清洗液可以是去离子水。刷头2016和压力传感器2045之间设有间隙，如果刷子组件2018是非正常状态，如螺旋弹簧2006处于非正常工作状态，压力传感器2045监测到就会发送信号来阻止装置对硅片2001进行加工。
如图3A和3B，揭示了根据本发明又一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。该装置包括刷子组件3018、摆臂3010、旋转驱动装置3011和升降驱动装置3012。
刷子组件3018竖直安装在摆臂3010的一端，刷子组件3018包括刷头3016、基座3015、下轴承3005、下安装部3007、螺旋弹簧3006、上安装部3008、上轴承3020和阻尼器3009。刷头3016安装在基座3015上，下轴承3005的一端与基座3015连接，下轴承3005的另一端与下安装面3007连接。螺旋弹簧3006的一端固定在下安装部3007上，螺旋弹簧3006的另一端固定在与下安装部3007相对设置的上安装部3008上。上安装部3008与上轴承3020的一端连接，上轴承3020的另一端与阻尼器3009连接。阻尼器3009为液体型或气体型，用来保证刷子组件3018在工艺过程中在竖直方向上的稳固。
摆臂3010的另一端与旋转驱动装置3011和升降驱动装置3012连接。旋转驱动装置3011驱动摆臂3010在整个硅片表面摆动，同时带动刷子组件2018在整个硅片表面移动。升降驱动装置3012驱动摆臂3010上升或下降，因此，刷子组件3018作用在硅片表面的压力可以调节。在旋转驱动装置3011或/和升降驱动装置3012的驱动下，摆臂3010能够摆动、上升或下降、或者摆动的同时上升或下降。升降驱动装置3012上安装有限位器3014来限制摆臂3010竖直下降的距离，进一步限制刷头3016压在硅片表面的压力，将压力控制在可承受的范围内。该装置还包括一个位于摆臂3010上的应变计3013以监测刷头3016压在硅片表面时螺旋弹簧3006产生弹性形变的大小。
该装置进一步包括清洗腔3000，清洗腔3000包括硅片夹、旋转驱动机构和至少一个喷嘴3019。硅片夹设置在清洗腔3000内以固定硅片3001。旋转驱动机构驱动硅片夹转动。至少有一个喷嘴3019向硅片3001表面喷洒化学清洗剂或去离子水。
清洗腔3000的旁边设有刷子清洗口3040，当刷头3016闲置时，刷子清洗口3040用来清洗刷头3016并检查刷子组件3018是否处于正常状态。刷子清洗口3040包括至少一个出口3043和至少一个进口3041。刷子清洗口3040的底部安装有压力传感器3045，压力传感器3045通过信号线3047连接到控制器。压力传感器3045的外部罩有外壳3049以防止压力传感器3045接触到刷子清洗口3040内的清洗液。刷子清洗口3040的相对面上安装有一对刷子位置传感器3051用来检查刷子组件3018的状态。当刷头3016向下移动到刷子清洗口3040内时，刷子位置传感器3051触发。每次记录和比较刷子位置传感器3051被触发时的刷头3016竖直移动的距离，如果竖直移动的距离超出了设定范围，将发送刷子组件3018异常的信号。
如图4，揭示了根据本发明又一示范性实施例的清洗半导体硅片的装置。该装置包括刷子组件4018、摆臂4010、旋转驱动装置4011和升降驱动装置4012。
刷子组件4018竖直安装在摆臂4010的一端，刷子组件4018包括刷头4016、基座4015、轴承4005、柔性构件4007、至少一个阻尼器4009、弹簧4006、安装部4008和罩壳4020。刷头4016安装在基座4015上，轴承4005的一端与基座4015连接，轴承4005的另一端伸进罩壳4020并与柔性构件4007的一面连接。柔性构件4007的另一面与安装在罩壳4020上的阻尼器4009连接。阻尼器4009用来保持刷子组件4018在工艺过程中的稳固。弹簧4006位于罩壳4020内，弹簧4006的一端固定在柔性构件4007的一面，弹簧4006的另一端固定在安装部4008上，安装部4008安装在罩壳4020的顶部且位于柔性构件4007的对面。安装部4008也可以是罩壳4020的顶面，为了将刷子组件4018安装在摆臂4010的末端，罩壳4020固定在摆臂4010的末端。
摆臂4010的另一端与旋转驱动装置4011和升降驱动装置4012连接，旋转驱动装置4011驱动摆臂4010在整个硅片表面摆动，同时带动刷子组件4018在整个硅片表面移动。升降驱动装置3012驱动摆臂3010上升或下降，因此，刷子组件4018作用在硅片表面的压力可以调节。在旋转驱动装置4011或/和升降驱动装置4012的驱动下，摆臂4010能够摆动、上升或下降、或者摆动的同时上升或下降。升降驱动装置4012上安装有限位器4014来限制摆臂4010竖直下降的距离，进一步限制刷头4016压在硅片表面的压力，将压力控制在可承受的范围内。该装置还包括一个位于摆臂4010上的应变计4013以监测刷头4016压在硅片表面时弹簧4006产生弹性形变的大小。
该装置进一步包括清洗腔，清洗腔包括硅片夹4002、旋转驱动机构4004和至少一个喷嘴4019。硅片夹4002设置在清洗腔内以固定硅片4001。旋转驱动机构4004驱动硅片夹4002转动。至少有一个喷嘴4019向硅片4001表面喷洒化学清洗剂或去离子水。
本发明还提出一种清洗半导体硅片的方法，包括以下步骤：
步骤1：将硅片固定在硅片夹上并以30RPM至1500RPM的转速旋转硅片；
步骤2：向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水，流速控制在100ml/min至4000ml/min；
步骤3：将刷子组件移进清洗腔且刷头在硅片表面的上方；
步骤4：以第一速度将刷子组件向下移动至一个靠近硅片表面的位置；
步骤5：以第二速度将刷子组件向下移动至一个预设高度的工艺位置，第一速度和第二速度可独立控制，第二速度要慢于第一速度；
步骤6：根据一个预设的配方，摆动刷子组件的刷头且刷头经过硅片表面；
步骤7：将刷子组件向上移动至硅片上方的位置；
步骤8：摆动刷子组件，将刷子组件移出清洗腔，最好摆动刷子组件至刷子清洗口清洗刷头；
步骤9：停止向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水；
步骤10：干燥硅片；
步骤11：从硅片夹上取走硅片。
在步骤5中，刷子组件所在位置的高度根据刷头作用在硅片表面的压力来预校准。
在步骤8中，刷头清洗过程包括向下移动刷头至刷子清洗口，向刷头喷洒清洗剂。在正常情况下，刷头与安装在刷子清洗口内的压力传感器保持一定的距离。压力传感器检测到刷子组件处在非正常状态下的力时，例如弹簧为非正常状态，系统发出警报且硅片停止送入。
本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。
Claims (18)
1.一种清洗半导体硅片的装置，其特征在于，包括：
刷子组件，包括向硅片表面提供机械力的刷头；
摆臂，摆臂的一端安装刷子组件；
旋转驱动装置，与摆臂的另一端连接，旋转驱动装置驱动摆臂摆动并经过整个硅片表面，从而带动刷头在整个硅片表面移动；及
升降驱动装置，与摆臂的另一端连接，升降驱动装置驱动摆臂上升或下降，从而带动刷子组件上升或下降。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摆臂在旋转驱动装置或/和升降驱动装置的驱动下摆动、上升或下降或摆动的同时上升或下降。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升降驱动装置安装有限位器，用来限制摆臂竖直下降的距离，以便限制刷头压在硅片表面的压力，将压力控制在可承受的范围内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刷子组件还包括螺旋弹簧，螺旋弹簧的弹性形变产生压力通过刷头作用于硅片表面，螺旋弹簧的弹性形变的大小取决于刷子组件工艺位置的高度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括一个位于摆臂上的应变计以监测刷头压在硅片表面时螺旋弹簧产生弹性形变的大小。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括一个控制器，分别与应变计和升降驱动装置连接，应变计检测到刷子组件作用在硅片表面的压力并产生一个检测信号，应变计将检测信号发送至控制器，控制器接收到检测信号后，给升降驱动装置一个反馈，升降驱动装置根据控制器的反馈调节摆臂工艺位置的高度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括清洗刷头的刷子清洗口。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述刷子清洗口包括安装在刷子清洗口底部的压力传感器和用来连接压力传感器和控制器的信号线以检查刷子组件是否处于正常状态。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述刷子清洗口还包括罩住压力传感器的外壳以保护压力传感器不与刷子清洗口中的清洗液接触。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括位于刷子清洗口相对面上的一对刷子位置传感器用以检查刷子组件的状态，当刷头在刷子清洗口中向下移动时，该对刷子位置传感器被触发，每次记录和比较刷子位置传感器被触发时的刷头竖直移动的距离，如果竖直移动的距离值超出了设定范围，将发送刷子组件异常的信号。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括清洗腔、设置在清洗腔内用来固定硅片的硅片夹，驱动硅片夹旋转的旋转驱动机构，以及至少一个向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水的喷嘴。
12.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刷子组件竖直设置，刷子组件还包括基座、下轴承、下安装部、上安装部、上轴承和阻尼器，刷头安装在基座上，下轴承的一端与基座连接，下轴承的另一端与下安装部连接，螺旋弹簧的一端固定在下安装部，螺旋弹簧的另一端固定在与下安装部相对设置的上安装部上，上安装部与上轴承的一端连接，上轴承的另一端与阻尼器连接。
13.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刷子组件竖直设置，刷子组件还包括基座、轴承、柔性构件、至少一个阻尼器、安装部和罩壳，刷头安装在基座上，轴承的一端与基座连接，轴承的另一端伸进罩壳并与柔性构件的一面连接，柔性构件的另一面与安装在罩壳上的阻尼器连接，螺旋弹簧位于罩壳内，螺旋弹簧的一端固定在柔性构件的一面，螺旋弹簧的另一端固定在安装部上，该安装部为罩壳的顶板且位于柔性构件的对面，罩壳固定在摆臂的末端。
14.一种清洗半导体硅片的方法，其特征在于，包括：
将硅片固定在硅片夹上并旋转硅片；
向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水；
将刷子组件移进清洗腔，刷子组件的刷头位于硅片表面的上方；
以第一速度将刷子组件向下移动至一个靠近硅片表面的位置；
以第二速度将刷子组件向下移动至一个预设高度的工艺位置；
根据一个预设的配方，摆动刷子组件的刷头且刷头经过硅片表面；
将刷子组件向上移动至硅片上方；
摆动刷子组件，将刷子组件移出清洗腔；
停止向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水；
干燥硅片；
从硅片夹上取走硅片。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，硅片的转速为30RPM至1500RPM。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，向硅片表面喷洒化学清洗剂或去离子水的流速控制在100ml/min至4000ml/min。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第一速度和第二速度独立控制且第二速度比第一速度慢。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，摆动刷子组件，使刷子组件离开清洗腔，然后摆动刷子组件，将刷子组件移至刷子清洗口清洗刷头。
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