CN108526091A - 一种射流激光复合清洗方法和清洗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种射流激光复合清洗方法和清洗系统，本方法空化射流冲击工件基材表面，产生水膜、水膜空化泡破溃冲击清洗基材表面，同时激光聚焦于水膜内，水膜在超热状态爆发沸腾、剧烈汽化，产生蒸汽泡冲击基材表面，延长空化射流的有效作用时间。本清洗系统包括空化射流装置、激光清洗装置；激光束和空化射流的中心线共面异轴，空化射流于工件表面产生水膜，激光束聚焦于水膜内与工件表面保持距离，激光束和空化射流协同作用于工作台上的工件表面进行清洗，效果明显优于现有清洗技术，可清除工件表面直径大于50nm的固体颗粒，满足晶圆基材表面加工要求。

Description

一种射流激光复合清洗方法和清洗系统
技术领域
本发明涉及射流清洗技术，具体为采用空化射流的一种射流激光复合清洗方法和清洗系统。
背景技术
随着高精度半导体行业的飞速发展，对制作集成电路的硅电晶片——晶圆的要求不断提高。晶圆表面附着的颗粒会遮蔽光刻工艺的光线，造成电路加工形貌的偏差。为解决晶圆表面清洗问题，化学清洗技术、气流水流清洗技术均在不断改进。但随着集成电路向高精度发展，晶圆加工形貌尺寸已减小到微米量级。为达到加工精度，要求晶圆表面附着的固体颗粒最大尺寸为加工特征尺寸的1/10到1/4，即允许晶圆表面剩余的粘附颗粒最大尺寸为纳米量级，意味着硅晶圆基材清洗时其表面的亚微米及以上尺寸的颗粒均需要清除掉。但是目前的化学方法、气体射流或液体射流尚无法有效地清除附着于晶圆表面直径一微米以下的固体颗粒。因为当附着的固体颗粒直径减小时，其粘结力并不会随颗粒直径减小同步降低，而常规清洗方法对小颗粒的清洗力却急剧衰减。
清洗力较强的湿法清洗技术需要化学药品，这可能对材料引入污染。
激光的干清洗技术，因晶圆表面的固体颗粒会改变激光的光通量在颗粒周围的分布，激光干法清洗会造成晶圆表面损伤。
传统水蒸气辅助激光清洗，在晶圆表面产生水膜，在激光作用下水膜超热状态下发生爆发式沸腾、汽化，该过程中蒸汽泡使颗粒脱离、溅射，达到清洗的目的。该方法的通常将工件置于加湿的环境下，通过毛细现象沉积水膜，或者通过蒸汽喷淋在晶圆表面生成水膜。为了避免清洗过程溅射的颗粒在重力作用下掉落再次污染清洗区域，需要将工件的加工面倒置，从晶圆表面下部向上清洗其表面。工件夹装不便，清洗也不便。
总之，现有的晶圆基材清洗方法面临着清洗力受限、存在二次污染、工件清洗装夹不便的问题，无法胜任晶圆表面高要求的清洗。急需一种高清洗力、减少颗粒再次污染，同时便于工件夹装的高效清洗方法和装置，以解决硅晶圆清洗面临的问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种射流激光复合清洗方法，空化射流冲击工件基材表面，产生水膜、水膜空化泡破溃冲击清洗基材表面，同时激光聚焦于水膜内，水膜在超热状态爆发沸腾、剧烈汽化，产生蒸汽泡冲击基材表面，延长空化射流的有效作用时间。此外，经空化喷嘴产生的水膜高速流动，带走清洗区的固体颗粒，达到冲洗的效果。
本发明的另一目的是基于上述本发明一种射流激光复合清洗方法设计的一种射流激光复合清洗系统，包括空化射流装置、激光清洗装置；激光束和空化射流的中心线共面异轴，空化射流于工件表面产生水膜，激光束聚焦于水膜内与工件表面保持距离，激光束和空化射流协同作用于工作台上的工件表面。
本发明设计的一种射流激光复合清洗方法，工件置于工作台台面，空化射流喷射于工件表面产生水膜，激光束聚焦于工件表面的水膜中。空化射流冲击工件固体表面产生空化泡群，同时，激光能量作用于水膜，激光光斑周围的水剧烈升温，发生爆发沸腾空泡冲击工件表面，清洗工件表面的固体微粒。
所述空化射流于工件表面产生的水膜厚度d＝0.5mm～2mm。
激光束的聚焦点处于工件上方的水膜内，激光束的聚焦点与工件表面的距离为d/3至d/2。
所述激光的波长为1064nm～10640nm，激光束能量密度为25J/cm2～80J/cm2,脉宽为10us～500us,重复频率为20kHz～60kHz。
基于上述本发明的射流激光复合清洗方法本发明设计了一种射流激光复合清洗系统，包括水箱、射流加压腔、空化射流喷嘴、激光器和工作台，工作台台面为水平面，工件固定于工作台台面。水箱的出水管连接射流加压腔，射流加压腔的出口接有空化射流喷嘴。水箱中的水经射流加压腔加压，高压水流从空化射流喷嘴出射空化射流。激光器产生的激光束的聚焦点处于工件上方的水膜中。
所述空化射流于工件表面产生的水膜厚度d＝0.5mm～2mm，所述激光束的聚焦点处于工件上方的水膜内，激光束的聚焦点与工件表面的距离为d/3至d/2。
所述激光束的中心线垂直于工作台台面，空化射流的中心线与激光束中心线共面，二者的夹角为10°～45°。
激光器后接光纤激光整形器，对激光器发出的激光束整形，使能量密度达到预定值。
空化射流喷嘴出口直径0.35mm～1.2mm,出口流速1m/s～50m/s。
空化射流的中心轴线和工件表面的交点与激光束聚焦点在水平方向的距离为1mm～4mm。空化射流落在工件表面产生的水膜覆盖激光在工件表面的定位光斑。
所述工作台为台面三维可调节的工作台，Z方向的高度调节以控制工件表面与空化射流喷嘴的垂直距离。X和Y方向则控制工作台在水平面上的移动，扩大清洗范围。
与现有技术相比，本发明一种射流激光复合清洗方法和系统的优点为：1、与传统射流水膜相比，空化射流含有大量空化气泡，产生的水膜具有清洗效果；2、激光束聚焦于水膜内，水膜在超热状态爆发沸腾、剧烈汽化，产生蒸汽泡冲击基材表面，延长空化射流的有效作用时间；且蒸汽泡与空化气泡的协同作用进一步增强了清洗力，可清除工件表面直径大于50nm的固体颗粒，满足晶圆基材表面加工要求；3、空化射流产生的水膜高速流动，迅速带走清洗区的固体颗粒，以保清洗效果；4、空化射流产生的水膜面积大，本发明清洗范围大于传统的激光水下清洗范围。
附图说明
图1为本射流激光复合清洗系统实施例结构示意图；
图2为图1中局部M的放大示意图；
图3为图1中空化射流喷嘴的结构示意图。
图内标号为：
1.工作台，2.工件，3.激光束，4.激光器，5.光纤激光整形器，6.空化射流喷嘴，61.自振腔，62.喷嘴，7.射流加压腔，8.水箱，9.水膜。
具体实施方式
本射流激光复合清洗系统实施例的结构如图1所示，包括水箱8、射流加压腔7、空化射流喷嘴6、激光器4和工作台1。
本例工作台1为台面三维可调节工作台，台面为水平面，本例的工件2为晶圆，固定于工作台1台面。水箱8的出水管连接射流加压腔7，射流加压腔7的出口接有空化射流喷嘴6。水箱8中的水经射流加压腔7加压，高压水流从空化射流喷嘴6出射空化射流。激光器4产生的激光束接入光纤激光整形器5，整形后的激光束3的聚焦点处于工件2上方的水膜9中。
如图2所示，本例空化射流于工件2表面产生的水膜9厚度d＝1.5mm，本例激光束3的聚焦点处于工件1上方的水膜9内，激光束3的聚焦点与工件1表面的距离为0.6mm。
本例激光束3的中心线垂直于工作台1台面，空化射流的中心线与激光束3中心线共面，二者的夹角θ为35°，如图2所示。
本例空化射流喷嘴6出口直径0.55mm,出口流速30m/s。
空化射流的中心轴线和工件2表面的交点与激光束3聚焦点在水平方向的距离L为2mm。空化射流落在工件2表面产生的水膜9覆盖激光束3在工件2表面的定位光斑。
本例空化射流喷嘴6的结构如图3所示，包括自振腔61和喷嘴62，水流经过自振腔61内部的扩张、收缩结构，冲击力使流体内产生周期变化的反射波，流体在波谷负压作用下受拉产生空穴、气蚀空泡，形成空化气泡，经喷嘴62形成一定流速的空化射流。
本例射流激光复合清洗方法实施例采用上述的射流激光复合清洗系统，工件2置于工作台1台面，空化射流喷射于工件2表面产生厚度1.5mm的水膜9，激光束3聚焦于工件2表面的水膜9中，与工件1表面的距离为0.6mm。
空化射流冲击工件2固体表面产生空化泡群，同时，激光能量作用于水膜9，激光光斑周围的水剧烈升温，发生爆发沸腾空泡冲击工件2表面，空化射流和激光束的双重作用，清洗工件2表面的固体微粒。
本例激光的波长为10640nm，激光能量密度为60J/cm2,脉宽为300us,重复频率为50kHz。
固定工件2于工作台1。清洗前关闭空化射流喷嘴6、打开激光器4和光纤激光整形器5，调节激光束的聚焦点于工件2上方。然后关闭激光器4的激光输出，打开激光定位光斑，随后打开空化射流喷嘴6，流体加压腔7产生的高压水流进入空化射流喷嘴6，其产生空化射流出射冲击工件2表面，调节空化射流喷嘴6中心轴线与铅垂线成35度夹角，产生的空化水膜覆盖激光定位光斑。最后打开激光器输出激光束3，激光束3聚焦于空化水膜内，激光束聚焦点附近区域除空化射流的空化作用，还有激光作用于水产生超热状态的爆发沸腾的激光清洗作用，空化水膜覆盖范围均对工件2表面进行清洗。控制台控制工作台1按轨迹运动完成整个工件表面的清洗。
本方法清洗后的晶圆在电子显微镜下检查，清洗后的晶圆表面附着的固体颗粒最大直径约50nm，小的固体颗粒(小于40nm)集中分布空化水层下的激光束清洗区，较大直径固体颗粒均匀分布在远离激光束区。
相同的工件样品，在普通水射流(其出射流速、水膜厚度、面积与本实施例相同)清洗后的晶圆表面附着的固体颗粒最大直径约为150nm，固体颗粒均匀分布在水束清洗区。
相同的工件样品，用水中激光束(其激光波长、能量密度、脉宽和重复频率均与本实施例相同)清洗后的晶圆表面附着的固体颗粒最大直径约为500nm，小于50nm直径的固体颗粒集中分布水中激光束清洗区，激光束清洗区以外固体颗粒分布与清洗前不变。
可见本发明的清洗效果明显优于普通水射流和水中激光束清洗，可清除晶圆表面附着的直径大于50nm的固体颗粒。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射流激光复合清洗方法，工件(2)置于工作台(1)台面，空化射流喷射于工件(2)表面产生水膜(9)，激光束(3)聚焦于工件(2)表面的水膜(9)中，空化射流冲击工件(2)固体表面产生空化泡群，同时，激光能量作用于水膜(9)，清洗工件(2)表面的固体微粒。
2.根据权利要求1所述的射流激光复合清洗方法，其特征在于：
所述空化射流于工件(2)表面产生的水膜(9)厚度d＝0.5mm～2mm。
3.根据权利要求2所述的射流激光复合清洗方法，其特征在于：
所述激光束(3)的聚焦点处于工件(2)上方的水膜(9)内，激光束(3)的聚焦点与工件(2)表面的距离为d/3至d/2。
4.根据权利要求1所述的射流激光复合清洗方法，其特征在于：
所述激光的波长为1064～10640nm，激光束(3)能量密度为25J/cm2～80J/cm2,脉宽为10us～500us,重复频率为20kHz～60kHz。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的射流激光复合清洗方法设计的射流激光复合清洗系统，其特征在于：
包括水箱(8)、射流加压腔(7)、空化射流喷嘴(6)、激光器(4)和工作台(1)；工作台(1)台面为水平面，工件(2)固定于工作台(1)台面；水箱(8)的出水管连接射流加压腔(7)，射流加压腔(7)的出口接有空化射流喷嘴(6)；激光器(4)产生的激光束(3)的聚焦点处于工件(2)上方的水膜(9)中。
6.根据权利要求5所述的射流激光复合清洗系统，其特征在于：
所述空化射流于工件(2)表面产生的水膜(9)厚度d＝0.5mm～2mm，所述激光束(3)的聚焦点处于工件(2)上方的水膜(9)内，激光束(3)的聚焦点与工件(2)表面的距离为d/3至d/2。
7.根据权利要求5所述的射流激光复合清洗系统，其特征在于：
所述激光束(3)的中心线垂直于工作台(1)台面，空化射流的中心线与激光束(3)中心线共面，二者的夹角为10°～45°。
8.根据权利要求5所述的射流激光复合清洗系统，其特征在于：
所述激光器(4)后接光纤激光整形器(5)。
9.根据权利要求5所述的射流激光复合清洗系统，其特征在于：
所述空化射流喷嘴(6)出口直径0.35mm～1.2mm,出口流速1m/s～50m/s。
10.根据权利要求5所述的射流激光复合清洗系统，其特征在于：
所述空化射流的中心轴线和工件(2)表面的交点与激光束(3)聚焦点在水平方向的距离为1mm～4mm；空化射流落在工件(2)表面产生的水膜(9)覆盖激光在工件(2)表面的定位光斑。
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