CN109037103A - 一种应用雾化法清洗晶圆表面的半导体设备与工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用雾化法清洗晶圆表面的半导体设备,包括:储液杯,所述储液杯用于收集清洗废液;顶盖,所述顶盖包括颈部和开口部,所述颈部位于顶盖的上部,颈部直径小于开口部直径,所述开口部覆盖在储液杯上,顶盖和储液杯构成清洗腔室;雾化器,所述雾化器为中空圆柱体,所述雾化器的顶端密封,所述雾化器的底端与所述顶盖的颈部固定连通,所述中空圆柱体的侧面具有一个或多个第一通孔,清洗液通过第一通孔进入清洗腔室;以及储存供液系统,所述储存供液系统包含多个槽体,每个槽体存储用于不同湿法处理工艺的液体,每个槽体通过管道和多个三通阀连接到所述雾化器,根据具体湿法处理工艺的要求向所述雾化器供应液体。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,具体而言,本发明涉及一种应用雾化法清洗晶圆表面的半导体设备与工艺。
背景技术
随着现代电子产品小型化、集成化、智能化的发展,其核心部件IC芯片的复杂程度和集成密度越来越高,相应的清洗技术也随之复杂起来。
在半导体器件和集成电路的制造过程中,为了保证晶圆表面始终处于洁净状态,几乎每道工序都涉及到清洗,而且集成电路的集成度愈高,制造工序就愈多,所需要的清洗工序与工艺方法也愈多。清洗次数繁多不仅消耗大量的化学品和去离子高纯水,很明显在这方面的投资会不断增大。另一方面,清洗液所使用的各种化学品,如果处理不当会严重污染环境。
因此,能够减少化学品和去离子高纯水的消耗,从根本上降低制造时所生成的废液量,同时寻找更有效率的清洗方案,是本领域长期的追求目标。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,根据本发明的一个方面,提供一种应用雾化法清洗晶圆表面的半导体设备,包括:
储液杯,所述储液杯用于收集清洗废液;
顶盖,所述顶盖包括颈部和开口部,所述颈部位于顶盖的上部,颈部直径小于开口部直径,所述开口部覆盖在储液杯上,顶盖和储液杯构成清洗腔室;
雾化器,所述雾化器为中空圆柱体,所述雾化器的顶端密封,所述雾化器的底端与所述顶盖的颈部固定连通,所述中空圆柱体的侧面具有一个或多个第一通孔,清洗液通过第一通孔进入清洗腔室;以及
储存供液系统,所述储存供液系统包含多个槽体,每个槽体存储用于不同湿法处理工艺的液体,每个槽体通过管道和多个三通阀连接到所述雾化器,根据具体湿法处理工艺的要求向所述雾化器供应液体。
在本发明的一个实施例中,所述第一通孔包括水平延伸的直通孔和斜通孔,所述直通孔与颈部圆形内壁相交点处的切线基本垂直,斜通孔与颈部圆形内壁相交点处的切线成非垂直的特定角度。
在本发明的一个实施例中,每个所述槽体包括保温和加热外壳。
在本发明的一个实施例中,在所述多个槽体的外部设置一个保温和和加热外壳。
在本发明的一个实施例中,所述储存供液系统包含第一槽体、第二槽体和第三槽体,第一三通阀的两个输入口分别与第一槽体和第二槽体相连,第二三通阀的两个输入口分别与第二槽体和第三槽体相连,第三三通阀的两个输入口分别与第一三通阀的输出口和第二三通阀的输出口相连,第四三通阀的两个输入口分别于第三三通阀的输出口和惰性气体相连,第四三通阀的输出口与雾化器相连。
在本发明的一个实施例中,该半导体设备还包括多个废液收集及处理槽,每个废液收集及处理槽通过管道和多个三通阀与所述储液杯的出液口相连,根据湿法处理工艺所产生的废液特性通过适当调整三通阀来将废液排入多个废液收集及处理槽中的一个。
根据本发明的另一个方面,提供一种应用雾化法清洗晶圆表面的方法,包括:
将第一溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第一类型的湿法处理;
关闭第一溶液管道的阀门,打开第二溶液的管道阀门,将第二溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第二类型的湿法处理,雾化清洗第一溶液的残留物;
关闭第二溶液管道的阀门,打开第三溶液的管道阀门,将第三溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第三类型的湿法处理;以及
关闭第三溶液管道的阀门,打开第二溶液的管道阀门,将第二溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第二类型的湿法处理,雾化清洗第三溶液的残留物。
在本发明的另一个实施例中,该方法还包括:
将第一类型的湿法处理的废液排入第一废液收集及处理槽;
将第二类型的湿法处理的废液排入第二废液收集及处理槽;以及
将第三类型的湿法处理的废液排入第三废液收集及处理槽。
在本发明的另一个实施例中,据预先设定的气液比例,调节输送的液体和/或惰性气体的流量或压力,然后通过三通阀门将清洗液和惰性气体一起送入清洗腔室内。
在本发明的另一个实施例中,所述第一溶液是去离子水、氨水和双氧水的混合溶液,用于刻蚀表面杂质、残留薄膜和/或外来污染物体;所述第二溶液是去离子水;所述第三溶液是氢氟酸溶液,用于刻蚀氧化物。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征,将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解,这些附图只描绘本发明的典型实施例,因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中,为了清楚明了,相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的半导体清洗设备100的垂直剖面示意图。
图2示出储液杯120和支架110的俯视图。
图3示出顶盖130的立体示意图。
图4A示出根据本发明的一个实施例的雾化器的侧视图。
图4B示出根据本发明的一个实施例的雾化器的横截面示意图。
图5示出根据本发明的另一个实施例的半导体清洗设备500的垂直剖面示意图。
图6示出沿顶盖530中部的B-B截取的截面示意图。
图7示出根据本发明的一个实施例的包含多个槽体的储存供液系统的示意图。
图8示出根据本发明的一个实施例的三种溶液的联合供应系统。
图9示出与储液杯的出液口连接的排水系统的管道连接示意图。
具体实施方式
在以下的描述中,参考各实施例对本发明进行描述。然而,本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中,未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地,为了解释的目的,阐述了特定数量、材料和配置,以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而,本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外,应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中,对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
一般来说,IC制造出来的晶圆片在做封装工艺之前,为了确保封装工艺制程质量和产品良率,封装工艺流程的第一步,就是对所有来料(晶圆片)经过清洗,去除在包装、运输过程中带来的有机物和颗粒污染。
同样,本发明公开的设备也可用于在封装重布线工艺的金属镀膜之前作前处理,以及其他在前端制造工艺中,需要清洗晶圆表面污染,保证薄膜工艺之前的晶圆表面干净无污染。这一步是获得芯片高质量制造的关键步骤,否则,产品就会因为污染而降低良率。
图1示出根据本发明的一个实施例的半导体湿法处理设备100的垂直剖面示意图。如图1所示,半导体湿法处理设备100可包括支架110及其移动控制系统、储液杯120及其移动控制系统、顶盖130和雾化器140。
支架110及其移动控制系统可以设置在半导体湿法处理设备100底座上,用于在湿法处理前定位并支撑晶圆。支架110可以是三臂支架或其他支架,例如,也可以是吸盘支架,以通过真空吸附来实现更稳定的晶圆夹持,在晶圆需要脱离支架时,卸载真空吸附即可。
储液杯120及其移动控制系统可以设置在半导体湿法处理设备100底座上,用于收集湿法处理废液。在本发明的一些实施例中,储液杯还可提供液体浸泡功能。储液杯120可以是中空的环形杯体。支架110位于储液杯的中空部分中。图2示出储液杯120和支架110的俯视图。结合图1和图2,储液杯120包括内壁121、设置在内壁121顶端的垫圈122、外壁123、设置在外壁123顶端的垫圈124以及连接内壁和外壁的杯底125。垫圈122和124可以是具有防水、防酸或防高温等性能的O型圈。外壁123顶端可高于内壁121顶端。还可在内壁121顶端的垫圈122顶端设置真空吸嘴,以通过真空吸附来实现更稳定的晶圆夹持,在晶圆需要脱离垫圈122时,卸载真空吸附即可。
储液杯120还可包括出液口126。出液口126可设置在储液杯120的杯底或侧面,并与管道连接,用于排出或收集湿法处理废液。
储液杯120的移动控制系统,用于在湿法处理前垂直向上移动储液杯120,使得杯口内壁121顶端处的垫圈122将晶圆托起,杯口外壁123顶端处的垫圈122与顶盖130接触。顶盖130和储液杯120构成封闭的湿法处理腔室。在湿法处理完成后,垂直向下移动储液杯120,储液杯120与顶盖130分离,晶圆与支架110接触,然后杯口内壁121顶端处的垫圈122与晶圆分离。
图3示出顶盖130的立体示意图。顶盖130可以是反漏斗形状,包括颈部131和底部132。颈部131位于顶盖130的上部,且相对于底部132细小。如图3所示,顶盖130的形状和大小由三个关键尺寸决定:底部半径r1、漏斗外半径r2、顶盖的高度h,其中底部半径r1指的是顶盖与储液杯120接触的开口部分的圆的半径,漏斗上部外半径r2指的是顶盖上部外曲面的半径,即圆弧从曲面转变为近似平面的拐点处部分的半径,顶盖的高度h指的是从顶盖颈部131至底部132的垂直距离。整个顶盖从顶部平滑过渡到底部,例如,顶盖130可以是双曲面或者是上部呈圆弧曲面而下半部分是平面。通常顶盖130的底部半径r1大于待处理晶圆的半径。根据实际需要,可制造出不同尺寸的底部半径r1、漏斗外半径r2、和高度h的顶盖,而达到更合适的雾化效果。
可用作制造顶盖的材料包括:铝合金、表面带防护涂层的铝合金、耐热耐腐蚀的其他金属合金,高清洁的PVC、Teflon(用于酸、碱清洗)或类似的耐热耐腐蚀聚合物材料。
图4A示出根据本发明的一个实施例的雾化器的侧视图。图4B示出根据本发明的一个实施例的雾化器的横截面示意图。参考图4A和图4B,雾化器140安装在顶盖的颈部131。例如,雾化器140可通过螺旋固定到顶盖130的颈部131。雾化器140为圆柱形,内壁直径为d1,外壁直径为d2。可将外/内直径比例(d2/d1)控制在2:1~20:1之间以达到不同的雾化效果。雾化器的上端通过盖板141密封。例如,可通过一个或多个螺丝142将盖板141固定在雾化器的上端。距离上端一定距离的位置处具有通孔143。通孔143包括一个直通孔143-1和一个斜通孔143-2。直通孔143-1与斜通孔143-2为横向延伸的通孔。在图4B所示的横截面中,直通孔143-1与圆柱内壁相交点处的切线成90度角,斜通孔143-2可与圆柱内壁相交点处的切线成非直角的特定角度。在将流体连通到通孔143后,通孔143内部有两个通道:通过直通孔143-1到达圆柱的中心部位;通过斜通孔143-2以30-60度倾斜于直通孔的方向进入雾化器140。
在本发明的其他实施例中,雾化器140可包括多个直通孔以及多个斜通孔。斜通孔与颈部内壁相交点处的切线所成角度可以相同,也可以不相同。
湿法处理液体通过直通孔和斜通孔进入湿法处理腔室。如此装置是为了让湿法处理液体通过反漏斗装置后,在最短的时间内快速均匀地雾化并喷洒到晶圆表面。
在本发明的其他实施例中,顶盖130和雾化器140可以一体形成,而不是通过螺纹相连接。换言之,雾化器140可以是顶盖130颈部的一部分。
在本发明的一个实施例中,还可在连接至湿法处理腔室的湿法处理液体管道上设置三通阀150,该三通阀150可包括液体输入口151、气体输入口152和气液二流体输出口153。液体和压缩气体分别通过液体输入口和气体输入口进入三通阀并混合形成气液二流体,然后进入管道。可通过调节液体的流速或压缩气体的流速来调节气液二流体的混合比例。
液体随输送气体从漏斗顶端高速进入漏斗内部,气液二流体在第一次冲击到漏斗内侧表面后,大部分液体被雾化,剩下的液滴在快速第二次冲击漏斗内侧表面,又部分转变为雾状。
图5示出根据本发明的另一个实施例的半导体湿法处理设备500的垂直剖面示意图。如图5所示,半导体湿法处理设备500可包括支架510及其移动控制系统、储液杯520及其移动控制系统、顶盖530、雾化器540以及雾化增强装置550。
在本发明的一个实施例中,还可在顶盖530的中部,即大约在中心轴与边缘的中部,分别设置多个水平通孔,水平通孔的另一端外连接惰性气体,如氮气或氩气。图6示出沿顶盖530中部的B-B截取的截面俯视图。如图6所示,顶盖截面为圆形,顶盖130中部上均匀分布了四个水平通孔作为雾化增强装置550。四个水平通孔为横向水平延伸的通孔。在图6所示的横截面中,四个水平通孔可与圆形内壁相交点处的切线成特定角度。例如,四个水平通孔可与圆形内壁相交点处的切线成45度角。在此部位,进入的气流对顶端雾流进行第二次雾化,以达到增强雾化效果。并且还可以使雾状体内,液滴尺寸变得更小,有些工艺条件下,可达到与气态基本相似的特性。同时切线流动的惰性气体使得晶圆表面的雾气作圆周流动。
在本发明的其他实施例中,可在顶盖530中部设置更多或更少的水平通孔。例如,可在顶盖530中部设置2个水平通孔、3个斜通孔或5个及以上的水平通孔。
在本发明的实施例中,半导体湿法处理设备还可包括加热槽。加热槽通过管道与顶盖的颈部通孔连通。通过加热槽对湿法处理液体进行加热。例如,加热槽体里面盛有湿法处理液体,在槽体的外墙面用电阻丝或其他加热方式对槽体加热到规定的温度。半导体湿法处理设备可以包括多个加热槽,每个加热槽中可放置不同的液体,以便对晶圆进行不同工艺条件或不同液体的多次处理。
图7示出根据本发明的一个实施例的包含多个槽体的储存供液系统的示意图。当清洗与刻蚀工艺需要多种化学品时,储存供液系统的容器可采用多槽式结构。如图7所示,储存供液系统包括三个槽体710、720和730,分别盛有去离子水(DI)、SC1(DI+29wt.%NH3+30%H2O2)和稀氢氟酸液(DHF)。
三个槽体710、720和730的外部分别设置有保温和加热外壳711、721和731。
在本发明的其他实施例中,可在整个槽体外部统一安装液体加热装置和保温外壳材料,可保持溶液温度控制在35-85℃。
图8示出根据本发明的一个实施例的三种溶液的联合供应系统。如图8所示,该系统包括多个三通阀,通过多个三通阀的联合控制实现将多个槽体中的一个槽体内的液体输送到雾化器。如图8所示,第一三通阀801的两个输入口分别与第一槽体810和第二槽体820相连。第二三通阀802的两个输入口分别与第二槽体820和第三槽体830相连。第三三通阀803的两个输入口分别与第一三通阀801的输出口和第二三通阀802的输出口相连。第四三通阀804的两个输入口分别于第三三通阀803的输出口和惰性气体相连,第四三通阀804的输出口与雾化器相连。
在利用这三种溶液进行处理的过程中,先将SC1溶液充进清洗腔里,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,刻蚀表面杂质、残留薄膜、外来污染物体。
通过增大或减小氮气气流速度,改变晶圆表面的凝结吸附层的厚度。增大气体流速,表面的凝结液滴顺从通过雾化器后的气流旋转方向,在晶圆表面快速流动起来。
关闭SC1管道的阀门,打开高纯水的管道阀门,纯水快速冲刷掉管道里残留SC1清洗溶液;纯水进入腔体内,雾化清洗SC1的残留物。
接下来,关掉纯水,打开稀氢氟酸的管道阀门,用DHF-N2二流体产生的雾汽,喷洒在晶圆表面,刻蚀掉由于SC1清洗产生的氧化物。
最后,再次打开纯水管道阀门,用水-气二流体冲洗管道、雾汽清洗晶圆表面,这样管道里面冲洗干净,晶圆表面的颗粒和有机污染也都清除了。
在图7和图8所示的实施例中,以三种湿法处理液体为例进行说明,本领域的技术人员应该理解,在本发明的其他实施例中,该系统可包含更多或更少的槽体。
在本发明的实施例中,在储液杯的出液口处设置多个三通阀以及多个废液收集及处理槽,用于收集或处理不同工艺所产生的废液。图9示出与储液杯的出液口连接的排水系统的管道连接示意图。如图9所示,在储液杯的出液口处设置多个三通阀,第一三通阀901的输入口与储液杯的出液口,第一三通阀901的第一输出口与第一废液收集及处理槽相连,第一三通阀901的第二输出口与第二三通阀902的输入口相连。第二三通阀902的第一输出口与第二废液收集及处理槽相连,第二三通阀902的第二输出口第二废液收集及处理槽相连。
在本发明的其他实施例中,排水系统可包括更多或更少的三通阀以及废液收集及处理槽相连。
在本发明公开的半导体湿法处理设备中,晶圆进入腔室后,首先放置在三脚支撑架顶端;储液杯向上移动,顶端O型圈接触到晶圆背面,并同时往上方移动,晶圆被托高于支架位置;当储液杯外壁与漏斗上腔顶盖的内表面接触时,储液杯停止上升。清洗或刻蚀溶液通过供应系统在气-液三通阀里与氮气混合;气-液二流体被带入雾化器里。
调节气体的流速、压力或者开关,控制液体的雾化状态,或者脉冲雾化。
通过调节惰性气体(例如氮气或氩气)的流量,可以改变二流体的流速,同时影响到二流体在雾化装置里的行为,例如雾化程度(即雾态与液态的比例)和雾滴大小。
通过及时开、关气、液体管道的阀门,即可进行脉冲式加入湿法处理原料。采用这种方法通常增加晶圆表面上窄小缝隙的湿法处理效率。
当雾滴在晶圆表面的缝隙里浸湿的时候,关闭二流体的进入,可以使得被处理的表面获得浸泡的作用,增加清洗剂的表面吸附时间与吸附量。
雾滴被气流在晶圆表面吹动而快速旋转起来,大大减薄了反应物的表面吸附层的厚度(定义为扩散系数/流速),从而使得湿法处理速度大大的提高。
由于储液杯在晶圆背面和上腔室盖之间加了O-型圈密封,防止液体溢出或溅出腔室,储液杯也可以提供液体浸泡作用,扩大了设备的使用范围。
通过储液杯的出液口连接的排水系统将不同湿法处理工艺产生的不同成分的废液排放到不同的废液处理槽,进行有针对性的处理,提高了废液处理的效率。
清洗和干燥过程中,晶圆不需要旋转,避免了复杂的旋转部件与装置。
反漏斗式上腔体设计,使得整个清洗腔体非常小。
雾化清洗法让清洗液得到充分的使用,消耗非常少。
容易做到切断清洗液的供应,转成仅仅有气体流入到晶圆表面。晶圆表面可以被吹干,从而本装置可以做到晶圆干进干出。
含有助焊剂的清洗废液通过过滤膜设备基本净化而重复使用。
在过滤器的另一端,较少量的高含量废液被排出到厂务系统作进一步处理。每一片晶圆清洗产生的废液大幅度的减少。
尽管上文描述了本发明的各实施例,但是,应该理解,它们只是作为示例来呈现的,而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是,可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此,此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制,而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (10)
1.一种应用雾化法清洗晶圆表面的半导体设备,包括:
储液杯,所述储液杯用于收集清洗废液;
顶盖,所述顶盖包括颈部和开口部,所述颈部位于顶盖的上部,颈部直径小于开口部直径,所述开口部覆盖在储液杯上,顶盖和储液杯构成清洗腔室;
雾化器,所述雾化器为中空圆柱体,所述雾化器的顶端密封,所述雾化器的底端与所述顶盖的颈部固定连通,所述中空圆柱体的侧面具有一个或多个第一通孔,清洗液通过第一通孔进入清洗腔室;以及
储存供液系统,所述储存供液系统包含多个槽体,每个槽体存储用于不同湿法处理工艺的液体,每个槽体通过管道和多个三通阀连接到所述雾化器,根据具体湿法处理工艺的要求向所述雾化器供应液体。
2.如权利要求1所述的半导体设备,其特征在于,所述第一通孔包括水平延伸的直通孔和斜通孔,所述直通孔与颈部圆形内壁相交点处的切线基本垂直,斜通孔与颈部圆形内壁相交点处的切线成非垂直的特定角度。
3.如权利要求1所述的半导体设备,其特征在于,每个所述槽体包括保温和加热外壳。
4.如权利要求1所述的半导体设备,其特征在于,在所述多个槽体的外部设置一个保温和和加热外壳。
5.如权利要求1所述的半导体设备,其特征在于,所述储存供液系统包含第一槽体、第二槽体和第三槽体,第一三通阀的两个输入口分别与第一槽体和第二槽体相连,第二三通阀的两个输入口分别与第二槽体和第三槽体相连,第三三通阀的两个输入口分别与第一三通阀的输出口和第二三通阀的输出口相连,第四三通阀的两个输入口分别于第三三通阀的输出口和惰性气体相连,第四三通阀的输出口与雾化器相连。
6.如权利要求1所述的半导体设备,其特征在于,还包括多个废液收集及处理槽,每个废液收集及处理槽通过管道和多个三通阀与所述储液杯的出液口相连,根据湿法处理工艺所产生的废液特性通过适当调整三通阀来将废液排入多个废液收集及处理槽中的一个。
7.一种应用雾化法清洗晶圆表面的方法,包括:
将第一溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第一类型的湿法处理;
关闭第一溶液管道的阀门,打开第二溶液的管道阀门,将第二溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第二类型的湿法处理,雾化清洗第一溶液的残留物;
关闭第二溶液管道的阀门,打开第三溶液的管道阀门,将第三溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第三类型的湿法处理;以及
关闭第三溶液管道的阀门,打开第二溶液的管道阀门,将第二溶液充进清洗腔,通过雾化器后,雾状气滴喷洒在晶圆表面,进行第二类型的湿法处理,雾化清洗第三溶液的残留物。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,还包括:
将第一类型的湿法处理的废液排入第一废液收集及处理槽;
将第二类型的湿法处理的废液排入第二废液收集及处理槽;以及
将第三类型的湿法处理的废液排入第三废液收集及处理槽。
9.如权利要求7所述的方法,其特征在于,据预先设定的气液比例,调节输送的液体和/或惰性气体的流量或压力,然后通过三通阀门将清洗液和惰性气体一起送入清洗腔室内。
10.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第一溶液是去离子水、氨水和双氧水的混合溶液,用于刻蚀表面杂质、残留薄膜和/或外来污染物体;所述第二溶液是去离子水;所述第三溶液是氢氟酸溶液,用于刻蚀氧化物。
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