CN111383955A - 用于清洗晶圆的滚轮以及具有滚轮的清洗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于清洗晶圆的背面的滚轮。晶圆的背面具有中心区域以及包围中心区域的外围区域。滚轮包括上部元件、底部元件以及用于连接上部元件和底部元件的轴元件。滚轮的上部元件配置成与晶圆的正面接触。底部元件配置成与晶圆的背面接触并从晶圆的背面的外围区域上去除颗粒。底部元件由选自包括研磨垫、砂纸和石棉的材料制成。

Description

用于清洗晶圆的滚轮以及具有滚轮的清洗装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月25日提交的第62/784,762号美国临时专利申请的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于清洗晶圆的滚轮以及具有滚轮的清洗装置。更具体而言，本发明涉及一种在其底部元件上包括研磨材料以从晶圆的背面去除颗粒的滚轮。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)过程是通过在受控的温度、压力和化学成分条件下，将半导体晶圆抵靠在旋转研磨表面上或者将晶圆相对于研磨表面移动来完成的。研磨表面可以是由相对柔软的多孔材料(例如，发泡聚氨酯)形成的平面状的垫，并用具有化学活性和研磨性的水性浆料浸泡。水性浆料可以是酸性或碱性的，通常包括磨料颗粒，诸如过渡金属螯合盐或氧化剂之类的反应性化学试剂，以及诸如溶剂、缓冲剂和钝化剂之类的助剂。在这种浆料中，盐或其他试剂可以促进化学蚀刻作用；而磨料颗粒与研磨垫可以共同促进机械研磨作用。
CMP过程正成为用于对电介质层和金属层二者执行平坦化操作的主要平坦化技术。对于介电层(例如，硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅酸四乙酯(BPTEOS)以及等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氧化物)的CMP而言，通常使用气相二氧化硅基浆料。其他类型的浆料(例如分散的二氧化硅、气相分散的氧化铝)也可以用于介电层和金属层(例如钨或钛)的CMP。当CMP过程完成后，晶圆的表面布满颗粒(称为浆料残留物)。在工艺流程中的后续动作中，如果允许将浆料残留物保留在晶圆的表面上，乃至重新分布在晶圆的表面上，则可能发生污染问题，这将导致管芯成品率和/或器件性能的损失。为了防止污染，通过CMP后清洗过程，晶圆的所有表面必须在CMP过程之后不存在浆料残留物。
因此，在本领域中仍然需要提供一种用于清洗晶圆的滚轮以及具有滚轮的清洗装置以改善在晶圆上执行的CMP后清洗过程的性能。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种滚轮以及清洗装置，以改善晶圆的CMP后清洗过程的性能。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供了一种用于清洗晶圆的背面的滚轮。晶圆的背面具有中心区域以及包围中心区域的外围区域。滚轮包括上部元件、底部元件以及用于连接上部元件和底部元件的轴元件。滚轮的上部元件配置成与晶圆的正面接触。底部元件配置成与晶圆的背面接触并从晶圆的背面的外围区域上去除颗粒。底部元件由选自包括研磨垫、砂纸和石棉的材料制成。
为了实现上述目的，本发明的另一种实施方式提供了一种用于清洗晶圆的背面的滚轮。晶圆的背面具有中心区域以及包围中心区域的外围区域。滚轮包括上部元件、底部元件以及用于连接上部元件和底部元件的轴元件。滚轮的上部元件配置成与晶圆的正面接触。底部元件配置成与晶圆的背面接触。底部元件包括主要部分以及设置在主要部分上的研磨部分。底部元件的研磨部分配置成去除晶圆背面的外围区域上的颗粒。底部元件的研磨部分由选自研磨垫、砂纸和石棉的材料制成。
为了实现上述目的，本发明的又一种实施方式提供了一种用于清洗晶圆的清洗装置。清洗装置包括用于刷洗晶圆正面的正面刷子，用于刷洗晶圆背面的背面刷子，以及至少一个滚轮。滚轮包括上部元件、底部元件以及用于连接上部元件和底部元件的轴元件。滚轮的上部元件配置成与晶圆的正面接触。底部元件配置成与晶圆的背面接触。底部元件包括主要部分以及设置在主要部分上的研磨部分。底部元件的研磨部分配置成去除晶圆背面的外围区域上的颗粒。底部元件的研磨部分由选自研磨垫、砂纸和石棉的材料制成。
如上所述，本发明的实施方式中的滚轮和清洗装置在其底部元件上包括研磨材料。当通过滚轮旋转晶圆时，滚轮的底部元件上的研磨材料能够研磨晶圆背面的外围区域。因此，不需要额外的化学清洗过程或斜角CMP过程就可以去除积聚在晶圆背面的外围区域上的颗粒，并且CMP后清洗过程的性能得到提高。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例的方式描述本技术的实施。
图1是根据本发明的实施方式用于清洗晶圆的清洗装置的示意图。
图2和图3是图1中的清洗装置的滚轮的实施方式的截面图。
图4是图1中的清洗装置的晶圆和滚轮的俯视图。
图5是图1中的清洗装置的晶圆和滚轮的仰视图。
图6是根据本发明的实施方式清洗晶圆的方法的流程图。
图7是根据本发明的实施方式清洗晶圆的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现，并且不应被理解为限于本文所述的示例性实施方式。相反，提供这些示例性实施方式使得本发明变得透彻且完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在全文中，相同的附图标记指代相同的元件。
本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施方式，而非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，在本文中使用时，术语“包括”、“包含”或“具有”指定存在所述特征、区域、整数、动作、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、动作、操作、元件、组件和/或它们的组。
将理解的是，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和全部组合。还应理解，尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件、组件、区域、部件和/或部分，但是这些元件、组件、区域、部件和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、部件或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、部件或部分可能被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
除非另有说明，否则本文中使用的全部术语(包括科技术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同。还将理解的是，术语(诸如在常用词典中定义的术语)应被解释为其含义与其在相关领域和本发明的上下文中的含义一致，并且将不在理想化或过于正式的意义上来解释，除非本文这样明确指出。
将结合附图1至图7对本发明的示例性实施方式进行描述。将参照附图对本发明进行详细描述，其中所描绘的元件不必按比例示出，并且其中相同或相似的元件通过几幅视图中相同或相似的附图标记或者相同或相似的术语表示。
下文将结合附图进一步描述本发明。
参考图1，其示出了根据本发明的实施方式的用于清洗晶圆W的清洗装置100的示意图。清洗装置100是双面洗涤器。清洗装置100用于在CMP过程(即，CMP后清洗过程)后清洗晶圆W。在清洗装置100中，用刷子在正面和背面同时擦洗晶圆W。晶圆W的正面包括正被处理的晶圆W的表面(例如，在CMP过程中对其执行平坦化过程的表面)。晶圆W的背面包括晶圆W的与被处理表面相反的表面。在CMP过程后，用浆料残留物覆盖晶圆W的正面和背面，浆料残留物包括研磨浆的材料以及通过CMP过程去除的晶圆W的材料(例如，颗粒)。在后续处理晶圆W之前，必须清洗晶圆W上的浆料残留物以防止污染。
如图1所示，清洗装置100包括用于刷洗晶圆W正面的正面刷子110，用于刷洗晶圆W背面的背面刷子120，以及至少一个滚轮140。当清洗晶圆W时，晶圆W设置在正面刷子110和背面刷子120之间。背面刷子120位于晶圆W的下方并且位于正面刷子110的正下方。清洗装置100还可以包括刷子马达130、滚轮马达160以及一个或多个喷水单元150。刷子马达130连接至正面刷子110和背面刷子120，以旋转正面刷子110和背面刷子120。每个正面刷子110和背面刷子120均通过刷子马达130绕其中心轴旋转。滚轮马达160连接至滚轮140，并且配置成旋转滚轮140。当滚轮140与晶圆W的边缘接触时，滚轮140的旋转运动被传递给晶圆W。如图1所示，两个滚轮140和140a可以用于旋转晶圆W，以便清洗整个晶圆W。喷水单元150配置成供应去离子水以清洗晶圆W。清洗装置100还可以包括用于监测晶圆W的转速的空转轮170。
参考图2至图5，图2和图3是滚轮140的实施方式的截面图；图4是晶圆W和滚轮140的俯视图；图5是晶圆W和滚轮140的仰视图。晶圆W的正面用W1表示，晶圆W的背面用W2表示，晶圆W的边缘用W3表示。如图2至图5所示，滚轮140配置成至少清洗晶圆W的背面W2。晶圆W的背面W2具有中心区域W21以及包围中心区域W21的外围区域W22。在CMP过程之后，大部分浆料残留物积聚在晶圆W的背面W2处。特别地，浆料残留物中的金属颗粒或碳颗粒可能附着在晶圆W的背面W2的外围区域W22处。正面刷子110和背面刷子120中的每个刷子均包括刷子芯和覆盖刷子芯的外表面的刷子垫。每个正面刷子110和背面刷子120的刷垫均可以包括聚乙烯醇(PVA)。PVA刷子垫可能没有足够的擦洗能力，无法完全去除积聚在晶圆W的背面W2的外围区域W22上的金属颗粒或碳颗粒。通常，可能需要额外的化学清洗过程或斜角CMP过程以去除附着在晶圆W的背面W2的外围区域W22处的金属颗粒或碳颗粒。
清洗装置100的滚轮140包括上部元件141、底部元件143以及轴元件142。滚轮140的上部元件141配置成与晶圆W的正面W1接触。滚轮140的底部元件143配置成与晶圆W的背面W2接触，并从晶圆W的背面W2的外围区域W22上去除颗粒。滚轮140的轴元件142连接上部元件141和底部元件143，并且配置成与晶圆W的边缘W3接触。滚轮140设置在晶圆W的边缘W3的附近，并在与边缘W3接触时围绕轴元件142的中心线旋转以旋转晶圆W。具体而言，当将晶圆W装配到形成在滚轮140的上部元件141和底部元件143之间的空间中时，上部元件141的下表面接触晶圆W的正面W1，轴元件142的侧面接触晶圆W的边缘W3，而底部元件143的上表面接触晶圆W的背面W2。通过利用滚轮140和晶圆W之间的摩擦，驱动晶圆W通过滚轮140的旋转运动而旋转。上部元件141和底部元件143中的每个元件均可以具有盘状形状。底部元件143的直径D3大于上部元件141的直径D1。轴元件142可以具有圆柱形状。滚轮140的底部元件143的与晶圆W的背面W2接触的上表面是磨料，因此向晶圆W的背面W2提供研磨功能以去除积聚在其上的颗粒。
如图2所示，在一些实施方式中，滚轮140的底部元件143由诸如研磨垫、砂纸以及石棉之类的材料制成。滚轮140的上部元件141和轴元件142可以由聚氨酯一体地制成。当旋转晶圆W时，滚轮140的底部元件143的上表面研磨晶圆W的背面W2的外围区域W22，以去除积聚在其上面的颗粒。
如图3所示，在一些实施方式中，滚轮140的底部元件143包括主要部分143a以及设置在主要部分143a上的研磨部分143b。底部元件143的研磨部分143b配置成去除晶圆W的背面W2的外围区域W22上的颗粒。底部元件143的研磨部分143b由诸如研磨垫、砂纸以及石棉之类的材料制成。底部元件143的主要部分143a、上部元件141和轴元件142可以由聚氨酯一体地制成。当旋转晶圆W时，底部元件143的研磨部分143b的上表面研磨晶圆W的背面W2的外围区域W22，以去除积聚在其上面的颗粒。
如图1、图4和图5所示，清洗装置可包括两个滚轮140和140a。上文描述了滚轮140的结构。在一些实施方式中，另一个滚轮140a可以具有与滚轮140相同或基本相似的结构。在一些实施方式中，整个滚轮140a可以由诸如聚氨酯之类的塑料制成，使得滚轮140a可以旋转晶圆W，而滚轮140执行旋转和研磨两种功能。在一些实施方式中，滚轮140可以是静止的，并且仅执行研磨晶圆W的背面W2的外围区域W22的功能，而滚轮140a负责旋转晶圆W。
参考图6，其示出了根据本发明的实施方式的清洗晶圆的方法S200的流程图。如图6所示，方法S200包括动作S201至S205。在动作S201中，将晶圆装载到清洗装置上。清洗装置可以对应于图1和图2中所示的清洗装置100。清洗装置100包括正面刷子110、背面刷子120以及至少一个滚轮140。如图2所示，滚轮140包括上部元件141、底部元件143以及轴元件142。滚轮140的底部元件143可以由诸如研磨垫、砂纸以及石棉之类的材料制成。滚轮140的上部元件141和轴元件142可以由聚氨酯一体地制成。底部元件143的直径D3大于上部元件141的直径D1。上部元件141和底部元件143中的每个元件均具有盘状形状。清洗装置100还可以包括刷子马达130、滚轮马达160以及喷水单元150。晶圆W设置在正面刷子110和背面刷子120之间。背面刷子120位于晶圆W的下方并且位于正面刷子110的正下方。
在动作S202中，晶圆W的正面W1由清洗装置100的正面刷子110刷洗。在动作S203中，晶圆W的背面W2由清洗装置100的背面刷子120刷洗。在动作S204中，清洗装置100的滚轮140的底部元件143从晶圆W的背面W2的外围区域W22上去除颗粒。在动作S205中，清洗装置100的喷水单元150为晶圆W的正面W1和背面W2提供去离子水以清洗晶圆W。例如，每个喷水单元150均可以通过喷嘴向晶圆W的表面喷射(或加压喷射)去离子水，喷嘴通过水管连接至供水系统。当清洗晶圆W时，清洗装置100的正面刷子110和背面刷子120旋转以分别刷洗晶圆W的正面W1和背面W2。而且，旋转晶圆W，使得可以通过正面刷子110和背面刷子120刷洗整个晶圆W。可以通过清洗装置的滚轮140和/或另一个滚轮140a旋转晶圆。当旋转晶圆W时，滚轮140的底部元件143接触晶圆W的背面W2的外围区域W22。由于滚轮140的底部元件143由研磨材料(例如，研磨垫、砂纸、石棉等)制成，当晶圆W旋转时，积聚在晶圆W的背面W2的外围区域W22上的颗粒可以通过滚轮130的底部元件143去除。
参考图7，其示出了根据本发明的实施方式清洗晶圆的方法S300的流程图。如图7所示，方法S300包括动作S301到S305。在动作S301中，将晶圆装载到清洗装置上。清洗装置可以对应于图1和图3中所示的清洗装置100。清洗装置100包括正面刷子110、背面刷子120以及至少一个滚轮140。如图3所示，滚轮140包括上部元件141、底部元件143以及轴元件142。滚轮140的底部元件143包括主要部分143a以及设置在主要部分143a上的研磨部分143b。底部元件143的研磨部分143b可以由诸如研磨垫、砂纸以及石棉之类的材料制成。底部元件143的主要部分143a、上部元件141以及滚轮140的轴元件142可以由聚氨酯一体地制成。底部元件143的直径D3大于上部元件141的直径D1。上部元件141和底部元件143中的每个元件均具有盘状形状。清洗装置100还可以包括刷子马达130、滚轮马达160以及喷水单元150。晶圆W设置在正面刷子110和背面刷子120之间。背面刷子120位于晶圆W的下方并且位于正面刷子110的正下方。
在动作S302中，晶圆W的正面W1由清洗装置100的正面刷子110刷洗。在动作S303中，晶圆W的背面W2由清洗装置100的背面刷子120刷洗。在动作S304中，滚轮140的底部元件143的研磨部分从晶圆W的背面W2的外围区域W22上去除颗粒。在动作S305中，清洗装置100的喷水单元150为晶圆W的正面W1和背面W2提供去离子水以清洗晶圆W。例如，喷水单元150均可以通过喷嘴喷射(或加压喷射)去离子水，喷嘴通过水管连接至供水系统。当清洗晶圆W时，清洗装置100的正面刷子110和背面刷子120旋转以分别刷洗晶圆W的正面W1和背面W2。而且，旋转晶圆W，使得可以通过正面刷子110和背面刷子120刷洗整个晶圆W。可以通过清洗装置的滚轮140和/或另一个滚轮140a旋转晶圆。当旋转晶圆W时，滚轮140的底部元件143的研磨部分143b接触晶圆W的背面W2的外围区域W22。由于滚轮140的底部元件143的研磨部分143b由研磨材料(例如，研磨垫、砂纸、石棉等)制成，当晶圆W旋转时，积聚在晶圆W的背面W2的外围区域W22上的颗粒可以通过滚轮的底部元件143的研磨部分143b去除。
根据再一种实施方式，本发明还提供了一种用于清洗晶圆的滚轮。滚轮可以对应于图2中所示的滚轮140。如图2所示，滚轮140配置成清洗晶圆W的背面W2。晶圆W的背面W2具有中心区域W21(图5中示出)以及包围中心区域的外围区域W22(图5中示出)。滚轮140包括上部元件141、底部元件143以及用于连接上部元件141和底部元件143的轴元件142。滚轮的上部元件141配置成与晶圆W的正面W1接触。底部元件143配置成与晶圆W的背面W2接触，并从晶圆W的背面W2的外围区域上去除颗粒。底部元件143由研磨材料(例如，研磨垫、砂纸、石棉等)制成。
根据再一种实施方式，本发明还提供了一种用于清洗晶圆的滚轮。滚轮可以对应于图3中所示的滚轮140。如图3所示，滚轮140配置成清洗晶圆W的背面W2。晶圆W的背面W2具有中心区域W21(图5中示出)以及包围中心区域的外围区域W22(图5中示出)。滚轮140包括上部元件141、底部元件143以及用于连接上部元件141和底部元件143的轴元件142。滚轮的上部元件141配置成与晶圆W的正面W1接触。底部元件143配置成与晶圆W的背面W2接触。底部元件143包括主要部分143a以及设置在主要部分143a上的研磨部分143b。底部元件143的研磨部分143b配置成去除晶圆W的背面W2的外围区域W22上的颗粒。底部元件143的研磨部分143b由研磨材料(例如，研磨垫、砂纸、石棉等)制成。
如上所述，本发明的实施方式中的滚轮在其底部元件上包括研磨材料。当通过滚轮旋转晶圆时，滚轮的底部元件上的研磨材料能够研磨晶圆背面的外围区域。因此，不需要额外的化学清洗过程或斜角CMP过程就可以去除积聚在晶圆背面的外围区域上的颗粒，并且CMP后清洗过程的性能得到提高。
以上示出和描述的实施方式仅是示例而已。在本领域中经常发现许多细节，例如用于清洗晶圆的滚轮以及具有滚轮的清洗装置的其他特征。因此，没有示出或描述很多这样的细节。虽然在前面的描述中已经陈述了本技术的许多特征和优点，以及本发明的结构和功能的细节，但是本发明仅是说明性的，并且可以在本发明的原则范围内对细节进行变化，尤其是部件的形状、尺寸和布置等事项，达到并包括由权利要求中所使用的术语的广泛普遍含义所确定的完整范围。因此，应当理解，可以在权利要求的范围内修改上述实施方式。

Claims (10)

1.一种用于清洗晶圆的背面的滚轮，其特征在于，
所述晶圆的所述背面具有中心区域以及包围所述中心区域的外围区域，所述滚轮包括：
上部元件，配置成与所述晶圆的正面接触；
底部元件，配置成与所述晶圆的背面接触并从所述晶圆的背面的外围区域上去除颗粒，其中，所述底部元件由选自包括研磨垫、砂纸、石棉或其任意组合的材料制成；以及
轴元件，用于连接所述上部元件和所述底部元件。
2.如权利要求1所述的用于清洗晶圆的背面的滚轮，其特征在于，
所述上部元件和所述轴元件均由聚氨酯制成。
3.如权利要求1所述的用于清洗晶圆的背面的滚轮，其特征在于，
所述上部元件和所述底部元件中的每个元件均可以具有盘状形状，所述底部元件的直径大于所述上部元件的直径。
4.如权利要求1所述的用于清洗晶圆的背面的滚轮，其特征在于，
所述轴元件配置成与所述晶圆的边缘接触，所述滚轮还配置围绕所述轴元件的中心线旋转以旋转所述晶圆。
5.一种用于清洗晶圆的背面的滚轮，其特征在于，
所述晶圆的所述背面具有中心区域以及包围所述中心区域的外围区域，所述滚轮包括：
上部元件，配置成与所述晶圆的正面接触；
底部元件，配置成与所述晶圆的所述背面接触，其中，所述底部元件包括主要部分以及设置在所述主要部分上的研磨部分，所述研磨部分配置成去除所述晶圆的所述背面的外围区域上的颗粒；以及
轴元件，用于连接所述上部元件和所述底部元件。
6.如权利要求5所述的用于清洗晶圆的背面的滚轮，其特征在于，
所述底部元件的所述研磨部分由选自包括研磨垫、砂纸、石棉或其任意组合的材料制成，所述底部元件的所述主要部分、所述上部元件和所述轴元件均由聚氨酯制成；所述底部元件的直径大于所述上部元件的直径。
7.一种用于清洗晶圆的清洗装置，其特征在于，所述用于清洗晶圆的清洗装置包括：
正面刷子，用于刷洗所述晶圆的正面；
背面刷子，用于刷洗所述晶圆的背面；以及
至少一个滚轮，所述滚轮包括：
上部元件，配置成与所述晶圆的所述正面接触；
底部元件，配置成与所述晶圆的所述背面接触，其中，所述底部元件包括主要部分以及设置在所述主要部分上的研磨部分，所述研磨部分配置成从所述晶圆的所述背面的外围区域上去除颗粒；以及
轴元件，用于连接所述上部元件和所述底部元件。
8.如权利要求7所述的用于清洗晶圆的清洗装置，其特征在于，
所述滚轮的所述底部元件的所述研磨部分由选自包括研磨垫、砂纸、石棉或其任意组合的材料制成，所述底部元件的所述主要部分、所述上部元件以及所述滚轮的所述轴元件均由聚氨酯制成。
9.如权利要求7所述的用于清洗晶圆的清洗装置，其特征在于，
所述至少一个滚轮配置成旋转所述晶圆，所述滚轮的所述底部元件的直径大于所述上部元件的直径。
10.如权利要求7所述的用于清洗晶圆的清洗装置，其特征在于，还包括：
刷子马达，所述刷子马达连接至所述正面刷子和所述背面刷子以旋转所述正面刷子和所述背面刷子；
喷水单元，所述喷水单元配置成向所述晶圆供应去离子水；
滚轮马达，所述滚轮马达连接至所述至少一个滚轮，并且配置成旋转所述至少一个滚轮；以及
用于监测所述晶圆的转速的空转轮。
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