CN112371645A - 声波清洗装置及晶圆清洗设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声波清洗装置及晶圆清洗设备，涉及半导体集成电路加工清洗设备领域，为解决现有晶圆表面清洗装置无法去除不同尺寸颗粒污染物的问题而设计。该声波清洗装置用于晶圆清洗设备，包括换能器，换能器包括振子、传导件和振动件，振子通过传导件与振动件连接，振子包括多个子振子，多个子振子至少具有两种不同的固有频率，振动件包括多个振动区，多个振动区与多个子振子一一对应的设置，多个振动区包括至少一个平面振动区及至少一个微共振腔振动区。该晶圆清洗设备包括上述声波清洗装置。本发明提供的声波清洗装置及晶圆清洗设备能够高效去除不同尺寸颗粒污染物。

Description

声波清洗装置及晶圆清洗设备

技术领域

本发明涉及半导体集成电路加工清洗设备领域，具体而言，涉及一种声波清洗装置及晶圆清洗设备。

背景技术

随着集成电路的特征尺寸进入到深亚微米阶段，集成电路芯片制造工艺中，对清洗工艺的要求也越来越高。化学腐蚀强调对不同材料、不同几何方向具有好的选择性，由于一般情况下，湿法化学腐蚀对同种材料具有各向同性的特点，因此很难达到选择性腐蚀要求和在等离子体干法腐蚀后，在不产生或少产生特征尺寸宽度方向的腐蚀条件下，清洗去除在特征尺寸的侧壁和底部附着的有机光阻残留物。在进行清洗工艺时，晶圆上表面与清洗介质两相的接触面存在一个边界层，在此边界层范围内，液体的流动速度与距晶圆的距离成正比，即：离晶圆表面越近，清洗介质的流动速度越低。因此，随着晶圆表面关键颗粒污染物尺寸的不断减小，作用在颗粒上的液体粘滞力的综合效应也就越小，从而导致颗粒污染物的去除难度加大。

针对上述问题，现有技术通过引入兆声波技术来去除颗粒污染物，其虽然能够实现颗粒污染物的去除，但是，当晶圆表面附着有不同尺寸的颗粒污染物时，清洗效果差，无法去除不同尺寸颗粒污染物。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种声波清洗装置，以解决现有晶圆表面清洗装置无法去除不同尺寸颗粒污染物的技术问题。

本发明提供的声波清洗装置，包括用于晶圆清洗设备，所述声波清洗装置包括换能器，所述换能器包括振子、传导件和振动件，所述振子通过所述传导件与所述振动件连接，所述振子用于产生声波，所述传导件用于将所述声波传导至所述振动件，所述振动件用于与清洗介质接触，并基于所述声波振动所述清洗介质，其中，所述振子包括多个子振子，所述多个子振子至少具有两种不同的固有频率，所述振动件包括多个振动区，多个所述振动区与所述多个子振子一一对应的设置，多个所述振动区包括至少一个平面振动区及至少一个微共振腔振动区。

进一步地，所述子振子呈扇形，所述子振子的半径不小于晶圆的半径。

进一步地，多个所述子振子沿所述振子的周向紧靠排布。

进一步地，所述子振子的圆心角为θ，其中，10°≤θ≤20°。

进一步地，所述振动区呈扇形，所述振动区的半径不小于所述子振子的半径。

进一步地，所述振动件包括振动片，在所述平面振动区中，所述振动片上设置有一振动板；在所述微共振腔振动区中，所述振动片上设置有多个振动柱。

进一步地，多个所述振动柱垂直设置于所述振动片且分散排布。

进一步地，所述振动片、所述振动板和所述振动柱均为石英材质。

进一步地，所述多个子振子均为压电陶瓷振子，所述固有频率包括0.95MHz、1.1MHz。

本发明声波清洗装置带来的有益效果是：

该声波清洗装置利用振子的多载频设计，使得一个换能器在一个振子上就具有多种不同的固有频率，通过向振子具有不同固有频率的子振子施加不同的兆声波信号，即可实现对附着有不同尺寸颗粒污染物的晶圆的清洗，清洗效果好，满足了对不同尺寸颗粒污染物的高效去除的要求。另外，该声波清洗装置还能够根据晶圆表面的结构特点选择不同形式的振动区，以进一步提高晶圆表面的颗粒污染物的去除效率，同时，减少对晶圆表面造成的破坏。

本发明的第二个目的在于提供一种晶圆清洗设备，以解决现有晶圆表面清洗装置无法去除不同尺寸颗粒污染物的技术问题。

本发明提供的晶圆清洗设备，包括上述声波清洗装置。

本发明晶圆清洗设备带来的有益效果是：

通过在晶圆清洗设备中设置上述声波清洗装置，相应地，该晶圆清洗设备具有上述声波清洗装置的所有优势，在此不再一一赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的晶圆清洗设备的局部结构俯视示意图；

图2为本发明实施例提供的声波清洗装置的换能器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的声波清洗装置的振子的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的声波清洗装置的振子的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的声波清洗装置的振动件的结构示意图；

图6为图5中的振动件的结构主视示意图；

图7为兆声波能量在微共振腔振动区传导的原理示意图；

图8为本发明实施例提供的声波清洗装置的振动件的微共振腔振动区的结构俯视图一；

图9为本发明实施例提供的声波清洗装置的振动件的微共振腔振动区的结构俯视图二。

附图标记说明：

010-换能器；020-机械臂；030-晶圆；040-清洗介质；

100-振子；200-振动件；300-传导件；

110-第一子振子；120-第二子振子；130-第三子振子；

210-平面振动区；220-微共振腔振动区；230-振动片；240-振动板；250-振动柱；

031-晶圆衬底；032-衬底表面图形结构；

051-传导方向与晶圆表面不垂直的兆声波能量；052-传导方向与晶圆表面垂直的兆声波能量。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例提供的晶圆清洗设备的局部结构俯视示意图。如图1所示，本实施例提供了一种晶圆清洗设备，包括声波清洗装置，具体地，声波清洗装置包括换能器010，换能器010安装在机械臂020上，声波清洗装置通过换能器010实现对晶圆030的清洗。

通过在晶圆清洗设备中设置声波清洗装置，能够实现对晶圆030的高效清洗，下述文字和附图中，将对声波清洗装置的具体结构进行详细描述。

图2为本实施例提供的声波清洗装置的换能器010的结构示意图，如图2所示，换能器010包括振子100、传导件300和振动件200，其中，振子100通过传导件300与振动件200连接，振子100用于产生声波；传导件300用于将声波传导至振动件200；振动件200用于与清洗介质040接触，并基于上述声波振动清洗介质040。

图3为本实施例提供的声波清洗装置的振子100的结构示意图一，图4为本实施例提供的声波清洗装置的振子100的结构示意图二。如图3和图4所示，振子100包括多个子振子，多个子振子至少具有两种不同的固有频率。具体地，如图3所示，振子100包括第一子振子110和第二子振子120，第一子振子110和第二子振子120具有不同的固有频率；如图4所示，振子100包括第一子振子110、第二子振子120和第三子振子130，第一子振子110、第二子振子120和第三子振子130具有不同的固有频率。

图5为本实施例提供的声波清洗装置的振动件200的结构示意图，图6为图5中的振动件200的结构主视示意图。如图5和图6所示，振动件200包括两个振动区，两个振动区分别为一个平面振动区210和一个微共振腔振动区220，以振子100包括第一子振子110和第二子振子120为例进行说明，此时，平面振动区210和微共振腔振动区220分别与第一子振子110和第二子振子120一一对应的设置。

以清洗操作采用兆声波为例进行说明。当晶圆清洗设备利用上述声波清洗装置对晶圆030进行清洗操作时，兆声波电源输出的电信号到达振子100后，产生高频振动，输出兆声波；兆声波向下传递，通过传导件300传导至振动件200，利用振动件200与清洗介质040接触，并基于上述声波振动清洗介质040，以将晶圆030表面附着的颗粒污染物去除。

若晶圆030表面附着的颗粒污染物较大，则可以将低频兆声波信号接入固有频率较低的子振子，此时，与该子振子对应的振动区基于上述低频兆声波信号，在清洗介质040中产生振动，以将较大尺寸的颗粒污染物去除；若晶圆030表面附着的颗粒污染物较小，则可以将高频兆声波信号接入固有频率较高的子振子，此时，与该子振子对应的振动区基于上述高频兆声波信号，在清洗介质040中产生振动，以将较小尺寸的颗粒污染物去除；若晶圆030的表面同时附着有大颗粒污染物和小颗粒污染物，则可以同时向不同固有频率的子振子施加不同频率的兆声波信号，以同时去除较大尺寸的颗粒污染物和较小尺寸的颗粒污染物。

在实际使用时，可以根据实际工艺需求选择相应的固有频率的子振子进行清洗，或针对表面洁净程度较差的晶圆030先进行大尺寸颗粒污染物的清洗，再进行一次针对小尺寸颗粒污染物的清洗，以达到对不同尺寸的颗粒污染物进行针对性的高效去除的目的。

在一个优选实施例中，平面振动区210与固有频率较低的子振子相对，当清洗大尺寸不敏感结构时，仅将低频兆声波信号接入上述固有频率较低的子振子，当振动件200与清洗介质040接触时，由于兆声波信号接入至固有频率较低的子振子，故此时，只有平面振动区210发生振动，利用平面振动区210与清洗介质040接触面积较大的优势，实现高效清洗。

微共振腔振动区220与固有频率较高的子振子相对，当清洗小尺寸敏感结构时，仅将高频兆声波信号接入上述固有频率较高的子振子，当振动件200与清洗介质040接触时，由于兆声波信号接入至固有频率较高的子振子，故此时，只有微共振腔振动区220发生振动，利用声波在微共振腔振动区220传导时方向与晶圆表面垂直的优势，基本实现无损清洗。具体地，图7为兆声波能量在微共振腔振动区220传导的原理示意图，如此设置，能够保证传导方向与晶圆表面不垂直的兆声波能量051被过滤掉，而只使传导方向与晶圆表面垂直的兆声波能量052到达晶圆030表面，以保护敏感结构不被横向剪切力所破坏，从而起到保护晶圆030的作用。

具体地，请继续参照图7，晶圆030包括晶圆衬底031和位于晶圆衬底031的上表面的衬底表面图形结构032，在利用微共振腔振动区220对晶圆030进行清洗时，衬底表面图形结构032浸没于清洗介质040中。当振子100产生兆声波后，兆声波将通过传导件300向下传导至微共振腔振动区220，其中，在微共振腔振动区220中传导方向与晶圆表面不垂直的兆声波能量051将被过滤掉，而传导方向与晶圆表面垂直的兆声波能量052将到达晶圆030表面，对晶圆030表面进行清洗，有效地防止了晶圆衬底031的敏感结构被横向剪切力破坏。

需要说明的是，晶圆衬底031的敏感结构指的是：衬底表面图形结构032中，高宽比比较大的结构，相反地，晶圆衬底031的不敏感结构指的则是：衬底表面图形结构032中，高宽比比较小的结构。

还需要说明的是，当振子包括三个或者多于三个子振子时，多个子振子至少具有两种不同的固有频率即可。如：当振子包括三个子振子时，可以是其中一个子振子的固有频率与其他两个子振子的固有频率不同。当然，也可以是本实施例中的三个子振子的固有频率互不相同。

该声波清洗装置利用振子100的多载频设计，使得一个换能器010在一个振子100上就具有多种不同的固有频率，通过向振子100具有不同固有频率的子振子施加不同的兆声波信号，即可实现对附着有不同尺寸颗粒污染物的晶圆030的清洗，清洗效果好，满足了对不同尺寸颗粒污染物的高效去除的要求。另外，该声波清洗装置还能够根据晶圆030表面的结构特点选择不同形式的振动区，以进一步提高晶圆030表面的颗粒污染物的去除效率，同时，减少对晶圆030表面造成的破坏。

需要说明的是，本实施例中，仅仅是以振动件200包括一个平面振动区210和一个微共振腔振动区220为例进行说明。此时，声波清洗装置的振子100包括固有频率较低的第一子振子110和固有频率较高的第二子振子120，其中，平面振动区210与第一子振子110对应，微共振腔振动区220与第二子振子120对应。可以理解的是，振动件200还可以包括三个振动区或者更多个振动区，其中，当振动件200包括三个振动区时，如：振动件200包括一个平面振动区210和两个微共振腔振动区220，此时，对应的振子100也可以包括三个振子，具体地，如图4所示，振子100包括固有频率互不相同的第一子振子110、第二子振子120和第三子振子130，以第一子振子110、第二子振子120和第三子振子130的固有频率大小依次递增为例进行说明，此时，可以使平面振动区210与第一子振子110对应，两个微共振腔振动区220分别与第二子振子120和第三子振子130对应，如此，能够进一步增加本实施例声波清洗装置所能够去除的颗粒污染物的尺寸种类。

当振动件200包括多于三个振动区时，振动件200中的振动区的数量与振子100所包含的子振子的数量相同，多个振动区分别与多个子振子一一对应的设置，其只要是多个振动区包括至少一个平面振动区210及至少一个微共振腔振动区220即可，本实施例并不对振动件200所包含的振动区的数量进行限制。

需要说明的是，当振子包括多个子振子时，各子振子的固有频率可以沿图3和图4中逆时针方向依次递增，也可以沿图3和图4中逆时针方向依次递减，还可以采用其他方式排布，其只要通过设置不同固有频率的子振子，能够实现对不同尺寸颗粒污染物的去除即可，本实施例并不对固有频率不同的子振子的排布顺序进行限定。相应地，振动件200的多个振动区分别与多个子振子一一对应地设置。

具体地，本实施例中，当需要获得由不同固有频率的子振子形成的振子100时，可以先分别加工出不同固有频率的子振子，然后，将各子振子粘接在一起，成为振子100。

请继续参照图3和图4，本实施例中，子振子呈扇形，且子振子的半径不小于晶圆030的半径。也就是说，子振子能够覆盖晶圆030的圆心。

请继续参照图1，当采用该声波清洗装置对晶圆030进行清洗操作时，换能器010不再进行旋转运动，而只有晶圆030进行旋转运动(晶圆030的运动轨迹如图1中的箭头所示)。通过将子振子的半径设置为不小于晶圆030的半径，使得晶圆030在进行旋转运动时，子振子能够覆盖晶圆030的圆心，从而使得晶圆030表面的清洗介质040能够完全地与换能器010接触，以保证清洗介质040的充分振动。而且，该声波清洗装置在工作过程中，晶圆030的各个位置处与换能器010重合的时长基本相同，使得晶圆030清洗后各部位的一致性较高，从而保证了晶圆030的清洗效果。

具体地，本实施例中，子振子的半径可以等于晶圆030的半径，也可以是，子振子的半径略大于晶圆030的半径。如：当晶圆030的直径为300mm时，子振子的半径可以为150-160mm。

在其他实施例中，子振子的形状也可以为矩形，矩形的长边大于晶圆030的半径，且矩形覆盖晶圆030的圆心。

请继续参照图3和图4，本实施例中，多个子振子沿振子100的周向紧靠排布。也就是说，任意相邻的两个子振子之间无缝隙，且任意相邻的两个子振子相邻近的两个边沿重合。

如此设置，不仅能够保证振子100结构的紧凑性，而且，在晶圆030旋转过程中，各个子振子均能够覆盖晶圆030的圆心，从而实现对晶圆030表面不同尺寸颗粒污染物的高效清洗。

请继续参照图3和图4，本实施例中，子振子的圆心角为θ，其中，10°≤θ≤20°。通过将子振子的圆心角设置在10°-20°之间，降低了子振子的加工难度，并降低了对模具的要求。

需要说明的是，用于形成同一振子100的多个子振子，其圆心角可以相同，也可以不同。

具体地，如图3所示，当制作扇形的子振子时，可以制作四片相同固有频率的子振子片，然后，对四片子振子片进行线切割并将其拼接到一起成为一个同频率的子振子。

请继续参照图5，本实施例中，平面振动区210和微共振腔振动区220均呈扇形，且平面振动区210的半径和微共振腔振动区220的半径均不小于子振子的半径。如此设置，使得子振子产生的兆声波均能够传导至相应的振动区，避免了兆声波的浪费。

请继续参照图6，本实施例中，振动件200包括振动片230，具体地，在平面振动区210中，振动片230上设置有一振动板240；在微共振腔振动区220中，振动片230上设置有多个振动柱250。这种平面振动区210和微共振腔振动区220的设置形式，结构简单，易于实现。

具体地，本实施例中，振动板240与振动柱250的高度一致。如此设置，使得需要清洗的结构在大尺寸不敏感结构与小尺寸敏感结构之间切换时，可以只使对应的子振子接入相应的兆声波信号，即可使得平面振动区210工作对大尺寸不敏感结构进行清洗，或者，使得微共振腔振动区220工作对小尺寸敏感结构进行清洗，而无需利用机械臂020对换能器010所处的高度位置进行再次调节，从而简化了对晶圆030的清洗流程，进一步提高了晶圆030的清洗效率。

请继续参照图6和图7，本实施例中，多个振动柱250垂直设置于振动片230且分散排布。如此设置，能够有效地阻止传导方向与晶圆表面不垂直的兆声波能量051传递至衬底表面图形结构032，从而减少了对衬底表面图形结构032造成的损伤。

图8为本实施例提供的声波清洗装置的振动件200的微共振腔振动区220的结构俯视图一，图9为本实施例提供的声波清洗装置的振动件200的微共振腔振动区220的结构俯视图二。如图8和图9所示，本实施例中，微共振腔振动区220中的多个振动柱250可以均匀排布，也可以非均匀排布。

优选地，本实施例中，振动片230、振动板240和振动柱250均为石英材质。如此设置，能够提高振动件200的耐腐蚀性，减少清洗介质040对振动件200造成的腐蚀损坏，从而延长振动件200的使用寿命。

优选地，本实施例中，多个子振子均为压电陶瓷振子，多个子振子的固有频率可以为0.95MHz、1.1MHz。子振子采用压电陶瓷振子，能够大大减少振子100在电场作用下的形变量，避免声波清洗装置在对晶圆030清洗过程中因振子100形变而对晶圆030造成的不利影响，从而提高了对晶圆030的清洗精度。

通过将子振子的固有频率设置为0.95MHz和1.1MHz，其中，可以利用固有频率为0.95MHz的子振子实现对晶圆030表面大尺寸颗粒污染物(尺寸大于0.09μm的颗粒污染物)的清洗，利用固有频率为1.1MHz的子振子实现对晶圆030表面小尺寸颗粒污染物(尺寸大于0.04μm的颗粒污染物)的清洗。

请继续参照图1，本实施例中，晶圆清洗设备还可以包括机械臂020，其中，机械臂020与换能器010连接。当需要对晶圆030进行清洗时，可以通过机械臂020使换能器010运动至图1所示的位置处。

需要说明的是，机械臂020的具体结构及其如何实现换能器010的运动，为本领域技术人员能够根据现有技术容易获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再进行赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种声波清洗装置，其特征在于，用于晶圆清洗设备，所述声波清洗装置包括换能器(010)，所述换能器(010)包括振子(100)、传导件(300)和振动件(200)，所述振子(100)通过所述传导件(300)与所述振动件(200)连接，所述振子(100)用于产生声波，所述传导件(300)用于将所述声波传导至所述振动件(200)，所述振动件(200)用于与清洗介质(040)接触，并基于所述声波振动所述清洗介质(040)，其中，所述振子(100)包括多个子振子，所述多个子振子至少具有两种不同的固有频率，所述振动件(200)包括多个振动区，多个所述振动区与所述多个子振子一一对应的设置，多个所述振动区包括至少一个平面振动区(210)及至少一个微共振腔振动区(220)。

2.根据权利要求1所述的声波清洗装置，其特征在于，所述子振子呈扇形，所述子振子的半径不小于晶圆(030)的半径。

3.根据权利要求2所述的声波清洗装置，其特征在于，多个所述子振子沿所述振子(100)的周向紧靠排布。

4.根据权利要求2所述的声波清洗装置，其特征在于，所述子振子的圆心角为θ，其中，10°≤θ≤20°。

5.根据权利要求2所述的声波清洗装置，其特征在于，所述振动区呈扇形，所述振动区的半径不小于所述子振子的半径。

6.根据权利要求1所述的声波清洗装置，其特征在于，所述振动件(200)包括振动片(230)，在所述平面振动区(210)中，所述振动片(230)上设置有一振动板(240)；在所述微共振腔振动区(220)中，所述振动片(230)上设置有多个振动柱(250)。

7.根据权利要求6所述的声波清洗装置，其特征在于，多个所述振动柱(250)垂直设置于所述振动片(230)且分散排布。

8.根据权利要求6所述的声波清洗装置，其特征在于，所述振动片(230)、所述振动板(240)和所述振动柱(250)均为石英材质。

9.根据权利要求1所述的声波清洗装置，其特征在于，所述多个子振子均为压电陶瓷振子，所述固有频率包括0.95MHz、1.1MHz。

10.一种晶圆清洗设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的声波清洗装置。

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