CN112530790B - 晶圆清洗装置和晶圆清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种晶圆清洗装置和晶圆清洗方法，晶圆清洗装置包括内槽体；外槽体；循环管路，连通外槽体和内槽体；第一加液管路，包括进液口和出液口，反应液经由第一加液管路的出液口进入外槽体；第二加液管路，包括进液口和出液口，第二加液管路的出液口直接连接至内槽体，第一加液管路用于将第一反应液加入到外槽体，循环管路用于将外槽体的第一反应液加入内槽中；第二加液管路用于将第二反应液加入内槽体。该晶圆清洗装置在外槽体中加入第一反应液，经由循环管路到达内槽体，然后再在内槽体中补充第二反应液，内槽中反应生成清洗液，对晶圆进行清洗，使得清洗液在活性最高的时候与晶圆上的杂质反应，晶圆清洗效率高，杂质去除效果好。

Description

晶圆清洗装置和晶圆清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种晶圆清洗装置和晶圆清洗方法。
背景技术
在半导体制造工艺中，通常会用到光刻、刻蚀、溅射、沉积等工艺，不可避免地会在晶圆表面留下金属颗粒或有机物杂质等，对晶圆造成污染，所以需要对晶圆进行清洗，去除晶圆表面残留的光刻胶、有机物以及吸附物等。
在对晶圆进行清洗时，通常需要将晶圆浸入到盛有清洗液的清洗装置内，进行湿法清洗。清洗装置内例如可以盛放酸性溶液、碱性溶液或去离子水等，以对应不同的处理工艺。通常，用于清洗晶圆的化学液主要包括SC1、BOE以及由H2SO4和H2O2混合而成的SPM溶液。现有技术中，通过在外槽中将清洗液配置好并将配置好的清洗液加入内槽的清洗装置中，以去除晶圆表面的杂质，在清洗过程中，需要向清洗装置内补充新的清洗液，以维持清洗装置内的清洗液浓度稳定。但是，清洗液在外槽中生成后才加入到内槽的清洗装置中进行清洗，当清洗剂到达内槽时，清洗液的活性降低，从而减弱清洗效果，导致残留缺陷等问题，影响产品的良率，另外清洗液的补充耗时将长。
期望进一步改进晶圆的清洗方式，以提高晶片的清洗效率，从而提升制造出的半导体器件的良率和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的晶圆清洗装置和晶圆清洗方法，其中，先通过外槽体和循环管路向内槽体中通入第一反应液，然后再逐渐向内槽体中通入第二反应液，反应生成清洗液后对晶圆进行清洗，该反应液的通入方式使得反应液在刚一生成清洗液时就能对晶圆进行清洗，即清洗液能在活性最高的时候与晶圆上的杂质反应，从而提高了晶圆的清洗效率。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种晶圆清洗装置，包括：
内槽体；
外槽体；
循环管路，连通所述外槽体和所述内槽体；
第一加液管路，包括进液口和出液口，反应液经由所述第一加液管路的出液口进入所述外槽体；以及
第二加液管路，包括进液口和出液口，所述第二加液管路的出液口直接连接至所述内槽体，
其中，所述第一加液管路用于将第一反应液加入到所述外槽体，所述循环管路用于将所述外槽体的第一反应液加入所述内槽中；所述第二加液管路用于将第二反应液加入所述内槽体。
可选地，所述循环管路上至少设置有第一泵体，所述循环管路的输出端连通至位于所述内槽体底部，所述循环管路的输入端连通至所述外槽体底部。
可选地，所述第二加液管路上设置有第二泵体，所述第二反应液经由所述第二泵体到达所述第二加液管路的出液口。
可选地，所述循环管路的输出端共用所述第二加液管路的出液口，共同连接至所述内槽体底部，所述第二加液管路与所述循环管路的汇流位置位于所述循环管路上所述第一泵体背离所述外槽体的一侧。
可选地，所述内槽体位于所述外槽体内。
可选地，所述的晶圆清洗装置还包括：排液单元，所述排液单元包括至少一根排液管，所述排液管连接至所述外槽体。
可选地，所述晶圆清洗装置还包括：第三加液管路，用于向所述外槽体或所述内槽体中通入液体或气体。
可选地，所述第一加液管路和所述第三加液管路上均设置有阀门，用于控制所述第一加液管路和所述第三加液管路的通断。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种晶圆清洗方法，用于利用上述任一项所述的晶圆清洗装置清洗晶圆，其中，所述方法包括：
经由第一加液管路向外槽体中加入第一反应液；
经由循环管路将所述第一反应液加入至内槽体中；
经由第二加液管路将第二反应液加入至所述内槽体中；以及
将晶圆放置入所述内槽体中进行清洗。
可选地，所述第二反应液多次经由所述第二加液管路通入所述内槽体中，与所述内槽体中的所述第一反应液反应。
可选地，所述第一反应液为硫酸，所述第二反应液为双氧水。
可选地，所述内槽体中所述第一反应液和所述第二反应液的比例为 50:1-100:1。
根据本发明实施例的晶圆清洗装置和晶圆清洗方法，通过第一加液管路向外槽体内加入第一反应液，再经由循环管路到达内槽体，然后经由第二加液管路向内槽体加入少量第二反应液，之后放入晶圆，使得第一反应液和第二反应液直接在内槽体中反应，反应液刚一反应生成清洗液，就能对晶圆进行清洗，第一反应液和第二反应液的通入方式使得清洗液能在活性最高的时候与晶圆上的杂质反应，杂质去除更为充分，从而提高了晶圆的清洗效率。
进一步地，先通过外槽体和循环管路向内槽体中加入足量的第一反应液，然后再逐步多次向内槽体中加入第二反应液，使得第二反应液和第一反应液充分反应，生成的清洗液的活性提升，浓度保持不变，清洗效果更好，也避免了大量的反应液生成清洗液对晶圆造成损伤。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了传统的晶圆清洗装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的晶圆清洗装置的结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例的晶圆清洗方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
应当理解，在本公开的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
图1示出了传统的晶圆清洗装置的结构示意图。
如图1所示，传统的清洗装置100包括：内槽体101、外槽体102、循环管路103和排液单元104。
内槽体101内用于盛放清洗液，清洗液例如是各种酸或去离子水等，用于对晶圆进行湿法刻蚀或清洗等处理。内槽体101为顶部开口的箱体，底部设置有进液口(图中未示出)，且底部上设置有一用于放置晶圆的支撑架112，支撑架112可拆卸地置于内槽体101内，待处理晶圆111 从内槽体101的顶部开口竖直放置于内槽体101中，由支撑架112支撑。通过顶部开口或底部的进液口向内槽体101内加入清洗液，并且内槽体 101内的清洗液可以循环流动，保持浓度分布均匀，从而对晶圆111各位置处进行较为均匀的清洗。
外槽体102固定于内槽体101外，也为一个顶部开口的箱体。内槽体101和外槽体102可以共用部分侧壁，例如，内槽体101的多个侧壁的外围上设置多个外槽体102；外槽体102还可以包围内槽体101设置，且外槽体102的侧壁高于内槽体101的侧壁。反应液可以从外槽体102 的顶部开口加入至外槽体102中，进行反应。
循环管路103用于连通内槽体101和外槽体102，使外槽体102内的液体经由循环管路103进入内槽体101。循环管路103的输入端连通至外槽体101的底部，通常为外槽体101的最大深度处的底部；循环管路103的输出端连通至内槽体101的底部，具体的，连接至内槽体101 底部的进液口。外槽体102内的液体经由循环管路103沿箭头示出的方向进入内槽体101内。
具体地，当进行晶圆111清洗时，向外槽体102内加入化学反应液，在外槽体102内经过反应后生成清洗液，然后再经由循环管路103进入内槽体101内，对晶圆111进行清洗。在对晶圆111进行处理的过程中，清洗液与晶圆111表面的杂质反应，清洗液内有效成分的消耗使得清洗液浓度下降，所以需要对清洗液进行补充。此时，需要向外槽体102内补入化学反应液，加入新的化学反应液后，新的反应液与外槽体102内的反应液混合，自外槽体102底部进入循环管路103内，再进入内槽体 101内，从而调整内槽体101内的清洗液浓度。另外，由于溶液的蒸发以及晶圆111进出内槽体101时会带走一部分的液体，所以清洗装置内的清洗液会逐渐减少，通过循环管路103的循环，可以使内槽体101内的液体始终保持液位为满的状态。外槽体102一方面用于向内槽体101 内补充新的清洗液，另一方面，还能容纳自内槽体101内溢出的液体，当内槽体101内的反应液太多时，会从顶部流出，流向外槽体102内，此时，可以选择停止向内槽体101供应清洗液，等待液面下降。
具体地，循环管路103上至少设置有过滤器1031、加热器1032以及泵体1033，外槽体102内的液体进入循环管路103内，经由过滤器1033 过滤、加热器1032加热后，由泵体1033压入内槽体101内，或者将泵体1033和过滤器1031的位置互换，又泵体将液体吸入循环管路，经过加热和过滤后流入内槽体101。
排液单元104例如为排液管，连接在外槽体102上，用于在外槽体 102中的液体超过一定的高度时，将其排出。
本实施例的清洗装置100还包括第一加液管路L1、第二加液管路 L2和第三加液管路L3，通入外槽体102上方，用于向外槽体102内加入新的化学反应液。第一至第三加液管路L1-L3上分别设置有三个阀门 Q1-Q3，阀门Q1、Q2和Q3分别用于控制第一至第三加液管路L1-L3 的通断，且第一至第三加液管路L1-L3上分别连接着三个加液口S1-S3，通过S1、S2和S3分别向第一至第三加液管路L1-L3通入不同的反应液。
实际上，晶圆111的清洗可能用到不同的清洗液，甚至还需要去离子水冲洗或气体吹干等，所以，第一至第三加液管路L1-L3可以是分别通入不同的气体或液体，同时或分时工作，根据实际需要将不同量的气体或液体加入至外槽体102中。
本实施例中，清洗液可以为SPM溶液，用于去除晶圆111表面的光刻胶等有机薄膜材料。SPM溶液是H2SO4和H2O2的混合液，所以可以分别通过不同的加液管路将两种反应液加入到外槽体102内，例如通过 L1和L2将两种反应液加入外槽体102，使得两种反应液在外槽体102 内混合，形成SPM溶液，然后通过循环管路103加入至内槽体101内。在清洗过程中，需要向清洗装置内补充新的SPM溶液，以维持清洗装置内的清洗液浓度稳定，所以再通过L1和L2向外槽体102内加入反应液，使其反应生成清洗液，避免损伤晶圆111，还可以通过循环管路103的过滤器1031去除杂质。但是，本实施例的清洗方式，由于在外槽体102 内生成反应液，再通过循环管路进入内槽体101，当清洗液到达晶圆111 表面上时，清洗液中的有效成分H2SO5浓度和活性都会逐渐降低，从而减弱清洗效果。
所以，需要提供一种改进的清洗装置和清洗装置，提高清洗液到达晶圆111时的活性，即图2示出的实施例。
图2示出了根据本发明实施例的晶圆清洗装置的结构示意图。图3 示出了根据本发明实施例的晶圆清洗方法的流程图。
如图2所示，本发明实施例的晶圆清洗装置200与图1示出的晶圆清洗装置100的结构基本相同，也包括内槽体201、外槽体202、循环管路203和排液单元204，不同之处在于第二加液管路L2连接至内槽体 201上，从而使得第二反应液直接通过第二加液管路L2加入至内槽体 201中，而不用经过外槽体202。以下进行具体说明：
晶圆清洗装置200的内槽体201用于容纳清洗液和晶圆211，内槽体201内还设置有支撑架212，支撑架212用于承载晶圆211，放置在支撑架212上的晶圆211数量根据实际需求确定。外槽体202用于向内槽体201提供第一反应液，且内槽体201位于外槽体202内。循环管路203 连通外槽体202和内槽体201，用于使第一反应液从外槽体202进入内槽体201。排液单元204包括至少一根排液管，排液管连接至外槽体202 上。循环管路203上至少设置有第一泵体2033、加热器2032以及过滤器2031，循环管路203的输出端连通至位于内槽体201底部，循环管路 203的输入端连通至外槽体202底部。本实施例与图1中示出的清洗装置100相同的结构部分及其功能不再赘述，参见图1相关描述即可。
本实施例中，清洗装置200包括第一加液管路L1、第二加液管路 L2和第三加液管路L3，第一加液管路L1包括进液口和出液口，第一加液管路L1的出液口位于外槽体202上方，第二加液管路L2包括进液口和出液口，第二加液管路L2的出液口连接至内槽体201底部，所以本实施例中，经由第一加液管路L1的进液口将第一反应液加入到外槽体 202，第一反应液经由循环管路203从外槽体202进入内槽体201，第二反应液经由第二加液管路L2进入内槽体201，第一反应液和第二反应液在内槽体201中反应生成清洗液，对晶圆211进行清洗。这里是本实施例与图1的实施例的最大的不同之处，在本实施例中，清洗液例如仍是SPM溶液，不同于图1的实施例，本实施例的清洗液不是在外槽体202 中生成的，而是在内槽体201中生成的。通过第一加液管路L1向外槽体202内加入第一反应液，再经由循环管路203到达内槽体201，然后经由第二加液管路L2向内槽体201加入少量第二反应液，之后放入晶圆211，使得反应液刚一反应生成清洗液，就能对晶圆211进行清洗，保持较好的活性。
进一步地，第二加液管路L2上设置有第二泵体205，用于将第二反应液压入内槽体201中，第二加液管路L2的出液口连接内槽体201底部，循环管路203的输出端也连接至内槽体201底部，循环管路203的输出端共用第二加液管路L2的出液口，即第二加液管路L2与循环管路 203的汇流位置为同一端口A，经由端口A共同连接至内槽体201底部，并且，第二加液管路L2与循环管路203的汇流位置(端口A)位于循环管路203上第一泵体2033背离外槽体202的一侧。第二反应液经由第二加液管路上L2的第二泵体205、第二加液管路L2的出液口和循环管路203的输出端(或端口A)进入内槽体201。
本实施例主要采用SPM溶液去除晶圆211上的杂质，杂质例如是光刻胶的残留物，采用湿法清洗去除，SPM溶液为硫酸和双氧水的混合水溶液，具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于溶液中，并能把有机物氧化生成CO2和水。所以，第一反应液为硫酸，第二反应液为双氧水，生成的H2SO5为清洗液的主要成分。
其中第一反应液与第二反应液的容积/质量预设为选定比例，第一反应液与第二反应液的化学反应如式(1)所示：
Figure BDA0002757788080000081
本实施例提供的晶圆清洗方法，利用上述晶圆清洗装置200清洗晶圆211，如图3所示，清洗方法的各个步骤如下：
在步骤S110中，经由第一加液管路向外槽体中加入第一反应液。
结合图2和图3，将硫酸经由第一加液管路L1从出液口，通过外槽体202的顶部开口加入外槽体202中。
在步骤S120中，经由循环管路将第一反应液加入至内槽体中。
然后经由循环管路203的过滤器2031、加热器2032和第一泵体2033 将外槽体202中的第一反应液压入内槽体201中。
在步骤S130中，经由第二加液管路将第二反应液加入至内槽体中。
将少量的双氧水通过第二加液管路L2的第二泵体205和循环管路 203的出液口，从内槽体201底部压入内槽体201中，与内槽体201中的硫酸反应生成反应液。
在步骤S140中，将晶圆放置入内槽体中进行清洗。
加入第二反应液后，将晶圆211置入内槽体201的支撑架212上，对晶圆211进行清洗。双氧水与硫酸发生放热反应形成高温清洗液，清洗液与晶圆211表面的杂质例如光刻胶反应将光刻胶去除。由于双氧水与硫酸发生放热反应，工艺温度为90-150℃，高温对部分器件会造成损伤，所以要在通入第二反应液之后，待生成反应液，温度降低后才加入晶圆211，保护了晶圆211。
另外，SPM的浓度对去除光刻胶或其他有机薄膜层的效果有决定作用，在刻蚀过程中，需要补充新的SPM溶液，以维持SPM溶液浓度稳定。所以，为了保持清洗液的活性和浓度，每次仅加入了少量的双氧水，待反应后，再次从第二加液管路L2向内槽体201加入少量的双氧水，即第二反应液多次经由第二加液管路L2通入内槽体201中，与内槽体 201中的第一反应液反应。少量的双氧水和硫酸反应较为充分，且产生的热量较低，避免对晶圆211造成损伤。加入双氧水的过程重复执行，保证了内槽体201中清洗液的浓度。具体地，内槽体中第一反应液和第二反应液的比例为50:1-100:1，由于每次仅加入少量的双氧水，所以可以认为硫酸的浓度大致不变，每次仅消耗一小部分双氧水，且生成的 H2SO5能立即与晶圆211表面的杂质反应，保持了清洗液的活性，在活性最高时就立即与晶圆211表面的杂质反应，杂质去除效率高。
本实施例的晶圆清洗装置和清洗方法，提供了新的SPM溶液的混合方法，在晶圆处理前进行双氧水的加入，生成清洗液，并且通过在内槽体较近的管路添加双氧水，减小H2SO5从生成到达到晶圆处理的活性损失，然后再通过多次补充清洗液，最大限度地保持了H2SO5的活性，使工艺处理能力得到很大的提高，对晶圆表面的杂质去除效果更好。
本实施例中，第三加液管路L3用于向外槽体202或内槽体201中通入液体或气体，例如通入其他的反应液或气体，对晶圆211进行其他的处理。第一加液管路L1和第三加液管路L3上分别设置有阀门Q1和 Q3，用于控制第一加液管路L1和第三加液管路L3的通断。进一步地，在第二加液管路L2上也可以设置阀门。
进一步地，清洗装置还可以包括浓度计，与内槽体201连接，用于测量清洗液的浓度，以控制第二加液管路L2的通断。还包括控制单元，实时检测外槽体202中的液位高度，并根据液位高度控制排液单元204 开断。
根据本发明实施例的晶圆清洗装置和晶圆清洗方法，先在外槽体中通入第一反应液，然后通过循环管路进入内槽体中，再逐渐向内槽体中通入第二反应液，反应生成清洗液后加入晶圆进行清洗，使得第一反应液和第二反应液直接在内槽体中反应，且反应生成的清洗液直接与晶圆上的杂质反应，该反应液的通入方式使得清洗液能在活性最高的时候与晶圆上的杂质反应，杂质去除更为充分，从而提高了晶圆的清洗效率。
进一步地，先通过外槽体和循环管路向内槽体中加入足量的第一反应液，然后再逐步多次向内槽体中加入第二反应液，使得第二反应液和第一反应液充分反应，生成的清洗液的活性提升，浓度保持不变，清洗效果更好，也避免了大量的反应液生成清洗液对晶圆造成损伤。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆清洗装置，其中，包括：
内槽体；
外槽体；
循环管路，连通所述外槽体和所述内槽体；
第一加液管路，包括进液口和出液口，第一反应液经由所述第一加液管路的出液口进入所述外槽体；以及
第二加液管路，包括进液口和出液口，所述第二加液管路的出液口直接连接至所述内槽体，
其中，所述第一加液管路用于将第一反应液加入到所述外槽体，所述循环管路用于将所述外槽体的第一反应液加入所述内槽体中；所述第二加液管路用于将第二反应液加入所述内槽体，与已经通过所述循环管路加入所述内槽体的所述第一反应液首次发生反应生成清洗液。
2.根据权利要求1所述的晶圆清洗装置，其中，所述循环管路上至少设置有第一泵体，所述循环管路的输出端连通至位于所述内槽体底部，所述循环管路的输入端连通至所述外槽体底部。
3.根据权利要求1所述的晶圆清洗装置，其中，所述第二加液管路上设置有第二泵体，所述第二反应液经由所述第二泵体到达所述第二加液管路的出液口。
4.根据权利要求2所述的晶圆清洗装置，其中，所述循环管路的输出端共用所述第二加液管路的出液口，共同连接至所述内槽体底部，所述第二加液管路与所述循环管路的汇流位置位于所述循环管路上所述第一泵体背离所述外槽体的一侧。
5.根据权利要求1所述的晶圆清洗装置，其中，所述内槽体位于所述外槽体内。
6.根据权利要求1所述的晶圆清洗装置，其中，还包括：排液单元，所述排液单元包括至少一根排液管，所述排液管连接至所述外槽体。
7.一种晶圆清洗方法，用于利用权利要求1至6任一项所述的晶圆清洗装置清洗晶圆，其中，所述方法包括：
经由第一加液管路向外槽体中加入第一反应液；
经由循环管路将所述第一反应液加入至内槽体中；
经由第二加液管路将第二反应液加入至所述内槽体中，所述第二反应液与第一反应液在所述内槽体中首次反应生成清洗液；以及
将晶圆放置入所述内槽体中进行清洗。
8.根据权利要求1所述的晶圆清洗装置，其中，所述第二反应液多次经由所述第二加液管路通入所述内槽体中，与所述内槽体中的所述第一反应液反应。
9.根据权利要求8所述的晶圆清洗方法，其中，所述第一反应液为硫酸，所述第二反应液为双氧水。
10.根据权利要求9所述的晶圆清洗方法，其中，所述内槽体中所述第一反应液和所述第二反应液的比例为50:1-100:1。
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