CN112582305A - 单片式湿法清洗装置及其清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单片式湿法清洗装置及其清洗方法，该清洗装置包括：腔室、旋转平台、两个以上喷嘴、气化装置、抽真空装置、管路；腔室用于容置旋转平台，旋转平台用于承载晶圆且带动晶圆旋转，其中一个喷嘴用于向晶圆喷淋去离子水气体；气化装置设置于腔室外部并通过管路与喷嘴连接，用于将通入其内的去离子水气化为去离子水气体；抽真空装置用于对腔室抽真空。该清洗装置利用真空蒸镀法的原理，可使晶圆表面及深孔侧壁、底壁形成一层均匀的薄水膜，该薄水膜可改变晶圆表面的疏水性，可将喷淋至晶圆表面的药液快速且最大量的送入深孔的底部，从而保证深孔底部清洗效果的同时，最大程度的保护深孔侧壁和深孔的关键尺寸。

Description

单片式湿法清洗装置及其清洗方法
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，特别是涉及一种单片式湿法清洗装置及其清洗方法。
背景技术
目前半导体制造过程中湿法清洗的设备一般有两种，槽式清洗设备及单片式清洗设备。早期主要采用槽式清洗设备实现批量作业，生产效率高，也可以满足工艺要求。然而随着半导体工艺制程不断的发展，硅片尺寸逐渐由8寸发展到12寸、18寸，芯片的最小线宽也由微米量级逐渐向纳米量级过渡，如65nm、40nm、32nm、22nm等等。由于其工艺能力和均匀性已无法满足更为严格的工艺要求，且容易产生交叉污染，槽式清洗设备在高端半导体产品制造中逐渐退出。而单片式清洗设备，由于其工艺效果以及均匀性高，且不易产生交叉污染，逐渐成为了半导体制造中的主流湿法清洗设备。
单片式湿法清洗设备主要是单片式作业。如图1所示，为现有的单片式湿法清洗设备的简易结构示意图，其中，晶圆1由机械手臂6从片盒中取出，放置在工艺腔7内的连接转轴 2的旋转平台3上，并通过固定针4固定在旋转平台3上，晶圆1固定好之后，开始进行工艺作业。工艺作业过程中，旋转平台3旋转带动晶圆1旋转，带有药液或者去离子水喷嘴5 的机械手臂6伸向晶圆1上方，药液或者去离子水喷至晶圆1表面，实施清洗，药液和去离子水作业完成后，带有药液或者去离子水喷嘴5的机械手臂6收回，晶圆1高速旋转实现干燥。工艺作业完成后，机械手6臂将晶圆1取出放回片盒中。
现有的单片式湿法清洗设备在对深宽比大的深孔结构清洗，尤其是孔侧壁是不同材料结构时，存在深孔结构底部清洗不干净，易产生缺陷，影响后续制程导致芯片性能降低，例如，底部清洗不干净，会导致后续沉积的材料产生空洞，导致漏电、电容及电阻性能受限等问题；而如果以增加清洗时间来提高清洗效果时，又会导致孔侧壁被破坏及孔的关键尺寸(简称CD) 被腐蚀撑大等的问题。以上存在的问题在深宽比越大的深孔清洗时表现的越明显。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单片式湿法清洗装置及其清洗方法，用于解决现有技术中在对具有高深宽比的深孔结构进行清洗时，在保证孔侧壁不受损坏及孔的关键尺寸不被撑大时，深孔结构的底部不易清洗干净等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单片式湿法清洗装置，所述清洗装置包括：腔室、旋转平台、两个以上喷嘴、气化装置、抽真空装置、管路；
所述腔室用于容置所述旋转平台，所述旋转平台用于承载晶圆且带动所述晶圆旋转，其中一个所述喷嘴用于向所述晶圆喷淋去离子水气体；
所述气化装置设置于所述腔室外部并通过所述管路与所述喷嘴连接，用于将通入其内的去离子水气化为所述去离子水气体；
所述抽真空装置用于对所述腔室抽真空。
可选地，所述气化装置为加热器或负压装置，所述加热器通过加热的方式将去离子水加热气化为所述去离子水气体，所述负压装置通过提供负压将去离子水气化为所述去离子水气体。
可选地，所述抽真空装置为真空泵，与所述腔室连接。
本发明还提供一种单片式湿法清洗方法，所述清洗方法包括：
1)提供如上所述的单片式湿法清洗装置；
2)将晶圆固定置于所述旋转平台上，所述晶圆上具有深孔；
3)于所述晶圆表面及所述深孔侧壁、底壁蒸镀一层薄水膜：先通过所述抽真空装置将所述腔室抽真空；然后将去离子水通入所述气化装置中气化为所述去离子水气体；接着所述去离子水气体通过所述管路进入所述喷嘴，利用真空蒸镀法的原理，所述喷嘴喷淋所述去离子水气体在所述晶圆表面及所述深孔侧壁、底壁，以形成所述薄水膜，喷淋过程中所述晶圆以预设转速进行旋转；
4)进行药液喷淋过程：先将所述腔室去真空；然后将所述药液通入用于药液喷淋的所述喷嘴，当所述药液通过所述喷嘴喷淋至所述晶圆表面时，所述药液沿着所述薄水膜快速且最大量进入到所述深孔底部，实现对所述晶圆的有效清洗。
可选地，步骤3)与步骤4)交替实施，直至清洗所述晶圆的所有药液喷淋结束。
可选地，步骤4)中的所述药液为清洗所述晶圆的所有药液。
可选地，还包括步骤5)：在氮气氛围下对清洗后的所述晶圆进行干燥过程。
可选地，步骤3)中所述腔室抽真空的真空度介于3mtorr～10mtorr之间。
进一步地，步骤3)中所述腔室抽真空的真空度介于3mtorr～5mtorr之间。
可选地，步骤3)中，喷淋过程中所述晶圆以预设转速进行旋转，所述预设转速介于600rpm～800rpm之间；所述去离子水通入所述气化装置的流量介于600cc/min～800cc/min之间；所述去离子水气体对所述晶圆的喷淋时间介于5s～30s之间。
如上所述，本发明的单片式湿法清洗装置及其清洗方法，可通过所述抽真空装置将所述腔室抽真空，使腔室处于真空状态，另外，可将去离子水通入所述气化装置中气化为去离子水气体，接着去离子水气体沿着管路进入喷嘴并喷淋至处于真空状态下的腔室中的晶圆表面，这里利用真空蒸镀法的原理，去离子水气体在真空腔室中会在晶圆表面及深孔侧壁、底壁形成一层均匀的薄水膜，该薄水膜可改变晶圆表面的疏水性，可将喷淋至晶圆表面的药液快速且最大量的送入深孔的底部，从而保证深孔底部清洗效果的同时，最大程度的保护深孔侧壁和深孔的关键尺寸。
附图说明
图1显示为现有的单片式湿法清洗设备的结构示意图。
图2显示为现有的单片式湿法清洗设备对TSV孔进行清洗的截面结构示意图。
图3显示为现有的单片式湿法清洗设备对包括不同材料层的深孔进行清洗时的截面结构示意图。
图4显示为现有的单片式湿法清洗设备对包括不同材料层的深孔进行清洗后的截面结构示意图。
图5显示为本发明的单片式湿法清洗装置的结构示意图。
图6显示为使用本发明的单片式湿法清洗装置在晶圆表面及深孔侧壁、底部上形成薄水膜的截面结构示意图。
元件标号说明
1 晶圆
2 连接转轴
3 旋转平台
4 固定针
5 喷嘴
6 机械手臂
7 工艺腔
10 深孔
11 第一材料层
12 第二材料层
20 腔室
21 喷嘴
22 气化装置
23 抽真空装置
24 管路
25 晶圆
26 深孔
27 薄水膜
28 固定针
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如背景技术中所述，现有的单片式湿法清洗设备在对深宽比大的深孔结构清洗时，深孔底部的清洗效果难以保证。如图2所示，为对Si的TSV深孔10进行清洗，由于深宽比越大的深孔，清洗液越难进入深孔底部，鉴于TSV深孔10侧壁的材料单一，仅为单一的第一材料层11，一般选择刻蚀选择比较大的清洗液进行清洗，所以可以选择增加清洗时间来改善深孔的清洗效果，但工艺时间加长明显降低工艺效率，同时对TSV深孔侧壁及孔的关键尺寸还是会产生影响，因为到达深孔底部的清洗液，其实是从孔顶端至中间端不断反应流下来的(如图2中箭头所示)，也就是说深孔底部清洗液的清洗效果相对其他地方较差，如果在保证深孔底部清洗效果的要求下，势必造成深孔其他部分的过度清洗而被腐蚀，引起深孔侧壁破坏及孔的关键尺寸被腐蚀撑大的问题。这种现象在深孔侧壁包括多种材料层的情况下表现的尤为突出，例如深孔侧壁包括氧化物层、氮化物层及多晶硅层等材料层，如图3所示，为深孔 10形成在交替层叠的第一材料层11及第二材料层12中，由于清洗液对于第一材料层11及第二材料层12的刻蚀选择比肯定不相同，所以在清洗过程中势必会对第一材料层11及第二材料层12造成不同程度的腐蚀，从而使深孔的侧壁明显遭到破坏，使孔的关键尺寸被明显腐蚀撑大，且清洗时间越长问题越凸显。
针对上述现有存在的问题，发明人经过多方面深入研究，从如何可使清洗液快速且大量的流入深孔底部，以降低清洗液与深孔侧壁的反应时间同时达到对深孔底部的有效清洗的角度出发，考虑设计了一种单片式湿法清洗装置及其清洗方法，通过该单片式湿法清洗装置在药液对晶圆清洗前，先在晶圆表面及深孔侧壁、底壁形成一层均匀的薄水膜，该薄水膜改变了晶圆表面的疏水性，当药液喷淋到晶圆表面时，在该薄水膜的作用下，可使药液沿着水膜快速、最大量的进入深孔底部，从而保证深孔底部清洗效果的同时，最大程度的保护深孔侧壁和深孔的关键尺寸CD。
如图5及图6所示，本实施例提供一种单片式湿法清洗装置，所述清洗装置包括：腔室 20、旋转平台(未示出)、两个以上喷嘴21、气化装置22、抽真空装置23、管路24；
所述腔室20用于容置所述旋转平台，所述旋转平台用于承载晶圆25且带动所述晶圆25 旋转，其中一个所述喷嘴21用于向所述晶圆25喷淋去离子水气体；
所述气化装置22设置于所述腔室20外部并通过所述管路24与所述喷嘴21连接，用于将通入其内的去离子水气化为所述去离子水气体；
所述抽真空装置23用于对所述腔室20抽真空。
本实施例的单片式湿法清洗装置，可通过所述抽真空装置23将所述腔室20抽真空，使腔室20处于真空状态，另外，可将去离子水通入所述气化装置22中气化为去离子水气体，接着去离子水气体沿着管路24进入喷嘴21并喷淋至处于真空状态下的腔室20中的晶圆25 表面，这里利用真空蒸镀法的原理，去离子水气体在真空腔室中会在晶圆25表面及深孔26 侧壁、底壁形成一层均匀的薄水膜27，该薄水膜27可改变晶圆表面的疏水性，可将喷淋至晶圆25表面的药液快速且最大量的送入深孔26的底部，从而保证深孔26底部清洗效果的同时，最大程度的保护深孔26侧壁和深孔的关键尺寸CD。
这里需要说明的是，两个以上所述喷嘴21，其分别实现对不同药液及去离子水的喷淋。
作为示例，所述气化装置22可以选择现有任意适合的能将去离子水气化为去离子水气体的结构，例如根据水的固态-液态-气态之间的转换原理，可通过加热或降压的方式将去离子水气化为去离子水气体。即所述气化装置22可为加热器或负压装置，所述加热器通过加热的方式将去离子水加热气化为所述去离子水气体，所述负压装置通过提供负压将去离子水气化为所述去离子水气体。
作为示例，所述抽真空装置23为真空泵，与所述腔室20连接。具体地，所述真空泵通过所述管路24与所述腔室20连接。
在实际的应用过程中，所述单片式湿法清洗装置还包括其他常规的单片式湿法清洗结构，该些结构可采用现有技术中的常规结构实现，在此不再赘述。
如图5及图6所示，本实施例还提供一种单片式湿法清洗方法，所述清洗方法包括如下步骤：
步骤S1，提供如上实施例所述的单片式湿法清洗装置。
步骤S2，将晶圆25固定置于所述旋转平台上，所述晶圆25上具有深孔26。作为示例，所述深孔26的侧壁可以是单一材料层，也可以是不同材料的叠层，如图6所示，所述深孔26的侧壁是由不同材料的第一材料层11及第二材料层12交替层叠的叠层结构。
步骤S3，于所述晶圆25表面及所述深孔26侧壁、底壁蒸镀一层薄水膜27，具体步骤为：先通过所述抽真空装置23将所述腔室20抽真空；然后将去离子水通入所述气化装置22中气化为所述去离子水气体；接着所述去离子水气体通过所述管路24进入所述喷嘴21，利用真空蒸镀法的原理，所述喷嘴21喷淋所述去离子水气体在所述晶圆25表面及所述深孔26侧壁、底壁，以形成所述薄水膜27，喷淋过程中所述晶圆25以预设转速进行旋转。
作为示例，所述腔室20抽真空的真空度介于3mtorr～10mtorr之间，较佳地，介于3mtorr～5mtorr之间。本实施例中优选所述腔室20抽真空的真空度为4mtorr。
作为示例，喷淋过程中所述晶圆25以介于600rpm～800rpm之间的预设转速进行旋转；所述去离子水以介于600cc/min～800cc/min之间的流量通入所述气化装置22；所述去离子水气体对所述晶圆25的喷淋时间介于5s～30s之间。采用此些参数可使形成于所述晶圆25表面及所述深孔26侧壁、底壁的所述薄水膜27的厚度均匀性高，且薄水膜27的厚度较适宜，因为若水膜的均匀性不高或水膜的厚度太厚，会使进入神孔底部的药液大量稀释，达不到清洗效果；而水膜的厚度太薄，对晶圆表面的疏水性改变效果不佳，达不到使药液快速且最大量的进入深孔底部的，同样得不到有效的清洗效果。本实施例中优选喷淋过程中所述晶圆25以 700rpm的预设转速进行旋转；所述去离子水以700cc/min的流量通入所述气化装置22；所述去离子水气体对所述晶圆25的喷淋时间介于10s～15s之间，其形成的薄水膜27的性能达到最佳。
步骤S4，进行药液喷淋过程：先将所述腔室20去真空；然后将所述药液通入用于药液喷淋的所述喷嘴21，当所述药液通过所述喷嘴21喷淋至所述晶圆25表面时，所述药液沿着所述薄水膜27快速且最大量进入到所述深孔26底部，实现对所述晶圆25的有效清洗。从而保证深孔26底部清洗效果的同时，最大程度的保护深孔26侧壁和深孔的关键尺寸CD。
作为示例，在所有药液对晶圆25进行清洗后，还包括在氮气氛围下对清洗后的所述晶圆 25进行干燥的过程。
作为示例，可根据实际情况选择在本实施例的清洗方法中形成所述薄水膜27的次数。例如，可以在形成一次所述薄水膜27后，完成所有药液对所述晶圆25的清洗；或者在进行每一种药液对所述晶圆25进行清洗前均先在所述晶圆25表面及所述深孔26侧壁、底壁形成一层所述薄水膜27；也可以是在进行几种(至少两种)药液对所述晶圆25进行清洗前先在所述晶圆25表面及所述深孔26侧壁、底壁形成一层所述薄水膜27。
综上所述，本发明提供一种单片式湿法清洗装置及其清洗方法，该清洗装置包括：腔室、旋转平台、两个以上喷嘴、气化装置、抽真空装置、管路；所述腔室用于容置所述旋转平台，所述旋转平台用于承载晶圆且带动所述晶圆旋转，其中一个所述喷嘴用于向所述晶圆喷淋去离子水气体；所述气化装置设置于所述腔室外部并通过所述管路与所述喷嘴连接，用于将通入其内的去离子水气化为所述去离子水气体；所述抽真空装置用于对所述腔室抽真空。本发明的单片式湿法清洗装置，可通过所述抽真空装置将所述腔室抽真空，使腔室处于真空状态，另外，可将去离子水通入所述气化装置中气化为去离子水气体，接着去离子水气体沿着管路进入喷嘴并喷淋至处于真空状态下的腔室中的晶圆表面，这里利用真空蒸镀法的原理，去离子水气体在真空腔室中会在晶圆表面及深孔侧壁、底壁形成一层均匀的薄水膜，该薄水膜可改变晶圆表面的疏水性，可将喷淋至晶圆表面的药液快速且最大量的送入深孔的底部，从而保证深孔底部清洗效果的同时，最大程度的保护深孔侧壁和深孔的关键尺寸。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种单片式湿法清洗装置，其特征在于，所述清洗装置包括：腔室、旋转平台、两个以上喷嘴、气化装置、抽真空装置、管路；
所述腔室用于容置所述旋转平台，所述旋转平台用于承载晶圆且带动所述晶圆旋转，其中一个所述喷嘴用于向所述晶圆喷淋去离子水气体；
所述气化装置设置于所述腔室外部并通过所述管路与所述喷嘴连接，用于将通入其内的去离子水气化为所述去离子水气体；
所述抽真空装置用于对所述腔室抽真空。
2.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗装置，其特征在于：所述气化装置为加热器或负压装置，所述加热器通过加热的方式将去离子水加热气化为所述去离子水气体，所述负压装置通过提供负压将去离子水气化为所述去离子水气体。
3.根据权利要求1所述的单片式湿法清洗装置，其特征在于：所述抽真空装置为真空泵，与所述腔室连接。
4.一种单片式湿法清洗方法，其特征在于，所述清洗方法包括：
1)提供如权利要求1至3中任意一项所述的单片式湿法清洗装置；
2)将晶圆固定置于所述旋转平台上，所述晶圆上具有深孔；
3)于所述晶圆表面及所述深孔侧壁、底壁蒸镀一层薄水膜：先通过所述抽真空装置将所述腔室抽真空；然后将去离子水通入所述气化装置中气化为所述去离子水气体；接着所述去离子水气体通过所述管路进入所述喷嘴，利用真空蒸镀法的原理，所述喷嘴喷淋所述去离子水气体在所述晶圆表面及所述深孔侧壁、底壁，以形成所述薄水膜，喷淋过程中所述晶圆以预设转速进行旋转；
4)进行药液喷淋过程：先将所述腔室去真空；然后将所述药液通入用于药液喷淋的所述喷嘴，当所述药液通过所述喷嘴喷淋至所述晶圆表面时，所述药液沿着所述薄水膜快速且最大量进入到所述深孔底部，实现对所述晶圆的有效清洗。
5.根据权利要求4所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于：步骤3)与步骤4)交替实施，直至清洗所述晶圆的所有药液喷淋结束。
6.根据权利要求4所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于：步骤4)中的所述药液为清洗所述晶圆的所有药液。
7.根据权利要求4所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于，还包括步骤5)：在氮气氛围下对清洗后的所述晶圆进行干燥过程。
8.根据权利要求4所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于：步骤3)中所述腔室抽真空的真空度介于3mtorr～10mtorr之间。
9.根据权利要求8所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于：步骤3)中所述腔室抽真空的真空度介于3mtorr～5mtorr之间。
10.根据权利要求4所述的单片式湿法清洗方法，其特征在于：步骤3)中，喷淋过程中所述晶圆以预设转速进行旋转，所述预设转速介于600rpm～800rpm之间；所述去离子水通入所述气化装置的流量介于600cc/min～800cc/min之间；所述去离子水气体对所述晶圆的喷淋时间介于5s～30s之间。
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