CN113100558B - 用于半导体清洁的阿基米德刷 - Google Patents

用于半导体清洁的阿基米德刷 Download PDF

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Abstract

提供一种用于清洁衬底的清洁装置。在一个方面中，所述清洁装置包括与心轴接合的刷子，且所述刷子形成阿基米德螺纹形状。所述刷子由吸附性材料形成，优选地为泡沫体。在一个方面中，所述刷子坐落于所述心轴中的凹槽内。

Description

用于半导体清洁的阿基米德刷
本申请是申请日为2015年10月16日、国际申请号为PCT/US2015/055998、国家申请号为201580066701.8、发明名称为“用于半导体清洁的阿基米德刷”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明大体涉及用于清洁物品的工艺和装置。更具体地说，其涉及一种用于清洁半导体衬底的刷子。
背景技术
铸造的圆柱形聚醋酸乙烯酯(PVA)刷子常规地在自动清洁系统中使用以提供CMP(化学机械平坦化)后处理，以有效地清洁例如半导体晶片的衬底或其他盘形衬底的表面。PVA刷子也在清洁系统中使用以清洁和刷干在平板显示器制造、玻璃生产和印刷电路板组合件中的玻璃和其他非盘形衬底。刷子可具有(例如)50毫米那样短或10米那样长的长度。刷子完全跨过正被处理的衬底延伸，由此在跨其直径的全部距离上接触衬底。刷子位于中央心轴上并在清洁过程中通过中央心轴围绕中央纵向轴线驱动。刷子在其外表面上具有凸瘤以帮助清洁衬底，如在图1中所展示。
常规凸瘤PVA刷子依赖于无差别的刺激来从半导体表面/衬底去除尘粒。尘粒可通过从半导体表面/衬底抬起、在半导体表面/衬底上滑动或在半导体表面/衬底上滚动来被去除，如例如在图2中所展示。在图2中，凸瘤由小椭圆展示，其中的一些用附图标记10来标示，且尘粒由附图标记12展示。与常规凸瘤PVA刷子相关联的流体动力和/或电动力不使得尘粒沿任何方向移离待清洁的半导体表面/衬底。因为旋转着的半导体表面/衬底的中心主要依赖于由刷子施加的力来去除尘粒，所以尘粒再沉积是常见的，且清洁半导体表面/衬底的中心是有难度的。随着向较大的半导体表面/衬底(例如，300mm到450mm)的转变趋势，这个问题加剧了。
发明内容
在一个方面中，提供一种用于清洁衬底的清洁装置。所述清洁装置包括(但不限于)与心轴接合的刷子，且所述刷子形成阿基米德螺纹形状。所述刷子由吸附性材料(优选地，泡沫体)形成。在一个方面中，所述刷子坐落于所述心轴中的凹槽内。
附图说明
可参看以下附图和描述更好地理解本发明。图中的组件不一定按比例绘制，却是将重点放在解释本发明的原理上。
图1描绘根据现有技术的刷子和心轴的侧视图；
图2描绘展示图1的刷子如何接触旋转着的衬底和尘粒如何在衬底上移动的示意图；
图3描绘根据本发明的第一实施例的用于清洁和/或抛光衬底的清洁系统的立体图；
图4描绘图3的清洁系统的刷子和其心轴的立体图；
图5描绘图4的刷子和其心轴的侧视图；
图6描绘可与图3-图5的刷子一起使用的心轴的实例的部分立体图；
图7描绘图6中展示的心轴的立体图；
图8描绘根据本发明的第二实施例的用于清洁和/或抛光衬底的清洁系统的立体图；
图9描绘图8的清洁系统的刷子和其心轴的立体图；
图10描绘图9的刷子和其心轴的侧视图；
图11描绘沿着图10的剖切线11-11的横截面图；
图12描绘图9的刷子和其心轴的端视图；
图13描绘经改型的刷子和其心轴的侧视图；
图14描绘沿着图13的剖切线14-14的横截面图；
图15描绘另一经改型的刷子和其心轴的侧视图；
图16描绘沿着图15的剖切线16-16的横截面图；以及
图17是展示图8到图16的刷子如何接触旋转着的衬底和尘粒如何在衬底上移动的示意图。
具体实施方式
虽然本发明可易于有不同形式的实施例，但在附图中展示并在这里详细描述了具体实施例，要理解本公开将被视为本发明的原理的举例说明且并不希望将本发明限制于如在本文中说明和描述的那样。因此，除非另有说明，否则本文中揭示的特征可组合在一起以形成额外组合，为了简洁起见将不另外展示所述额外组合。
根据本公开的方法和系统通过形成适于提供将尘粒12系统性地移动远离和移离待清洁的衬底/半导体104的表面106的刷子设计的清洁刷110、110a来克服常规清洁刷和刷子－心轴系统的缺点，最终提供更有效率的清洁过程。在第一示例性实施例中，提供清洁系统100，其具有形成于心轴130上的刷子110，刷子110具有形成于其中的阿基米德螺纹。在第二示例性实施例中，提供清洁系统100a，其具有形成于心轴130a上的至少一个刷子110a，所述至少一个刷子110a由坐落于心轴130a中的凹槽170a内的细长部件形成，且每一刷子110a在心轴130a上形成阿基米德螺纹形状。在现有技术中，如本文中使用的心轴也通常被称作“刷芯”。
参看图3到图7，展示用于清洁和抛光衬底/半导体104的表面106的清洁系统100的第一实施例，且参看图8到图17，展示用于清洁和抛光衬底/半导体104的表面106的清洁系统100a的第二实施例。清洁系统100、100a可为自动清洁系统，其可自动或手动设定以抛光和/或清洁衬底/半导体104，且更具体地说，抛光和/或清洁衬底/半导体104的表面106。刷子110可在常规自动清洁系统中使用以提供化学机械平坦化(CMP)后处理以有效地清洁衬底/半导体104的表面106。衬底/半导体104包括多种盘形或非盘形衬底中的任一个，例如：基于硅的衬底，包括玻璃、无水玻璃、半导体晶片、平板显示器玻璃面板、玻璃制品面板和印刷电路板；基于聚合物的衬底；和各种类型的半导体衬底，例如，基于硅的半导体衬底、单一元素半导体衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、III-V半导体衬底、II-VI半导体衬底、其他二元半导体衬底、三元半导体衬底、四元半导体衬底；光纤衬底；超导衬底；玻璃衬底；熔融石英衬底；熔融硅石衬底；外延生长硅衬底；和有机半导体衬底。
将注意力放到图3到图7中展示的清洁系统100的第一实施例。清洁系统100包括具有中空孔112的大体圆柱形刷子110、在中空孔112内接合住刷子110的心轴130和与心轴130接合的旋转装置102。图示的心轴130只是示例性心轴且并不希望为限制性。清洁系统100可包括多种其他心轴，且希望所有此类心轴的可能性落在本发明的精神和范围内。
刷子110为铸造的聚醋酸乙烯酯(PVA)泡沫体、聚氨酯泡沫体、其他聚合泡沫体。刷子110可形成于纵向中心轴线a1周围，且可按以下方式在中心轴线a1周围变得平衡：当刷子110和心轴130围绕中心轴线a1旋转时，由刷子110和心轴130产生的离心力变化不大于约±20％，从而提供相对平衡的部件。刷子110具有：相对的端部128、126；在端部128、126之间延伸的外表面114；和与外表面114相对且形成中空孔112的内表面113。
图6和图7展示可与刷子110一起使用的心轴130的实例。心轴130可为大体圆柱形。心轴130具有：相对的端部172、174；在端部172、174之间延伸的外表面133；和与外表面133相对且形成中空流体通道150的内表面176。流体通道150从心轴130的第一端部172朝向端部174延伸，且流体通道150的相对端部由通过心轴130形成的端壁175闭合。多个小孔156从流体通道150径向向外延伸，且在流体通道150与外表面133之间延伸，以用于使流体从流体通道150流动到外表面133，且流动到刷子110。此类流体可用于清洁和/或抛光衬底/半导体104。此类流体的合适实例可包括(但不限于)酸、碱、超纯水。
通过在已形成的心轴130周围注塑模制刷子110，中空孔112可形成于心轴130周围，或可在心轴130周围形成中空孔112，然后将刷子110设置于心轴130周围。中空孔112由刷子110的内表面113界定。在一实施例中，且如在业内已知的，内表面113可由接合部件116中断，所述接合部件116与心轴130的接合部件140配对且围住心轴130的接合部件140。通过围绕接合部件140形成接合部件116，刷子110被牢固地配合到心轴130，以便防止在心轴130与刷子110之间的滑动和移动。
心轴130的外表面133在中空孔112内接合住刷子110。刷子110优选地沿着心轴130的全部长度覆盖心轴130的外表面133，所述长度被定义为心轴130的端部172、174之间的距离。将外表面133紧固到界定刷子110的中空孔112的内表面113。参看图3，外表面114和133可围绕心轴130的中心轴线a1定位。
参看图3，在一个实施例中，心轴130还包括用于与旋转装置102接合和连接的旋转接合部件160。旋转接合部件160为任何装置，只要其可用以与另一装置连接或紧固到另一装置，且包括例如螺母形零件或与心轴130一起整体形成为单件且可紧固到旋转装置102的其他多边形零件之物。旋转装置102包括任何装置，只要其可诱发心轴130的旋转运动，例如，电动机、气动机或引擎、通过电动机供电或手动供电的曲柄轴，以及自动或手动移动的滑轮、轮、机械连杆和/或齿轮的任何组合。旋转装置102具有互补的接合部件，该互补的接合部件与旋转接合部件160连接以用于使心轴130与旋转装置102接合和连接。
如最佳地在图3到图5中所展示，刷子110的外表面114具有形成于其上的阿基米德螺纹形状，所述阿基米德螺纹从刷子110的端部128连续延伸到端部126。阿基米德螺纹形状可沿着其长度按多种节距形成。阿基米德螺纹形状可在形成刷子110时被模制，或可机械加工到刷子110的外表面114内。当被机械加工时，刷子110的外表面114形成为圆柱体，且将阿基米德螺纹形状机械加工到外表面114内。
将注意力放到图8到图17中展示的清洁系统100a的第二实施例。清洁系统100a包括具有中空流体通道150a的大体圆柱形心轴130a、接合住心轴130a的至少一个刷子110a和接合住心轴130a的旋转装置102。
心轴130a具有：相对的端部172a、174a；在端部172a、174a之间延伸的外表面133a；和与外表面133a相对且形成小孔150a的内表面177a。流体通道150a从心轴130a的端部172a朝向端部174a延伸，且具有由通过心轴130a形成的端壁175a封闭的相对端部。心轴130a可通过注塑模制形成。心轴130a的外表面133a可形成于纵向中心轴线a1周围，且可按以下方式在中心轴线a1周围变得平衡：当刷子110a和心轴130a围绕中心轴线a1旋转时，由刷子110a和心轴130a产生的离心力变化不大于约±20％，从而提供相对平衡的部件。心轴130a由刚性材料形成，且可(例如)由塑料、PET、PVC形成。
心轴130a的外表面133a在其中具有至少一个连续凹槽170a，其形成阿基米德螺纹形状，且其沿着心轴130a连续延伸，且优选地，从端部172a延伸到端部174a。阿基米德螺纹形状的螺纹匝由心轴130a的外表面133a相互分开，使得外表面133a露出。如在示例性实施例中所展示，心轴130a具有形成四个阿基米德螺纹形状的四个凹槽170a，每一凹槽170a沿着心轴130a连续延伸，且优选地，从端部172a延伸到端部174a，且阿基米德螺纹形状由心轴130a的外表面133a相互间隔开。如果提供不止一个阿基米德螺纹形状，那么阿基米德螺纹形状可由多种节距形成。阿基米德螺纹形状可在形成心轴130a时被模制，或可机械加工到心轴130a的外表面133a内。当被机械加工时，心轴130a的外表面133a形成为圆柱体，且在外表面133a内机械加工凹槽。每一凹槽170a由形成于心轴130a中的壁178a形成。壁178a可呈多种横截面形状。举例来说，壁178a的横截面形状可为弓形，如图11中所展示；并且可以是非弓形形状，例如，如图14和图16中展示的大体三角形。
参看图11，流体通道小孔156a形成于壁178a与中空流体通道150a之间，用于使流体从流体通道150a流动到心轴130a的外表面133a，且流动到刷子110a。此类流体可用于清洁和/或抛光衬底/半导体104。此类流体的合适实例可包括(但不限于)酸、碱、超纯水。
在一个实施例中，心轴130a还包括旋转接合部件160a，用于与旋转装置102接合和连接(就像图3的那样)。旋转接合部件160a为任意装置，只要其可用以与另一装置连接或紧固到另一装置，且包括例如螺母形零件或与心轴130a一起整体形成为单件且可紧固到旋转装置102的其他多边形零件之物。旋转装置102包括任意装置，只要其可诱发心轴130a的旋转运动，例如，电动机、气动机或引擎、通过电动机供电或手动供电的曲柄轴，和自动或手动移动的滑轮、轮、机械连杆和/或齿轮的任何组合。旋转装置102具有互补的接合部件，该互补的接合部件与旋转接合部件160a连接以用于使心轴130a与旋转装置102接合和连接。
刷子110a接合在形成于心轴130a上的每一凹槽170a内。每一刷子110a为聚醋酸乙烯酯(PVA)泡沫体、聚氨酯泡沫体、其他聚合泡沫体或适于令人满意地清洁和/或抛光衬底/半导体104的表面106的其他吸附性材料。如所展示的，每一刷子110a为细长的薄型部件，其部分地坐落于心轴130a中的凹槽170a内，且部分地从心轴130a的外表面133a向外延伸。刷子110a可完全坐落于凹槽170a内以填满凹槽170a，或可部分地坐落于凹槽170a内使得在刷子110a与凹槽170a的最靠近中心轴线a1的部分之间提供间隙。刷子110a可具有多种横截面，例如，具有如图9到图12中展示的圆形形状，或非圆形形状，例如(但不限于)如图13和图14中展示的三角形、如图15和图16中展示的梯形、椭圆形、五边形或八边形。每一刷子110a的外表面114a从心轴130a的外表面133a径向向外。每个刷子110a的外表面114a的横截面形状可呈多种形状，例如(但不限于)如图9到图12中展示的曲面形状、如图13和图14中展示的三角形的顶点和如图15和图16中展示的大体平坦的。每一刷子110a坐落于其相关联的凹槽170a内，每一凹槽170a比坐落于其中的刷子110a稍小，且每一刷子110a优选地通过摩擦配合而固定于凹槽170a内。可提供用于将刷子110a固定到凹槽170a内的其他结构，例如，粘合剂和类似物。由于凹槽170a比坐落于其中的相关联的刷子110a更小，因此凹槽170a的壁178a形成接合部件以防止在心轴130a与刷子110a之间的旋转和轴向运动，且防止心轴130a与刷子110a之间的滑动。因而，刷子110a形成至少一个阿基米德螺纹形状。
如果将一个以上刷子110a设置在心轴130a上，那么由刷子110a形成的阿基米德螺纹形状的节距对于各种刷子110a是可变化的。如果刷子110a变得磨损，那么可将刷子从心轴130a去除和更换。
在操作中，刷子110、110a附接到心轴130、130a。通过将旋转接合部件160、160a与旋转装置102上的接合部件连接，心轴130、130a与安装于其上的刷子110、110a则与旋转装置102连接。其后，心轴130、130a与安装于其上的刷子110、110a一起围绕中心轴线a1在旋转方向α上旋转，所述中心轴线a1与衬底/半导体104的表面106的表面平行。当旋转刷子110、110a时，或在旋转刷子110、110a前，刷子110、110a放置于衬底/半导体104的表面106附近且接合住衬底/半导体104的表面106。在图示的示例性实施例中，刷子110、110a和心轴130、130a在两端部处支撑，并且只接触衬底/半导体104的表面106跨其直径的一部分。在实施例中，刷子110、110a和心轴130、130a可只在其一端部处支撑。在本公开的一些实施例中，刷子110、110a和心轴130、130a接触衬底/半导体104的表面106的并非全部直径(即，小于衬底/半导体104的直径的百分之百)。在本公开的其他实施例中，刷子110、110a和心轴130、130a接触小于衬底/半导体104的直径的约百分之七十。在本公开的另外实施例中，刷子110、110a和心轴130、130a接触小于衬底/半导体104的直径的约百分之六十。在本公开的再一些其他实施例中，刷子110、110a和心轴130、130a接触衬底/半导体104的直径的约百分之五十。
参看图8，刷子110、110a接合住衬底/半导体104与围绕第一中心轴线a1定位的心轴130、130a。在将刷子110、110a与衬底/半导体104接合之后，在第一旋转方向α上围绕第一中心轴线a1旋转刷子110、110a，且在第二旋转方向β上围绕穿过衬底/半导体104的中心形成的第二中心轴线旋转衬底/半导体104。第一中心轴线a1与第二中心轴线径向对准且与第二中心轴线相交。刷子110、110a在表面106上的旋转运动帮助清洁和/或抛光表面106。在一个实施例中，流体被泵送通过流体通道150、150a，且通过小孔156、156a进入刷子110、110a内。流体帮助进一步清洁和/或抛光衬底/半导体104。在第二实施例的情况下，直接在刷子110、110a下方提供小孔156a以确保将流体引导到刷子110、110a。
在每一实施例中，且如图17中展示，由刷子110、110a形成的阿基米德螺纹形状将尘粒12系统性地移动远离和移离衬底/半导体表面106，从而最终提供更有效率的清洁过程。在衬底/半导体表面106上的尘粒12通过刷子110、110a的外表面114、114a聚拢，并且沿着刷子110、110a的长度行进，且从刷子110、110a的端部弹出。结果，阿基米德螺纹形状在衬底/半导体104的中心比关于现有技术刷子的常规凸瘤设计提供改善的清洁。
应理解，本文中揭示的刷子110、110a适于清洁和/或抛光任何大小和形状的衬底/半导体104。此外，虽然以上说明性实例描述具有大体圆柱形刷子110或心轴130、130a的清洁系统100、100a，但刷子110或心轴130、130a(其在第二实施例中也将导致圆锥形刷子110a)可为圆锥形。
提供摘要以允许读者快速确定技术公开的本质。应理解，其将不用以解释或限制权利要求书的范围或意义。此外，在前述具体实施方式中，可看出，为了公开的流线型化的目的，在各种实施例中将各种特征分群在一起。此公开的方法不应被解释为反映主张的实施例需要比在每一权利要求中明确所叙述多的特征的意图。相反地，如所附权利要求反映，发明性标的物在于单个公开的实施例的少于全部特征。因此，所附权利要求在此并入到具体实施方式内，其中每一权利要求独立作为单独主张的标的物。
虽然已描述本发明的各种实施例，但对所属领域的一般技术人员将显而易见，其他实施例和实施在本发明的范围内是可能的。因此，除了按照随附的权利要求和其等效内容之外，本发明不应受到限制。

Claims (20)

1.一种用于清洁衬底的清洁装置，所述清洁装置包括：
心轴；以及
刷子，所述刷子包括吸附性材料并且所述刷子接合至所述心轴，其中所述刷子包括从所述刷子的表面突出的阿基米德螺纹形状，其中所述阿基米德螺纹包括沿着所述阿基米德螺纹的长度的至少两个不同的节距。
2.根据权利要求1所述的清洁装置，其中包括所述阿基米德螺纹形状的所述刷子是以下中的一者：
模制刷子，或
所述刷子上的机械加工图样。
3.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述阿基米德螺纹形状是单个连续的阿基米德螺纹形状。
4.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述心轴和所述刷子中的一者或两者是圆柱形形状。
5.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述心轴和所述刷子中的一者或两者是圆锥形形状。
6.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述刷子包括聚醋酸乙烯酯泡沫体、聚氨酯泡沫体和聚合泡沫体中的一者。
7.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述心轴包括：
外表面，
内表面，所述内表面形成中空流体通道，以及
多个小孔，所述多个小孔从所述中空流体通道径向向外延伸至所述外表面。
8.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述刷子的长度与所述心轴的长度基本相等。
9.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述心轴包括第一接合构件，并且所述刷子包括第二接合构件，所述第二接合构件配置为接合至所述第一接合构件以将所述心轴牢固地固持至所述刷子。
10.根据权利要求1所述的清洁装置，其中所述阿基米德螺纹形状从所述刷子的第一端部延伸至与所述第一端部相对的所述刷子的第二端部。
11.一种用于清洁衬底的清洁装置，所述清洁装置包括：
心轴，所述心轴包括：
外表面；
内表面，所述内表面形成中空流体通道；以及
多个小孔，所述多个小孔从所述中空流体通道径向向外延伸至所述外表面；以及
刷子，所述刷子包括吸附性材料并且所述刷子接合至所述心轴，其中所述刷子包括从所述刷子的表面突出的阿基米德螺纹形状，其中所述阿基米德螺纹包括沿着所述阿基米德螺纹的长度的至少两个不同的节距。
12.根据权利要求11所述的清洁装置，其中所述刷子包括聚醋酸乙烯酯泡沫体、聚氨酯泡沫体和聚合泡沫体中的一者。
13.根据权利要求11所述的清洁装置，其中所述刷子的长度与所述心轴的长度基本相等。
14.根据权利要求11所述的清洁装置，其中所述心轴包括第一接合构件，并且所述刷子包括第二接合构件，所述第二接合构件配置为接合至所述第一接合构件以将所述心轴牢固地固持至所述刷子。
15.根据权利要求11所述的清洁装置，其中所述阿基米德螺纹形状从所述刷子的第一端部延伸至与所述第一端部相对的所述刷子的第二端部。
16.一种用于清洁衬底的清洁装置，所述清洁装置包括：
心轴；以及
刷子，所述刷子包括吸附性材料并且所述刷子接合至所述心轴，其中所述刷子包括从所述刷子的表面突出的阿基米德螺纹形状，其中所述阿基米德螺纹形状是单个连续的阿基米德螺纹形状，以及
其中所述阿基米德螺纹包括沿着所述阿基米德螺纹的长度的至少两个不同的节距。
17.根据权利要求16所述的清洁装置，其中所述刷子的长度与所述心轴的长度基本相等。
18.根据权利要求16所述的清洁装置，其中所述心轴包括第一接合构件，并且所述刷子包括第二接合构件，所述第二接合构件配置为接合至所述第一接合构件以将所述心轴牢固地固持至所述刷子。
19.根据权利要求16所述的清洁装置，其中所述阿基米德螺纹形状从所述刷子的第一端部延伸至与所述第一端部相对的所述刷子的第二端部。
20.一种用于清洁衬底的清洁装置，所述清洁装置包括：
心轴；以及
刷子，所述刷子接合至所述心轴，其中所述刷子在所述心轴的外表面上形成多个阿基米德螺纹形状，
其中所述刷子由细长的吸附性材料形成，所述细长的吸附性材料位于所述心轴的凹槽内，其中所述阿基米德螺纹形状包括沿着所述阿基米德螺纹的长度的至少两个不同的节距。
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