CN113118951A - 一种空化射流喷嘴及具有该喷嘴的晶圆处理装置 - Google Patents

Abstract

一种用于晶圆制造中后清洗的空化射流喷嘴，包括喷嘴主体，喷嘴主体中设有进水腔、谐振腔、出水腔和分岔通道；所述谐振腔位于进水腔和出水腔之间，两端分别与进水腔和出水腔连通；所述进水腔和出水腔为圆台形空腔，圆台较小的底面均与谐振腔连通；所述出水腔侧壁与至少一个分岔通道连通；所述分岔通道将所述出水腔与外部气源连通。

Description

一种空化射流喷嘴及具有该喷嘴的晶圆处理装置

技术领域

本发明属于晶圆制造技术领域，具体而言，涉及一种空化射流喷嘴及具有该喷嘴的晶圆处理装置。

背景技术

化学机械抛光是集成电路制造中实现全局平坦化的一种超精密表面加工工艺。这种方法通常将含有磨粒和化学成分的抛光液施加于旋转的抛光垫上，同时用承载头将晶圆抵压于抛光垫上并带动晶圆与抛光垫同向旋转，使得晶圆的待抛光表面在抛光液的化学成分所产生的化学作用和抛光液所包含的磨粒所产生的机械作用下被抛光。

由于在化学机械抛光过程中，晶圆表面会吸附磨粒和抛光碎屑以及有机物等污染物，如不及时去除将在后续工艺中产生大量缺陷，因此需要采用后处理工艺对抛光后的晶圆进行清洗和干燥，以提供光滑洁净的晶圆表面。

抛光后清洗的作用是去除晶圆表面的颗粒和各种化学物质，并在清洗过程中避免对晶圆表面和内部结构的腐蚀及破坏，可分为湿法清洗和干法清洗，目前常用的湿法清洗是在溶液环境下清洗晶圆，比如清洗剂浸泡、机械擦洗、湿法化学清洗等。

当采用清洗工具擦洗晶圆时，清洗组件向晶圆表面喷射去离子水或者化学品作为清洗液。此时如果旋转晶圆，可以借助离心作用去除晶圆表面的一部分颗粒，相对于单纯的机械擦洗，这种清洗方式效果更佳。若事先对清洗液进行空化处理，使其含有大量气泡，则气泡在晶圆表面溃灭而产生的强烈冲击可以将表面的污染物撞击下来，进一步提高清洗效果。但如果空化效果过强，则空化射流可能对晶圆表面造成损伤。

另外，当采用清洗工具擦洗晶圆时，污染物会附着和积聚在清洗工具上，若不加以处理，这些污染物可能对晶圆造成二次污染，降低清洗效率和洁净度。因此，需要及时对擦洗晶圆的清洗工具进行清洁，换言之，使清洗工具具备自清洁能力。

发明内容

本发明提供了一种空化射流喷嘴及具有该喷嘴的晶圆处理装置，旨在一定程度上解决上述技术问题，其技术方案如下：

本发明实施例的第一方面提供了一种空化射流喷嘴，包括包括喷嘴主体，喷嘴主体中设有进水腔、谐振腔、出水腔和分岔通道；谐振腔位于进水腔和出水腔之间，两侧分别与进水腔和出水腔连通；进水腔和出水腔为圆台形空腔，圆台较小的底面均与谐振腔连通；出水腔侧壁与至少一个分岔通道连通；分岔通道将出水腔与外部气源连通。

在一个实施例中，进水腔的较小底面直径大于出水腔的较小底面直径；谐振腔为底面之一带有圆台形凹陷的圆柱形空腔，其直径大于进水腔的较小底面直径，圆台形凹陷与出水腔的较小底面连通。

在一个实施例中，进水腔、谐振腔和出水腔三者同轴设置；分岔通道与喷嘴中轴线的夹角小于90度。

在一个实施例中，进水腔的圆台母线与轴线的夹角在20到40度之间，出水腔的圆台母线与轴线的夹角在10到20度之间。

本发明实施例的第一方面提供了一种晶圆处理装置，包括清洗腔、清洗部、喷淋单元和清洁单元；清洗腔用于接收需要清洗的晶圆；清洗部可转动地安装于清洗腔内，用于擦洗晶圆表面；喷淋单元设置于清洗部上方，并在清洗部擦洗晶圆的过程中向晶圆表面喷洒清洗液；清洁单元设置于清洗腔中，当清洗部完成晶圆清洗后，清洁单元将经过加压的清洁液喷射在清洗部表面进行清洁；喷淋单元和/或清洁单元采用如上述任一实施例中的空化射流喷嘴。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：通过调节分岔通道的气流压力，可以控制空化射流的空化程度，避免因空化作用过强而对被清洁的物品造成损伤；通过清洁单元对清洗部进行清洁，可以将清洗部上吸附的污染物及时清理掉，避免带有上述污染物的清洗部在继续擦洗晶圆时造成二次污染或产生划伤；同时，对清洗部的清洁延长了清洗部的使用寿命，避免频繁更换清洗部，从而有效降低了晶圆后处理的成本。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：

图1是一种化学机械抛光设备整体结构的俯视图；

图2是本发明一个实施例中的晶圆处理装置的侧视图；

图3是本发明一个实施例中的晶圆处理装置的侧视图；

图4是本发明一个实施例中的喷淋单元的立体图；

图5是本发明一个实施例中的清洁单元的立体图；

图6是本发明一个实施例中的空化射流喷嘴的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

图1是一种化学机械抛光设备整体结构的俯视图，该化学机械抛光装备包括前端模块1、抛光单元2、清洗单元3及控制单元4，前端模块1、抛光单元2及清洗单元3独立设置，控制单元4对基板处理动作进行控制。

抛光单元2是对基板表面进行化学机械抛光的区域，其包括第1抛光单元2A、第2抛光单元2B、第3抛光单元2C及第4抛光单元2D，第1抛光单元2A、第2抛光单元2B、第3抛光单元2C及第4抛光单元2D沿化学机械抛光装备的长度方向排列。

清洗单元3包括清洗模块和干燥模块。清洗模块包括驱动组件以及清洗组件，驱动组件带动基板旋转的同时清洗组件绕垂直于基板表面的轴线摆动以向基板表面喷射流体。例如，在利用清洗组件向基板表面喷射去离子水或者化学品清洗基板表面时，基板旋转，可以通过离心力的作用去除基板表面的颗粒。干燥模块与清洗模块并排布置，其中干燥模块用于对基板进行干燥，去除基板表面的液体，避免附着在基板表面的液滴在自然晾干的过程中在基板表面产生水渍，从而保证基板的清洗效果。在一些实施例中，清洗模块可以选择毛刷和/或兆声清洗方式，其与干燥模块并排设置于抛光单元2的外侧。

图2是清洗模块中的晶圆处理装置之一的侧视图，该装置用于去除晶圆W的两个表面上的化学机械抛光残留物，例如磨料颗粒、抛光产生的碎屑和抛光液成分。如图所示，该晶圆处理装置包括清洗腔12、清洗部10、喷淋单元11和清洁单元20。在清洗过程中，清洗腔12用于接收需要清洗的晶圆W，晶圆W由多个辊(未示出)支撑以保持竖直，并且可以通过辊的旋转实现绕自身圆心旋转。

清洗腔12中设有一对清洗部10，用于擦洗晶圆W的两个表面，清洗部10可以是毛刷，也可以由诸如PVA的多孔的或海绵状的弹性材料制成；清洗部10可以是圆柱形，由驱动装置驱动以绕轴旋转和沿竖直方向及水平方向移动。

喷淋单元11与供液装置连接，用于将清洗液喷洒到晶圆W的两个表面。清洗液可以针对具体需求采用有机酸、无机酸、有机碱、无机碱、有机溶剂、表面活性剂、过氧化物水溶液、去离子水等不同类型的液体。喷淋单元可以由驱动装置驱动，在清洗过程中将清洗液精确地施加于晶圆W表面的指定部位。

清洗腔12中设置有一对清洁单元20，当对晶圆W的清洗完成后，清洗部10可以从执行擦洗动作的第一位置被移动至更靠近清洁单元20的第二位置，在该位置接受清洁单元20的清洁。

图3是本发明的一个实施例中的晶圆处理装置的侧视图。如图所示，在对清洗部10进行清洁之前，喷淋单元11停止喷洒清洗液，晶圆W从清洗腔12上方移出，且清洗部10移动至第二位置。清洁单元20将清洁液喷射至清洗部10的表面以去除污染物。

喷淋单元11的立体视图见图4，其长度方向与晶圆表面平行，沿长度方向设有多个喷嘴111。喷嘴111可以采用空化射流喷嘴(cavitation jet nozzle)，空化射流喷嘴可以产生含有空化气泡的液流，利用气泡破裂带来的气蚀效应去除污染物。每个喷嘴111的指向和供液量可以单独调节。为了使喷嘴111的喷射范围更均匀，喷淋单元11设置为可沿长度方向往复运动。

清洁单元20的立体视图见图5，其长度方向与清洗部10的主轴平行，沿长度方向设有多个喷嘴201，喷嘴201可以采用空化射流喷头。为了使喷嘴201的喷射范围更均匀，清洁单元20设置为可沿长度方向往复运动。清洁单元20所采用的清洁液可以是去离子水。

喷嘴111和/或喷嘴201的立体视图见图5，喷嘴主体中设有进水腔31、谐振腔32、出水腔33和分岔通道34；谐振腔32位于进水腔31和出水腔33之间，两端分别与进水腔31和出水腔33连通；进水腔31和出水腔33为圆台形空腔，圆台较小的底面均与谐振腔32连通；出水腔33侧壁与至少一个分岔通道34连通；分岔通道34将出水腔33与外部气源连通。

在本发明的一个实施例中，进水腔31的较小底面直径大于出水腔33的较小底面直径；谐振腔32为底面之一带有圆台形凹陷的圆柱形空腔，其直径大于进水腔31的较小底面直径，圆台形凹陷与出水腔33的较小底面连通。

当水流流入喷嘴主体的进水腔31时，由于通道逐渐变窄，根据文丘里管效应可知水流流速增大、压强减小，从而产生固壁型空化，在进水腔31内壁形成气核，气核随压强减小发育膨胀，形成空化气泡。当水流流入谐振腔32时，由于谐振腔32的圆台形凹陷形成特定的反射面，被该反射面反射的压力波与入射压力波叠加。通过精确设定谐振腔的几何尺寸，可以使入射压力波和反射压力波的相位相同，形成谐振，水流在谐振的周期性激励下，会产生振荡形空化。通过分岔通道34向出水腔33通入压缩气体，可在流经出水腔33的水流中造成涡流，从而产生旋涡型空化。在喷嘴主体中，三种空化同时产生，射流的空化效果显著。

现有技术中，空化射流喷嘴的形状和结构一旦确定，水流内的空化程度就随之确定，在使用中无法改变。本发明通过分岔通道引入外部气源，可以通过调节气体压强来调节旋涡型空化的强度，进而控制出水腔33中的空化气泡数量。另外，在压缩气体产生的涡流作用下，水流内部空化气泡被混合均匀，使得清洗时空化气泡被均匀施加于目标表面。最终，不仅提升了清洗效果，还可以对空化程度进行主动控制。对于晶圆清洗工艺，可以根据被清洗的材料特性调节喷嘴的空化程度，在不造成空蚀损伤的前提下尽可能提高清洗效率。

具体地，进水腔、谐振腔和出水腔三者同轴设置；分岔通道与喷嘴中轴线的夹角小于90度。进水腔的圆台母线与轴线的夹角在20到40度之间，出水腔的圆台母线与轴线的夹角在10到20度之间。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，各实施例可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本申请的保护范围之内。某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空化射流喷嘴，包括喷嘴主体，喷嘴主体中设有进水腔、谐振腔、出水腔和分岔通道；

所述谐振腔位于进水腔和出水腔之间，两端分别与进水腔和出水腔连通；

所述进水腔和出水腔为圆台形空腔，圆台较小的底面均与谐振腔连通；

所述出水腔侧壁与至少一个分岔通道连通；

所述分岔通道将所述出水腔与外部气源连通。

2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述进水腔的较小底面直径大于所述出水腔的较小底面直径；所述谐振腔为底面之一带有圆台形凹陷的圆柱形空腔，其直径大于所述进水腔的较小底面直径，所述圆台形凹陷与所述出水腔的较小底面连通。

3.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述进水腔、谐振腔和出水腔三者同轴设置；所述分岔通道与喷嘴中轴线的夹角小于90度。

4.如权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述进水腔的圆台母线与轴线的夹角在20到40度之间，所述出水腔的圆台母线与轴线的夹角在10到20度之间。

5.一种晶圆处理装置，包括清洗腔、清洗部、喷淋单元和清洁单元；

所述清洗腔用于接收需要清洗的晶圆；

所述清洗部可转动地安装于所述清洗腔内，用于擦洗晶圆表面；

所述喷淋单元设置于所述清洗部上方，并在所述清洗部擦洗晶圆的过程中向晶圆表面喷洒清洗液；

所述清洁单元设置于所述清洗腔中，当清洗部完成晶圆清洗后，所述清洁单元将经过加压的清洁液喷射在清洗部表面进行清洁；

所述喷淋单元和/或清洁单元采用如权利要求1-5中任一项所述的空化射流喷嘴。

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