CN113471108B - 一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置，包括：用于竖直旋转晶圆的夹持机构和用于输送流体的供给臂；供给臂可竖直地摆动并经由设置于其自由端处的喷射机构将流体供应至晶圆上；喷射机构包括第一喷射组件、第二喷射组件和具有多个喷淋孔的喷淋杆，第一喷射组件位于第二喷射组件和喷淋杆的上方；第一喷射组件包括第一摆臂以及设置在第一摆臂上的喷气嘴；第二喷射组件包括第二摆臂以及设置在第二摆臂上的喷液嘴；其中，喷淋杆、第一摆臂、和第二摆臂沿供给臂延长，并且可旋转地固定配置于供给臂的自由端。

Description

一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置

技术领域

本发明涉及化学机械抛光后处理技术领域，尤其涉及一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置。

背景技术

晶圆制造是制约超大规模集成电路(即芯片,IC,Integrated Circuit Chip)产业发展的关键环节。随着集成电路特征尺寸持续微缩，晶圆表面质量要求越来越高，因而晶圆制造过程对缺陷尺寸和数量的控制越来越严格。逻辑芯片制程中，当特征尺寸从14nm发展至7nm时，19nm以上污染物的控制范围也从100减小至50颗，逐步逼近清洗技术和量测技术极限。污染物是造成晶圆表面质量下降甚至产生缺陷的重要因素，因此需要采用清洗技术将晶圆表面污染物解吸，从而获得超清洁表面，特别是在化学机械抛光(CMP,ChemicalMechanical Polishing)的后清洗干燥中，容易遇到污染物残留、液痕等缺陷(亦称为水痕，water mark)，这将严重影响芯片制造良率。

因此，避免在干燥过程产生污染物残留、液痕等缺陷是至关重要的。

然而在现有技术的清洗步骤中，由于对晶圆直接喷射漂洗液的区域范围小，距离漂洗剂喷射落点较远的晶圆表面位置的清洗力度较小，难以彻底清除污染物，导致容易产生污染物残留；同时，随后的干燥步骤，因承担了部分清洗步骤里残留下来的清洗压力，导致干燥步骤里不能采用更适合于干燥功能的工艺条件，容易产生水痕缺陷，工艺过程后的晶圆表面清洁度不高，且生产效率低。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例提供了一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置，包括：用于竖直旋转晶圆的夹持机构和用于输送流体的供给臂；所述供给臂可竖直地摆动并经由设置于其自由端处的喷射机构将流体供应至晶圆上；

所述喷射机构包括第一喷射组件、第二喷射组件和具有多个喷淋孔的喷淋杆，所述第一喷射组件位于第二喷射组件和喷淋杆的上方；所述第一喷射组件包括第一摆臂以及设置在第一摆臂上的喷气嘴；所述第二喷射组件包括第二摆臂以及设置在第二摆臂上的喷液嘴；其中，所述喷淋杆、第一摆臂、和第二摆臂沿所述供给臂延长，并且可旋转地固定配置于所述供给臂的自由端。

在一个实施例中，在晶圆清洗过程中，喷淋杆工作以对晶圆表面进行冲洗；在晶圆干燥过程中，喷淋杆不工作，第一喷射组件和第二喷射组件配合工作以进行马兰戈尼干燥。

在一个实施例中，所述喷淋杆平行于第一摆臂和第二摆臂。

在一个实施例中，所述喷淋杆上的喷淋孔的液体喷射方向为垂直和/或倾斜朝向晶圆表面喷射。

在一个实施例中，所述喷淋杆上的喷淋孔的液体喷射方向与垂直晶圆方向之间的夹角在0～60°之间。

在一个实施例中，当供给臂处于非竖直状态时喷液嘴配置于喷气嘴的下方。

在一个实施例中，所述喷液嘴设置成在随供给臂和第二摆臂运动过程中可以掠过晶圆的圆心。

在一个实施例中，所述喷射机构还包括与所述喷气嘴连通的第一管路、与所述喷液嘴连通的第二管路、以及与所述喷淋杆连通的第三管路。

在一个实施例中，所述第一管路和喷气嘴用于输送并喷射含表面活性物质的干燥气体。

在一个实施例中，所述第二管路、喷液嘴、第三管路和喷淋杆用于输送并喷射漂洗液。

本发明实施例的有益效果包括：通过设置一具有多个喷淋孔的喷淋杆，用来向晶圆表面喷射漂洗液，喷淋杆上的喷淋孔的喷射落点分布在晶圆半径方向上从而大面积覆盖晶圆表面，进而利用大量漂洗液对晶圆表面进行冲洗，大大提高了竖直清洗的效果，减少了晶圆表面污染物的残留。

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为本发明一实施例提供的基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置的立体示意图；

图2为本发明一实施例提供的喷射机构的立体示意图；

图3为本发明一实施例提供的喷淋杆的一种喷射角度的示意图；

图4为本发明另一实施例提供的喷淋杆的另一种喷射角度的示意图。

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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，晶圆(wafer)也称为基板(substrate)，其含义和实际作用等同。

如图1所示，根据本申请的基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置1包括：箱体(未示出)和设置于箱体中的夹持机构20、供给臂30、转轴件40等，还包括设置于箱体底部的电机组件(未示出)。其中，夹持机构20具有多个卡爪21以固持晶圆W并带动晶圆W在箱体内竖直旋转。供给臂30具有两端，一端与转轴件40连接，另一端为自由端，自由端可绕转轴件40转动。转轴件40垂直于晶圆W设置。供给臂30还与电机组件连接使得供给臂30可在电机组件的驱动下围绕转轴件40转动，从而实现供给臂30在平行于晶圆W所在平面的竖直平面内摆动。并且，供给臂30在其自由端配置有喷射机构10，使得可以经由随供给臂30移动的喷射机构10将流体供应至旋转的晶圆W的全局表面。

目前在晶圆清洗步骤中，即晶圆清洗过程，使用1个漂洗液喷嘴正对晶圆W中心进行喷射，因其优势冲洗范围主要集中在漂洗剂喷射落点附近，即晶圆W圆心附近，使得该漂洗液喷嘴对晶圆W表面远离圆心的靠外区域的冲洗能力有限，不利于把全部晶圆W表面残留的化学药液、及残留液体中悬浮的污染物微粒快速冲洗掉，这给随后的马兰戈尼(Marangoni)干燥步骤带来了压力。晶圆干燥步骤，即晶圆干燥过程，除了要考虑马兰戈尼干燥的效果以外，还需要额外完成继续冲洗晶圆W以降低残余污染的任务。如果晶圆清洗步骤的效果不佳，会拖慢晶圆干燥步骤的效率和整体工艺流程的效率，也会对干燥效果造成干扰，可能因此产生本可不必的水痕缺陷。

基于以上分析，为了提高晶圆清洗的效果，如图1和图2所示，本发明实施例提供的喷射机构10包括第一喷射组件11、第二喷射组件14和具有多个喷淋孔18的喷淋杆17，第一喷射组件11位于第二喷射组件14和喷淋杆17的上方；第一喷射组件11包括第一摆臂12以及设置在第一摆臂12上的喷气嘴13；第二喷射组件14包括第二摆臂15以及设置在第二摆臂15上的喷液嘴16；其中，喷淋杆17、第一摆臂12、和第二摆臂15沿供给臂30延长，并且可旋转地固定配置于供给臂30的自由端。

如图1和图2所示，在一个实施例中，第一喷射组件11包括2个喷气嘴13。喷气嘴13设置于靠近第一摆臂12自由端的位置。喷液嘴16设置于靠近第二摆臂15自由端的位置。喷液嘴16设置成在随供给臂30和第二摆臂15运动过程中可以掠过晶圆W的圆心。并且，当供给臂30处于非竖直状态时喷液嘴16配置于喷气嘴13的下方。

本发明实施例通过设置一具有多个喷淋孔18的喷淋杆17，用来向晶圆表面喷射漂洗液，喷淋杆17上的喷淋孔18的喷射落点分布在晶圆半径方向上从而大面积覆盖晶圆表面，进而利用大量漂洗液对晶圆表面进行冲洗，大大提高了竖直清洗的效果，减少了晶圆表面污染物的残留。

可以理解的是，第一喷射组件11、第二喷射组件14和喷淋杆17可以分别单独控制，以在不同的工艺步骤中执行不同的工作。例如，喷淋杆17和喷液嘴16可同时工作，即同时向晶圆表面喷射漂洗液；也可以不同时工作，比如喷液嘴16单独工作，而喷淋杆17不工作。

并且，喷淋杆17、第一摆臂12、和第二摆臂15可分别旋转，即三者分别以各自与供给臂30的连接点为基点绕各自的轴旋转。从而实现了喷淋杆17、喷气嘴13、和喷液嘴16可分别调整喷射角度，进行根据不同工艺需求改变喷淋范围和角度，提高了自适应能力，利于实际现场作业。

如图1和图2所示，在一个实施例中，喷淋杆17平行于第一摆臂12和第二摆臂15。喷淋杆17和喷液嘴16并排且均朝向晶圆W设置，喷淋杆17位于喷液嘴16内侧，或者，喷淋杆17位于第一摆臂12和第二摆臂15之间。第一摆臂12和第二摆臂15的轴线彼此平行并且都垂直于转轴件40的轴线。

在一个实施例中，喷淋杆17的长度不大于第二摆臂15的长度。喷淋杆17和喷液嘴16配合使用能够将漂洗液喷淋至覆盖完整晶圆半径的区域。

具体地，喷淋杆17上的喷淋孔18的孔径为0.15～1mm，孔间矩为1～20mm，喷淋杆17的杆内径为2～10mm，杆外径为6～20mm。

如图3和图4所示，在一个实施例中，喷淋杆17上的喷淋孔18的液体喷射方向为垂直和/或倾斜朝向晶圆表面喷射。

其中，如图3所示，喷淋孔18的液体喷射方向可以是垂直晶圆W方向喷射。如图4所示，喷淋孔18的液体喷射方向也可以是和垂直晶圆W方向呈一定夹角θ喷射，进一步地，液体喷射方向与晶圆W转动方向相逆。若该夹角θ使喷淋孔18喷射的液体流在晶圆W上的速度投影方向和晶圆W转动方向相逆，则液体流会和晶圆表面产生更大的相对速度，对晶圆W的冲洗能力更强。该夹角θ可以在0～60°之间。

在本发明的一个实施例中，第一喷射组件11还包括与喷气嘴13连通的第一管路(未示出)，第一管路穿过第一摆臂12和供给臂30连接于供气源。第二喷射组件14还包括与喷液嘴16连通的第二管路(未示出)，第二管路穿过第二摆臂15和供给臂30连接于供液源。另外，喷射机构10还包括与喷淋杆17连通的第三管路(未示出)，第三管路穿过供给臂30连接于供液源。

其中，第一管路和喷气嘴13用于输送并喷射含表面活性物质的干燥气体。干燥气体为一种至少包含诸如异丙醇(IPA,iso-Propyl alcohol)之类的可降低漂洗液表面张力的表面活性物质的混合物。

第二管路、喷液嘴16、第三管路和喷淋杆17用于输送并喷射诸如去离子水(DIW，deionized water)或含有去离子水的漂洗液。漂洗液的表面张力高于干燥气体中表面活性物质的表面张力。

为借助离心力和马兰戈尼效应(Marangoni Effect)实现对晶圆W的干燥，将喷射至晶圆表面的漂洗液彻底剥离以实现晶圆W的彻底干燥，第一摆臂12和第二摆臂15的轴线彼此平行并且都垂直于转轴件40的轴线，第一摆臂12的端部(靠近自由端处)配置有朝晶圆W所在的平面喷射干燥气体的2个喷气嘴13，第二摆臂15的端部(靠近自由端处)配置有朝晶圆W所在平面喷射漂洗液的一个喷液嘴16，并且第二摆臂15设置于第一摆臂12的下方，使得当供给臂30处于非竖直状态时喷液嘴16配置于喷气嘴13下方。然而，应该理解的是，本申请在此方面不受限制。

下面对本装置的作业步骤进行说明。

在本发明的一个实施例中，在晶圆清洗步骤中，喷淋杆17工作以对晶圆表面进行冲洗；在晶圆干燥步骤中，喷淋杆17不工作，第一喷射组件11和第二喷射组件14配合工作以进行马兰戈尼干燥。

进一步地，在一个实施例中，在晶圆清洗过程中，喷淋杆17和喷液嘴16同时工作，从而对晶圆表面进行冲洗。

本实施例通过改进在晶圆清洗步骤中漂洗液的喷射结构和喷射方式，增大了晶圆清洗步骤中的优势冲洗范围，从而提高对整个晶圆表面的冲洗效果。

在晶圆清洗步骤中，喷液嘴16的喷射落点正对晶圆圆心，喷淋杆17上的喷淋孔18的喷射落点分布在晶圆半径方向上，实现了在喷液嘴16朝晶圆表面喷射大流量漂洗液的同时，喷淋杆17上的喷淋孔18也在朝晶圆表面喷射大流量的漂洗液，从而提高清洗效果。

具体地，本发明实施例提供的晶圆竖直旋转处理装置1的工作过程包括：

步骤S1，放片步骤，喷射机构10保持在初始位置，装置外部的机械手把晶圆W放置在夹持机构20上，晶圆W被夹紧，在此步骤中喷气嘴13、喷液嘴16、和喷淋杆17均保持不喷射。

步骤S2，晶圆清洗步骤，喷射机构10摆动至喷液嘴16的喷射落点正对晶圆圆心的清洗位置并保持固定，晶圆W保持一定转速旋转，喷气嘴13保持不喷射，喷液嘴16保持喷射较高流量的漂洗液，同时，喷淋杆17上的喷淋孔18也保持朝晶圆表面喷射大流量的漂洗液。

其中，步骤S2中的晶圆转速可以保持在200～500rpm之间。在步骤S2中，漂洗液喷射在晶圆半径上，随着晶圆W旋转，对整个晶圆表面形成冲洗，从而将晶圆表面残留的化学药液、以及残留液体中悬浮的污染物微粒快速冲洗干净。

步骤S3，晶圆干燥步骤，喷射机构10以一定速度从步骤2所述清洗位置摆动至步骤1所述初始位置，晶圆W保持一定转速旋转，在喷射机构10摆动的过程中喷气嘴13保持喷射干燥气体，喷液嘴16保持喷射一定流量的漂洗液，而喷淋杆17保持不喷射。

其中，步骤S3中的晶圆转速可以保持在100～500rpm之间。在步骤S3中，喷射至晶圆表面的漂洗液在晶圆旋转的作用下，会形成从漂洗液在晶圆W上的落点附近开始的螺旋向晶圆边缘扩展的液流，由于干燥气体中的表面活性物质会溶解于漂洗液中，产生朝向晶圆边缘的马兰戈尼应力，漂洗液在马兰戈尼应力和离心力的作用下，随摆臂朝晶圆边缘方向扫动时而同时移向晶圆边缘，漂洗液扫过的靠内侧的晶圆区域即实现了干燥。

步骤S4，高速甩干步骤，喷射机构10保持在初始位置，喷气嘴13、喷液嘴16、和喷淋杆17均保持不喷射，晶圆保持高速旋转，从而利用离心力甩干晶圆表面的残余液体。其中，步骤S4中的晶圆转速可以保持在700～2500rpm之间。

步骤S5，取片步骤，喷射机构10保持在初始位置，夹持机构20置于非夹紧状态，装置外部的机械手把晶圆从该装置中取出，在此步骤中喷气嘴13、喷液嘴16、和喷淋杆17均保持不喷射。

综上，本发明实施例通过设置喷淋杆改进了漂洗液的喷射方式，进而改进了晶圆清洗步骤的工艺过程，增大了喷射落点在晶圆上的覆盖区域，并且由于喷射落点附近的冲刷能力较强，有效增大了晶圆清洗步骤的优势冲洗范围，从而提高了对整个晶圆表面的冲洗效果和效率，减少了晶圆表面的污染物残留缺陷。本发明实施例消除了现有技术中在晶圆清洗步骤中冲洗能力不足给晶圆干燥步骤带来的压力和干扰，可以显著缩短晶圆干燥步骤的过程时间，提高了整个工艺流程的效率，并使干燥后的晶圆表面洁净度更好。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于马兰戈尼效应的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，包括：用于竖直旋转晶圆的夹持机构和用于输送流体的供给臂；所述供给臂可竖直地摆动并经由设置于其自由端处的喷射机构将流体供应至晶圆上；

所述喷射机构包括第一喷射组件、第二喷射组件和具有多个喷淋孔的喷淋杆，所述第一喷射组件位于第二喷射组件和喷淋杆的上方；所述第一喷射组件包括第一摆臂以及设置在第一摆臂上的喷气嘴；所述第二喷射组件包括第二摆臂以及设置在第二摆臂上的喷液嘴；其中，所述喷淋杆、第一摆臂、和第二摆臂沿所述供给臂延长，并且可旋转地固定配置于所述供给臂的自由端；当供给臂处于非竖直状态时喷液嘴配置于喷气嘴的下方，喷淋杆平行于第一摆臂和第二摆臂；

所述喷淋杆上的喷淋孔的液体喷射方向与晶圆转动方向相逆；所述喷淋杆上的喷淋孔的液体喷射方向与垂直晶圆方向之间的夹角在0~60°之间；

所述喷淋杆上的喷淋孔的孔径为0.15～1mm，孔间矩为1～20mm，喷淋杆的杆内径为2～10mm，杆外径为6～20mm；

在晶圆清洗过程中，喷射机构摆动至喷液嘴的喷射落点正对晶圆圆心的清洗位置并保持固定，晶圆保持一定转速旋转，喷气嘴保持不喷射，喷液嘴保持喷射漂洗液，同时，喷淋杆上的喷淋孔也保持朝晶圆表面喷射漂洗液，其中，晶圆转速保持在200～500rpm之间；

在晶圆干燥过程中，喷射机构从清洗位置摆动至初始位置，晶圆旋转，在喷射机构摆动的过程中喷气嘴保持喷射干燥气体，喷液嘴保持喷射漂洗液，喷淋杆保持不喷射。

2.如权利要求1所述的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，在晶圆清洗过程中，喷淋杆工作以对晶圆表面进行冲洗；在晶圆干燥过程中，喷淋杆不工作，第一喷射组件和第二喷射组件配合工作以进行马兰戈尼干燥。

3.如权利要求1所述的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，所述喷淋杆上的喷淋孔的液体喷射方向为垂直和/或倾斜朝向晶圆表面喷射。

4.如权利要求1所述的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，所述喷液嘴设置成在随供给臂和第二摆臂运动过程中可以掠过晶圆的圆心。

5.如权利要求1所述的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，所述喷射机构还包括与所述喷气嘴连通的第一管路、与所述喷液嘴连通的第二管路、以及与所述喷淋杆连通的第三管路。

6.如权利要求5所述的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，所述第一管路和喷气嘴用于输送并喷射含表面活性物质的干燥气体。

7.如权利要求5所述的晶圆竖直旋转处理装置，其特征在于，所述第二管路、喷液嘴、第三管路和喷淋杆用于输送并喷射漂洗液。

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