CN113675113A - 一种晶圆水平清洗装置及清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆水平清洗装置及清洗方法，所述晶圆水平清洗装置包括：箱体；晶圆支撑部，其设置于箱体中以水平支撑待清洗的晶圆；清洗辊，其平行、间隔设置并绕其轴线滚动以刷洗晶圆的正反两面；所述晶圆支撑部包括支撑板和限位组件，所述限位组件设置于支撑板的上侧；所述限位组件包括转动座、垫圈和锁紧帽，所述转动座的顶部配置有同心的凹槽，所述垫圈卡接于所述凹槽中并由所述锁紧帽抵接；所述垫圈的外周侧配置有卡接晶圆外缘的卡槽，所述垫圈的外周侧与所述凹槽的外侧壁之间形成第一间隙，所述转动座斜向设置有连通所述第一间隙与外部的引流通道；晶圆清洗的流体将所述卡槽中的颗粒污染物经由所述第一间隙及引流通道排出。

Description

一种晶圆水平清洗装置及清洗方法
技术领域
本发明属于晶圆制造技术领域，具体而言，涉及一种晶圆水平清洗装置及清洗方法。
背景技术
在集成电路/半导体(Integrated Circuit，IC)制造的后道制程阶段，为了降低封装贴装高度，减小芯片封装体积，改善芯片的热扩散效率、电气性能、机械性能，以及减轻芯片的加工量，晶圆在后续封装之前需要进行基板减薄，减薄后的芯片厚度甚至可以达到初始厚度的5％以下。
晶圆减薄技术主要应用于基板的背面减薄，所谓背面是指晶圆未铺设有器件的一面，一般为衬底，衬底材料可以为硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石等。
在晶圆减薄或抛光后，需要对晶圆的表面进行清洗，以清除进表面的颗粒性污染物。尤其是，在晶圆减薄后，晶圆的表面会存在大量的颗粒性污染物，而颗粒性污染物会在晶圆与晶圆支撑装置的接触处残留，残留的污染物会引起晶圆的二次污染，影响晶圆的清洗效果。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明实施例的提供了一种晶圆水平清洗装置，其包括：箱体；晶圆支撑部，其设置于箱体中以水平支撑待清洗的晶圆；清洗辊，其平行、间隔设置并绕其轴线滚动以刷洗晶圆的正反两面；所述晶圆支撑部包括支撑板和限位组件，所述限位组件设置于支撑板的上侧；所述限位组件包括转动座、垫圈和锁紧帽，所述转动座的顶部配置有同心的凹槽，所述垫圈卡接于所述凹槽中并由所述锁紧帽抵接；所述垫圈的外周侧配置有卡接晶圆外缘的卡槽，所述垫圈的外周侧与所述凹槽的外侧壁之间形成第一间隙，所述转动座斜向设置有连通所述第一间隙与外部的引流通道；晶圆清洗的流体将所述卡槽中的颗粒污染物经由所述第一间隙及引流通道排出。
作为优选实施例，所述转动座的顶部配置有同心的凸起，所述垫圈套设于所述凸起并卡接于所述凹槽中，所述锁紧帽套接于所述凸起并与所述垫圈的顶面抵接；所述垫圈的外周侧与所述锁紧帽的内侧壁之间形成第二间隙，所述第二间隙的宽度不小于所述第一间隙的宽度。
作为优选实施例，所述凹槽底面外侧配置有第一容纳槽，以容纳垫圈受压的变形，所述第一容纳槽与所述第一间隙相连通；所述锁紧帽的底面外侧配置有第二容纳槽，以容纳垫圈受压的变形，所述第二容纳槽与所述第二间隙相连通。
作为优选实施例，所述引流通道倾斜向下设置，其倾斜角度为10°-60°。
作为优选实施例，所述引流通道的数量为多个，其沿转动座的轴线中心对称分布。
作为优选实施例，所述引流通道的内壁设置有疏水涂层或超疏水涂层以促进含有颗粒污染物的流体自引流通道排出。
作为优选实施例，所述引流通道为圆形孔，其自所述第一间隙倾斜向下延伸至转动座的外周侧；所述引流通道的内径大于所述第一间隙的宽度。
作为优选实施例，所述引流通道为顶面开口的矩形沟槽，所述矩形沟槽的宽度大于所述第一间隙的宽度。
作为优选实施例，所述晶圆支撑部还包括驱动电机和测速装置，所述驱动电机和测速装置分别设置于所述支撑板的端部，所述限位组件转动连接于所述驱动电机及测速装置的上部。
此外，本发明还公开了一种晶圆清洗方法，其使用上面所述的晶圆水平清洗装置，包括以下步骤：
S1，待清洗晶圆放置于箱体中并由晶圆支撑部水平支撑；
S2，清洗辊朝向晶圆移动以接触清洗晶圆的表面；
S3，晶圆支撑部的驱动电机带动限位组件旋转，在垫圈抵接于晶圆的边缘并带动晶圆绕其轴线旋转；
S4，在离心力作用下，晶圆表面的流体经由所述第一间隙及引流通道将附着于卡槽中的颗粒污染物清除。
本发明的有益效果包括：在晶圆支撑部的限位组件配置第一间隙、第二间隙、第三间隙及引流通道，清洁抵接晶圆边缘的垫圈的卡槽，防止附着于卡槽中的颗粒性污染物形成二次污染，保证晶圆的清洗效果。
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，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是本发明所述晶圆水平清洗装置的结构示意图；
图2是本发明所述晶圆支撑部的结构示意图；
图3是本发明所述限位组件的结构示意图；
图4是图3中的A处的局部放大图；
图5是本发明所述转动座的结构示意图；
图6是本发明所述离心力作用下的流体在限位组件中的流向示意图；
图7是本发明所述转动座另一个实施例的示意图；
图8是本发明所述一种晶圆清洗方法的流程图。
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。
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。
在本发明中，“化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)”也称为“化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization,CMP)”，晶圆(Wafer,W)也称基板(Substrate),其含义和实际作用等同。
IC制程中，需要在洁净间使用一些有机物和无机物。由于受到人员、环境等因素的影响，晶圆加工过程中会产生大量污染物。这些污染物大致包括颗粒、有机物、金属污染物和/或氧化物等。污染物的颗粒大小为几纳米至几百纳米不等。晶圆清洗的作用就是将晶圆表面附着的污染物移除，使得晶圆表面的污染颗粒大小及数量控制在工艺要求范围内。
图1示出了一种晶圆水平清洗装置的示意图。晶圆水平清洗装置100包括箱体10、晶圆支撑部20和清洗辊30。图1中，箱体10前侧的挡板拆除，以更好的体现晶圆水平清洗装置的内部结构。晶圆支撑部20设置于箱体10，以水平支撑带清洗的晶圆；清洗辊30平行、间隔设置于箱体10，其位于晶圆的两侧，清洗辊30的端部配置有电机，清洗辊30能够绕轴线旋转以接触的方式清洗晶圆的表面。
箱体10的内部还设置有供液管40和冲洗管50，两者平行于清洗辊30的长度方向设置。供液管40为晶圆的表面供给清洗液，冲洗管50为晶圆的清洗提供去离子水以冲洗晶圆的表面。清洗辊30可以由多孔性材料制成，如聚乙烯醇，清洗辊30能够吸附大量用于刷洗晶圆W表面的清洗液，滚动的清洗辊30与旋转的晶圆W接触以移除晶圆W表面的污染物。
晶圆支撑部20的结构示意图，如图2所示，晶圆支撑部20包括支撑板21、限位组件22、驱动电机23和测速装置24，驱动电机23和测速装置24分别设置于支撑板21的端部，限位组件22转动连接于驱动电机23及测速装置24的上部。具体地，限位组件22安装于驱动电机23的输出轴，以驱动限位组件22转动。限位组件22与晶圆的边缘抵接，在摩擦力作用下，晶圆绕其轴线转动。驱动电机23需要交错设置，以保证晶圆转动的平稳性。安装在测速装置24上侧的限位组件22在摩擦力作用下旋转，测速装置24用于检测限位组件22的转动情况，以避免从动的限位组件22停止转动而影响晶圆的支撑及转动。
进一步地，限位组件22包括转动座221、垫圈222和锁紧帽223，如图3所示，转动座221的顶部配置有同心的凸起221a和凹槽221b，如图5所示，凹槽221b同心设置于凸起221a的外周侧并位于转动座221的顶部。垫圈222套设于凸起221a并卡接于凹槽221b中，锁紧帽223设置于凸起221a的上侧，锁紧帽223的底面抵接于垫圈222的顶面。
垫圈222由柔性的橡胶材料制成，以防止晶圆边缘与垫圈222发生硬性接触而致使晶圆破损。在一些实施例中，垫圈222由聚氨酯制成。可以理解的是，垫圈222也可以由其他柔性橡胶材料制成。
垫圈222的外周侧设置有卡槽222a，以用于卡接待清洗晶圆的边缘位置。卡槽222a的截面为圆弧形或锥形，其尺寸与晶圆边缘尺寸相匹配，以防止晶圆厚度存在偏差致使卡槽222a无法可靠卡接晶圆。
图4是图3中的局部放大图，垫圈222的外周壁与凹槽221b的外侧壁之间形成第一间隙22A，转动座221配置有斜向的引流通道221c，引流通道221c的一端与第一间隙22A连通，引流通道221c的另一端与外部相连通。即流体可以经由第一间隙22A及引流通道221c排至转动座221的外部。清洗的晶圆旋转，在离心力作用下，晶圆表面的流体能够将附着于卡槽222a中的颗粒污染物剥离，颗粒污染物与流体一同经由第一间隙22A及引流通道221c排至限位组件22的外部。
进一步地，锁紧帽223为帽状结构，其下部的内侧壁与垫圈222的外周侧之间形成第二间隙22B，而第二间隙22B与第一间隙22A相连通。晶圆清洗时，在离心力作用下晶圆正面的流体将附着于卡槽222a中的颗粒污染物剥离，颗粒污染物冲洗至第二间隙22B，含有颗粒污染物的流体经由第二间隙22B进入第一间隙22A，再由第一间隙22A及引流通道221c排出，如图6所示。
图3所示的实施例中，第二间隙22B的宽度等于第一间隙22A的宽度，以便于流体由第二间隙22B进入第一间隙22A。可以理解的是，第二间隙22B的宽度也可以大于第一间隙22A的宽度。
作为本发明的另一个实施例，转动座221的凹槽221b的底面外侧配置有第一容纳槽22C，第一容纳槽22C的主要作用是容纳垫圈222受到晶圆挤压形成的变形。垫圈222未受压状态下，第一容纳槽22C与第一间隙22A相连通。为防止垫圈222受压变形后将与第一间隙22A连通的引流通道221c的端口封堵，引流通道221c的端口需要设置在凹槽221b的内侧壁与第一容纳槽22C的交接处及其以上位置。同时，锁紧帽223的底面外侧配置有第二容纳槽22D，以容纳垫圈222受压的变形。此处，锁紧帽223的底面是指与垫圈222的抵接面。第一容纳槽22C和第二容纳槽22D的深度可以为0.2-2mm。
第一容纳槽22C和第二容纳槽22D需要与垫圈222半径方向的1/5-1/3重叠，以充分容纳垫圈222的挤压变形，保证限位组件22的平稳转动。
作为本发明的一个实施例，设置在转动座221的引流通道221c倾斜向下设置，如图4所示，引流通道221c的倾斜角度θ为30°，即引流通道221c的轴线相对于水平面的夹角为30°。引流通道221c倾斜向下设置，这样能够防止转动座221在旋转时，含有颗粒污染物的流体甩至晶圆的底面而影响晶圆的清洗效果。在一些实施例中，引流通道221c的倾斜角度θ也可以为10°-60°。
进一步地，转动座221的顶面外侧设置斜面221d，斜面221d斜度在3-10°，斜面221d能够引导晶圆卡接于垫圈222的卡槽222a中，提高晶圆卡接固定的顺畅性。可以理解的是，斜面221d的内侧棱边大致与卡槽222a的下部对齐，以保证晶圆卡接固定的准确性。
为了保证晶圆底面与斜面221d之间的间隙，保证含有颗粒污染物的流体顺畅进入第一间隙22A，需要为斜面221d的内侧棱边圆角处理，以在不影响斜面导向的前提下，增加晶圆与斜面221d之间的间隙。
图4中，引流通道221c为圆形孔，其自第一间隙22A倾斜向下延伸至转动座221的外周侧；引流通道221c的内径大于第一间隙22A的宽度，以便于流体的快速排出，防止在引流通道221c的内部堵塞而影响颗粒污染物的清洁。
作为本实施例的一个方面，引流通道221c的数量为多个，其沿转动座221的轴线中心对称分布。图5所示的实施例中，引流通道221c的数量为4件，可以理解的是，引流通道221c的数量也可以为其他数量，如5件、7件、8件等。
为了保证流体在引流通道221c排出的流畅性，当根据本发明的清洗装置用于不含诸如二氧化硅等大颗粒状的磨削屑制程时，例如CMP制程后清洗，为防止颗粒污染物在内部附着，需要在引流通道221c的内壁设置有疏水涂层或超疏水涂层，以促进含有颗粒污染物的流体自引流通道排出。疏水涂层可以为帕瑞林C，其厚度可以为0.01-0.05mm，以保证限位组件22的清洁效果。
进一步，当根据本发明的清洗装置用于诸如减薄研磨(grinding for thinning)等晶圆背面去除材料加工时，所述转动座221由洛氏硬度大于等于78的硬质塑料制程并且表面及内壁不设置上述由派瑞林或特氟龙等制成的疏水涂层以防止研磨产生的硬质磨料颗粒和硬质晶圆碎屑与所述涂层摩擦使得涂层快速劣化影响清洗配方及工艺参数的稳定性(同样的清洗制程参数执行，但清洗残留的颗粒物水平存在较大差异)，从而影响清洗结果的一致性；即：作为用于减薄或磨削的晶圆水平清洗装置，转动座221优选由洛氏硬度大于等于78的硬质塑料制成并且引流通道221C、斜面221d及第一间隙22A的表面不具有由派瑞林或特氟龙等材料制成的疏水涂层；优选在转动座221优选由洛氏硬度大于等于78的硬质塑料制成并且斜面221d的表面经过氟化处理，例如通过LaMar方法使其表面更为致密和坚固，即表面能降低至小于等于10mn/m，从而在引流通道221C与斜面221d之间形成表面摩擦力梯度以增强引流通道221C的引流作用。
同时，为在上述基础上进一步增加引流通道221C对含有污染物液体的导流排出作用，俯视来看，其设置成斜向散射状，即不垂直于转动座221的内侧壁(周线)且不垂直于其外侧壁(周线)，而是朝旋转方向倾斜0-45°角，优选倾斜15-30°角从而增强其在离心力作用下的导流排除效果。进一步优选的，可在制程阶段分别安装三个具有不同角度散射的引流通道221C的旋转座221，例如第一个旋转座221的引流通道221C与经过圆形的径向偏向于旋转方向呈15°夹角，第二个呈30°夹角，第三个呈40°夹角，经过在特定清洗场景下的马拉松或持续测试后观察或计量污染物的积聚程度以确定最偏斜角度。实验发现，对于封装研磨制程(Grinding)优选偏斜角度为30至45°，对于磨削抛光制程优选偏斜角度为15至30°，对于单纯的不含有硬质磨削颗粒的诸如CMP等制程倾斜角度优选为0至15°。
作为图5所示的实施例的一个变体，引流通道221c为顶面开口的矩形沟槽，如图7所示，所述矩形沟槽朝向外侧倾斜向下设置，所述矩形沟槽的宽度大于第一间隙22A的宽度。顶面开口式的引流通道221c的设置，方便目视化检查引流通道221c的流通性，同时也方便引流通道221c的内部清洁。
作为本实施例的一个方面，引流通道221c的宽度由内向外逐渐变大，以方便含有颗粒污染物流体的排出，实现限位组件22的清洁，防止附着于垫圈222的污染物形成二次污染而影响晶圆的清洗效果。
此外，本发明还公开了一种晶圆清洗方法，其使用上面所述的晶圆水平清洗装置，其流程图，如图8所示，包括以下步骤：
S1，待清洗晶圆放置于箱体10中并由晶圆支撑部20水平支撑；
具体地，箱体10的侧部设置有放入口，搬运机械手将待清洗的晶圆经由所述放入口放置在晶圆支撑部20，晶圆支撑部20的支撑板21在气缸等移动部件的作用下水平移动，支撑板21上的限位组件22朝向晶圆移动，垫圈222的卡槽222a卡接于晶圆的边缘处；
S2，清洗辊30朝向晶圆移动以接触清洗晶圆的表面；
配置于箱体10侧壁的冲洗管50朝向晶圆喷射去离子水，清洗辊30的内部通入去离子水以使清洗辊30软化；接着，位于晶圆两侧的清洗辊30朝向晶圆移动，以与晶圆的表面接触。
S3，晶圆支撑部20的驱动电机带动限位组件22旋转，在垫圈222抵接于晶圆的边缘并带动晶圆绕其轴线旋转；
设置于支撑板21上侧的驱动电机23启动，带动限位组件22转动，在摩擦力作用下，水平支撑的晶圆绕轴线旋转；
S4，在离心力作用下，晶圆表面的流体经由第一间隙22A及引流通道221c将附着于卡槽222a中的颗粒污染物清除。
设置于箱体10侧壁的供液管40朝向晶圆表面喷射清洗液，在清洗辊30的作用下，接触清除晶圆表面的颗粒物，实现晶圆表面的清洗。
晶圆表面的流体在离心力作用下，经由第一间隙22A及引流通道221c，以将附着于卡槽222a中的颗粒污染物与流体一起排出，防止颗粒物产生二次污染，保证晶圆清洗的平稳性。
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 (10)

1.一种晶圆水平清洗装置，其特征在于，包括：
箱体；
晶圆支撑部，其设置于箱体中以水平支撑待清洗的晶圆；
清洗辊，其平行、间隔设置并绕其轴线滚动以刷洗晶圆的正反两面；
所述晶圆支撑部包括支撑板和限位组件，所述限位组件设置于支撑板的上侧；所述限位组件包括转动座、垫圈和锁紧帽，所述转动座的顶部配置有同心的凹槽，所述垫圈卡接于所述凹槽中并由所述锁紧帽抵接；
所述垫圈的外周侧配置有卡接晶圆外缘的卡槽，所述垫圈的外周侧与所述凹槽的外侧壁之间形成第一间隙，所述转动座斜向设置有连通所述第一间隙与外部的引流通道；晶圆清洗的流体将所述卡槽中的颗粒污染物经由所述第一间隙及引流通道排出。
2.如权利要求1所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述转动座的顶部配置有同心的凸起，所述垫圈套设于所述凸起并卡接于所述凹槽中，所述锁紧帽套接于所述凸起并与所述垫圈的顶面抵接；所述垫圈的外周侧与所述锁紧帽的内侧壁之间形成第二间隙，所述第二间隙的宽度不小于所述第一间隙的宽度。
3.如权利要求2所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述凹槽底面外侧配置有第一容纳槽，以容纳垫圈受压的变形，所述第一容纳槽与所述第一间隙相连通；所述锁紧帽的底面外侧配置有第二容纳槽，以容纳垫圈受压的变形，所述第二容纳槽与所述第二间隙相连通。
4.如权利要求1所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述引流通道倾斜向下设置，其倾斜角度为10°-60°。
5.如权利要求4所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述引流通道的数量为多个，其沿转动座的轴线中心对称分布。
6.如权利要求1所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述引流通道的内壁设置有疏水涂层或超疏水涂层以促进含有颗粒污染物的流体自引流通道排出。
7.如权利要求1所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述引流通道为圆形孔，其自所述第一间隙倾斜向下延伸至转动座的外周侧；所述引流通道的内径大于所述第一间隙的宽度。
8.如权利要求1所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述引流通道为顶面开口的矩形沟槽，所述矩形沟槽的宽度大于所述第一间隙的宽度。
9.如权利要求1所述的晶圆水平清洗装置，其特征在于，所述晶圆支撑部还包括驱动电机和测速装置，所述驱动电机和测速装置分别设置于所述支撑板的端部，所述限位组件转动连接于所述驱动电机及测速装置的上部。
10.一种晶圆清洗方法，其特征在于，使用权利要求1至9任一项所述的晶圆水平清洗装置，包括以下步骤：
S1，待清洗晶圆放置于箱体中并由晶圆支撑部水平支撑；
S2，清洗辊朝向晶圆移动以接触清洗晶圆的表面；
S3，晶圆支撑部的驱动电机带动限位组件旋转，在垫圈抵接于晶圆的边缘并带动晶圆绕其轴线旋转；
S4，在离心力作用下，晶圆表面的流体经由所述第一间隙及引流通道将附着于卡槽中的颗粒污染物清除。
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