CN1139292A - 用于清洗半导体晶片的装置和方法 - Google Patents

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罗纳德·D·巴特姆
尤金·R·霍兰德
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Abstract

一个清洗半导体晶片的方法包括将液体放置在槽内并且在液体表面形成一个气—液界面。半导体晶片被放置在槽中以便于它沿通常竖直位置被定向，而且晶片至少有一部分处于液体中并低于气—液界面。声能被引导穿过液体。至少半导体晶片的位置和槽中液体相对于半导体水位这两者之一被变动以使得晶片的整个表面重复穿过气—液界面。

Description

用于清洗半导体晶片的装置和方法
本发明涉及清洗半导体晶片。
用在微电子工业中的半导体晶片首先通过将晶锭切割成薄板而制成。切割以后，晶片要经历一个磨光工序以使它一定程度上厚度均匀。晶片然后经过浸蚀来去除损伤而且产生一个平滑的表面。常规的半导体晶片成形工序的最后一个步骤是抛光步骤用以产生一个高反射和无损伤的表面，这样的表面至少是半导体晶片的一个面。
晶片在磨光和浸蚀步骤之间必须被清洗，目的是去除象磨料颗粒这样的污垢。如果清洗工序不有效，晶片的表面将被残留的细小的磨粒污染。这些残留的磨粒可能会导致在电子设备制造中出现污染问题。
磨光后的硅晶片的清洗通常使用一种氢氧化物溶液在超声容器中进行，这种溶液具有或设有表面活化剂来辅助润湿和分散污物。充分清洗晶片所需要的总的工序时间可能是三十分钟或更长时间。
清洗工序持续时间长的一个缺点是加长了暴露于超声波的暴露时间，使得损伤晶片。随着暴露于超声波的暴露时间的增加损伤的范围也增加。
清洗工序持续时间长的另一个缺点是延误了向关心磨光晶片质量的磨光操作员提供反馈信息(即，总厚度的变化测量，划痕的存在等等)。这样的信息使操作员能够对磨光工序作出必要的校正调整以避免其它晶片的损伤，但这种信息通常在晶片被清洗以后才能获得。反馈信息提供被推迟的时间越长，在采取校正行动前被损伤的晶片数目就越大。
在本发明的几个目的在于，提供一个改进的用于清洗半导体晶片的装置和方法；提供的这样一个装置和方法能均匀地清洗晶片；提供这样一个装置和方法它能使清洗所需要的时间减小到最小；提供这样一个装置和方法它能使晶片暴露在超声波中的时间减小到最小；提供这样一个装置和方法它能使超声波在清洗中的有效性达到最大。
通常，用于清洗半导体晶片的本发明的装置包括一个用于盛液体的容器，用于引导声能穿过盛在上述容器中的液体的装置，一个晶片夹持装置，一个晶片运动机构。晶片夹持装置适于夹持半导体晶片使之成竖直放在容器中，而且半导体晶片的中心区域大致与盛在容器中的液体表面处于相同的水平。晶片运动机构用于接合装在晶片夹持装置中的半导体晶片，从而它可以使容器中的半导体晶片作旋转运动以及作基本上为上下的往复运动，这样晶片的中心区域能反复地穿过液体表面。
本发明的另一方面，用于处理半导体晶片的装置包括一个用于盛液体的容器，一个晶片夹持装置，一个晶片运动机构。晶片夹持装置适于夹持半导体晶片使之在容器中呈竖直位置，而且至少半导体晶片的一部分没在容器中的液体中。晶片运动机构用于接合容器中的半导体晶片从而使半导体晶片作相对于容器的旋转运动以及使半导体晶片作相对于容器的上下往复运动。
本发明的另一方面，一种清洗半导体晶片的方法包括：将液体放置在一个槽中，在液体的表面形成一个气—液界面；放置半导体晶片于槽中，使之通常沿竖直位置被定向，同时使晶片至少有一部分在液体中而且在气—液界面之下；引导声能穿过液体；至少下述有下述步骤之一发生改变：(a)半导体晶片的位置，或者(b)液体在槽中相对于半导体晶片的水位，这样晶片的整个表面能通过气—液界面；和重复这个改变的步骤许多次。
本发明的另一方面，一个处理半导体晶片的方法包括：将液体放置在槽中，在液体表面形成气—液界面，将半导体晶片放置在槽中以使得它通常沿竖直方向定位而且至少有一部晶片处于液体中并在气—液界面以下，旋转半导体晶片同时使半导体晶片相对于槽通常上下往复运动。
其它目的和特征将由下文逐渐明朗并被逐渐指出。
图1是本发明的晶片清洗装置的示意侧视图，有些部分被剖去以显示其内部细节；
图2是沿图1线2—2所示的面所做的剖视图，有些部分被剖去以显示其内部细节；
图3是一个与图2相类似的剖视图，但它显示的是半导体晶片顺时针旋转一个小的角度而且处于一个降低了的位置的情况；
图4是图1装置的晶片运动机构的放大前视图；
图5是图4所示晶片运动机构的顶视图；
图6是图4所示晶片运动机构的局部后视图。
相应的标记符号表示在这几个图中的相应部分。
根据这些图，尤其是根据图1—图3，用于清洗半导体晶片的本发明装置总的用标记数字20表示出来。这个晶片清洗装置20包括一个超声容器，总的用22表示，一个盒子，总的用24表示，它用来夹持众多的半导体晶片W，一个晶片运动机构，总的用26表示。
申请人已经总结了在一个超声容器中的半导体晶片的清洗在液体表面，即在气—液界面处，是最有效的。换言之，超声能对位于或稍低于气—液界面的半导体晶片部分的清洗比对低于气—液界面的上述半导体晶片部分的清洗速度更快。晶片清洗装置20的操作规则是依据这个结论。
容器22包括一个通常处于水平的底28，一个前壁30，一个后壁32，两个在前壁和后壁间延伸的侧壁34和36，一个通常平行于前后壁而且在侧壁延伸的溢流堰38，和多个被连接在底的下侧(示意地在图1—图3表示出)的超声或兆声波转换器40。前壁30，溢流堰38，侧壁34、36，以及底28构成一个槽，用42表示，用于存储一合适的清洗液。这种清洗液最好为由2％体积的浓缩KOH(45重量％)和2％体积的可商业购买的洗涤剂〔例如，维克多HTC，它由在康湿狄格州的贝尔色表面间动力公司(lntersurface Dynamicsof Bethel)处可获得〕组成的一种溶液。而且这个槽的温度最好在清洗过程中处于60℃左右。这些兆声波转换器构成了用于引导声能通过装在槽42中液体的装置。溢流堰38，后壁32，侧壁34、36，以及底28构成了一个溢流存贮槽，总的用图2和图3中的44表示。液体最好经一个位于容器22底28上的进口部分(图中未表示出)被导入槽42，并充入槽42，溢过溢流堰38进入溢流存贮槽44。一旦液体被引入到槽42中，溢流堰38维持上述液体在一个恒定的水位上。换句话说，气—液界面，表示在46处，被维持在一个恒定的水位48上。溢流存贮槽44有一个排水装置(图中未表示出)用于从其中排放液体。容器22最好是一个常规的超声容器，比如为一个型号为XHT—1014—6的超声容器，它可在新泽西州的脱兰脱思市的克莱斯特超声波公司处(Crest Ultrasonics of Trenton，New Jersey，)商业购得，但是要用一个被降低了的溢流堰来降低槽中的液体位置。而且，这个超声容器22最好包括一个循环系统(未表示出)，它用来过滤和再循环被排出的液体而让它再回到槽42内。
盒子24构成一个晶片夹持，它用于夹持半导体板板W使之通常在槽22中竖立。盒子24最好是一个常规的盒子，如一个型号为X4200—01的盒子，可在科罗拉多州的科罗拉多埃默帕克弹簧公司(Empak of Calorado Springs，Colorado)处商业购买。这个盒子24有一个端壁50，许多在端壁之间延伸着的水平加强肋52，和许多沿上述加强肋基本等间距相隔并被连接到上述加强肋上的竖立的加强肋54。相隔的竖立加强肋54构成了晶片接收缝隙56(图1)。水平加强肋50被调整用以接触半导体晶片W的边缘，从而，当晶片被接受到晶片接受缝隙56中时，限制晶片的横向运动(即，在图2和图3上看为晶片的左和右运动)。竖立加强肋54被调整用来接合半导体晶片W的面的棱边缘，从而限制晶片的纵向运动(即，在图1中看为晶片的左右运动)。这个盒子24最好有一个开口的底58(图2和图3)，通过它晶片可以与晶片运动机构26接触。
参考图4—6，晶片运动机构26有一个通常呈矩形的盒子接收平台，用60表示，和一个凸轮机构，用62表示。盒子接收平台60最好是不锈钢的，而且包括一个延长的前部件64，一个延长的后部件66，以及两个延长的侧部件68、70。前部件64和后部件66通过合适的螺栓72(只有其中的两个被表示在图4中)被夹紧在侧部件68、70的端部。部件64、66、68、70的上边缘最好制成斜面以接收盒子24。脚74从前后部件64、66向下延伸以接合容器22的底28，据此，抬高和调平平台60，使之高于上述底。这些脚74最好包括螺栓，拧入通过前后部件64、66的铅垂孔76内(图5)。旋转孔76中的螺栓74用于调整盒子接收平台60在槽42中的高度。水平延伸螺栓78，拧入盒式接收平台60的部件64、66、68和70，从平台向外延伸而且压住槽42壁的内表面，从而将晶片运动机构26卡紧到容器22上。
凸轮机构62包括一个从动轴80，它沿着一个通常水平的轴X在盒子接收平台60的前后部件64、66之间延伸(图1和图5)。从动轴80前端82作为轴颈装入一个在前部件64里的衬套(图中未表示出)中。从动轴80的后端84延伸穿过后部件66，在其中支承在一个合适的衬套中。这个从动轴80最好由一个合适的马达86(图4)带动旋转，这个马达86有一个通常与从动轴轴线垂直的轴88。马达86被卡紧在一个伸长的马达支架90上，这个支架经过螺栓92(图6)被卡在盒子接收平台60的后部件66上，而且基本上向上延伸。上述马达轴88和马达支架90最好向上延伸以超过液体在槽42中的水位以保持马达高于液体。马达轴88的下端作为轴颈被一个合适的支承块94支承。一个用键固定于马达轴88的下端的驱动锥齿轴96(图6)与一个用键固定于从动轴80的后端部84的从动锥齿轮98啮合。一个合适的盖99(在图5被表示出，但在图6被移去)最好被卡到支承块94上而且覆盖住齿轮96、98。马达轴88的旋转使从动轴80绕轴X旋转。
凸轮机构62此外还分别包括前后盘状块100，102。前盘状块100用键固定于从动轴80，临近盒子接收平台60的前部件64。后盘状块102用键固定于从动轴80，基本上临近盒子接收平台60的后部件66。两个伸长杆104(图4)通常平行于从动轴80在盘状块100，102之间延伸。杆104的端部伸进处于盘状块内部的孔(未表示出)中。最好选用一种合适的弹性体材料(如，商标为TygonR)作成管106绕在杆104的外面而且从前盘状块100向后盘状块102延伸。如以下更详尽的描述，管106的外表面构成了凸轮表面108，它可以与每个半导体晶片W的边缘啮合。如图4所示，杆104最好被放置在与从动轴80紧密相邻的位置，从而管106能通过磨损啮合该轴80而阻止此管相对于该轴的转动。因此，盘状块100和102，杆104和管106随着从动轴80而一起旋转。管106最好这样设定尺寸和安装，即当晶片的边缘与凸轮表面相接触时，无论这个凸轮机构处于任何转动位置，晶片边缘都不与从动轴80相接触。
参考图1至图3，当盒子24(半导体晶片W夹持在其中)被插到槽42中而且被放在盒子接收平台60上时，半导体晶片的边缘的底部接触凸轮表面108(即，管106的外表面)。因为凸轮表面108随着从动轴80旋转，凸轮机构62的旋转导致凸轮表面绕轴线X转动(即，作圆周运动)。凸轮表面108的圆周运动导致晶片W在一个41高的位置(示于图2)和一个降低的位置(示于图3)之间往复地上下运动。凸轮表面108也摩擦接合半导体晶片W的边缘，从而导致晶片在凸轮表面上滚动，因此它相对于从动轴80的旋转作反旋转。换句话说，凸轮机构62(如图2和图3所示)的逆时针旋转以及与其相应的凸轮表面108导致半导体晶片的顺时针旋转。因此，凸轮表面108的绕轴X的圆周运动同时使晶片W上下往复运动并使之转动。
如上所讨论的，溢流堰38确定了气—液界面46在槽42中的水位48。盒子接收平台60相对于溢流堰38被垂直放置在槽42之间，这样半导体晶片W的中心C(图2和图3)当晶片处于升高的位置时处于高于气—液界面46的高位L1(图2)，而当晶片处于降低的位置时，它处于低于气—液界面46的低位L2(图3)。溢流堰38和接收平台60的水平位置最好这样选择，使得气—液界面46的水位48通常是在高位L1和低位L2的中间位置。因此，半导体晶片W的中心C在每次晶片升高或降低时能穿过气—液界面46。
在使用过程中，将被清洗的半导体晶片W竖立地放入盒子24内晶片接收缝隙56中。盒子24与晶片W然后被托起(或者手动操作或者通过一个机械手(没表示出)并被放置进槽42内的盒子接收台60上。随着盒子24被放置在接收平台60上，两个凸轮表面108至少有一个与每个半导体晶片的边缘相接合。马达86的运转驱动凸轮机构62绕轴X旋转，从而同时使半导体晶片往复运动和旋转。该往复运动导致每个半导体晶片W的中心C在高位L1(图2)和低位L2(图3)之间上下运动。当盒子24被放在盒子接收平台60上以及半导体晶片W被凸轮机构62驱动作往复运动和旋转运动时，在槽42和清洗液的水位48被选在通常高位L1和低位L2的中间位置。
当每个半导体晶片W的位置发生变化时(即，当半导体晶片往复运动和旋转时)，声能被转换器40指向穿过清洗液从而声波清洗晶片。转换器40最好发射范围在38—42千赫兹的声能。如上面解释的，半导体晶片W在声槽42中的清洗在气—液界面46处或其附近是最有效的。每个半导体晶片W相对于气—液界面46的恒定水位48的位置以及同时发生的晶片的往复和旋转运动保证了半导体晶片在每完成一个整周旋转(即，晶片被转动360度)期间晶片的每部分都穿过气—液界面。因为在晶片每完成一个整周旋转期间，半导体晶片W的整个表面都穿过气—液界面，所以，晶片的每一部分至少在上述整周旋转期间的某一段接受最有效的清洗操作。凸轮机构62的旋转最好使半导体晶片W以至少约8转/分的速率旋转，更好是以一在约12和18转/分之间的速率旋转。半导体晶片W的旋转速率依赖从动轴82的旋转速度、管106的外直径、轴X与每个杆104中心间的距离、以及半导体晶片的直径。因为凸轮机构62有两个凸轮表面108，凸轮机构的每个整周旋转均导致半导体晶片完成两个往复循环整周期(即，凸轮机构每完成一个整周旋转，半导体晶片被移上移下两次)。半导体晶片优选以一个至少接近20周/每分钟的速率被往复移上移下，较之更好的速率是至少为60周/每分钟，更优选的速率为大约180到240周/每分钟(即，两倍于凸轮机构的旋转速度)。接受这样的清洗条件，半导体晶片在5—10分钟内被充分清洗干净。半导体晶片的快速清洗使之暴露于超声能的暴露的时间减小到最小，因此，使晶片受到的超声损伤减小到最小。快速清洗也允许反馈信息被快速提供给磨光操作人员，从而对子磨光过程的任何需要的校正调整都能及时进行。
当半导体晶片W被清洗以后，盒子24被提高(用手或借助一个机械手)盒子接收平台60而且移出槽42。上述盒子24最好不被夹紧到容器22或晶片运动机构26处，在将盒子和半导体晶片移开以前不必拆开连接。因为盒子24不被紧固到容器或晶片移动机构，所以，盒子和晶片可以快速方便地插入和移出槽。盒子24的重量足够大以保持盒子在半导体晶片W被凸轮机构62驱动作往复和旋转运动时在盒子接收平台60上不动。而且，凸轮机构62不接触和移动盒子24。因此，半导体晶片W作往复上下和旋转运动而与盒子24无关。最好，当晶片被移到它的上限位置时，往复运动能足以将每个半导体晶片W的边缘移离盒子4中的竖立加强肋54的低的部分以及移离下部的水平加强肋52(图2)。将晶片边缘移离竖立加强肋和水平加强肋能保证竖立加强肋和水平加强肋不会导致在晶片上存在死角(即，那些被竖立加强肋掩盖住的区域，因此，不能充分得到清洗)。
因为两个凸轮表面108包括圆柱表面的间隔部分而不是一个单一的平滑连续表面，传递给半导体晶片W的运动多少有点不平稳，这将导致在凸轮表面和晶片之间出现稍微的滑动。这个滑动导致这个圆周运动多少有点不均匀，这样阻止了印迹的出现，这个印迹在运动恒定时有可能出现。同样，由于具有这样结构，半导体晶片的取向平台下不会阻碍旋转。
尽管两个凸轮表面是优选的，不过应该了解，使用一个单一的与从动轴有一定距离并由一个管覆盖的杆没有脱离本发明的范围。可替换的方案是，如果一个平滑的(没有颠簸)运动是所期望的，凸轮表面可包括一个非圆形(例如，椭圆)柱体围绕这个驱动轴，或者一包括一个圆形圆柱体围绕从动轴，但该圆柱体有一个偏离轴线X的中心轴。如果期望更大的振动，可以使用三个或更多个凸轮表面。
尽管传给半导体晶片W旋转和往复两种运动是使晶片的整个表面重复穿过气—液界面的优方法，但是，应了解使用其它方法不脱离本发明的范围。例如，晶片能被静止地夹持在超声槽中而液体水位能重复地升高和降低。可替换的方案是，晶片在槽中被转动(没有赋予一个上下往复运动)，液体水位能够被重复地升高和降低一个小的数量，这样，液体水位重复地升至高于降至低于晶片的中心。
本发明的晶片运动机构26已被描述为在槽中使半导体晶片旋转和往复运动，以便清洗半导体晶片。然而，有必要了解这种机构用于旋转晶片和使其往复运动还可用在另外类型的清洗工序，如蚀刻工序或其它半导体晶片成形工序。
基于上述可以看到，本发明的几个目的被达到而且获得了其它一些有益的结果。
因为在上述结构中可进行各种变动而不离开本发明的范围，所有包括在上述说明书中或表示在附图中的内容均应理解为说明性的而不是具有限制意义。

Claims (10)

1.一种用于清洗半导体晶片的方法包括：
将液体放置在一个槽中，在液体的表面限定一个气—液界面；
将半导体晶片放置在槽中，使它基本上竖立定向，而且晶片至少有一部分处于液体中并在气—液界面以下；
引导声能穿过液体；
至少下述步骤之一发生改变：(a)半导体晶片的位置，(b)槽中液体相对于半导体晶片的水位，以便晶片的整个表面穿过气—液界面；
重复前述步骤许多次。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述改变步骤包括以一个通常上下往复运动来改变半导体晶片的位置。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的方法，其特征在于，上述改变步骤包括通过旋转半导体晶片来改变晶片的位置。
4.如权利要求4所述的方法，其特征在于，半导体晶片以至少约为每分钟8转的速率被旋转，而且以至少约每分钟20周的速率被驱动作往复运动，每往复一周包括半导体晶片一个单独的升和一个单独的降。
5.用于处理半导体晶片的装置，包括：
用于盛液体的容器；
一个用于将半导体晶片在容器中保持在基本上竖立位置的晶片夹持装置，要求半导体的晶片至少有一部分被设在容器中的液体内；
一个用在容器中接合半导体晶片的晶片运动机构，其目的是使半导体晶片产生相对于容器的一个旋转运动以及使半导体晶片产生相对于容器的一个通常为上下的往复运动；
用于引导声能穿过盛在容器中的液体的装置。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，晶片夹持装置和晶片运动机构相对于容器的设置，应使得晶片的中心区域重复穿过液体表面。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，晶片运动机构包括至少一个可与半导体晶片的边缘的底部接合并且可绕着一个通常为水平的旋转轴旋转的凸轮表面，凸轮表面的形状应使凸轮表面绕所说的旋转轴旋转时，它不仅使半导体晶片作旋转运动而且还使其作通常的上下往复运动。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，上述凸轮表面包括一个柱体的表面部分，该柱体绕所说的旋转轴偏心旋转。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，上述凸轮表面构成一个第一凸轮表面，晶片—运动机构进一步包括一个第二凸轮表面，第一凸轮表面包括一个绕所说旋转轴偏心旋转的第一柱体的表面部分，第二凸轮表面包括一个绕所说的旋转轴偏心旋转的第二柱体的表面部分。
10.如前边权利要求9所述的装置，其特征在于，上述第一和第二柱体均有一个基本上平行与所说旋转轴的中心轴，这两个中心轴相距所说旋转轴基本上等距离。
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