CN114078692B - 一种晶圆清洗方法和晶圆清洗设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶圆清洗方法和晶圆清洗设备，所述晶圆清洗方法包括利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，然后将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，使得冲洗的过程中有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗。本发明利用压强或温度变化可使CO2完成在超临界流体、液体、气态、气溶胶不同形态转变的物理性质，将其引入晶圆清洗流程，替代传统RCA清洗剂SC1和SPM去除颗粒和有机物，突破了传统清洗方法超纯水使用量大、化学污染多、废料多、效率低的限制。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆清洗领域，特别涉及一种晶圆清洗方法和晶圆清洗设备。
背景技术
半导体行业晶圆表面的清洗主要使用各种物理化学方法去除晶圆表面的颗粒污染物、有机污染物和金属污染物，使其洁净度符合材料加工标准。其中化学方法以RCA湿法清洗法为主，
RCA湿法清洗法主要包括以下几种清洗液。
（1）SPM：H2SO4 /H2O2 120～150℃。SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。
（2）HF(DHF)：HF(DHF) 20～25℃。DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al、Fe、Zn、Ni等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。
（3）APM (SC-1）：NH4OH/H2O2 /H2O 30～80℃。由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(SiO2)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。在NH4OH腐蚀硅片表面的同时，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。
（4）HPM (SC-2)：HCl/H2O2/H2O 65～85℃。用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。
选用单一清洗剂无法完全洁净晶圆，通常需要选择多种清洗剂配以超声和高温反复进行清洗；同时以物理方法为辅，比如配置PVA清洗刷，结合化学清洗方能有效去除污染物。清洗刷需使用特种材料以免被酸碱腐蚀，同时长期使用刷头自身会聚集污染物反而污染晶圆。繁冗复杂的清洗流程紧密相连环环相扣，每道清洗环节均需严格把控，以免浪费整段清洗成本，污染严重时还会使整个晶圆作废。
但现有的清洗流程化学试剂用量高，超纯水用量大，对设备耐酸碱腐蚀性要求高；且清洗步骤繁杂，过程可能导致新杂质的引入。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种晶圆清洗方法和晶圆清洗设备，利用压强或温度变化可使CO2完成在超临界流体、液体、气态、气溶胶不同形态转变的物理性质，将其引入晶圆清洗流程，替代传统RCA清洗剂SC1和SPM去除颗粒和有机物，突破了传统清洗方法超纯水使用量大、化学污染多、废料多、效率低的限制。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种晶圆清洗方法，包括：利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，然后将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，使得冲洗的过程中有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗。
可选的，二氧化碳的气溶胶呈锐角喷向晶圆表面，喷射的速度大于100m/s，且所述二氧化碳的超临界流体呈锐角或垂直喷向晶圆表面。
可选的，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行喷射清洗的时间为5~15分钟，此时清洗腔的气压为第一特征压强，清洗腔的温度为第一特征温度，然后通过改变清洗腔的温度和气压将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，同时清洗腔内通入大流量载气将有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。
可选的，通过两个喷嘴对晶圆表面进行清洗，其中一个用于向晶圆表面喷射二氧化碳的超临界流体，另一个用于向晶圆表面喷射二氧化碳的气溶胶，所述两个喷嘴设置在晶圆表面的两个位置，在晶圆清洗过程中，通过旋转晶圆，使得针对同一位置先喷射二氧化碳的气溶胶，然后喷射二氧化碳的超临界流体。
可选的，通过一个喷嘴对晶圆表面进行清洗，所述喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物。
可选的，所述喷嘴喷射的二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物的形成方法包括：将高压二氧化碳的温度控制为第一特征温度，将高压二氧化碳的压强控制为7.39MPa~100MPa，使得最终喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物。
可选的，在二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗过程中，利用PVA毛刷对晶圆表面进行刷洗。
本发明实施例还提供了一种晶圆清洗方法，包括：
利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，然后将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，使得冲洗的过程中有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗；
利用SC2清洗液去除晶圆表面的金属；
利用DHF清洗液去除晶圆表面的氧化膜。
本发明实施例还提供了一种晶圆清洗设备，包括：晶圆清洗腔壳体、晶圆吸附转台、高纯二氧化碳气泵、二氧化碳超临界流体输出控制单元、二氧化碳气溶胶输出控制单元、超临界流体喷嘴和气溶胶喷嘴、载气泵，其中高纯二氧化碳气泵、二氧化碳超临界流体输出控制单元和超临界流体喷嘴相连，高纯二氧化碳气泵、二氧化碳气溶胶输出控制单元和气溶胶喷嘴相连，所述晶圆吸附转台用于承载晶圆，超临界流体喷嘴和气溶胶喷嘴位于晶圆吸附转台的上方，使得二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，所述载气泵用于通入载气以调节清洗腔的压强且有助于携带有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。
本发明实施例还提供了一种晶圆清洗设备，包括：晶圆清洗腔壳体、晶圆吸附转台、高纯二氧化碳气泵、二氧化碳混合物输出控制单元、混合喷嘴、载气泵，其中高纯二氧化碳气泵、二氧化碳混合物输出控制单元和混合喷嘴相连，所述二氧化碳混合物为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物，所述晶圆吸附转台用于承载晶圆，混合喷嘴位于晶圆吸附转台的上方，使得二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，所述载气泵用于通入载气以调节清洗腔的压强且有助于携带有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明实施例利用压强或温度变化可使CO2完成在超临界流体、液体、气态、气溶胶不同形态转变的物理性质，将其引入晶圆清洗流程，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，其中二氧化碳的超临界流体表面张力为0mN/m2，容易进入有机物和颗粒污染物的微孔结构，当温度或气压变化导致微孔结构中的超临界流体挥发变成气体，会对有机物和颗粒污染物产生向上的力，使有机物和颗粒污染物产生悬浮趋势，其中有机物中的微孔结构更多，悬浮更加容易，更容易被冲刷清洗掉，而颗粒污染物相对会更困难一点；但同时，由于二氧化碳的气溶胶相对质量较大，二氧化碳气溶胶喷射出的初始动量较大，颗粒污染物被气溶胶碰撞所得初始动量，当碰撞后颗粒污染物受初始动量转化来的外力大于摩擦力，则颗粒污染物发生滑移运动。由于颗粒污染物也会产生悬浮趋势，使得颗粒污染物的摩擦力变小，通过二氧化碳的气溶胶的冲洗更容易，且本发明通过替代传统RCA清洗剂SC1和SPM去除颗粒和有机物，突破了传统清洗方法超纯水使用量大、化学污染多、废料多、效率低的限制。
当晶圆清洗时采用一个喷嘴喷射混合物，将高压的二氧化碳的温度控制为第一特征温度，将高压的二氧化碳的压强控制为7.39MPa~100MPa，使得最终喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物，通过适当调整第一特征温度，调节混合物中超临界流体和气溶胶的比例，以适应不同污染的晶圆，有利于达到更好的清洗效果。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1所示为二氧化碳温度和压强相图；
图2所示为本发明提供的颗粒污染物清洗过程的原理示意图；
图3所示为本发明提供的有机物清洗过程的原理示意图；
图4所示为本发明第一实施例提供的一种晶圆清洗设备的结构示意图；
图5所示为本发明第二实施例提供的另一种晶圆清洗设备的结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
请参考图1，为二氧化碳的温度和压强相图。所述二氧化碳温度和压强相图包括相态分界线a和相态分界线b两条曲线和第一特征点A、第二特征点B两个点，其中第一特征点A的第一特征温度tc为304.04K及其上下浮动的一个区间，第一特征压强pc为7.39MPa及其上下浮动的一个区间，当二氧化碳的温度大于等于第一特征温度，压强大于等于第一特征压强，二氧化碳处于超临界流体状态；当二氧化碳的温度小于第一特征温度，但大于相态分界线a，且压强大于等于第一特征压强，二氧化碳处于气溶胶状态；当压强小于第一特征压强，大于相态分界线b，二氧化碳处于液态；当压强小于第一特征压强，且温度大于相态分界线b，二氧化碳处于气态；当温度小于相态分界线a，二氧化碳处于固态。
由于利用压强或温度变化可使CO2完成在超临界流体、液体、气态、气溶胶不同形态转变的物理性质，将其引入晶圆清洗流程，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，清洗效果好，且可以替代传统RCA清洗剂SC1和SPM去除颗粒和有机物，最终的二氧化碳超临界流体、气溶胶都挥发成气体，不会在晶圆表面留下清洗痕迹，突破了传统清洗方法超纯水使用量大、化学污染多、废料多、效率低的限制。
具体的，请参考图4，为本发明第一实施例的一种晶圆清洗设备，包括：晶圆清洗腔壳体110、晶圆吸附转台120、高纯二氧化碳气泵130、二氧化碳超临界流体输出控制单元131、二氧化碳气溶胶输出控制单元132、超临界流体喷嘴133和气溶胶喷嘴134、氮气泵135、二氧化碳泵136，其中高纯二氧化碳气泵130、二氧化碳超临界流体输出控制单元131和超临界流体喷嘴133相连，高纯二氧化碳气泵130、二氧化碳气溶胶输出控制单元132和气溶胶喷嘴134相连，所述晶圆吸附转台120用于承载晶圆，超临界流体喷嘴133和气溶胶喷嘴134位于晶圆吸附转台120的上方，使得二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，所述氮气泵135、二氧化碳泵136均为载气泵，用于通入载气以调节清洗腔的压强且有助于携带有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。
在本实施例中，所述晶圆为碳化硅晶圆，在其他实施例中，所述晶圆也可以为单晶硅晶圆、砷化镓晶圆等。
在本实施例中，所述二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶分别喷射到晶圆表面进行清洗。超临界流体喷嘴133和气溶胶喷嘴134均位于晶圆吸附转台120的上方，且随着晶圆吸附转台120的旋转，使得同一位置先喷射二氧化碳的气溶胶，然后喷射二氧化碳的超临界流体。
在本实施例中，所述气溶胶喷嘴134的喷射方向与晶圆表面呈一锐角，所述超临界流体喷嘴133的喷射方向与晶圆表面也呈一锐角，范围在10度~45度之间，使得能将颗粒污染物滑移达到清洗去除效果。
所述二氧化碳超临界流体输出控制单元131用于控制超临界流体喷出的流量、初速度、压强和温度，所述二氧化碳气溶胶输出控制单元132用于控制气溶胶喷出的流量、初速度、压强和温度。在本发明实施例中，超临界流体和气溶胶的流量、初速度、压强和温度是一样的，在其他实施例中，超临界流体和气溶胶的流量、初速度、压强和温度是不一样的。
在其他实施例中，所述超临界流体喷嘴133的喷射方向与晶圆表面也可以呈直角。
在本实施例中，氮气泵135、二氧化碳泵136均为载气泵，以调节清洗腔的压强且有助于携带有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。在其他实施例中，也可以单独采用氮气泵或二氧化碳泵作为载气泵。
在其他实施例中，所述晶圆清洗设备还包括PVA毛刷，在二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗过程中，利用PVA毛刷对晶圆表面进行刷洗。
请参考图5，为本发明第二实施例的一种晶圆清洗设备，包括：晶圆清洗腔壳体210、晶圆吸附转台220、高纯二氧化碳气泵230、二氧化碳混合物输出控制单元231、混合喷嘴232、氮气泵235、二氧化碳泵236，其中高纯二氧化碳气泵230、二氧化碳混合物输出控制单元231和混合喷嘴232相连，所述二氧化碳混合物为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物，所述晶圆吸附转台220用于承载晶圆，混合喷嘴232位于晶圆吸附转台220的上方，使得二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，所述氮气泵235、二氧化碳泵236用于通入载气以调节清洗腔的压强且有助于携带有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。
在本实施例中，通过一个混合喷嘴向晶圆表面直接喷射二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶。由于根据二氧化碳温度和压强相图可知，当温度和压强在二氧化碳的超临界流体区域和气溶胶区域的边界区域，所喷射出的二氧化碳既包括超临界流体，也包括气溶胶。所述二氧化碳混合物输出控制单元231通过调整二氧化碳的压强和温度（温度的适当提高或降低），来调节喷出的二氧化碳中超临界流体和气溶胶的比例，由于气溶胶对颗粒污染物的清洗效果更佳，超临界流体对有机物的清洗效果更佳，通过调整二氧化碳的压强和温度，对不同类型污染程度的晶圆表面有一个针对性的清洗，使得最终的清洗效果更佳。
本发明实施例还提供了一种晶圆清洗方法，包括：
步骤S100，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，然后将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，将有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗；
步骤S200，利用SC2清洗液去除晶圆表面的金属；
步骤S300，利用DHF清洗液去除晶圆表面的氧化膜。
本发明的晶圆清洗方法与传统的RCA湿法清洗法相比，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗这个步骤代替了RCA清洗剂SC1和SPM去除颗粒和有机物这两个步骤，由于SPM清洗剂具有很强的酸性，SC1具有较强的碱性，因此本发明的晶圆清洗方法突破了传统清洗方法超纯水使用量大、化学污染多、废料多、效率低的限制，降低了设备耐酸碱腐蚀性要求，且最终的二氧化碳通过挥发成气体，不会在晶圆表面留下痕迹，清洗效果好。
由于步骤S200和S300为传统的RCA湿法清洗法中的两个步骤，在此不作赘述，下面重点对步骤S100进行描述。
在步骤S100中，在所述利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗，然后将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，将有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗。
具体的，先将二氧化碳的气溶胶呈锐角喷向晶圆表面，然后将所述二氧化碳的超临界流体呈锐角或垂直喷向晶圆表面。由于二氧化碳的气溶胶的密度相对大于二氧化碳的超临界流体，二氧化碳气溶胶喷射出的初始动量较大，颗粒污染物被气溶胶碰撞所得初始动量，当碰撞后颗粒污染物受初始动量转化来的外力大于摩擦力f，则颗粒污染物发生滑移运动。运动原理如图2所示。
在其他实施例中，当所述二氧化碳的超临界流体垂直喷向晶圆表面，喷射速度小于100m/s，在喷射的过程中，二氧化碳的超临界流体充分进入有机物和颗粒污染物的微孔结构。
由于二氧化碳的超临界流体的表面张力为0mN/m2，容易进入有机物和颗粒污染物的微孔结构，当温度或压强变化时，微孔结构内的超临界流体变成气体，使得有机物和颗粒污染物产生悬浮趋势，其中有机物中的微孔结构更多，悬浮更加容易，且重新的混合物中包括气溶胶，使得当温度或压强变化时更容易被冲刷清洗掉，但由于颗粒污染物也会产生悬浮趋势，使得颗粒污染物的摩擦力变小，通过二氧化碳的气溶胶的碰撞冲洗也比现有方式更容易，使得突破了传统清洗方法超纯水使用量大、化学污染多、废料多、效率低的限制后，也能有效的去除颗粒污染物。
在本实施例中，二氧化碳的气溶胶和二氧化碳的超临界流体的喷射速度都大于100m/s，例如300m/s、500m/s等，上述锐角的范围为10度~45度，例如30度、40度等，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗的时间为5~15分钟，例如10分钟。
在本发明实施例中，利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行喷射清洗时，清洗腔的气压为第一特征压强，清洗腔的温度为第一特征温度，然后通过改变清洗腔的温度和气压将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，将有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面。
在本实施例中，通过两个喷嘴对晶圆表面进行清洗，其中一个用于向晶圆表面喷射二氧化碳的超临界流体，另一个用于向晶圆表面喷射二氧化碳的气溶胶，所述两个喷嘴设置在晶圆表面的两个位置，在晶圆清洗过程中，通过旋转晶圆，使得针对同一位置先喷射二氧化碳的气溶胶，然后喷射二氧化碳的超临界流体。
在另一实施例中，当通过一个喷嘴对晶圆表面进行清洗，所述喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物，具体为：将高压二氧化碳的温度控制为第一特征温度，将高压二氧化碳的压强控制为7.39MPa~100MPa，使得最终喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物。通过调整二氧化碳的压强和温度（温度的适当提高或降低），来调节喷出的二氧化碳中超临界流体和气溶胶的比例，由于气溶胶对颗粒污染物的清洗效果更佳，超临界流体对有机物的清洗效果更佳，通过调整二氧化碳的压强和温度，对不同类型污染程度的晶圆表面有一个针对性的清洗，使得最终的清洗效果更佳。
最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。
Claims (3)
1.一种晶圆清洗方法，其特征在于，包括：
利用高压的二氧化碳对晶圆表面进行冲洗，将高压的二氧化碳的温度控制为第一特征温度，将高压的二氧化碳的压强控制为7.39MPa～100MPa，使得最终喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物，通过适当调整第一特征温度，调节混合物中二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的比例，以适应不同污染的晶圆；
利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶对晶圆表面进行喷射清洗的时间为5～15分钟，此时清洗腔的气压为第一特征压强，清洗腔的温度为第一特征温度，然后通过改变清洗腔的温度和气压将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，同时清洗腔内通入大流量载气将有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面；
通过改变清洗腔的温度和气压将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，使得冲洗的过程中有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆清洗方法，其特征在于，在二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶同时对晶圆表面进行冲洗过程中，利用PVA毛刷对晶圆表面进行刷洗。
3.一种晶圆清洗方法，其特征在于，包括：
利用高压的二氧化碳对晶圆表面进行冲洗，将高压的二氧化碳的温度控制为第一特征温度，将高压的二氧化碳的压强控制为7.39MPa～100MPa，使得最终喷嘴喷射的为二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的混合物，通过适当调整第一特征温度，调节混合物中二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶的比例，以适应不同污染的晶圆；
利用二氧化碳的超临界流体和二氧化碳的气溶胶对晶圆表面进行喷射清洗的时间为5～15分钟，此时清洗腔的气压为第一特征压强，清洗腔的温度为第一特征温度，然后通过改变清洗腔的温度和气压将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，同时清洗腔内通入大流量载气将有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面；
通过改变清洗腔的温度和气压将晶圆表面的二氧化碳挥发成气态，使得冲洗的过程中有机物和颗粒污染物脱离晶圆表面，实现对晶圆表面的有机物和颗粒污染物的清洗；
利用SC2清洗液去除晶圆表面的金属；
利用DHF清洗液去除晶圆表面的氧化膜。
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