CN114472265B - 一种晶圆清洗方法及晶圆清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆清洗方法及晶圆清洗装置，所述清洗方法包括：将晶圆放置于晶圆清洗装置中，支撑组件朝向晶圆移动，所述支撑组件配置的主动辊及从动辊抵接于晶圆的外沿以水平夹持晶圆；控制部驱动所述主动辊转动，所述支撑组件夹持的晶圆绕轴线旋转；转速监测部实时测量所述从动辊的转速，并将测量结果传输至控制部；若从动辊与主动辊转速的差值大于转速阈值，则控制部调节支撑组件对晶圆的夹持力，使得从动辊与主动辊的转速同步；位于晶圆两侧的滚刷清洗晶圆表面。

Description

一种晶圆清洗方法及晶圆清洗装置

技术领域

本发明属于基板制造技术领域，具体而言，涉及一种晶圆清洗方法及晶圆清洗装置。

背景技术

集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序，化学机械抛光是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。

晶圆进行化学机械抛光后需要进行清洗、干燥等后处理。晶圆清洗的目的是为了避免微量离子和金属颗粒对半导体器件的污染，保障半导体器件的性能和合格率。晶圆清洗方式有：滚刷清洗、兆声清洗等，其中，滚刷清洗应用较为广泛。按照晶圆的放置状态可以将滚刷清洗分为竖直滚刷清洗和水平滚刷清洗。

水平滚刷清洗是一种经典的晶圆清洗模式，晶圆由夹持机构夹持并旋转，滚动的滚刷绕轴线转动，在清洗液的作用下接触清洗晶圆的表面。如何控制夹持机构对晶圆的夹持力，使得晶圆转动均匀，始终是本领域技术人员追求解决的技术问题。再者，夹持机构中含有部分易损耗部件，部件磨损也会影响晶圆受到的夹持力，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清洗方法，其包括：

S1，将晶圆放置于晶圆清洗装置中，支撑组件朝向晶圆移动，所述支撑组件配置的主动辊及从动辊抵接于晶圆的外沿以水平夹持晶圆；

S2，控制部驱动所述主动辊转动，所述支撑组件夹持的晶圆绕轴线旋转；

S3，转速监测部实时测量所述从动辊的转速，并将测量结果传输至控制部；

S4，若从动辊与主动辊转速的差值大于转速阈值，则控制部调节支撑组件对晶圆的夹持力，使得从动辊与主动辊的转速同步；

S5，位于晶圆两侧的滚刷清洗晶圆表面。

作为优选实施例，所述晶圆清洗装置还包括致动器，其与支撑组件连接以驱动所述支撑组件水平移动；所述致动器通过支撑组件将载荷施加于晶圆边沿，以调节支撑组件对晶圆的夹持力。

作为优选实施例，所述控制部根据主动辊的转速、从动辊的转速、转速差值、施加载荷以及作业时间形成的第一函数关系G₁确定载荷拟定值，G₁＝f(F₀,t,V_Di,V_Ij)；其中，F₀为施加载荷、t为作业时间、V_Di为第i个主动辊的转速、V_Ij为第j个从动辊的转速。

作为优选实施例，所述控制部调节支撑组件对晶圆的夹持力，若无法将从动辊与主动辊转速的差值调节至所述转速阈值以内，则更换从动辊和/或主动辊中的接触部件。

作为优选实施例，步骤S3中，扭矩监测部实时测量所述从动辊及主动辊的扭矩，并将测量结果传输至控制部。

作为优选实施例，若从动辊与主动辊转速的差值小于或等于转速阈值，且至少一个从动辊或主动辊对应扭矩的测量值与设定值之差大于扭矩阈值，则控制部降低支撑组件对晶圆的夹持力。

作为优选实施例，若从动辊与主动辊转速的差值小于或等于转速阈值，所述从动辊及主动辊对应扭矩的测量值与设定值之差小于或等于扭矩阈值，则滚刷正常清洗旋转的晶圆。

作为优选实施例，所述控制部根据主动辊的转速、从动辊的转速、转速差值、扭矩差值、施加载荷以及作业时间形成的第二函数关系G₂确定载荷拟定值。

作为优选实施例，所述第二函数关系G₂为：

G₂＝f(F₀,t,V_Di,V_Ij,T_DMi,T_IMj)

其中，F₀为施加载荷；t为作业时间；

V_Di为第i个主动辊的转速；V_Ij为第j个从动辊的转速；

T_DMi为第i个主动辊的扭矩测量值；T_IMj为第j个从动辊的扭矩测量值。

此外，本发明还公开了一种晶圆清洗装置，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上面所述晶圆清洗方法的步骤。

本发明的有益效果包括：

(1)通过监测支撑组件的从动辊与主动辊的转速，反馈调节支撑组件对晶圆的夹持力，实现晶圆的平稳旋转，保证晶圆的清洗效果；

(2)将从动辊及主动辊的转速监控与扭矩监控结合，反馈控制支撑组件对晶圆的夹持力，提升晶圆的清洗效果；

(3)通过监测从动辊及主动辊的转速和/或扭矩，控制管理晶圆清洗装置的易损耗部件，保证晶圆清洗的稳定性。

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是本发明所述一种晶圆清洗装置100的结构图；

图2是本发明所述晶圆清洗方法的流程图；

图3是本发明所述一种晶圆清洗装置的示意图；

图4是本发明所述晶圆清洗方法一个实施例的流程图；

图5是本发明所述晶圆清洗方法另一个实施例的流程图；

图6是本发明确定载荷拟定值对应的一个实施例的模型图。

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，晶圆(Wafer,W)也称基板(Substrate)，其含义和实际作用等同；主动辊为Drive roll，可以使用字母D来表示与主动辊相关的变量；从动辊为Idle roll，可以使用字母I来表示与从动辊相关的变量。

图1示出了一种晶圆清洗装置100的示意图。晶圆清洗装置100包括支撑组件10，支撑组件10能够朝向晶圆W移动以夹持晶圆。支撑组件10包括支撑板11，支撑板11的上部配置有主动辊12和从动辊13，主动辊12及从动辊13沿支撑板11的长度方向设置。支撑组件10朝向晶圆移动后，其上的主动辊12及从动辊13抵接于晶圆的外沿以水平夹持晶圆。

主动辊12的下部设置有驱动电机，主动辊12转动，在摩擦力作用下，晶圆以其轴线为中心顺时针或逆时针旋转；旋转晶圆的边沿作用于从动辊13，带动从动辊13转动，以进一步防止晶圆旋转过程中窜动，保证晶圆转动的平稳性。

图1中，主动辊12的数量为一对，其对角设置；相应地，从动辊13也配置一对并对角设置。晶圆清洗装置100还配置有致动器20，其设置在支撑板11的下部，以驱动支撑板11及其上的主动辊12及从动辊13整体移动。图1所示的实施例中，致动器20为气缸。可以理解的是，致动器20也可以选择其他形式的驱动结构，如直驱电机、电缸等，以实现支撑板11及其上的主动辊12及从动辊13的整体移动。

晶圆清洗装置100还配置未示出的滚刷，滚刷绕其轴线转动并与晶圆W的表面抵接，旋转的晶圆表面喷射清洗液，以通过接触的方式清除晶圆表面的残留的颗粒物。

晶圆清洗装置100的支撑组件10水平夹持晶圆并保证晶圆的平稳转动，但在晶圆清洗过程中，晶圆的边沿受到的夹持力并不均匀，使得晶圆并非在同一个平面内旋转，这使得晶圆与滚刷的接触不符合工艺要求，影响晶圆表面的清洗效果。

针对以上技术问题，本发明提供了一种晶圆清洗方法，其流程图，如图2所示。下面结合图3示出的晶圆清洗装置100，说明晶圆清洗方法的具体步骤：

S1，将晶圆W放置于晶圆清洗装置100中，支撑组件10朝向晶圆移动，支撑组件10配置的主动辊12及从动辊抵13接于晶圆W的外沿以水平夹持晶圆；

S2，控制部驱动所述主动辊12转动，支撑组件10夹持的晶圆绕轴线旋转；

S3，转速监测部实时测量从动辊13的转速，并将测量结果传输至控制部；

S4，若主动辊12及从动辊13转速的差值大于转速阈值，则控制部调节支撑组件10对晶圆的夹持力，使得主动辊12与从动辊13的转速同步；

即若|V_Di-V_Ij|＞α时，则控制部调节支撑组件10对晶圆的夹持力；其中，V_Di为第i个主动辊的转速、V_Ij为第j个从动辊的转速；α为转速阈值，本发明中，如转速阈值α可以设定为3-5rpm，或者其他范围的数值。

致动器20对支撑组件10的施加载荷与晶圆的夹持力有关，调节致动器20的施加载荷以改变支撑组件对晶圆的夹持力。

S5，若|V_Di-V_Ij|≤α，则位于晶圆两侧的滚刷清洗旋转的晶圆。

具体地，当主动辊12与从动辊13的转速基本同步时，滚刷开始接触清洗晶圆表面，以清除晶圆表面的颗粒物。

图3所示的实施例中，晶圆清洗装置100可以配置滚刷，以接触清洗晶圆的表面；晶圆清洗装置也可以配置摆动的二流体喷嘴，以非接触清洗晶圆的表面。

图4是本发明所述晶圆清洗方法一个具体实施例的流程图，通过转速监测部获取主动辊12及从动辊13的转速，若|V_Di-V_Ij|＞α时，则控制部需要调控晶圆受到的夹持力。

控制部根据主动辊12的转速V_Di、从动辊13的转速V_Ij、转速差值|V_Di-V_Ij|、施加载荷F₀以及作业时间t形成的第一函数关系G₁确定载荷拟定值F_p，G₁＝f(F₀,t,V_Di,V_Ij)；其中，F₀为施加载荷、t为作业时间、V_Di为第i个主动辊的转速、V_Ij为第j个从动辊的转速。

施加载荷F₀为实际施加的载荷，如初始调节下，施加载荷F₀可以略大于致动器20移动时克服的摩擦阻力，采用逐渐增加施加载荷的方式，确定主动辊12与从动辊13转速相当时对应的施加载荷的最小值。可以理解的是，载荷拟定值确定时，可以使用机器学习的方法构建相应的数学模型，如神经网络模型，以准确获取载荷拟定值。

作业时间t为晶圆清洗装置100已加工晶圆的数量，其可以间接反映晶圆清洗装置的使用状态，如其中的消耗品的损耗情况等，以为施加载荷的确定提供参考。

所述控制部调节支撑组件10对晶圆的夹持力，若无法将主动辊12及从动辊13转速的差值调节至所述转速阈值α以内，则更换从动辊13和/或主动辊12中的接触部件。具体作业时，检测确定主动辊12及从动辊13的使用状态，然后逐一更换易损耗的接触部件，实现主动辊12与从动辊13的转速同步，保证晶圆旋转的一致性。

控制部确定载荷拟定值F_p后，需要预先判定其大小是否接近或超过载荷临界值F_c的10％；若F_p＞0.1F_c，则支撑组件10停止对晶圆的加载，检查晶圆清洗装置100中的易损耗部件的使用情况。载荷临界值F_c是通过破坏性试验确定的竖直。按照载荷临界值的10％加载后，晶圆破碎的概率超过20％；为了防止晶圆破损，需要严格控制载荷拟定值F_p。

若控制部确定的载荷拟定值F_p小于载荷临界值F_c的10％，则控制部按照载荷拟定值加载，调节晶圆的夹持力，使得主动辊12与从动辊13的转速同步，滚刷正常清洗旋转的晶圆。

作为本发明的另一个实施例，为了全面监控晶圆清洗装置的运行状态，晶圆清洗装置100还配置扭矩监测部，如图3所示。扭矩监测部实时测量主动辊12及从动辊13的扭矩，并将测量结果传输至控制部。

即同步监控晶圆清洗装置100中的主动辊12及从动辊13的转速及扭矩，实现晶圆清洗装置的及时全面调控，保证晶圆清洗的可靠运行。

图5示出了本发明所述晶圆清洗方法另一个实施例的流程图。

若从动辊13与主动辊12转速的差值小于或等于转速阈值，所述从动辊13或主动辊12的任意一个对应扭矩的测量值与设定值之差大于扭矩阈值，则控制部降低支撑组件10对晶圆的夹持力。

即，若|T_DMi-T_DSi|＞β或|T_IMj-T_ISj|＞β，则控制部确定支撑组件10对晶圆的载荷拟定值F_p。其中，T_DMi为第i个主动辊的扭矩测量值；T_DSi为第i个主动辊的扭矩设定值；T_IMj为第j个从动辊的扭矩测量值；T_ISj为第j个从动辊的扭矩设定值。

若从动辊13与主动辊12转速的差值小于或等于转速阈值，所述从动辊13及主动辊12对应扭矩的测量值与设定值之差小于或等于扭矩阈值，则滚刷正常清洗旋转的晶圆。

图5所示的晶圆清洗方法中，控制部根据主动辊12的转速、从动辊13的转速、转速差值、扭矩差值、施加载荷以及作业时间形成的第二函数关系G₂确定载荷拟定值。所述第二函数关系G₂为：

G₂＝f(F₀,t,V_Di,V_Ij,T_DMi,T_IMj)

其中，F₀为施加载荷；t为作业时间；

V_Di为第i个主动辊的转速；V_Ij为第j个从动辊的转速；

T_DMi为第i个主动辊的扭矩测量值；T_IMj为第j个从动辊的扭矩测量值。

本发明中，主动辊12及从动辊13对应的扭矩设定值为晶圆清洗装置100运行稳定时，确定主动辊12及从动辊13的扭矩。控制部可以根据施加载荷、主动辊12及从动辊13的转速、转速差值、扭矩等新型建立映射关系，准确反映晶圆清洗装置100的运行状态，将晶圆清洗装置100的运行状态信息参与载荷拟定值F_p的确定，提高载荷施加的准确性。

图6示出了确定载荷拟定值的一个实施例的模型图。本实施例中，采用神经网络构建确定模型。该模型中，神经网络包括多个输入节点、多个隐藏节点和生成特征值的输出节点。在具有单层隐藏节点的神经网络中，每个隐藏节点可耦合至每个输入节点，且输出节点可耦合至每个隐藏节点。本发明中，主动辊12的转速、从动辊13的转速、转速差值、扭矩差值、施加载荷以及作业时间为输入层的输入节点，载荷拟定值为输出层的输出节点。可以理解的是，神经网络模型的隐藏层也可以设置两层及以上。

在确定载荷拟定值时，也可以采用其他机器学习的方法构建确定模型，如支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、K最近邻(k-Nearest Neighbor,KNN)、回归树(Regression Tree,RT)等，以准确获取载荷拟定值。

图3所示的实施例中，晶圆清洗装置100还包括转接件14，转接件14设置于支撑板11与致动器20之间。由于部件装配之间存在误差，控制部按照载荷拟定值加载后，主动辊12和/或从动辊13未能完全与晶圆边沿抵接。为了提高作业的灵活性，晶圆清洗装置100的连接件与致动器20的输出轴枢接，以带动支撑板11及其上的主动辊12及从动辊13转动适当角度，保证主动辊12及从动辊13抵接于晶圆边沿。

可以理解的是，晶圆清洗装置100中，至少一个连接件与致动器20的输出轴枢接。在一些实施例中，晶圆清洗装置100配置的一对支撑组件10也可以都同时配置与致动器20的输出轴枢接的连接件。

同时，本发明还提供了一种晶圆清洗装置，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现图2及图5示出的晶圆清洗方法的步骤。

所述存储器可以是控制设备的内部存储单元，例如控制设备的硬盘或内存。存储器也可以是控制设备的外部存储设备，例如控制设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括控制设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及控制设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

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 (8)

1.一种晶圆清洗方法，其特征在于，包括：

S1，将晶圆放置于晶圆清洗装置中，支撑组件朝向晶圆移动，所述支撑组件配置的主动辊及从动辊抵接于晶圆的外沿以水平夹持晶圆；

S2，控制部驱动所述主动辊转动，所述支撑组件夹持的晶圆绕轴线旋转；

S3，转速监测部实时测量所述从动辊的转速，并将测量结果传输至控制部；

S4，若从动辊与主动辊转速的差值大于转速阈值，则控制部调节支撑组件对晶圆的夹持力，使得从动辊与主动辊的转速同步；

S5，位于晶圆两侧的滚刷清洗晶圆表面；

所述晶圆清洗装置还包括致动器，其与支撑组件连接以驱动所述支撑组件水平移动；所述致动器通过支撑组件将载荷施加于晶圆边沿，以调节支撑组件对晶圆的夹持力；所述控制部根据主动辊的转速、从动辊的转速、转速差值、施加载荷以及作业时间形成的第一函数关系

确定载荷拟定值，

；

其中，

为施加载荷、

为作业时间、

为第i个主动辊的转速、

为第j个从动辊的转速。

2.如权利要求1所述的晶圆清洗方法，其特征在于，所述控制部调节支撑组件对晶圆的夹持力，若无法将从动辊与主动辊转速的差值调节至所述转速阈值以内，则更换从动辊和/或主动辊中的接触部件。

3.如权利要求1所述的晶圆清洗方法，其特征在于，步骤S3中，扭矩监测部实时测量所述从动辊及主动辊的扭矩，并将测量结果传输至控制部。

4.如权利要求3所述的晶圆清洗方法，其特征在于，若从动辊与主动辊转速的差值小于或等于转速阈值，且至少一个从动辊或主动辊对应扭矩的测量值与设定值之差大于扭矩阈值，则控制部降低支撑组件对晶圆的夹持力。

5.如权利要求3所述的晶圆清洗方法，其特征在于，若从动辊与主动辊转速的差值小于或等于转速阈值，所述从动辊及主动辊对应扭矩的测量值与设定值之差小于或等于扭矩阈值，则滚刷正常清洗旋转的晶圆。

6.如权利要求3所述的晶圆清洗方法，其特征在于，所述控制部根据主动辊的转速、从动辊的转速、转速差值、扭矩差值、施加载荷以及作业时间形成的第二函数关系

确定载荷拟定值。

7.如权利要求6所述的晶圆清洗方法，其特征在于，所述第二函数关系

为：

其中，

为施加载荷；t为作业时间；

为第i个主动辊的转速；

为第j个从动辊的转速；

为第i个主动辊的扭矩测量值；

为第j个从动辊的扭矩测量值。

8.一种晶圆清洗装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述晶圆清洗方法的步骤。

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