一种晶圆真空湿润机构及晶圆真空湿润方法
技术领域
本发明涉及晶圆制造设备技术领域,尤其涉及一种晶圆真空湿润机构及晶圆真空湿润方法。
背景技术
在半导体制造中采用电镀工艺析出电镀液中的金属离子至晶圆的沟槽内以形成金属导线。在集成电路制造中,高深宽比是对光刻工艺中所形成的图形的描述,当晶圆上窗口图形的深宽比达到1:2或晶圆上通孔的孔径小于50微米且孔深大于100微米时,通孔和窗口图形内部会留存气体,晶圆随夹具一同进入电镀腔的过程中通孔以及窗口图形处容易产生气泡,导致通孔内或图形窗口内电镀失败,故在电镀之前需要对晶圆的窗口图形内以及通孔内的气体进行去除。
现有技术中采取喷水湿润的方式来去除晶圆窗口图形和通孔内存在的气体,晶圆蚀刻图形的一面朝上,喷头固定在晶圆上方喷水,起到将窗口图形和通孔中气体排出并保持窗口和通孔内湿润的目的。
上述现有技术中存在以下不足:由于喷头固定在晶圆上方,喷洒纯水的过程中容易导致湿润不均匀的情况,产生部分窗口图形和通孔中存积纯水,而另外一部分窗口图形和通孔没有得到充分湿润,气体排出不完全,进而导致后续电镀失败的情况发生。
有鉴于此,有必要对现有技术中的晶圆真空湿润机构予以改进,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于揭示一种晶圆真空湿润机构及晶圆真空湿润方法,用以解决现有技术中的晶圆真空湿润机构所存在的无法有效排出具有高深宽比的窗口图形或者通孔内的气体从而导致后续电镀失败的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种晶圆真空湿润机构,包括:湿润组件、驱动机构和箱体,所述箱体内中空并形成腔体,所述驱动机构具驱动轴,所述驱动轴连接晶圆夹具,所述晶圆夹具带动晶圆在腔体内转动;
所述湿润组件包括喷头和转动机构,所述喷头位于晶圆夹具上方,所述箱体具上盖,所述驱动机构具有穿过上盖并带动喷头在腔体内摆动的转轴;
所述喷头摆动形成的平面与晶圆转动形成的平面平行,所述喷头摆动过程中和晶圆转动过程中存在相对运动,所述喷头摆动时所述腔体内处于真空状态;
所述箱体具底壁,所述驱动机构轴向穿过箱体底壁,所述驱动机构下表面固定连接底板,所述底板上安装升降气缸,所述箱体外壁固定连接支架;
所述升降气缸底面固定在底板上,所述升降气缸具活塞杆,活塞杆顶端与所述支架相连;
所述上盖与箱体可拆卸连接,所述升降气缸的活塞杆回缩状态下所述箱体顶端低于晶圆下表面;
所述上盖的下表面开设定位槽,所述升降气缸的活塞杆伸出状态下所述箱体顶端嵌入定位槽内,所述腔体内抽气形成真空;
所述驱动机构包括底座和安装在底座内的驱动电机,所述底座上方开口并连接防溅罩,所述驱动电机通过所述驱动轴与晶圆夹具同轴固定;
所述防溅罩下表面连接真空接头,所述防溅罩上表面形成空腔,所述空腔与真空接头连通,所述防溅罩上安装真空盖板,所述真空盖板扣合在空腔上,所述空腔与真空盖板之间形成气路,所述真空盖板与防溅罩之间存在间隙L,所述腔体内通过间隙L、气路和真空接头抽气形成真空。
作为本发明的进一步改进,所述湿润组件包括旋转气缸和摆臂,所述喷头连接在摆臂下表面,所述旋转气缸的转轴与摆臂相连;
所述上盖连接有液路接头,所述液路接头底端穿过上盖并连接管路,所述管路与喷头相连,所述管路为软性管道;
所述箱体靠近底壁处连接排水管,所述排水管与腔体连通。
作为本发明的进一步改进,所述防溅罩包括防溅平面和防溅环面,所述防溅平面覆盖在底座的开口处,所述空腔形成于防溅平面的上表面;
所述防溅环面围绕底座侧壁设置,所述底座与防溅环面之间连接密封装置,所述升降气缸的活塞杆升起状态下所述密封装置与箱体底壁上表面抵接,所述腔体内处于密封状态。
作为本发明的进一步改进,所述晶圆夹具包括连接座和不少于两个的支撑杆,所述驱动轴与连接座同轴固定,所述支撑杆倾斜固定在所述连接座侧面,多个所述支撑杆呈径向对称分布于连接座上;
多个所述支撑杆远离连接座一端分别连接一个夹座,晶圆放置于所述夹座上,所述夹座表面设置卡持晶圆边缘的卡块。
作为本发明的进一步改进,所述防溅平面位于真空气路外侧一体成型有密封环,所述真空盖板周缘形成有定位环,所述定位环内壁与密封环的外壁贴合。
作为本发明的进一步改进,所述上盖顶壁垂直固定四个连杆,所述连杆顶端连接固定板架,所述上盖通过固定板架保持在固定高度;
所述上盖的下表面开设定位槽,所述升降气缸的活塞杆伸出状态下所述箱体顶端嵌入定位槽内。
作为本发明的进一步改进,所述支架包括两个平行设置的安装杆和一个加固杆,所述加固杆两端垂直固定在两个安装杆的中点处;
所述箱体设置数量为两个,两个所述支架两端分别固定在两个箱体的侧壁上,所述升降气缸的活塞杆连接在加固杆底壁中点处。
本发明还揭示了一种使用晶圆真空湿润机构的晶圆真空湿润方法,基于上述任一所述的晶圆真空湿润机构实现,包括以下步骤:
S1,升降气缸的活塞杆回缩,箱体顶端低于晶圆夹具;
S2,放置待湿润晶圆到晶圆夹具上;
S3,升降气缸的活塞杆升起,箱体顶端与上盖贴合,腔体密闭;
S4,腔体内形成真空;
S5,液路接头和管路接通纯水,喷头向晶圆表面喷水,启动驱动电机带动晶圆转动,旋转气缸带动摆臂和喷头摆动,喷头与晶圆之间存在相对运动;
S6,湿润完成,关闭旋转气缸,摆臂和喷头归位,管路停止通水,驱动电机转速加大;
S7,关闭驱动电机,升降气缸的活塞杆回缩,箱体下降至晶圆下方。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:首先,将晶圆放置到晶圆夹具上,然后分别启动驱动机构和湿润组件,驱动机构带动晶圆周向转动,湿润组件带动喷头在一定角度内摆动,此时由于晶圆和喷头之间存在相对运动,即晶圆转动方向和喷头摆动方向可为同向或反向,同向或反向运动的过程中喷头与晶圆均存在速度差,喷头的摆动速度小于晶圆的转动速度,在喷头的摆动过程中晶圆可转动多周,湿润范围由晶圆的圆心处逐渐扩散到晶圆边缘处,起到良好的排出气体的作用,从而有效解决了现有技术中定向喷水导致晶圆表面湿润不均匀而导致后续电镀失败的问题。腔体内在喷头摆动前即处于真空状态,避免杂质随纯水附着的晶圆表面,保持晶圆质量稳定性。
其次,当升降气缸的活塞杆处于回缩状态下,箱体与上盖分离,箱体顶端低于晶圆,以便机械手将湿润完毕的晶圆取走,并将待湿润的晶圆放置在晶圆夹具上。晶圆放好后,升降气缸的活塞杆伸出,箱体升起至与上盖贴合,此时可启动旋转气缸和驱动电机对晶圆表面进行湿润,整个过程自动进行,便于晶圆的取放。
最后,当升降气缸的活塞杆伸出时,箱体顶面与上盖贴合,腔体内处于密闭状态,启动底座上的负压,气路和真空接头抽取腔体内气体使其形成真空。向液路接头和管路中通入纯水,再令旋转气缸和驱动电机启动对晶圆表面进行湿润,湿润完成后摆臂归位,驱动电机继续转动至晶圆表面多余的水分甩掉,管路中通水的过程中逐渐释释放腔体中的真空状态,以便后续升降气缸下拉箱体将晶圆取出。
附图说明
图1为本发明的立体图;
图2为本发明的正视图;
图3为沿图1中F-F向的剖视图;
图4为图3中A部放大图;
图5为图3中B部放大图;
图6为本发明中腔体下降状态的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明,但应当说明的是,这些实施方式并非对本发明的限制,本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代,均属于本发明的保护范围之内。
实施例一:
参照附图1至图3所示,为本发明中设计的一种晶圆真空湿润机构,包括湿润组件3、驱动机构2和箱体1,箱体1内中空并形成腔体14,驱动机构2具驱动轴222,驱动轴222连接晶圆夹具11,晶圆夹具11带动晶圆6在腔体14内转动;湿润组件3包括喷头32和转动机构31,喷头32位于晶圆夹具11上方,箱体1具上盖33,转动机构31具转轴,转轴穿过上盖33与喷头32相连,驱动机构31带动喷头31在腔体14内摆动;喷头34摆动形成的平面与晶圆6转动形成的平面平行,喷头32摆动过程中和晶圆6转动过程中存在相对运动,喷头32摆动时腔体14内处于真空状态。
需要说明的是,喷头32在初始状态下位于晶圆6的圆心正上方,喷头32并列设置三个喷嘴,转动机构31带动喷头32在系统预设的角度范围内摆动。驱动机构2带动晶圆夹具11转动,晶圆6放置在晶圆夹具11上,在喷头32摆动之前首先使腔体14内处于真空状态,然后分别启动转动机构31和驱动机构2,晶圆6的转动速度远大于喷头32的摆动速度,晶圆6的转动方向与喷头32的摆动方向可同向也可反向。在喷头32摆动的过程中晶圆6以较快的速度转动,晶圆6表面的湿润范围由圆心处逐渐扩散至晶圆6边缘,直至整个晶圆6湿润完毕后,转动机构31带动喷头32归位。然后驱动机构2以更快的速度带动晶圆6转动将表面多余的水分甩掉,即可将晶圆6取出。经过均匀湿润的晶圆6的表面窗口图形内以及通孔内在后续电镀过程中有效避免了由于存在气泡导致电镀失败的情况发生,保证了晶圆6的电镀效果。
如图1至图6所示,驱动机构2轴向穿过箱体1的底壁中心处,驱动机构2下表面固定连接底板5,底板5上连接有升降气缸43,箱体1外壁固定连接支架4,支架4可包括两个平行设置的安装杆41和一个垂直设置的加固杆42,加固杆42两端垂直固定在两个安装杆41的中点处,加固杆42与安装杆41构成H型结构;
箱体1设置数量可设置为两个,与箱体1配套的驱动机构2以及湿润组件3均为两组,两个支架4两端分别固定在两个箱体1的侧壁上,升降气缸43的活塞杆顶端连接在加固杆42底壁中点处,可同时对两个晶圆6进行湿润排气作业。两个腔体14内的晶圆夹具11转动方向相反,平衡支架4两侧的受力,令装置整体运行更为稳定。
升降气缸43底面固定在底板5上,升降气缸43的活塞杆顶端与支架4相连;上盖33与箱体1可拆卸连接,上盖33顶壁垂直固定四个连杆333,连杆333顶端连接固定板架34,上盖33通过固定板架34固定在工作区域处,升降气缸43的活塞杆回缩状态下箱体1顶端低于晶圆6下表面,此时上盖33与箱体1之间的距离与升降气缸43的行程高度相等。上盖33的下表面开设定位槽334,定位槽334以上盖33的中轴线为轴环形分布并与箱体1顶端适配,升降气缸43的活塞杆伸出状态下箱体1顶端嵌入定位槽334内,此时腔体14处于处于密闭状态,以备后续的抽真空和晶圆湿润动作。
如图3至图6所示,湿润组件3包括旋转气缸312和摆臂311,喷头32连接在摆臂311下表面,旋转气缸312具有带动喷头32在系统预设的角度内摆动的转轴,转轴沿图3所示的R轴设置,转轴底端穿过上盖33后与摆臂311上表面一端相连,摆臂311垂直于转轴设置,摆臂311的长度根据最大尺寸的晶圆6半径选择,当摆臂311的长度能够覆盖最大晶圆6的半径范围时,可满足其他尺寸的晶圆6的湿润作业需要。上盖33连接有液路接头331,液路接头331底端穿过上盖33并连接管路332,管路332与喷头32的进液口相连,管路332为软性管道,且管路332的长度大于喷头32与液路接头331的进液口之间的直线距离,给喷头32的摆动和复位预留了空间。驱动机构2包括底座21和安装在底座21内的驱动电机22,底座21上方开口并连接防溅罩211,驱动电机22具有转子,驱动电机22的转子通过驱动轴222与晶圆夹具11同轴固定,驱动轴222沿图3和图4中所示的C轴方向设置。
如图3至图6所示,防溅罩211下表面连接真空接头2114,真空接头2114用于连接负压泵(图中未示出),防溅罩211上表面形成空腔2113,空腔2113与真空接头2114连通,防溅罩211上安装真空盖板212,真空盖板212扣合在空腔2113上,空腔2113与真空盖板212之间形成气路2122,真空盖板212与防溅罩211之间存在间隙L(如图5所示)。启动负压泵后,腔体14内的气体依次通过间隙L、气路2122和真空接头2114抽出形成真空。
需要说明的是,当对晶圆6表面进行湿润作业时,负压泵启动通过真空气路2113和真空接头2114将腔体14中的气体抽除,腔体14中的气体通过真空盖板212与防溅罩211之间的间隙L处进入真空气路2113,达到腔体14处于真空状态的效果,配合摆动的喷头32和转动的晶圆夹具11,在有效提高晶圆6湿润的均匀度、最大程度地排出窗口图形内以及通孔内气体的同时,避免杂质随纯水附着在晶圆6的窗口图形内或通孔内部,进一步提高电镀效果。
如图3至图6所示,升降气缸43的活塞杆伸出状态下,箱体1顶端嵌入开设于上盖33的定位槽334内,腔体14内形成密闭状态,负压泵启动,通过真空接头2114和气路2122抽取箱体内的气体,使腔体14内形成真空状态。然后启动驱动电机22和旋转气缸312,通过液路接头331和管路332通入纯水,纯水经过摆动的喷头32喷到转动的晶圆6上,在进液的过程中腔体14的真空状态逐步释放,晶圆6湿润完成后旋转气缸312停止工作,摆臂311归位,驱动电机22继续工作一段时间至晶圆6表面多余的水分甩掉后停止,甩干过程中晶圆6的转动速度大于湿润过程中的转动速度。然后升降气缸43的活塞杆回缩,将腔体14内解除了真空状态的箱体1下拉至顶端低于晶圆6下表面的状态,使用机械手将湿润完成的晶圆6取出,在两个箱体1的晶圆夹具11内分别放上新的待湿润晶圆6,继续重复上述动作。
如图4所示,防溅罩211包括防溅平面2111和防溅环面2112,防溅平面2111覆盖在底座21的开口处,空腔2113开设于防溅平面2111的上表面。防溅环面2112围绕底座21侧壁设置,底座21与防溅环面2112之间可拆卸连接用于密封腔体14的密封装置2116,升降气缸43的活塞杆升起状态下密封装置2116与箱体1底壁内侧抵接。密封装置2116为橡胶带等具有弹性的材料,顶部通过垫圈2117和螺栓2118可拆卸连接在底座21顶端,底部弯折后通过垫圈2117和螺栓(图中未示出)可拆卸连接在防溅环面2112的底面上。
需要说明的是,当升降气缸43的活塞杆伸出状态下,箱体1顶端嵌入定位槽334内,腔体14的底壁上表面与设置为橡胶带的密封装置2116抵接,在启动负压泵抽真空时能够起到良好的密封效果,以便于腔体14内达到真空状态,同时,对湿润过程中落到腔体14底部的水分也能起到良好的密封作用。密封装置2116靠近防溅罩211一侧压在底座21上表面靠近边缘处,垫圈2117压在密封装置上,螺栓2118穿过垫圈2117和密封装置2116后拧紧在底座21上;密封装置2116靠近驱动电机22一侧与防溅环面2112的底壁之间设置垫圈2117,螺栓穿过密封装置2116和垫圈2117后拧紧在防溅环面2112上,在不影响箱体1的上下升降过程的同时具有良好的密封效果。
如图3所示,晶圆夹具11包括连接座111和不少于两个的支撑杆112,驱动电机22的驱动轴222与连接座111同轴固定,多个支撑杆112倾斜固定在连接座111侧面;多个支撑杆112远离连接座111一端分别连接一个夹座113,晶圆6放置于夹座113上,每个夹座113上表面分别固定连接一个卡块114,卡块114对晶圆6周缘进行限位。本实施例中支撑杆112的设置数量为四个,图3为对连接座111沿F-F方向剖视视角,图3中所示两个相对支撑杆112之间的夹角为120°,将晶圆6放置在四个夹座113上时,晶圆6与四个支撑杆112之间形成稳定的棱锥支撑结构,在晶圆夹具11带动晶圆6转动湿润和转动甩干的过程中能够提供稳定的支撑效果。四个卡块114能够对晶圆6进行限位,在湿润和去除晶圆6表面多余水分的过程中,保证晶圆6不会因离心力作用由夹座113上甩掉。
如图4和图5所示,防溅平面2111位于真空气路2113外侧一体成型有密封环2115,真空盖板212周缘形成有定位环2121,定位环2121内壁与密封环2115的外壁贴合,连接座111与真空盖板212通过螺栓固定。由于真空盖板212仅通过定位环2121套在密封环2115上与防溅平面2111配合,相互之间既不固定也不密封,保证了间隙L的存在,进而保持了气路2122的通畅。且真空盖板212通过螺栓2118与连接座111固定,在晶圆夹具11转动的过程中真空盖板212同步转动,使晶圆夹具11的转动过程更为稳定,真空盖板212给晶圆夹具11提供了有效的支撑。防溅罩211与驱动电机22之间通过吊装环221相连,使用螺栓2118依次穿过吊装环221和底座21顶面、吊装环221和驱动电机22顶面,将驱动电机22稳定安装于底座21内部。
如图3所示,腔体14内壁连接有挡水罩12,挡水罩12与腔体14内壁相连一侧的高度低于另一侧的高度,挡水罩12最高点位于晶圆夹具11上方,箱体1靠近底壁处连接有排水管13,排水管13与腔体14连通。在湿润晶圆6表面和除去晶圆6表面水分的过程中,由晶圆6表面弹起的水珠和由晶圆6上甩掉的水珠被挡水罩12挡住以便水分直接落到腔体14底部,腔体14底部累积一定量的水后接通排水管13,即可将腔体14中的水分排出,以供后续的正常工作。本实施例中挡水罩12上开设过水孔121,当部分水珠被甩到挡水罩12上表面后,挡水罩12本身存在的坡度能够引导水分由过水孔121处流下落到腔体14底部,从而有效避免了腔体14内长期处于潮湿状态导致装置受潮损坏的情况。
实施例二:
本发明还设计了一种使用真空湿润机构的晶圆真空湿润方法,本实施例依靠实施例一设计的晶圆真空湿润机构实现,包括以下步骤:
S1,升降气缸的活塞杆回缩,腔体顶端低于晶圆夹具;
S2,放置待湿润晶圆到晶圆夹具上;
S3,升降气缸的活塞杆升起,箱体顶端与上盖贴合,腔体密闭;
S4,腔体内形成负压真空;
S5,液路接头和管路接通纯水,喷头向晶圆表面喷水,启动驱动电机和旋转气缸带动喷头和晶圆转动并存在相对运动;
S6,湿润完成,关闭驱动气缸,摆臂和喷头归位,管路停止通水,驱动电机转速加大;
S7,关闭驱动电机,升降气缸的活塞杆回缩,腔体下降至晶圆下方。
以上步骤结合实施例一所示,在此不做赘述。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。