CN115424974A - 半导体清洗设备的卡盘结构、半导体清洗设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体清洗设备的卡盘结构及半导体清洗设备，该卡盘结构包括用于承载晶圆的卡盘基体，在卡盘基体与晶圆相对的第一表面的边缘处形成有多个避让凹部，多个避让凹部与机械手在取放晶圆时与晶圆的接触位置一一对应地设置，用以避免机械手在取放晶圆时接触卡盘基体；在卡盘基体中设置有第一气体通道，第一气体通道在第一表面上具有多个第一出气口，多个第一出气口沿第一表面的周向间隔分布；每个第一出气口的喷气方向均朝向晶圆的与卡盘基体相对的表面外侧倾斜。本发明实施例可以降低机械手的位置校准难度，避免在晶圆边缘处产生颗粒污染和腐蚀。

Description

半导体清洗设备的卡盘结构、半导体清洗设备及方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种半导体清洗设备的卡盘结构、半导体清洗设备及方法。
背景技术
随着集成电路制造技术的发展，后道铜互连技术已经被广泛应用到芯片制造过程中。半导体器件上的铜连线一般是通过电镀生成，在进行电镀时，硅片的正面与反面同时浸入含有铜离子的电镀液中，这时硅片背面的铜离子浓度很高，需要降低铜离子浓度以避免后续的半导体处理设备的硅片夹持与传送机构受到铜污染，现有的方法是使用单片背面清洗机对硅片背面进行清洗，以降低硅片背面的铜离子浓度。
典型的单片背面清洗机的传片过程为：晶圆被位于传送区的翻转机构由正面向上翻转为背面向上，并在机械手的夹持作用下，保持正面向下的状态进入工艺腔室，并在卡盘结构喷出的气流作用下悬浮于卡盘结构上方。但是，由于卡盘结构与悬浮的晶圆之间的距离很小(一般为0.2-0.8mm)，这会给机械手的位置校准带来难度，很容易在机械手与卡盘结构之间发生干涉，而且校准后的位置的重复性和可靠性也难以维持量产需求。虽然可以采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，但是，由于需要较大的气体流量(约200-400LPM)，垂直喷气会将颗粒吹向晶圆正面，对晶圆正面带来污染，产生缺陷(defect)问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体清洗设备的卡盘结构、半导体清洗设备及方法，其不仅可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求，而且还可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体清洗设备的卡盘结构，包括用于承载晶圆的卡盘基体，在所述卡盘基体与晶圆相对的第一表面的边缘处形成有多个避让凹部，多个所述避让凹部与机械手在取放晶圆时与晶圆的接触位置一一对应地设置，用以避免所述机械手在取放晶圆时接触所述卡盘基体；
在所述卡盘基体中设置有第一气体通道，所述第一气体通道在所述第一表面上具有多个第一出气口，多个所述第一出气口沿所述第一表面的周向间隔分布；每个所述第一出气口的喷气方向均朝向所述晶圆的与所述卡盘基体相对的表面外侧倾斜。
可选的，在所述卡盘基体中还设置有第二气体通道，所述第二气体通道在所述第一表面上具有多个第二出气口，每个所述避让凹部与多个所述第一出气口所在圆周之间对应设置有至少一个所述第二出气口，每个所述第二出气口的喷气方向均朝向所述晶圆的与所述卡盘基体相对的表面外侧倾斜。
可选的，位于每个所述避让凹部与多个所述第一出气口所在圆周之间的所述第二出气口为多个，且呈圆弧状排列。
可选的，多个所述第二出气口沿所述第一表面的周向呈圆弧状排列；
每个所述避让凹部的与多个所述第二出气口相邻的第一侧边的延伸方向与多个所述第二出气口的排列方向一致。
可选的，所述卡盘基体包括承载基体和设置于所述承载基体上的盖板，所述盖板的上表面用作所述第一表面，所述盖板与所述承载基体之间形成有气腔；
所述第一气体通道包括设置在所述盖板中的多个第一斜孔，每个所述第一斜孔的一端位于所述第一表面，用作所述第一出气口；每个所述第一斜孔的另一端与所述气腔相连通；
所述第二气体通道包括设置在所述盖板中的多个第二斜孔，每个所述第二斜孔的一端位于所述第一表面，用作所述第二出气口；每个所述第二斜孔的另一端与所述气腔相连通。
可选的，多个所述避让凹部划分为多个避让组，每个所述避让组具有的所述避让凹部的数量与所述机械手与晶圆的所述接触位置的数量相同；多个所述避让组相对于所述第一表面的中心对称分布。
可选的，所述避让凹部的内周面所围成的开口面积沿远离所述避让凹部的底面的方向递增。
可选的，所述避让凹部的内周面与所述避让凹部的底面之间形成有第一圆角。
可选的，所述避让凹部的内周面在所述第一表面上的正投影形状为多边形，所述多边形的各边角形成有第二圆角。
可选的，所述第二出气口与所述第一侧边之间的间距大于等于10mm，且小于等于20mm。
可选的，所述避让凹部为三个，分别为第一避让凹部和位于所述第一避让凹部两侧的两个第二避让凹部，所述第一避让凹部在所述第一表面的周向上的长度大于等于20mm，且小于等于40mm；所述第二避让凹部在所述第一表面的周向上的长度大于等于30mm，且小于等于60mm。
可选的，位于每个所述避让凹部与多个所述第一出气口所在圆周之间的所述第二出气口的数量大于等于5个，且小于等于15个。
可选的，每个所述第二出气口的喷气方向与所述第一表面之间的夹角均大于等于30°，且小于等于45°。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体清洗设备，包括工艺腔室、机械手和喷淋装置，在所述工艺腔室中设置有可旋转和升降的卡盘结构，用于承载晶圆；所述喷淋装置包括用于喷淋药液的第一摆臂、用于喷淋去离子水的第二摆臂和用于喷淋干燥气体的第三摆臂，所述卡盘结构采用本发明提供的上述卡盘结构。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体清洗方法，采用本发明提供的上述半导体清洗设备对晶圆进行清洗，所述半导体清洗方法包括：
向所述第一气体通道通入惰性气体；
控制所述机械手将晶圆传入所述工艺腔室，使所述晶圆在气流作用下悬浮于所述第一表面上方的传片位置；
控制所述卡盘结构下降至第一工艺位置，并转动；
控制所述第一摆臂的喷头在所述晶圆上方摆动，同时向所述晶圆喷淋药液；
待喷淋完成后，控制所述第一摆臂返回初始位置，并保持所述卡盘结构继续转动；
控制所述卡盘结构在保持转动的同时，上升至第二工艺位置；
控制所述第二摆臂的喷头在所述晶圆上方摆动，同时向所述晶圆喷淋去离子水；
待喷淋完成后，控制所述第二摆臂返回初始位置，并保持所述卡盘结构继续转动；
控制所述第三摆臂的喷头在所述晶圆上方摆动，同时向所述晶圆喷出吹扫气体；
待吹扫完成后，控制所述卡盘结构返回所述传片位置，并控制所述机械手取出所述晶圆。
可选的，在向所述第一气体通道通入惰性气体的同时，向所述第二气体通道通入惰性气体。
可选的，所述惰性气体的流量大于等于10L/min，且小于等于600L/min。
可选的，在所述卡盘结构下降至所述第一工艺位置时，所述第一摆臂的喷头与所述晶圆之间的垂直距离大于等于20mm，且小于等于60mm。
可选的，所述第一摆臂的喷头在所述晶圆表面上方的摆动距离为最大摆动距离的80％；所述最大摆动距离为自所述晶圆表面的中心摆动至边缘的距离；
所述第一摆臂的摆动速度大于等于10°/s，且小于等于25°/s。
可选的，所述待喷淋完成后，控制所述第一摆臂返回初始位置，并保持所述卡盘结构继续转动，包括：
保持所述卡盘结构继续以与所述第一摆臂喷淋时相同的第一转速转动；
经过预设时长之后，控制所述卡盘结构以第二转速转动，所述第二转速高于所述第一转速。
可选的，所述第一转速大于等于300R/min，且小于等于900R/min；所述第二转速大于等于1000R/min，且小于等于2000R/min。
本发明的有益效果：
本发明提供的半导体清洗设备的卡盘结构，其通过在卡盘基体与晶圆相对的第一表面的边缘处形成有多个避让凹部，多个避让凹部与机械手在取放晶圆时与晶圆的接触位置一一对应地设置，可以避免机械手在取放晶圆时接触卡盘基体，从而可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求；在此基础上，结合使用第一气体通道在第一表面上的多个第一出气口朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以实现将晶圆悬浮于卡盘基体上方，同时无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
本发明提供的半导体清洗设备，其通过采用本发明提供的上述卡盘结构，不仅可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求，而且还可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
本发明提供的半导体清洗方法，其通过采用本发明提供的上述半导体清洗设备，不仅可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求，而且还可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构的俯视图；
图2A为本发明第一实施例采用的机械手的结构图；
图2B为本发明第一实施例采用的机械手取放晶圆的过程图；
图3A为本发明第二实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构的一种俯视图；
图3B为本发明第二实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构的局部剖视图；
图3C为本发明第二实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构的剖视图；
图4为本发明第二实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构的另一种俯视图；
图5A为本发明各实施例采用的其中一个避让凹部的放大图；
图5B为本发明各实施例采用的另一个避让凹部的放大图；
图6为本发明第三实施例提供的半导体清洗设备的结构图；
图7为本发明第四实施例提供的半导体清洗方法的流程框图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的半导体清洗设备的卡盘结构及半导体清洗设备进行详细描述。
第一实施例
请一并参阅图1至图2B，本发明第一实施例提供一种半导体清洗设备的卡盘结构，其包括用于承载晶圆3的卡盘基体1，在该卡盘基体1与晶圆3相对的第一表面11的边缘处形成有多个避让凹部12，多个避让凹部12与机械手4在取放晶圆3时与晶圆3的接触位置一一对应地设置，用以避免机械手4在取放晶圆3时接触卡盘基体1。以图2A所示的机械手4为例，机械手4包括两个机械手指41，两个机械手指41的一端均设置有固定钩部411和位于两个机械手指41的远离固定钩部411的另一端的活动钩部42，该活动钩部42能够沿图2A所示的A方向朝靠近或远离固定钩部411的方向伸缩，如图2B所示，当活动钩部42朝靠近固定钩部411的方向伸出时，其会与两个固定钩部411共同夹持住晶圆3的边缘；当活动钩部42朝远离固定钩部411的方向回缩时，其会与两个固定钩部411解除对晶圆3边缘的夹持。活动钩部42和两个固定钩部411在夹持晶圆3时与晶圆3的三个接触位置即为图2B中的位置B1、位置B2和位置B3。在这种情况下，避让凹部12为三个，且三个避让凹部12与位置B1、位置B2和位置B3一一对应地设置，以使活动钩部42和两个固定钩部411能够分别在三个避让凹部12中与晶圆3的边缘接触。这样，可以避免活动钩部42和两个固定钩部411与卡盘基体1之间产生干涉，从而可以保证机械手4可以正常进行取放晶圆的操作，即使在卡盘基体1与悬浮的晶圆3之间的距离很小(一般为0.2-0.8mm)，通过设置避让凹部12，可以在机械手4取放晶圆时为活动钩部42和两个固定钩部411预留一定的空间，避免三者接触卡盘基体1，从而可以降低机械手4的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求。而且，因为在晶圆3的悬浮高度较小的情况下，借助上述避让凹部12，就可以正常进行机械手4的取放片操作，所以无需再采用垂直喷出气流的方式(即，沿垂直于晶圆背面的方向朝晶圆背面喷出气体)提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
需要说明的是，图2A所示的机械手4与晶圆的接触位置有三个，与之相适应的，避让凹部12的数量为三个，但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，机械手与晶圆的接触位置的数量还可以为其他数量，而避让凹部12的数量也相应的调整。另外，本发明实施例也并不局限于采用图2A所示的机械手的结构，本发明实施例对此没有特别的限制。
请参阅图1，在卡盘基体1中设置有第一气体通道，该第一气体通道在第一表面11上具有多个第一出气口131，多个第一出气口131沿第一表面11的周向间隔分布；每个第一出气口131的喷气方向均朝向晶圆3的与卡盘基体1相对的表面外侧倾斜。
例如，第一气体通道的喷气方向为图3B示出的箭头方向A，该方向与第一表面11呈夹角。通过使第一出气口131的喷气方向沿图3B示出的箭头方向A倾斜设置，可以增大晶圆3的与卡盘基体1相对的表面上的气体流速，使其大于晶圆3的与卡盘基体1相背离的表面上的气体流速，根据伯努利原理，气体流速越快，压强越小；反之，气体流速越慢，压强越大，因此，晶圆3的与卡盘基体1相背离的表面上的压强小于晶圆的与卡盘基体1相对的表面上的压强，从而使晶圆受到朝向第一表面11的吸引作用力，直至晶圆3的这两个表面受到的作用力达到平衡后，晶圆会稳定地悬浮在卡盘基体1上方的某一高度位置处，以能够进行清洗工艺，同时晶圆3与卡盘基体1不相接触。另外，通过使多个第一出气口131沿第一表面11的周向间隔分布，可以使气体沿晶圆3的周向均匀的喷出，从而保证晶圆能够被气体稳定地托起。
在实际应用中，可以根据具体需要设定多个第一出气口131所在圆周的直径，以能够增大晶圆3的与卡盘基体1相对的表面上的气体流速，从而使晶圆3能够受到吸引作用力。可选的，第一出气口131的喷气方向(即，图3B示出的箭头方向A)与第一表面11之间的夹角的取值范围在30°-45°。在该范围内，可以保证晶圆3能够受到吸引作用力。
本实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构，其通过在卡盘基体1与晶圆相对的第一表面11的边缘处形成有多个避让凹部12，多个避让凹部12与机械手4在取放晶圆时与晶圆的接触位置一一对应地设置，可以避免机械手4在取放晶圆时接触卡盘基体1，从而可以降低机械手4的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求；在此基础上，结合使用第一气体通道在第一表面11上的多个第一出气口141朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以实现将晶圆悬浮于卡盘基体上方，同时无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
第二实施例
请一并参阅图3A、图3B和图3C，本发明第二实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构，其是在上述第一实施例的基础上所做的改进。具体地，在本实施例中，在卡盘基体1中设置有上述第一气体通道的基础上，还设置有第二气体通道，该第二气体通道在第一表面11上具有多个第二出气口141，每个避让凹部12与多个第一出气口131所在圆周之间对应设置有至少一个第二出气口141，每个第一出气口131和每个第二出气口141的喷气方向均朝向晶圆3的与卡盘基体1相对的表面外侧倾斜。
本发明实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构，在通过多个避让凹部12避免机械手在取放晶圆时接触卡盘基体的基础上，结合使用多个第一出气口131和多个第二出气口141朝向晶圆表面倾斜地喷气，使用第一气体通道在第一表面11上的多个第一出气口141朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以实现将晶圆悬浮于卡盘基体上方，同时无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染；使用上述第二气体通道在第一表面11上的多个第二出气口141朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以对晶圆边缘，尤其是避让凹部12所在位置进行保护，从而不仅可以避免因受避让凹部12影响产生的不稳定气流场而在晶圆边缘处产生颗粒污染；而且还可以在进行清洗工艺时，避免在避让凹部12处产生化学药液反溅，造成晶圆边缘腐蚀。
在一些可选的实施例中，如图3A所示，位于每个避让凹部12与多个第一出气口131所在圆周之间的第二出气口141为多个，且呈圆弧状排列。这样，可以增强多个第二出气口141喷出的气体对每个避让凹部12所在位置的保护效果。
在一些可选的实施例中，如图3A所示，多个第二出气口141沿第一表面11的周向呈圆弧状排列；每个避让凹部12的与多个第二出气口141相邻的第一侧边121的延伸方向与多个第二出气口141的排列方向一致。这样，可以更有效地避免因受避让凹部12影响产生的不稳定气流场而在晶圆边缘处产生颗粒污染。另外，在实际应用中，为了避免因受避让凹部12影响产生的不稳定气流场而在晶圆边缘处产生颗粒污染，可以适当增加第一出气口131的数量，例如，设置有避让凹部12时采用的第一出气口131的数量可以是未设置有避让凹部12时采用第一出气口131的数量的1.2～1.6倍。
在一些可选的实施例中，如图3A所示，第二出气口141与第一侧边之间的间距D大于等于10mm，且小于等于20mm。这样，可以保证多个第二出气口141喷出的气体能够对每个避让凹部12所在位置的保护效果。
在一些可选的实施例中，为了增强多个第二出气口141喷出的气体对每个避让凹部12所在位置的保护效果，位于每个避让凹部12与多个第一出气口131所在圆周之间的第二出气口141的数量大于等于5个，且小于等于15个。但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，可以根据避让凹部12在第一表面11的周向上的长度，设定没每个避让凹部12所对应的第二出气口141的数量。例如，如图3A所示，避让凹部12为三个，分别为第一避让凹部(最上方)和位于该第一避让凹部两侧的两个第二避让凹部，上述第一避让凹部在第一表面11的周向上的长度大于等于20mm，且小于等于40mm；上述第二避让凹部在第一表面11的周向上的长度大于等于30mm，且小于等于60mm。优选的，第一避让凹部在第一表面11的周向上的长度大于各个第二避让凹部在第一表面11的周向上的长度，这样设置，是分别针对机械手4的两个固定钩部411和活动钩部42的尺寸进行的设计，其中，活动钩部42在第一避让凹部中与晶圆3的边缘接触，各个第二避让凹部在各个第二避让凹部与晶圆3的边缘接触。另外，上述第一、第二避让凹部在第一表面11的周向上的长度范围可以适用于：位于每个避让凹部12与多个第一出气口131所在圆周之间的第二出气口141的数量大于等于5个，且小于等于15个。
在一些可选的实施例中，每个第二出气口141的喷气方向可以与第一出气口131的喷气方向相同，也可以不同。可选的，每个第二出气口141的喷气方向(即，图3B示出的箭头方向B)与第一表面11之间的夹角大于等于30°，且小于等于45°。
在一些可选的实施例中，如图3B和图3C所示，卡盘基体1包括承载基体1a和设置于承载基体1a上的盖板1b，二者例如可以采用螺钉固定连接。该盖板1b的上表面用作上述第一表面11，盖板1b与承载基体1a之间形成有气腔1c。可选的，在承载基体1a上，且位于与晶圆相对的表面设置有凹部，盖板1b的底部形成有凸部，该凸部设置在该凹部中，且在凹部的内表面与凸部的外表面相对形成气腔1c，即，承载基体1a与盖板1b之间嵌套设置，这样可以减小卡盘基体1的整体尺寸，降低加工难度。
上述第一气体通道包括设置在盖板1b中的多个第一斜孔13，每个第一斜孔13的一端位于第一表面11，用作上述第一出气口131；每个第一斜孔13的另一端与气腔1c相连通；上述第二气体通道包括设置在盖板1b中的多个第二斜孔14，每个第二斜孔14的一端位于第一表面11，用作上述第二出气口141；每个第二斜孔14的另一端与气腔1c相连通。这样，由气源提供的气体可以先通入气腔1c，然后在气腔1c中扩散之后，通过各个第一斜孔13的第一出气口131和各个第二斜孔14的第二出气口141喷出，气体流动方向例如图3C中的箭头所示。气腔1c既可以起到匀气作用，又可以起到憋气作用，该作用可以通过控制气体流量和气体压力的大小，来控制晶圆悬浮于卡盘基体上方的高度，同时可以保证气体能够稳定连续地由各第一出气口131和各第二出气口141喷出。另外，通过设置气腔1c，可以实现从卡盘基体1的中间位置进气，然后使气体通过气腔1c向卡盘基体1的扩散。
需要说明的是，在实际应用中，还可以采用其他进气方式，例如可以通过两个气源单独向多个第一斜孔13和多个第二斜孔14通入气体。该气体例如为诸如氮气等的惰性气体。另外，上述第一气体通道包括多个第一斜孔13的方案同样可以适用于上述第一实施例。
在另一些可选的实施例中，多个避让凹部12可以划分为多个避让组，每个避让组具有的避让凹部12的数量与机械手与晶圆的接触位置的数量相同；多个避让组相对于第一表面11的中心对称分布。以图2A所示的机械手4为例，如图4所示，机械手4与晶圆的接触位置有三个，避让组为两个，分别为第一避让组和第二避让组，其中，第一避让组包括三个避让凹部12a，第二避让组包括三个避让凹部12b，且第一避让组和第二避让组相对于第一表面11的中心对称分布，这样，可以使晶圆在以不同的角度位于卡盘基体1上方时，机械手4与晶圆的接触位置均能够与避让凹部12的位置对应，换言之，可以在避让凹部12能够与接触位置对应的前提下，允许晶圆以多种不同的角度设置于卡盘基体1上方。
在一些可选的实施例中，如图1和图2B所示，分别与活动钩部42和两个固定钩部411与晶圆的接触位置对应的三个避让凹部12在结构上有区别，具体地，与活动钩部42对应的避让凹部12(如图5A所示)在圆周方向上的长度大于与各固定钩部411对应的避让凹部12(如图5B所示)在圆周方向上的长度，以保证各避让凹部12的空间均足够容纳活动钩部42和两个固定钩部411，并且与各固定钩部411对应的避让凹部12的内周面所围成的开口，在圆周方向上的宽度越靠近第一表面11的边缘越大，以使各固定钩部411能够更容易进入避让凹部12。
在一些可选的实施例中，为了避免避让凹部12对局部气流场产生影响而在避让凹部12处形成漩涡，如图5A和图5B所示，避让凹部12的内周面所围成的开口面积沿远离避让凹部12的底面的方向递增，即，避让凹部12的内周面122为斜面，以能够对气流起到缓解气体流场突变的过渡作用。可选的，避让凹部12的内周面122与避让凹部12的底面之间形成有第一圆角122a，这同样可以起到缓解气体流场突变的过渡作用。另外，可选的，避让凹部12的内周面在第一表面11上的正投影形状为多边形，例如矩形、梯形、正方形等等。多边形的各边角形成有第二圆角122b，这同样可以起到缓解气体流场突变的过渡作用。
在一些可选的实施例中，避让凹部12的深度大于等于0.5mm，且小于等于2mm；避让凹部12的内周面122与第一表面11之间的夹角大于等于5°，且小于等于85°；上述第一圆角的半径大于等于0.2mm，且小于等于2mm。
综上所述，本发明实施例提供的半导体清洗设备的卡盘结构，其通过在卡盘基体与晶圆相对的第一表面的边缘处形成有多个避让凹部，多个避让凹部与机械手在取放晶圆时与晶圆的接触位置一一对应地设置，可以避免机械手在取放晶圆时接触卡盘基体，从而可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求；在此基础上，结合使用第一气体通道在第一表面上的多个第一出气口朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以实现将晶圆悬浮于卡盘基体上方，同时无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。可选的，结合使用第二气体通道在第一表面上的多个第二出气口朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以对晶圆边缘，尤其是避让凹部所在位置进行保护，从而不仅可以避免因受避让凹部影响产生的不稳定气流场而在晶圆边缘处产生颗粒污染；而且还可以在进行清洗工艺时，避免在避让凹部处产生化学药液反溅，造成晶圆边缘腐蚀。
第三实施例
作为另一个技术方案，请参阅图6，本发明第三实施例还提供一种半导体清洗设备100，包括工艺腔室7、机械手(例如图4中示出的机械手4)和喷淋装置，其中，工艺腔室7由腔体71限定而成，且在工艺腔室7中设置有卡盘结构(包括卡盘主体1)，用于采用气体悬浮的方式承载晶圆3；该卡盘结构与驱动装置5连接，在驱动装置5的驱动下，卡盘结构可以围绕其轴线旋转，还可以作升降运动。喷淋装置包括用于喷淋药液(例如HF和HNO3的混合药液)的第一摆臂61、用于喷淋去离子水的第二摆臂62和用于喷淋干燥气体(例如氮气)的第三摆臂63，并且，卡盘结构采用本发明实施例提供的上述卡盘结构。
上述半导体清洗设备100例如为单片背面清洗设备，用于对晶圆背面进行清洗工艺，进行工艺时，晶圆的正面朝向卡盘主体1的第一表面，并且通过多个第一出气口131沿倾斜方向向晶圆喷设一定流动的惰性气体(例如氮气)，既可以将晶圆悬浮于卡盘基体上方，又可以保护晶圆正面，保证药液不会回溅至晶圆正面。
本发明实施例提供的半导体清洗设备，其通过采用本发明实施例提供的上述卡盘结构，不仅可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求，而且无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
第四实施例
在采用半导体清洗设备对晶圆进行清洗时，通过喷淋装置向晶圆表面(即，朝上的背面)喷淋的药液时，受到位于晶圆边缘处的部件(例如晶圆夹持部件、卡盘结构等)的影响，往往会有部分药液反溅至晶圆正面边缘处，导致在晶圆正面边缘处产生颗粒污染和腐蚀。为了解决该问题，作为另一个技术方案，请一并参阅图6和图7，本发明第四实施例还提供一种半导体清洗方法，其采用用本发明实施例提供的上述半导体清洗设备对晶圆进行清洗，以采用本发明第一实施例提供一种半导体清洗设备的卡盘结构为例，该半导体清洗方法包括以下步骤：
S1、向第一气体通道通入惰性气体(例如氮气)；
在步骤S1中，将惰性气体的流量由空闲(idle)状态下的流量切换为放片流量，该放片流量被设置为能够使晶圆悬浮于卡盘主体1的上方。
S2、控制机械手4将晶圆3传入工艺腔室7，使晶圆3在气流作用下悬浮于第一表面11上方的传片位置C1；
在晶圆3完全脱离机械手4后，机械手4随即移出工艺腔室7，完成晶圆上载(load)过程。
S3、控制卡盘结构下降至第一工艺位置C2，并转动；
在步骤S3中，可以适当减小在卡盘结构下降至第一工艺位置C2时，第一摆臂61的喷头61a与晶圆3之间的垂直距离，这样有利于降低药液反溅几率，尤其针对粘性较小或者没有粘性的药液。可选的，该垂直距离大于等于20mm，且小于等于60mm。
可选的，卡盘结构的转速大于等于500R/min，且小于等于800R/min。
S4、控制第一摆臂61的喷头61a在晶圆3上方摆动，同时向晶圆3喷淋药液；
第一摆臂61的喷头61a的最大摆动范围为：自晶圆表面的一侧边缘，穿过晶圆表面的中心摆动至另一侧边缘。
在步骤S4中，为了避免第一摆臂61的喷头61a由于惯性产生过冲现象，导致液柱喷向晶圆边缘，从而造成药液流向晶圆正面边缘，在晶圆边缘处产生颗粒污染和腐蚀，可以通过控制第一摆臂61的喷头61a的摆动范围，和/或第一摆臂61的摆动速度来实现。可选的，第一摆臂61的喷头61a在晶圆表面上方的摆动距离为最大摆动距离的80％；该最大摆动距离为自晶圆表面的中心摆动至边缘的距离；可选的，第一摆臂61的摆动速度大于等于10°/s，且小于等于25°/s。
另外，可选的，在步骤S4中，药液的流量范围小于等于4000ml/min；工艺时长小于等于300s。
S5、待喷淋完成后，控制第一摆臂61返回初始位置(位于卡盘结构之外的位置)，并保持卡盘结构继续转动；
在步骤S5中，卡盘结构处于未喷淋的空转状态，以能够将晶圆表面上残留的药液甩出，在该空转状态下，由于转速相对于步骤S4提高，转速的变化很容易出现药液反溅和返流至晶圆正面边缘处，导致在晶圆正面边缘处产生颗粒污染和腐蚀。为了解决该问题，可选的，步骤S5，进一步包括：
S51、保持卡盘结构继续以与第一摆臂61喷淋时相同的第一转速转动；
S52、经过预设时长之后，控制卡盘结构以第二转速转动，该第二转速高于第一转速。
通过将上述空转过程分为两个阶段，第一个阶段采用较低的第一转速，可以先将晶圆表面上残留的大部分药液甩出，而较低的转速可以避免药液反溅和返流至晶圆正面边缘处，然后再在第二个阶段采用较高的第二转速，以通过高速转动保证晶圆表面上残留的药液能全部被甩出。可选的，上述第一转速大于等于300R/min，且小于等于900R/min；上述第二转速大于等于1000R/min，且小于等于2000R/min。可选的，上述预设时长大于等于3s，且小于等于10s。
S6、控制卡盘结构在保持转动的同时，上升至第二工艺位置C3；
S7、控制第二摆臂62的喷头62a在晶圆上方摆动，同时向晶圆喷淋去离子水；
在步骤S7中，通过喷淋去离子水，可以将残留药液及反应物带离晶圆表面。
可选的，在步骤S7中，卡盘结构的转速大于等于400R/min，且小于等于700R/min；在卡盘结构下降至第二工艺位置C3时，第二摆臂62的喷头62a与晶圆3之间的垂直距离大于等于20mm，且小于等于70mm；第一摆臂61的喷头61a在晶圆表面上方的摆动距离为最大摆动距离的50％；第二摆臂62的摆动速度大于等于10°/s，且小于等于30°/s。药液的流量范围大于等于800ml/min，且小于等于2000ml/min。
S8、待喷淋完成后，控制第二摆臂62返回初始位置(位于卡盘结构之外的位置)，并保持卡盘结构继续转动；
S9、控制第三摆臂63的喷头63a在晶圆上方摆动，同时向晶圆喷出吹扫气体；
吹扫气体(例如氮气)可用于对晶圆进行干燥，可选的，吹扫气体的流量大于等于5L/min，且小于等于20L/min；卡盘结构的转速大于等于1000R/min，且小于等于2000R/min；步骤S9的工艺时长大于等于15s，且小于等于45s。
S10、待吹扫完成后，控制卡盘结构返回传片位置C1，并控制机械手取出晶圆。
在另一些可选的实施例中，以采用本发明第二实施例提供一种半导体清洗设备的卡盘结构为例，上述步骤S1中，在向上述第一气体通道通入惰性气体的同时，向第二气体通道通入惰性气体。通过结合使用第二气体通道在第一表面上的多个第二出气口朝向晶圆表面倾斜地喷气，可以对晶圆边缘，尤其是避让凹部所在位置进行保护，从而不仅可以避免因受避让凹部影响产生的不稳定气流场而在晶圆边缘处产生颗粒污染；而且还可以在进行清洗工艺时，避免在避让凹部处产生化学药液反溅，造成晶圆边缘腐蚀。
在一些可选的实施例中，上述步骤S1中，可以适当增大上述放片流量，以满足流量分流至第一气体通道和第二气体通道的需要，保证气体流量能够满足气体对晶圆边缘，尤其是避让凹部12所在位置进行保护，从而不仅可以避免因受避让凹部影响产生的不稳定气流场而在晶圆边缘处产生颗粒污染。可选的，惰性气体的流量(即，上述放片流量)大于等于10L/min，且小于等于600L/min。
本发明实施例提供的半导体清洗方法，其通过采用本发明实施例提供的上述半导体清洗设备，不仅可以降低机械手的位置校准难度，提高校准位置的重复性和可靠性，进而可以达到量产要求，而且无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而无需采用垂直喷出气流的方式提高晶圆悬浮于卡盘结构上方的高度，从而可以避免对晶圆正面产生颗粒污染。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种半导体清洗设备的卡盘结构，包括用于承载晶圆的卡盘基体，其特征在于，在所述卡盘基体与晶圆相对的第一表面的边缘处形成有多个避让凹部，多个所述避让凹部与机械手在取放晶圆时与晶圆的接触位置一一对应地设置，用以避免所述机械手在取放晶圆时接触所述卡盘基体；
在所述卡盘基体中设置有第一气体通道，所述第一气体通道在所述第一表面上具有多个第一出气口，多个所述第一出气口沿所述第一表面的周向间隔分布；每个所述第一出气口的喷气方向均朝向所述晶圆的与所述卡盘基体相对的表面外侧倾斜。
2.根据权利要求1所述的卡盘结构，其特征在于，在所述卡盘基体中还设置有第二气体通道，所述第二气体通道在所述第一表面上具有多个第二出气口，每个所述避让凹部与多个所述第一出气口所在圆周之间对应设置有至少一个所述第二出气口，每个所述第二出气口的喷气方向均朝向所述晶圆的与所述卡盘基体相对的表面外侧倾斜。
3.根据权利要求2所述的卡盘结构，其特征在于，位于每个所述避让凹部与多个所述第一出气口所在圆周之间的所述第二出气口为多个，且呈圆弧状排列。
4.根据权利要求3所述的卡盘结构，其特征在于，多个所述第二出气口沿所述第一表面的周向呈圆弧状排列；
每个所述避让凹部的与多个所述第二出气口相邻的第一侧边的延伸方向与多个所述第二出气口的排列方向一致。
5.根据权利要求2所述的卡盘结构，其特征在于，所述卡盘基体包括承载基体和设置于所述承载基体上的盖板，所述盖板的上表面用作所述第一表面，所述盖板与所述承载基体之间形成有气腔；
所述第一气体通道包括设置在所述盖板中的多个第一斜孔，每个所述第一斜孔的一端位于所述第一表面，用作所述第一出气口；每个所述第一斜孔的另一端与所述气腔相连通；
所述第二气体通道包括设置在所述盖板中的多个第二斜孔，每个所述第二斜孔的一端位于所述第一表面，用作所述第二出气口；每个所述第二斜孔的另一端与所述气腔相连通。
6.根据权利要求1所述的卡盘结构，其特征在于，多个所述避让凹部划分为多个避让组，每个所述避让组具有的所述避让凹部的数量与所述机械手与晶圆的所述接触位置的数量相同；多个所述避让组相对于所述第一表面的中心对称分布。
7.根据权利要求1所述的卡盘结构，其特征在于，所述避让凹部的内周面所围成的开口面积沿远离所述避让凹部的底面的方向递增。
8.根据权利要求1所述的卡盘结构，其特征在于，所述避让凹部的内周面与所述避让凹部的底面之间形成有第一圆角。
9.根据权利要求1所述的卡盘结构，其特征在于，所述避让凹部的内周面在所述第一表面上的正投影形状为多边形，所述多边形的各边角形成有第二圆角。
10.根据权利要求4所述的卡盘结构，其特征在于，所述第二出气口与所述第一侧边之间的间距大于等于10mm，且小于等于20mm。
11.根据权利要求2所述的卡盘结构，其特征在于，所述避让凹部为三个，分别为第一避让凹部和位于所述第一避让凹部两侧的两个第二避让凹部，所述第一避让凹部在所述第一表面的周向上的长度大于等于20mm，且小于等于40mm；所述第二避让凹部在所述第一表面的周向上的长度大于等于30mm，且小于等于60mm。
12.根据权利要求2或11所述的卡盘结构，其特征在于，位于每个所述避让凹部与多个所述第一出气口所在圆周之间的所述第二出气口的数量大于等于5个，且小于等于15个。
13.根据权利要求2所述的卡盘结构，其特征在于，每个所述第二出气口的喷气方向与所述第一表面之间的夹角均大于等于30°，且小于等于45°。
14.一种半导体清洗设备，包括工艺腔室、机械手和喷淋装置，在所述工艺腔室中设置有可旋转和升降的卡盘结构，用于承载晶圆；所述喷淋装置包括用于喷淋药液的第一摆臂、用于喷淋去离子水的第二摆臂和用于喷淋干燥气体的第三摆臂，其特征在于，所述卡盘结构采用权利要求1-13任意一项所述的卡盘结构。
15.一种半导体清洗方法，其特征在于，采用权利要求14所述的半导体清洗设备对晶圆进行清洗，所述半导体清洗方法包括：
向所述第一气体通道通入惰性气体；
控制所述机械手将晶圆传入所述工艺腔室，使所述晶圆在气流作用下悬浮于所述第一表面上方的传片位置；
控制所述卡盘结构下降至第一工艺位置，并转动；
控制所述第一摆臂的喷头在所述晶圆上方摆动，同时向所述晶圆喷淋药液；
待喷淋完成后，控制所述第一摆臂返回初始位置，并保持所述卡盘结构继续转动；
控制所述卡盘结构在保持转动的同时，上升至第二工艺位置；
控制所述第二摆臂的喷头在所述晶圆上方摆动，同时向所述晶圆喷淋去离子水；
待喷淋完成后，控制所述第二摆臂返回初始位置，并保持所述卡盘结构继续转动；
控制所述第三摆臂的喷头在所述晶圆上方摆动，同时向所述晶圆喷出吹扫气体；
待吹扫完成后，控制所述卡盘结构返回所述传片位置，并控制所述机械手取出所述晶圆。
16.根据权利要求15所述的半导体清洗方法，其特征在于，在向所述第一气体通道通入惰性气体的同时，向所述第二气体通道通入惰性气体。
17.根据权利要求15或16所述的半导体清洗方法，其特征在于，所述惰性气体的流量大于等于10L/min，且小于等于600L/min。
18.根据权利要求15所述的半导体清洗方法，其特征在于，在所述卡盘结构下降至所述第一工艺位置时，所述第一摆臂的喷头与所述晶圆之间的垂直距离大于等于20mm，且小于等于60mm。
19.根据权利要求15所述的半导体清洗方法，其特征在于，所述第一摆臂的喷头在所述晶圆表面上方的摆动距离为最大摆动距离的80％；所述最大摆动距离为自所述晶圆表面的中心摆动至边缘的距离；
所述第一摆臂的摆动速度大于等于10°/s，且小于等于25°/s。
20.根据权利要求15所述的半导体清洗方法，其特征在于，所述待喷淋完成后，控制所述第一摆臂返回初始位置，并保持所述卡盘结构继续转动，包括：
保持所述卡盘结构继续以与所述第一摆臂喷淋时相同的第一转速转动；
经过预设时长之后，控制所述卡盘结构以第二转速转动，所述第二转速高于所述第一转速。
21.根据权利要求20所述的半导体清洗方法，其特征在于，所述第一转速大于等于300R/min，且小于等于900R/min；所述第二转速大于等于1000R/min，且小于等于2000R/min。
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