CN115739886A - 一种兆声波清洗能力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兆声波清洗能力控制方法，在清洗槽中将晶圆片浸泡在清洗液中清洗，其特征在于，在清洗过程中向所述清洗液中通入惰性气体的气泡并向所述清洗液中输入兆声波使所述惰性气体的气泡细化成直径更小的惰性气体的细微气泡，另外还在清洗过程中对所述清洗液的温度实时监测，一旦发现清洗液的温度高于设定温度，则对所述清洗液进行降温处理。本发明实现了兆声波清洗能力的有效控制，避免了清洗液因温度升高而降低清洗能力。

Description

一种兆声波清洗能力控制方法

技术领域

本发明属于晶圆制程领域的晶圆清洗工艺，涉及晶圆清洗工艺中使用的兆声波清洗方法，尤其涉及一种兆声波清洗能力控制方法。

背景技术

在半导体晶圆清洗工艺中，槽式清洗设备为常见的晶圆化学品清洗专用设备，至今已因应不同的晶圆产品使用而有不同的晶圆清洗工艺的配套方案。在常见的各种清洗工艺配置中，常需要使用到以氢氟酸或是各种氢氟酸配比超纯水形成不同相对浓度的混合氢氟酸作为清洗液，如HF、DHF、BOE等多种稀释氢氟酸的溶液对晶圆片进行清洗。氢氟酸对各种半导体材料如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)与一般常见的金属皆会产生腐蚀作用，因此常用在半导体晶圆清洗工艺中。槽式清洗设备通常采用浸入方式对晶圆片进行清洗，即将晶圆片或一个或多个含有多个晶圆片的载体浸入含氢氟酸的清洗液中。一般浸入式清洗方式很难使得晶圆片表面被清洗达到完美的均匀度。这是因为氢氟酸与水混合的溶液通常由注入管灌注到槽内，然后对晶圆片表面进行腐蚀，但是由于液体的水中氧含量比较高，会造成腐蚀均匀度不好的问题，并且整个清洗过程也是处于开放环境，这就导致更容易接触到大气中水分和氧，更容易造成腐蚀反应的不稳定，这进一步加剧了晶圆片表面清洗均匀度变差。

为提高晶圆片表面清洗均匀度，申请人想到在清洗液中通入惰性气体的气泡并利用兆声波将惰性气体的气泡进一步细化成更小的细微气泡，利用大量的惰性气体的细微气泡表面挟裹清洗物质在清洗液中的均匀分散来提高晶圆片表面清洗均匀性和清洗能力。但是，清洗液在长时间兆声波作用下振荡会产生热量使得清洗液温度不断上升，随着清洗液温度的上升，当温度超过一定的临界值，会导致清洗液的清洗物质的化学反应加剧，进而导致清洗液的清洗能力下降，因此有必要在兆声波晶圆清洗中对清洗液的清洗能力进行有效控制。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种的兆声波清洗能力控制方法，以避免清洗液因温度升高而降低清洗能力。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种兆声波清洗能力控制方法，在清洗槽中将晶圆片浸泡在清洗液中清洗，在清洗过程中向所述清洗液中通入惰性气体的气泡并向所述清洗液中输入兆声波使所述惰性气体的气泡细化成直径更小的惰性气体的细微气泡，另外还在清洗过程中对所述清洗液的温度实时监测，一旦发现清洗液的温度高于设定温度，则对所述清洗液进行降温处理。

本发明通过向清洗液中通入惰性气体的气泡并利用兆声波将惰性气体的气泡进一步细化成更小的细微气泡，利用大量的惰性气体的细微气泡表面挟裹清洗物质在清洗液中的均匀分散来提高晶圆片表面清洗均匀性和清洗能力，另外还通过对清洗液温度的监测，然后根据监测结果对清洗液进行降温处理，这样就能实现兆声波清洗能力的有效控制，避免了清洗液因温度升高而降低清洗能力。

在本发明的具体实施方式中，所述清洗液为氢氟酸。氢氟酸在25-50℃温度范围内具有最佳的清洗能力，一旦温度超过50℃，清洗能力将急剧下降，因此，在本发明中的，将所述设定温度定为50℃。

在本发明的具体实施方式中，所述惰性气体为氮气，还可以是二氧化碳或氩气。

在本发明的具体实施方式中，所述降温处理为向所述清洗液中的添加纯水或者降低兆声波发生装置输入兆声波的功率。

本发明采用上述技术方案，实现了兆声波清洗能力的有效控制，避免了清洗液因温度升高而降低清洗能力

附图说明

图1为本发明应用的清洗槽的结构示意图；

图2为惰性气体输出起泡管的气泡嘴布置位置示意图；

图3为惰性气体的气泡细化成细微气泡的示意图；

图4为本发明应用的清洗槽的立体结构示意图；

图5为图4中清洗槽移除槽盖的示意图；

图6为晶圆托架的结构示意图；

图7为驱动电机的输出轴端头位置各零件装配关系示意图；

图8为兆声波发生装置的结构示意图；

图9为兆声波振动模组的结构示意图；

图10为兆声波振动单元的结构示意图；

图11为气化液泡作用晶圆片表面的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种兆声波清洗能力控制方法、该控制方位为在清洗槽中将晶圆片浸泡在清洗液中清洗，在清洗过程中向所述清洗液中通入惰性气体的气泡并向所述清洗液中输入兆声波使所述惰性气体的气泡细化成直径更小的惰性气体的细微气泡，另外还在清洗过程中对所述清洗液的温度实时监测，一旦发现清洗液的温度高于设定温度，则对所述清洗液进行降温处理。

为了更清楚地解释本发明，下面对兆声波晶圆清洗和清洗能力控制进行详细介绍。

晶圆片的清洗是在如图1和图4、5所示的清洗槽内完成。该清洗槽包括槽体100、晶圆托架200、兆声波发生装置300、惰性气体输出起泡管400、均流板500、惰性气体喷淋管700以及摆荡驱动机构600。

其中，槽体100为矩形结构，顶部开口。槽体100内灌注有清洗液A，外部具有溢流槽101。溢流槽101可以将溢出槽体100外的清洗液回收。该槽体100的顶部设有将顶部开口开闭的槽盖102。

晶圆托架200放置在槽体100内，使放置在上面的晶圆片10浸入清洗液中。在本实施例中，晶圆片10是间隔分布地装载在晶圆盒20中，满载晶圆片10的晶圆盒20则放置在晶圆托架200上。

结合图6所示，该晶圆托架200由两块竖板201以及连接在两块竖板201底端之间的两条支撑横杆202构成。两条支撑横杆202之间形成间隔区域。支撑横杆202上具有与晶圆盒底部相适配的定位凹槽203。在本实施例中，该两条支撑横杆202设置由两组定位凹槽203，其上可以放置两盒晶圆片。

在清洗时，满载晶圆片10的晶圆盒20被转移到晶圆托架200的两条支撑横杆202上并被定位凹槽202所限位。竖板201上端露出槽体100外，且每块竖板201上端中间位置连接有向外水平延伸出的支撑横档203。

在槽体100的下方设有支撑竖板103。摆荡驱动机构600则固定在该支撑竖板103上，用于驱动晶圆托架200能够在槽体100内上下摆荡。摆荡驱动机构600包括驱动电机601，摆动杆602、两条竖向滑轨603、两个滑脚603a、连接板604、两根升降杆605、长横向连杆606以及两个直线轴承607。

其中，驱动电机601通过支撑座608固定在支撑竖板103的中间位置，两条竖向滑轨603固定在支撑竖板103上且位于支撑座608的下方两侧，两个滑脚603a分别位于两条竖向滑轨上且分别固定在连接板604的背面，连接板604正面与长横向连杆606固定连接。结合图7所示，驱动电机601的输出轴固定有转动盘609，摆动杆602上端转动连接在转动盘609上，下端与连接板604的中部转动连接。通过这样的结构，就可以将驱动电机601的输出轴的旋转运动转变为连接板604的上下升降运动、进而带动升降杆605上下升降，最终带动晶圆托架200及其上的晶圆片10在槽体100内上下摆荡。在清洗过程中，辅以摆荡驱动机构驱动晶圆托架带动晶圆片上下摆荡，可以进一步提高清洗能力。再如图1所示，槽体100的底部是与槽体一体的底板104，在底板104的下方具有空腔105。兆声波发生装置300则安装在空腔105内。

如图8和图9所示，兆声波发生装置300由多组兆声波振动模组310阵列组成，每个兆声波振动模组又由四个兆声波振动单元320阵列构成。这样的结构使得兆声波发生装置能够分模组单独控制，便于调节兆声波发生装置的工作功率。

如图10所示，每个兆声波振动单元320则要包括固定架321、兆声波振子322以及振动板323。兆声波振子322固定在固定架321内，振动板323则覆盖在兆声波振子322的上方。振动板323为锥台结构，具有位于兆声波振子322正上方的圆平板323a以及位于圆平板323四周的圆锥板323b，圆锥板323b的边缘固定在固定架321上。采用这样的结构，能够保证兆声波振子产生的振动波集中沿着竖直方向向上传播。

均流板500设置在槽体100的底部，位于兆声波发生装置300和晶圆托架200之间，且与底板104具有间距。均流板500上均匀分布有均流孔501。这样的设置，使得兆声波发生装置300的兆声波作用产生的清洗液振动均匀分布地向上传播。

在本实施例中，惰性气体输出起泡管400有两根，分设在均流板500的上方且位于晶圆托架200的下方两侧。惰性气体输出起泡管400上间隔分布有气泡嘴401，气泡嘴401对应朝向晶圆片之间的间隙中间位置。这样产生的气泡会直接进入晶圆片10之间间隙中，并使得两侧的晶圆片获得的气泡量大致相等，有利于提高晶圆片表面清洗均匀度。

另外，惰性气体喷淋管700有两根，安装在槽盖102的下表面。该惰性气体喷淋管700上间隔分布有朝向槽体内清洗液液面的气体喷嘴701。

在清洗时，槽体100内灌注清洗液A，将满载晶圆片10的晶圆盒20转移至槽体100内的晶圆托架200上，然后盖上槽盖102。

通过惰性气体输出起泡管400向槽体的清洗液中输入惰性气体的气泡，并启动兆声波发生装置300，同时通过惰性气体喷淋管700向清洗液的表面喷淋惰性气体，另外还通过摆荡驱动机构驱动晶圆托架200使得晶圆片10上下摆荡。

惰性气体输出起泡管400向清洗液输入的直径0.5-1.0μm的惰性气体的气泡B，通过兆声波发生装置300产生800-2800kHz频率的兆声波振动C，一方面将气泡细化成直径0.1-0.2μm的细微气泡b(如图3所示)，另一方面还将细微气泡b均匀分散至晶圆片的表面，使得晶圆片表面清洗均匀。

清洗液以氢氟酸为例。如图11所示，晶圆片10的表面具有氧化硅10a，惰性气体的细微气泡b外包裹氢氟酸c形成气化液泡12，在兆声波振动和晶圆片上下摆荡下，气化液泡12与晶圆片10的表面接触，氢氟酸与氧化硅10a反应生成的氟硅酸被气化液泡12更迅速地带离晶圆片表面，晶圆片表面形成更致密的剥离氧化层10b。在本实施例中，惰性气体是氮气，也可以是二氧化碳或者氩气。

细微且振动的气化液泡12提升了清洗液清洗晶圆片的表面的能力，也提高了清洗均匀性。但是微小的气泡始终具有团聚的倾向，且氧气含量高会使气泡表面能过大很容易聚积形成大的气泡而破裂，形成空化现象，在晶圆片表面发生的空化现象会造成晶圆片表面微小蚀刻结构的损伤。为抑制空化现象，需要配合惰性气体输出起泡管400对惰性气体的气泡的输入流量的控制，并通过惰性气体喷淋管700向清洗液表面喷淋惰性气体，使得槽体内的清洗液上方被弥漫的惰性气体所覆盖，阻隔了含有氧气的空气进入，有利于提高晶圆片表面的腐蚀均匀性，进一步提高了晶圆片表面清洗均匀性，另外还降低了清洗液中的氧气含量,搭配惰性气体输出起泡管使槽体内的溶液与气氛都饱含以氮气为主的气体构成，促使清洗液中的氮气细微气泡在清洗液中处于过饱和状态，氮气含量高置换了氧气则能抑制气泡表面能，降低团聚变为大气泡的趋势，从而抑制了空化现象。

在上述兆声波晶圆清洗过程中，还对清洗能力进行如下控制：

同样以氢氟酸为例，氢氟酸在25-50℃温度范围内具有最佳的清洗能力，一旦温度超过50℃，清洗能力将急剧下降，因此，在本发明中的，将设定温度定为50℃。

在清洗槽内设置温度传感器，在清洗过程中，利用温度传感器对氢氟酸的温度实时监测并反馈给清洗槽的控制器，一旦发现氢氟酸的温度高于设定温度50℃，控制器则对氢氟酸进行降温处理。

降温处理的手段可以是由控制器控制外部纯水源向氢氟酸中添加纯水，或者控制器控制兆声波发生装置降低兆声波的输入功率。

在本实施例中，降低兆声波发生装置的兆声波输入功率可以通过关闭部分兆声波振动模组310来实现。

通过上述详细描述可以看出，本发明实现了兆声波清洗能力的有效控制，避免了清洗液因温度升高而降低清洗能力。

Claims (9)

1.一种兆声波清洗能力控制方法，在清洗槽中将晶圆片浸泡在清洗液中清洗，其特征在于，在清洗过程中向所述清洗液中通入惰性气体的气泡并向所述清洗液中输入兆声波使所述惰性气体的气泡细化成直径更小的惰性气体的细微气泡，另外还在清洗过程中对所述清洗液的温度实时监测，一旦发现清洗液的温度高于设定温度，则对所述清洗液进行降温处理。

2.根据权利要求1所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：所述降温处理为向所述清洗液中的添加纯水或者降低兆声波发生装置输入兆声波的功率。

3.根据权利要求1所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：所述惰性气体的气泡的直径为0.5-1.0μm，输入的兆声波的频率为800-2800kHz，细化成的惰性气体的细微气泡直径为0.1-0.2μm。

4.根据权利要求1所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：所述清洗液为氢氟酸，所述设定温度为50℃。

5.根据权利要求1所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气。

6.根据权利要求2所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：所述兆声波发生装置由多个兆声波振动单元阵列而成，通过关闭部分兆声波振动单元来降低输入兆声波的功率。

7.根据权利要求2所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：若干所述兆声波振动单元阵列组成兆声波振动模组，若干所述兆声波振动模组再阵列组成所述兆声波发生装置，通过关闭部分所述兆声波振动模组来降低输出兆声波的功率。

8.根据权利要求1所述的兆声波清洗能力控制方法，其特征在于：在所述清洗槽的底部通入惰性气体的气泡和输入所述兆声波。

9.根据权利要求1所述的兆声波清洗中抑制空化现象的方法，其特征在于，在清洗过程中，还将晶圆片上下摆荡。

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