CN116099785A - 晶圆清洗装置和晶圆加工设备 - Google Patents

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CN116099785A CN202211692068.1A CN202211692068A CN116099785A CN 116099785 A CN116099785 A CN 116099785A CN 202211692068 A CN202211692068 A CN 202211692068A CN 116099785 A CN116099785 A CN 116099785A
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Abstract

本发明提供了一种晶圆清洗装置和晶圆加工设备，包括：滚刷，分别配置于晶圆的两侧刷洗晶圆的表面；驱动机构，驱动所述滚刷；旋转机构，用于旋转晶圆；所述滚刷包括同轴套装的刷体、第一芯筒、第二芯筒；所述刷体紧贴其内间隔地嵌套有第二芯筒的第一芯筒的外表面；所述第一芯筒散布有多个通水孔，所述第二芯筒散布有多个节水孔，使得注入滚刷的液体轴向均匀地输送至刷体。本发明提供的晶圆清洗装置改善了传统滚刷出液不均匀的问题，通过在第一芯筒内套装第二芯筒，清洗液经过两级匀流，实现了滚刷轴向均匀出液，保证刷体的轴向各处均处于湿润状态，进而缩短了晶圆加工设备在清洗环节的清洗时间，提高了清洗效率。

Description

晶圆清洗装置和晶圆加工设备
技术领域
本发明涉及半导体晶圆加工技术领域，尤其涉及一种晶圆清洗装置和晶圆加工设备。
背景技术
晶圆表面的清洁度是影响半导体器件可靠性的重要因素之一。在晶圆制程中有可能在晶圆表面引入污染和/或颗粒，导致晶圆表面的清洁度下降，制造的半导体器件良率不高。此外，为洗净晶圆往往需要反复清洗，使得清洗装置甚至包含清洗装置的整个制程设备的WPH(wafer per hour，每小时晶圆产量)都难以提高。
现有技术采用滚刷清洗的晶圆清洗方式，其工作原理为，使晶圆旋转，并将去离子水、药液等清洗液从供给喷管供给到晶圆上，同时使滚刷与晶圆滑动接触。晶圆表面在清洗液的存在下，利用滚刷与晶圆间的摩擦而被清洗。
非限定性的，如图5所示，对于通入大中小三种不同流量的液体，滚刷在其轴向上的不同位置的润湿程度是不同的，这至少会导致滚刷的刷体的硬度不同，从而导致夹紧力和刷洗力的不稳定，使得在输入同样的清洗参数条件下获得不稳定/不相同的洗净结果。
发明内容
本发明实施例提供了一种晶圆清洗装置和晶圆加工设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明实施例的第一方面提供了一种晶圆清洗装置，包括：
滚刷，分别配置于晶圆的两侧刷洗晶圆的表面；
驱动机构，驱动所述滚刷；
旋转机构，用于旋转晶圆；
所述滚刷包括同轴套装的刷体、第一芯筒、第二芯筒；
所述刷体紧贴其内间隔地嵌套有第二芯筒的第一芯筒的外表面；
所述第一芯筒散布有多个通水孔，所述第二芯筒散布有多个节水孔，使得注入滚刷的液体轴向均匀地输送至刷体。
在一些实施例中，所述通水孔沿径向和轴向均匀地散布于所述第一芯筒的筒壁。
在一些实施例中，所述节水孔线性分布于所述第二芯筒的筒壁。
在一些实施例中，所述节水孔的半径小于所述通水孔的半径。
在一些实施例中，所述节水孔的半径小于等于所述通水孔的半径的80％。
在一些实施例中，所述第二芯筒的内径小于等于所述第一芯筒的内径的50％。
在一些实施例中，所述第一芯筒的内表面距所述第二芯筒的外表面大于等于1mm。
在一些实施例中，所述第一芯筒和/或第二芯筒由亲水性的材料制成。
在一些实施例中，所述第二芯筒表面具有凸牙，以避免其表面形成水膜。
本发明实施例的第二方面提供了一种晶圆加工设备，包括：前置模块、传输模块和加工模块，其中，加工模块包括抛光单元以及如第一方面所述的晶圆清洗装置。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果包括：
本发明提供的晶圆清洗装置改善了传统滚刷出液不均匀的问题，通过在第一芯筒内套装第二芯筒，清洗液经过两级匀流，实现了滚刷轴向均匀出液，保证刷体的轴向各处均处于湿润状态，进而缩短了晶圆加工设备在清洗环节的清洗时间，提高了清洗效率。
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示出了本发明一实施例提供的晶圆清洗装置的结构示意图；
图2示出了本发明一实施例提供的晶圆清洗装置的清洗过程示意图；
图3示出了本发明一实施例提供的滚刷的结构示意图；
图4示出了本发明一实施例提供的晶圆加工设备的结构示意图；
图5示出了本发明一实施例提供的不同流量下的滚刷轴向出液曲线图。
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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，晶圆w(wafer)也称为晶片、硅片、基片或基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
图1所示的实施例提供了一种晶圆清洗装置700，包括：
滚刷100，分别配置于晶圆w的两侧刷洗晶圆w的表面；
驱动机构400，驱动滚刷100；
旋转机构200，用于旋转晶圆w；
滚刷100包括同轴套装的刷体111、第一芯筒112、第二芯筒113；
刷体111紧贴其内间隔地嵌套有第二芯筒113的第一芯筒112的外表面；
第一芯筒112散布有多个通水孔116，第二芯筒113散布有多个节水孔115，使得注入滚刷100的液体轴向均匀地输送至刷体111。
本实施例提供的晶圆清洗装置700改善了传统滚刷100出液不均匀的问题，通过在第一芯筒112内套装第二芯筒113，清洗液经过两级匀流，实现了滚刷100轴向均匀出液，保证刷体111的轴向各处均处于湿润状态，进而缩短了晶圆加工设备在清洗环节的清洗时间，提高了清洗效率。
在本实施例中，旋转机构200用于支撑晶圆w并驱动晶圆w在竖直面内旋转。需要说明的是，本发明对旋转机构200的结构布置及实现方式不做具体要求和特殊限定，现有技术中披露的旋转机构200均可用于本发明中，在实现以上功能性限定的基础上，对其结构做出的常规替换及非创造性劳动的改进后得到的新的旋转机构200同样落入本发明的公开范围和保护范围内。
示例性地，本实施例提供了一种可选地旋转机构200地具体结构组成，其包括固定座、位于晶圆w上方的用于约束晶圆w的限位辊轮240、以及位于晶圆w下方的用于支撑的一对主动辊轮和从动辊轮220。限位辊轮240的轴线与晶圆w表面垂直，限位辊轮240的外壁与晶圆w的边缘滑动接触，随晶圆w同步转动。主动辊轮和从动辊轮220的轴线与晶圆w表面垂直，主动辊轮和从动辊轮220的侧壁与晶圆w的边缘滑动接触，主动辊轮用于提供晶圆w旋转的驱动力，从动辊轮220随晶圆w同步转动用于保持晶圆w稳定。如图1所示，限位辊轮240位于晶圆w在竖直状态下的最顶部边缘，从动辊轮220位于晶圆w在竖直状态下的最底部边缘，从动辊轮220两侧分别对称设置有一个主动辊轮，分别为第一主动辊轮210和第二主动辊轮230，通过限位辊轮240、从动辊轮220、第一主动辊轮210和第二主动辊轮230对晶圆w形成四点接触限位，更好地稳定了晶圆w的运动状态，在主动辊轮带动晶圆w旋转的同时经由上下相对设置的限位辊轮240和从动辊轮220限定了晶圆w的竖直状态，防止晶圆w在其他自由度方向上的移位和歪斜。
进一步地，限位辊轮240可以传动连接驱动装置241，通过驱动装置241带动限位辊轮240沿垂直于晶圆w表面的方向移动，实现限位辊轮240的伸出和复位，当限位辊轮240伸出时，其外壁与晶圆w边缘抵接，从而配合主动辊轮和从动辊轮220夹紧晶圆w。当需要取放片时，驱动装置241带动限位辊轮240复位，此时限位辊轮240的外壁与晶圆w边缘脱离，从而能够避开限位辊轮240实现取放片。
除旋转机构200外，本实施例提供的晶圆清洗装置700的主要部件是其中的滚刷100，如图2所示，在本发明的一个实施例中，晶圆w两侧表面分别设置有一个滚刷100，在晶圆w旋转过程中，通过驱动机构400带动滚刷100沿轴向旋转，同时配合清洗液对晶圆w表面进行清洗。
晶圆w两侧的滚刷100在各自对应的驱动机构400的传动下同时反向转动，如图2所示，在图2提供的视角下，晶圆w左侧的第一滚刷110在第一驱动机构410的带动下沿逆时针方向旋转，晶圆w右侧的第二滚刷120在第二驱动机构420的带动下沿顺时针方向旋转，在此运动状态下，通过晶圆w两侧滚刷100的反向旋转，可以在其与晶圆w的接触位置出向晶圆w施加向上的摩擦力，以在清洗液落下的区域使滚刷100与晶圆w之间的相对速度最大，从而提高刷洗效果。当然可以理解的是，第一滚刷110和第二滚刷120的旋转方向可与之完全相反，即第一滚刷110沿顺时针方向旋转，第二滚刷120沿逆时针方向旋转，在此运动状态下，则两侧的滚刷100对晶圆w提供了向下的摩擦力。无论任何一种转动方向均可达到本发明所声称的技术效果。
在清洗过程中，还需要通过进液机构向滚刷100内通入清洗液，使滚刷100保持湿润的状态，使得刷体111表面形成液膜，防止刷体111直接接触导致刷体111上的污染物回粘污染晶圆w。常规的滚刷100结构包括第一芯筒112和套设于第一芯筒112外周的刷体111，第一芯筒112表面开设有通水孔116，进液机构与第一芯筒112的一端对接，向第一芯筒112内注入清洗液，第一芯筒112在旋转过程中，其内腔中的清洗液在离心力作用下由通水孔116甩出渗入刷体111内。但由于机台上配置的进液机构的出液流量不定，清洗液通入的流量大小不同直接影响了第一芯筒112的轴向出液均匀性，如图5所示，对于小流量进液，滚刷100组件靠近进液口的一端出液量最大，沿轴向出液量逐渐减小，至其最远端已无出液；对于中流量进液而言，滚刷100组件的中部区域的出液量较大，两端流量较小；对于大流量进液而言。滚刷100组件靠近进液口的一端无出液，沿轴向出液量逐渐增多，至其远端的出液量最大。由此无论清洗液的流量大小，均无法实现均匀分布出液，由此导致刷体111轴向不同位置的润湿情况不同，机台的清洗效率下降。
为此，本实施例提供的晶圆清洗装置700至少解决了上述技术问题，图3所示的实施例中，滚刷100为套筒状结构，其包括刷体111、第一芯筒112和第二芯筒113，其中，刷体111包裹于第一芯筒112表面并紧贴第一芯筒112，第二芯筒113沿轴向套设于第一芯筒112内，并与第一芯筒112之间留有环形空腔。第一芯筒112表面开设有多个通水孔116，第二芯筒113表面开设有多个节水孔115。使用时，由第二芯筒113的一端通入清洗液，随着第二芯筒113和第一芯筒112的同步旋转，使得清洗液在第二芯筒113中进行第一次均布匀流，清洗液在离心力作用下由第二芯筒113的节水孔115甩出至第一芯筒112内，通过第一芯筒112旋转对清洗液进行第二次均布匀流，将清洗液均匀分配到第一芯筒112轴向各处的通水孔116，并在离心力作用下由通水孔116甩出至刷体111处。通过第一芯筒112和第二芯筒113的配合，可以有效调节清洗液在第一芯筒112内的流速分布，使得清洗液可以沿第一芯筒112轴向均匀排出，避免产生干管偏流现象。
在本实施例中，可选地，第二芯筒113与第一芯筒112同轴设置，需要说明的是可选地，第二芯筒113可以和第一芯筒112合并形成一体式结构，即由相互嵌套的第二芯筒113和第一芯筒112组成的双层套筒结构，第二芯筒113发挥轴向匀流作用，外层第一芯筒112将匀流后的清洗液散布到环周的刷体111刷体111结构中。
需要说明的是，本实施例中的刷体111为吸水材料，用于保持清洗液并在刷体111表面形成清洗液液膜，进一步地，本实施例对刷体111的材质不做具体要求和特殊限定，其能满足一般吸水要求即可，示例性地，可以是聚乙烯醇(PVA)。
在本实施例中，晶圆清洗装置700还包括供液组件300，用于将清洗液供给至位于滚刷100上方的晶圆w表面的上部区域。供液组件300提供的清洗液可以是水，例如是去离子水，但并不限于去离子水，也可以是碳酸水、电解离子水、富氢水以及臭氧水的任意一种。清洗液还可以是化学液，化学液可以是酸性溶液或碱性溶液。
示例性地，在本实施例提供的晶圆清洗装置700中，晶圆w的清洗过程具体包括如下步骤：
(1)将晶圆w放置在清洗腔室底部的主动辊轮和从动辊轮220上，驱动装置241带动限位辊轮240朝晶圆w方向伸出直至抵住晶圆w边缘，通过限位辊轮240、主动辊轮和从动辊轮220对晶圆w边缘四点进行滑动限位；
(2)主动辊轮驱动晶圆w旋转，限位辊轮240及两侧的从动辊轮220同步旋转，辅助限定晶圆w的竖直清洗状态；
(3)驱动机构400启动，带动两个滚刷100旋转，第一滚刷110和第二滚刷120分别沿顺时针和逆时针方向旋转；或者，第一滚刷110和第二滚刷120分别沿逆时针和顺时针方向旋转；也可以，第一滚刷110和第二滚刷120先分别沿顺时针和逆时针方向旋转，再改变方向，分别沿逆时针和顺时针方向旋转；还可以，第一滚刷110和第二滚刷120先分别沿逆时针和顺时针方向旋转，再改变方向，分别沿顺时针和逆时针方向旋转；
(4)清洗结束，晶圆w和清洗刷停止旋转，限位辊轮240复位，取出晶圆w。
图3所示的实施例中，通水孔116沿径向和轴向均匀地散布于第一芯筒112的筒壁。节水孔115线性分布于第二芯筒113的筒壁。节水孔115的半径小于通水孔116的半径。具体地，节水孔115的半径小于等于通水孔116的半径的80％。
图3所示的实施例中，第二芯筒113的内径小于等于第一芯筒112的内径的50％。第一芯筒112的内表面距第二芯筒113的外表面大于等于1mm。
在本实施例中，第一芯筒112和/或第二芯筒113由亲水性的材料制成。
利用亲水材料的亲水性使得清洗液出液后得以在第一芯筒112外表面形成均匀的液膜。
图3所示的实施例中，第二芯筒113表面具有凸牙，以避免其表面形成水膜。
本发明设计了一种具有匀流结构的第二芯筒113，与现有的第一芯筒112配合使用，改善了滚刷100出液的均匀性，提高了清洗效率。进一步地，本实施例在此基础上对第二芯筒113的结构做出优化改进，即限定了第二芯筒113的表面具有若干凸牙结构114，清洗液由第二芯筒113外表面的凸牙结构114喷出。由于凸牙结构114的存在导致第二芯筒113的外表面形成重力势能的低谷，每个轴向出液位置的节水孔115喷出的清洗液得以分别被限制在各个凸牙结构114的底部滴落，避免了清洗液在第二芯筒113的旋转过程中沿第二芯筒113的外表面随意流动、粘连、合并和聚集，从而保障了实际滴液点位的数量和设计的轴向出液位置数量一致，并且各滴液点的滴液流量均匀，使得晶圆w清洗过程中，刷体111表面得以均匀地持续出液，刷体111表面可以形成连续完整地液膜，不会因为出液不均匀导致刷体111表面部分区域因无清洗液润湿而影响清洗效果。
在另一实施例中，本发明提供了一种如图4所示的晶圆加工设备，包括：前置模块500、传输模块600和加工模块，其中，加工模块包括抛光单元以及上述实施例提供的晶圆清洗装置700。
在本实施例中，前置模块500位于设备前端，其包括用于抓取晶圆w的前置机械手520及用于储存容纳晶圆w的多个传送盒510。传输模块600包括位于前置模块500和加工模块的传送路径上的水平传输装置，晶圆w可以通过水平传输装置在前置模块500与抛光单元之间横向传输。具体可选地，水平传输装置包括滑轨620和传输机械手610，传输机械手610可沿滑轨620移动抓取不同位置的晶圆w。
可选地，晶圆加工设备还包括中转模块800，其设置于晶圆清洗装置700与抛光单元之间，以与抛光单元、晶圆清洗装置700和传输模块600交互晶圆w。晶圆加工设备还包括缓存模块900，其设置于晶圆清洗装置700与抛光单元之间，以缓存待处理的晶圆w。具体地，缓存模块900与中转模块800水平邻接设置，中转模块800能够通过水平转动将晶圆清洗装置700内的晶圆w转移至缓存模块900中；相应地，中转模块800也可以获取缓存模块900内的晶圆w，并将其转移至晶圆清洗装置700。
本实施例提供的晶圆加工设备的运行原理包括：
晶圆w自前置模块500传输至抛光单元，以进行化学机械抛光。化学机械抛光时，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆w与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下大致均匀分布，以在晶圆w和抛光垫之间形成一层液体薄膜；液体中的化学成分与晶圆w产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质；然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶圆w表面去除，溶入流动的液体中带走。即在化学成膜和机械去膜的交替过程中，去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的；
随后，通过传输模块600抓取晶圆w后将其传输至晶圆清洗装置700和晶圆w干燥装置中，以进行晶圆w清洗和干燥等后处理工艺；其中，晶圆w清洗采用本实施例提供地晶圆清洗装置700对晶圆w进行竖向湿法滚刷100清洗；晶圆w干燥包括但不限于旋转干燥、马兰戈尼提拉干燥等，以获取表面洁净的晶圆w。
最后，晶圆w再次传输至前置模块500，以“干进干出”的方式实现晶圆w的材料去除，获取满足工艺要求的晶圆w。
需要说明的是，本发明对抛光单元和晶圆清洗装置700的数量和装配位置等不作具体要求和特殊限定，示例性地，如图4所示，晶圆清洗装置700包括第一晶圆w清洗装置和第二晶圆w清洗装置，第一晶圆w清洗装置和第二晶圆w清洗装置之间有容纳传输模块600的空间。第一晶圆w清洗装置和第二晶圆w清洗装置的结构和运行相互独立的，互不干扰，以提升晶圆w清洗过程的容错性，避免非必要的故障停机。抛光单元可选地包括四个抛光装置，当晶圆加工设备工作时，晶圆w可以进入四个抛光装置中的任意一个或多个进行抛光，完成一步或多步抛光。
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 (10)

1.一种晶圆清洗装置，其特征在于，包括：
滚刷，分别配置于晶圆的两侧刷洗晶圆的表面；
驱动机构，驱动所述滚刷；
旋转机构，用于旋转晶圆；
所述滚刷包括同轴套装的刷体、第一芯筒、第二芯筒；
所述刷体紧贴其内间隔地嵌套有第二芯筒的第一芯筒的外表面；
所述第一芯筒散布有多个通水孔，所述第二芯筒散布有多个节水孔，使得注入滚刷的液体轴向均匀地输送至刷体。
2.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述通水孔沿径向和轴向均匀地散布于所述第一芯筒的筒壁。
3.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述节水孔线性分布于所述第二芯筒的筒壁。
4.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述节水孔的半径小于所述通水孔的半径。
5.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述节水孔的半径小于等于所述通水孔的半径的80％。
6.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述第二芯筒的内径小于等于所述第一芯筒的内径的50％。
7.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述第一芯筒的内表面距所述第二芯筒的外表面大于等于1mm。
8.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述第一芯筒和/或第二芯筒由亲水性的材料制成。
9.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述第二芯筒表面具有凸牙，以避免其表面形成水膜。
10.一种晶圆加工设备，其特征在于，包括：前置模块、传输模块和加工模块，其中，加工模块包括抛光单元以及如权利要求1至9中任一项所述的晶圆清洗装置。
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