CN116435220A - 一种晶圆清洗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆清洗装置，包括：箱体、晶圆支撑机构、晶圆刷洗机构和供液组件，所述晶圆支撑机构包括用于承载晶圆并带动晶圆旋转的滚轮和安装座，安装座用于将滚轮与箱体固定，安装座和箱体之间设置有密封组件，密封组件包括密封垫、外压环和内压环，内压环将密封垫与安装座固定，外压环将密封垫与箱体固定，内压环位于外压环的内侧。

Description

一种晶圆清洗装置
技术领域
本发明涉及化学机械抛光后处理技术领域，尤其涉及一种晶圆清洗装置。
背景技术
在半导体领域，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，例如：沉积、等离子体刻蚀、光刻、电镀等等，都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。因此，在晶圆制造过程中需要经过多次的表面清洗，以去除晶圆表面附着的金属离子、原子、有机物及微粒等污染物。
用于清洗晶圆的刷洗模块中设置了驱动晶圆旋转的滚轮或者跟随晶圆旋转的滚轮，滚轮与晶圆直接接触，在实际生产过程中发现晶圆的边缘难以清洗干净，晶圆经过刷洗处理后边缘仍会残留污染物，很难彻底去除。
发明内容
本发明实施例提供了一种晶圆清洗装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明实施例提供了一种晶圆清洗装置，包括：箱体、晶圆支撑机构、晶圆刷洗机构和供液组件，所述晶圆支撑机构包括用于承载晶圆并带动晶圆旋转的滚轮和安装座，安装座用于将滚轮与箱体固定，安装座和箱体之间设置有密封组件，密封组件包括密封垫、外压环和内压环，内压环将密封垫与安装座固定，外压环将密封垫与箱体固定，内压环位于外压环的内侧。
在一个实施例中，所述外压环的上部具有挡水结构。
在一个实施例中，所述挡水结构包括从外压环的外周边缘向外延伸形成的挡水檐以及挡水檐与箱体之间形成的导水槽。
在一个实施例中，所述挡水檐为沿由高至低的方向逐渐收窄的半月形结构。
在一个实施例中，所述挡水檐按照由内向外朝向滚轮的方向倾斜延伸。
在一个实施例中，所述外压环的下部具有排水结构。
在一个实施例中，所述排水结构为外压环底部的缺口。
在一个实施例中，所述密封垫的靠外区域位于外压环和箱体之间，通过固定外压环将密封垫和箱体之间密封。
在一个实施例中，所述密封垫和内压环套设在安装座的外周，具有内螺纹的锁母与安装座的具有外螺纹的部分通过螺纹连接，将内压环和密封垫与安装座之间压紧。
本发明实施例的有益效果包括：实现了晶圆支撑机构的密封功能，并提高了排污能力。
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，但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加工设备；
图2示出了本发明一实施例提供的晶圆清洗装置；
图3至图5示出了本发明一实施例提供的密封组件；
图6至图8示出了本发明另一实施例提供的密封组件。
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(wafer)也称为晶片、硅片、基片或基板(substrate)等，其含义和实际作用等同。
如图1所示，本发明一实施例提供的晶圆加工设备100包括：缓存模块110、两个加工模块120和前端模块150。
缓存模块110可以设置有多层，多层缓存模块110可以同时缓存多片晶圆。
加工模块120用于抛光晶圆，两个加工模块120可以独立工作。每个加工模块120都可以包括：抛光单元121、第一机械手122、传输单元123、第二机械手124和多个清洗单元125。
如图1所示，晶圆加工设备100包括四个抛光单元121，抛光单元121可以为化学机械抛光单元。当晶圆加工设备100工作时，晶圆可以进入四个抛光单元121中的任意一个或多个进行抛光，完成一步或多步抛光后，将晶圆送回传输单元123。如图1所示，每个抛光单元121可以包括：抛光盘211、抛光头212和装卸平台213，两个抛光单元121的装卸平台213均邻近第二机械手124设置。
如图2所示，在抛光开始前，第二机械手124将晶圆搬运至装卸平台213处，抛光头212从装卸平台213装载晶圆后沿抛光盘211的径向移动至抛光盘211的上方。在化学机械抛光过程中，抛光头212将晶圆按压在抛光盘211表面覆盖的抛光垫上，抛光垫的尺寸大于待抛光的晶圆的尺寸，例如为晶圆尺寸的1.2倍或更大，由此保证均匀地对晶圆进行抛光。抛光头212做旋转运动以及沿抛光盘211的径向往复移动使得与抛光垫接触的晶圆表面被逐渐抛除，同时抛光盘211旋转，抛光液供给装置向抛光垫表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过抛光头212与抛光盘211的相对运动使晶圆与抛光垫摩擦以进行抛光。由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆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。在抛光期间，修整器用于对抛光垫表面形貌进行修整和活化。使用修整器可以移除残留在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。在抛光完成后，抛光头212吸附晶圆以将其放置在装卸平台213上，第二机械手124从装卸平台213取得晶圆后将晶圆运送至清洗单元125。
如图1所示，两个加工模块120的抛光单元121之间可以形成有传输模块130，传输单元123均可以设置在传输模块130内。传输单元123可以在第一机械手122和第二机械手124之间传输晶圆。第一机械手122在缓存模块110和传输单元123之间以及传输单元123和清洗单元125之间运动。第二机械手124用于为抛光单元121传输晶圆。
如图1所示，两个加工模块120的清洗单元125之间留有布置空间140，两个第一机械手122和缓存模块110设置在布置空间140内。
如图1所示，每个清洗单元125可以包括：多个清洗模块251、干燥模块252、竖直缓存模块253和翻转模块254，清洗模块251、干燥模块252、竖直缓存模块253和翻转模块254并排布置。其中，清洗模块251可以采用刷洗式、旋转式、兆声式和/或喷淋式等多种方式实现晶圆清洗。干燥模块252可以采用旋转式和/或提拉式等多种方式实现晶圆干燥。可以理解的是，清洗模块251的数量还可以是其他数目，并不局限于图1所示。
如图1所示，每个清洗单元125还可以包括：第三机械手255和第四机械手256，第三机械手255在清洗模块251和竖直缓存模块253的上方移动，第四机械手256在清洗模块251、干燥模块252和翻转模块254的上方移动。
如图2所示，本发明一实施例提供了一种晶圆清洗装置1，用于实现晶圆w清洗，包括：箱体10、晶圆支撑机构20、晶圆刷洗机构30和供液组件40等。
如图2所示，箱体10内部形成工艺腔室，提供用于处理晶圆w的环境。
如图2所示，晶圆刷洗机构30包括两个清洗刷、清洗刷驱动机构和进液机构。
两个清洗刷，分别设置于晶圆w的前、后两侧并对晶圆w表面进行滚动刷洗，其中，两个清洗刷以相反方向滚动。两个清洗刷分别为第一清洗刷和第二清洗刷，分别设置于待清洗晶圆w的前、后两侧，可绕自身轴线滚动以接触待清洗晶圆w的表面进行刷洗。清洗刷为圆筒状辊子结构，其由具有良好吸水性的材料，如聚乙烯醇(PVA)制成。
如图2所示，通过连接于清洗刷一端的进液机构不断地向清洗刷提供液体，使清洗刷保持湿润的状态。其中，清洗刷由多孔性材料制成，能够吸附大量液体。该液体可以是酸性或碱性的溶液，也可以是去离子水。进液机构连接清洗刷的进液端，向清洗刷内充液。清洗刷充液后变软，可以对晶圆w进行刷洗，所以在清洗过程中需要随时使清洗刷保持充液的状态。
如图2所示，清洗刷驱动机构，用于带动两个清洗刷相向移动并以一定夹角夹持晶圆w进行滚动刷洗。清洗刷可以沿水平方向移动以远离或靠近晶圆w。清洗刷远离晶圆w时，清洗刷与晶圆w预留一定间隙，晶圆搬运机械手可夹持晶圆w以取走完成清洗的晶圆w；清洗刷靠近晶圆w移动时，清洗刷与晶圆w抵接并以接触方式实施晶圆w表面的清洗。
如图2所示，供液组件40用于将清洗液供给至晶圆w表面，具体可以是位于清洗刷上方的晶圆w表面的上部区域。清洗液相对于晶圆w表面的供给角度为5°～30°。供液组件40通过输送管路连接流体源。
如图2所示，晶圆支撑机构20用于支撑、定位晶圆w并驱动晶圆w在竖直面内旋转。晶圆支撑机构20固定在箱体10上并伸入工艺腔室内，待清洗晶圆w由晶圆支撑机构20支撑并绕水平的轴线在竖直面内旋转。
在一个实施例中，晶圆支撑机构20包括多个用于承载晶圆并带动晶圆旋转的滚轮21。多个滚轮21具体可以是位于晶圆w下方的用于支撑的两个主动轮和从动轮。两个主动轮起到驱动作用，利用电机对晶圆w进行旋转驱动。从动轮设置在两个主动轮之间，起到辅助支撑和测速的作用。
如图2至图8所示，晶圆支撑机构20穿过箱体10的侧壁并伸入箱体10内，晶圆支撑机构20的一部分位于箱体10内用于支撑晶圆，晶圆支撑机构20的另一部分位于箱体10外用于与位于箱体10外部的驱动机构连接或者与箱体10固定，从而在穿过箱体10处形成了缝隙。此缝隙的存在可以实现滚轮21在一定范围内调整位置，以更好地适应晶圆。滚轮21用于抵接晶圆并带动晶圆旋转，清洗时，晶圆被限定在滚轮21的卡槽内，并和滚轮21同步旋转。
安装座23用于将滚轮21与箱体10固定。安装座23穿过箱体10的侧壁并伸入箱体10内，安装座23位于箱体10外的部分通过支撑件与箱体10连接，具体地，使用螺钉将安装座23固定于支撑件，支撑件和箱体10分别通过螺钉固定于同一底座。安装座23和箱体10之间有缝隙。安装座23和箱体10之间的缝隙通过密封组件24实现密封。
滚轮21与安装座23之间通过旋转轴22连接。旋转轴22可旋转地设置于安装座23内，旋转轴22的一端连接滚轮21以带动滚轮21旋转。旋转轴22上套设有轴承。安装座23套设在旋转轴22的外周侧，安装座23和旋转轴22之间通过轴承连接。当滚轮21为主动轮时，驱动机构连接旋转轴22从而带动旋转轴22旋转。
如图3所示，安装座23和箱体10之间设置有密封组件24，密封组件24分别与安装座23和箱体10固定，用于密封安装座23与箱体10之间的缝隙。密封组件24包括密封垫25、外压环28和内压环26，内压环26将密封垫25与安装座23固定，外压环28将密封垫25与箱体10固定，内压环26位于外压环28的内侧。
如图3所示，密封垫25为环形，围绕安装座23设置。密封垫25为弹性材料。外压环28和内压环26均为环形。
在一个实施例中，密封垫25的靠外区域位于外压环28和箱体10侧壁之间，外压环28的环周设有若干螺钉孔，外压环28由螺钉固定于箱体10侧壁，从而使密封垫25的环形的靠外区域被外压环28压紧并固定于箱体10侧壁，也就是将外压环28和密封垫25与箱体10之间压紧密封。
在一个实施例中，密封垫25和内压环26套设在安装座23的外周。密封垫25的中间形成圆孔，安装座23的具有外螺纹的部分从密封垫25的圆孔处穿过，再穿过内压环26。密封垫25的靠内区域位于内压环26和安装座23之间。具有内螺纹的锁母27与安装座23的具有外螺纹的部分通过螺纹连接，从而将内压环26和密封垫25与安装座23之间压紧。从箱体10内部朝向箱体10侧壁的方向来看，依次为锁母27、内压环26、密封垫25和安装座23，锁母27旋入从而将内压环26和密封垫25压紧固定于安装座23的前端面。完成了外压环28和内压环26的固定之后，也就实现了用密封垫25将箱体10和安装座23之间的缝隙密封。
如图3和图4所示，在本发明的一个实施例中，内压环26和外压环28之间形成有空隙，从而能够适应密封垫25的柔性变形，以便于滚轮21调整位置。当调整滚轮21与晶圆之间的接触位置时，安装座23与箱体10之间的各处缝隙尺寸变化，从而引起密封垫25的柔性变形，内压环26和外压环28之间的空隙大小也相应改变。
如图3至图5所示，在本发明的一个实施例中，外压环28的上部具有挡水结构。清洗时从箱体10上部往下流的液体，有的会从上沿接触到密封垫25从而被污染，通过在外压环28的上部设置挡水结构能够挡住这些从上方过来的液体，避免这些被污染的液体再污染滚轮21而影响晶圆清洗效果。
在一个实施例中，挡水结构包括从外压环28的外周边缘向外延伸形成的挡水檐281以及挡水檐281与箱体10之间形成的导水槽282。在一种实施方式中，挡水檐281可以是外压环28的整圈边缘向外延伸形成的。另一种实施方式中，挡水檐281可以是外压环28的部分边缘向外延伸形成的。挡水檐281可以垂直向上延伸，也可以倾斜向上延伸，倾斜方向按照从内向外朝向滚轮21的趋势倾斜。需要说明的是，本申请文件中所称的“内”、“外”均是以旋转轴22为中心作为参照，“内”是指靠近旋转轴22，“外”是指远离旋转轴22，例如文中所写的外压环28、内压环26、向内、向外、从内向外等均是以此作为参照。文中的上、下是以说明书附图所绘方向作为参照。
如图3至图5所示的示例中，挡水檐281是外压环28的上半部分的远离箱体10的外边缘向上延伸形成的。挡水檐281按照由内向外朝向滚轮21的方向倾斜延伸。挡水檐281能够挡住从上方过来的液体。相应地，在挡水檐281和箱体10或者挡水檐281和密封垫25之间形成了由挡水檐281和外压环28的周面围成的导水槽282，由于导水槽282的底面是中间高、两边低的弧形，导水槽282可以将挡水檐281挡住的液体收集起来并从两侧向下引流，也就是说在挡水檐281和导水槽282的共同作用下，被污染的液体可以沿外压环28的外周面向下流出，避免了污染物沾污滚轮21和晶圆。
如图4和图5所示，在一个实施例中，挡水檐281为沿由高至低的方向逐渐收窄的半月形结构，换句话说，挡水檐281的宽度由上至下逐渐变小。
本实施例中，当从滚轮21的外周方向过来的液体接触到密封垫25之后，这些被污染的液体可以进入外压环28顶部半月形的挡水檐281与箱体10侧壁间形成的导水槽282，然后含污染物的液体会被引导沿外压环28的外周面朝两侧流走，通过设置挡水结构，避免了外压环28上方堆积液体从外压环28的正面转移到滚轮21上，避免了滚轮21和晶圆被污染。
如图6至图8所示，在本发明的另一个实施例中，外压环28的下部具有排水结构283，用于方便排液，避免液体在底部堆积过多沾染到旁边的滚轮21上。图7和图8所示的示例中，排水结构283为外压环28底部的缺口。或者，在另一种实施方式中，排水结构283还可以是位于外压环28的底部表面的凹槽，也能使液体排出。
如图7和图8所示，在一个实施例中，排水结构283为外压环28底部的缺口，外压环28的内周底部在此缺口的边缘设有弧形斜面，用于引导液体流下。基于本实施例中外压环28的结构，其他方向的液体要接触到工艺腔室内密封垫25的表面，只能从内压环26和外压环28之间的空隙通过才能实现，进入该空隙的液体会被限制在外压环28和内压环26之间的环形半封闭空间中，并沿环形半封闭空间的底部从排水结构283流出，例如：沿外压环28顶部流到外压环28内周面的液体或者流入外压环28和内压环26之间的液体，会沿外压环28的内周面或内压环26的外周面进入到环形半封闭空间，在此积存的液体向下引流，进而从排水结构283流出。从而避免了由于脏水积聚而污染滚轮21。
综上，外压环28和内压环26相互配合，能够引导流经密封垫25上的液体向下引流，从而切断了接触到密封垫25并被其污染的液体往滚轮21传播的路径，阻断了污染风险部件和待清洗晶圆间的污染物的传播路径，从而解决了晶圆竖直刷洗时所清洗晶圆被密封垫25脏水随机污染的问题，显著改善了晶圆边沿附近的洁净度，大幅提高了清洗工艺的效果和稳定性。
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 (9)

1.一种晶圆清洗装置，其特征在于，包括：箱体、晶圆支撑机构、晶圆刷洗机构和供液组件，所述晶圆支撑机构包括用于承载晶圆并带动晶圆旋转的滚轮和安装座，安装座用于将滚轮与箱体固定，安装座和箱体之间设置有密封组件，密封组件包括密封垫、外压环和内压环，内压环将密封垫与安装座固定，外压环将密封垫与箱体固定，内压环位于外压环的内侧。
2.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述外压环的上部具有挡水结构。
3.如权利要求2所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述挡水结构包括从外压环的外周边缘向外延伸形成的挡水檐以及挡水檐与箱体之间形成的导水槽。
4.如权利要求3所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述挡水檐为沿由高至低的方向逐渐收窄的半月形结构。
5.如权利要求3所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述挡水檐按照由内向外朝向滚轮的方向倾斜延伸。
6.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述外压环的下部具有排水结构。
7.如权利要求6所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述排水结构为外压环底部的缺口。
8.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述密封垫的靠外区域位于外压环和箱体之间，通过固定外压环将密封垫和箱体之间密封。
9.如权利要求1所述的晶圆清洗装置，其特征在于，所述密封垫和内压环套设在安装座的外周，具有内螺纹的锁母与安装座的具有外螺纹的部分通过螺纹连接，将内压环和密封垫与安装座之间压紧。
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