CN1267971C - 晶片清洗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的各实施例包括超声能量清洗装置，能够旋转要清洁的晶片，并在清洁作用期间旋转清洁探杆。清洁晶片的同时旋转清洁探杆可以有效地增加装置的清洁作用，同时减小了形成晶片图形损伤。在旋转的清洁探杆中腐蚀出弯曲的槽，例如螺旋槽，可以减少潜在地损伤晶片表面或已形成在表面上的结构的有害波。使用具有弯曲槽的清洁探杆同时也旋转清洁探杆可以有效地从晶片上清洁掉粒子，同时也限制了对晶片表面的损伤。

Description

晶片清洗系统
技术领域
本公开涉及晶片清洗系统，特别涉及制造期间使用超声(megasonic)能量清洗半导体晶片的晶片清洗系统。
背景技术
半导体晶片和其它部件通常需要极高级别的清洁度。特别是，在半导体电路的制造期间，在显微镜下看到，一些小粒子仍留在晶片结构的表面上。有时一些粒子称做“散落缺陷”(fallen defects)，如果不除去，会导致电路误操作，或者根本无法操作。因此，需要从半导体表面上除去尽可能多的这些散落缺陷。
清洁晶片上散落缺陷的一个方法是将晶片靠近超声能量驱动的棒，以及移走棒下面的晶片。超声能量促使棒产生从晶片表面上提升起散落缺陷的清洁动作，。超声能量为具有的频率比超声波能量高约10-50倍的能量，例如在约200-1000kHz的范围内。在该频率，在约0.01-10W/mm2的晶片表面之间的功率电平下可以获得良好的清洁特性。此外，如水或其它溶液的化学制剂可以应用到晶片的表面，以便清洁棒工作期间溶液处于晶片和清洁棒之间。此外，晶片可以在工作的清洁棒之下旋转，以增强清洁作用。利用超声能量的晶片清洁系统的一个例子介绍在属于Bran及他的后代的US专利6,039,059中，它的全部内容在这里作为参考引入。
图1示出了要用清洁棒或探杆20清洁的晶片10的一个例子的剖面图。清洁溶液12存在于晶片10的表面上，在清洁探杆20的周围的区域中产生弯月面。随着晶片10在清洁探杆20下旋转，弯月面可以不对称。
在将高频能量传送到位于探杆和晶片10之间的清洗溶液12内的过程中，清洁探杆20起了很重要的作用。当超声能量施加到清洁探杆20时，在清洁溶液12中产生气穴(cavitation)效应，由此在波的半周期期间中在溶液中形成气泡并生长，在另一半周期期间破裂。随着气泡的产生和破裂，粒子从晶片10的表面上提升起，并被清洁溶液12带走，由此清洁了晶片表面。
利用高频能量清洁期间发生的一个问题是清洁作用会损伤晶片10，或者晶片上制备的结构，称做图形损伤。可以观察到在直接位于清洁探杆20下的位置处比没有位于探杆的区域中的晶片图形损伤更多。通常认为损伤是由直接向下投射或者法线入射到清洁探杆20的超声波引起的，而不是倾向于横向发射到探杆的超声波。当清洁探杆20将超声能量传送到清洗溶液12内时，一些能量由晶片10表面垂直地反射回清洁探杆20。这种反射能量有可能引起与清洁探杆20提供的附加(连续)能量的结构干涉，和/或清洁探杆和晶片10之间的振荡。应该相信这些超声干涉振荡导致晶片10损伤。
一些晶片清洗系统尝试减少这种损伤，并通过例如15和30每分钟转数(RPM)之间旋转晶片10同时探杆20工作进行超声清洁以增加清洁作用的量。虽然通过旋转晶片清洁减少了损伤量，但没有消除损伤。此外，现已发现如果晶片旋转太快，例如大于50RPM，那么不能有效地从晶片10表面上清洁掉散落粒子。如果晶片旋转太快，例如大于50RPM，那么清洁溶液12的厚度变得很薄，足够的超声能量不能由清洁探杆20传送到晶片表面。
清洁探杆20和晶片10表面之间的距离也显示出对清洁效率和产生晶片损伤量的影响。现已确定清洁探杆20的下表面与晶片10表面之间的最有效距离约为激励清洁探杆使用的超声能量的波长的四分之三。以此距离，清洁溶液中的气穴效应最有效。假设约900khz的超声能量波长，因此清洁探杆20和晶片10表面之间的最佳距离约1.65mm。大于最佳距离的距离不能很好地清洁晶片10，而小于最佳距离的距离会产生更多的晶片损伤。
注意了这些距离，更有效清洁晶片10的另一想法是沿清洁探杆22的下边缘表面腐蚀出横向槽23的图形，如图2所示。在清洁探杆22中形成的槽23易于增加清洁探杆22和晶片10表面之间总的平均距离，同时保持没有直接位于探杆22之下的晶片表面区域的清洁作用。也就是说，清洁探杆22中的槽23减少了从清洁探杆22的下表面传送到直接位于清洁探杆下表面之下晶片10表面的超声能量，同时没有减少从清洁探杆22传送到直接位于探杆下面之外的晶片10的区域。通过在清洁探杆22中形成槽23，保留了清洁作用，同时由于直接位于清洁探杆下表面之下的晶片10表面和清洁探杆22自身之间的平均距离，因此晶片10表面的损伤减少。然而，在晶片10表面仍然存在损伤，很可能是由于在清洁探杆22中的固定槽23边缘处超声能量的集中。
本发明的各实施例减少了晶片清洁期间产生的损伤数量，同时保持了目前的清洁度标准。
发明内容
本发明提供了一种超声晶片清洗系统，包括：清洁容器；清洁溶液提供器，用于在清洗过程中提供清洁溶液；晶片支架，位于清洁容器中，并被构成为支撑要清洁的晶片；晶片旋转器，连接到晶片支架，并被构成为使要清洁的这种晶片旋转；探杆旋转器；探杆振动器，被构成为产生超声振动；以及具有连接端和延长端的清洁探杆，探杆的连接端连接到探杆旋转器和探杆振动器，探杆的延长端最靠近要清洁的晶片，清洁探杆和晶片之间的距离小于约0.1英寸，并且清洁探杆的至少部分延长端具有形成在其内的曲线槽。
本发明还提供了一种清洁晶片的方法，包括：将要清洁的晶片安装在旋转支架中；向要清洁的晶片表面施加液体；旋转安装的晶片；靠近旋转的安装晶片放置清洁探杆；向清洁探杆施加超声能量；旋转清洁探杆的同时旋转安装的晶片。
附图说明
通过参考附图的说明可以更好地理解本发明。
图1示出了将由清洁探杆清洁的晶片剖面图。
图2示出了根据现有技术带槽清洁探杆的侧视图。
图3示出了根据本发明一个实施例的清洁装置的剖面图。
图4示出了根据本发明的实施例的要清洁的晶片和清洁探杆的俯视图。
图5示出了根据本发明一个实施例的清洁探杆的剖面图。
图6A和6B示出了根据本发明不同实施例的清洁探杆的侧视图。
图7A和7B示出了根据本发明的实施例的槽的形状的示意图。
图8A-8F示出了根据本发明的实施例的槽的剖面形状的示意图。
具体实施方式
本发明的各实施例包括超声能量清洗装置，能够旋转要清洁的晶片，并在清洁作用期间旋转清洁探杆。清洁晶片的同时旋转清洁探杆可以有效地增加装置的清洁作用，同时减小了造成的晶片图形损伤。此外，在旋转的清洁探杆中形成的不同弯曲的槽可以用于防止会潜在地损伤晶片表面或已形成在表面上的结构的有害波。在完整的集成电路或器件的制造期间，根据本发明实施例的晶片清洁可以进行不止一次。例如，进行化学机械抛光(CMP)步骤之后，可以使用该工艺，在形成完整器件期间可以进行若干次。
图3示出了根据本发明实施例的超声能量清洁装置5。清洁装置5包括加长的清洁探杆20，构形以适合穿过装置5的侧壁30中的孔32。甚至当清洁探杆20以高频振动时，O形环34或其它密封件可以防止装置5中的任何液体穿过侧壁30。
如压电换能器(transducer)的换能器40声学地并且或许连接到清洁探杆20的端部，其功能为当换能器通电时产生传送到清洁探杆的超声高频信号。
如电动机的旋转部件50连接到清洁探杆20，使清洁探杆绕它的纵轴或主轴旋转。如果旋转部件50为电动机，那么可以将清洁探杆20的边结合到例如与安装在电动机的链轮齿(sprocket)匹配的槽啮合，或者电动机50的轴(spindle)可以固定到接触清洁探杆大端边缘的高摩擦“橡胶状”物质，具有足够的力使清洁探杆旋转。有许多种方式使清洁探杆20旋转，旋转探杆的机构不如它具有旋转能力那么重要。电动机50能够被构造为使清洁探杆20在单一方向中以单一的速度旋转，或者构成使清洁探杆在两个方向中以不同的速度旋转。
除了侧壁30中的孔32，探杆支架52连接到清洁装置5，通过支撑电动机50(进而支撑清洁探杆)或者通过直接支撑清洁探杆，作为清洁探杆20的第二支架。此外，探杆支架52可以安装在平台移动结构上，例如螺杆54。当这些螺杆54在转动时，将螺纹面(未示出)啮合到探杆支架52内，使探杆支架将清洁探杆移入和移出装置。即使由电动机50旋转，平台移动结构54也能够移动清洁探杆20。此外，平台移动结构可以为任何形式，图3中所示的螺杆54仅为移动结构的一种方式。其它方法本领域中的技术人员都公知。
晶片支架60安装在装置5内以支撑要清洁的晶片10。当安装在支架60中时，晶片10设置得相当靠近清洁探杆20，以便探杆和晶片之间清洁溶液12的搅动能松动晶片表面上的粒子。当处于用于清洁的位置时，清洁探杆20和晶片10之间的距离优选小于约一英寸的0.1。
支架60穿过清洁装置5的下表面70中的孔72伸出。O形环74或其它类型的密封可以防止清洁装置5内的任何液体穿过孔72流出。支架60连接到旋转装置或电动机80，在清洁工艺期间能旋转支架(由此旋转放置在支架上的晶片)。
虽然如图3所示清洁探杆20在要清洁的晶片10表面上延伸了约一半，然而晶片旋转时，整个表面通过清洁探杆20与晶片表面10之间存在的清洁溶液而接触清洁探杆，也可以采用使晶片和清洁探杆靠近接触的其它方法。例如，清洁探杆可以在整个晶片10上延伸，对于靠近清洁探杆的整个晶片表面，晶片仅需要一半的旋转，而不是以上介绍的整个旋转。或者，可以通过移动晶片，或者通过移动探杆支架52来移动清洁探杆自身，相对于晶片10横向地移动清洁探杆20。
清洁期间，连接到清洁探杆20的换能器40被电激励，使探杆20振动。如果换能器为压电，那么激发能量控制振动。晶片10装入支架60上的位置中，清洁溶液12施加到它的表面。当清洁探杆靠近要清洁的晶片10时，超声能量施加到清洁探杆，搅动清洁溶液12，产生清洁溶液的气穴。随着超声能量的增加，气穴增加。由此，引入更多的能量，晶片表面清洁的有效性越高。然而，增加的能量也增加了要清洁的晶片10的表面上损伤区域的数量。
随着晶片10被清洁，散落粒子被拾取或从晶片表面“提升”到清洁溶液12内。含有提升粒子的清洁溶液12通过漂洗周期代替，由此洗掉变脏的流体，用新的清洗溶液一直冲洗晶片10的表面，或者通过其它一些方法来用没有污染的新鲜清洗溶液代替含有提升的散落粒子的清洁溶液。
图4示出了在晶片的清洁操作期间，由电动机80(图3)通过支架60旋转的晶片10与通过旋转器50(图3)旋转的清洁探杆20之间的相对运动。如果假设晶片10在逆时针方向中旋转，当沿探杆的纵轴从远离晶片的端部看时，清洁探杆20也逆时针方向旋转。换句话说，从图4中可以看出，随着最靠近探杆的晶片10的边缘从左到右旋转，清洁探杆20从探杆的右手侧开始旋转，在越过探杆的上部，然后在探杆的左手侧向下。
除了通过旋转操作清洁探杆20之外，通过腐蚀或挖槽以增强它的清洁作用可以增强清洁探杆的清洁作用。槽23可以造型为以尽可能减少任何可能的晶片图形损伤。当由于在供电的清洁探杆20的底面中形成的槽23的边缘25在清洁溶液12中产生波时，发生以上提到的晶片图形损伤源，如图2所示。
为减小清洁溶液12中的任何波图形而形成的槽显示在图5中。在该图中，清洁探杆220包括沿探杆的纵轴或主轴形成的通常的弯曲槽222。槽222可以是螺旋形，或者可以是其它图形。在清洁探杆220中具有螺旋形槽222的一个优点是它可以比未开槽的清洁探杆产生更好的清洁效果，当结合探杆旋转器50(图3)一起使用时，较好地分布和分配了从槽的边缘传送到直接位于探杆下的晶片10表面的超声能量，由此减少了晶片的损伤。图5的清洁探杆220可以用在图3的清洁装置中，同时不必改变探杆或装置。
如上所述，随着晶片10在清洁探杆220下旋转，探杆也旋转。清洁工艺期间，清洁探杆220在它的主轴周围旋转，由于弯曲槽222，通过探杆引入到清洁溶液12内的超声能量没有集中在晶片10或清洁溶液中的任何特定区域。通过旋转清洁探杆220，由槽边缘发射的能量通过清洁溶液12分散在晶片10的整个表面上。由此，显著减少了直接投射到探杆220下的超声波引起的任何损伤。
如图5所示，在优选实施例中，当清洁探杆220处于清洁(延伸)位置时，槽222沿清洁探杆220从它的端部延伸到正好位于要清洁的晶片10上的区域。在任何情况中，优选地，槽222不延伸到清洁装置5的侧壁30之外，否则通过流出清洁探杆220的槽222，液体会从装置的内部穿过孔32流出。
此外，如图6A和6B所示，螺旋槽222具有不连续的螺距，其中在靠近延长端的清洁探杆220的部分中每单位长度有更多的沟槽(图6A)或者在靠近施加声能的端部的每单位长度有更多的沟槽(图6B)。具有不均匀的螺纹螺距有助于将声能更均匀地分布到清洁溶液12内。此外，槽222的宽度不必在整个槽长度上相同。例如，如图7A所示，示出了弯曲的槽222，好象在直线中延伸，槽的一端可以比另一端宽。或者，槽222可以具有连续改变的宽度，如图7B所示，或者使用图7A和7B所示的宽度组合构形槽222等。
槽222的形状自身也对清洁探杆110的清洁能力有影响。如图8A所示，槽222可以具有标准的槽形，具有较平坦的底部，两个较直的侧壁，垂直于底部。或者，槽222可以是“U”或“V”形，如图8B和8C分别所示。由于槽222的坚固边缘会增加它的损伤晶片10的倾向，图8D和8E示出了具有圆形边的“U”或“V”形槽，也可以用做槽。此外，槽222的边不必限制为等于或宽于槽自身。由此，槽222可以构形成图8F所示的形状，和槽的底面相比，圆形槽边更相互接近。虽然8A-8F示出了槽形状的几个例子，但本发明自身不局限为任何特定的形状，实际上可以是示出的形状，或其它形状，或是它们的组合。
尽管没有在上面提到，但是螺旋槽转动的方向有利于清洁作用或者减小晶片图形损伤。由此，可以在任何一个方向中转动的清洁探杆220中形成槽222，即槽图形旋转的方式与清洁装置5中探杆220自身转动的方式相同，或者将槽222形成得与探杆220的转动方向相反。当然，由于通常电动机80被构成为在单一的方向中旋转晶片10，并且由于清洁探杆220通常也在晶片的相同方向中旋转，因此必须有两个探杆，每个具有不同转动方向的槽222。
通常，清洁探杆220由石英制成，不受大多数清洁溶液12影响，但探杆也可以由其它材料构成。例如，清洁探杆220可以由蓝宝石碳化硅、氮化硼、玻璃质碳、玻璃状碳涂覆的石墨、其它合适材料或这些材料的组合，具有或不具有石英。
根据以上公开，清洁装置5和清洁探杆220的实现简单明了。和通常一样，实施的具体细节留给了系统设计者。例如，清洁探杆220的转数与晶片10的转数比可以经验地最佳确定。此外，可以和清洁探杆220的其它细节一起修改和最佳化的最佳螺距、螺距、槽形状或多种槽形状、以及槽的宽度，仍然在本发明的范围内。
由此，虽然介绍了包括能够旋转的清洁探杆的清洁装置及清洁探杆自身的实施例，但这种具体参考不是对本发明的限定，范围由下面的权利要求书及它们的等效物确定。

Claims (29)

1.一种超声晶片清洗系统，包括：
清洁容器；
清洁溶液提供器，用于在清洗过程中提供清洁溶液；
晶片支架，位于清洁容器中，并被构成为支撑要清洁的晶片；
晶片旋转器，连接到晶片支架，并被构成为使要清洁的这种晶片旋转；
探杆旋转器；
探杆振动器，被构成为产生超声振动；以及
具有连接端和延长端的清洁探杆，探杆的连接端连接到探杆旋转器和探杆振动器，探杆的延长端最靠近要清洁的晶片，清洁探杆和晶片之间的距离小于0.1英寸而彼此不接触，并且清洁探杆的至少部分延长端具有形成在其内的曲线槽。
2.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中清洁探杆中的槽沿清洁探杆的纵轴螺旋旋转。
3.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中清洁容器具有形成其内的孔，系统还包括安装到清洁容器一个表面的探杆支架，该探杆支架被构成为用来支撑能够插入穿过清洁容器中孔的清洁探杆。
4.根据权利要求3的晶片清洁系统，其中探杆支架直接连接到探杆旋转器。
5.根据权利要求3的晶片清洁系统，其中探杆支架使清洁探杆滑动地穿过清洁容器中的孔，并且当清洁探杆完全插入清洁容器的孔内时，清洁探杆中的曲线槽从清洁探杆的延长端的端部延伸到临近插在晶片支架中的晶片的边缘的清洁探杆的区域。
6.根据权利要求2的晶片清洁系统，其中螺旋槽的螺距沿清洁探杆的长度改变。
7.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中探杆旋转器为电动机。
8.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有U形剖面。
9.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有带凸缘的U形剖面。
10.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有V形剖面。
11.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有带圆形边的V形剖面。
12.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有平坦的底面，具有垂直于底面形成的两个平坦的侧面。
13.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽的上开口的两边之间的距离小于槽的最宽部分上的距离。
14.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中探杆旋转器被构成为使探杆旋转，同时晶片旋转器旋转要清洁的晶片。
15.根据权利要求14的晶片清洁系统，其中清洁探杆的旋转速度与要清洁的晶片的旋转速度无关。
16.根据权利要求14的晶片清洁系统，其中探杆旋转器构成得能在相对于要清洁的晶片的旋转方向正向或反向的方向中旋转清洁探杆。
17.根据权利要求1的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有多于一个的宽度。
18.根据权利要求17的晶片清洁系统，其中在清洁探杆中形成的槽具有朝向清洁探杆连接端的第一端，并具有朝向清洁探杆延长端的第二端，其中在清洁探杆中形成的槽在第一端比在第二端具有较大宽度。
19.一种清洁半导体晶片的装置，包括清洁室、清洁室中的晶片支架、探杆旋转器、以及探杆振动器，
清洁探杆用于连接到探杆振动器和探杆旋转器，并且清洁探杆和晶片之间的距离小于0.1英寸而彼此不接触；
清洁探杆包括：
总体上延长的杆，具有接收能量的第一端并具有产生清洁作用的延长端，清洁探杆的至少部分延长端具有形成在其内的螺旋槽。
20.根据权利要求19的清洁探杆，其中清洁探杆中的槽沿清洁探杆的纵轴螺旋旋转。
21.根据权利要求19的清洁探杆，其中螺旋槽的螺距沿清洁探杆的长度改变。
22.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有U形剖面。
23.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有带凸缘的U形剖面。
24.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有V形剖面。
25.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有带圆形边的V形剖面。
26.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有平坦的底面，具有垂直于底面形成的两个平坦的侧面。
27.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽的上开口的两边之间的距离小于槽的最宽部分上的距离。
28.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有多于一个的宽度。
29.根据权利要求19的清洁探杆，其中在清洁探杆中形成的槽具有朝向清洁探杆的第一端的第一端，并具有朝向清洁探杆延长端的第二端，其中在清洁探杆中形成的槽在第一端比在第二端具有较大宽度。
CNB031073573A 2002-04-25 2003-03-20 晶片清洗系统 Expired - Lifetime CN1267971C (zh)

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US10/133,710 US6843257B2 (en) 2002-04-25 2002-04-25 Wafer cleaning system

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