CN204470200U - 一种清洗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种清洗装置，包括一悬设于图形晶圆上方的中空壳体，壳体的中空内部设有超声波发生机构，超声波发生机构下方连接一超声波能量选择性去除机构，超声波能量选择性去除机构包括由多个垂直间隙设置的石英棒构成的等高阵列，石英棒阵列自壳体下方伸出没入图形晶圆上的清洗药液中，将从超声波发生机构传导出的传播方向与晶圆表面不垂直的超声波能量进行选择性去除，使超声波能量垂直传导至晶圆，保证了在超声波清洗过程中，超声波的能量不会造成图形晶圆表面图形的损伤，从而实现对图形晶圆的无损伤超声波移动清洗，并可有效提高晶圆表面污染物的去除效率。

Description

一种清洗装置

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路加工清洗设备领域，更具体地，涉及一种用于清洗图形晶圆的无损伤清洗装置。

背景技术

随着半导体集成电路制造技术的高速发展，集成电路芯片的图形特征尺寸已进入到深亚微米阶段，而造成芯片上超细微电路失效或损坏的关键沾污物(例如颗粒)的特征尺寸也随之大为减小。

在集成电路的生产加工工艺过程中，半导体晶圆通常都会经过诸如薄膜沉积、刻蚀、抛光等多道工艺步骤。而这些工艺步骤就成为沾污物产生的重要场所。为了保持晶圆表面的清洁状态，消除在各个工艺步骤中沉积在晶圆表面的沾污物，必须对经受了每道工艺步骤后的晶圆进行清洗处理。因此，清洗工艺成为集成电路制作过程中最普遍的工艺步骤，其目的在于有效地控制各步骤的沾污水平，以实现各工艺步骤的目标。

为了有效地清除晶圆表面的沾污物，在进行单晶圆湿法清洗工艺处理时，晶圆将被放置在清洗设备的旋转平台(例如旋转卡盘)上，并按照一定的速度旋转；同时向晶圆的表面喷淋一定流量的化学药液，对晶圆表面进行清洗。

在通过清洗达到去除沾污物目的的同时，最重要的是要保证对晶圆、尤其是对于图形晶圆表面图形的无损伤清洗。

随着集成电路图形特征尺寸的缩小，晶圆表面更小尺寸的沾污物的去除难度也不断加大。很多新型清洗技术在清洗设备上已得到应用。其中，最重要的一种是超声波清洗技术。但是，采用超声波清洗技术在提高了沾污物去除效率的同时，也不可避免地带来了对于图形晶圆的损伤问题。这主要是由于传播方向与晶圆表面不垂直的超声波能量对图形晶圆表面图形横向的作用力大于表面图形与晶圆的附着力，导致在超声波清洗时对表面图形的破坏。

因此，如何设计一种新型的图形晶圆清洗装置，以能够在超声波清洗时，消除传播方向与晶圆表面不垂直的超声波能量对图形晶圆表面图形横向作用力的破坏性影响，实现对图形晶圆的无损伤清洗，成为业界的一个重要课题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种结构简单，重复性好的新型图形晶圆无损伤清洗装置，通过合理的结构设计，可达到选择性的去除部分垂直方向以外的超声波能量的目的，实现对图形晶圆的无损伤清洗。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种清洗装置，用于对放置在清洗设备旋转平台上的图形晶圆进行超声波药液清洗，所述清洗装置包括一悬设于所述图形晶圆上方的中空壳体，所述壳体的中空内部设有超声波发生机构，所述超声波发生机构下方连接一超声波能量选择性去除机构，所述超声波能量选择性去除机构包括由多个垂直间隙设置的石英棒构成的等高阵列，所述石英棒阵列自所述壳体下方伸出；从所述超声波发生机构传导出的超声波能量经所述石英棒阵列的选择性去除后，通过没入图形晶圆上的清洗药液中的所述石英棒阵列的下端垂直传导至图形晶圆表面，以进行超声波移动清洗。

优选地，所述超声波发生机构包括上下连接设置的压电材料和金属耦合层，所述金属耦合层下端连接所述超声波能量选择性去除机构，所述压电材料、金属耦合层通过所述壳体所设电缆接头与外部电源连接并形成回路，所述压电材料通过接收电信号产生高速形变，形成超声振荡，并依次传导至其下方的所述金属耦合层、石英棒阵列。

优选地，所述压电材料和金属耦合层通过导电胶连接。

优选地，所述金属耦合层为单一金属层或复合金属层。

优选地，所述超声波能量选择性去除机构包括一石英保护圈，所述保护圈环绕所述石英棒阵列间隙设置，其下端高于所述石英棒阵列的下端；所述超声波能量选择性去除机构上端与所述超声波发生机构下端通过导电胶、或者低熔点合金、或者金或银连接。

优选地，所述石英棒为实心圆柱体。

优选地，所述石英棒的直径为0.5～5mm，高度不小于2mm。

优选地，所述壳体连接摆臂，所述摆臂带动所述清洗装置对图形晶圆进行超声波移动清洗。

优选地，所述壳体侧部设有位置及数量可调的清洗药液管路，用于向下方的图形晶圆喷淋清洗药液。

优选地，所述壳体设有冷却气体进出口，用于向其中空内部通入冷却气体，对所述超声波发生机构冷却。

从上述技术方案可以看出，本实用新型通过在清洗装置的中空壳体内设置基于压电材料的超声波发生机构产生超声振荡，并通过超声波发生机构下方连接的没入晶圆上清洗药液中的垂直石英棒阵列，将传播方向与晶圆表面不垂直的超声波能量进行选择性去除，使超声波能量垂直传导至晶圆，保证了在超声波清洗过程中，超声波的能量不会造成图形晶圆表面图形的损伤，从而实现对图形晶圆的无损伤超声波移动清洗。相比仅采用喷嘴将清洗药液喷洒在晶圆表面上或采用传统超声波辅助清洗的清洗方式，采用本实用新型的清洗装置进行超声波辅助清洗，可有效提高晶圆表面污染物的去除效率，并可保证图形晶圆表面图形无损伤。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中的一种清洗装置的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中的超声波能量选择性去除机构的立体结构图；

图3是本实用新型一实施例中的超声波能量选择性去除机构的剖视结构图；

图4是本实用新型一实施例中的一种清洗装置的外形结构侧视图；

图5是本实用新型一实施例中的一种清洗装置的外形结构俯视图；

图6是本实用新型一实施例中的一种清洗装置的外形结构仰视图；

图7是本实用新型一种清洗装置的清洗状态示意图。

图中1.上壳体，2.电缆接头，3.冷却气体进出口，4.清洗药液管路固定支架，5.螺栓孔，6.密封垫圈一，7.下壳体，8.安装预留孔，9.超声波能量选择性去除机构，10.石英棒阵列，11.壳体固定螺栓，12.支架固定螺栓，13.密封垫圈二，14.金属耦合层，15.压电材料，16.接线柱，17.保护圈，18.清洗药液，19.图形晶圆表面图形结构，20.晶圆衬底，21.传播方向与晶圆表面方向不垂直的超声波，22.传播方向与晶圆表面方向垂直的超声波。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本实用新型的实施方式时，为了清楚地表示本实用新型的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本实用新型的限定来加以理解。

在以下本实用新型的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本实用新型一实施例中的一种清洗装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型的一种清洗装置，用于对放置在清洗设备旋转平台上的图形晶圆进行超声波药液清洗。所述清洗装置包括一悬设于所述图形晶圆上方的中空壳体。作为一可选实施方式，所述壳体可以加工成整体结构或可拆卸的分体结构。在本实施例中，所述壳体采用二个可拆卸的上、下壳体1、7的组合结构。为了保证安装后的壳体密封性能，在上、下壳体1、7结合部之间还装有密封垫圈一6，可防止外部清洗药液进入壳体，并保证壳体内的密封环境。

请继续参阅图1。在所述壳体的中空内部设有一个超声波发生机构。超声波发生机构下方连接一超声波能量选择性去除机构9。作为一可选实施方式，所述超声波发生机构可选用基于压电材料15的超声波发生器。在本实施例中，所述超声波发生机构包括上下连接设置的压电材料15和金属耦合层14。所述金属耦合层14下端连接所述超声波能量选择性去除机构9。所述压电材料15、金属耦合层14可通过上壳体1顶部所设的电缆接头2与外部电源连接并形成回路。外部电源通过电缆接头2将电信号导入至压电材料15，并通过连接金属耦合层14的接线柱16形成回路。所述压电材料15通过接收电信号产生高速形变，形成超声振荡，从而产生超声波振荡能量，并向下方的金属耦合层14传导，金属耦合层14再将超声波振荡能量进一步传导至其下方的超声波能量选择性去除机构9。

作为一可选实施例，所述金属耦合层14可以是单一金属层，也可以采用由多种金属制成的复合金属层，例如由不同金属合金形成的多层叠层。所述金属耦合层14的厚度应为压电材料15所产生的超声波波长的整数倍加1/4波长。压电材料15、金属耦合层14之间可通过导电胶进行粘合。

请继续参阅图1。所述超声波能量选择性去除机构9安装在中空壳体1、7内的金属耦合层14下方，具体为安装在金属耦合层14下方的下壳体7内侧位置。所述超声波能量选择性去除机构9包括由多个垂直间隙设置的石英棒10构成的等高阵列。所述石英棒阵列10自所述下壳体7的开口下方垂直伸出，其下端低于下壳体7的下端面。作为一可选实施例，所述超声波能量选择性去除机构9还包括一石英保护圈17。所述保护圈17环绕所述石英棒阵列10间隙设置，其下端高于所述石英棒阵列10的下端，即使得所述石英棒阵列10的下端从所述保护圈17的下端露出。所述超声波能量选择性去除机构9的上半部分表面也设有一凹槽，用于容纳金属耦合层14的下端，并通过导电胶、或者低熔点合金、或者硬度较软的金或银等金属连接，并保证二者之间没有缝隙，以形成良好地连接，可顺利将超声波能量从金属耦合层14通过石英棒阵列10传导至晶圆表面的清洗药液中，实现晶圆表面沾污物的有效清洗。

请参阅图2和图3，图2是本实用新型一实施例中的超声波能量选择性去除机构9的立体结构图；图3是本实用新型一实施例中的超声波能量选择性去除机构9的剖视结构图。如图2和图3所示，作为一可选实施例，超声波能量选择性去除机构9的整体外形为圆形。其中，位于超声波能量选择性去除机构9下半部分外侧的是环状的石英保护圈17，在石英保护圈17的圆形凹槽内设有圆形的石英棒阵列10。石英棒阵列10与保护圈17内壁保持间隙，且其下端伸出保护圈17的下端面，可以保证清洗药液顺利进、出石英棒阵列10的内部间隙，以将脱离晶圆表面的沾污物带出清洗区域，实现清洗的目的。并且，在超声波能量选择性去除机构9的安装、调试、测试过程中，可以手持保护圈17，避免直接接触强度较弱的石英棒10，造成石英棒阵列10的损伤。超声波能量选择性去除机构9的上半部分表面也设有一凹槽，用于容纳金属耦合层14的下端，并通过导电胶、或者低熔点合金、或者硬度较软的金或银等金属连接，可形成稳定良好的安装面。作为一优选实施例，所述石英棒10可为实心的圆柱体。进一步地，所述石英棒10的直径为0.5～5mm，其高度不小于2mm。石英棒10与其下方的晶圆表面方向垂直，可根据超声波工作频率的不同进行相应配置。石英棒10的数量也可以根据实际需要和加工能力进行相应的配置。在制作超声波能量选择性去除机构9时，石英保护圈17可向超声波能量选择性去除机构9的上半部分整体延伸加工为一整体，然后，再在石英保护圈17的凹槽内安装石英棒阵列10。也可以采用公知的其他石英加工技术来制作符合本实用新型结构特征的整个超声波能量选择性去除机构9。

请再参阅图1。将超声波能量选择性去除机构9装入下壳体7后，可在其与下壳体7之间的配合面加装密封垫圈二13，以保持壳体内部良好的密封性能。

请参阅图4～图6，其显示本实用新型一实施例中的一种清洗装置的外形结构侧视、俯视及仰视图，并请同时结合参阅图1。在上壳体1的顶部可设有一个或多个将清洗装置与摆臂(图略)紧密固定的螺栓孔5，可进一步通过固定螺栓将清洗装置与摆臂进行连接，以实现摆臂带动清洗装置在晶圆表面往复圆弧运动进行超声波移动清洗，实现晶圆表面超声波能量的均匀覆盖。外部电源可通过上壳体1顶部的电缆接头2将电信号导入至压电材料。

请继续参阅图4～图6并结合参阅图1。在所述壳体侧部设有位置及数量可调的清洗药液管路，用于向下方的图形晶圆喷淋清洗药液。作为一可选实施例，可在下壳体7侧部加工需求数量及对应位置的安装预留孔8，并通过支架固定螺栓12将清洗药液管路固定支架4固定在下壳体7上，从而通过固定支架4将清洗药液管路与清洗装置配合安装。在使用中根据实际情况可以随时调整清洗药液管路的固定位置，以满足各种工艺要求，使得操作更便捷。

请继续参阅图4～图6并结合参阅图1。在上壳体1设有冷却气体进出口3，可通过冷却气体进口向上、下壳体1、7的中空内部通入冷却气体，并通过冷却气体出口排出完成热量交换后的冷却气体，以对所述超声波发生机构的压电材料15和金属耦合层14进行均匀地冷却。

请继续参阅图6。上壳体1与下壳体7之间通过壳体固定螺栓11进行连接，并通过密封垫圈一6和密封垫圈二13来保证壳体1、7内部通入的冷却气体不会泄露，以保证装置中压电材料15和金属耦合层14的冷却效果。作为一优选实施例，被石英圈9围绕的石英棒阵列10可以形成由石英棒组成的一系列同心圆形式，以保证其传导超声波能量的均匀性。

本实用新型清洗装置的工作原理可通过图7来进一步说明。如图7所示，当图1中的压电材料15接收到电信号以后，产生高速形变，形成超声波振荡；超声波能量通过金属耦合层14向下传导至超声波能量选择性去除机构9的石英保护圈上，并进一步向下传播至石英棒阵列10上。超声波能量在石英棒阵列10内部传播时，传播方向与晶圆表面方向垂直的超声波22能量可以顺利到达晶圆衬底20表面的清洗药液18层内，带动清洗药液18振荡，实现去除图形晶圆表面图形结构19中沾污物的目的。而传播方向与晶圆表面方向不垂直的超声波21能量会在石英棒阵列10的侧壁上发生折射和反射，在这个过程中，一部分能量被消耗以热能或其它形式释放。经过在石英棒阵列10的侧壁上的多次折射和反射后，传播方向与晶圆表面方向不垂直的超声波21能量逐渐被耗尽，实现只保留传播方向与晶圆表面方向垂直的超声波22能量的目的。因此，从超声波发生机构的压电材料15传导出的超声波能量，经石英棒阵列10的选择性去除后，通过没入图形晶圆20、19上的清洗药液18中的石英棒阵列10的下端，即可垂直传导至图形晶圆表面，从而在摆臂的带动下可进行超声波移动清洗。

在使用本实用新型的清洗装置，对清洗设备旋转平台上的图形晶圆进行超声波药液清洗时，首先，通过电缆接头2并使用同轴电缆将超声波信号发生器、功率放大器、阻抗匹配器(图略)与清洗装置壳体1、7内的超声波发生机构(压电材料15和金属耦合层14)进行连接形成回路。

然后，设定超声波工作频率和功率，设定摆臂摆动轨迹，设定清洗药液流量、温度，确定清洗药液管路位置，设定清洗时间、冷却气流量，以及该清洗装置(石英棒阵列10下端)与晶圆之间的间隙等参数，以实现超声波能量在晶圆表面的均匀覆盖。

接着，运行清洗菜单。压电材料15接收到电信号以后，发生高频伸缩形变，形成超声波振荡。该振荡能量向下经由金属耦合层14传导至超声波能量选择性去除机构9上，并进一步通过石英棒阵列10下端向清洗药液18中传导。

在超声波能量的传导过程中，超声波能量经由石英棒阵列10传播以后，只保留了传播方向与晶圆表面方向垂直的超声波22能量，并进一步向下传导至清洗药液18层内。此时，在清洗药液18中只存在传播方向与晶圆衬底20表面垂直，也即与图形晶圆表面图形结构19纵向方向平行的振动能量。该能量带动清洗药液振动，加快晶圆表面图形之间的沾污物脱离晶圆表面以及向外质量传递的过程，提高晶圆表面沾污物的去除效率，缩短清洗工艺时间。同时，经过石英棒阵列10的传播以后，传播方向与晶圆表面方向不垂直的超声波21能量被去除。因此，在清洗药液层内不存在对于图形晶圆表面图形结构19的横向剪切力，可有效地保护晶圆衬底20表面的图形结构19，从而实现对图形晶圆的无损伤清洗。

综上所述，本实用新型通过在清洗装置的中空壳体内设置基于压电材料15的超声波发生机构产生超声振荡，并通过超声波发生机构下方连接的没入晶圆上清洗药液中的垂直石英棒阵列10，将传播方向与晶圆表面不垂直的超声波能量进行选择性去除，使超声波能量垂直传导至晶圆，保证了在超声波清洗过程中，超声波的能量不会造成图形晶圆表面图形的损伤，从而实现对图形晶圆的无损伤超声波移动清洗。相比仅采用喷嘴将清洗药液喷洒在晶圆表面上或采用传统超声波辅助清洗的清洗方式，采用本实用新型的清洗装置进行超声波辅助清洗，可有效提高晶圆表面污染物的去除效率，并可保证图形晶圆表面图形无损伤。

以上所述的仅为本实用新型的优选实施例，所述实施例并非用以限制本实用新型的专利保护范围，因此凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种清洗装置，用于对放置在清洗设备旋转平台上的图形晶圆进行超声波药液清洗，其特征在于，所述清洗装置包括一悬设于所述图形晶圆上方的中空壳体，所述壳体的中空内部设有超声波发生机构，所述超声波发生机构下方连接一超声波能量选择性去除机构，所述超声波能量选择性去除机构包括由多个垂直间隙设置的石英棒构成的等高阵列，所述石英棒阵列自所述壳体下方伸出；从所述超声波发生机构传导出的超声波能量经所述石英棒阵列的选择性去除后，通过没入图形晶圆上的清洗药液中的所述石英棒阵列的下端垂直传导至图形晶圆表面，以进行超声波移动清洗。

2.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述超声波发生机构包括上下连接设置的压电材料和金属耦合层，所述金属耦合层下端连接所述超声波能量选择性去除机构，所述压电材料、金属耦合层通过所述壳体所设电缆接头与外部电源连接并形成回路，所述压电材料通过接收电信号产生高速形变，形成超声振荡，并依次传导至其下方的所述金属耦合层、石英棒阵列。

3.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述压电材料和金属耦合层通过导电胶连接。

4.根据权利要求2或3所述的清洗装置，其特征在于，所述金属耦合层为单一金属层或复合金属层。

5.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述超声波能量选择性去除机构包括一石英保护圈，所述保护圈环绕所述石英棒阵列间隙设置，其下端高于所述石英棒阵列的下端；所述超声波能量选择性去除机构上端与所述超声波发生机构下端通过导电胶、或者低熔点合金、或者金或银连接。

6.根据权利要求1、2或5所述的清洗装置，其特征在于，所述石英棒为实心圆柱体。

7.根据权利要求6所述的清洗装置，其特征在于，所述石英棒的直径为0.5～5mm，高度不小于2mm。

8.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述壳体连接摆臂，所述摆臂带动所述清洗装置对图形晶圆进行超声波移动清洗。

9.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述壳体侧部设有位置及数量可调的清洗药液管路，用于向下方的图形晶圆喷淋清洗药液。

10.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述壳体设有冷却气体进出口，用于向其中空内部通入冷却气体，对所述超声波发生机构冷却。