晶圆清洗装置的制作方法

本实用新型涉及半导体清洗设备技术领域，具体涉及一种晶圆清洗装置。

背景技术：

在集成电路制程中，晶圆清洗技术及洁净度是影响晶圆制程良率、品质以及可靠度最重要的因素之一。据统计，在标准的集成电路制造工艺中，仅涉及晶圆清洗和表面预处理的工艺步骤便有几百步之多，可以说晶圆清洗的好坏直接制约了集成电路加工的水平。

但是，对一些表面具有图案的晶圆来说，其清洗效果并不理想，无法有效去除晶圆上的污染物，如微尘粒(particle)等杂质，甚至在清洗后还会扩大杂质的分布范围，增加清洗难度，故而，目前的晶圆清洗技术较大降低了半导体芯片的良率。

因此，有必要设计一种能够有效清理表面带有图案的晶圆的清洗装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种晶圆清洗装置，以解决一种因晶圆清洗效果差而导致产品良率低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种晶圆清洗装置，包括中空的吸头，所述吸头至少具有用于向晶圆表面喷射清洗剂的注液腔、以及用于吸走晶圆表面周围气体的抽气腔，所述抽气腔设置在所述注液腔的外侧。

可选的，所述抽气腔周向围绕所述注液腔设置。

可选的，所述晶圆清洗装置还包括用于向所述晶圆表面喷射气体的充气腔，所述充气腔设置在所述抽气腔远离所述注液腔的一侧，且所述充气腔周向围绕所述抽气腔设置。

可选的，所述充气腔、抽气腔和注液腔同心布置。

可选的，所述晶圆清洗装置还包括与所述吸头连接的第一驱动单元，所述第一驱动单元用于驱动所述吸头沿着所述晶圆上图案的走向移动。

可选的，所述注液腔中设置有用于产生沿着所述清洗剂的喷射方向振动的振动发生单元；一个所述振动发生单元与所述注液腔同轴布置，或者多个所述振动发生单元对称设置在所述注液腔中。

可选的，所述吸头包括注液管道、抽气管道和充气管道；所述注液管道的内腔形成所述注液腔；所述注液管道插入于所述抽气管道中并与所述抽气管道之间存在第一空隙，所述第一空隙形成所述抽气腔；所述抽气管道插入于所述充气管道中并与所述充气管道之间存在第二空隙，所述第二空隙形成所述充气腔。

可选的，所述吸头还包括端盖，所述注液管道、抽气管道和充气管道的一端与所述端盖固定；所述端盖上设置有充气通孔、抽气通孔和注液通孔，所述充气通孔与所述充气腔连通，所述抽气通孔与所述抽气腔连通，所述注液通孔与所述注液腔连通；所述充气通孔和抽气通孔的数量分别为多个，多个所述充气通孔和多个所述抽气通孔均周向均匀布置。

可选的，每个所述充气通孔连接一根气体输送管路，所述气体输送管路同时连接一根第一总管，每个所述抽气通孔连接一根抽气管路，所述抽气管路同时连接一根第二总管，所述注液通孔连接一根第三总管。

可选的，所述晶圆清洗装置还包括第一驱动单元、第二驱动单元、检测单元、控制单元以及加热单元；所述第一驱动单元连接所述吸头，所述第二驱动单元连接所述晶圆，所述第一驱动单元用于驱动所述吸头沿平行于晶圆表面的方向移动，所述第二驱动单元用于驱动所述晶圆沿平行于晶圆表面的方向移动；所述检测单元通讯连接所述控制单元，所述检测单元用于获取杂质在晶圆上分布的位置信息并发送至所述控制单元，所述控制单元用于确定清洗路径；所述加热单元设置于所述注液腔内，所述加热单元用于加热所述清洗剂。

可选的，所述吸头和所述晶圆的移动方向垂直。

综上所述，本实用新型的晶圆清洗装置中，利用吸头上的抽气腔吸走晶圆表面周围的气体，以在晶圆和吸头之间形成负压，从而在落入晶圆上的清洗剂周围形成负压区，如此一来，通过负压可以及时吸走嵌入以及未嵌入晶圆上相邻图案间的杂质，而且使得图案上的杂质被负压及时吸走后不会落到相邻图案中而卡住，特别地，负压吸附还不会造成图案在平行于晶圆表面方向的刮伤。因此，本实用新型的晶圆清洗装置的晶圆清洗效果好，不会对晶圆造成损伤，确保了晶圆的良率。

特别地，本实用新型的晶圆清洗装置中，利用吸头上的充气腔向晶圆表面喷射气体，以在负压区外围形成高压区，阻断了未被负压吸附的清洗剂进一步溢出，由此避免了溢出的清洗剂引起杂质的扩散问题。

更特别地，清洗时，本实用新型的吸头在第一驱动单元的驱动下沿晶圆上图案的走向移动，降低了杂质嵌入晶圆上相邻图案间的风险，由此也降低了清洗难度，而且不容易使杂质被打散而成发射状分布，另不会造成清洗剂流速过大对图案的损坏。

此外，本实用新型的晶圆清洗装置中，在吸头的注液腔中设置有振动发生单元，利用振动发生单元所产生的振动来破坏杂质，使杂质分化于清洗剂中，杂质的清理效果和清理效果更好。

附图说明

图1是一种用于晶圆清洗的装置设置于晶圆上方实施清洗的结构示意图；

图2a是一种晶圆之相邻图案间嵌入有杂质的剖视图；

图2b是一种晶圆上杂质被清洗液冲刷至相邻图案间的剖视图；

图2c是一种晶圆之相邻图案间嵌入有杂质，以及图案被部分损坏的剖视图；

图2d是一种晶圆上杂质在被清洗之前的微观分布图；

图2e是图2d所示的杂质在被清洗之后的微观分布图；

图2f是一种晶圆上杂质呈大颗粒状并未嵌入于相邻图案的微观显示图；

图2g是图2f所示的杂质在晶圆的自转力以及清洗液的冲刷力作用下被打散成小颗粒的微观显示图；

图3是本实用新型一实施例提供的晶圆清洗装置设置于待清洗的晶圆上方实施清洗的立体示意图；

图4是图3所示的晶圆清洗装置于晶圆上方实施清洗的正视图，其中晶圆清洗装置的吸头以剖视结构示出；

图5是图3所示的晶圆清洗装置的立体示意图；

图6是图5所示的晶圆清洗装置的仰视图，其中省略了振动发生单元；

图7a是本实用新型一实施例的杂质嵌入在晶圆上相邻图案之间被晶圆清洗装置垂直吸附的示意图；

图7b是本实用新型一实施例的杂质未嵌入在晶圆上相邻图案之间时被晶圆清洗装置垂直吸附的示意图；

图7c是本实用新型一实施例的杂质嵌入在晶圆上相邻图案之间被晶圆清洗装置垂直吸附且未损坏图案的示意图；

图7d是本实用新型较佳实施例的晶圆清洗装置清理晶圆上杂质的原理图。

其中，附图标记说明如下：

1-喷头；3-清洗液；10-晶圆清洗装置；11-吸头；12-注液管道；13-抽气管道；14-清洗剂；15-振动发生单元；16-充气管道；17-端盖；121-注液腔，131-抽气腔；161-充气腔；171-充气通孔；172-抽气通孔；173-注液通孔；174-气体输送管路；175-第一总管；176-抽气管路；177-第二总管；178-第三总管；2、20-晶圆；21、221-图案；4、30-杂质；X-吸头的移动方向；Y-晶圆的移动方向。

具体实施方式

参考图1，一种用于晶圆清洗的装置具有一个喷头1，清洗时，所述喷头1设置于待清洗的晶圆2的上方，且所述晶圆2自转时，所述喷头1沿着过晶圆2的中心轴线的圆弧来回摆动，在摆动的过程中，所述喷头1喷出清洗液3以冲刷晶圆2表面而将杂质冲刷带走。

申请人研究发现，图1所示的装置在清洗表面设有图案21的晶圆2时，如图2a所示，一方面，由于晶圆2上的杂质4会嵌入在相邻图案21之间，致使其难以被清洗液3冲刷带走，特别地，所述清洗液3在晶圆2上的流动方向通常不是沿着图案21的走向设置，如此更增加了冲刷的难度。另一方面，如图2b所示，所述晶圆2上的杂质4容易被清洗液3冲刷至相邻图案21之间，从而导致与图2a所示同样的问题。

此外，申请人还研究发现，图1的装置在清洗过程中，当所述晶圆2的自转速度过快或清洗液3的流速过大，还会对图案21造成破坏，例如图2c所示，所述图案21的一部分被损坏。更重要的是，清洗中的杂质4在晶圆2的自转以及喷头1的摆动作用下，易从图2d所示的集中分布转变成图2e所示的旋转型发散状分布，具体地，也就是杂质4的体积状态发生了变化，其由图2f中虚线圈出的一颗大体积被打散成图2g中虚线圈出的小体积，这样一来，一方面扩大了杂质的分布区域，令清洗工作量增加，同时提升了晶圆被损坏的机率，另一方面小体积的杂质更容易嵌入于相邻图案之间而难以被有效清除。

基于上述装置存在的技术问题，本实用新型提出了一种晶圆清洗装置，可以降低杂质对晶圆上图案的破坏，而且在清洗时几乎不会造成杂质在晶圆表面上的位移，另不会使杂质形成旋转型发射状分布，特别地还可以清理嵌入在相邻图案之间的杂质。

以下结合附图3至附图7d，以及具体实施例对本实用新型提出的晶圆清洗装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如在说明书以及权利要求书中，所述“内侧”指的是靠近对应腔体的中心轴线的一侧，所述“外侧”指的是远离对应腔体的中心轴线的一侧。此外，所述“高压区”的气体压力大于所述“负压区”的气体压力。

首先，图3是本实用新型一实施例的晶圆清洗装置10设置于晶圆20上方实施清洗的立体示意图，图4是图3所示的晶圆清洗装置10于晶圆20上方实施清洗的正视图，为了便于理解，图4的晶圆清洗装置10的吸头11以剖视结构示出，图5是图3所示的晶圆清洗装置10的立体示意图，图6是图5所示的晶圆清洗装置的仰视图，其中省略了振动发生单元15。

参阅图3至图6，所述晶圆清洗装置10包括一个中空的吸头11，所述吸头11至少具有注液腔121和抽气腔131，所述抽气腔131设置在注液腔121的外侧。可选的，所述抽气腔131设置在注液腔121的外侧并周向围绕注液腔121设置，即抽气腔131环状包覆注液腔121。

在一个实施例中，所述吸头11包括注液管道12和抽气管道13，所述注液管道12的内腔构成所述注液腔121，所述注液管道12插入于抽气管道13中，且所述注液管道12和抽气管道13之间留有第一空隙，该第一空隙便构成环状的抽气腔131。

可选的，所述吸头11通过所述注液腔121向晶圆20的表面喷射清洗剂14，所述清洗剂14不限于水。所述吸头11通过所述抽气腔131吸走晶圆表面周围的气体，从而在吸头11与晶圆20之间形成负压(低于常压)，以利用负压吸附晶圆表面上的杂质30，进而被吸附的杂质30由抽气腔131排走。本文中，垂直于晶圆表面的方向即为吸附方向，而吸附方向在本实施例中垂直于水平面。

接着，进一步结合图7a至图7d详细描述本实用新型的清洗效果：

如图7a所示，当杂质30嵌入在晶圆上相邻图案221之间时，该杂质30依箭头所示方向在吸附力的作用下被垂直吸附带走；

如图7b所示，当杂质30在图案221上时，依然朝箭头所指示的方向在吸附力的作用下被垂直吸附而脱离晶圆，令杂质30无法被清洗剂14冲刷至相邻图案221之间而导致卡住，造成难以清洗的问题；

如图7c所示，利用垂直吸附的方式带走杂质30，使得杂质30在平行于晶圆表面的方向上几乎不会产生任何位移，因而，清洗之后，本实施例的杂质30不易形成旋转型发射状分布，且不会造成图案221在水平方向上的损伤。需要说明的是，如图7d所示，由于负压形成于清洗剂的外围，故而负压还可吸附进入负压区的清洗剂，避免清洗剂进一步扩散而引起杂质移位。图7d中，所述注液腔121中的箭头指示的是清洗剂14的流动方向，抽气腔131中箭头指示的是抽吸气体的方向，而充气腔161中箭头指示的是气体的流动方向。

一个实施例中，在实施清洗时，所述晶圆20做平行于水平面的自转运动，以及所述吸头11做垂直于水平面的摆动运动(在摆动过程中，通过喷射清洗剂14以及抽吸晶圆表面周围的气体清洗晶圆)，此时，一方面通过晶圆自转产生的离心力使杂质30更容易脱离晶圆，另一方面晶圆自转配合吸头11的摆动来实现晶圆20的全方位清洗。

然而，晶圆自转以及吸头的摆动容易引起图案221的损坏或杂质易形成旋转型发射状分布，基于此，与图1所示一种晶圆清洗装置所不同的是，在清洗过程中，本实施例的吸头11以及晶圆20中，至少一个相对另一个做平行于水平面方向的移动，即以移动方式代替晶圆20的自转以及吸头11的摆动，这样可以防止因自转以及摆动所引起的图案损坏或杂质的分散。优选地，所述吸头11在第一驱动单元的驱动下一边移动一边清洗，如此清洗效率高。当然，在吸头11移动时，所述晶圆20也可相应移动。同理，所述吸头11移动过程中，通过喷射清洗剂14以及时吸走晶圆表面周围的气体。具体地，所述吸头11连接第一驱动单元，所述第一驱动单元驱动吸头11沿着平行于晶圆表面的方向移动，而所述晶圆20连接第二驱动单元，所述第二驱动单元驱动晶圆20沿着平行于晶圆表面的方向移动。

在一个实施例中，清洗时，所述吸头11设置于晶圆20的正上方且保持固定不动，而所述晶圆20做平行于水平面方向的直线移动。在另一个实施例中，所述吸头11设置于晶圆20的正上方，而所述晶圆20保持固定不动，但所述吸头11做平行于水平面方向的直线移动。在其他实施例中，所述吸头11设置于晶圆20的正上方，且所述吸头11和晶圆20均可做沿平行于水平面方向的直线移动，但两者的移动方向垂直，例如所述晶圆20沿平行于水平面的X方向移动，而所述吸头11沿平行于水平面的Y方向移动，X方向垂直于Y方向。

为了便于叙述，以下描述中以晶圆20和吸头11中至少一个在平行于水平面的方向上做移动为优选例子，来更进一步说明本实用新型的晶圆清洗装置。

本实施例中，由于杂质30在晶圆20上存在一定的粘附力，为了使杂质30更顺利地脱离晶圆表面，除利用清洗剂14冲刷杂质以外，如图5所示，本实施例的晶圆清洗装置10还包括振动发生单元15，所述振动发生单元15设置于注液腔121中并用于产生沿着清洗剂14喷射方向的上下振动。显然，当所述注液腔121中存在向下流动的清洗剂14时，在振动发生单元15的作用下，将使清洗剂14在晶圆表面形成一个振动的水珠，该水珠将振动进一步传递给杂质30，使得杂质30同样产生上下振动，从而克服粘附力而脱离晶圆表面。

所述振动发生单元15优选为高频振动器，振动频率更优选在60KHZ～120KHZ。由于清洗剂14的水珠在振动过程中，会产生气泡，当气泡的声压或者声强受到压力到达一定程度时，气泡便迅速膨胀，然后又突然闭合，这种压力能破坏杂质30而使杂质30分化于清洗剂14中，再被抽气管道13带走。所述高频振动器类似于一根圆柱形的探针，该探针的直径优选为20mm～40mm。

在一个实施例中(此方案未图示)，所述高频振动器的数量为一个，与注液管道12同轴布置(当注液腔与注液管道同心时，即与注液腔同心布置)，此时，所述注液管道12的内壁距离探针式的高频振动器的外壁的垂直直线距离优选为60mm～80mm。在其他实施例中，如图4所示，所述高频振动器的数量为两个，对称设置在注液管道12中。

在一个较佳方案中，所述吸头11的移动方向与晶圆20之图案221的走向相同，所述图案221的走向不限于Y方向或X方向，如此一来，使得吸头11喷出的清洗剂14的流动方向沿着图案221的走向流动，可以提升嵌入在相邻图案221之间的杂质的去除效率，还可以降低杂质对图案的破坏。

在另一个较佳方案中，所述吸头11还具有设置在抽气腔131远离注液腔121一侧的充气腔161，可选的，所述充气腔161周向围绕抽气腔131设置，即充气腔161环状包覆抽气腔131。更可选的，所述抽气管道13插入于一根充气管道16中，所述充气管道16与抽气管道13之间留有第二空隙，此第二空隙构成一个环状的充气腔161，所述吸头11通过充气腔161向晶圆表面喷射气体，以在喷射的清洗剂14外围形成一道由气体组成的隔离气帘(隔离气帘如图7d的弧形箭头所示，隔离气帘设置在负压区的外围)，这样可以更进一步防止未被负压吸附的清洗剂14往外侧溢出而影响杂质30的移动。所述充气腔161、抽气腔131和注液腔121优选同心布置。

进而，在上述实施例中，所述注液管道12的壁厚、抽气管道13的壁厚以及充气管道16的壁厚，均优选为5mm～8mm。所述抽气管道13的内壁相对注液管道12的外壁的垂直直线距离优选为30mm～40mm。所述充气管道16的内壁相对于抽气管道13的外壁的垂直直线距离优选为10mm～20mm。

进一步，所述清洗剂14的流速优选在30sccm～50sccm之间，以防止流速过快破坏图案221。更进一步，所述充气管道16内气体的喷射速度优选在600sccm～800sccm之间，以避免喷射压力过高损坏晶圆。

此外，所述吸头11的移动速度优选在5mm/s～10mm/s之间，以克服因移动速度过快而造成清洗剂14扩散的问题。

另外，本实施例的晶圆清洗装置10还包括一个端盖17(更清楚显示于图5和图6)，每个管道远离晶圆20的一端与端盖14的下表面固定，且所述端盖17具有贯穿其上下表面的通孔，分别是充气通孔171、抽气通孔172和注液通孔173，所述充气通孔171与充气腔161连通，所述抽气通孔172与抽气腔131连通，所述注液通孔173与注液腔121连通。所述注液管道12、抽气管道13、充气管道16与端盖17一体成型。

其中，所述充气通孔171连接气体输送管路174，以通过气体输送管路174将气体引入充气腔161。所述充气通孔171的数量优选为多个并优选周向均匀布置，每个充气通孔171均连接一根气体输送管路174，所有的气体输送管路174同时连接一根第一总管175，由第一总管175输入外部的高压气源。通过多个充气通孔171同时向充气腔161注入气体，既有利于快速充气，又利于气体均匀分布在清洗剂14的外围。在本实施例中，所述充气通孔171的数量包括但不限于6个。

所述抽气通孔172连接抽气管路176，所述抽气管路176又连接一抽气泵(未图示)，所述抽气泵的抽气速率优选为250～500sccm。所述抽气通孔172的数量优选为多个并优选周向均匀布置，每个抽气通孔172均连接一根抽气管路176，所有的抽气管路176同时连接一根第二总管177，该第二总管177又连接所述抽气泵，同样的道理，多个抽气通孔172的设置不仅有利于快速抽气，而且有利于抽吸力分布均匀。在本实施例中，所述抽气通孔172的数量包括但不限于6个。

所述注液通孔173连接一根第三总管178，该第三总管178用于与外部供液装置连接，以将清洗剂14引入注液腔121。

在一个优选的方案中，所述晶圆清洗装置10还包括检测单元和控制单元(未图示)，所述控制单元与检测单元通讯连接，所述检测单元用于获取杂质30在晶圆20上分布的位置信息，并进一步将该位置信息发送给控制单元，所述控制单元根据杂质30的分布情况，确定最佳的清洗路径，并还可以确定是否选择整片清洗还是局部清洗。所述检测单元例如是光学检测仪。所述控制单元可采用现有的PLC等控制器，本领域技术人在本申请公开的内容基础上，应当知晓如何实现控制单元与检测单元的通讯连接。

可选的，所述晶圆清洗装置10还包括加热单元，设置于注液腔121内，用于加热清洗剂14，以令清洗剂14将携带的热量传递至杂质30，从而使杂质30在热应力的影响下分化于清洗剂中。所述加热单元例如是电磁加热器。

此外，所述吸头11固设在一支撑臂上，所述第一驱动单元通过该支撑臂驱动吸头11移动。所述第一驱动单元包括滑块、丝杆和电机，所述电机连接丝杆，所述滑块以可滑动方式设置在丝杆上，而所述支撑臂设置在滑块上。可选的，所述滑块与直线导轨相配合以使滑块沿着直线导轨的凹槽方向移动。类似地，所述晶圆20放置在一承载台上，所述第二驱动单元驱动所述承载台做水平方向的移动。

本实用新型较佳实施例如上所述，但并不局限于上述实施例所公开的范围，如吸头的结构不限于两层或三层套接的方式，也可以是吸头为一个中空的管子，且在该管子的管壁上设置有环形的贯通槽，该贯通槽直接形成抽气腔或充气腔。

综上所述，本实用新型的晶圆清洗装置中，利用吸头上的抽气腔吸走晶圆表面周围的气体，以在晶圆和吸头之间形成负压，从而在落入晶圆上的清洗剂周围形成负压区，如此一来，通过负压可以及时吸走嵌入以及未嵌入晶圆上相邻图案间的杂质，而且使得图案上的杂质被负压及时吸走后不会落到相邻图案中而卡住，特别地，负压吸附还不会造成图案在平行于晶圆表面方向的刮伤。因此，本实用新型的晶圆清洗装置的清洗效果好，不会对晶圆造成损伤，确保了晶圆的良率。

特别地，本实用新型的晶圆清洗装置中，利用吸头上的充气腔向晶圆表面喷射气体，以在负压区外围形成高压区，阻断了未被负压吸附的清洗剂进一步溢出，由此避免了溢出的清洗剂引起杂质的扩散问题。更特别地，本实用新型的吸头的移动方向与晶圆上图案的走向一致，降低了杂质嵌入晶圆上相邻图案中的风险，由此也降低了清洗难度，而且不容易使杂质被打散而成发射状分布，另不会造成清洗剂流速过大对图案的损坏。

此外，本实用新型的晶圆清洗装置中，在吸头的注液腔中设置有振动发生单元，利用振动发生单元所产生的振动来破坏杂质，使杂质分化于清洗剂中，杂质的清理效果和清理效果更好。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。