评价晶片清洗效率的实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种实验设备，具体的说是一种评价晶片清洗效率的实验装置。

背景技术：

随着半导体器件关键尺寸持续缩进，多数在前一技术节点不被重视的问题随即放大，其中包括小尺寸缺陷。“1/10定律”指出，最小线宽尺寸1/10以上的缺陷很大程度会引起器件的失效，因而缺陷的去除对提高半导体器件制造的良率尤为重要。

湿法清洗是半导体器件制造工艺中的重要环节，其所使用的清洗液是减少缺陷的主要功能材料，其中可被去除的缺陷包括但不限于颗粒，有机物残留，金属残留等，这得益于清洗液对晶圆表面的轻微刻蚀及对上述污染物附着力的削弱。

常规的清洗液配方研究中，一般使用在制造机台进行上机实验，但高成本的晶圆和大量使用的清洗液制约了该方法的灵活性，压缩了研究者的实验空间。一般的研究方法是在实验室中以静置浸泡的方法进行清洗液能力的研究，同时结合光学显微镜对小尺寸晶片进行缺陷数的统计。尽管该方法是筛选清洗液的一种最普遍的手段，但一方面其忽略了晶圆实际清洗过程中物理作用的影响，包括在酸槽式机台中液体的冲力，单片清洗机中自旋而提供的离心力，以及用自旋方式干燥的过程；另一方面，统计所用的光学显微镜方法的分辨率不佳，不能区分出更小尺寸的缺陷，更注重对缺陷平面尺寸上的观察分析，而忽略纵向维度与缺陷之间的关系造成误判，因而该方法会过多地引入系统误差和人为误差，对清洗液配方研究的指导意义不大。

另外，实验中的样品通常是小尺寸的晶片，约为正常晶片的十分之一大小，为了更好的进行实验，也需要配套使用相应的实验设备，不能仅仅将相关机台等设备同等比例缩小使用，如何设计一种适用于实验室的、适用于小尺寸的晶片的实验设备也是本领域技术人员需要研究的方向。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、易于制造、便于拆卸、实验条件可调的用于评价晶片清洗效率的实验装置。

本实用新型实验装置，包括

支架，设置在所述支架上的真空吸附晶片样品并带动晶片样品旋转的真空旋转装置，以及设置在所述支架上的将粘染物溶液或清洗液注射至晶片样品表面的注射装置。

所述真空旋转装置包括表面开有真空槽的真空吸盘、控制旋转电机带动真空吸盘转动的旋转控制器、以及经真空气管与真空槽底部连通的真空泵。

所述真空吸盘位于屏蔽罩中，所述屏蔽罩顶面设有玻璃罩。

所述注射装置包括位于真空吸盘上方的注射器以及带动注射器的活塞杆运动的加压推动装置,所述注射器的针头为非金属材料。

所述加压推动装置为连接有步进控制器的丝杆式步进电机或伸缩式气缸。

一种使用上述的评价晶片清洗效率的实验装置评价晶片清洗效率的方法，包括以下步骤：

(1)将粘染物溶液滴入旋转中的晶片样品表面进行沾染实验，获得表面带有缺陷的沾染晶片样品；

(2)使用形貌表征仪器对沾染晶片样品表面进行形貌分析，获得该沾染晶片样品表面的清洗前缺陷数；

(3)将清洗液滴入旋转中的沾染晶片样品表面进行清洗实验，得到清洗晶片样品；

(4)使用形貌表征仪器对清洗晶片样品再次进行形貌分析，获得该沾染晶片样品表面的清洗后缺陷数；

(5)通过以下公式(a)进行清洗效率的计算:

所述步骤(1)中的沾染实验和步骤(3)中的清洗实验中使用的是所述的实验装置，在步骤(1)的沾染实验中所述注射器内装有沾染物溶液，在步骤(3)的清洗实验中直接更换对应装有清洗液的注射器。

步骤(1)的沾染实验和步骤(3)中的清洗实验中，控制粘染物溶液或清洗液的滴落速度为15～45ml/min，控制晶片样品或沾染晶片样品进行两段式旋转，先进行预旋转：控制转速为500～800rpm，时间为60～90s；再切换成高速旋转，转速为1000～2000rpm，时间为100～180s。

所述步骤(2)和步骤(4)中缺陷的判定方法为：通过形貌表征仪器对晶片样品表面的凸起进行测量，若凸起的纵向高度阈值大于2nm，则该凸起被记为缺陷，以此类推，计算该晶片样品上的缺陷总数即为缺陷数。

实验装置还可包括与支架、真空旋转装置、注射装置在内的清洗装置联用的用于分析清洗前后样品缺陷情况的分析装置，优选地，所述分析装置包括形貌表征仪器，所述形貌表征仪器为原子力显微镜或白光干涉仪，这两种仪器均可对样品进行形貌表征，通过拍摄或扫描形成3d图案，测量样品表面凸起的纵向高度阈值，其使用方法为现有技术，本领域技术人员可参见设备使用说明和相关文件资料。

所述沾染物可以为硅纳米颗粒水性溶胶、絮状金属络合物分散溶液或有机分子水性溶液等；所述晶片可以为硅片、镀铜膜硅片或硅氧化物薄膜硅片等。

针对背景技术中存在的问题，发明人对现有的实验方法进行改进，为了尽可能模拟清洗液的使用状态，发明人先对晶片样品表面进行沾染实验，以人为制造出缺陷，然后再对晶片样品表面进行清洗实验，通过检测清洗前后缺陷数的变化，代入公式后可以计算得到该清洗液的清洗效率。在沾染实验和清洗实验中，不再以浸泡作为实验手段，而是通在滴注的方法将溶液加入到旋转的晶片样品表面，有效模拟出真实晶片样品的作业环境，减少实验方法带来的误差问题；进一步的，发明人发现，经沾染实验后，晶片样品表面附着的颗粒物(形成凸起)是影响晶片发挥功能作用、造成缺陷的主因，如硅氧化物颗粒，金属络合物絮状残留物，有机物团簇等，这些颗粒物(又称凸起)通常具有一定的纵向高度阈值，不便于用平面尺寸进行定义(如直径或周长等)，因此发明改变了缺陷的判定标准，通过形貌表征仪器对晶体表面进行纵向高度阈值的测量，从而获得多个凸起的纵向高度，结合本领域晶片的粗糙度要求，设定若凸起的纵向高度大于2nm，则该凸起被记为缺陷，以此类推，可计算得到该晶片样品上的缺陷总数即为缺陷数，清洗前和清洗后缺陷的判定方法是相同的。上述实验方法从实际工程应用中导致晶片表面产生缺陷的物质特点出发，从根本上降低了误差的可能，对清洗液的研发具有重大的指导意义。

进一步的，还可以对判定为缺陷的凸起的纵向高度阈值进行高低分级，分别获得清洗前后晶片样品中的各级别的缺陷数，并对应分别代入公式(1)中进行计算，可以进一步分析得到晶片样品表面各级别缺陷在清洗前后的缺陷改善状态。

所述沾染实验和清洗实验中，采用两段式旋转，先进行低速预旋转将滴入的液体均匀铺展在晶体样品表面，起到一定的浸润作用，随即切换至高速旋转状态，将液体快速地在晶体样品表面延展形成厚度均匀的薄膜，并将过量的液体从样品表面通过离心力驱离。

本实用新型实验装置结构简极为简单，针对样品是小尺寸晶片的特点，一方面采用注射器代替喷嘴，利用加压推动装置带动注射器的活塞杆运动，可形成滴注或喷射水流，可灵活调节流速，解决了喷嘴无法适用于实验状态的问题；所述加压推动装置并不限定为何种形式，如丝杆式步进电机或伸缩式气缸或者是其它结构形式，可带动活塞杆向下运动即可，通过对应推动控制器控制活塞杆的运动速度；另一方面，本实用新型方法中涉及两次滴注过程，一次为沾染物溶液的滴注，一次为清洗液的滴注，这就涉及需要更换不同的溶液，为保证实验可靠，装有洁净液体的容器绝对不能引入污染物与杂质，现有液槽无法解决上述问题。为此，发明人使用了注射器，不仅结构简单、还可灵活的从支架上拆卸，通过更换装有对应溶液的注射器，就可方便的满足不同阶段的实验要求，避免两种溶液间的混合污染，提一步提高实验的可靠性和准确性。

为模拟晶片实际工况下的旋转状态，使用了真空转旋装置，晶片样品置于表面开有真空槽的真空吸盘上，利用经真空气管与真空槽底部连通的真空泵对晶片样品进行真空吸附，通过旋转控制器控制旋转电机带动真空吸盘转动，最终带动晶片样品旋转，所述旋转控制器可根据需要控制真空吸盘的转速和不同转速下的转动时间，自动化程度高、非常灵活可靠。

本实用新型实验装置用于评价晶片清洗效率，结构简单、易于制造、便于拆卸、实验条件灵活可调、适用于小尺寸晶片样品的实验。

附图说明

图1为本实用新型实验装置的结构示意图。

图2为本实用新型实验装置的侧视图。

图3为真空吸盘的的俯视图。

其中，1.支架，2.真空吸盘，3.旋转控制器，4.丝杆式步进电机，5.旋转电机，6.推动顶片，7.活塞杆，8.注射器，9.针头，10.玻璃罩，11.屏蔽罩，12.真空气管，13.步进控制器，14.真空泵，15.真空槽、16.晶片样品。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实验装置作进一步解释说明:

参见图1，包括真空旋转装置：用于真空吸附晶片样品并带动晶片样品旋转；注射装置：用于将粘染物溶液或清洗液注射至晶片样品表面；和支架1：用于安装真空旋转装置和注射装置。注射装置中带容纳腔的注射部分可拆卸，从而更换容纳的粘染物溶液或清洗液，注射部分具体可为注射器。

所述真空转旋装置包括表面开有真空槽15的真空吸盘2、带动真空吸盘2转动的旋转电机5，连接旋转电机5的旋转控制器3、以及经真空气管12与真空槽15(本实施例为王字形真空槽)底部连通的真空泵14。所述真空吸盘2位于屏蔽罩11中，所述屏蔽罩顶面设有玻璃罩10。

参见图1和图2，所述注射装置包括位于真空吸盘2上方的注射器8以及带动注射器8的活塞杆7运动的加压推动装置,所述注射器8的针头9为非金属材料，针头9前端距离晶片样品17表面的垂直距离为8-10mm，所述针头9孔径为0.5～2mm。

所述加压推动装置为连接有步进控制器13的丝杆式步进电机或伸缩式气缸。本实施例中采用丝杆式步进电机4，可将电机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动，由推杆带动推动顶片6将向下的作用力施加于注射器8的活塞杆7上，使活塞杆向下运动，从而使注射器内的液体由针头9向下滴出或流出。所述丝杆式步进电机4可控制其推杆向下移动的速度，从而控制液体由针头9向下滴出或流出的流速。

需要指出的是，为了避免酸碱化学品对金属材料的腐蚀，本实用新型中所使用的接触清洗液的材料均为有机聚合物，包括但不限于hdpe、ldpe、pp等。

以粘染实验为例，介绍本实用新型装置的使用方法：

将粘染物溶液装入注射器8中，将注射器8装入支架1上，活塞杆7连接丝杆式步进电机；将晶片样品16置于真空吸盘2上，启动真空泵14，负压经真空气管12、真空槽15作用在晶片样品16上，晶片样品16被真空吸附在真空吸盘2上；启动旋转电机5带动真空吸盘2转动，通过旋转控制器3控制真空吸盘2转动的速度和时间；同时启动丝杆式步进电机4，将旋转力变为直径运动，经推动顶片6带动活塞杆7向下运动，通过步进控制器13控制下行速度，进而达到控制注射针8的针头9中溶液的滴落速度的目的。沾染实验完成后，取出晶片进行下一步检测，同时控制丝杆式步进电机4反转带动推动顶片6回位，取下注射器8，更换装有清洗液的注射器8安装至支架1上，为下一步的清洗实验作准备。所述清洗实验的操作过程同粘染实验。

评价晶片清洗效率的方法实施例:

(1)使用本实用新型实验装置将粘染物溶液滴入旋转中的晶片样品表面进行沾染实验，控制粘染物溶液或清洗液的滴落速度为15～45ml/min，控制晶片样品或沾染晶片样品进行两段式旋转，先进行预旋转：控制转速为500～800rpm，时间为60～90s；再切换成高速旋转，转速为1000～2000rpm，时间为100～180s，获得表面带有缺陷的沾染晶片样品；

(2)使用原子力显微镜(购自布鲁克公司)对沾染晶片样品表面进行形貌分析，获得该沾染晶片样品表面的清洗前缺陷数；判定方法为：通过原子力显微镜对晶片样品表面的凸起进行测量，若凸起的纵向高度阈值大于2nm，则该凸起被记为缺陷，以此类推，计算该晶片样品上的缺陷总数即为清洗前缺陷数；

(3)使用本实用新型实验装置将清洗液滴入旋转中的沾染晶片样品表面进行清洗实验，得到清洗晶片样品；操作方法和控制条件同步骤(1)，区别在于更换使用的注射器8中装有清洗液；

(4)使用原子力显微镜(购自布鲁克公司)再次对晶片样品再次进行形貌分析，获得该沾染晶片样品表面的清洗后缺陷数；判断方法同步骤(3)，计算该清洗晶片样品上的缺陷总数即为清洗后缺陷数；

(5)将获得的清洗前缺陷数和清洗后缺陷数代入以下公式(a)进行清洗效率的计算:

(6)为了进一步分析得到晶片样品清洗前后的缺陷改善状态。还可以对判定为缺陷的凸起的纵向高度阈值进行高低分级，分别获得清洗前后晶片样品中的各级别的缺陷数，并对应分别代入公式(1)中进行计算，可以获得不同级别下各级缺陷的清洗效率。本实施例中将缺陷的纵向高度阈值由低至高分为三级，分别为低级：大于2nm至小于5nm；中级：大于等于5nm至小于10nm；高级：大于等10nm。

所述原子力显微镜可对晶片样品表面进行扫描，获取图像数据后，分析软件可将图形转换成3d形式，然后统计表面上残留的沾污数量，并能够在软件中设定纵向高度阈值，筛选出高于某一纵向高度的凸起数量，还可以统计时在纵向阈值输入数据，筛选出对应尺寸的缺陷总数，原子力显微镜的纵向维度表征是通过探针对反射激光位置的改变而获得的。具体来说，探针以敲击模式在没有缺陷的样品表面进行探测，会由仪器拟合出一个基准面，即样品的水平基线，当探针敲击到缺陷位置时，基线位置将发生改变，此时即可从分析界面中得到该缺陷处与水平位置的纵向维度的尺寸变化，即可判断缺陷的纵向尺寸。

除了原子力显微镜，还可以白光干涉仪(购自布鲁克公司)对晶片样品表面进行拍摄，再进行图像分析，获得表面的3d形貌，以不同颜色表示凸起的高度，通过设定纵向高度阈值，筛选出高于某一纵向高度的凸起数量，还可以统计时在纵向阈值输入数据，筛选出对应尺寸的缺陷总数白光干涉仪的纵向维度表征是使用在样品表面产生干涉条纹的可见光实现的。具体来说，从白光干涉仪对样品表面的显微图像中调节放大尺寸，将单条干涉条纹填充整个显微视野，根据光学信号的改变，仪器可分辨样品的水平基准面与表面凸起，并将在表面进行扫描，最终可将数个扫描区域进行粘合，形成大范围的显微图形，该图形可给出表面所有缺陷的数量。

实验：

下面以硅纳米颗粒水性溶胶作为沾染物，镀铜膜硅片作为晶片，尺寸为2x2cm²，以采用上述评价方法和清洗液a(主要成分柠檬酸，水含量95％，购自和光纯药株式会社)清洗测得的清洗效率作为实施例，并在沾染后以同一清洗液a中浸泡，通过compass缺陷分析工具分别统计清洗前后表面上尺寸大于0.1微米的缺陷数目，由此计算得到的清洗效率作为对比例，具体结果见表1。

表1对沾染物的清洗效率

从表1中可以看出，实施例中使用了更为接近真实工况的实验方法，对缺陷检测的精确度更高、可靠性好。并且还能对比不同等级缺陷的清洗效果，对研究缺陷率控制要求较高的晶片清洗及清洗液配方具有更佳的实用意义。