晶圆清洗装置和清洗方法与流程

本发明涉及半导体清洗设备技术领域，更具体地，涉及一种可同时提供固、液、气三相态清洗介质对晶圆进行无损伤清洗的晶圆清洗装置及其清洗方法。

背景技术：

清洗工艺是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工艺步骤的污染水平，以实现各工艺步骤的目标。

为了清除晶圆表面的沾污物，在进行例如单片湿法清洗工艺时，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清洗药液，对晶圆表面进行清洗。

在达到去除污染物目的的同时，最重要的是要保证对晶圆、尤其是对于图形晶圆表面实现无损伤清洗。

随着集成电路图形特征尺寸的缩小，晶圆表面污染物的特征尺寸也在不断缩小。采用传统的清洗方法去除这些污染物，例如气液二相流雾化清洗和兆声波清洗，在去除污染物的同时，会对晶圆表面的图形结构造成严重的损伤。这些图形损伤通常来源于两个过程：

(1)晶圆清洗过程中引入的物理作用力，如超声波，兆声波，或者是高速液体颗粒的动能，会对晶圆表面图形造成损伤；

(2)晶圆表面干燥过程中，深沟槽结构或者是高宽比比较大的结构内残留的液体所具有的毛细力，会将特征尺寸很小的结构拉弯，造成结构损伤。

上述问题已成为制约晶圆清洗技术进一步发展的主要因素。

另一方面，随着集成电路特征尺寸的不断缩小，清洗工艺过程中对于晶圆衬底材料的损失要求也越来越高，这意味着对化学药液的使用会受到限制。因此，基于物理作用力的新型清洗技术将会越来越受到重视。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种晶圆清洗装置和清洗方法，通过同时提供固、液、气三相态清洗介质，实现对晶圆的无损伤物理清洗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种晶圆清洗装置，用于对放置在清洗工艺腔室内旋转平台上的晶圆进行清洗，所述清洗装置包括：

清洗介质喷淋部分，包括喷嘴、连接喷嘴的可移动喷淋管路；

清洗介质控制部分，包括与一混合腔室并联的第一、第二管路，所述第一管路在其与混合腔室的接口处具有文丘里管结构，所述混合腔室连接喷淋管路；

其中，由第一管路通入液化第一气体，经文丘里管结构喷出至混合腔室，形成固体、液体、气体共存的三相态，并在由第二管路通入的第二气体带动下共同构成清洗介质，沿喷淋管路经喷嘴喷射至待清洗晶圆表面进行物理清洗。

优选地，所述喷嘴数量为一个，其受喷淋管路带动，作过晶圆圆心的圆弧往复运动，并使其喷出的清洗介质覆盖从晶圆圆心到边缘的全部区域。

优选地，所述喷嘴沿晶圆的径线上方并列设置若干个，其喷射覆盖长度不小于晶圆的直径。

优选地，所述喷嘴在晶圆上方均匀分布多个，其喷射区域将晶圆覆盖。

优选地，所述喷嘴在晶圆上方一过晶圆圆心、半径与晶圆半径相当的扇形投影区域均匀分布多个。

优选地，所述第一管路连接容纳液化第一气体的储液罐，所述储液罐出口设有加压泵，所述第一、第二管路分别设有流量计及阀门。

优选地，所述第一气体包括二氧化碳，所述第二气体包括空气、氮气或二氧化碳。

一种基于上述的晶圆清洗装置的晶圆清洗方法，包括以下步骤：

步骤一：将待清洗晶圆固定在清洗工艺腔室内的旋转平台上，并在旋转平台带动下作匀速或变速旋转运动；

步骤二：向第一管路通入液化第一气体，并通过文丘里管结构喷出至混合腔室，形成固体、液体、气体共存的三相态；向第二管路通入第二气体，带动将混合腔室内的三相态第一气体由喷嘴喷出至待清洗晶圆表面，共同构成清洗介质，对晶圆进行固定或移动式的物理清洗；

步骤三：向清洗工艺腔室内通入层流风，并进行排气，使从晶圆表面剥离的污染物随气流运动被排出；

步骤四：将上述清洗后的晶圆直接取出，完成清洗工艺。

优选地，通过设置一个喷嘴，在喷淋管路带动下，作过晶圆圆心的圆弧往复运动，使从该喷嘴喷出的清洗介质可以覆盖从晶圆圆心到边缘的全部区域，对晶圆进行移动式的清洗；或者，通过在晶圆上方固定设置多个喷嘴，在晶圆作旋转运动的同时，实现对整个晶圆面积范围内的固定式清洗。

优选地，步骤二中，向第一管路通入加压的液化二氧化碳作为液化第一气体，向第二管路通入压缩的空气、氮气或二氧化碳作为第二气体，并通过在第一、第二管路分别设置的流量计及阀门调节液化第一气体、第二气体的流量。

本发明具有以下优点：

1、在清洗工艺过程中，不使用化学清洗药液，可减少对晶圆衬底材料的微刻蚀，同时可降低生产成本，减少化学清洗药液对环境的污染；

2、利用形成的例如二氧化碳固体颗粒或者液体，可实现污染物从晶圆表面的剥离，并可进一步通过清洗工艺腔室内流动气体的运输实现污染物的去除，从而减小了清洗过程中物理作用力对晶圆表面图形结构造成的损伤；

3、清洗过程中不使用传统的化学清洗药液和超纯水，因此不存在液体的干燥过程，可以防止干燥过程中液体的毛细力造成晶圆表面精细图形结构的损伤；

4、简化了清洗工艺；传统的清洗工艺包括化学药液清洗，超纯水冲洗和晶圆干燥等若干个步骤，采用本发明的装置和方法，可以简化清洗步骤，并简化清洗设备的腔室结构，降低清洗设备成本。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的晶圆清洗装置结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的清洗介质喷淋部分结构示意图；

图3是图2中喷嘴的摆动范围示意图；

图4是本发明另一较佳实施例的清洗介质喷淋部分结构示意图；

图5是本发明一较佳实施例的晶圆清洗方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明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，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，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发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的晶圆清洗装置结构示意图。本发明的晶圆清洗装置，可用于对放置在清洗工艺腔室内旋转平台上的晶圆进行清洗。如图1所示，本发明的晶圆清洗装置包括清洗介质喷淋部分和清洗介质控制部分。清洗介质喷淋部分包括喷嘴1、连接喷嘴的喷淋管路2。喷淋管路2为可移动形式，在受驱动时可带动喷嘴1进行升降、旋转运动。清洗介质控制部分包括第一管路9、第二管路6和一个混合腔室3。第一管路9、第二管路6按照并联方式分别与混合腔室3连通。混合腔室3同时还连通喷淋管路2。

请参阅图1。在第一管路9与混合腔室3的接口处、即第一管路位于混合腔室的入口处设置了一个特殊的喷射结构，该喷射结构为文丘里管结构。在本实施例中，文丘里管可采用现有常规的结构，本领域技术人员可通过查阅有关资料了解文丘里管的具体结构特征，故本例对其结构不再进行图示以及文字展开说明。

请继续参阅图1。第一管路9用于通入液化的第一气体，液化第一气体经安装在第一管路末端(即其混合腔室入口)的文丘里管结构喷出至混合腔室3，在文丘里效应作用下将形成第一气体的固体、液体、气体共存的三相态。第二管路6用于通入第二气体(气态)，第二气体进入混合腔室3后，可将上述三相态的第一气体带入喷淋管路2，并继续通过喷嘴1喷出至晶圆表面。因此，第二气体实际是输送三相态第一气体的载气。第一气体的固体、液体、气体与第二气体共同构成清洗介质，而混合腔室3成为形成混合的清洗介质的场所。

这样，由第一管路通入的液化第一气体，经管路中文丘里管结构喷出至混合腔室中，形成固体、液体、气体共存的三相态，并在由第二管路通入的第二气体带动下共同构成清洗介质，沿喷淋管路经喷嘴喷射至待清洗晶圆表面，实现对晶圆的物理清洗。

作为一优选的实施方式，第一气体可采用二氧化碳，第二气体可采用空气、氮气或二氧化碳等。从而，第一管路即成为液化二氧化碳管路9，而第二管路即成为空气、氮气或二氧化碳等的载气管路6。

请继续参阅图1。为了更好地在第一管路中输送例如液化二氧化碳，作为一优选的实施方式，可在第一管路9的源头处设置一储液罐8，将液化二氧化碳储存在储液罐8中；并在储液罐8出口的第一管路中安装加压泵10，利用加压或者泵送的方式，使二氧化碳液体沿着液化二氧化碳管路9流向混合腔室3。进一步地，为了控制液化二氧化碳在经过文丘里管结构后形成的三相态中固体、液体、气体的比例及固体颗粒大小，可在液化二氧化碳管路9上安装液体二氧化碳流量计12和气动阀11，与加压泵10一起配合，对液化二氧化碳的流量、压力(流速)进行控制。

请继续参阅图1。在第二管路6上，可将第二管路的气体入口7连接厂务气源管路，从而可以由气体入口7引入压缩气体，例如可以是压缩空气，高压氮气，或者高压二氧化碳气体等。并可同样在第二管路6上安装气体流量计4和气动阀5，使压缩气体沿着载气管路6，依次通过气动阀5和气体流量计4后，以适当的流量及流速进入混合腔室3与三相态的二氧化碳混合。已经形成的二氧化碳固体、液体和气体在压缩气体的带动下，继续沿喷淋管路2、经过喷嘴1喷射至待清洗晶圆表面，完成晶圆表面的清洗。

清洗所用的二氧化碳气体、压缩气体和清洗产生的污染物可随气流的运动，通过清洗工艺腔室内的排气装置抽离(图示略)。

上述本发明的晶圆清洗装置的晶圆清洗原理如下：

将二氧化碳液体通过文丘里管结构喷出，二氧化碳液体的体积将迅速膨胀、温度降低，经过二氧化碳固体、液体、气体同时存在的三相点，从而形成了固体、液体、气体共存的状态。随后，利用压缩气体将二氧化碳固体和液体颗粒喷射至待清洗晶圆的表面(二氧化碳固体、液体、气体和压缩气体共同构成清洗介质)。二氧化碳固体和液体颗粒到达晶圆表面以后，会造成晶圆表面温度的急剧降低，冷冻脆化污染物，降低污染物在晶圆表面的吸附力。同时由于晶圆表面材料和污染物的热膨胀系数的不同，二者在温度降低过程中的形变量不一致，使二者相脱离。另一方面，二氧化碳固体和液体颗粒到达晶圆表面以后，会迅速气化并且体积膨胀(膨胀率可达约800倍)，产生强大的剥离力，将污染物快速、彻底地从晶圆表面剥离。最后，在二氧化碳气体、压缩气体、以及清洗工艺腔室的层流风和排气装置的共同作用下，污染物随着气流的运动被排出，实现晶圆的有效清洗。

请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的清洗介质喷淋部分结构示意图。如图2所示，在清洗工艺腔室中设置有旋转卡盘14(即旋转平台)，晶圆(图示略)可通过晶圆夹持结构13固定在旋转卡盘14上，旋转卡盘14可在卡盘旋转电机15的带动下，作匀速或者变速的旋转运动。喷淋管路的出口侧段设置成喷淋臂形式，喷淋臂的出口端安装有一个喷嘴1；喷淋臂可通过电机16控制其在旋转卡盘14上方进行升降、旋转运动。在本实施例中，喷嘴1是单一的清洗介质喷淋出口，如图3所示，其显示图2中喷嘴的摆动范围，喷嘴1可在喷淋臂的带动下，作过晶圆圆心的圆弧往复运动。在晶圆的旋转运动和喷嘴的圆弧往复运动的同时，使从喷嘴喷出的清洗介质可以覆盖从晶圆圆心到边缘的全部区域，从而实现对晶圆的移动式清洗。

请参阅图4，图4是本发明另一较佳实施例的清洗介质喷淋部分结构示意图。如图4所示，喷嘴结构也可以是在晶圆上方采用例如一长条状结构17上安装若干个喷嘴(图示略)的形式；并且，这些喷嘴是位于沿晶圆的径线上方并列设置的。这些喷嘴的组合可以覆盖过晶圆圆心的、喷射覆盖长度与晶圆直径一致或略大的区域。在晶圆作旋转运动的同时，即可实现整个晶圆面积范围内的清洗。

也可以采取其它的方式来设置喷嘴。例如，可在一个与晶圆尺寸相当的圆盘状结构的下平面均匀安装多个喷嘴结构，使从这些喷嘴喷出的清洗介质能够覆盖整个晶圆区域；或在一个过晶圆圆心、半径与晶圆半径相当的扇形结构的下平面均匀安装多个喷嘴结构，在晶圆作旋转运动的同时，可实现整个晶圆面积范围内的清洗。

以上几种方式都可以实现从喷嘴喷出由二氧化碳固体、液体、气体和压缩气体共同构成的清洗介质，并达到在清洗过程中覆盖待清洗晶圆表面的目的。

下面通过具体实施方式，对本发明的一种基于上述的晶圆清洗装置的晶圆清洗方法进行详细的说明。

请参阅图5，图5是本发明一较佳实施例的晶圆清洗方法流程示意图；同时，请参阅图1-图4。如图5所示，以二氧化碳作为第一气体、氮气作为第二气体为例，本发明的晶圆清洗方法，包括以下步骤：

步骤01：待清洗晶圆LOAD。

可利用机械手，将待清洗晶圆装载(LOAD)在清洗工艺腔室内的旋转卡盘14上。

步骤02：夹持结构夹住晶圆。

通过旋转卡盘14上设置的晶圆夹持结构13对晶圆进行固定。

步骤03：开始清洗工艺。

打开卡盘旋转电机15，启动旋转卡盘14旋转，使晶圆在旋转卡盘的带动下作匀速或变速旋转运动。同时，通过电机16调整好喷淋臂的位置，并打开喷嘴1。其中，卡盘14作变速旋转运动时，可以在清洗介质与晶圆表面的清洗过程中引入一定的物理作用力，改善清洗工艺效果。

此时，打开液化二氧化碳管路9上的流量计12和气动阀11，并打开储液罐8和加压泵10，向液化二氧化碳管路9中通入具有适当流量、压力和流速的液化二氧化碳。液化二氧化碳通过文丘里管结构喷出至混合腔室3，形成固体、液体、气体共存的三相态。同时，打开载气管路6上的流量计4和气动阀5，向载气管路6中通入经压缩、并具有适当流量、压力和流速的高压氮气。高压氮气进入混合腔室3后，带动混合腔室内的二氧化碳固体、液体、气体由喷嘴1喷出至待清洗晶圆表面，并共同构成清洗介质，对晶圆进行清洗。

步骤04：清洗介质喷射清洗。

在清洗时，可采取使清洗介质按照固定式或移动式喷射的清洗方式，对晶圆进行清洗。例如，可利用一个喷嘴1，在喷淋臂旋转电机16的带动下，作过晶圆圆心的圆弧往复运动(如图2、图3所示)；在晶圆的旋转运动和喷嘴的圆弧往复运动的同时，使从喷嘴喷出的清洗介质可以覆盖从晶圆圆心到边缘的全部区域，对晶圆进行移动式喷射清洗。

也可以通过在晶圆上方固定设置多个喷嘴，例如可在一长条状结构17上安装若干个喷嘴(如图4所示)，这些喷嘴的组合可以覆盖过晶圆圆心的、长度与晶圆直径一致或略大的区域；或者，可在一个与晶圆尺寸相当的圆盘状结构下平面均匀安装多个喷嘴结构，使从喷嘴喷出的清洗介质覆盖整个晶圆区域；又或者，可在一个过晶圆圆心、半径与晶圆半径相当的扇形结构的下平面均匀安装多个喷嘴结构。在晶圆作旋转运动的同时，可实现整个晶圆面积范围内的固定式喷射清洗。

以上几种方式都可以实现从喷嘴喷出二氧化碳固体、液体、气体和高压氮气共同构成的清洗介质，并覆盖待清洗晶圆表面的目的。

在上述清洗过程中，无须再向晶圆表面喷射化学清洗药液。因此，本发明采用的是一种物理的清洗技术。

在上述清洗过程中，向清洗工艺腔室内通入层流风，并进行排气，使从晶圆表面剥离的污染物随气流运动被排出。

步骤05：清洗工艺完成。

当按照设定的清洗工艺菜单，完成清洗工艺时，将清洗介质喷淋部分和清洗介质控制部分关闭，并停止卡盘14旋转，结束清洗工艺。

步骤06：夹持结构松开晶圆。

在旋转卡盘完全停止后，控制将夹持结构13打开，将晶圆松开，以便其取出。

步骤07：洁净晶圆UNLOAD。

利用机械手，将上述清洗后的洁净晶圆从旋转卡盘14上卸载，并可直接取出，完成整个清洗工艺的各个环节。由于本发明是使用气体作为清洗介质，并可以在清洗过程中不断被抽离清洗工艺腔室，因此不需要再对晶圆进行干燥即可结束清洗工艺。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、在清洗工艺过程中，不使用化学清洗药液，可减少对晶圆衬底材料的微刻蚀，同时可降低生产成本，减少化学清洗药液对环境的污染；

2、利用形成的例如二氧化碳固体颗粒或者液体，可实现污染物从晶圆表面的剥离，并可进一步通过清洗工艺腔室内流动气体的运输实现污染物的去除，从而减小了清洗过程中物理作用力对晶圆表面图形结构造成的损伤；

3、清洗过程中不使用传统的化学清洗药液和超纯水，因此不存在液体的干燥过程，可以防止干燥过程中液体的毛细力造成晶圆表面精细图形结构的损伤；

4、简化了清洗工艺；传统的清洗工艺包括化学药液清洗，超纯水冲洗和晶圆干燥等若干个步骤，采用本发明的装置和方法，可以简化清洗步骤，并简化清洗设备的腔室结构，降低清洗设备成本。

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