半导体清洗设备及利用该设备清洗通孔的方法与流程

本发明涉及半导体制造装备领域，具体而言，本发明涉及半导体清洗设备及利用该设备清洗通孔的方法。

背景技术

随着穿透硅通孔tsv(throughsiliconvias)技术的发展，越来越多产品会用到高密度、高深宽比tsv通孔。例如，基于tsv通孔转接板的封装结构使多个芯片在转接板上直接形成互联，大大缩短了走线长度。并且硅基转接板可以制作更小线宽的互连线，布线密度大大提高。

tsv通孔的制作一般采用先刻蚀tsv盲孔，然后背面减薄晶圆露孔的方式实现。刻蚀的tsv盲孔中通常会存在刻蚀和或光刻胶的残留物，这些残留物的存在可能导致tsv通孔填充不完整或存在孔洞等缺陷，因此需要进行tsv通孔的清洗进行残留物的去除。现有的晶圆清洗技术包括：槽式超声清洗、单片式兆声清洗、单片式高压喷水清洗等。当tsv盲孔的孔径很小、深宽比很大时，由于清洗液的表面张力原因，通孔内液体浸润困难，从而导致tsv盲孔内液体交换困难，常规的清洗方式很难将tsv盲孔内的刻蚀残留物和光刻胶残胶清洗干净。

因此本领域需要一种新型的半导体清洗设备及利用该设备清洗通孔的方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种通孔清洗方法，包括：

将清洗液加热到预定温度；

使清洗液与惰性气体混合进入清洗腔室；

在雾化器中使清洗液雾化，喷洒在晶圆表面上并浸入通孔内壁和底部；

关闭清洗液阀门。

在本发明的一个实施例中，通过调节惰性气体的流量，改变清洗液与惰性气体构成的二流体的流速，同时改变二流体在雾化装置里的雾化程度和雾滴大小。

在本发明的一个实施例中，通过开、关气、液体管道的阀门，进行脉冲式加入清洗液。

在本发明的一个实施例中，清洗液与惰性气体通过雾化器的直通孔和斜通孔进入清洗腔室，经过与腔体内侧壁多次冲击，清洗液转变为雾态。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：通过反漏斗形顶盖中部水平孔向清洗腔室通入惰性气体。

在本发明的一个实施例中，在关闭清洗液阀门后，还包括：

打开预热的纯水阀门；

使惰性气体流量不变或少许增加；

气-水二流体同样被雾化，利用水雾冲洗通孔内和晶圆表面。

在本发明的一个实施例中，在清洗完成后，还包括：

将钝化液加热到预定温度；

使钝化液与惰性气体混合进入清洗腔室；

在雾化器中使钝化液转变为雾态，喷洒在晶圆表面上并浸入通孔内壁和底部，在硅通孔内壁生成一定厚度的氧化硅层；

关闭钝化液阀门。

在本发明的一个实施例中，在关闭钝化液阀门后，还包括：

打开纯水阀门，重新对晶圆表面和通孔内壁进行清洗，去除残留的钝化液体；

关闭纯水阀门，保持惰性气体流，吹干晶圆表面。

根据本发明的另一个实施例，提供一种通孔清洗和钝化方法，包括：

将清洗液和钝化液加热到预定温度；

使清洗液和钝化液与惰性气体混合进入清洗腔室；

在雾化器中使清洗液和钝化液雾化，喷洒在晶圆表面上并浸入通孔内壁和底部；

关闭清洗液和钝化液阀门。

在本发明的另一个实施例中，通过调节惰性气体的流量，改变液体与气体构成的二流体的流速，同时改变二流体在雾化装置里的雾化程度和雾滴大小。

在本发明的另一个实施例中，通过开、关气、液体管道的阀门，进行脉冲式加入清洗液和钝化液。

在本发明的另一个实施例中，该方法还包括：通过反漏斗形顶盖中部水平孔向清洗腔室通入惰性气体。

在本发明的另一个实施例中，在关闭清洗液和钝化液阀门后，还包括：

打开纯水阀门，重新对晶圆表面和通孔内壁进行清洗，去除残留的清洗和钝化液体；

关闭纯水阀门，保持惰性气体流，吹干晶圆表面。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的半导体清洗设备100的垂直剖面示意图。

图2示出储液杯120和支架110的俯视图。

图3示出顶盖130的立体示意图。

图4a示出根据本发明的一个实施例的雾化器的剖面正视图。

图4b示出根据本发明的一个实施例的雾化器的横截面俯视图。

图5示出根据本发明的另一个实施例的半导体清洗设备500的垂直剖面示意图。

图6示出沿顶盖530中部的b-b截取的横截面俯视图示意图。

图7示出根据本发明的一个实施例利用半导体清洗装置清洗通孔的工艺流程图。

图8示出根据本发明的一个实施例利用半导体清洗装置进行钝化处理的工艺流程图。

图9示出根据本发明的一个实施例利用半导体清洗装置同时进行通孔清洗和钝化的工艺流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

图1示出根据本发明的一个实施例的半导体清洗设备100的垂直剖面示意图。如图1所示，半导体清洗设备100可包括支架110及其移动控制系统、储液杯120及其移动控制系统、顶盖130和雾化器140。

支架110及其移动控制系统可以设置在半导体清洗设备100底座上，用于在清洗前定位并支撑晶圆。支架110可以是三臂支架或其他支架，例如，也可以是吸盘支架，以通过真空吸附来实现更稳定的晶圆夹持，在晶圆需要脱离支架时，卸载真空吸附即可。

储液杯120及其移动控制系统可以设置在半导体清洗设备100底座上，用于收集清洗废液。在本发明的一些实施例中，储液杯还可提供液体浸泡功能。储液杯120可以是中空的环形杯体。支架110位于储液杯的中空部分中。图2示出储液杯120和支架110的俯视图。结合图1和图2，储液杯120包括内壁121、设置在内壁121顶端的垫圈122、外壁123、设置在外壁123顶端的垫圈124以及连接内壁和外壁的杯底125。垫圈122和124可以是具有防水、防酸或防高温等性能的o型圈。外壁123顶端可高于内壁121顶端。还可在内壁121顶端的垫圈122顶端设置真空吸嘴，以通过真空吸附来实现更稳定的晶圆夹持，在晶圆需要脱离垫圈122时，卸载真空吸附即可。

储液杯120还可包括出液口126。出液口126可设置在储液杯120的杯底或侧面，并与管道连接，用于排出或收集清洗废液。

储液杯120的移动控制系统，用于在清洗前垂直向上移动储液杯120，使得杯口内壁121顶端处的垫圈122将晶圆托起，杯口外壁123顶端处的垫圈122与顶盖130接触。顶盖130和储液杯120构成封闭的清洗腔室。在清洗完成后，垂直向下移动储液杯120，储液杯120与顶盖130分离，晶圆与支架110接触，然后杯口内壁121顶端处的垫圈122与晶圆分离。

图3示出顶盖130的立体示意图。顶盖130可以是反漏斗形状，包括颈部131和底部132。颈部131位于顶盖130的上部，且相对于底部132细小。如图3所示，顶盖130的形状和大小由三个关键尺寸决定：底部半径r1、漏斗外半径r2、顶盖的高度h，其中底部半径r1指的是顶盖与储液杯120接触的开口部分的圆的半径漏斗上部外半径r2指的是顶盖上部外曲面的半径，即圆弧从曲面转变为近似平面的拐点处部分的半径，顶盖的高度h指的是从顶盖颈部131至底部132的垂直距离。整个顶盖从顶部平滑过渡到底部，例如，顶盖130可以是双曲面或者是上部呈圆弧曲面而下半部分是平面。通常顶盖130的底部半径r1大于待处理晶圆的半径。根据实际需要，可制造出不同尺寸的底部半径r1、漏斗外半径r2、和高度h的顶盖，而达到更合适的雾化效果。

可用作制造顶盖130的材料包括：铝合金、表面带防护涂层的铝合金、耐热耐腐蚀的其他金属合金，高清洁的pvc、teflon(用于酸、碱清洗)或类似的耐热耐腐蚀聚合物材料。

图4a示出根据本发明的一个实施例的雾化器的剖面正视图。图4b示出根据本发明的一个实施例的雾化器的横截面俯视图。参考图4a和图4b，雾化器140安装在顶盖的颈部131。例如，雾化器140可通过螺旋固定到顶盖130的颈部131。雾化器140为圆柱形，内壁直径为d1，外壁直径为d2。可将外/内直径比例(d2/d1)控制在2:1～20:1之间以达到不同的雾化效果。雾化器的上端通过盖板141密封。例如，可通过一个或多个螺丝142将盖板141固定在雾化器的上端。距离上端一定距离的位置处具有通孔143。通孔143包括一个直通孔143-1和一个斜通孔143-2。直通孔143-1与斜通孔143-2为水平横向延伸的通孔。在图4b所示的横截面中，直通孔143-1与圆柱内壁相交点处的切线成90度角，斜通孔143-2可与圆柱内壁相交点处的切线成非直角的特定角度。在将流体连通到通孔143后，通孔143内部有两个通道：通过直通孔143-1到达圆柱的中心部位；通过斜通孔143-2以30-60度倾斜于直通孔的方向进入雾化器140。

在本发明的其他实施例中，雾化器140可包括多个直通孔以及多个斜通孔。斜通孔与颈部内壁相交点处的切线所成角度可以相同，也可以不相同。

清洗液通过直通孔和斜通孔进入清洗腔室。如此装置是为了让清洗液体通过反漏斗装置后，在最短的时间内快速均匀地雾化并喷洒到晶圆表面。

在本发明的其他实施例中，顶盖130和雾化器140可以一体形成，而不是通过螺纹相连接。换言之，雾化器140可以是顶盖130颈部的一部分。

在本发明的一个实施例中，还可在连接至清洗腔室的清洗液管道上设置三通阀(图中未示出)，该三通阀可包括清洗液输入口、气体输入口和气液二流体输出口。清洗液和压缩气体分别通过清洗液输入口和气体输入口进入三通阀并混合形成气液二流体，然后进入清洗液管道。可通过调节清洗液的流速或压缩气体的流速来调节气液二流体的混合比例。

清洗液随输送气体从漏斗顶端高速进入漏斗内部，气液二流体在第一次冲击到漏斗内侧表面后，大部分液体被雾化，剩下的液滴在快速第二次冲击漏斗内侧表面，又部分转变为雾状。

图5示出根据本发明的另一个实施例的半导体清洗设备500的垂直剖面示意图。如图5所示，半导体清洗设备500可包括支架510及其移动控制系统、储液杯520及其移动控制系统、顶盖530、雾化器540以及雾化增强装置550。

在本发明的一个实施例中，还可在顶盖530的中部，即大约在中心轴与边缘的中部，分别设置多个水平通孔，水平通孔的另一端外连接惰性气体，如氮气。图6示出沿顶盖530中部的b-b截取的截面俯视图。如图6所示，顶盖截面为圆形，顶盖130中部上均匀分布了四个水平通孔作为雾化增强装置550。四个水平通孔为横向水平延伸的通孔。在图6所示的横截面中，四个水平通孔可与圆形内壁相交点处的切线成特定角度。例如，四个水平通孔可与圆形内壁相交点处的切线成45度角。在此部位，进入的气流对顶端雾流进行第二次雾化，以达到增强雾化效果。并且还可以使雾状体内，液滴尺寸变得更小，有些工艺条件下，可达到与气态基本相似的特性。同时切线流动的惰性气体使得晶圆表面的清洗雾气作圆周流动。

在本发明的其他实施例中，可在顶盖530中部设置更多或更少的水平通孔。例如，可在顶盖530中部设置2个水平通孔、3个水平通孔或5个及以上的水平通孔。

在本发明的实施例中，半导体清洗设备还可包括加热槽(图中未示出)。加热槽通过管道与顶盖的颈部通孔连通。通过加热槽对清洗液进行加热。例如，加热槽体里面盛有清洗液，在槽体的外墙面用电阻丝或其他加热方式对槽体加热到设定的温度。半导体清洗设备可以包括多个加热槽，每个加热槽中可放置不同的清洗液，以便对晶圆进行不同工艺条件或不同液体的多次处理。

由于储液杯在晶圆背面和上腔室盖之间加了o-型圈密封，防止液体溢出或溅出腔室，储液杯也可以提供液体浸泡作用，扩大了设备的使用范围。

图7示出根据本发明的一个实施例利用半导体清洗装置清洗通孔的工艺流程图。

在步骤710，将清洗液加热到预定温度。可选择不同种类的清洗液。例如，该清洗液可以是氨水。氨水的浓度可选择30wt％。

在步骤720，使清洗液与惰性气体混合进入清洗腔室。可根据预先设定的气液比例，调节输送的清洗液和/或惰性气体的流量或压力，然后通过三通阀门将清洗液和惰性气体一起送入清洗腔体内。在本发明公开的半导体清洗设备中，通过调节惰性气体(例如氮气)的流量，可以改变二流体的流速，同时影响到二流体在雾化装置里的行为，例如雾化程度(即雾态与液态的比例)和雾滴大小。

在本发明的实施例中，通过及时开、关气、液体管道的阀门，即可进行脉冲式加入清洗原料。采用这种方法通常增加晶圆表面上窄小缝隙的清洗效率。

在步骤730，清洗液在雾化器中转变为雾态。气液流通过雾化器的直通孔和斜通孔进入清洗腔室，经过与腔体内侧壁多次冲击，清洗液大多转变为雾态。由于清洗液被输送气体从雾化器高速送入漏斗内部，气液二流体在第一次冲击到内侧表面后，大部分液体被雾化，剩下的液滴在快速第二次冲击内侧表面，又部分转变为雾状。

加热的雾状清洗液然后被均匀地喷洒在晶圆的表面上，充分浸入通孔内壁和底部，清洗效果得到大幅提升。

当雾滴在晶圆表面的缝隙里浸湿的时候，关闭二流体的进入，可以使得被清洗的表面获得浸泡的作用，增加清洗剂的表面吸附时间与吸附量。

在步骤740，任选地，通过反漏斗形顶盖中部水平孔向清洗腔室通入惰性气体。该惰性气体可以是氮气。进入的惰性气体流一方面让进入的清洗液体绝大部分都转化成为雾气状态，另一方面横向流动的惰性气体使得晶圆表面的清洗雾气作圆周流动。通过在腔体中部加入气体，增加气流，二次稀释搅动雾态液滴，使其尺寸变得更小而接近气态。

雾态清洗剂更易于进入较小的空隙里，同时不断流入的气体吹到晶圆表面，表面的吸附层变薄。

雾滴被气流在晶圆表面吹动而快速旋转起来，大大减薄了反应物的表面吸附层的厚度(定义为扩散系数/流速)，从而使得清洗速度大大的提高。

在本发明的具体实施例中，可根据清洗液的性质，增大或减小中部水平孔的气体流量。当清洗液通过雾化器的雾化率低时，可增大中部水平孔的气体流量，以便促进清洗液充分雾化。当清洗液通过雾化器基本完全雾化时，可减少中部水平孔的气体流量或关闭中部水平孔。中部水平孔可以脉冲式把气流吹击到晶圆表面，强制性地加速浸湿刻蚀残留与光刻胶残留，并快速被移除。

在步骤750，关闭清洗液阀门，同时打开预热的纯水阀门。此时可以使惰性气体流量不变或少许增加。气-水二流体同样被雾化，通孔内和晶圆表面被冲洗干净。

在本发明的实施例中，半导体清洗装置还可以用于进行其他的湿法工艺。

图8示出根据本发明的一个实施例利用半导体清洗装置进行钝化处理的工艺流程图。

在步骤810，将钝化液加热到预定温度。例如，该钝化液可以是双氧水和水，比例为h2o2/h2o＝1:5～1:10，或者也可以是其他钝化液成分。

在步骤820，使钝化液与惰性气体混合进入清洗腔室。可根据预先设定的气液比例，调节输送的钝化液和/或惰性气体的流量或压力，然后通过三通阀门将钝化液和惰性气体一起送入清洗腔体内。在本发明公开的半导体清洗设备中，通过调节惰性气体(例如氮气)的流量，可以改变二流体的流速，同时影响到二流体在雾化装置里的行为，例如雾化程度(即雾态与液态的比例)和雾滴大小。

在本发明的实施例中，通过及时开、关气、液体管道的阀门，即可进行脉冲式加入钝化液。采用这种方法通常增加晶圆表面上窄小缝隙的钝化效率。

在步骤830，钝化液在雾化器中转变为雾态。气液流通过雾化器的直通孔和斜通孔进入清洗腔室，经过与腔体内侧壁多次冲击，钝化液大多转变为雾态。由于钝化液被输送气体从雾化器高速送入漏斗内部，气液二流体在第一次冲击到内侧表面后，大部分液体被雾化，剩下的液滴在快速第二次冲击内侧表面，又部分转变为雾状。

加热的雾状钝化液然后被均匀地喷洒在晶圆的表面上，充分浸入通孔内壁和底部，钝化效果得到大幅提升。

在步骤840，任选地，通过反漏斗形顶盖中部水平孔向清洗腔室通入惰性气体。该惰性气体可以是氮气。进入的惰性气体流一方面让进入的钝化液绝大部分都转化成为雾气状态，另一方面横向流动的惰性气体使得晶圆表面的雾气作圆周流动。

在本发明的具体实施例中，可根据钝化液的性质，增大或减小中部水平孔的气体流量。当钝化液通过雾化器的雾化率低时，可增大中部水平孔的气体流量，以便促进钝化液充分雾化。当钝化液通过雾化器基本完全雾化时，可减少中部水平孔的气体流量或关闭中部水平孔。中部水平孔可以脉冲式把气流吹击到晶圆表面，强制性地加速雾气的扩散。

加热的雾状钝化液然后被均匀地喷洒在晶圆的表面上，充分浸湿硅晶圆表面、硅通孔内部侧壁和底部。一定时间后，硅通孔内壁生成一定厚度的致密氧化硅层。

在步骤850，关闭钝化液阀门，清洗液阀门打开，重新对硅晶圆表面和通孔内壁进行清洗，去除残留的钝化液体。该清洗液可以为纯水。

在步骤860，关闭清洗液阀门，保持惰性气体流，吹干晶圆表面，钝化工艺完毕。

在本发明公开的清洗和钝化过程中，清洗液体和钝化液体以二流体形式被引入到清洗腔体；液体然后绝大部分被雾化，雾汽更容易湿润晶圆表面。水雾更容易浸湿晶圆表面和硅通孔内部的刻蚀残留与光刻胶残留，而与基体剥离；尤其对于极小直径的通孔结构，普通清洗方式的水滴由于毛细作用很难浸润通孔内部，清洗效果不佳；而水雾就可以浸入通孔内壁和底部，清洗效果得到大幅提升。

反漏斗形顶盖中部的通孔可以脉冲式把气流吹击到晶圆表面，强制性地加速的浸湿刻蚀残留与光刻胶残留，并快速被移除。

本发明公开的半导体清洗装置不需要旋转晶圆，避免了复杂的旋转部件与装置。

反漏斗式上腔体设计，使得整个清洗腔体非常小。

雾化清洗法让清洗液和钝化液得到充分的使用，消耗非常少。不仅能大幅度节省清洗液，同时也节约了废水处理的费用。

通过在气体管道和液体管道上设置阀门，容易做到切断清洗液/钝化液的供应，转成仅仅有气体流入到晶圆表面。晶圆表面可以被吹干，从而实现本装置可以做到干进干出。

钝化处理后，硅通孔内部形成致密sio2膜层，更利于后续硅通孔制备工艺与硅通孔内部硅集体、氧化层与种子层的结合力，有利于提高硅通孔转接板的可靠性。

图9示出根据本发明的一个实施例利用半导体清洗装置同时进行通孔清洗和钝化的工艺流程图。

在步骤910，将清洗液和钝化液加热到预定温度。可选择不同种类的清洗液。例如，该清洗液和钝化液可以是氨水+双氧水+水，比例为1:1:5-1:2:10。

在步骤920，使清洗液和钝化液与惰性气体混合进入清洗腔室。可根据预先设定的气液比例，调节输送的清洗液和钝化液和/或惰性气体的流量或压力，然后通过三通阀门将清洗液、钝化液和惰性气体一起送入清洗腔体内。在本发明公开的半导体清洗设备中，通过调节惰性气体(例如氮气)的流量，可以改变二流体的流速，同时影响到二流体在雾化装置里的行为，例如雾化程度(即雾态与液态的比例)和雾滴大小。

在本发明的实施例中，通过及时开、关气、液体管道的阀门，即可进行脉冲式加入液体原料。采用这种方法通常增加晶圆表面上窄小缝隙的清洗和钝化效率。

在步骤930，清洗液和钝化液在雾化器中转变为雾态。气液流通过雾化器的直通孔和斜通孔进入清洗腔室，经过与腔体内侧壁多次冲击，清洗液和钝化液大多转变为雾态。由于清洗液和钝化液被输送气体从雾化器高速送入漏斗内部，气液二流体在第一次冲击到内侧表面后，大部分液体被雾化，剩下的液滴在快速第二次冲击内侧表面，又部分转变为雾状。

加热的雾状清洗液和钝化液然后被均匀地喷洒在晶圆的表面上，充分浸入通孔内壁和底部，清洗和钝化效果得到大幅提升。

当雾滴在晶圆表面的缝隙里浸湿的时候，关闭二流体的进入，可以使得被清洗的表面获得浸泡的作用，增加清洗剂的表面吸附时间与吸附量。

在步骤940，任选地，通过反漏斗形顶盖中部水平孔向清洗腔室通入惰性气体。该惰性气体可以是氮气。进入的惰性气体流一方面让进入的清洗和钝化液体绝大部分都转化成为雾气状态，另一方面横向流动的惰性气体使得晶圆表面的雾气作圆周流动。通过在腔体中部加入气体，增加气流，二次稀释搅动雾态液滴，使其尺寸变得更小而接近气态。

雾态的清洗液和钝化液更易于进入较小的空隙里，同时不断流入的气体吹到晶圆表面，表面的吸附层变薄。

雾滴被气流在晶圆表面吹动而快速旋转起来，大大减薄了反应物的表面吸附层的厚度(定义为扩散系数/流速)，从而进一步提高了清洗速度。

在本发明的具体实施例中，可根据进入腔室的液体的性质，增大或减小中部水平孔的气体流量。当液体通过雾化器的雾化率低时，可增大中部水平孔的气体流量，以便促进液体充分雾化。当液体通过雾化器基本完全雾化时，可减少中部水平孔的气体流量或关闭中部水平孔。中部水平孔可以脉冲式把气流吹击到晶圆表面，强制性地加速浸湿刻蚀残留与光刻胶残留，并快速被移除，同时钝化液滴在硅通孔表面反应形成氧化硅薄膜。

在步骤950，关闭清洗液和钝化液阀门，同时打开预热的纯水阀门。此时可以使惰性气体流量不变或少许增加。气-水二流体同样被雾化，管道内和晶圆表面被冲洗干净。

在步骤960，关闭纯水阀门，仍留n2气体流入腔体内，晶圆表面干燥后，从腔体内取出。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。