一种可动态调整的晶圆清洗装置的制作方法

1.本实用新型属于化学机械抛光后清洗技术领域，尤其涉及一种可动态调整的晶圆清洗装置。


背景技术：

2.化学机械抛光(chemical mechanical planarization,cmp)是一种全局平整化的超精密表面加工工艺。由于化学机械抛光中大量使用的化学试剂和研磨剂会在抛光完成后在晶圆表面残留大量的研磨颗粒和研磨副产物等污染物，这些污染物会对后续工艺产生不良影响，并可能导致晶圆良率损失。由于晶圆表面的清洁度是影响半导体器件可靠性的重要因素之一，为了达到晶圆表面无污染物的目的，需要移除晶圆表面的污染物以避免制程前污染物重新残留于晶圆表面。因此，在晶圆制造过程中需要经过多次的表面清洗，以去除晶圆表面附着的金属离子、原子、有机物及微粒等污染物。
3.晶圆清洗方式有辊刷清洗、兆声清洗等，其中，辊刷清洗应用较为广泛。其一方面利用机械作用使晶圆表面的污染物脱离并进入清洗液中，另一方面利用清洗液与晶圆表面的污染物发生化学反应使其溶解到清洗液中，从而实现从晶圆表面去除污染物。专利cn102768974b公开了一种晶圆清洗设备。所述晶圆清洗设备包括：机架；晶圆清洗装置，所述晶圆清洗装置设在所述机架上；晶圆刷洗装置，所述晶圆刷洗装置设在所述机架上且位于所述晶圆清洗装置的下游侧；晶圆干燥装置，所述晶圆干燥装置设在所述机架上且位于所述晶圆刷洗装置的下游侧；和机械手，所述机械手可移动地设在所述机架上用于竖直地夹持晶圆和搬运晶圆。
4.然而，现有技术中在实际运行时，左右两个清洗刷按照设定间距夹持晶圆进行清洗，间距零点设置在清洗刷与晶圆刚好接触的位置，由于机械结构运行精度等原因，间距零点不是稳定值。因此造成，按设定间距夹持晶圆清洗，存在晶圆加紧程度不稳定，清洗刷与晶圆间的摩擦力不稳定情况，并且，由于清洗刷磨损、晶圆厚度变化等问题，也会造成清洗刷与晶圆间摩擦力存在变化，最终导致晶圆清洗效果不稳定。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供了一种可动态调整的晶圆清洗装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
6.本实用新型实施例提供了一种可动态调整的晶圆清洗装置，包括：
7.晶圆旋转组件，用于支撑晶圆并驱动晶圆旋转；
8.两个清洗刷，设置于晶圆的两侧并绕自身轴线滚动以对晶圆表面进行刷洗；
9.清洗刷支撑组件，用于支撑位于待清洗晶圆两侧的两个清洗刷；
10.清洗刷移动组件，其与清洗刷支撑组件连接，以驱动清洗刷支撑组件及其上的清洗刷整体移动；
11.清洗刷旋转组件，设置有用于驱动清洗刷转动的驱动电机；
12.控制器，用于在清洗刷从起始位移动至与晶圆接触进行刷洗的过程中，获取所述驱动电机的负载扭矩；并根据所述负载扭矩控制所述清洗刷移动组件调整清洗刷的移动夹持行程以使刷洗时的摩擦力保持稳定。
13.在一个实施例中，所述晶圆旋转组件包括固定座、一对主动辊轮和从动辊轮，所述从动辊轮设置于所述固定座的中部，主动辊轮对称设置于从动辊轮的两侧。
14.在一个实施例中，所述主动辊轮和从动辊轮配置有用于支撑晶圆的卡槽。
15.在一个实施例中，所述清洗刷移动组件包括导轨、丝杠和驱动件，导轨和丝杆分别与清洗刷支撑组件连接以在丝杠的带动下使清洗刷支撑组件沿导轨移动，驱动件设置于丝杠的端部，驱动件驱动丝杠动作，从而带动洗刷支撑组件及清洗刷整体移动，以使得清洗刷的两端同时接触或远离晶圆。
16.在一个实施例中，所述清洗刷为圆筒状结构。
17.在一个实施例中，所述清洗刷支撑组件包括支撑板，支撑板垂直清洗刷的轴线设置于清洗刷的两端。
18.本实用新型实施例的有益效果包括：能够实现在晶圆清洗过程中使清洗刷与晶圆之间的摩擦力维持在所需范围内，从而保证晶圆清洗过程稳定，提高清洗效果。
附图说明
19.通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本实用新型的保护范围，其中：
20.图1为本实用新型的一个实施例提供的晶圆清洗装置的结构示意图；
21.图2为本实用新型的一个实施例提供的晶圆清洗作业方式的流程示意图；
22.图3为本实用新型的一个实施例提供的清洗流程示意图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本实用新型具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
24.此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
25.为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
26.在本申请中，化学机械抛光(chemical mechanical polishing)也称为化学机械平坦化(chemical mechanical planarization)。基板(substrate)也称为晶圆(wafer)，其含义和实际作用等同。
27.图1是本实用新型一个实施例提供的可动态调整的晶圆清洗装置1的结构示意图，晶圆清洗装置1包括底座10、晶圆旋转组件20、两个清洗刷30、清洗刷支撑组件40、清洗刷移动组件50、清洗刷旋转组件60和控制器(未示出)。
28.如图1所示，晶圆旋转组件20设置于底座10的上部，待清洗晶圆w由晶圆旋转组件20支撑并绕晶圆w的轴线旋转。
29.其中，晶圆旋转组件20包括固定座、一对主动辊轮和从动辊轮，主动辊轮和从动辊轮配置有用于支撑晶圆的卡槽，所述卡槽绕辊轮的外周侧设置。所述主动辊轮和从动辊轮设置于所述固定座并且所述卡槽位于同一平面内。从动辊轮设置于所述固定座的中部，主动辊轮对称设置于从动辊轮的两侧。一对主动辊轮和从动辊轮沿晶圆的外缘轮廓设置，放置于晶圆旋转组件20的晶圆w由所述卡槽限位，晶圆的外缘与所述卡槽的底面相切设置。所述主动辊轮配置有辊轮驱动电机，辊轮驱动电机驱动主动辊轮旋转。晶圆的外缘与辊轮之间的摩擦力带动晶圆绕其轴线旋转。
30.如图1所示，清洗刷30为圆筒状结构，其由具有良好吸水性的材料，如聚乙烯醇制成。两个清洗刷30分别为第一清洗刷和第二清洗刷，分别设置于待清洗晶圆w的两侧，可绕自身轴线滚动以接触待清洗晶圆w的表面。
31.如图1所示，清洗刷支撑组件40，用于支撑位于待清洗晶圆w两侧的两个清洗刷30。清洗刷支撑组件40包括支撑板，支撑板垂直清洗刷30的轴线设置于清洗刷30的两端，支撑板与底座10固定以将清洗刷30支撑在底座10之上。
32.如图1所示，清洗刷移动组件50，其与清洗刷支撑组件40连接，以驱动清洗刷支撑组件40及其上的清洗刷30整体移动，从而实现两个清洗刷相向移动并以一定夹角夹持晶圆进行刷洗。清洗刷移动组件50包括导轨、丝杠和驱动件，导轨和丝杆分别与清洗刷支撑组件40连接以在丝杠的带动下使清洗刷支撑组件40沿导轨移动，驱动件设置于丝杠的端部，驱动件驱动丝杠动作，从而带动洗刷支撑组件40及清洗刷30整体移动，以使得清洗刷30的两端同时接触或远离晶圆。进一步地，清洗刷两端分别设置丝杆，从而可实现分别调节清洗刷两端的移动距离。
33.如图1所示，清洗刷旋转组件60包括设置于清洗刷30端部的用于驱动清洗刷30转动的驱动电机。驱动电机驱动清洗刷30沿其轴线滚动。驱动电机具有扭矩监控模块，其能够监测驱动电机的负载扭矩。该负载扭矩和清洗刷30与晶圆的距离有关。清洗刷30与晶圆的距离越近，其与晶圆之间的摩擦力较大，驱动电机的负载扭矩越大；反之，清洗刷30与晶圆的距离越远，其与晶圆之间的摩擦力较小，驱动电机的负载扭矩越小。因此，通过监测驱动电机的负载扭矩可以间接控制清洗刷30的移动位置。在晶圆清洗过程中，通过驱动电机的负载扭矩能够准确监控清洗刷30与晶圆的接触状态，实现很好的晶圆清洗效果。
34.本实用新型实施例提供的控制器用于在清洗刷从起始位移动至与晶圆接触进行刷洗的过程中，获取所述驱动电机的负载扭矩；并根据所述负载扭矩控制所述清洗刷移动组件调整清洗刷的移动夹持行程以使刷洗时的摩擦力保持稳定。
35.在本实用新型的一个实施例中，控制器包括：
36.第一计算模块，用于计算所述负载扭矩与扭矩设定值之间的差值δt；
37.第二计算模块，用于利用所述差值δt与清洗刷的应变σ、清洗刷的弹性模量e、刷洗的摩擦系数f和所述移动夹持行程s之间的函数关系，计算所述移动夹持行程s。
38.如图2所示，结合图1简述晶圆清洗的作业方式。
39.第一步，由机械手将待清洗晶圆w放置于晶圆旋转组件20，此时，清洗刷30与晶圆w的侧面预留一定距离，从而为机械手提供作业空间；
40.第二步，晶圆旋转组件20带动晶圆w绕其轴线旋转，流体喷射装置(未示出)朝向旋转的晶圆w喷射清洗液，如酸性或碱性的清洗液；
41.第三步，两个清洗刷30绕其轴线滚动并朝向晶圆w的位置移动，使得清洗刷30与晶圆w的表面接触，并且第一清洗刷和第二清洗刷之间并不是完全平行的，具有一定夹角。举例来说，第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端加紧晶圆，第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端略接触晶圆。换句话说，第一清洗刷的第一端和第二清洗刷的第一端之间的间距小于第一清洗刷的第二端和第二清洗刷的第二端之间的间距；
42.第四步，清洗刷30滚动刷洗晶圆w的表面，去除晶圆表面的污染物，实现晶圆的表面刷洗；
43.第五步，晶圆刷洗完毕后，清洗刷30朝向晶圆w的外侧移动，清洗刷30与晶圆w的表面分离；
44.第六步，流体喷射装置(未示出)继续朝向旋转的晶圆w喷射清洗液，持续冲洗一段时间后停止晶圆旋转，机械手将完成清洗的晶圆w转移至下一工序。
45.由晶圆清洗的作业方式可知，在晶圆刷洗的开始阶段和结束阶段，需要移动清洗刷30的位置。由于清洗刷30与晶圆w的距离决定了清洗刷30与晶圆w的接触状态，两者的接触状态与晶圆表面清洗的效果直接相关。因此，需要精确控制两个清洗刷30的移动夹持行程。
46.基于以上分析，本实用新型实施例提供了一种可动态调整的晶圆清洗方法，包括：
47.步骤s1，在清洗刷从起始位移动至与晶圆接触进行刷洗的过程中，测量驱动清洗刷转动的驱动电机的负载扭矩；
48.步骤s2，根据所述负载扭矩调整清洗刷的移动夹持行程以使刷洗时的摩擦力保持稳定。
49.本实施例中，清洗刷和晶圆之间的摩擦力与驱动清洗刷转动的驱动电机的负载扭矩成正比关系，可以用负载扭矩表征刷洗时的摩擦力，通过调整清洗刷的移动夹持行程控制负载扭矩从而控制摩擦力。
50.具体地，步骤s2可以包括：将负载扭矩与扭矩设定值进行比较；当负载扭矩达到扭矩设定值时，移动夹持行程不变，即使两个清洗刷保持当前的夹持间距；当负载扭矩小于扭矩设定值时，增加移动夹持行程，以缩小两个清洗刷之间的夹持间距；当负载扭矩大于扭矩设定值时，减小移动夹持行程，以增大两个清洗刷之间的夹持间距。
51.本实用新型实施例能够实现在晶圆清洗过程中使清洗刷与晶圆之间的摩擦力维持在所需范围内，从而保证晶圆清洗过程稳定，提高清洗效果。
52.在本实用新型的一个实施例中，步骤s2包括：
53.步骤s21，计算所述负载扭矩与扭矩设定值之间的差值δt；
54.步骤s22，利用所述差值δt与清洗刷的应变σ、清洗刷的弹性模量e、刷洗的摩擦系数f和所述移动夹持行程s之间的函数关系，计算所述移动夹持行程s。
55.在本实用新型的一个实施例中，所述清洗刷的应变σ是以(s
‑
s
′
)为变量的函数，其
中，s为所述移动夹持行程，s
′
为清洗刷刚接触晶圆时的固定夹持行程。
56.可以理解的是，移动夹持行程s是指清洗刷从起始位朝向晶圆移动过程中的行程，是一个变量。固定夹持行程s
′
是一个固定的经验值，可以为清洗刷从起始位移动至刚好与晶圆接触时的行程。
57.进一步地，所述清洗刷的应变σ是对不同耗材种类的清洗刷进行试验测量得到的实验数据拟合而成的以(s
‑
s
′
)为变量的关系曲线所对应的函数。
58.在本实用新型的一个实施例中，所述清洗刷的弹性模量e是以清洗刷硬度k和液体流量v为变量的函数。
59.进一步地，所述清洗刷的弹性模量e是对不同耗材种类的清洗刷进行试验测量得到的实验数据拟合而成的以清洗刷硬度k和液体流量v为变量的关系曲线所对应的函数。
60.在本实用新型的一个实施例中，所述刷洗的摩擦系数f是以清洗刷使用时间t和液体流量v为变量的函数。
61.进一步地，所述刷洗的摩擦系数f是对不同耗材种类的清洗刷进行试验测量得到的实验数据拟合而成的以清洗刷使用时间t和液体流量v为变量的关系曲线所对应的函数。
62.在本实用新型的一个实施例中，步骤s2可以根据以下算式计算所述移动夹持行程：
63.δt＝σ(s
‑
s
′
)*e(k,v)*f(t,v)*(r+s
′‑
s)
64.其中，δt为所述负载扭矩与扭矩设定值之间的差值，σ(s
‑
s
′
)为所述清洗刷的应变，s为所述移动夹持行程，s
′
为清洗刷刚接触晶圆时的固定夹持行程，e(k,v)为所述清洗刷的弹性模量，k为清洗刷硬度，v为刷洗时供给至清洗刷表面的液体流量，f(t,v)为所述刷洗的摩擦系数，t为清洗刷使用时间，r为清洗刷的圆柱面半径。
65.为了便于理解，如图3所示，以一个具体应用场景为例说明本实用新型实施例提供的晶圆清洗方法。
66.1)开始后，晶圆旋转，两个清洗刷朝向晶圆移动进行夹持；
67.2)判断清洗时间是否到达结束时间；
68.3)若未到结束时间，则记录清洗时长，并将负载扭矩与扭矩设定值进行比较；
69.4)若负载扭矩达到扭矩设定值，则移动夹持行程不变，两个清洗刷保持当前位置；
70.5)若负载扭矩小于扭矩设定值，则增加移动夹持行程，缩小两个清洗刷之间的夹持间距；
71.6)若负载扭矩大于扭矩设定值，则减小移动夹持行程，增大两个清洗刷之间的夹持间距；
72.7)若到达刷洗结束时间，则驱动清洗刷张开，在晶圆冲洗后停止旋转完成清洗。
73.综上所述，本实用新型实施例可以避免由于夹持间距零点判定误差造成的刷洗摩擦力不稳定问题，可以避免由于清洗刷磨损、晶圆厚度变化等因素造成的刷洗摩擦力不稳定问题，能够保证晶圆清洗过程稳定，提高清洗效果。
74.本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本实用新型实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
75.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、
“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
76.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。