一种晶圆水平清洗装置的制作方法

1.本发明属于晶圆后处理技术领域，具体而言，涉及一种晶圆水平清洗装置。


背景技术：

2.集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及集成电路设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序中的五大核心制程之一。
3.化学机械抛光(chemical mechanical polishing, cmp)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵接抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。
4.化学机械抛光后的晶圆表面会残留大量的颗粒物，因此，需要对晶圆进行清洗、干燥等后处理。
5.图1示出了现有技术中的晶圆水平清洗装置，旋转驱动单元10’驱动晶圆夹持盘20’及其上的晶圆旋转，在晶圆的正面及背面设置喷射组件，以朝向晶圆喷射化学药液，实现晶圆表面的清洗。
6.水平夹持的晶圆下部设置有晶圆背喷组件30’，背面清洗所需化学药液的输送由晶圆背喷组件30’来完成。在晶圆清洗过程中，旋转驱动单元10’带动晶圆高速旋转，而晶圆背喷组件30’为固定状态；旋转驱动单元10’通过中空轴40’来带动晶圆夹持盘20’旋转，同时中空轴40’内部嵌入处于固定状态的喷淋管路，以完成化学药液的供给，实现晶圆背面的清洗。
7.图1所示的实施例中，在旋转驱动单元10’与晶圆背喷组件30’之间设置轴承，以实现旋转部件与固定部件之间的动静隔离。但这种结构存在一些技术问题：如中空轴40’加工装配精度不高，致使安装轴心与实际轴心不一致性的问题，轴承磨损产生的颗粒物进入腔室内部，致使晶圆清洗效果变差的问题，以及清洗的化学液进入转动部件内部，造成晶圆清洗装置运行稳定性降低的问题。


技术实现要素：

8.本发明实施例提供了一种晶圆水平清洗装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
9.本发明实施例的第一方面提供了一种晶圆水平清洗装置，包括：夹持盘，其水平夹持晶圆；背喷组件，其同轴、间隙设置于所述夹持盘的中间位置；支撑轴，其设置于所述背喷组件下部；
驱动电机，其转动部件与夹持盘连接，以带动夹持盘及其上的晶圆旋转；所述背喷组件包括喷射体，所述喷射体包括朝向晶圆喷射流体的喷射头；所述喷射头的外周侧配置有集液结构，以汇聚滴落至喷射体的液滴；所述喷射体还包括抽吸结构，其设置于所述喷射体与夹持盘的交接处，以朝向喷射体与夹持盘之间的间隙抽吸流体。
10.在一个实施例中，所述集液结构包括集液槽、进液孔道和内侧汇流孔道，所述集液槽设置于所述喷射头的外周侧，所述进液孔道自所述集液槽的底面向下延伸并与所述内侧汇流孔道相连通；所述喷射体还配置有排液孔道，所述排液孔道与所述内侧汇流孔道相连通，以将汇集的液体向外排放。
11.在一个实施例中，所述集液槽为环形槽，其同心设置于所述喷射头的外周侧。
12.在一个实施例中，所述进液孔道的数量为多个，其沿所述喷射体的长度方向延伸设置。
13.在一个实施例中，所述喷射体还包括第一环形凸起，其同心设置于所述喷射头的外周侧；所述喷射体还包括第二环形凸起，其设置于所述第一环形凸起的外周侧，所述第一环形凸起与第二环形凸起之间形成流体槽。
14.在一个实施例中，所述抽吸结构设置于所述流体槽，其包括抽气孔道、外侧汇流孔道和排气孔道，所述抽气孔道自所述流体槽的底面向下延伸并与所述外侧汇流孔道相连通，所述排气孔道与所述外侧汇流孔道连通并设置于其下方。
15.在一个实施例中，晶圆水平清洗装置还包括压盖，其同心套设于所述喷射体的上方；所述压盖的下部配置有压盖凸起，所述压盖凸起朝向所述集液结构设置。
16.在一个实施例中，所述压盖凸起的外周侧配置有压盖凹槽，所述压盖凹槽与所述喷射体之间设置有间隙。
17.在一个实施例中，所述夹持盘的中间位置配置有安装孔，夹持盘的底部配置有夹盘凸起，所述夹盘凸起沿所述安装孔的内侧壁向下延伸设置并罩设于所述流体槽的内部。
18.在一个实施例中，所述安装孔的内侧壁配置有内部螺旋凹槽，所述内部螺旋凹槽的设置位置与所述第一环形凸起的位置相对应。
19.在一个实施例中，所述第一环形凸起的内侧设置有倾斜面，所述倾斜面设置于所述第一环形凸起的上部。
20.在一个实施例中，所述支撑轴为中空结构，其卡接于所述背喷组件的下方；所述支撑轴的外周侧配置有外部螺旋槽。
21.本发明的有益效果包括：a. 在背喷组件的内部设置集液结构，以将滴落至喷射体的液体汇聚并集中排放至清洗腔室的外部；b. 密封设置于夹持盘上的压盖配置有压盖凸起，压盖凸起与集液槽组合，有效避免含有颗粒物的液体进入晶圆水平清洗装置的转动部件；c. 在背喷组件的内部设置抽吸结构，以将经由间隙进入的含有颗粒物的气体抽吸至清洗腔室的外部；夹持盘的下部配置有夹盘凸起，所述夹盘凸起与流体槽组件，有效分离进入间隙的上侧气流与转动部件内部的下侧气流，阻断转动部件的气流进入清洗腔室内部，同时避免腔室中含有颗粒物的气流进入转动部件的内部。
附图说明
22.通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：图1是现有技术中晶圆水平清洗装置的示意图；图2是本发明一实施例提供的晶圆水平清洗装置的示意图；图3是图2中a处的局部放大图；图4是本发明一实施例提供的背喷组件的三维立体图；图5是本发明一实施例提供的喷射体的剖视图；图6是图5中b-b的剖视图；图7是图5中喷射体的俯视图；图8是图5中c-c的剖视图；图9是图5中d-d的剖视图；图10是图6中e-e的剖视图；图11是图7中f-f的剖视图；图12是本发明一实施例提供的压盖的三维图；图13是图12中压盖的剖视图；图14是本发明一实施例提供的夹持盘的示意图；图15是本发明一实施例提供的支撑轴的剖视图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术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。
24.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，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发明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。
25.在本发明中，晶圆(wafer, w)也称基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
26.图2是本发明一实施例提供的晶圆水平清洗装置100的结构示意图，晶圆水平清洗装置100包括：夹持盘10，其水平夹持待处理的晶圆w；背喷组件20，其同轴、间隙设置于夹持盘10的中间位置，以朝向晶圆的背面喷射化学液，实现晶圆表面的清洗；支撑轴30，其设置于背喷组件20的下部，以准确固定背喷组件20，保证背喷组件20与夹持盘10之间的间隙；驱动电机40，驱动电机40的转动部件与夹持盘10连接，以带动夹持盘10及其上的晶圆旋转。
27.图2所示的实施例中，驱动电机40设置于固定架41的下方，固定架41固定于晶圆水平清洗装置的基座；固定架41的下方设置有轴固定座42，支撑轴30同心设置于轴固定座42，并且，支撑轴30同轴、间隙设置于驱动电机40的转动部件中。本发明中，驱动电机40的转动部件为转子，其可拆卸地连接于夹持盘10的下方，驱动电机40能够带动夹持盘10及其上的晶圆w旋转。
28.图3是图2中a处的局部放大图，背喷组件20同轴、间隙设置于夹持盘10的中间位置，以实现晶圆水平清洗装置中转动部件与固定部件的分离。需要说明的是，晶圆水平清洗装置中的转动部件包括驱动电机40的转子，其还包括夹持盘10，以及设置于转子与夹持盘10之间的部件。晶圆水平清洗装置中的固定部件是指背喷组件20。
29.图2所示的实施例中，背喷组件20包括喷射体20a和流体管路20b，流体管路20b设置于喷射体20a的下部。所述喷射体20a包括喷射头21，如图3所示，喷射头21的内部设置有流体通道，所述流体通道通过流体管路20b与外部的清洗液连通，以便于喷射头21能够朝向晶圆的背面喷射清洗液，实现晶圆背面的清洗。
30.本发明摒弃了现有技术中使用轴承连接固定部件及转动部件的方案，支撑轴30及其连接的背喷组件20与驱动电机40的转动部件之间设置间隙，以降低固定部件与转动部件之间的同轴度要求；同时，避免了轴承磨损带来的腔室污染问题。
31.如何合理设置支撑轴30及背喷组件20与驱动电机40的转动部件之间的间隙，成为控制晶圆清洗效果的关键。若所述间隙设置较大，虽然能够降低零部件的加工成本，但清洗腔室与驱动电机40的转动部件之间是相互连通的，转动部件中的颗粒物会经由所述间隙进入清洗腔室的内部，进而影响晶圆的清洗效果；同时，清洗腔室中含有颗粒物的流体也会经由所述间隙进入转动部件的内部，进而影响晶圆水平清洗装置运行的稳定性；甚至有些化学液具有腐蚀性，致使驱动电机40的转动部件腐蚀损坏。若所述间隙设置过小，则会增加零部件加工的制造成本，甚至在晶圆水平清洗装置的运行过程中发生干涉。
32.针对上述技术问题，本发明提供的喷射头21的外周侧配置有集液结构50，如图5所示，集液结构50能够汇聚滴落至喷射体的液滴，并且，将汇聚的液滴引导至晶圆水平清洗装置100的外部，以避免含有颗粒物的液体进入晶圆水平清洗装置的转动部件，保证晶圆水平清洗装置运行的稳定性。
33.图4是本发明一实施例提供的背喷组件20的三维立体图，图5是图4中示出的喷射体20a的纵向剖视图，图6是图5中b-b的剖视图。集液结构50包括集液槽51、进液孔道52和内侧汇流孔道53；其中，集液槽51设置于喷射头21的外周侧，进液孔道52自集液槽51的底面向下延伸，并且，进液孔道52的下部与内侧汇流孔道53相连通。
34.图6中，喷射体20a还配置有排液孔道54，排液孔道54沿喷射体20a的长度方向设置于内侧汇流孔道53的下方，并且，排液孔道54与内侧汇流孔道53相连通，以将汇集的液体向外排放。
35.图7是本发明一实施例提供的喷射体20a的俯视图，集液槽51为环形槽，其同心设置于喷射头21的外周侧。进一步地，喷射体20a配置有多个进液孔道52，进液孔道52沿喷射体20a的长度方向延伸设置。
36.滴落或流淌至集液槽51中的液滴，首先在集液槽51中汇聚，再经由进液孔道52向下传输，并集聚在图6示出的内侧汇流孔道53中，最后，经由排液孔道54向喷射体20a的外部
传输。
37.图7所示的实施例中，进液孔道52的数量为六件，每三件进液孔道52为一组间隔设置在集液槽51中。如此设置的主要目的是：方便设置内侧汇流孔道53，以将多个进液孔道52与内侧汇流孔道53相连通。
38.图8是图5中c-c的剖视图，该剖视图经由内侧汇流孔道53的中轴线剖切；图9是图5中d-d的剖视图，该剖视图经由外侧汇流孔道63的中轴线剖切；图10是图6中e-e的剖视图，该剖视图经由喷射体20a的中轴线剖切；图11是图7中f-f的剖视图，该剖视图经由对角设置的抽气孔道62的中轴线剖切。
39.图5所示的实施例中，内侧汇流孔道53为圆形孔，其沿水平方向设置；并且，位于上侧的进液孔道52与内侧汇流孔道53相连通，以便将汇聚在集液槽51中的液体经由下侧的排液孔道54排出。
40.图4中，喷射体20a还包括第一环形凸起22，第一环形凸起22同心设置于喷射头21的外周侧。喷射头21与第一环形凸起22之间形成图5示出的集液槽51，以盛接晶圆清洗处理过程中滴落的液滴。
41.图2所示的实施例中，晶圆水平清洗装置100还包括压盖70，其同心套设于喷射体20a的上方，以对夹持盘10的中间位置形成密封，避免腔室内的液体无序地向背喷组件20及驱动电机40的转动部件流动。
42.图12是本发明一实施例提供的压盖70的三维图，图13是图12中压盖70的纵向剖视图。压盖70的下部配置有压盖凸起71，压盖凸起71朝向图5示出的集液结构50设置。压盖70的下表面配置有密封凹槽，密封凹槽的内部设置有密封圈，密封圈抵接于压盖70与夹持盘10之间，以避免颗粒物和/或含有颗粒物的液体进入背喷组件20与夹持盘10之间的间隙。
43.进一步地，压盖凸起71的外周侧配置有压盖凹槽72，压盖凹槽72与喷射体20a之间设置有间隙。压盖70的中间位置设置有圆形的贯通孔70a，压盖凸起71为环形凸起结构，背喷组件20的喷射体20a间隙设置于压盖70的贯通孔70a中。滴落至喷射体20a的液体可以在压盖凸起71的引导下，汇聚在集液槽51中。
44.图13中，压盖70的上表面配置有坡面70b，坡面70b围绕贯通孔70a设置，并且，靠近贯通孔70a的竖向高度大于远离贯通孔70a的竖向高度，以便于将滴落至压盖70上表面的液体朝向贯通孔70a的外侧引导，以减少晶圆清洗过程中产生的液滴经由贯通孔70a滴落至图4示出的集液槽51。
45.图2所示的实施例中，压盖70与背喷组件20组合作用，以集中将滴落在喷射体20a以及喷射体20a与贯通孔70a之间的间隙内的液滴引导至集液结构50的集液槽51。
46.图3中，压盖凸起71插接于喷射体20a的集液槽51，同时，喷射体20a的第一环形凸起22插接于压盖凹槽72。压盖凸起71沿竖直方向局部插接于集液槽51的内部，滴落至贯通孔70a的液体可以在压盖凸起71的引导下，汇聚在集液槽51中。
47.图6所示的实施例中，第一环形凸起22的内侧设置有倾斜面22a，倾斜面22a设置于第一环形凸起22的上部；具体地，倾斜面22a自第一环形凸起22的内侧壁向上向外倾斜而成。如此设置，倾斜面22a与压盖凸起71之间的缝隙尺寸不恒定。即缝下部的尺寸较缝上部的尺寸小，以避免液滴经由所述缝朝向第一环形凸起22的外侧流淌而进入驱动电机40的传动部件，降低转动部件腐蚀的风险。
48.作为本发明的一个实施例，喷射体20a还包括第二环形凸起23，如图4所示，第二环形凸起23同心设置于第一环形凸起22的外周侧，并且，第二环形凸起23位于第一环形凸起22的下方。第一环形凸起22与第二环形凸起23之间形成流体槽61，如图6所示。
49.图5所示的实施例中，喷射头21的外周侧配置有抽吸结构60，抽吸结构60设置于喷射体20a与夹持盘10的交接处，以朝向喷射体20a与夹持盘10之间的间隙抽吸流体。此处的流体主要是气体，即可能混合有颗粒物的气体。
50.进一步地，抽吸结构60设置于流体槽61，抽吸结构60包括抽气孔道62、外侧汇流孔道63和排气孔道64，如图5所示。其中，抽气孔道62自流体槽61的底面向下延伸设置，并且，抽气孔道62与外侧汇流孔道63相连通，排气孔道64与外侧汇流孔道63连通，并设置于外侧汇流孔道63的下方。
51.图5中，外侧汇流孔道63的截面为圆形孔，其垂直于喷射体20a的中轴线设置。图9所示的实施例中，与外侧汇流孔道63相连通的抽气孔道62的数量为多个。抽气孔道62成对设置并对称设置于喷射体20a中心线的两侧，排气孔道64设置于外侧汇流孔道63的端部。
52.本发明中，夹持盘10与抽吸结构60组合，将进入间隙内的气流通过抽吸结构60集中向外排放，避免图3示出的上侧气流与下侧气流的分离的混合，以保证腔室的洁净度。
53.图14是本发明一实施例提供的夹持盘10的示意图，夹持盘10的中间位置配置有安装孔10a，图4示出的背喷组件20经由安装孔10a、同轴安装于夹持盘10。进一步地，夹持盘10的底部配置有夹盘凸起11，夹盘凸起11为环状结构，其沿安装孔10a的内侧壁向下延伸而成。
54.夹持盘10的夹盘凸起11与背喷组件20的第二环形凸起23组合，能够控制背喷组件20与晶圆水平清洗装置中转动部件之间的间隙的气流。下面结合图3简述实现气流控制的机理。
55.图3中，夹盘凸起11卡接于喷射体20a的流体槽61中，夹盘凸起11与内侧的第一环形凸起22的外侧壁设置有缝隙，夹盘凸起11与外侧的第二环形凸起23的内侧壁设置有缝隙，即背喷组件20与夹持盘10的第二环形凸起23处形成迷宫密封结构。
56.抽吸结构60的抽气孔道62可以抽吸进入流体槽61的气流，而阻止或减弱位于迷宫密封结构下侧的气流进入流体槽61。图3中的点划线是大致以迷宫密封结构而划设，上侧是指位于迷宫密封结构的上侧，下侧是指位于迷宫密封结构的下侧。本发明中抽吸结构60的设置，能够有效避免上侧气流与下侧气流混合，避免清洗腔室中含有颗粒物的流体进入驱动电机40的转动部件。同时，由于驱动电机40中转动部件的运行可能会产生颗粒物，本发明配置的抽吸结构60，也能够避免转动部件产生的颗粒物进入清洗腔室中。
57.图14中，安装孔10a的内侧壁配置有内部螺旋凹槽12，内部螺旋凹槽12的设置位置与第一环形凸起22的位置相对应，以在背喷组件20与旋转的夹持盘10之间的间隙处形成气封，避免外部的颗粒物进入清洗腔室的内部。在一些实施例中，内部螺旋凹槽12的宽度为2-3mm，内部螺旋凹槽12的深度为1-3mm，内部螺旋凹槽12的螺距为3-5mm。
58.图15是本发明提供的支撑轴30的结构示意图，支撑轴30为中空结构，以便于在支撑轴30的内部设置流体管路20b。需要说明的是，流体管路20b不局限于供给清洗液的管路，也包括与集液结构50的排液孔道54连通的管路，也包括与抽吸结构60的排气孔道64连通的管路。
59.进一步地，支撑轴30通过精密的间隙配合卡接于喷射体20a的下方。可以理解的是，支撑轴30也可以通过螺纹结构与喷射体20a连接。
60.为了增强静态部件与晶圆水平清洗装置的转动部件之间的密封，支撑轴30的外周侧配置有外部螺旋槽31，如图15所示。外部螺旋槽31为多段，其间隔设置于支撑轴30的上部。
61.本发明中，无论是夹持盘10上的内部螺旋凹槽12，还是支撑轴30的外部螺旋槽31，都需要背喷组件20与旋转部件相对运动，才能更好的实现两者的动态密封。优选地，夹持盘10相对于背喷组件20的转速不低于450rpm。而本发明公开的晶圆水平清洗装置100的背喷组件20具有集液和抽吸的功能，在夹持盘10转速降低或静止时，通过背喷组件20中的集液结构50和抽吸结构60，能够优化清洗腔室中的气流，避免清洗腔室中的洁净度降低，提升证晶圆的清洗效果。
62.需要说明的是，在晶圆水平清洗装置运行过程中，可能会出现集液槽51中液体过多的情况，以致于部分液体沿第一环形凸起22的上沿向流体槽61流淌。汇聚在流体槽61处的部分液体也可以经由抽气孔道62、外侧汇流孔道63进入排气孔道64。因此，在一些实施例中，排气孔道64的末端可以配置水气分离装置，以合理处理晶圆水平清洗装置100中排出的废气和/或废液。
63.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发明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。
64.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。