一种清洗刷组件和晶圆清洗装置的制作方法

1.本发明涉及化学机械抛光后处理技术领域，尤其涉及一种清洗刷组件和晶圆清洗装置。


背景技术：

2.在半导体领域，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。在晶圆制程中，例如：沉积、等离子体刻蚀、光刻、电镀等等，都有可能在晶圆表面引入污染和/或颗粒，导致晶圆表面的清洁度下降，制造的半导体器件良率不高。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。
3.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。
4.晶圆清洗方式有滚刷清洗、兆声清洗等，其中，滚刷清洗应用较为广泛。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。
5.然而现有的滚刷结构不合理，其内部供液难以实现均匀分布，轴向出液不均匀导致滚刷表面的液体浸润效果不均匀，滚刷表面施加于晶圆的刷洗力分布不均匀，进而影响晶圆最终的清洗效果。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种清洗刷组件和晶圆清洗装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.本发明实施例的第一方面提供了一种清洗刷组件，包括：中芯轴和多孔材料刷体，所述多孔材料刷体包覆所述中芯轴的外表面并形成一体，所述中芯轴为中空结构以形成贯通长度两端的通液管道，所述中芯轴的轴壁具有多个均匀分布的出液孔以及多个均匀分布的长条形凹槽，所述出液孔贯通所述中芯轴的轴壁，所述长条形凹槽的长度平行于所述中芯轴的长度，所述长条形凹槽的深度小于所述中芯轴的轴壁厚度，所述长条形凹槽内设有至少两个出液孔。
8.在一个实施例中，两个出液孔分布在所述长条形凹槽的两端。
9.在一个实施例中，所述长条形凹槽的长度方向平行于中芯轴的轴向，位于相同长度方向上的多个长条形凹槽间隔排列，位于不同长度方向上的长条形凹槽错位排列。
10.在一个实施例中，所述中芯轴的外表面还设有防滑结构，用于固定所述多孔材料刷体避免所述多孔材料刷体发生扭转。
11.在一个实施例中，所述长条形凹槽的深度为1mm～3mm。
12.在一个实施例中，所述长条形凹槽的长度为10mm～20mm。
13.在一个实施例中，所述中芯轴的材质为abs树脂。
14.在一个实施例中，所述中芯轴的一端连接进液机构。
15.在一个实施例中，所述中芯轴的另一端连接驱动机构。
16.本发明实施例的第二方面提供了一种晶圆清洗装置，包括箱体、晶圆旋转组件以及如上所述的清洗刷组件。
17.本发明实施例的有益效果包括：在中芯轴的轴壁增设了多个长条形凹槽，长条形凹槽的内部还具有连通中芯轴轴壁的至少两个出液孔，通过进液机构向中芯轴中注入清洗液，随着中芯轴旋转，清洗液通过出液孔排出并首先流入长条形凹槽，当由出液孔流入长条形凹槽内的清洗液将长条形凹槽充满之后才有液体进入多孔材料刷体内，能够实现中芯轴沿轴向均匀出水，从而实现了对出液的匀流，清洗液能够均匀分配到中芯轴轴向各处的长条形凹槽内，再在离心力作用下甩出至多孔材料刷体处；通过增设带有出液孔的长条形凹槽可以有效调节清洗液在中芯轴内的流速分布，使得清洗液可以沿中芯轴的轴向均匀排出，避免产生偏流现象而导致多孔材料刷体各处润湿程度不同进而在夹持晶圆进行刷洗时使晶圆各处受理不均匀的问题，能够提高刷洗的一致性，使晶圆在刷洗中受力均匀，达成清洗一致性，优化了清洗的效果。
附图说明
18.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，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
19.图1示出了本发明一实施例提供的晶圆清洗装置；
20.图2和图3示出了本发明一实施例提供的中芯轴；
21.图4和图5示出了本发明另一实施例提供的中芯轴；
22.图6示出了图5中的中芯轴上的防滑结构；
23.图7示出了本发明一实施例提供的中芯轴的尺寸；
24.图8至图10示出了本发明一实施例提供的中芯轴的各剖面视图。
具体实施方式
25.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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明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。
26.此外，还需要说明的是，本技术中使用的例如前、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。
27.为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
28.在本技术中，化学机械抛光(chemical mechanical polishing)也称为化学机械平坦化(chemical mechanical planarization)，晶圆(wafer)也称为晶片、硅片、基片或基板(substrate)等，其含义和实际作用等同。
29.图1是本发明一个实施例提供的晶圆清洗装置1的结构示意图，晶圆清洗装置1包括箱体10、晶圆旋转组件20、清洗刷组件40、驱动机构30。
30.如图1所示，在本发明的一个实施例中，晶圆旋转组件20设置于底座的上部，待清洗晶圆由晶圆旋转组件20支撑并绕晶圆的轴线旋转。
31.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，卡槽绕辊轮的外周侧设置。主动辊轮和从动辊轮设置于固定座并且卡槽位于同一平面内。从动辊轮设置于固定座的中部，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的晶圆由卡槽限位，晶圆的外缘与卡槽的底面相切设置。主动辊轮配置有驱动电机，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。
32.在一个实施例中，从动辊轮上设置有用于检测晶圆转速的转速传感器，转速传感器可以由霍尔传感器或光电开关传感器实现。
33.如图1所示，在本发明的一个实施例中，晶圆清洗装置1共设有两组清洗刷组件40，分别设置于待清洗晶圆的两侧，可绕自身轴线滚动以接触待清洗晶圆的表面进行刷洗。在清洗过程中，箱体10中的喷淋组件向晶圆表面喷淋大量去离子水和/或清洗液。清洗刷组件40能够吸附大量用于刷洗晶圆表面的清洗液。滚动的清洗刷组件40与旋转的晶圆接触以移除晶圆表面的污染物。位于晶圆两侧的清洗刷组件40可以沿水平方向移动以远离或靠近晶圆。清洗刷组件40远离晶圆时，清洗刷组件40与晶圆预留一定间隙，晶圆搬运机械手可夹持晶圆以取走完成清洗的晶圆；清洗刷组件40靠近晶圆移动，清洗刷组件40与晶圆抵接并以接触的方式实施晶圆表面的清洗。
34.如图1所示，驱动机构30用于带动两个清洗刷组件40相向移动并以一定夹角夹持晶圆进行滚动刷洗。驱动机构30包括清洗刷支撑组件和清洗刷移动组件。
35.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组件40。
36.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组件40整体移动。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，从而带动清洗刷支撑组件及清洗刷组件40整体移动，以使得清洗刷组件40的两端同时接触或远离晶圆。进一步地，清洗刷组件40两端分别设置丝杆，从而可实现分别调节清洗刷组件40两端的移动距离。
37.结合图1简述晶圆清洗的作业方式：
38.首先，由机械手将待清洗晶圆放置于晶圆旋转组件20，此时，清洗刷组件40与晶圆
的侧面预留一定距离，从而为机械手提供作业空间；在摩擦力作用下，晶圆旋转组件20带动晶圆绕其轴线旋转；
39.接着，未示出的流体喷射装置朝向旋转的晶圆喷射清洗液，如酸性或碱性的清洗液；
40.接着，清洗刷组件40绕其轴线滚动并朝向晶圆的位置移动，使得清洗刷组件40与晶圆的表面接触；清洗刷组件40滚动刷洗晶圆的表面，去除晶圆表面的污染物，实现晶圆的表面刷洗；
41.晶圆刷洗完毕后，清洗刷组件40朝向晶圆的外侧移动，清洗刷30与晶圆的表面分离；
42.接着，未示出的流体喷射装置继续朝向旋转的晶圆喷射清洗液，持续一段时间后，机械手将完成清洗的晶圆转移至下一工序。
43.本发明实施例提供的一种清洗刷组件40，其包括中芯轴41和多孔材料刷体42，多孔材料刷体42包覆中芯轴41的外表面并形成一体。
44.其中，多孔材料刷体42为圆筒状结构，其由具有良好吸水性的多孔材料制成，如聚乙烯醇(pva)制成。多孔材料刷体42还可以包括其它的和/或不同的材料，并且可以显示其它的和/或不同的材料性质。多孔材料刷体42充液后会变软，软化后可以对晶圆进行刷洗，所以在清洗过程中需要随时使多孔材料刷体42保持充液的状态，并且保证多孔材料刷体42的均匀润湿也是十分必要的。多孔材料刷体42包括外表面，此外表面可以进行造型。例如，多孔材料刷体42的外表面可以包括诸如节结之类的凸起的表面特征部件。可替换地，在其它实施例中，多孔材料刷体42的外表面可以包括光滑的几何形状。
45.中芯轴41的材质为abs树脂。abs指丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。中芯轴41采用abs树脂材质，其吸水率低，能够减少液体损耗，并且材料稳定性好，不受水、碱和多种酸的影响。
46.如图2和图3所示，中芯轴41的外表面端部沿圆周方向设有定位凸起43，以确保多孔材料刷体42安装至包裹中芯轴41外表面时多孔材料刷体42不会延伸穿过此定位凸起43，防止多孔材料刷体42在工作过程中多孔材料刷体42沿轴向移动而脱离中芯轴41。
47.如图3所示，在一个实施例中，中芯轴41为中空结构以形成贯通长度两端的通液管道，通液管道内用于流入液体。在晶圆清洗过程中，不时有液体从通液管道流过，从而保证多孔材料刷体42维持润湿的状态。
48.中芯轴41的一端连接进液机构，中芯轴41的另一端连接驱动机构。进液机构开设有进液口，进液口与中芯轴41内部的通液管道连通，通过进液机构不断地向中芯轴41内部注入清洗液，以向多孔材料刷体42提供清洗液，使多孔材料刷体42保持湿润的状态。驱动机构用于实现中芯轴41旋转。
49.如图7所示，中芯轴41的外形尺寸为：外径a的范围在30mm～40mm之间，长度l的范围在300mm～400mm之间。此外形尺寸的中芯轴41可专门用于清洗12寸晶圆。目前市场上清洗刷对中芯轴41的外观、尺寸及材质都没有统一的标准，本实施例主要针对清洗刷组件40的中芯轴41的外观尺寸以及材质进行标准化。如图9所示，中芯轴41的轴内径c的范围在15mm～20mm之间。
50.如图2至图5所示，中芯轴41的轴壁具有多个均匀分布的出液孔44，出液孔44贯通
中芯轴41的轴壁，出液孔44连通中芯轴41的外表面和内表面。随着在晶圆清洗过程中驱动机构驱动中芯轴41旋转，流入中芯轴41内部通液管道的液体在离心力作用下可以由出液孔44向外排出，从而进入多孔材料刷体42内，被多孔材料刷体42吸收，使多孔材料刷体42润湿软化，软化后的多孔材料刷体42可以刷洗晶圆表面。
51.由于进液机构仅设置在中芯轴41的一端，而中芯轴41的长度较长，流入中芯轴41内的液体会出现偏流、分布不均匀的现象，具体包括：对于进液机构流入小流量进液时，中芯轴41靠近进液机构的一端出液量最大，沿轴向出液量逐渐减小，至其远离进液机构的最远端已无出液；对于进液机构流入中流量进液而言，中芯轴41的中部区域的出液量较大，两端流量较小；对于进液机构流入大流量进液而言，中芯轴41靠近进液机构的一端无出液，沿轴向出液量逐渐增多，至其远离进液机构的最远端的出液量最大。由此无论清洗液的流量大小，均无法实现均匀分布出液。
52.为了至少解决上述技术问题，如图2至图5所示，在本发明的一个实施例中，中芯轴41的轴壁还具有多个均匀分布的长条形凹槽45，长条形凹槽45的长度方向平行于中芯轴41的长度方向，长条形凹槽45的深度小于中芯轴41的轴壁厚度，长条形凹槽45并没有贯通中芯轴41的轴壁，长条形凹槽45内设有至少两个出液孔44。
53.如图2至图5所示，长条形凹槽45的长度方向平行于中芯轴41的轴向，位于相同长度方向上的多个长条形凹槽45间隔排列，即同一排的长条形凹槽45间隔排列；位于不同长度方向上的长条形凹槽45错位排列，即不同排的长条形凹槽45错位排列，处于不同的周向。这样设置提高了出液的均匀性，在不同周向上均布置了长条形凹槽45，可以使多孔材料刷体42的各处均匀润湿。另外，中芯轴41的轴壁还设有内外贯通的出液孔44，有的出液孔44位于长条形凹槽45内，有的出液孔44位于长条形凹槽45之间，以使出液孔44在中芯轴41的轴壁均匀分布。
54.本实施例在中芯轴41的轴壁增设了多个长条形凹槽45，长条形凹槽45的内部还具有连通中芯轴41轴壁的至少两个出液孔44，通过进液机构向中芯轴41中注入清洗液，随着中芯轴41旋转，清洗液通过出液孔44排出并首先流入长条形凹槽45，当由出液孔44流入长条形凹槽45内的清洗液将长条形凹槽45充满之后才有液体进入多孔材料刷体42内，能够实现中芯轴41沿轴向均匀出水，从而实现了对出液的匀流，清洗液能够均匀分配到中芯轴41轴向各处的长条形凹槽45内，再在离心力作用下甩出至多孔材料刷体42处。通过增设带有出液孔44的长条形凹槽45可以有效调节清洗液在中芯轴41内的流速分布，使得清洗液可以沿中芯轴41的轴向均匀排出，避免产生偏流现象而导致多孔材料刷体42各处润湿程度不同进而在夹持晶圆进行刷洗时使晶圆各处受理不均匀的问题。本实施例能够提高刷洗的一致性，使晶圆在刷洗中受力均匀，达成清洗一致性，优化了清洗的效果。
55.另外，中芯轴41的外表面设置长条形凹槽45，还可以使具有弹性的多孔材料刷体42的内表面在发泡后嵌入这些长条形凹槽45内，可以增加中芯轴41和多孔材料刷体42两者之间的接触面积，使得在中芯轴41的外表面接触多孔材料刷体42时产生高摩擦，从而防止多孔材料刷体42和中芯轴41之间的滑动，实现多孔材料刷体42和中芯轴41之间防转的效果，避免多孔材料刷体42在刷洗晶圆时发生轴向的扭转，使转矩保持稳定。
56.进一步，在一个实施例中，两个出液孔44分布在长条形凹槽45的两端，有利于使长条形凹槽45内部充满液体后再溢出，提高了长条形凹槽45能够实现的匀流均布的效果，从
而极大地提高清洗液在多孔材料刷体42上的分布均匀性，使得多孔材料刷体42各处均浸润有清洗液。本实施例还可以大大提高中芯轴41的出水率，在有限流量下达到最大清洗效果。
57.图8示出了出液孔44所在位置的沿中芯轴41圆周向的剖面图，其中，出液孔44的内径长b为1mm～2mm。
58.图10示出了长条形凹槽45所在位置的沿中芯轴41轴向的剖面图，长条形凹槽45的长度d为10mm～20mm，长条形凹槽45的深度e为1mm～3mm。
59.进一步，在本发明提供的中芯轴41结构的基础上，优选地，中芯轴41可设计为渐扩式结构，即中芯轴41的内径沿靠近进液机构的一端至远离进液机构的一端的方向逐渐减小，换句话说，中芯轴41的靠近进液机构的一端的内径较大，而中芯轴41的远离进液机构的一端的内径较小。中芯轴41的内表面平滑延伸，即中芯轴41沿轴向的剖面呈梯形，其两个长边的延长线夹角为锐角。对于进液流速较小的清洗液液流而言，由于中芯轴41的内径逐渐减小，在相同进液压力下，小内径区域内的清洗液流速会进一步提高，使得清洗液在中芯轴41的远离进液机构的区域也具有较高且稳定的流速，进一步保证清洗液可以流经中芯轴41的最远端。
60.在一个实施例中，中芯轴41的外表面还设有防滑结构46，用于固定多孔材料刷体42避免多孔材料刷体42发生扭转。防滑结构46可以是沿着中芯轴41端部外周的环形凸起，以增大中芯轴41和多孔材料刷体42之间的摩擦力。并且，环形凸起至少设置有两个，分别位于中芯轴41的左右两端。进一步，环形凸起的表面设有锯齿状特征，以进一步增大中芯轴41和多孔材料刷体42之间的摩擦力，避免多孔材料刷体42在刷洗晶圆时发生扭转。
61.相应地，多孔材料刷体42的内表面可以包括诸如凸起、滚花、槽、粗糙表面等的特征部件，这些特征部件在多孔材料刷体42的内表面接触中芯轴41时产生高摩擦，从而防止多孔材料刷体42和中芯轴41之间的滑动，避免多孔材料刷体42在刷洗晶圆时发生轴向的扭转，使转矩保持稳定。多孔材料刷体42的内表面可以包含附加的和/或其它的特征。
62.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。
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。

技术特征：
1.一种清洗刷组件，其特征在于，包括：中芯轴和多孔材料刷体，所述多孔材料刷体包覆所述中芯轴的外表面并形成一体，所述中芯轴为中空结构以形成贯通长度两端的通液管道，所述中芯轴的轴壁具有多个均匀分布的出液孔以及多个均匀分布的长条形凹槽，所述出液孔贯通所述中芯轴的轴壁，所述长条形凹槽的长度平行于所述中芯轴的长度，所述长条形凹槽的深度小于所述中芯轴的轴壁厚度，所述长条形凹槽内设有至少两个出液孔。2.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，两个出液孔分布在所述长条形凹槽的两端。3.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，所述长条形凹槽的长度方向平行于中芯轴的轴向，位于相同长度方向上的多个长条形凹槽间隔排列，位于不同长度方向上的长条形凹槽错位排列。4.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，所述中芯轴的外表面还设有防滑结构，用于固定所述多孔材料刷体避免所述多孔材料刷体发生扭转。5.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，所述长条形凹槽的深度为1mm～3mm。6.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，所述长条形凹槽的长度为10mm～20mm。7.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，所述中芯轴的材质为abs树脂。8.如权利要求1所述的清洗刷组件，其特征在于，所述中芯轴的一端连接进液机构。9.如权利要求8所述的清洗刷组件，其特征在于，所述中芯轴的另一端连接驱动机构。10.一种晶圆清洗装置，其特征在于，包括箱体、晶圆旋转组件以及如权利要求1至9任一项所述的清洗刷组件。

技术总结
本发明公开了一种清洗刷组件和晶圆清洗装置，该清洗刷组件包括：中芯轴和多孔材料刷体，所述多孔材料刷体包覆所述中芯轴的外表面并形成一体，所述中芯轴为中空结构以形成贯通长度两端的通液管道，所述中芯轴的轴壁具有多个均匀分布的出液孔以及多个均匀分布的长条形凹槽，所述出液孔贯通所述中芯轴的轴壁，所述长条形凹槽的长度平行于所述中芯轴的长度，所述长条形凹槽的深度小于所述中芯轴的轴壁厚度，所述长条形凹槽内设有至少两个出液孔。晶圆清洗装置包括箱体、晶圆旋转组件以及该清洗刷组件。洗刷组件。洗刷组件。


技术研发人员：周斌 王占胜 孙新颖 贾弘源
受保护的技术使用者：华海清科股份有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/21