一种微间隙真空辅助高效清洗系统的制作方法

本发明涉及半导体制造及先进封装，具体涉及一种用于3d集成电路封装中微米/亚微米级间隙结构的清洗系统，尤其适用于芯片堆叠、硅通孔（tsv）、玻璃通孔（tgv）及晶圆级封装（wlp）中的残留污染物去除作业。

背景技术：

1、在半导体制造进入先进封装驱动的后摩尔时代，2.5d/3d芯片堆叠、硅通孔（tsv）、玻璃通孔（tgv）、晶圆级封装（wlp）及高带宽内存（hbm）已成为提升集成度与算力密度的核心技术路径。此类架构普遍引入微米/亚微米级、高深宽比（最高10:1及以上）、超高密度的微间隙结构，例如hbm堆叠芯片间20μm及以下的层间间隙、tsv/tgv的深孔内壁、重布线层（rdl）与微凸点周边缝隙。在刻蚀、电镀、键合、植球等制程之后，上述微间隙内容易残留助焊剂、光刻胶残渣、金属离子、颗粒污染物与化学废液，需要通过清洗工序加以去除，否则将直接导致互连短路、绝缘失效、键合强度不足与电迁移加速等问题。

2、当前半导体微纳结构清洗仍以常压浸泡、喷淋、旋洗、超声清洗、异丙醇（ipa）置换干燥等传统工艺为主。在面对先进封装的高深宽比微间隙时，上述工艺存在以下不足：

3、第一，清洗液在常压下容易在微间隙内部形成气堵现象，对于20μm及以下的窄间隙与深孔底部，清洗液难以渗入，间隙内部截留的空气形成物理阻隔，清洗液仅能覆盖晶圆表面，无法到达间隙底部的污染物位置，出现清洗盲区。

4、第二，在清洗液进入微间隙后，固液接触面积增大，毛细作用力增强，液体容易被限制在窄间隙内部。后续常压干燥、旋洗或氮气吹扫难以克服毛细力与粘滞力，残留液膜在蒸发过程中溶解的污染物会重新析出，形成水痕、盐晶或颗粒附着等二次污染，对铜互连、微凸点结构造成腐蚀风险。

5、第三，现有清洗设备的功能较为单一，常压喷淋或旋洗设备仅能处理晶圆表面，对封闭或半封闭微间隙的穿透能力有限。超声清洗设备在单独使用时，若与旋转或喷淋功能分置于不同工位，晶圆需在不同设备之间转移，不仅增加了制程时间，也引入了额外的污染风险。真空辅助技术目前主要应用于干燥环节，尚未与清洗流程实现一体化集成。

6、因此，目前需要一种能够在一台设备内完成微间隙深度清洗与干燥处理的清洗系统，以解决微间隙内清洗液渗透困难与干燥残留的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种微间隙真空辅助高效清洗系统，以解决现有清洗设备难以对半导体晶圆的微米/亚微米级间隙结构进行有效清洗和干燥的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种微间隙真空辅助高效清洗系统，包括：

4、一密闭的清洗腔室，用于容纳至少一片半导体晶圆；

5、一载台，设置于所述清洗腔室内，用于承载所述半导体晶圆，所述载台连接有一驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述载台绕一水平轴线旋转；

6、一真空系统，与所述清洗腔室连通，用于对所述清洗腔室抽真空以建立负压环境；

7、一供液系统，与所述清洗腔室连通，用于向所述清洗腔室内引入清洗液体；

8、一排液系统，与所述清洗腔室连通，用于将所述清洗液体从所述清洗腔室排出；

9、以及一控制系统，与所述真空系统、所述供液系统、所述排液系统及所述驱动机构连接，所述控制系统被配置为控制所述真空系统、所述供液系统、所述排液系统及所述驱动机构执行至少一个清洗循环；

10、所述清洗循环包括：

11、所述真空系统对所述清洗腔室抽真空以建立负压环境；

12、所述供液系统在所述负压环境下将清洗液体引入所述清洗腔室；

13、所述驱动机构驱动所述载台以第一转速旋转；

14、所述排液系统在所述清洗腔室内的压力升高后将所述清洗液体排出。

15、进一步的技术方案，所述载台具有一晶圆承载面，所述晶圆承载面沿竖直方向设置，或者所述晶圆承载面与竖直方向的夹角为0~20°。

16、进一步的技术方案，所述驱动机构包括驱动电机和传动轴，所述驱动电机设置于所述清洗腔室的外部，所述传动轴穿过所述清洗腔室的壁面与所述载台连接，所述传动轴与所述清洗腔室的壁面之间设置有密封件。

17、进一步的技术方案，所述真空系统包括真空泵和压力调节阀，所述真空泵通过管路与所述清洗腔室连通，所述压力调节阀设置于所述管路上，用于调节所述清洗腔室内的真空度。

18、进一步的技术方案，所述供液系统包括储液罐、进液管路和设置于所述进液管路上的阀门，所述储液罐通过所述进液管路与所述清洗腔室连通，所述阀门用于控制所述进液管路的通断。

19、进一步的技术方案，所述供液系统还包括一脱气装置，所述脱气装置设置于所述储液罐与所述清洗腔室之间的管路上，用于对所述清洗液体进行抽真空脱气处理。

20、进一步的技术方案，所述供液系统还包括一加热装置，所述加热装置设置于所述储液罐，用于对所述储液罐内的清洗液体进行加热。

21、进一步的技术方案，还包括一喷洒组件，所述喷洒组件设置于所述清洗腔室内，用于向承载于所述载台的半导体晶圆喷洒清洗液体。

22、进一步的技术方案，所述供液系统包括一第一供液单元和一第二供液单元，所述第一供液单元用于储存并向所述清洗腔室供给第一清洗液，所述第二供液单元用于储存并向所述清洗腔室供给第二清洗液；所述控制系统被配置为控制所述第一供液单元和所述第二供液单元依次向所述清洗腔室供给清洗液体。

23、进一步的技术方案，还包括一加热系统，所述加热系统设置于所述清洗腔室，用于对所述清洗腔室内部进行加热。

24、进一步的技术方案，还包括一氮气供给系统，所述氮气供给系统与所述清洗腔室连通，用于向所述清洗腔室内充入氮气。

25、关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作。

26、关于本文中所使用的“连接”或“定位”，均可指二或多个组件或装置相互直接作实体接触，或是相互间接作实体接触，亦可指二或多个组件或装置相互操作或动作。

27、关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

28、关于本文中所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。

29、关于本文中所使用的“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等，均为方向性用词，在本案中仅为说明各结构之间位置关系，并非用以限定本案保护方案及实际实施时的具体方向。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

31、1、关于微间隙内清洗液的渗透效果

32、本发明通过在清洗腔室内建立负压环境，使清洗腔室内部气压低于常压。在此条件下，晶圆微间隙内截留的空气在压差作用下向外逸出，间隙内部的空间被释放。供液系统在负压环境下引入清洗液体时，液体在压差驱动下进入微间隙内部，能够到达间隙底部的污染物所在位置。相比于常压条件下清洗液仅能覆盖晶圆表面的情况，该方案有利于减少微间隙内的清洗盲区。

33、载台绕水平轴线旋转以及晶圆承载面沿竖直方向或与竖直方向呈0~20°夹角的设置，使晶圆在进入清洗液体和旋转过程中，液体能够沿晶圆表面流动，微间隙的开口方向与液体的流动方向形成一定的角度关系，有利于液体进入间隙内部并将内部的气体排出。单一腔室内完成负压建立、液体引入和旋转浸泡，避免了晶圆在不同设备之间的转移，减少了转移过程中微间隙重新截留空气的可能性。

34、真空系统采用真空泵配合压力调节阀的结构，能够根据待清洗晶圆的微间隙复杂度调节腔室内的真空度，使不同规格产品的清洗作业可在同一设备中完成。

35、2、关于清洗过程中液体的置换与接触均匀性

36、载台在清洗过程中以第一转速旋转，使晶圆在液体中持续运动。晶圆在旋转过程中，其各区域依次进入液体并与液体产生相对运动，有助于晶圆表面及微间隙内的液体与周围液体发生交换。微间隙内溶解或悬浮的污染物随液体被带出间隙，外部新鲜的清洗液体随之进入，有利于维持间隙内液体中的污染物浓度处于较低水平，从而提高污染物从间隙内部向外扩散的效率。

37、喷洒组件的设置，使晶圆在旋转浸泡的同时能够接受来自喷洒组件的液体喷淋。喷洒液体落在晶圆表面时产生流动和冲击，有助于破坏晶圆表面及微间隙口部的液体边界层，促进晶圆表面与微间隙内液体的更新。旋转浸泡与喷淋在同一腔室内同步进行，无需将晶圆移送至其他工位。

38、3、关于清洗液体的预处理效果

39、供液系统中脱气装置的设置，在清洗液体进入清洗腔室之前去除液体中溶解的气体，减少了液体进入真空环境后因压力降低而析出气泡的可能性，有利于维持清洗腔室内的真空度稳定。加热装置的设置用于对清洗液体进行温度控制，使液体在进入腔室时即处于预设温度范围，有利于保持清洗液体中化学成分的活性。

40、4、关于不同种类清洗液的分步清洗效果

41、供液系统中第一供液单元和第二供液单元的设置，使清洗系统可在同一腔室内依次使用不同清洗液体对晶圆进行处理。第一供液单元供给的清洗液用于去除微间隙内的光刻胶残渣、金属离子与颗粒污染物，第二供液单元供给的清洗液用于将残留在晶圆表面的化学药液及溶解的污染物置换出来。两种清洗液依次供给，化学药液完成污染物去除后，去离子水将化学药液及其携带的污染物带出微间隙，有利于减少化学药液在微间隙内残留所致的二次污染。

42、5、关于清洗后的干燥效果

43、加热系统和氮气供给系统的设置，使晶圆在完成清洗后无需转移至其他设备即可在同一腔室内进行干燥处理。真空系统对腔室抽真空时，腔室内气压降低，残留液体的沸点随之降低，液体在较低温度下即发生汽化。加热系统向腔室内部提供热量，加速残留液体的汽化过程。氮气供给系统向腔室内充入氮气，气体在腔室内流动并携带汽化后的水汽排出。

44、在上述干燥过程中，载台以高于清洗阶段第一转速的第二转速旋转时，离心力作用于晶圆表面及微间隙内的残留液体，使液体在离心力作用下向晶圆边缘运动并脱离晶圆表面。抽真空、加热、高速旋转和氮气填充的组合使用，从不同方面共同作用于残留液体的去除：真空降低液体沸点并增大液面两侧的压差，热量提供汽化所需能量，离心力提供液体沿晶圆表面运动的驱动力，氮气流动携带汽化后的水汽排出腔室。各方式相互配合，有利于减少微间隙内残留液体蒸发时溶质重新析出而形成水痕或盐晶的情况。

45、6、关于对晶圆结构的保护效果

46、本发明通过真空系统建立负压环境引入清洗液体的方式，避免了采用高压喷射液体对晶圆表面及微结构的直接冲击。载台以第一转速旋转的速度设定在较低范围内，使晶圆在液体中受到的作用力较为均匀。驱动电机设置于清洗腔室外部的结构，避免了电机在腔室内部运行时产生的热量和电磁场对清洗环境的影响，也减少了腔室内部需要密封的电气部件数量。上述设置在实现清洗目的的同时，有利于降低对薄晶圆、细间距铜柱及脆弱微结构的损伤风险。

47、7、各组成部分之间的配合关系

48、上述各组成部分在应用中相互配合：负压环境为清洗液体进入微间隙提供了驱动力，同时也为后续干燥步骤中残留液体的汽化提供了低压条件；载台的旋转在清洗阶段用于液体置换，在干燥阶段用于离心排液，同一驱动机构完成不同阶段的不同功能；供液系统的多个供液单元在控制系统的时序控制下依次供给不同液体，各液体的供给顺序与清洗工艺要求相匹配；加热系统和氮气供给系统在清洗完成后介入，配合真空系统完成干燥作业。各子系统以清洗腔室为中心，在控制系统的调度下按设定时序依次动作，构成完整的清洗-干燥工作流程。