用于清洗切割后的晶棒的超声清洗设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种晶圆制备技术领域，特别是涉及一种用于清洗切割后的晶棒(sliced ingot)的超声清洗设备。


背景技术：

2.晶圆是用于形成半导体器件的一种重要原材料，器件形成于晶圆表面。随着器件集成度日益提高，器件特征尺寸日益缩小，故而晶圆表面的污染物对良率和/或器件性能及可靠性的影响越来越大。同时，随着器件集成度的日益提高，诸如器件中的沟槽等结构的加工形貌日益复杂，使得污染物的去除越来越难。晶圆加工及器件制备过程中引入的表面污染物大体可分为颗粒污染、无机物污染、有机物污染和微生物污染，而表面污染物的形貌大体可分为颗粒附着或吸附，以及因反应在晶圆表面生成的薄膜。
3.因此，晶圆制造过程中，包括晶棒切割和表面加工，以及清洗工艺中，若能完全有效地去除此类污染物，则有助于实现器件的高集成度。晶圆加工工艺中，从污染物的角度来看，晶棒生长后将晶棒切割成晶圆的线切割过程中产生的污染物若不能完全去除，则会产生大且深的缺陷，并在后续的粗磨、精磨、抛光及清洗工艺中可能也难以完全去除，由此很容易导致器件的致命缺陷。
4.晶棒切割时采用的线切割方式是在碳化硅粉末中加入冷却剂以制成液态的研磨液喷洒到切割线上，研磨液中的研磨颗粒诱发晶棒与切割线之间的摩擦，由此产生切割作用的晶棒切割方式。刚切割后的晶圆还未脱胶，彼此之间仍然相互黏连而仍呈近晶棒(即由多个晶圆构成的sliced ingot)状态，晶圆表面残存有硅颗粒、有机油、研磨颗粒、石墨粉末、树脂等杂质。这些杂质会对后续工艺产生不良，因而必须通过清洗去除。
5.现有的对切割后的晶棒的清洗方法是采用纯水和界面活性剂，在清洗设备内进行清洗，以在去除晶圆表面污染物的同时使晶圆相互脱离。但是现有的清洗方式难以有效去除晶圆表面吸附的各种污染物(比如硅颗粒、有机油、研磨颗粒、石墨粉末、树脂等)，故而增加了后续工艺中晶圆表面的去除量，且在rca清洗时化学品的比重需要增加，由此导致生产成本增加，并带来环境污染等问题。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种于清洗切割后的晶棒的超声清洗设备，用于解决现有技术中对切割后的晶棒的清洗方法是采用纯水和界面活性剂，难以有效去除晶圆表面吸附的各种污染物(比如硅颗粒、有机油、研磨颗粒、石墨粉末、树脂等)，故而增加了后续工艺中晶圆表面的去除量，且在rca清洗时化学品的比重需要增加，由此导致生产成本增加，并带来环境污染等问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种用于清洗切割后的晶棒的超声清洗设备，包括依次相邻的第一超声清洗槽、第二超声清洗槽及纯水清洗槽；第一超声清洗槽包括第一槽体、第一超声波振动板及用于驱动第一超声波振动板的第一超声波发生
器，第一超声波振动板位于第一槽体内；所述第二超声清洗槽包括第二槽体、第二超声波振动板及用于驱动第二超声波振动板的第二超声波发生器，第二超声波振动板位于第二槽体内，第一槽体和第二槽体上均设置有支撑架且所述第一槽体和第二槽体上均设置有进水口和排水口；所述纯水清洗槽包括第三槽体，第三槽体上设置有进水口；清洗作业过程中，晶棒在不同槽体内均被纯水完全浸没，并依次经所述第一超声清洗槽和第二超声清洗槽的超声清洗及纯水清洗槽的溢流清洗。
8.可选地，所述第一超声清洗槽和第二超声清洗槽上均设置有加热器，以对槽体内的纯水进行加热。
9.可选地，所述第一超声清洗槽和第二超声清洗槽上均设置有温控装置，所述温控装置与加热器相连接。
10.可选地，所述第一超声波振动板及第二超声波振动板均为多个，且均沿对应槽体的长度方向延伸并在对应槽体的相对两侧以晶棒为中心呈对称分布。
11.可选地，所述第一槽体及第二槽体的下部均呈梯形漏斗结构，排水口位于对应槽体的底部。
12.可选地，所述超声清洗设备还包括惰性气体供应装置，与第一槽体、第二槽体及第三槽体相连通，以向各槽体内通入惰性气体。
13.可选地，所述超声清洗设备还包括回收装置，所述回收装置与所述第三槽体相连接，以对第三槽体溢流出的纯水进行回收利用。
14.可选地，所述第一槽体和第二槽体上均设置有密封盖。
15.可选地，所述超声清洗设备还包括装载栈，所述装载栈与所述第一超声清洗槽相邻设置，切割后的晶棒经所述装载栈装载至第一超声清洗槽。
16.如上所述，本实用新型的用于清洗切割后的晶棒的超声清洗设备，具有以下有益效果：本实用新型经改善的结构设计，对多线切割后的晶棒(sliced ingot)先经多次超声清洗，利用超声波在液体中传播时由于非线性作用会产生空化，在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在晶圆周围产生上千个大气压力以对晶圆表面进行直接反复冲击，由此破坏污染物与晶圆表面的吸附而达到清洗效果，之后再经超纯水溢流清洗，以提高清洗质量。采用本实用新型的超声清洗设备，可以无需使用界面活性剂等化学品，不仅可以有效降低清洗成本，同时可以减少对环境的污染。
附图说明
17.图1显示为晶棒和工件板的连接关系示意图(沿晶棒径向的示意)，图2显示为多线切割后的晶棒仍通过树脂板与工件板相连接的示意图(沿晶棒长度方向的示意)。
18.图3显示为本实用新型提供的超声清洗设备的结构示意图。
19.图4显示为本实用新型提供的第一槽体沿垂直晶棒长度方向的截面结构示意图。
20.元件标号说明
21.11
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第一超声清洗槽
22.111
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第一槽体
23.112
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第一超声波振动板
24.113
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支撑架
25.12
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第二超声清洗槽
26.121
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第二槽体
27.122
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第二超声波振动板
28.123
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支撑架
29.13
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纯水清洗槽
30.131
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第三槽体
31.14
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隔离层
32.15
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装载栈
33.21
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工件板
34.22
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树脂板
35.23
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晶棒
36.231
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晶圆
具体实施方式
37.以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
38.请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
39.晶圆是半导体芯片制造过程中最基础也是重要的原材料之一，其制造过程通常包括将多晶硅料通过cz(czochralski，直拉单晶法)法拉制成高品质的晶棒的拉晶步骤、将晶棒分割成多段晶棒，同时进行晶棒外径的研磨和加工notch槽的滚磨分段步骤、将晶棒进行分割成硅片的切割步骤，以及通过研磨提高硅片表面平坦度的步骤等。现有的将晶棒23切割成晶圆的过程通常是将晶棒23黏贴在树脂板22上，再将树脂板22固定到工件板21上，然后采用线切割方式对晶棒23进行切割。线切割完成后，晶圆231之间仍彼此黏连，因而整体仍呈现为晶棒23状态(即由多片晶圆231构成的sliced ingot)，具体如图1及图2所示，切割完后需要将晶棒23连同工件板21整体移动到清洗设备中进行清洗，以脱胶使晶圆231一个个独立的同时实现晶圆231表面的清洁。但现有技术中多采用纯水和界面活性剂等进行清洗，难以有效去除晶圆表面吸附的各种污染物(比如硅颗粒、有机油、研磨颗粒、石墨粉末、树脂等)，故而增加了后续工艺中晶圆表面的去除量，且在rca清洗时化学品的比重需要增加，由此导致生产成本增加，并带来环境污染等问题。故而本技术提出了一种改善对策。
40.具体地，如图3所示，本实用新型提供一种用于清洗切割后的晶棒的超声清洗设备，包括依次相邻的第一超声清洗槽11、第二超声清洗槽12及纯水清洗槽13；第一超声清洗槽11包括第一槽体111、位于第一槽体111内的第一超声波振动板112，以及用于驱动第一超
声波振动板112的第一超声波发生器；所述第二超声清洗槽12包括第二槽体121、第二超声波振动板122及用于驱动第二超声波振动板122的第二超声波发生器，第二超声波振动板122位于第二槽体121内，第一槽体111和第二槽体121上均设置有支撑架(113及123)以用于支撑放置通过承载架固定的晶棒23(比如如图1所示，切割后的多片晶圆231仍通过树脂板22固定于工件板21上，因而可以将工件板21架设在支撑架上，晶棒23朝下浸入纯水中)且所述第一槽体111和第二槽体121上均设置有进水口和排水口，通过进水口向对应槽体内供应纯水，且通常为超纯水，清洗后的含颗粒杂质的液体则通过排水口排出；所述纯水清洗槽13包括第三槽体131，第三槽体131上设置有进水口，以向第三槽体131内供应纯水，且通常也为超纯水；清洗作业过程中，切割后的晶棒23在不同槽体内均被纯水完全浸没，并依次经所述第一超声清洗槽11和第二超声清洗槽12的超声清洗及纯水清洗槽13的溢流清洗。
41.污染物通常通过毛细引力(capillary action,)、范德瓦尔斯力(vander waal's london attraction)、电双层力(electrical double
‑
layer force)以及静电吸附力(electorstatic imaging force)等强力的作用牢牢附着于晶圆表面。这其中，毛细引力和范德瓦尔斯力占总吸附力的83％以上，而超声波清洗正是利用超声波强力渗透进附着在表面形态复杂、结构多样的被清洗件表面的、具有几何形状的污染物之间，以破坏污染物和晶圆之间、污染物和污染物之间的结合力，由此使污染物自晶圆表面脱落，并随着纯水的排放而流出槽体。本实用新型经改善的结构设计，对多线切割后的晶棒(sliced ingot)先经多次超声清洗，利用超声波在液体中传播时由于非线性作用会产生空化，在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在晶圆周围产生上千个大气压力以对晶圆表面进行直接反复冲击，由此破坏污染物与晶圆表面的吸附而达到清洗效果，之后再经超纯水溢流清洗，以提高清洗质量。采用本实用新型的超声清洗设备，可以无需使用界面活性剂等化学品，不仅可以有效降低清洗成本，同时可以减少对环境的污染。
42.作为示例，所述第一槽体111、第二槽体121及第三槽体131的上部均优选呈矩形结构(即具有矩形开口)以利于放置晶棒23，晶棒23在各槽体内需被纯水完全浸没，且优选晶棒23体积不超过各槽体体积的20％。各槽体的材质均优选为透明材质，比如为ptee(聚四氟乙烯)，第一槽体111和第二槽体121上可以设置密封盖(未示出)。所述超声清洗设备可以具有壳体以将各槽体收容在内以提高设备内部的清洁度，且壳体优选为透明壳体(同样可以为ptee材质)以便于观察，各槽体之间可以设置有隔离层14以避免相互干扰。在一示例中，所述超声清洗设备还包括惰性气体供应装置，与第一槽体111、第二槽体121及第三槽体131相连通，以向各槽体内通入惰性气体，比如氮气，以使对应清洗槽工作在惰性气体氛围下，避免晶棒23与外界大气相接触而导致表面氧化污染(尤其是晶棒23投入槽体之前和自槽体内取出之后)。当然，在其他示例中，所述超声清洗设备也可以包括真空泵，与各槽体相连接，以使各槽体工作在真空条件下，本实施例中不做严格限制。
43.作为示例，所述第一超声清洗槽11和第二超声清洗槽12上均设置有加热器，用于对槽体内的纯水进行加热，不仅有利于污染物的软化脱落，同时有利于增强超声波的空化作用以提高清洗效果。所述加热器包括但不限于电阻加热器，可以直接置于纯水中，或是置于对应槽体的下表面。较优地，第一槽体111和第二槽体121内的工作温度优选为50～70℃，因而为确保工作在最佳温度条件下，在进一步的示例中，所述第一超声清洗槽11和第二超声清洗槽12上均设置有温控装置，所述温控装置与加热器相连接，以将温度控制在所需的
范围。
44.为确保超声波能均匀作用于晶棒各表面，作为示例，所述第一超声波振动板112及第二超声波振动板122均为多个，且均沿对应槽体的长度方向延伸并在对应槽体的相对两侧以晶棒23为中心呈对称分布。比如如图3所示，每个槽体内设置有2个超声波振动板，其长度优选不小于晶棒23长度，2个超声波振动板对称分布在晶棒23的两侧，且可以贴置在对应槽体的槽壁内侧，而超声波发生器则通常设置在槽体外，甚至可以设置在设备之外。
45.作为示例，所述第一槽体111及第二槽体121的下部均呈梯形漏斗结构，即下部开口小于上部开口使得其垂直于晶棒23长度方向的截面呈梯形结构，排水口位于对应槽体的底部，具体可以如图3所示(图3以第一槽体111的截面结构为例，第二槽体121和第三槽体131结构可与此相同)。且排水口的长度可与晶棒23长度方向相同或基本相同，这种结构有助于液体中的污染物顺着底部的倾斜面排出，避免颗粒杂质被搅动而重新附着到晶圆231表面。
46.由于第三槽体131工作在溢流状态，理论上第三槽体131仅设置进水口即可。而在一示例中，所述第三槽体131底部设置有排水口，第三槽体131的底部同样可以设置为类似图4的梯形漏斗结构，而排水口同样可以设置在槽体底部，以便于排出液体中的颗粒杂质。
47.在一示例中，所述超声清洗设备还包括回收装置(未示出)，所述回收装置与所述第三槽体131相连接，以对第三槽体131溢流出的纯水进行回收利用。所述回收装置可以包括回收槽和过滤器，回收槽可以设置在第三槽体131的外围而过滤器设置在回收槽内，经过滤器过滤得到的纯水可以重新输送回第三槽体131内，或者也可以输送至第一槽体111和/或第二槽体121内(考虑到第三槽体131是最终清洗，对纯水的洁净度要求更高，因此回收后的纯水优选输送至第一槽体111和/或第二槽体121)。
48.两个超声清洗槽的超声清洗频率可以相同或不同，具体根据工艺而已，本实施例中不做限制。超声波清洗是利用空化作用产生的能量去除颗粒物，频率在20～100khz的超声波在流体内形成的微孔破裂后产生的力撞击污染物，由此使污染物自晶圆表面脱落。晶圆表面的颗粒杂质越小，则超声波的频率越高才能起到更好的清洗效果，尤其是要去除0.5μm以下的颗粒杂质时，最好使用100khz～200mhz的超声波(乃至兆声波)。如果切割后晶棒23(晶圆)表面的污染物在5μm以上，则使用较低频率的超声波。
49.作为示例，所述超声清洗设备还包括装载栈15，所述装载栈15与所述第一超声清洗槽11相邻设置，切割后的晶棒23经所述装载栈15装载至第一超声清洗槽11。所述装载栈15同样可以设置在设备的壳体内，以将待清洗的晶棒23与外界环境隔离，避免空气中的氧气造成晶棒23表面的氧化。装载栈15内可以设置空气过滤装置(未图示)，比如设置ffu风机过滤机组。装载栈15内进一步可以设置移动装置(未示出)，比如设置在装载栈15顶部的天车，以将如图1所示的结构通过移动装置移送至第一超声清洗槽11中。
50.在不同清洗槽内的清洗时间、第一次超声清洗和第二次超声清洗的超声频率等参数均可以根据清洗需要设置，本实施例中不做具体限制，且不同的槽体可以同时用于清洗不同的晶棒。如果经第一超声清洗槽清洗后，晶棒表面的胶脱落得比较厉害，则需要在晶棒底部设置接收架(未示出)，接收架上可以均匀间隔设置有多个卡槽，而脱胶后的晶圆一一对应嵌设到对应的卡槽中，之后晶圆被接收架移动至下一个清洗槽中。
51.综上所述，本实用新型提供一种用于清洗切割后的晶棒的超声清洗设备，包括依
次相邻的第一超声清洗槽、第二超声清洗槽及纯水清洗槽；第一超声清洗槽包括第一槽体、第一超声波振动板及用于驱动第一超声波振动板的第一超声波发生器，第一超声波振动板位于第一槽体内；所述第二超声清洗槽包括第二槽体、第二超声波振动板及用于驱动第二超声波振动板的第二超声波发生器，第二超声波振动板位于第二槽体内，第一槽体和第二槽体上均设置有支撑架且所述第一槽体和第二槽体上均设置有进水口和排水口；所述纯水清洗槽包括第三槽体，第三槽体上设置有进水口；清洗作业过程中，切割后的晶棒在不同槽体内均被纯水完全浸没，并依次经所述第一超声清洗槽和第二超声清洗槽的超声清洗及纯水清洗槽的溢流清洗。本实用新型经改善的结构设计，对多线切割后的晶棒(sliced ingot)先经多次超声清洗，利用超声波在液体中传播时由于非线性作用会产生空化，在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在晶圆周围产生上千个大气压力以对晶圆表面进行直接反复冲击，由此破坏污染物与晶圆表面的吸附而达到清洗效果，之后再经超纯水溢流清洗，以提高清洗质量。采用本实用新型的超声清洗设备，可以无需使用界面活性剂等化学品，不仅可以有效降低清洗成本，同时可以减少对环境的污染。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
52.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。