一种用于晶圆扫描的喷嘴及扫描系统、扫描方法与流程

1.本发明涉及半导体加工设备技术领域，具体涉及一种用于晶圆扫描的喷嘴及扫描系统、扫描方法。


背景技术：

2.在摩尔定律的强势推动下，以鳍式场效应晶体管(finfet)为主的7纳米技术代高性能、低功耗芯片集成应用在当今的智能手机中。制造该芯片需要引入大量新的化学元素，每一个技术代引入不同的化学元素来满足芯片性能的提升，比如铪(hf)元素的引入开启了高k金属栅时代。制造芯片的过程中引入不同化学元素，随之带来了金属沾污控制的难度。
3.现有技术中，常见的金属沾污检测手段是将气相分解金属沾污收集系统(vapor phase decomposition，简称vpd)与电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma massspectrometry，简称icp-ms)组合应用，其灵敏性可以把各种元素的检测灵敏度提高到e6～7原子/厘米2。其中，喷嘴收集效率是满足vpd的高灵敏度的关键指标。首先，需要保证喷嘴能保证从待检测晶圆上把金属沾污收集干净。喷嘴含着扫描液以扫描晶圆表面的方式收集沾污时，如果有部分扫描液的丢失会严重影响测试精度。其次，需要大直径喷嘴，以满足快速扫描晶圆的使用需求。最后，检测亲水晶圆，现有的扫描液收集金属沾污喷嘴无法应用亲水晶圆，比如大剂量注入n/p参杂源或者氧化硅等晶圆。
4.有鉴于此，亟待针对现有晶圆扫描系统的喷嘴进行结构优化，以满足上述三项技术需求。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于晶圆扫描的喷嘴及扫描系统、扫描方法，通过对喷嘴结构的改进优化，得以兼顾扫描液回收率、扫描效率及可靠应用于亲水晶圆的技术需求，为确保vpd的高灵敏度提供良好的技术保障。
6.本发明提供的一种用于晶圆扫描的喷嘴，包括喷嘴体和液管；所述喷嘴体具有中部容腔，所述液管插装在所述喷嘴体中，并穿过所述中部容腔，以在所述喷嘴体的一侧端部抽吸、送出扫描液；所述喷嘴体上开设有与所述中部容腔连通的进气口，所述喷嘴体的一侧端部开设有与所述中部空腔连通的多个出气通道，且周向均布在所述液管的外周，每个所述出气通道配置为：沿所述液管的延伸方向，由内向外呈渐扩状倾斜设置。
7.优选地，所述喷嘴体包括喷嘴本体和喷嘴头，两者固定连接围合形成所述中部容腔；所述进气口开设在所述喷嘴本体的侧壁，多个所述出气通道开设在所述喷嘴头的端部。
8.优选地，所述喷嘴头的端面具有内凹部，且所述内凹部与所述液管同心设置。
9.优选地，所述液管的液口位于所述内凹部中。
10.优选地，所述喷嘴本体和所述喷嘴头的固定连接端之间，一者上设置有外凸连接部、另一者上设置有内凹连接部，所述外凸连接部与所述内凹连接部嵌套固定连接。
11.优选地，所述出气通道为直径为0.1mm～2.00mm的斜孔，所述斜孔设置为周向均布
的10～50个，每个所述斜孔的中心线与所述液管的中心线夹角α不大于60
°
。
12.优选地，所述喷嘴本体、所述喷嘴头和所述液管采用全氟烷氧基树脂、聚四氟乙烯、乙烯四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙稀、聚氯乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚甲基丙烯酸甲酯制成。
13.优选地，所述喷嘴本体、所述喷嘴头和所述液管可以采用相同材料制成，或者采用不同材料制成。
14.本发明还提供一种扫描系统，包括喷嘴单元、气体控制单元和喷嘴移动单元；所述喷嘴单元设置在所述喷嘴移动单元上，以在所述喷嘴移动单元的带动下相对于待处理晶圆位移；其中，所述喷嘴单元包括喷嘴和注射泵，所述喷嘴采用如前所述的用于晶圆扫描的喷嘴；所述注射泵通过管路连通所述喷嘴的液管，所述气体控制单元的辅助气体输出口与所述喷嘴的所述进气口相连，以用于在所述喷嘴的端面与待处理晶圆之间形成负压区域。
15.优选地，所述喷嘴移动单元包括依次滑动适配的第一轴滑台、第二轴滑台和第三轴滑台，三者所构建的滑动位移方向分别相垂直；所述喷嘴通过连接块与所述第一轴滑台滑动适配，所述注射泵设置在所述第二轴滑台上。
16.优选地，所述注射泵通过铝合金盒固定在所述第二轴滑台上，且所述铝合金盒表面覆有特氟龙镀层。
17.优选地，所述气体控制单元输出的所述辅助气体可以为氮气、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
18.本发明还提供一种扫描方法，采用如前所述的扫描系统，包括下述步骤：
19.所述喷嘴抽吸用于待处理晶圆的扫描液体；
20.通过所述喷嘴移动单元带动所述喷嘴位移至工作位置，所述喷嘴与待处理晶圆表面具有预定间距；
21.所述气体控制单元输送辅助气体至所述进气口，并在所述喷嘴的端面与待处理晶圆之间形成负压区域；
22.所述喷嘴送出扫描液体，并在所述负压区域内形成扫描液珠；
23.通过所述喷嘴移动单元带动附着于所述喷嘴端面的扫描液珠进行晶圆表面扫描，完成后将所述扫描液珠抽吸入所述喷嘴，并停止输送辅助气体的输送；
24.通过所述喷嘴移动单元带动所述喷嘴位移至样品收集装置，并将扫描液送出。
25.优选地，所述负压区域的压力范围为-10pa～-100pa。
26.优选地，所述喷嘴抽吸用于待处理晶圆的扫描液体之前，通过所述喷嘴移动单元带动所述喷嘴位移至液槽进行清洗。
27.针对现有技术，本发明另辟蹊径针对用于晶圆扫描的喷嘴提出了结构优化设计，该喷嘴的液管插装在喷嘴体中，并穿过喷嘴体的中部容腔，以在喷嘴体的一侧端部抽吸、送出扫描液；具体地，在喷嘴体上开设有与中部容腔连通的进气口，且喷嘴体的一侧端部开设有与其中部空腔连通的多个出气通道，每个出气通道配置为：沿液管的延伸方向，由内向外呈渐扩状倾斜设置。如此设置，当喷嘴下降至待处理晶圆的表面上方时，可经由喷嘴体上的进气口通入辅助气体，进入中部容腔的辅助气体经由喷嘴端部的多个出气通道泄出，并形成向下向外的喷出气流，气流经由喷嘴端面流出后沿晶圆表面径向流向外周。根据伯努利原理，在喷嘴与晶圆表面之间围绕液管的液口形成一个负压区域，使得位于液管液口的扫
描液珠处于负压环境，同时基于扫描液珠本身所具有的较强表面张力，可将其可靠地保持在喷嘴端面。与现有技术相比，应用本方案提供的用于晶圆扫描的喷嘴具有下述有益技术效果：
28.首先，根据伯努利原理形成的负压区域，能够将扫描液珠可靠地保持在喷嘴端面，可规避扫描处理晶圆表面收集沾污的过程中出现扫描液丢失的可能性，能够有效提高扫描液回收率；与此同时，多个出气通道周向均布在液管的外周，辅助气体在喷嘴端面可形成较为均匀的气流，这样，扫描液能够在喷嘴端部均匀分布，送出时不会出现扫描液残留现象，可进一步提高扫描液回收率，确保测试精度。
29.其次，基于喷嘴端面与晶圆表面间负压区域的作用，扫描液珠附着能力得以有效提升，在待处理晶圆为亲水样品的应用场景下，也能够确保扫描液珠可靠地附着在喷嘴中部位置。
30.再次，在喷嘴端面与晶圆表面间负压区域的作用下，扫描液珠附着能力得以提升，这样可扩大喷嘴直径，相应地能够在喷嘴端面形成较大的扫描液珠，对于相同规格的待处理晶圆，扫描收集沾污的处理效率，符合快速扫描的功能需要。
31.第四，在本发明的优选方案中，其喷嘴头的端面具有内凹部，且内凹部与液管同心设置，可更好地适应具有表面张力的扫描液珠，提高其在喷嘴端面的附着能力。进一步地，其液管的液口位于该内凹部中，也就是说，液管的管端伸出至该内凹部中，可避免扫描液珠回缩至液管内，影响扫描液的回收率。
附图说明
32.图1为具体实施方式中所述扫描系统的整体结构示意图；
33.图2为图1的俯视图；
34.图3为具体实施方式中所述第一轴滑台、第二轴滑台和第三轴滑台的装配关系示意图；
35.图4为具体实施方式中所述喷嘴的整体结构示意图；
36.图5为图4的a向视图；
37.图6示出了使用状态下形成的负压区域的相对位置关系；
38.图7为具体实施方式中所述扫描方法的流程框图。
39.图中：
40.喷嘴单元10、气体控制单元20、喷嘴移动单元30、晶圆40；
41.喷嘴1、喷嘴体11、喷嘴本体111、进气口1111、外凸连接部1112、喷头112、出气通道1121、内凹部1122、内凹连接部1123、液管12、注射泵2、管路3、第一轴滑台4、第二轴滑台5、第三轴滑台6、连接块7。
具体实施方式
42.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
43.不失一般性，本实施方式以图中所示的扫描系统作为描述基础，其收集含有金属沾污的扫描液可送出至样品收集装置，以利用电感耦合等离子体质谱仪(icp-ms)进行检
测。请参见图1和图2，其中，图1为本实施方式中所述扫描系统的整体结构示意图，图2为图1的俯视图。
44.该扫描系统包括喷嘴单元10、气体控制单元20和喷嘴移动单元30。
45.其中，喷嘴单元10包括通过管路3连通的喷嘴1和注射泵2，喷嘴单元10设置在喷嘴移动单元30上，其喷嘴1可在喷嘴移动单元30的带动下相对于待处理晶圆40位移。通过喷嘴1的液管12可实现抽吸或送出扫描液体的控制，以便在待处理晶圆40表面的扫描工艺中使用。
46.其中，气体控制单元20的辅助气体输出口与喷嘴1的进气口相连，以用于在喷嘴1的端面与待处理晶圆40之间形成负压区域。该气体控制单元20的气源为厂务气源提供，也即辅助气体可以由工厂供气系统提供；例如但不限于，在实际应用中选择氮气(n2)、氧气(o2)、氦气(he)、氖气(ne)、氩气(ar)、氪气(kr)或者氙气(xe)等。
47.具体地，该气体控制单元20可采用气体流量计(100sccm-10000sccm)检测自气源流入系统连接管路的气流量，在连接管路上设置气体过滤器，以避免杂质随辅助气体流向晶圆表面，并通过气路开关的气动阀和电磁阀配合实现通入喷嘴的气体控制。
48.其中，喷嘴移动单元30优选包括依次滑动适配的第一轴滑台4、第二轴滑台5和第三轴滑台6，三者所构建的滑动位移方向分别相垂直；请一并参见图3，该示出了第一轴滑台4、第二轴滑台5和第三轴滑台6的装配关系。如图所示，喷嘴1通过连接块7与第一轴滑台4沿第一方向y滑动适配，第一轴滑台4可相对于第二轴滑台5沿第二方向z滑动适配，第二轴滑台5可相对于第三轴滑台6沿第三方向x滑动适配。
49.具体地，各滑台外部采用特氟龙形成保护镀层，该连接块7及第一轴滑台4等关联结构，可由全氟烷氧基树脂(pfa)、聚四氟乙烯(ptfe)、乙烯四氟乙烯(etfe)、聚三氟氯乙烯(pctfe)、聚偏氟乙稀(pvdf)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)、聚醚醚酮(peek)、聚苯硫醚(pps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的一种或多种的组合加工，并组合固定在第二轴滑台5上。
50.注射泵2设置在第二轴滑台5上。该注射泵2优选通过铝合金盒固定在第二轴滑台5上，且该铝合金盒表面覆有特氟龙(ptfe)镀层(图中未示出)，以避免在工作环境中被工作介质腐蚀。同时，采用铝合金盒兼具成本低和重量轻的特点。
51.需要说明的是，喷嘴移动单元30用于在三个维度带动喷嘴1调节相应工作位置，其各轴滑台的组配关系非局限于图中所示的连接方式。在实际应用中，可根据具体产品设计要求进行选择。应当理解，该喷嘴移动单元30的具体结构形式及其位移控制方式，且非本技术的核心发明点所在，对本技术请求保护的技术方案未构成实质性限制。
52.本方案中，用于晶圆扫描的喷嘴1包括喷嘴体11和液管12，液管12中形成扫描液抽吸、送出用通道，喷嘴体11具有中部容腔b，液管12插装在喷嘴体11中，与中部容腔b的侧壁之间形成大致呈环形的辅助气体用通道；请一并参见图4，该图为本实施方式所述喷嘴的整体结构示意图。
53.如图所示，液管12穿过喷嘴体11的中部容腔b，以在喷嘴体11的一侧端部抽吸、送出扫描液。
54.其中，喷嘴体11开设有与中部容腔b连通的进气口1111，且喷嘴体11的一侧端部开设有与中部空腔b连通的多个出气通道1121。请一并参见图5，该图为图4的a向视图。
55.结合图4和图5所示，多个出气通道1121周向均布在液管12的外周，每个出气通道
1121配置为：沿液管12的延伸方向，由内向外呈渐扩状倾斜设置。使用时，辅助气体从进气口1111通入，沿着中部容腔b流动至喷嘴1端部，经由出气通道1121泄出，并形成向下向外的喷出气流。
56.在具体应用时，可以通过第二轴滑台5控制喷嘴1与晶圆40之间在z向上的相对距离。这样，当喷嘴1下降到一定高度通入辅助气体，气流经由喷嘴端面流出后沿晶圆表面径向流向外周，根据伯努利原理，在喷嘴1端面与晶圆40表面之间围绕液管12的液口形成一个负压区域c，请一并参见图6，该图示出了负压区域的位置关系示意图。
57.这样，使得位于液管12液口的扫描液珠处于负压环境，同时基于扫描液珠本身所具有的较强表面张力，可将其可靠地保持在喷嘴1端面。换言之，基于水的扫描液本身有强大的表面张力，结合上述负压区域c所形成的负压环境，扫描液处理亲水样品时也会被吸到图6所示喷嘴中央位置。在扫描完成以后可以把辅助气体关掉，通过注射泵2将扫描液送出至样品收集装置，即可进行检测分析。
58.为了获得良好的喷嘴加工工艺性，作为优选，该喷嘴体11包括喷嘴本体111和喷嘴头112两个分体式构成，两者固定连接并围合形成中部容腔b；进一步结合图4所示，用于与气体控制单元20输出口连通的进气口1111，开设在喷嘴本体的侧壁；如图5所示，进气口1111外周的喷嘴体11表面可设置为平面，以便与其以螺纹适配的管路接头贴合紧固。相应地，多个出气通道1121开设在喷嘴头112的端部。
59.需要说明的是，该中部容腔b的流通截面可以根据实际设计需要进行确定，例如但不限于采用等截面或者图中所示的变截面设计，只要满足输送辅助气体的功能需要均在本技术请求保护的范围内。
60.进一步地，为了提高扫描液珠保持在喷嘴1端面的可靠性，提高其工作状态下的附着能力，可以在喷嘴头112的端面形成一内凹部1122，如图4和图6所示，该内凹部1122与液管12同心设置。由此，能够更好地适应具有表面张力的扫描液珠，提高其在喷嘴1端面的附着能力。
61.本方案中，液管12的液口位于该内凹部1122中，也就是说，液管12的管端伸出至该内凹部1122中。如此设置，一方面，可避免液管12的液口置于喷嘴头112内导致扫描液珠回缩至液管12内，并影响扫描液回收率的问题；另外，还可避免液管12的液口突出于喷嘴1端面，可能存在的划伤待处理晶圆40表面的问题。
62.可以理解的是，用于建立负压区域c的出气通道1121的通流截面可以为矩形孔或者圆孔，优选可以采用直径为0.1mm～2.00mm的斜孔，也即，沿液管12的延伸方向，由内向外呈渐扩状倾斜设置的圆形通孔。
63.具体地，该斜孔设置为周向均布的10～50个，每个斜孔(1121)的中心线与液管12的中心线夹角α不大于60
°
。在实际应用中，周向均布设置可确保气流均匀性。其中，斜孔的设置数量及其倾斜角度，可根据不同待处理晶圆及系统总体参数进行选定。
64.此外，本实施例中，喷嘴本体111下侧的与喷嘴头112固定连接端，设置有外凸连接部1112；相应地，喷嘴头112上侧的与喷嘴本体111固定连接端设置有内凹连接部1123。如图4所示，外凸连接部1112插装在内凹连接部1123中，两者嵌套固定连接。具体来说，可以采用焊接工艺或粘接工艺固定。
65.其中，喷嘴本体111、喷嘴头112和液管12可采用全氟烷氧基树脂(pfa)、聚四氟乙
烯(ptfe)、乙烯四氟乙烯(etfe)、聚三氟氯乙烯(pctfe)、聚偏氟乙稀(pvdf)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)、聚醚醚酮(peek)、聚苯硫醚(pps)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)制成。并且喷嘴本体111、喷嘴头112和液管12可以采用相同材料制成，或者采用不同材料制成。
66.当然，分体式喷嘴体11两个构成部分之间的固定连接结构，其外凸连接部和内凹连接部也可以反向设置(图中未示出)，也即，外凸连接部设置在喷嘴头112上侧的与喷嘴本体111固定连接端，内凹连接部设置在喷嘴本体111下侧的与喷嘴头112固定连接端，同样可以达成上述可靠固定的作用，并具良好的加工工艺性。
67.基于前述扫描系统，如图7所示，本实施方式还提供一种用于待处理晶圆的扫描方法，包括下述步骤：
68.s1.利用喷嘴1抽吸用于待处理晶圆40的扫描液体；通过喷嘴移动单元30带动喷嘴1位移至扫描液槽，根据实际工艺需要，由注射泵2控制实现扫描液体的吸取。
69.s2.通过喷嘴移动单元30带动喷嘴1位移至工作位置，也即位移至待处理晶圆的上方，到达工作位置后的喷嘴与待处理晶圆表面具有预定间距；可以理解的是，该预定间距应当满足形成扫描液珠可靠附着在喷嘴表面的功能需要。
70.s3.气体控制单元20输送辅助气体至喷嘴1的进气口1111，并在喷嘴1的端面与待处理晶圆之间形成负压区域c；优选地，负压区域c的压力范围为-10pa～-100pa，在不同工艺条件下，该负压区域c能够适配扫描液的表面张力，对于亲水样品也会保持附着在喷嘴1中央位置。
71.s4.喷嘴1送出扫描液体，并在负压区域c内形成扫描液珠；也就是说，负压区域c建立后再送出扫描液体，注射泵2控制实现扫描液体的送出后，确保扫描液珠附着在喷嘴中央位置。
72.s5.通过喷嘴移动单元30带动附着于喷嘴1端面的扫描液珠进行晶圆表面扫描，完成后将扫描液珠抽吸入喷嘴1，并停止输送辅助气体的输送；具体地，由注射泵2控制实现扫描液体的抽吸，并通过气体控制单元20的气路开关控制辅助气体的关停。
73.s6.通过喷嘴移动单元30带动喷嘴1位移至样品收集装置(图中未示出)，并将扫描液送出，例如但限于采用样品试管盛装待测扫描液。
74.进一步地，为了提高检测精度，在利用喷嘴1抽吸扫描液体之前进行清洗，由此确保喷嘴1的洁度，进而保障下一次扫描的检测精度。
75.应用本方案，多个出气通道1121周向均布在液管12的外周，辅助气体在喷嘴1端面可形成较为均匀的气流，这样，扫描液能够在喷嘴1端部均匀分布，送出时不会出现扫描液残留现象，能够有效提高扫描液回收率。同时，基于喷嘴1端面与晶圆表面间负压区域c的作用，扫描液珠附着能力得以有效提升，在待处理晶圆为亲水样品的应用场景下，也能够确保扫描液珠可靠地附着在喷嘴1中部位置。并且，基于扫描液珠附着能力得以提升，可扩大喷嘴1直径，相应地能够在喷嘴1端面形成较大的扫描液珠，对于相同规格的待处理晶圆，扫描收集沾污的处理效率。
76.需要说明的是，本实施方式提供的上述实施例，具有高扫描液回收率、大口径和兼容亲水样品的喷嘴，并非局限于图中所示形状的分体式喷嘴体，只要核心构思与本方案一致均在本技术请求保护的范围内。
77.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。