一种晶圆等离子清洗方法与流程

1.本发明涉及一种晶圆等离子清洗方法，属于晶圆清洗技术领域。


背景技术：

2.晶圆清洗作为电子信息产业的基础，非常重要，清洗的效果直接影响到电子产品最终的性能、效率和稳定性。晶圆是从晶体棒（如硅棒）上切割下来的，晶圆表面的多层晶格处于被破坏的状态，布满了不饱和的悬挂键，悬挂键的活性较高，十分容易吸附外界的杂质粒子，导致晶圆表面被污染且性能变差。其中颗粒杂质会导致晶圆的介电强度降低，金属离子会增大光伏电池p-n结的反向漏电流和降低少子的寿命，有机化合物使氧化层的质量劣化、h2o会加剧硅表面的腐蚀。清洗晶圆不仅要除去晶圆表面的杂质而且要使晶圆表面钝化，从而减小晶圆表面的吸附能力。高规格的硅晶片对表面的洁净度要求非常严格，理论上不允许存在任何颗粒、金属离子、有机粘附、水汽、氧化层，而且晶圆表面要求具有原子级的平整度，晶圆边缘的悬挂键以结氢终止。目前，由于晶圆清洗技术的缺陷，大规模集成电路中因为硅材的洁净度不够而产生问题甚至失效的比例达到50%，因此优化晶圆的清洗工艺极其必要。
3.等离子清洗技术是通过与电离气体发生化学反应以及经压缩空气加速的活性气体射流，将污物颗粒除去，转换为气相，并通过真空泵用连续气体流将其排出。
4.目前的等离子清洗设备，其工作气体通常是采用氦与氧，或氩与氧的混合气体，其中氧气所占的比例是小于3%。氧气主要用于表面活化及有机污染物去除。氧气为高活性气体，可有效地对有机污染物或有机基材表面进行化学分解，但其粒子相对较小，断键和轰击能力有限，如加上一定比例的氩气，那么所产生的等离子体对有机污染物或有机基材表面的断键和分解能力就会更强，加快清洗和活化的效率。由于大量采用惰性气体，致使工作气体的应用成本很高。如果氧气所占的比例超过3%，反而会导致清洗效果变差，例如对晶圆表的光刻胶进行去胶，去胶均匀性反而会下降。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种晶圆等离子清洗方法，具体技术方案如下：一种晶圆等离子清洗方法，包括以下步骤：采用等离子清洗设备对晶圆的一面进行清洗，等离子清洗设备产生阵列式高温等离子射流对低温晶圆的表面进行喷射清洗。
6.上述技术方案的进一步优化，所述等离子清洗设备包括高温等离子射流发生器、用来盛放晶圆的驱动式盛放篮，所述高温等离子射流发生器包括绝缘基座、多组呈阵列状分布在绝缘基座一侧的喷射嘴组件、安装在绝缘基座另一侧的第一气箱和第二气箱、高频高压发生器，所述喷射嘴组件包括导电外管、与导电外管呈同轴设置的毛细导电管、陶瓷套管、毛细金属管，所述毛细导电管的尾端与第二气箱的内腔之间连通有陶瓷管，所述毛细导
电管嵌设在绝缘基座处；所述导电外管包括固定安装在绝缘基座侧壁的圆管状第一导电管段、内径小于第一导电管段且为圆管状的第二导电管段、用来连接第一导电管段与第二导电管段的导电收缩管段，所述毛细导电管的首端设置在导电收缩管段的内部，所述陶瓷套管的一端与第二导电管段的内腔连通，所述陶瓷套管的另一端与毛细金属管的尾端连通，所述第二导电管段与毛细金属管之间设置有间距；所述高频高压发生器的一个输出电极与导电外管电连接，所述高频高压发生器的另一个输出电极与毛细导电管电连接；所述第一导电管段的内腔与第一气箱的内腔之间连通有多根绝缘管；所述高温等离子射流发生器还包括用来对毛细金属管进行加热的电磁感应加热组件，所述电磁感应加热组件包括金属盘、感应线圈，所述金属盘的表面设置有供毛细金属管穿过的穿孔，所述金属盘与毛细金属管连接为一体。
7.上述技术方案的进一步优化，所述毛细导电管首部的外侧设置有多个开口缝，所述开口缝沿着毛细导电管的轴向设置，所述开口缝的一端延伸至毛细导电管的首端，所述开口缝的另一端与毛细导电管的尾端之间设置有间距，所述开口缝的另一端设置在第一导电管段的内部。
8.上述技术方案的进一步优化，所述等离子清洗设备还包括用来对晶圆进行冷却的冷却气体喷射组件，所述冷却气体喷射组件包括横截面为l形的喷气管、与冷却气源相连的软管、用来对喷气管进行升降的第一气缸，所述喷气管包括位于晶圆一侧的横管段、与横管段相垂直的竖管段，所述毛细金属管设置在晶圆的一侧；所述第一气缸的活塞杆与竖管段之间固定安装有连板。
9.上述技术方案的进一步优化，所述第二导电管段的内径等于毛细导电管的内径，所述第二导电管段的内径等于毛细金属管的内径。
10.上述技术方案的进一步优化，所述驱动式盛放篮包括两根呈轴对称设置的侧辊、用来托起晶圆的托辊、用来固定侧辊的固定杆，所述侧辊的内侧设置有多个呈等间距设置且与晶圆边沿相适配的插槽，两根侧辊与托辊呈等腰三角形结构设置，所述托辊的辊轴与固定杆的末端转动连接。
11.上述技术方案的进一步优化，所述驱动式盛放篮还包括用来驱动托辊旋转的滑动式驱动机构，所述滑动式驱动机构包括固定安装在托辊尾端的齿轮、与齿轮外啮合的齿辊、与托辊的辊轴同轴连接的延长轴、套设在延长轴外部的固定环、固定安装在延长轴末端的圆形挡板、与挡板相适配的插槽头、第二气缸、用来支撑齿辊的支撑座、用来驱动齿辊转动的减速电机，所述齿辊的辊轴与支撑座转动连接，所述齿辊设置在齿轮的下方，所述第二气缸的活塞杆与插槽头固定连接。
12.上述技术方案的进一步优化，所述托辊的下方设置有水槽，水槽的内部盛放有去离子水。
13.上述技术方案的进一步优化，所述等离子清洗设备的工作气体采用第一气体与氩气的混合气来产生高温等离子射流，高温等离子射流对着晶圆的正面进行喷射清洗；其中，第一气体为双氧水雾与空气的混合气，在晶圆的背面采用2~4℃的压缩空气喷射降温。
14.上述技术方案的进一步优化，所述第一气体与氩气之间的体积比为1:(5.1~5.8)，双氧水雾与空气的混合气为第一气体，双氧水雾在第一气体中的体积分数为3.1%；高温等离子射流的平均温度为500~550℃。
15.本发明的有益效果：所述晶圆等离子清洗方法能够在常压下对晶圆表面采用阵列式高温等离子射流进行喷射清洗，能有效对晶圆表面的颗粒和有机薄污染物进行清除，清洗效率高，清洗效果好，而且还会减少二次污染的发生。
附图说明
16.图1为本发明所述等离子清洗设备的结构示意图；图2为本发明所述高温等离子射流发生器的结构示意图；图3为本发明所述驱动式盛放篮的结构示意图；图4为本发明所述侧辊的结构示意图；图5为本发明所述毛细导电管的结构示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.实施例1所述晶圆等离子清洗方法，包括以下步骤：采用等离子清洗设备对晶圆的一面进行清洗，等离子清洗设备产生阵列式高温等离子射流对低温晶圆的表面进行喷射清洗。
19.工作气体可以采用第一气体与氩气的混合气来产生含有高密度自由基的高温等离子射流，第一气体为双氧水雾与空气的混合气，双氧水雾为雾状过氧化氢，或者为气态过氧化氢；此处空气为常规空气，其中含有的水蒸汽含量（体积分数）不超过0.03%；在晶圆的背面被2~4℃的压缩空气喷射降温，高温等离子射流喷射到晶圆的正面并对晶圆表面的颗粒和有机薄污染物进行清除，而且减少了二次污染的发生。
20.第一气体与氩气之间的体积比为1:(5.1~5.8)，双氧水雾与空气的混合气为第一气体，双氧水雾在第一气体中的体积分数为3.1%。高温等离子射流的平均温度为500~550℃，晶圆的转速为1~2r/min。
21.双氧水雾与空气的混合气与氩气的混合气的制作方法，先将双氧水在洁净室内使用雾化喷头制成双氧水雾，然后使用高压风机驱动将洁净室内含有双氧水雾的空气加压并输送。
22.不推荐先制成压缩空气再通入盛放有双氧水的洗气瓶中的制作方式，因为这种方式混合效果差。也不推荐，先制成含有双氧水雾的空气，再使用空压机进行加压输送，因为空压机会过滤掉双氧水雾。
23.实施例2具体地，如图1、2所示，所述等离子清洗设备包括高温等离子射流发生器20、用来盛放晶圆10的驱动式盛放篮，所述高温等离子射流发生器20包括绝缘基座21、多组呈阵列状分布在绝缘基座21一侧的喷射嘴组件、安装在绝缘基座21另一侧的第一气箱22和第二气箱23、高频高压发生器24，所述喷射嘴组件包括导电外管、与导电外管呈同轴设置的毛细导
电管26、陶瓷套管27、毛细金属管28，所述毛细导电管26的尾端与第二气箱23的内腔之间连通有陶瓷管232，所述毛细导电管26嵌设在绝缘基座21处；所述导电外管包括固定安装在绝缘基座21侧壁的圆管状第一导电管段251、内径小于第一导电管段251且为圆管状的第二导电管段253、用来连接第一导电管段251与第二导电管段253的导电收缩管段252，所述毛细导电管26的首端设置在导电收缩管段252的内部，所述陶瓷套管27的一端与第二导电管段253的内腔连通，所述陶瓷套管27的另一端与毛细金属管28的尾端连通，所述陶瓷套管27与毛细金属管28的连通处设置有与陶瓷套管27内壁连接为一体的内环271，所述第二导电管段253与毛细金属管28之间设置有间距；所述高频高压发生器24的一个输出电极与导电外管电连接，所述高频高压发生器24的另一个输出电极与毛细导电管26电连接；所述第一导电管段251的内腔与第一气箱22的内腔之间连通有多根绝缘管222；所述绝缘管222穿过绝缘基座21，所述高温等离子射流发生器20还包括用来对毛细金属管28进行加热的电磁感应加热组件，所述电磁感应加热组件包括金属盘292、感应线圈291，所述金属盘292的表面设置有供毛细金属管28穿过的穿孔，所述金属盘292与毛细金属管28连接为一体（如采用满焊焊接）。
24.其中，所述第一气箱22的外部设置有与第一气箱22的内腔相连通的第一进气管221，所述第二气箱23的外部设置有与第二气箱23的内腔相连通的第二进气管231。
25.首先，第一进气管221外接氩气源（如氩气瓶），氩气通过第一进气管221依次通过第一气箱22的内腔、绝缘管222后进入到导电外管的内部。第一气体通过第二进气管231依次通过第二气箱23的内腔、陶瓷管232、毛细导电管26的内部。高频高压发生器24外接220v电源，导电外管与毛细导电管26相当于两块电极，两块电极之间发生等离子体放电并产生大量的自由基，该自由基在经过导电收缩管段252的收缩之后，依次通过第二导电管段253、陶瓷套管27，最终从毛细金属管28处喷出，可在毛细金属管28处进一步加热；从毛细金属管28处喷出高温等离子射流，在到达晶圆的正面后与其表面的有机污染物反应生成二氧化碳或水等反应副产物，然后在气流的流动下被冲走。
26.其中，陶瓷套管27主要是用来安装，起到绝缘作用，避免毛细金属管28直接接触到导电外管带来电连接。内环271是为了方便安装毛细金属管28。毛细金属管28采用金属材质是常规设计，采用毛细管结构，并与周围的其他毛细金属管28呈阵列式分布，起到聚集、束缚作用，从而提高清洗效果。
27.如果不设置电磁感应加热组件，或者是电磁感应加热组件不工作，从毛细金属管28处喷出的等离子射流温度一般不超过250℃。
28.电磁感应加热组件工作时，感应线圈291通电，金属盘292优选铁磁性材料制成，感应线圈291对金属盘292进行感应加热，从而使得从毛细金属管28处喷出的等离子射流温度能够达到500~550℃。
29.自由基在经过毛细金属管28的束缚聚集后，喷射到待清洗的晶圆表面上，与表面的有机物质碰撞反应后生成二氧化碳和水等反应副产物，从而起到清洗表面有机物质（如光刻胶）的目的。
30.在一些实施例中，如图5所示，所述毛细导电管26首部的外侧设置有多个开口缝261，所述开口缝261沿着毛细导电管26的轴向设置，所述开口缝261的一端延伸至毛细导电管26的首端，所述开口缝261的另一端与毛细导电管26的尾端之间设置有间距，所述开口缝
261的另一端设置在第一导电管段251的内部。
31.开口缝261的设置，使得毛细导电管26内的第一气体能够从开口缝261处射出并快速与导电外管内的氩气混合，并在上述过程中，同步发生电离，从而产生等离子体。
32.在一些实施例中，如图1所示，所述等离子清洗设备还包括用来对晶圆10进行冷却的冷却气体喷射组件，所述冷却气体喷射组件包括横截面为l形的喷气管51、与冷却气源相连的软管52、用来对喷气管51进行升降的第一气缸55，所述喷气管51包括位于晶圆10一侧的横管段、与横管段相垂直的竖管段，所述毛细金属管28设置在晶圆10的一侧；所述第一气缸55的活塞杆与竖管段之间固定安装有连板53。
33.软管52可接通气瓶，气瓶内存有压缩空气，对气瓶降温至-5~0℃，气瓶内的压缩空气通过软管52、竖管段、横管段最终对准晶圆10背面的中央处，横管段处喷射出2~4℃的压缩空气对晶圆10背面降温。
34.由于晶圆10的正面被500~550℃的高温等离子射流的冲击，晶圆10的背面被2~4℃的压缩空气冷却，在如此巨大的温差带来的界面作用，能够加速晶圆10表面附着的有机污染物或污物颗粒被剥离。
35.当第一气缸55启动，其活塞杆会带动喷气管51进行升降作业。
36.其中，为保证一致性；所述第二导电管段253的内径等于毛细导电管26的内径，所述第二导电管段253的内径等于毛细金属管28的内径。
37.在一些实施例中，如图1、3、4所示，所述驱动式盛放篮包括两根呈轴对称设置的侧辊32、用来托起晶圆10的托辊31、用来固定侧辊32的固定杆33，所述侧辊32的内侧设置有多个呈等间距设置且与晶圆10边沿相适配的插槽321，两根侧辊32与托辊31呈等腰三角形结构设置，所述托辊31的辊轴与固定杆33的末端转动连接。
38.首先，晶圆10可通过插入到插槽321处，然后在托辊31的托起下，托辊31优选石棉辊，其芯轴为金属轴，辊身为空心石棉棒。当托辊31旋转时，在摩擦力的带动下，会带动晶圆10也进行转动。高温等离子射流对着转动的晶圆10进行处理，会进一步提高清洗效果。
39.在一些实施例中，如图1所示，所述驱动式盛放篮还包括用来驱动托辊31旋转的滑动式驱动机构，所述滑动式驱动机构包括固定安装在托辊31尾端的齿轮61、与齿轮61外啮合的齿辊64、与托辊31的辊轴同轴连接的延长轴62、套设在延长轴62外部的固定环63、固定安装在延长轴62末端的圆形挡板67、与挡板67相适配的插槽头68、第二气缸69、用来支撑齿辊64的支撑座65、用来驱动齿辊64转动的减速电机66，所述齿辊64的辊轴与支撑座65转动连接，所述齿辊64设置在齿轮61的下方，所述第二气缸69的活塞杆与插槽头68固定连接。其中，齿辊64即为辊身设置有与齿轮61相匹配的齿槽，齿辊64与齿轮61外啮合。
40.所述减速电机66带动齿辊64转动，也同步带动齿轮61转动，如此托辊31也就转动。
41.当位于最外侧的晶圆10（简称第一块晶圆10）的正面被清洗完毕之后，可通过停止向第一块晶圆10的背面喷射低温压缩空气，然后将喷气管51向上提升直至喷气管51位于晶圆10上方。其中，第一气缸55启动时，其活塞杆会带动喷气管51进行升降作业。然后，第二气缸69启动，通过插槽头68与挡板67的配合，带动延长轴62沿着固定环63限定的方向向靠近第二气缸69的方向移动，与此同时，托辊31的首端会向靠近第二气缸69的方向移动，最终托辊31的首端与第一块晶圆10分离，第一块晶圆10在失去托辊31的首端的支撑会向下落；进一步地，所述托辊31的下方设置有水槽40，水槽40的内部盛放有去离子水。第一块晶圆10最
终会落到水槽40内，在去离子水的缓冲、清洁下，最终完成晶圆10的清洗。
42.之后，通过机械手带动第一气缸55和喷气管51再次平移，直至喷气管51能够落到第二块晶圆10与第三块晶圆10之间的位置；在托辊31平移运动时，齿辊64与齿轮61之间也可发生相对滑动，同时，后续齿辊64转动还能带动齿轮61再次转动。
43.最后，可通过机械手将高温等离子射流发生器20平移，直至毛细金属管28与第二块晶圆10之间的间距达到设定间距。
44.实施例3《去污表征实验》利用北京同德创业科技有限公司的zpr型自动膜厚测量机对晶圆的不同点位（最少9个）分别进行厚度测量得到具体的去胶值，并通过测量机自动的计算软件来计算去污速率（单位为a/min）与均匀性（单位为%）。均匀性通常是目前数据的标准化残差。
45.试验1在碳化硅晶圆表面涂上光刻胶后，使用常规等离子清洗机（深圳市诚峰智造有限公司apo型）进行清洗，工作气采用空气与氩气按照体积比1:6.1的比例混合（混合后氧气含量为2.96%），真空度为100
±
5pa，去胶时间120s，碳化硅晶圆表面温度在90
±
1℃。按照《去污表征实验》的方法，测得去污速率为403a/min，去污的均匀性为5.07%，见表1中的组1。
46.试验2采用实施例2中的清洗方法，即采用等离子清洗设备对晶圆的一面进行清洗，等离子清洗设备产生阵列式高温等离子射流对低温晶圆的表面进行喷射清洗。工作气体可以采用第一气体与氩气的混合气来产生含有高密度自由基的高温等离子射流，第一气体为双氧水雾与空气的混合气；在晶圆的背面被2~4℃的压缩空气喷射降温，高温等离子射流喷射到晶圆的正面并对晶圆表面的颗粒和有机薄污染物进行清除；其中，第一气体与氩气之间的体积比为1:(5.1~5.8)，双氧水雾与空气的混合气为第一气体，双氧水雾在第一气体中的体积分数为3.1%。高温等离子射流的平均温度为500~550℃，晶圆的转速为1~2r/min。按照《去污表征实验》的方法，测得去污速率能达到586a/min，去污的均匀性降至3.98%，见表1中的组2、3。
47.试验3双氧水雾与空气的混合气为第一气体，双氧水雾在第一气体中的体积分数为φs，空气在第一气体中的体积分数为φk，第一气体中的氧气体积分数为φ
y1
，工作气体中的氧气体积分数为φ
y2
；第一气体相对于氩气的份数（体积）为a1，氩气相对于第一气体的份数（体积）为a2。
48.如果提高a2，也就造成φ
y2
下降并小于3%，见表1中的组2~8，反而会导致去污的均匀性能显著提高，这也就说明了去胶的均匀性不能保证。因此，优选第一气体与氩气之间的体积比为1:(5.1~5.8)。
49.根据表1的组2与组10对比可知，第一气体如果不含双氧水雾，那么对最终的去污速率和去污的均匀性影响很大。分析表1中的数据，如果第一气体中不含双氧水雾，那么φ
y2
优选小于3%；如果第一气体中含双氧水雾，那么φ
y2
优选在3~3.4%。
50.见表1的组2、13~18可知，如果只改变φs，主要影响的是去污的均匀性，对去污速率的影响不大；随着φs的改变，均匀性呈先降低再增大的趋势变化；因此，优选φs=3.1%。
51.表1试验4
本试验与试验2的区别是，第一气体为水蒸汽含量（体积分数）为3.1%的加湿空气，其余条件不变（如第一气体与氩气之间的体积比为1:5.1）。按照《去污表征实验》的方法，测得去污速率为365a/min，去污的均匀性为12.38%。
52.试验5本试验与试验2的区别是，第一气体为臭氧与空气的混合气，臭氧在第一气体中的体积分数为3.1%，其余条件不变（如第一气体与氩气之间的体积比为1:5.1）。按照《去污表征实验》的方法，测得去污速率为651a/min，去污的均匀性为9.13%。
53.另外需要说明的是，第一气体不可以是氢气与空气的混合气，也不可以是氢气与氧气/臭氧的混合气，否则易在操作过程中发生爆炸。
54.试验6高温等离子射流的平均温度为tg，在晶圆的背面被温度为ty的压缩空气喷射降温；通过更改tg或ty；最后，按照《去污表征实验》的方法，测得去污速率、去污的均匀性见表2：表2根据表2可知，随着tg越高，去污速率有明显变大的趋势，但考虑均匀性，在525
±
25℃最为稳定。随着ty越高，直至室温，均匀性越差，优选ty=3
±
1℃。
55.另外，需要说明的是：如果采用对晶圆10直接加热的方式，例如将晶圆10加热至200~250℃，tg=225
±
25℃时，去污速率能达到569a/min，去污的均匀性小于5%。但是，将晶圆10在短时间内加热至200~250℃，其对晶圆的固定、旋转等配套设备更为复杂，易对晶圆的背面造成较大的损伤。因此，不推荐采用晶圆10加热至200~250℃这种方案。
56.试验7如果不采用毛细金属管28对高温等离子射流进行束缚，会显著影响清洗效果。因此，本发明中毛细金属管28优选用内径为1mm的毛细钢管。
57.为便于试验，将毛细金属管28替换为金属喷嘴，金属喷嘴的内径为d。仅改变d值
（单位为mm），按照《去污表征实验》的方法，测得去污速率，见表3：表3d3025201510864210.80.6去污速率423431448471496521542560573586573549由表3可知，d优选为1mm。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。