本发明属于半导体制造领域，更具体地，涉及一种晶圆清洗设备。

背景技术：

在半导体制备流程中，清洗工艺是必不可少的步骤。槽式清洗机具有产量高、药液消耗量少的显著优势，成为当前循环晶圆清洗的主流机台。但是，由于循环晶圆一般膜层较厚、在清洗过程中膜层剥落时将会产生大量颗粒，重新沉积到晶圆表面。经过有机物、金属和颗粒去除之后，虽然颗粒的总体数目显著减少，但在晶圆与晶圆花篮的接触位置，仍有较多的颗粒残留，即出现颗粒堆积，影响清洗的效率。

槽式清洗与单片清洗的一个显著不同就是循环药液的反复使用，为了保证槽体内药液的相对洁净度，需要持续对药液进行循环过滤，将工艺后产生的颗粒、金属离子等污染物排出槽体。

现有的槽式清洗工艺循环采用内外双槽结构，图1示出了现有的槽式清洗装置的结构示意图，如图1所示，内槽1液位注满后靠重力溢流到外槽2，外槽2药液通过循环泵5，先后流入过滤器3、加热器4到最终返回内槽1。

该内外双槽结构主要包括两个功能，一是对药液的循环过滤，晶圆在内槽中经过药液处理后会产生金属离子、颗粒等污染物，通过持续的溢出循环，一部分颗粒污染物会溢流到外槽2，经过循环管路的过滤后，其中的大部分颗粒物被过滤掉，从而起到净化内槽药液的功能。二是对消耗药液进行实时补充，在工艺过程中，药液会不断地被消耗，内槽1的液位也会下降，为了保证内槽1的药液浓度稳定及液位的溢流状态，通过补液管路7对内槽1的药液进行实时补充，但考虑到直接注入内槽1会导致温度变化以及浓度不均匀，因而先将药液注入到外槽2进行缓冲，再通过循环管路流入内槽1。

采用内外双槽结合的设计存在以下几个缺点：

首先，药液净化不完全。该结构通过内槽液位溢流来将工艺后的药液流入外槽，以此达到去除颗粒污染物的目的。但是，内槽工艺中产生的颗粒，只有到达液面的才能溢流进入到外槽，其他的大部分颗粒将会在重力作用下向下沉积。

图2示出了现有的晶圆花篮承载晶片的结构示意图，图3示出了一种现有的晶圆花篮与晶片接触位置示意图，图4示出了另一种现有的晶圆花篮与晶片接触位置示意图。如图2至图4所示，晶圆是通过花篮承载放入槽体中的，底部有四个插槽来进行稳固，如图2至4所示的插槽的具体形态及接触位置，颗粒在向下沉积时将会在插槽处受到阻碍，从而发生聚集，导致颗粒堆积问题的发生，其中的一个主要原因就是当前循环下，向上的流场与向下的重力发生了干扰，降低了药液的净化效率。

其次，药液浓度均匀性较差。外槽作为补液时的缓冲区域，会在工艺过程中不断地将新药液通过循环管路注入到内槽底部，然后通过自然扩散来达到槽体内浓度的均匀。然而，由于这个过程的持续性，底部药液浓度将会始终高于顶部，不同的浓度具有不同的腐蚀速率，这种情况下底部晶圆的腐蚀程度将会明显高于顶部，最终影响到整体的清洗效果。

另外，有效循环占比较低。在整个工艺中，内槽液位始终保持溢流状态，当载有晶圆的花篮进入内槽时，将会由于体积突增使内槽药液大量溢出到外槽，再通过循环管路流入内槽。然而，此时工艺前的药液是干净的，并不需要循环，循环后反而使药液纯度受到影响，但由于这种设计下内槽一直是溢流状态，无效循环的出现是不可避免的。

因此，需要提供一种晶圆清洗设备，减少槽体污染及接触点的颗粒聚集。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种晶圆清洗设备，以减少槽体污染及接触点的颗粒聚集。

为了实现上述目的，本发明的提供一种晶圆清洗设备，包括：

清洗槽，用于盛放清洗液；

喷淋机构，所述喷淋机构设置于清洗槽顶部的内侧壁；

循环管路，所述循环管路的进液口与所述清洗槽的底部连通，所述循环管路的出液口与所述喷淋机构连通，用于将所述清洗液从所述清洗槽的底部循环导入至所述清洗槽的顶部。

优选地，所述晶圆清洗设备还包括：补液管路、液位传感器和控制器，所述补液管路与所述清洗槽连通；所述液位传感器用于检测所述清洗槽内的所述清洗液的实际液位高度；所述控制器用于比较所述实际液位高度与预设液位高度，并根据所述实际液位高度与所述预设液位高度的差值控制所述补液管路向所述清洗槽内补液，所述预设液位高度为清洗工艺配液时，所述清洗槽内未放入晶圆花篮和待清洗晶圆时的液位高度。

优选地，所述喷淋机构包括喷淋管路和设置于所述喷淋管路的多个喷淋孔，多个所述喷淋孔喷出的清洗液落入所述清洗槽中清洗液液面的中轴区域；

所述循环管路的循环流量q满足以下公式：

其中，v为所述喷淋孔喷出清洗液的初速度，n为喷淋孔个数，ф为所述喷淋孔的直径。

优选地，所述晶圆清洗设备还包括浓度计，所述浓度计用于检测所述清洗槽内的所述清洗液的实际浓度；

所述控制器还用于根据所述实际液位高度、所述实际浓度、所述预设液位高度和预设浓度，控制所述补液管路向所述清洗槽补液，所述预设浓度为清洗工艺配液时，所述清洗槽内所述清洗液的浓度。

优选地，所述补液管路向所述清洗槽补液的药液量p为：

p＝s(h0c0-hc)

其中，h为所述实际液位高度，h0为所述预设液位高度，c为所述实际浓度，c0为所述预设浓度，s为所述清洗槽的底面积。

优选地，所述清洗槽与所述循环管路的连通处设有整流板，所述整流板上均布有多个漏液孔。

优选地，所述清洗槽的数量为一个。

优选地，所述循环管路上设有循环泵，所述循环泵用于将所述清洗液从所述清洗槽的底部循环泵入所述清洗槽的顶部。

优选地，所述循环管路上还设有加热器，所述加热器位于所述循环泵的上游，用于对所述循环管路内的清洗液进行加热。

优选地，所述循环管路上还设有过滤器，所述过滤器位于加热器的上游，用于对所述循环管路内的清洗液进行过滤。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的晶圆清洗设备，改变现有的双槽结构和清洗液溢流的循环方式，清洗液由清洗槽的底部经过循环管路直接流入到清洗槽的顶部，使清洗槽内的流场和重力场始终向下，减少流场死区，从而减少槽内污染及接触点的颗粒聚集。

2、通过液位传感器检测实际液位高度，在每个清洗工艺前配液或补液时，控制器通过实际液位高度与预设的液位高度比较来决定是否进行补液，使清洗液的补液与循环进行分离，以保证清洗液能够在槽体内均匀混合，提高清洗工艺过程中晶圆表面各处清洗液浓度的均匀性。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了现有的槽式清洗装置的结构示意图。

图2示出了现有的晶圆花篮承载晶片的结构示意图。

图3示出了一种现有的晶圆花篮与晶片接触位置示意图。

图4示出了另一种现有的晶圆花篮与晶片接触位置示意图。

图5示出了根据本发明一个实施例的一种晶圆清洗设备的结构示意图。

图6示出了根据本发明一个实施例的一种喷淋机构安装位置示意图。

图7示出了根据本发明一个实施例的一种喷淋孔的结构示意图。

附图标记说明：

1、内槽；2、外槽；3、过滤器；4、加热器；5、循环泵；6、液位传感器；7、补液管路；8、待清洗晶圆；9、晶圆花篮；10、清洗槽；11、清洗液；12、喷头孔；13、喷淋机构；14、循环管路。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明实施例的一种晶圆清洗设备，包括：

清洗槽，用于盛放清洗液；喷淋机构，喷淋机构设置于清洗槽顶部的内侧壁；循环管路，循环管路的进液口与清洗槽的底部连通，循环管路的出液口与喷淋机构连通，用于将清洗液从清洗槽的底部循环导入至清洗槽的顶部。

该设备还包括晶圆花篮，晶圆花篮设于清洗槽内，用于承载待清洗晶圆。

本实施例的晶圆清洗设备改变了现有清洗设备中内槽向外槽顶部溢流的循环方式，清洗液从清洗槽的底部经过循环管路流入到清洗槽的顶部，通过喷淋机构将清洗液循环注入到清洗槽，清洗槽内的流场和重力场始终向下，提高颗粒向下扩散的速率，且可以通过循环管路持续地将清洗液循环泵入，优化清洗槽内清洗液的流场分布。现有清洗设备中的流场和重力场相互干扰产生的流速死区，相对于现有清洗设备中溢流的循环方式，本实施例的清洗液循环方式可以最大限度地保证颗粒在晶圆与花篮接触的位置仍有较大的流速，减少槽体污染及接触点的颗粒聚集，预防槽体内颗粒堆积情况的发生。

本实施例的清洗液循环方式不需保持溢流状态来进行循环，通过对清洗槽内的最大液位来进行设定，预设最高液位，即满载晶圆的晶圆花篮完全没入清洗液的液位，该液位略低于喷淋机构，这就避免了晶圆花篮进入清洗槽导致清洗槽溢流状态而出现无效的清洗液循环，保证循环管路的高效运行。

作为一个示例，在清洗工艺时循环管路始终保持开启状态，清洗槽在空闲(即未进行清洗工艺)时，循环流量可以适当降低，只需保持循环状态即可。

作为优选方案，清洗槽的数量为一个。本实施例的清洗设备不同于现有技术中清洗设备的双槽结构，采用单个清洗槽即可满足晶片的清洗工艺，节省设备所占空间。

作为优选方案，晶圆清洗设备还包括：补液管路、液位传感器和控制器，补液管路与清洗槽连通；液位传感器用于检测清洗槽内的清洗液的实际液位高度；控制器用于比较实际液位高度与预设液位高度，并根据实际液位高度与预设液位高度的差值控制补液管路向清洗槽内补液，预设液位高度为清洗工艺配液时，清洗槽内未放入晶圆花篮和待清洗晶圆时的液位高度。

具体地，预设液位高度为清洗槽内未放入晶圆花篮和待清洗晶圆时的液位高度，该液位高度可根据晶圆和晶圆花篮的体积设计预设液位高度，该液位高度能够满足晶圆和晶圆花篮放入预设液位的清洗液时，晶圆能够浸没于清洗液的液面之下。

作为一个示例，清洗槽中设有补液管路和液位传感器，在每个清洗工艺开始前对清洗槽进行配液或补液，通过液位传感器检测清洗槽内实际液位高度与预设的液位高度比较来判定是否进行补液，并预留一定的清洗液混合时间，保证清洗工艺过程中晶圆表面各处清洗液的浓度均匀性。

在清洗工艺开始前，补液管路对清洗槽进行配液或补液，在工艺过程中不进行清洗液的补充，虽然浓度会由于消耗而有所的下降，一定程度上降低清洗的速率。但是，相对清洗速率，晶圆各处的清洗一致性更为重要，保持清洗工艺过程中保证晶圆各处清洗液的浓度均匀。

作为优选方案，喷淋机构包括喷淋管路和设置于喷淋管路的多个喷淋孔，多个喷淋孔喷出的清洗液落入清洗槽中清洗液液面的中轴区域。

作为一个示例，喷淋机构将清洗液循环注入到清洗槽内，喷淋机构设置于清洗槽的内壁，同时高于预设最高液面，喷淋管路与循环管路相连，通过并排设置的喷淋孔，清洗液能够以一定的流速喷射进入清洗槽的液面中部，而后在自然扩散、重力、流场的三重作用下快速在清洗槽内达到均匀状态。

作为优选方案，循环管路的循环流量q满足以下公式：

其中，v为喷淋孔喷出清洗液的初速度，n为喷淋孔个数，ф为喷淋孔的孔径。可根据由机台的硬件设计和需求，设计循环管路的循环流量和喷淋孔喷出清洗液的初速度。通过喷淋孔的孔径和数量的协同配合，保证循环清洗液喷出时具有一定的初速度，尽可能使其落入点位于液面中轴区域，使其能够在槽体中进行快速扩散。

在此基础上，可以通过增加喷头数量来提高循环清洗液与槽内液面的接触面积，使循环流入的清洗液与清洗槽内的剩余的清洗液快速混匀，在清洗工艺过程中，保证晶圆各处清洗液的浓度均匀，提高晶圆各处清洗的一致性。

作为优选方案，晶圆清洗设备还包括浓度计，浓度计用于检测清洗槽内的清洗液的实际浓度；

控制器还用于根据实际液位高度、实际浓度、预设液位高度和预设浓度，控制补液管路向清洗槽补液，预设浓度为清洗工艺配液时，清洗槽内清洗液的浓度。

作为一个示例，通过液位传感器和浓度计采集清洗工艺后清洗液的实际液位高度和实际浓度，然后与预设液位高度和预设浓度进行比较计算，以单药液系统举例，则可得到补液管路需要向清洗槽补液的药液量，之后继续注入去离子水，直到液位达到预设液位后注液即可完成。并在注液结束后预留混合时间，以保证补充的清洗液与原有的清洗液能够在槽体内均匀混合。

作为优选方案，补液管路向清洗槽补液的药液量p为：

p＝s(h0c0-hc)

其中，h为实际液位高度，h0为预设液位高度，c为实际浓度，c0为预设浓度，s为清洗槽的底面积，通过在清洗工艺开始前，向清洗槽补充的药液量p以达到清洗液原有的配液浓度，保证清洗工艺对晶圆清洗的一致性。

作为优选方案，清洗槽与循环管路的连通处设有整流板，整流板上均布有多个漏液孔。

具体地，整流板水平设置于清洗槽的底部，整流板上均布有多个漏液孔，清洗槽内的清洗液能够均匀的流出，保证清洗槽内的各点流场方向一致，流速也一致，使流场和重力场在槽体中都是向下的，避免流场和重力场相互干扰产生流速死区，保证颗粒在晶圆与晶圆花篮接触的位置的流速，减少该处的颗粒聚集。

作为优选方案，循环管路上设有循环泵，循环泵用于将清洗液从清洗槽的底部循环泵入清洗槽的顶部，保持清洗液由下至上的循环流动。

作为优选方案，循环管路上还可以设有过滤器和加热器，加热器用于对循环管路内的清洗液进行加热，过滤器用于对循环管路内的清洗液进行过滤，且过滤器位于加热器的上游，加热器位于循环泵的上游。

作为一个示例，进入循环管路的清洗液经过循环管路的过滤后，其中大部分颗粒物被过滤掉，从而起到净化清洗槽内的清洗液的作用，并对净化后的清洗液加热后，通过喷淋机构将过滤后并加热好的清洗液注入清洗槽的顶部，对晶圆进行循环的清洗工艺。

根据本发明实施例的一种晶圆清洗方法，采用上述晶圆清洗设备，该方法包括如下步骤：

s1：清洗工艺前进行配液，向清洗槽内注入预设浓度的清洗液至预设液位；

s2：将待清洗晶圆放入清洗槽内，使清洗液浸没待清洗晶圆；

s3：开启循环管路，使清洗液从清洗槽的底部循环流入清洗槽的顶部，直至完成清洗工艺。

在清洗工艺前进行配液或补液，在工艺过程中不进行清洗液的补充，虽然清洗液浓度会由于工艺消耗而有所的下降，一定程度上降低清洗的速率。但是，相对清洗速率，晶圆各处的清洗一致性更为重要，保证清洗工艺过程中晶圆各处清洗液浓度的均匀。在清洗工艺过程中，清洗槽的液位始终处于预设最高液位以下，不存在顶部溢流；清洗液循环时也无需经过外槽，而是将清洗液直接从清洗槽的底部通过循环管路流入清洗槽的顶部，使清洗槽内的流场和重力场都是向下的，加快颗粒清洗流速，减少槽内污染及接触点的颗粒聚集。

实施例1

图5示出了根据本发明一个实施例的一种晶圆清洗设备的结构示意图，图6示出了根据本发明一个实施例的一种喷淋机构安装位置示意图，图7示出了根据本发明一个实施例的一种喷淋孔的结构示意图。

如图5至图7所示，本实施例的晶圆清洗设备，包括：清洗槽10，用于盛放清洗液11；清洗槽10的数量为一个；喷淋机构13，喷淋机构13设置于清洗槽10顶部的内侧壁；循环管路14，循环管路14上设有循环泵5，循环管路14的进液口与清洗槽10的底部连通，循环管路14的出液口与喷淋机构13连通，用于将清洗液11从清洗槽10的底部循环导入至清洗槽10的顶部。

清洗槽10与循环管路的连通处设有整流板，整流板上均布有多个漏液孔。循环管路14上还依次设有过滤器3和加热器4，加热器4用于对循环管路14内的清洗液11进行加热，过滤器3用于对循环管路14内的清洗液11进行过滤。

本实施例的设备还包括晶圆花篮9，晶圆花篮9设于清洗槽10内，用于承载待清洗晶圆8。喷淋机构13设置于清洗槽10的内壁，包括喷淋管路和连接于喷淋管路的多个喷淋孔12，喷淋管路沿水平方向设置，多个喷淋孔12朝向清洗槽10的中心并排设置于喷淋管路上，多个喷淋孔12喷出的清洗液落入清洗槽10中清洗液液面的中轴区域。

如图7所示，循环管路14的循环流量q满足以下公式：

其中，v为喷淋孔喷出清洗液的初速度，n为喷淋孔个数，ф为喷淋孔的孔径。如图6所示，喷淋机构13安装于清洗槽10的内壁，同时高于预设最高液面，喷淋孔12沿水平方向设置均匀分布于，通过喷淋孔12的个数和喷淋孔的孔径协同配合，保证循环清洗液喷出时具有一定的初速度，尽可能使其落入点位于液面中位线，循环后的清洗液能够在清洗槽10中进行快速扩散。

本实施例的晶圆清洗设备还包括：补液管路7、液位传感器6和控制器(未示出)，补液管路7与清洗槽10连通；液位传感器6用于检测清洗槽10内的清洗液11的实际液位高度；控制器用于比较实际液位高度与预设液位高度，并根据实际液位高度与预设液位高度的差值控制补液管路7向清洗槽10内补液，预设液位高度为清洗工艺配液时，清洗槽10内未放入晶圆花篮9和待清洗晶圆8时的液位高度。

本实施的设备还包括浓度计(未示出)，浓度计用于检测清洗槽10内的清洗液11的实际浓度；控制器根据实际液位高度、实际浓度、预设液位高度和预设浓度，控制补液管路7向清洗槽10补液，预设浓度为清洗工艺配液时，清洗槽10内清洗液11的浓度。

补液管路7向清洗槽10补液的药液量p为：

p＝sh0c0-hc

其中，h为实际液位高度，h0为预设液位高度，c为实际浓度，c0为预设浓度，s为清洗槽的底面积。清洗槽连接补液管路，根据所检测清洗槽内实际液位高度和实际浓度，在每个清洗工艺开始前配液或补液，控制器通过实际液位与预设的液位比较来决定是否进行补液，根据实际液位高度与预设液位高度的差值控制补液管路7向清洗槽10内补液，并预留一定的药液混合时间，保证清洗工艺过程中晶圆表面各处清洗液的浓度均匀性。

本实施例的晶圆清洗设备，通过循环管路14将清洗液11从清洗槽10的底部循环泵入清洗槽10的顶部，即采用清洗槽10的底部抽液和顶部喷淋的一体式循环模式，通过过滤器3和加热器4对清洗液11进行过滤和加热后即可达到喷淋机构，注入清洗槽10的顶部，清洗工艺时循环管路14始终保持开启状态，清洗槽10内的流场和重力场均向下，最大限度地保证颗粒在晶圆8与晶圆花篮9接触的位置具有较大的流速，减少该处的颗粒聚集。

实施例2

本实施例的晶圆清洗方法，利用上述实施例的晶圆清洗设备，该方法包括如下步骤：

s1：清洗工艺前进行配液，向清洗槽10内注入预设浓度的清洗液11至预设液位；

s2：将待清洗晶圆放入清洗槽10内，使清洗液11浸没待清洗晶圆8；

s3：开启循环管路14，使清洗液11从清洗槽10的底部循环流入清洗槽10的顶部，直至完成清洗工艺。

本实施例的清洗方法，在清洗工艺前对清洗槽进行配液或补液，在工艺过程中不进行清洗液的补充，虽然清洗液浓度会由于工艺消耗而有所的下降，一定程度上降低清洗的速率。但是，相对清洗速率，晶圆8各处的清洗一致性更为重要，保证清洗工艺过程中晶圆8各处清洗液浓度的均匀。在清洗工艺过程中，通过循环管路将清洗液直接从清洗槽10的底部通过循环管路14流入清洗槽10的顶部，使清洗槽10内的流场和重力场都是向下的，加快颗粒清洗流速，减少槽内污染及接触点的颗粒聚集。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。