一种晶圆表面杂质取样装置

技术领域

本申请实施例涉及半导体制造领域，特别涉及一种晶圆表面杂质取样装置。

背景技术

目前，在半导体芯片的生产过程中，杂质元素是影响半导体芯片的合格率的重要因素。即使是很微量的杂质元素也可能使得半导体芯片的合格率降低，例如碱金属杂质与碱土金属杂质污染可导致芯片击穿电压的降低；过渡金属杂质与重金属杂质污染可使芯片的寿命缩短，或者使芯片工作时的暗电流增大。杂质元素的含量对半导体芯片的性能和产品寿命均有很大影响，因此，杂质元素的提取和测量对半导体芯片的生产有着十分重要的意义。

然而，目前的杂质元素的提取和测量方案均存在效率低的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种晶圆表面杂质取样装置。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请实施例提供一种晶圆表面杂质取样装置，所述装置包括：取样喷嘴和旋转台；其中，

所述旋转台用于承载晶圆，并带动所述晶圆旋转；所述旋转台用于承载所述晶圆的表面为承载面；

所述取样喷嘴在所述承载面上与所述旋转台相对设置，所述取样喷嘴朝向所述旋转台的底表面呈长条形，所述长条形的长边沿第一方向延伸；所述第一方向为所述旋转台中心到所述旋转台边缘的方向；

所述取样喷嘴包括同轴设置的外部喷嘴架和内部扫描喷嘴；

所述内部扫描喷嘴用于通过所述底表面喷洒扫描液到所述晶圆上，并回收所述晶圆上的扫描液；

所述外部喷嘴架和内部扫描喷嘴之间构成气体腔室，以将所述扫描液阻隔在所述取样喷嘴内。

在一种可选的实施方式中，所述取样喷嘴沿第一方向上的长度与所述取样喷嘴沿第二方向上的长度的比值大于等于8，所述第二方向为所述底表面上垂直于所述第一方向的方向。

在一种可选的实施方式中，所述取样喷嘴沿第一方向上的长度为4cm-6cm；

所述取样喷嘴沿第二方向上的长度为0.3cm-0.6cm，所述第二方向为所述底表面上垂直于所述第一方向的方向。

在一种可选的实施方式中，所述气体腔室沿垂直于所述第一方向的第二方向分隔为互不连通的前端气体腔室和后端气体腔室。

在一种可选的实施方式中，所述装置还包括：前端气体管道、后端气体管道和扫描液管道；其中，

所述前端气体管道与所述前端气体腔室连接，所述后端气体管道与所述后端气体腔室连接；

所述扫描液管道与所述内部扫描喷嘴连接。

在一种可选的实施方式中，所述装置还包括：第一加压组件和第二加压组件；其中，

所述第一加压组件与所述前端气体腔室连接，所述第一加压组件用于独立控制所述前端气体腔室的压力；

所述第二加压组件与所述后端气体腔室连接，所述第二加压组件用于独立控制所述后端气体腔室的压力。

在一种可选的实施方式中，所述内部扫描喷嘴的下缘与所述旋转台之间的距离小于所述外部喷嘴架的下缘与所述旋转台之间的距离。

在一种可选的实施方式中，所述外部喷嘴架的下缘与所述旋转台之间的距离可调节。

在一种可选的实施方式中，所述装置还包括：调节螺杆；

所述调节螺杆与所述内部扫描喷嘴活动连接，与所述外部喷嘴架固定连接；

所述调节螺杆用于调节所述外部喷嘴架与所述旋转台之间的距离。

在一种可选的实施方式中，所述调节螺杆包括第一调节螺杆和第二调节螺杆；所述第一调节螺杆和所述第二调节螺杆用于共同调节所述外部喷嘴架与所述旋转台之间的距离；

所述第一调节螺杆设置在所述取样喷嘴上靠近所述旋转台中心的一侧，所述第二调节螺杆设置在所述取样喷嘴上靠近所述旋转台边缘的一侧。

在一种可选的实施方式中，所述内部扫描喷嘴包括拱形部和棱台部；所述拱形部的下缘与所述棱台部的上缘连接；

所述棱台部的侧壁从所述棱台部的上缘到所述棱台部的下缘向靠近所述取样喷嘴轴心的方向倾斜。

本申请实施例公开了一种晶圆表面杂质取样装置，所述装置包括：取样喷嘴和旋转台；其中，所述旋转台用于承载晶圆，并带动所述晶圆旋转；所述旋转台用于承载所述晶圆的表面为承载面；所述取样喷嘴在所述承载面上与所述旋转台相对设置，所述取样喷嘴朝向所述旋转台的底表面呈长条形，所述长条形的长边沿第一方向延伸；所述第一方向为所述旋转台中心到所述旋转台边缘的方向；所述取样喷嘴包括同轴设置的外部喷嘴架和内部扫描喷嘴；所述内部扫描喷嘴用于通过所述底表面喷洒扫描液到所述晶圆上，并回收所述晶圆上的扫描液；所述外部喷嘴架和内部扫描喷嘴之间构成气体腔室，以将所述扫描液阻隔在所述取样喷嘴内。本申请实施例中的取样喷嘴与旋转台相对的底表面呈长条形，且该长条形沿第一方向(第一方向为旋转台中心到旋转台边缘的方向)延伸，如此，在旋转台带动所述晶圆旋转，取样喷嘴从旋转台中心到旋转台边缘的方向进行移动时，取样喷嘴沿第一方向的扫描范围更大，也就是说，取样喷嘴能够扫描更多的晶圆面积，从而提高了晶圆表面杂质取样装置的扫描速率和扫描效率，也大大提升了每片晶圆的取样效率。且进一步地，由于外部喷嘴架和内部扫描喷嘴同轴设置，且外部喷嘴架和内部扫描喷嘴之间构成气体腔室，在气体腔室的配合下，能够将内部扫描喷嘴喷洒的扫描液阻隔在所述取样喷嘴内，从而提高了扫描液的回收率。

附图说明

图1a为手动VPD的示意图；

图1b为自动VPD的示意图；

图1c为手动VPD和自动VPD中的扫描流程示意图；

图1d为手动VPD和自动VPD中喷嘴的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置的剖视图；

图3为本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置的正视图；

图4为本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置的附视图；

图5为本申请实施例提供的内部扫描喷嘴的受力分析图；

图6为本申请实施例提供的亲水性表面和疏水性表面的接触角示意图；

图7为本申请实施例提供的外部喷嘴架的调节示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

为了实现微量杂质元素的测量，必须通过使用化学气相分解(Vapor Phasedecomposition，VPD)进行晶圆表面的前处理，然后配合电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)来实现。如图1a和图1b所示，目前多使用手动VPD或自动VPD进行前处理，手动VPD即操作人手动移动喷嘴，使喷嘴扫过整片晶圆后，将喷嘴中的扫描液转移至ICP-MS中进行杂质元素含量分析测试。然而无论手动VPD或自动VPD均存在以下问题：

1)在手动VPD过程中不可避免的引入杂质，影响测试效果。另手动VPD仅适用于疏水性晶圆，否则无法收集扫描液。

2)如图1c所示，无论手动VPD和自动VPD使用的喷嘴均为圆形的小型喷嘴，其扫描速率较低，导致扫描效率低。

3)如图1d所示，喷嘴的气体腔室内的压力一致，喷嘴移动时，若是气体腔室内的压力过小，液滴受张力影响会可能会出现喷嘴后端漏液的情况，若是提高气体腔室内的压力，又可能会导致喷嘴前端进气。

为此，提出了本申请实施例的以下技术方案。

本申请实施例提供一种晶圆表面杂质取样装置，图2为本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置的剖视图，如图2所示，所述晶圆表面杂质取样装置包括：

取样喷嘴210和旋转台220；其中，

所述旋转台220用于承载晶圆，并带动所述晶圆旋转；所述旋转台220用于承载所述晶圆的表面为承载面；

所述取样喷嘴210在所述承载面上与所述旋转台220相对设置，所述取样喷嘴210朝向所述旋转台220的底表面呈长条形，所述长条形的长边沿第一方向延伸；所述第一方向为所述旋转台220中心到所述旋转台220边缘的方向(如图4中所示的第一方向)；

所述取样喷嘴210包括同轴设置的外部喷嘴架211和内部扫描喷嘴212；

所述内部扫描喷嘴212用于通过所述底表面(例如线型的底表面)喷洒扫描液到所述晶圆上，并回收所述晶圆上的扫描液；

所述外部喷嘴架211和内部扫描喷嘴212之间构成气体腔室(如包含图2所示前端气体腔室2131和后端气体腔室2132)，以将所述扫描液阻隔在所述取样喷嘴210内，具体的阻隔在该气体腔室内。

本申请实施例中将取样喷嘴设置为长条形，且该长条形沿一个方向延伸，提高了取样喷嘴沿第一方向的扫描范围，使得在旋转台带动所述晶圆旋转一周时，取样喷嘴能够扫描更多的晶圆面积，从而提高了晶圆表面杂质取样装置的扫描速率和扫描效率，如此，大大提升了每片晶圆的取样效率。

这里，将晶圆表面的杂质收集于扫描液(Scan Solution)中，将晶圆表面扫描完成后收集到的扫描液转移至ICP-MS中进行杂质含量分析测试，进而计算出晶圆表面的杂质含量。其中，所述杂质可以为金属杂质。

在本申请实施例中，所述取样喷嘴210在所述旋转台220中心和所述旋转台220边缘之间移动，以对整个晶圆进行扫描取样。所述外部喷嘴架211的轴向截面垂直于所述旋转台220的承载面，所述内部扫描喷嘴212的轴向截面垂直于所述旋转台220的承载面。

在本申请实施例中，所述取样喷嘴210沿第一方向上的长度与所述取样喷嘴210沿第二方向上的长度的比值大于等于8，所述第二方向为所述底表面上垂直于所述第一方向的方向(如图4中所示的第二方向)。

在本申请的一些实施例中，晶圆可放置在旋转台220的中央，第一方向例如是晶圆的径向，第二方向例如是垂直于晶圆径向的切向。

在本申请实施例中，所述取样喷嘴210沿第一方向上的长度为4cm-6cm；所述取样喷嘴210沿第二方向上的长度为0.3cm-0.6cm，所述第二方向为所述底表面上垂直于所述第一方向的方向。由于取样喷嘴210沿第一方向上的长度远大于取样喷嘴210沿第二方向上的长度，大大提高了取样喷嘴沿第一方向(所述旋转台中心到所述旋转台边缘的方向)的扫描范围，从而提高了晶圆表面杂质取样装置的扫描速率和扫描效率。

在本申请实施例中，所述取样喷嘴的形状为底表面为长条形、且沿第一方向延伸的立体形状。在实际应用时，所述取样喷嘴的形状可为长方体等底表面为长条形、且沿第一方向延伸的立体形状。

例如，所述取样喷嘴210沿第一方向上的长度为5cm时，相较于现有技术中采用的直径为1cm的喷嘴，环扫接触面积提高了5倍，环扫效率也提高了400％，同时，晶圆表面杂质取样装置的吞吐量(though put)也由42min/pcs提高至9min/pcs(针对直径为300mm的晶圆而言)。

在本申请实施例中，所述内部扫描喷嘴212在所述旋转台220上的正投影形状为长条形，所述长条形的长边沿第一方向延伸。所述内部扫描喷嘴212沿第一方向上的长度与所述内部扫描喷嘴212沿所述第二方向上的长度的比值大于等于8。所述内部扫描喷嘴212沿第一方向上的长度为4cm-6cm；所述内部扫描喷嘴212沿所述第二方向上的长度为0.3cm-0.6cm。由于内部扫描喷嘴212沿第一方向上的长度远大于内部扫描喷嘴212沿第二方向上的长度，大大提高了内部扫描喷嘴212沿第一方向(所述旋转台中心到所述旋转台边缘的方向)的扫描范围，从而提高了晶圆表面杂质取样装置的扫描速率和扫描效率。

在本申请实施例中，如图2所示，所述气体腔室沿垂直于所述第一方向的第二方向分隔为互不连通的前端气体腔室2131和后端气体腔室2132。

图3为本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置的正视图，如图2和图3所示，在本申请实施例中，所述装置还包括：前端气体管道214、后端气体管道215和扫描液管道；其中，所述前端气体管道214与所述前端气体腔室2131连接，所述后端气体管道215与所述后端气体腔室2132连接；所述扫描液管道与所述内部扫描喷嘴212连接。这里，所述前端气体管道214用于向所述前端气体腔室2131输送惰性气体(如氮气)，所述后端气体管道215用于向所述后端气体腔室2132输送惰性气体。

在本申请实施例中，所述扫描液管道包括扫描液输入管道216和扫描液输出管道217；其中，扫描液输入管道216用于向所述内部扫描喷嘴212输送扫描液；扫描液输出管道217用于回收所述晶圆上的扫描液。

在一些实施例中，所述装置还包括：与扫描液输出管道217连接的吸抽组件(图中未示出)，所述吸抽组件用于通过吸力将所述扫描液回收并排出。在实际应用时，所述吸抽组件可以为真空泵、流速泵、机械泵、分子泵或抽风机等能够产生吸力的装置。

在本申请实施例中，所述装置还包括：第一加压组件(图中未示出)和第二加压组件(图中未示出)；其中，所述第一加压组件与所述前端气体腔室2131连接，所述第一加压组件用于独立控制所述前端气体腔室2131的压力；所述第二加压组件与所述后端气体腔室2132连接，所述第二加压组件用于独立控制所述后端气体腔室2132的压力。本申请实施例中可以单独控制前端气体腔室2131的压力和后端气体腔室2132的压力，保证取样喷嘴移动时前端和后端的推动力适宜，且保证取样喷嘴移动时，内部扫描喷嘴不会出现前端进气、后端漏液的情况。

图4为本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置的附视图，如图4所示，所述取样喷嘴210的俯视图呈长条形，所述长条形的长边沿第一方向延伸；所述第一方向为所述旋转台中心到所述旋转台边缘的方向。第二方向则为所述晶圆表面上垂直于所述第一方向的方向。第一方向和第二方向如图4中的虚线所示。

图5为本申请实施例提供的内部扫描喷嘴的受力分析图，如图5所示，取样喷嘴移动时(F

后端：F

前端：F`

需要说明的是，所述取样喷嘴的行进力为推动所述取样喷嘴移动的力；所述取样喷嘴的行进阻力为所述取样喷嘴移动时受到的阻力。

由上述后端气体腔室的压力和前端气体腔室的压力可知：P

由于本申请实施例中可以单独控制前端气体腔室2131的压力和后端气体腔室2132的压力，因此，本申请实施例提供的晶圆表面杂质取样装置还可以针对亲水性晶圆进行杂质提取，换言之，使用本申请实施例中的晶圆表面杂质取样装置，可以无需对晶圆进行前处理来形成疏水性晶圆表面，直接对晶圆进行杂质取样即可。这样，减少了工艺步骤，提高晶圆杂质取样的效率。

图6为本申请实施例提供的亲水性表面和疏水性表面的接触角示意图，如图6所示，亲水性表面的接触角小于疏水性表面的接触角，从而亲水性表面的液滴需要更大的压力才能进行控制。基于此，在对亲水性晶圆进行杂质取样时(相较于疏水性晶圆)，前端气体腔室的压力和后端气体腔室的压力往往需要调整的更大。

本申请实施例中可以单独控制前端气体腔室的压力和后端气体腔室的压力，从而可以实现内部扫描喷嘴前端和后端的压力的精确调节，克服取样喷嘴的行进阻力差，且对亲水性晶圆进行杂质取样时，还可以针对性的对后端气体腔室压力和前端气体腔室压力进行调节和优化，以适应亲水性晶圆的表面特性，确保亲水性晶圆的扫描液的收集，减少漏液。

这里，所述第一加压组件可以与所述前端气体管道214连接，或者与所述前端气体管道214一体设置；所述第二加压组件可以与所述后端气体管道215连接，或者与所述后端气体管道215一体设置。在实际应用时，所述第一加压组件和所述第二加压组件均包括进气端和出气端，进气端分别与前端气体管道214和后端气体管道215连接，出气端分别与所述前端气体腔室2131和后端气体腔室2132连接。进气端和出气端内分别设置有导通或隔离进气端和出气端的压力阀门。所述压力阀门可以通过开关气流通路和/或调整气流通路的流通截面积来控制气体的压力，以控制气体腔室的压力。其中，所述压力阀门可为手动阀门，也可为自动阀门。所述自动阀门可包括电控阀门或电磁阀门。

在本申请实施例中，如图2所示，所述内部扫描喷嘴212的下缘与所述旋转台220之间的距离小于所述外部喷嘴架211的下缘与所述旋转台220之间的距离。在实际应用时，所述内部扫描喷嘴212的下缘可以与所述旋转台220的承载面直接接触，以更好的将扫描液喷洒到晶圆上并回收。由于所述内部扫描喷嘴212的下缘与所述旋转台220之间的距离小于所述外部喷嘴架211的下缘与所述旋转台220之间的距离，从而从图3所示的正视图中可以看到从所述外部喷嘴架211下面露出的所述内部扫描喷嘴212。

在本申请实施例中，所述外部喷嘴架211的下缘与所述旋转台220之间的距离可调节。在实际应用时，所述外部喷嘴架211的下缘与所述旋转台上的晶圆之间的距离可调节。

在本申请实施例中，如图2～图5所示，所述装置还包括：调节螺杆217；所述调节螺杆217设置在所述取样喷嘴210上；所述调节螺杆217与所述内部扫描喷嘴212活动连接，与所述外部喷嘴架211固定连接；所述调节螺杆217用于调节所述外部喷嘴架211与所述旋转台220之间的距离。在实际应用时，所述调节螺杆217用于调节所述外部喷嘴架211与所述旋转台上的晶圆之间的距离。

在本申请实施例中，所述调节螺杆217包括第一调节螺杆2171和第二调节螺杆2172；所述第一调节螺杆2171和所述第二调节螺杆2172用于共同调节所述外部喷嘴架211与所述旋转台220之间的距离；所述第一调节螺杆2171设置在所述取样喷嘴210上靠近所述旋转台220中心的一侧，所述第二调节螺杆2172设置在所述取样喷嘴210上靠近所述旋转台220边缘的一侧。由于所述取样喷嘴为长条形(外部喷嘴架和内部扫描喷嘴也为长条形)，从而仅通过一个调节螺杆对外部喷嘴架的高度进行调节可能会导致外部喷嘴架前后端出现不平衡的情况。因此，本申请设置了两个调节螺杆分别对外部喷嘴架的前端和后端进行调节，保证第一调节螺杆和第二调节螺杆的调节参数一致，则可以确保外部喷嘴架前后端位于同一水平线，不会出现外部喷嘴架前后端不平衡的情况。本申请实施例中通过第一调节螺杆和第二调节螺杆实现对外部喷嘴架的精准调节。

在本申请实施例中，所述内部扫描喷嘴212包括拱形部2121和棱台部2122；所述拱形部2121的下缘与所述棱台部2122的上缘连接；所述棱台部2122的侧壁从所述棱台部2122的上缘到所述棱台部2122的下缘向靠近所述取样喷嘴210轴心的方向倾斜。所述棱台部2122的下缘可以与所述旋转台220的承载面接触。如图2所示，所述棱台部2122的侧壁为一斜面，该斜面可以和气体腔室内的气流配合以防止所述扫描液溢出所述取样喷嘴210。

图7为本申请实施例提供的外部喷嘴架的调节示意图，如图7所示，这里，可以将图7左侧的部分视为未调整的外部喷嘴架，将图7右侧的部分视为调整后的外部喷嘴架，调整后的外部喷嘴架与晶圆之间的距离大于未调整的外部喷嘴架与晶圆之间的距离，在调节第一调节螺杆和第二调节螺杆后，改变外部喷嘴架与晶圆之间的距离，在后端气体腔室213的压力不变的情况下，外部喷嘴架与晶圆之间的距离越大，气体流速V`

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其他的方式实现。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。