TWI875195B - 刷輪結構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種刷輪結構，包含一發泡體、一中央通道、一微孔區，以及複數個通孔。發泡體中包含複數個孔洞交錯形成的流道，且該些孔洞之平均孔徑介於300μm至500μm。中央通道設置於該發泡體中，並與該些流道連通。微孔區位於該發泡體的表層，並具有複數個微孔洞，且該些微孔洞之孔徑小於該發泡體孔洞之平均孔徑。該複數個通孔，設置於該發泡體的外表面，其中，該些通孔之深度係介於50μm至300μm，且該些通孔之總面積佔該發泡體的外表面總面積之10%至90%。

Description

刷輪結構

本發明是關於一種刷輪結構，特別是關於一種具備高流體通量與均勻度且可調整流體通過刷輪徑向方向流量的刷輪結構。

在資訊發展蓬勃的現代社會，相關的電子產業亦快速發展，而半導體製程更為電子產業中不可或缺的一環。

在半導體製程中，化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)可使晶圓等精密元件表面達成全面性之平坦化(global planarization)，然化學機械研磨的處理過程中容易在晶圓表面產生有機殘留物、微顆粒、腐蝕現象的缺陷，是以在完成化學機械研磨後須對晶圓進行清洗，以利於後續製程進行並提升晶圓品質。

在清洗晶圓的過程是以水、清洗液等搭配清潔滾輪來進行，以透過水和清洗液以及清潔滾輪的移動來移除晶圓表面的異物。在不刮傷晶圓表面前提下，清潔滾輪與晶圓表面接觸之部分須採用軟質發泡材料之刷輪。且欲達到充分清洗效果，清潔滾輪還需具備硬質軸心結構，方可承受對清潔滾輪所施加一定強度之下壓力、水壓以及轉速，而不致使清潔滾輪形變。清潔滾輪多位於出水口，通常以透過清潔滾輪之硬質軸心中的流道調控到達清潔滾輪與晶圓每一接觸處所需的水量。然而，水在經過清潔滾輪中的發泡刷輪時，發泡刷輪內部的孔徑、孔洞分佈型態等，皆會影響水的通量與流向，造成無法由發泡刷輪表面順利流出而溢流耗損，致使有效出水率過低或與晶圓每一接觸處的出水量不一致，而無法達成清洗製程的要求。

因此，如何提供一種可調控徑向方向出水量與均勻度並降低水等清洗的液體耗損量的刷輪結構，以提升晶圓清洗的效率，遂為本領域的技術人員所致力發展的目標。

本發明一實施態樣是在於提供一種刷輪結構，包含一發泡體，包含複數個孔洞交錯形成的複數條流道，且該些孔洞之平均孔徑介於300μm至500μm；一中央通道，設置於該發泡體中，並與該些流道連通；一微孔區，位於該發泡體的表層，該微孔區具有複數個微孔洞，且該些微孔洞之孔徑小於該發泡體孔洞之平均孔徑；以及複數個通孔，設置於該發泡體的外表面；其中，該些通孔之深度係介於50μm至300μm，且該些通孔之總面積佔該發泡體的外表面總面積之10%至90%。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該微孔區之該些微孔洞的孔徑係介於1μm至100μm。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該微孔區具有30μm至200μm的厚度。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該些通孔之深度大於該微孔區的厚度。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該些位於發泡體外表面的通孔為圓形、橢圓形、長條形或由其所組合形狀，且該等通孔為均勻分布於發泡體之外表面或聚集成區域分佈於發泡體之外表面。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該些通孔之總面積佔該發泡體的外表面總面積之20%至70%。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該發泡體之孔隙率介於70%至95%。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該中央通道之寬度介於9mm至30mm。

本發明刷輪結構之另一實施態樣中，該發泡體外表面進一步包含至少一凸塊。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該凸塊之高度係介於4mm至6mm。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該凸塊之底部寬度係介於7mm至13mm，該凸塊之頂部寬度係介於6mm至11mm。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該發泡體的材質包含聚乙烯醇交聯物。

下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而，此實施方式可為各種發明概念的應用，可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的，且不受限於揭露的範圍。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之，且重複或相同之元件將可能使用相同的編號表示之。

在本文中的「平均孔徑」係以孔徑-數量分佈中所佔50%數量中間值之孔徑大小範圍表示，該孔徑-數量分佈係將發泡體裁切為1寸大小的試片，依ASTM-D3576方法以電子顯微鏡量測其各孔徑大小及數量，再經統計後而得。

第1a圖與第1b圖分別繪示本發明一實施態樣之刷輪結構100的示意圖與其表層沿厚度方向之截面圖。刷輪結構100包含一發泡體110，包含複數個孔洞120交錯形成的複數條流道121，該些孔洞120之平均孔徑介於300μm至500μm；一中央通道130，設置於該發泡體110中，並與該些流道121連通；一微孔區140，位於該發泡體110的表層，該微孔區140具有複數個微孔洞141，且該些微孔洞141之孔徑小於該發泡體110孔洞120之平均孔徑；以及複數個通孔150，設置於該發泡體110的外表面；其中，該些通孔150之深度T2介於50μm至300μm間，且該些通孔150之總面積佔該發泡體110的外表面總面積之10%至90%，該些通孔150連通至該些流道121。

當本發明之刷輪結構100用於清洗晶圓或其他待清洗物時，刷輪結構100係以中央通道130套設於一刷輪軸心(未繪示)，清潔用的液體由刷輪軸心分散進入至刷輪結構100中。由於流道121係由平均孔徑介於300μm至500μm之複數孔洞120所形成，在此平均孔徑範圍內之孔洞所形成之流道121可維持一定的液體通量，故所輸入的液體量不致因遠高於刷輪結構100所能輸出的液體量而溢流損耗，且因發泡體110的表層具有微孔區140，故液體亦不致直接通過刷輪結構100之徑向方向D2大量流出發泡體110的外表面，而可由中央通道130均勻且低阻力地沿軸心方向D1和徑向方向D2快速傳遞至刷輪結構100各處，再藉由該複數通孔150導引出水流對晶圓等表面清洗。

再者，該些通孔150之總面積佔該發泡體110的外表面總面積之10%至90%間，較佳係介於20%至70%間。對於不同出水量之清洗設備及/或不同清洗水壓強度需求之待清洗物皆可藉由選擇適當通孔150之總面積佔比之刷輪結構100，以達到最佳清洗效率與潔淨度。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該微孔區140之該些微孔洞141的孔徑係介於1μm至100μm。因為該些微孔洞141的孔徑小於發泡體110的孔洞120之平均孔徑，使通過該微孔區140的清洗液體之流量與流速皆低於發泡體110中的流道121，故發泡體110較易達到飽含清洗液體的狀態。再者，該微孔區140位於該發泡體110的表層且具有30μm至200μm的厚度T1。位於發泡體110外表層之該些通孔150之深度T2係大於該微孔區140的厚度T1，使清洗的液體可順利由該發泡體110中導出。

依據本發明刷輪結構之一實施例，於發泡體110外表面之通孔150之形狀、數量與在外表面位置並未特別限定，例如可採均勻分散或依據水壓強弱非等距分佈等，只須使進入刷輪結構100之清洗液體可順利導出並達到均勻沖洗待清洗物，例如晶圓等之表面各處即可。於發泡體110外表面的通孔150可形成圓形、橢圓形、長條形或由其所組合形狀之區域。依據本發明刷輪結構之一實施例，該等通孔可為連續或不連續之圓形、橢圓形、長條形或其組合、或由其組合形成的區域，且其等為均勻分布於發泡體之外表面或聚集成區域分佈於發泡體之外表面。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該發泡體110之孔隙率係介於70%至95%，適合的孔隙率有助於增加刷輪結構100所能飽含的清洗液量，以及同時具備適當柔軟性與充足回彈性等，以對晶圓或其他精密元件等進行有效率的清洗且不易損傷其表面。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該中央通道130之寬度P係介於9mm至30mm。

依據本發明刷輪結構之另一實施態樣，該刷輪結構之發泡體外表面可進一步包含至少一凸塊，該些凸塊可為凸出於發泡體外表面之平錐體或柱體，該些凸塊之頂部形狀包括但不限於圓形或矩形且該些凸塊之側面形狀包括但不限於矩形或梯形。第2圖為本發明刷輪結構之一較佳實施例的示意圖，其中該刷輪結構200之發泡體210外表面進一步包含複數個柱狀凸塊260。在本發明刷輪結構之一實施例中，該凸塊260之高度H係介於4mm至6mm，且該凸塊260之底部寬度W1係介於7mm至13mm，該凸塊260之頂部寬度W2係介於6mm至11mm，以提供凸塊260在與待清洗物接觸時充足的側向支撐力與更佳清潔力。

本發明刷輪結構的發泡體可為聚乙烯醇交聯物的發泡體。刷輪結構的材質可為PVA或其他發泡材料所製之反應溶液經發泡而得。在一具體實施方式中，可將發泡材料、交聯劑、催化劑與溶劑均勻混和形成一反應溶液，並充填入相對該反應溶液體積百分比為21%至50%之氣體。再將具有混和分散氣體的反應溶液倒入模具，調控適當的熟化溫度以控制孔洞形成速度與分佈即可成型得到一適用於本發明之孔隙率介於70%至95%之發泡體。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該發泡體所使用之交聯劑可選自由甲醛、乙醛、乙二醛、丙醛、丁醛、丁二醛以及戊二醛所組成的群組。溶劑則可選用使PVA等易於溶解分散者，例如水。所填入之氣體則可為空氣，或是選用氮氣、氦氣等活性低的氣體，以在發泡材料混合形成反應溶液時於其中形成氣泡，而不與其他成分發生化學反應。藉此，可達到習知以固態造孔劑難以對孔徑大小及分佈位置進行調控的功效，更可避免未完全溶解去除的固態造孔劑影響刷輪結構中的清洗液體通量，及殘留於待清潔物表面的問題。

依據本發明刷輪結構之一實施例，該催化劑可選自由鹽酸、硫酸、磷酸以及硝酸所組成的群組。

依據本發明刷輪結構之一實施例，形成該發泡體之反應溶液中，可更包含一界面活性劑，以維持反應溶液內的氣泡含量並防止氣泡在製程中發生崩解。適用的界面活性劑可為雙甘油聚丙二醇醚、硬脂酸聚氧乙烯酯、聚乙二醇辛基苯基醚或烷基苯磺酸鈉。

在本發明刷輪結構發泡體外表面上形成該些通孔的方法包含雷射消除、刀具刮除、化學刻蝕或磨除等。在一較佳實施方式中，可採用雷射消除在表層微孔區形成一定深度的通孔，並減少對內部孔洞與流道結構的破壞及殘留物。在本發明刷輪結構之一實施例中，該每一通孔最小寬度係大於50μm且較佳不大於450μm，且深度大於該微孔區厚度的結構，以增加導流效果。再者，雷射消除方式可在刷輪結構的外表面形成各種不同形狀的通孔及/或由各形狀通孔聚集的區域，例如以單點雷射方式產生圓點狀的通孔，或以單點雷射方式搭配雷射消除方向、頻率而形成由通孔所組成之連續或不連續之圓形、橢圓形、長條形或其組合、或由其組合形成的區域，且其等為均勻分布於發泡體之外表面或聚集成區域分佈於發泡體之外表面。

在本發明刷輪結構包含凸塊結構的實施態樣中，使用雷射消除方式形成通孔不受發泡體外表面之高低起伏影響，對凸塊結構之頂部、側邊或底部周圍之發泡體外表面的微孔區皆可進行消除，以利通孔在發泡體外表面的分布而強化導流效果。適用於本發明刷輪結的雷射消除方式的功率可小於80W，且雷射消除方式的一雷射光波長可為8000 nm至12000 nm，或為800 nm至1200 nm。

本發明之刷輪結構具備極佳的流體穿透性，有利於清洗液體通過，可對晶圓或其他精密元件進行有效的清洗，並避免於高水量清洗製程中，因流道阻力過大而溢流耗損。第3圖為本發明刷輪結構之發泡體表面與表層的部份截面之60倍率之電子顯微鏡影像。由於刷輪結構的發泡體的表層具有一定厚度之微孔區340，且微孔區340之微孔341的孔徑皆遠小於發泡體孔洞320或其構成的流道321之平均孔徑，因此，所輸入的清洗液體亦不易直接通過刷輪結構之徑向方向大量流出外表面，而可均勻且低阻力地沿軸心方向和徑向方向快速傳遞至刷輪結構各處。

再者，本發明刷輪結構發泡體之孔隙率介於70%至95%及平均孔徑介於300μm至500μm，可提供大於或等於60g/cm ²至小於或等於100g/cm ²壓縮應力，以適用於清洗晶圓或其他精密元件。當刷輪結構之壓縮應力高於下限值時，所具備之回彈性可使刷洗效率符合預期，而當刷輪結構在預定壓縮比之條件下的壓縮應力低於上限值時，可避免在刷洗過程中因應力過大損傷待清洗物。

第4a圖與第4b圖為本發明刷輪結構之二不同實施例之表面的60倍率電子顯微鏡影像。第4a圖為在刷輪結構表面形成的長條狀區域排列之通孔450a，第4b圖為在刷輪結構表面形成的圓點形狀分佈之通孔450b，但本發明刷輪結構之通孔形式並不受此二實施例限制。在其他刷輪結構實施態樣中，該通孔亦可為圓形、橢圓形、長條形所組合形成之區域。本發明之刷輪結構可藉由表面通孔之不同形狀區域與排列分佈提供刷輪局部水流方向、壓力微調等而可應用於各種精密元件以達到更佳清潔狀態。

綜上所述，本發明之刷輪結構有助於增進流體通過發泡體內部的穿透率，並有利於調控流體流經刷輪結構之流量與流速，而可對不同類型的待清洗物進行清洗，如此一來不僅有助於提升清洗製程的效率，並可減少用於清洗之化學藥劑的使用量與水資源的浪費。因此，本發明之刷輪結構可應用於電子產業的清洗製程，並具有相關市場的應用潛力。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200:刷輪結構 110、210:發泡體 120:孔洞 320:孔洞 121:流道 321:流道 130:中央通道 140:微孔區 141:微孔洞 340:微孔區 341:微孔 150:通孔 450a:通孔 450b:通孔 260:凸塊 P:寬度 T1:厚度 T2:深度 D1:軸心方向 D2:徑向方向 W1:底部寬度 W2:頂部寬度 H:高度

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1a圖係繪示本發明一實施態樣之刷輪結構的示意圖； 第1b圖係繪示本發明之刷輪結構表層的厚度方向截面圖； 第2圖係繪示本發明另一實施態樣之刷輪結構的示意圖； 第3圖係繪示本發明之刷輪結構之發泡體表面與表層之60倍率之電子顯微鏡影像； 第4a圖係繪示本發明之刷輪結構一實施例之表面通孔型態的60倍率之電子顯微鏡影像；及 第4b圖係繪示本發明之刷輪結構另一實施例之表面通孔型態的60倍率之電子顯微鏡影像。

100:刷輪結構

110:發泡體

130:中央通道

150:通孔

P:寬度

D1:軸心方向

D2:徑向方向

Claims (12)

1. 一種刷輪結構，包含： 一發泡體，包含複數個孔洞交錯形成的複數條流道，且該些孔洞具有一平均孔徑介於300μm至500μm； 一中央通道，設置於該發泡體中，並與該些流道連通； 一微孔區，位於該發泡體的表層，該微孔區具有複數個微孔洞，且該些微孔洞之孔徑小於該發泡體之該些孔洞之平均孔徑；以及 複數個通孔，設置於該發泡體的外表面； 其中，該些通孔之深度係介於50μm至300μm，且該些通孔之總面積佔該發泡體的外表面總面積之10%至90%。
2. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該微孔區之該些微孔洞的孔徑係介於1μm至100μm。
3. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該微孔區具有30μm至200μm的厚度。
4. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該些通孔之深度大於該微孔區的厚度。
5. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該些通孔為連續或不連續之圓形、橢圓形、長條形或其組合、或由其組合形成的區域，且該些通孔均勻分布於該發泡體的外表面或聚集成區域分佈於該發泡體的外表面。
6. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該些通孔之總面積佔該發泡體的外表面總面積之20%至70%。
7. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該發泡體之孔隙率係介於70%至95%。
8. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該中央通道之寬度係介於9mm至30mm。
9. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該發泡體的外表面進一步包含至少一凸塊。
10. 如請求項9所述之刷輪結構，其中該凸塊之底部寬度係介於7mm至13mm，該凸塊之頂部寬度係介於6mm至11mm。
11. 如請求項9所述之刷輪結構，其中該凸塊之高度係介於4mm至6mm。
12. 如請求項1所述之刷輪結構，其中該發泡體的材質包含聚乙烯醇交聯物。