CN106702496B - 一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置及方法。该装置包括载具、机械手、腐蚀工艺槽和混酸槽；载具包括两个侧板和固定支撑在两侧板之间的固定杆；两侧板上分别安装有载具中心驱动轴、载具中心驱动齿轮和载具驱动齿轮，载具固定套安装在载具中心驱动轴上；两侧板之间还安装有三根有齿转杆，每根有齿转杆的两端均具有与载具中心驱动齿轮配合的有齿转杆传动齿轮；机械手具有与载具两侧的固定套锁紧的载具锁紧部，还包括械臂传动齿轮组、载具驱动电机和两个载具传动齿轮组；腐蚀工艺槽的底部通过酸液循环进液管连接混酸槽，该腐蚀工艺槽设有溢流槽，该溢流槽通过酸液循环回液管连接至混酸槽。该装置能大大降低腐蚀痕迹发生率，提高腐蚀片表面均匀性。

Description

一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置及方法，适用于4、5、6、8英寸硅晶圆的切割、研磨后的剥离损伤腐蚀加工。

背景技术

在晶圆加工过程中，晶圆经过切片、研磨等机械加工后，其表面因机械加工产生的应力而形成一定深度的损伤层。通常采用化学腐蚀的方法来消除机械损伤层。腐蚀工艺一般由酸腐蚀和碱腐蚀两种。碱腐蚀工艺因其腐蚀速率低，容易控制平坦度，但是表面比较粗糙而容易吸附杂质。酸腐蚀工艺腐蚀速率高，表面比较光亮，不容易吸附杂质，但是表面平坦度差，控制不好表面容易塌边，实际生产中需要依靠晶片旋转、充分搅拌腐蚀剂、特别设计制造腐蚀载具等方法来改善表面状况。

由于酸腐蚀工艺技术的复杂性，各家设备制造厂商设计出一些特殊的腐蚀设备和硅片载具。为了实现硅晶圆在腐蚀过程中的旋转，目前国际上常用的腐蚀载具有以下两种：

1、载具承载着硅晶圆整体旋转；这种载具的优势在于：制造加工难度相对较小。另外由于结构简单，这种载具相对可靠，不容易出故障；劣势在于：由于载具带着硅晶圆一起旋转，载具和硅晶圆之间没有太大的相对运动，在载具和硅晶圆接触的位置腐蚀剂流动性差，因此容易留下腐蚀斑痕。

2、硅晶圆在载具内部旋转；这种载具在腐蚀过程中不旋转，而载具内部的硅片在载具内部旋转。其优势在于：既实现了硅片的运动，硅片相对于载具又有相对运动，不容易留下腐蚀斑痕；其劣势在于载具本身不运动，因此庞大的载具会干扰腐蚀剂的流动，因此容易导致腐蚀剂的局部漩涡，影响硅片的平坦度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，该装置可以实现在腐蚀过程中硅晶圆和载具在旋转的同时硅晶圆与载具之间相对旋转，降低腐蚀痕迹发生率，提高腐蚀片表面均匀性。

本发明的另一目的在于提供一种采用所述装置对硅晶圆进行酸腐蚀的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，包括载具、机械手、腐蚀工艺槽和混酸槽；其中，所述载具包括两个侧板和固定支撑在两侧板之间的固定杆；两侧板上分别安装有载具中心驱动轴、载具中心驱动齿轮和载具驱动齿轮，载具固定套安装在载具中心驱动轴上，并位于载具中心驱动齿轮和载具驱动齿轮之间；两侧板之间还安装有三根有齿转杆，每根有齿转杆的两端均具有与载具中心驱动齿轮配合的有齿转杆传动齿轮；所述机械手具有载具锁紧部，该载具锁紧部与载具两侧的固定套锁紧，该机械手还包括械臂传动齿轮组、载具驱动电机和两个载具传动齿轮组，该两个载具传动齿轮组分别用于驱动载具两侧板上的载具驱动齿轮；所述腐蚀工艺槽的底部通过酸液循环进液管连接混酸槽，该腐蚀工艺槽设有溢流槽，该溢流槽通过酸液循环回液管连接至混酸槽。

优选地，所述三根有齿转杆对称分布在载具的两侧板之间，约束硅晶圆。

所述有齿转杆的齿牙间距等于硅晶圆传递花篮的硅片间距，以方便硅晶圆在载具和传递花篮之间相互对倒。

所述载具的两侧板上相互对应地开有弧形槽，其中一根有齿转杆设置在该弧形槽的一端，通过有齿转杆在该弧形槽的移动可实现硅晶圆的装卸。

所述腐蚀工艺槽的底部呈倒梯形，腐蚀工艺槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，该酸液循环弥散管上设有数个孔。所述酸液循环弥散管上方设有酸液稳流栅板，该酸液稳流栅板上开有多个条形孔。所述腐蚀工艺槽内设有气泡弥散管，该气泡弥散管为5根单管组成的阵列，排列方式为平行于腐蚀工艺槽的边长，等轴间距地均匀分布在酸液稳流栅板的上方，每根气泡弥散管内含有1-3列气孔，气孔的直径范围是0.1-0.3mm，气孔的间距为4-6mm。

一种使用所述装置酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的方法，预先在混酸槽中配置好酸液，在腐蚀过程中开启酸液循环，载具旋转带动硅片旋转；硅片本体的转速为13-45rpm；酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度范围为22-30℃。

本发明的优点在于：

本发明酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置特别设计了硅晶圆载具和腐蚀设备，载具和腐蚀设备相互配合能够实现腐蚀过程中载具转动的同时硅晶圆相对于载具也在转动，腐蚀设备中针对氮气鼓泡装置的结构和腐蚀工艺槽的结构进行了特别的结构设计，良好地实现了：载具旋转、硅晶圆相对于载具旋转、腐蚀剂循环、氮气鼓泡、酸液循环稳流等工艺功能，采用本发明的装置对硅晶圆进行酸腐蚀能够大大降低腐蚀痕迹发生率，提高腐蚀片表面均匀性，腐蚀片的几何参数、外观、粗糙度均能达到行业内的先进水平。

附图说明

图1为本发明酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置的主体结构简图。

图2为本发明中载具组装后的结构示意图。

图3为本发明中载具的分解状态示意图。

图4为本发明中腐蚀工艺槽的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，包括载具10、机械手4、腐蚀工艺槽5和混酸槽12；其中，

如图2、3所示，载具10包括两个侧板17和固定支撑在两侧板17之间的固定杆24；两侧板17上分别安装有载具中心驱动轴26、载具中心驱动齿轮18和载具驱动齿轮29。载具固定套19安装在载具中心驱动轴26上，并位于载具中心驱动齿轮18和载具驱动齿轮29之间。在安装时，载具中心驱动轴26固定在侧板中心位置，在该载具中心驱动轴26上由里向外依次设置载具中心驱动齿轮18的润滑垫32、内侧轴承27、载具中心驱动齿轮18、载具固定套19、载具中心驱动轴轴套31、载具驱动齿轮29、载具驱动齿轮固定销子28、外侧轴承20以及载具驱动轴外侧轴承挡板21和挡板固定螺丝30。两侧板17之间还安装有三根有齿转杆22，三根有齿转杆对称分布在载具的两侧板之间，每根有齿转杆的两端均具有与载具中心驱动齿轮18配合的有齿转杆传动齿轮16；该有齿转杆传动齿轮16由固定销子25和有齿转杆轴套33与有齿转杆22连接并固定在侧板上。两侧板的内侧通过固定螺丝34安装有硅片挡板23。

有齿转杆22的齿牙间距等于硅晶圆传递花篮的硅片间距，以方便硅晶圆在载具和传递花篮之间相互对倒。

载具的两侧板17上相互对应地开有弧形槽38，其中一根有齿转杆设置在该弧形槽的一端，通过有齿转杆在该弧形槽的移动可实现硅晶圆的装卸。

如图1所示，机械手4具有载具锁紧部15，该载具锁紧部15与载具两侧的固定套19锁紧，该机械手4还包括械臂传动齿轮组1、载具驱动电机2、电机保护盒8、载具左侧传动齿轮组3、载具右侧传动齿轮组9，该两个载具传动齿轮组分别用于驱动载具两侧板上的载具驱动齿轮。

如图1、4所示，腐蚀工艺槽5的底部通过酸液循环进液管7连接混酸槽12，该腐蚀工艺槽5设有溢流槽36，该溢流槽36通过酸液循环回液管11经和酸液循环泵14连接至混酸槽12，酸液循环泵14由酸液循环泵电机驱动13。12。腐蚀工艺槽5的底部呈倒梯形，并设有与酸液循环进液管7连接的酸液循环弥散管6，该酸液循环弥散管6上设有数个孔。酸液循环弥散管6上方设有酸液稳流栅板37，该酸液稳流栅板37上开有多个条形孔。腐蚀工艺槽内设有气泡弥散管35，该气泡弥散管35为5根单管组成的阵列，排列方式为平行于腐蚀工艺槽的边长，等轴间距地均匀分布在酸液稳流栅板的上方，每根气泡弥散管内含有1-3列气孔。

在采用该装置进行酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤时，操作过程如下：

通过机械手实现载具的搬运和驱动硅片旋转，硅晶圆载具由机械手夹持，机械手具有载具锁紧部，在腐蚀过程中锁住载具的载具固定套，这样一来机械手就锁住了载具。机械手上的载具驱动电机通过机械臂传动齿轮组把转动传到载具左侧传动齿轮组和载具右侧传动齿轮组，载具左侧传动齿轮组和载具右侧传动齿轮组再把转动传到载具的载具驱动齿轮，载具驱动齿轮通过载具中心驱动轴把转动传给整个载具，这样就实现了载具本身的转动。同时，由于载具固定套由机械手锁紧，并不随着载具的转动而转动，因此载具有齿转杆传动齿轮在载具的转动驱动下在载具中心驱动齿轮上滚动而使载具有齿转杆随之转动；这样，在载具转动的同时，载具上面的载具有齿转杆相对于载具而独立地转动，而硅晶圆是被载具有齿转杆约束的，所以在载具转动的同时，硅晶圆相对于载具有着相对的转动，从而实现了载具的转动的同时，也实现了硅晶圆在载具内部的转动。

机械手可以相对腐蚀工艺槽做垂直运动和水平运动，从而把载具搬入或搬出腐蚀工艺槽。在机械手把载具搬入腐蚀工艺槽时，腐蚀过程随即开始。本发明中，酸腐蚀工艺采用氢氟酸、硝酸、醋酸的混酸，三种酸在混酸槽中进行混合，混合完毕的混酸由酸液循环泵电机带动酸液循环泵抽出，通过酸液循环进液管进入腐蚀工艺槽，腐蚀工艺槽是一个溢流槽，溢出的酸液通过酸液循环回液管流回混酸槽，这样实现了酸液的循环。

为了让腐蚀工艺槽内部的酸液流动得均匀，没有漩涡或者喷涌，本发明特别考虑了腐蚀工艺槽的液体流动结构。当酸液从酸液循环进液管进入腐蚀工艺槽时，首先进入酸液循环弥散管，酸液循环弥散管是一根带有很多孔的平行于腐蚀工艺槽的管子，酸液从酸液循环弥散管平均地溢出来，好处是腐蚀工艺槽内部的酸液流动比较均衡，没有喷涌；从酸液循环弥散管溢出来的酸液进入腐蚀工艺槽的底部，腐蚀工艺槽的底部形状是倒梯形，这样更有利于酸液平稳地向上流动，在进入等颈区域之后，酸液会从酸液稳流栅板中流过。酸液稳流栅板是一张矩形板，上面刻有条形的狭缝，酸液中的喷涌或者涡流通过这样的多狭缝栅板之后，液流内部的涡流会被滤掉，这样在接触到硅晶圆之前，酸液的流动是非常平稳的。

另外，在酸腐蚀过程中还需要引入氮气鼓泡来改善酸槽内各处的腐蚀速率。因此气泡弥散管的结构和气孔孔径和密度是氮气鼓泡的关键工艺参数。

本发明针对所述装置进行了大量的工艺试验，以寻找最优化的工艺过程条件范围。关键工艺参数有酸液浓度(分为硝酸与氢氟酸的比例、醋酸与氢氟酸的比例)、转速、酸液温度、酸液循环流量、氮气鼓泡装置的气孔大小和氮气流量；考察酸腐蚀工艺优劣的关键质量指标有腐蚀前后TTV(总厚度偏差)和TIR(表面总平整度)的变化量、外观、腐蚀后的硅晶圆粗糙度；经过试验验证，在以下工艺参数范围内可以获得令人满意的腐蚀结果：

酸液中硝酸、醋酸、氢氟酸之间的体积比为：硝酸∶氢氟酸＝3.7-8.3，醋酸∶氢氟酸＝0.9-2.3；

每根气泡弥散管的气泡孔的直径为0.1-0.3mm；气孔之间的距离为4-6mm；

开启氮气鼓泡时，氮气的总流量为215-410L/min；

酸液循环的流量为50-300L/min；

硅片本体的转速为13-45rpm；

酸液的温度目标值范围为22-30℃；

在上述工艺范围内的实际试验结果为：

在双面总腐蚀去除量为20微米的条件下，8寸硅晶圆腐蚀前后TTV变化量均值0.67微米、标准差0.28微米(ADE0179硅片参数检测系统)；

在双面总腐蚀去除量为20微米的条件下，8寸硅晶圆腐蚀前后TIR变化量均值0.29微米、标准差0.36微米(ADE0179硅片参数检测系统)；

硅晶圆外观均匀美观；

在腐蚀去除20微米的条件下，8寸硅晶圆腐蚀之后的粗糙度Ra均值为0.22微米、标准差0.03微米，Rz均值为1.51微米、标准差为0.31微米(Mitutoyo粗糙度检测仪)；

以上数据证明采用本发明的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置及方法具有实际的使用价值。

Claims (11)

1.一种酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，包括载具、机械手、腐蚀工艺槽和混酸槽；其中，

所述载具包括两个侧板和固定支撑在两侧板之间的固定杆；两侧板上分别安装有载具中心驱动轴、载具中心驱动齿轮和载具驱动齿轮，载具固定套安装在载具中心驱动轴上，并位于载具中心驱动齿轮和载具驱动齿轮之间；两侧板之间还安装有三根有齿转杆，每根有齿转杆的两端均具有与载具中心驱动齿轮配合的有齿转杆传动齿轮；

所述机械手具有载具锁紧部，该载具锁紧部与载具两侧的固定套锁紧，该机械手还包括械臂传动齿轮组、载具驱动电机和两个载具传动齿轮组，该两个载具传动齿轮组分别用于驱动载具两侧板上的载具驱动齿轮；

所述腐蚀工艺槽的底部通过酸液循环进液管连接混酸槽，该腐蚀工艺槽设有溢流槽，该溢流槽通过酸液循环回液管连接至混酸槽。

2.根据权利要求1所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述三根有齿转杆对称分布在载具的两侧板之间，约束硅晶圆。

3.根据权利要求2所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述有齿转杆的齿牙间距等于硅晶圆传递花篮的硅片间距，以方便硅晶圆在载具和传递花篮之间相互对倒。

4.根据权利要求1所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，载具的两侧板上相互对应地开有弧形槽，其中一根有齿转杆设置在该弧形槽的一端，通过有齿转杆在该弧形槽的移动可实现硅晶圆的装卸。

5.根据权利要求1所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，载具在机械手的驱动下可以整体旋转，同时，载具内部的硅片受到传动齿轮组和有齿转杆的驱动，相对于载具和腐蚀工艺槽可以做旋转运动。

6.根据权利要求1所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述腐蚀工艺槽的底部呈倒梯形，腐蚀工艺槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，该酸液循环弥散管上设有数个孔。

7.根据权利要求5所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述酸液循环弥散管上方设有酸液稳流栅板，该酸液稳流栅板上开有多个条形孔。

8.根据权利要求6所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述腐蚀工艺槽内设有气泡弥散管，该气泡弥散管为5根单管组成的阵列，排列方式为平行于腐蚀工艺槽的边长，等轴间距地均匀分布在酸液稳流栅板的上方，每根气泡弥散管内含有1-3列气孔。

9.根据权利要求8所述的酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述气孔的直径范围为0.1-0.3mm，气孔的间距为4-6mm。

10.一种使用权利要求1-8中任一项所述装置酸腐蚀去除硅晶圆表面损伤的方法，其特征在于，预先在混酸槽中配置好酸液，在腐蚀过程中开启酸液循环，载具旋转带动硅片旋转；硅片本体的转速为13-45rpm；酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度范围为22-30℃。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述酸液为氢氟酸、硝酸、醋酸的混酸，其中硝酸与氢氟酸的体积比为3.7-8.3，醋酸与氢氟酸的体积比为0.9-2.3。