CN109360801A - 一种去除硅片边缘氧化膜的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去除硅片边缘氧化膜的装置及方法。该装置采用卧式结构，由上下两部分组成去边圆盘，通过卡槽固定；内部中空，填充吸水海绵吸收HF溶液；去边圆盘有凹槽，凹槽处有用于渗出HF溶液的通孔，凹槽外缠有摩擦布吸附HF溶液，通过去边圆盘外凹槽上缠有摩擦布与硅片边缘接触，使SiO2与HF发生化学反应，达到去除硅片边缘SiO2背封膜的目的。本发明的优点在于既不需要手工贴膜，又没有蒸汽去除的失败风险，还可以有效解决边缘不整齐，去除不彻底等问题，因此具有节省腐蚀原材料，风险低，操作简便，且安全可靠等特点。并配合补液系统的设计，实现了对腐蚀液的精准控制。从而提高了产品合格率，进而提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的制备技术，特别涉及一种去除硅片边缘氧化膜的装置及方法。
背景技术
为了抑制衬底中的杂质在高温外延过程中挥发出来造成非主掺杂质的自掺杂，外延的衬底片，尤其是重掺衬底片一般采用背封SiO2膜的方式来避免或减少这种掺杂。而背封SiO2膜的工艺通常采用化学气相沉积法，无论背面，正面还是边缘都会生成SiO2膜。正面不需要的SiO2膜通过背面保护浸泡HF溶液的方式很容易去除，或者直接进行抛光工艺也可全部去除干净，而边缘的SiO2膜去除起来就相对复杂很多。
背封工艺过程中如果边缘有SiO2残留，后面的外延过程就会作为成核中心，在边缘形成多晶，非晶，并向中心延伸，也会给硅片带来局部应力变化，从而在外延生长过程中引入位错，层错等，引起器件增加漏电流，降低栅氧化层质量，严重的可直接造成击穿。因此边缘SiO2膜的去除非常重要。
到目前为止，去除边缘SiO2膜的方法主要分为两种：一种是对需要保留SiO2膜的部分进行保护，然后整体暴露在HF环境中去除SiO2膜。如果是采用HF气体，则需要用吸附或挤压的方式对背面不需要去除的部分进行保护，这种方式的最大缺点是气体环境很容易发生泄漏，一旦发生泄漏，背封膜就会全部被破坏，不仅风险高，而且不利于控制成本，也可能对操作员工造成伤害，并且无法精确控制HF去除范围。如果采用HF液体进行去边，则需要贴膜保护需要保留的部分，一般采用人工贴膜的方法，将不被HF腐蚀的圆形塑料蓝膜贴附到硅片表面，然后将其置于HF熔液中，去除边缘背封二氧化硅膜。但由于专用的圆形塑料蓝膜规格有限且成本很高，而且去除精度的控制完全取决于人工贴附圆形塑料蓝膜是否准确，对操作人员操作要求很高，生产效率低。另一种是滚轮式去边，这是当下认可度最高的去边方式，这种去边机的基本结构由HF槽，套有布袋的转轮和硅片放置架组成。HF槽在最下面，转轮在槽的上面，旋转的时候转轮上的布袋能够与槽里的HF接触，转轮旋转时沾有HF的布袋与片架上的硅片边缘摩擦接触，从而去除硅片边缘的氧化层。这种技术虽然能确保背面中央的SiO2膜不被去除，但由于该方法难以精确控制SiO2膜的去除范围，其边缘往往参差不齐，加工合格率较低。这种方式很容易在转轮旋转时将HF液体以雾状微小液滴方式甩出，且在片架所在的区域浓度最大，很容易使硅片表面的SiO2薄膜受到腐蚀。另外这种方式对工作中的HF要求也很高，去边机工作过程中为了控制HF气体的挥发导致硅片表面的SiO2薄膜受到腐蚀，有的采取安装风机不停的吹扫硅片表面，有人采取将氢氟酸液体中加入冰乙酸以降低液体反应温度减小挥发，也有的采取冰水降温的方式减少挥发。
上述所有方法中还存在一个问题，就是无法精确去除晶片边缘的非圆弧部分，即都是针对圆片边缘轮廓的去除，对于定位面（参考面）位置去除效果更不理想。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的问题，本发明提供一种去除硅片边缘氧化膜的装置及方法。本方法通过硅片边缘待去除部分与去除装置水平接触并低速反向旋转，在接触和摩擦过程中SiO2膜和化学试剂发生反应，并带走反应产物，实现硅片边缘氧化膜的去除。硅片的运动主要借鉴倒角机中硅片的运动方式，被真空吸盘吸住固定后，通过固定在底部的移动旋转轴与控制系统连接，实现多步连续运动。
本发明采取的技术方案是：一种去除硅片边缘氧化膜的装置，其特征在于，所述装置为卧式结构，包括由上下两部分组成的去边圆盘和用于放置硅片的真空吸盘，上圆盘的圆周设有凸台，下圆盘的圆周设有凹槽，上圆盘的凸台嵌入到下圆盘的凹槽里，构成整体的去边圆盘；下圆盘的圆周另外还设有凹槽，该凹槽深处弧面上分布着一圈渗液通孔，组装后的去边圆盘中部形成整体凹槽，整体凹槽外部缠有摩擦布，缠有摩擦布的整体凹槽与放置在真空吸盘上的硅片在同一水平面上；上圆盘的上表面中心位置留有补液孔，该补液孔内插管道与补给用HF封闭容器连接；下圆盘的底部封闭，组装后的去边圆盘内部为中空结构，中空部分填充吸水海绵，用来吸收与SiO2膜进行反应的HF溶液；去边圆盘粘接固定在固定架上，固定架与旋转轴连接固定，旋转轴连接步进电机；所述的真空吸盘通过固定在底部的移动旋转轴与控制系统连接。
本发明所述的上圆盘和下圆盘上分别设有连接定位结构，上圆盘上设有定位凹槽，下圆盘上设有定位凸台，通过上圆盘上的定位凹槽和下圆盘上的定位凸台卡紧固定整体的去边圆盘。
本发明所述的去边圆盘和固定架均采用PEEK材料加工制成。
本发明所述的一种去除硅片边缘氧化膜的方法，其特征在于，该方法有如下步骤：
一、将HF溶液通入去边圆盘内，待凹槽外位置所缠绕的摩擦布润湿后停止通入HF溶液。
二、取背封好的硅片吸附在真空吸盘上，将主定位面与晶片触点开关平面接触幷对齐，参照去边圆盘的外凹槽位置调整真空吸盘在X轴、Y轴、Z轴位置，使真空吸盘上的硅片与去边圆盘的外凹槽位置在同一水平面上。
三、首先设定去边圆盘与真空吸盘的旋转方向互为逆旋转；然后通过控制系统界面输入晶片几何结构及硅片的运动轨迹：几何结构包括定位面数量、晶片直径、定位面长度；硅片的运动轨迹包括定位面往复次数和旋转转数。
四、根据硅片边缘氧化膜厚度及去除宽度，设定去边圆盘转速为1-2r/min，真空吸盘转速为10-30r/min，真空吸盘在X轴的进给速度为1-3mm/s，参数导入后打开触点开关，开始自动去边，去边程序结束后，载有硅片的真空吸盘自动回到装片位置，手动充气卸片。
五、去边结束后，用去离子水清洗干净，检测并测量边缘SiO2膜去除情况，单片硅片边缘SiO2膜去除时间为2-3min。
本发明所述的每隔30min，观察去边圆盘外凹槽位置所缠绕的摩擦布上吸附HF溶液情况，视吸附HF溶液情况，调整HF溶液补给速度，滴入去边圆盘中的HF溶液流量控制在3-5滴/min。
本发明所述的去边圆盘每工作4小时更换外凹槽位置缠绕的摩擦布，以去除反应产物H2O，保证HF溶液浓度和去除速率。
本发明所述的HF溶液浓度为49%HF水溶液。
本发明所产生的有益效果是：通过采用设计的去除硅片边缘氧化膜的装置实现了硅片边缘氧化膜的去除方法。该方法的优点在于：既不需要繁琐的贴膜保护工艺，又没有蒸汽去除挤压吸附那么高的失败风险，还可以有效解决氧化层去除交界处参差不齐，非圆弧部分去除不彻底的问题。并配合补液系统的设计，实现了对腐蚀液的精准控制。因此，本发明具有节省腐蚀原材料，风险低，操作简便且安全可靠等特点。从而提高了产品合格率，进而提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明的去除硅片边缘氧化膜的装置示意图；
图2是图1中上圆盘的俯视示意图；
图3是图1中下圆盘的俯视示意图；
图4是图3的局部放大示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1至图4所示，本发明设计的去除硅片边缘氧化膜的装置为卧式结构，包括由上下两部分组成的去边圆盘1和用于放置硅片9的真空吸盘10，上圆盘1.1的圆周设有凸台，下圆盘1.2的圆周设有凹槽，上圆盘1.1的凸台嵌入到下圆盘1.2的凹槽里，构成整体的去边圆盘1；下圆盘1.2的圆周另外还设有凹槽，该凹槽深处弧面上分布着一圈渗液通孔7，组装后的去边圆盘1中部形成整体凹槽3，整体凹槽3外部缠有摩擦布4，缠有摩擦布4的整体凹槽3与放置在真空吸盘10上的硅片9在同一水平面上；；上圆盘1.1的上表面中心位置留有补液孔2，该补液孔内插管道与补给用HF封闭容器连接；下圆盘1.2的底部封闭，组装后的去边圆盘1内部为中空结构，中空部分填充吸水海绵8，用来吸收与SiO2膜进行反应的HF溶液；去边圆盘1粘接固定在固定架5上，固定架5与旋转轴6连接固定，旋转轴6连接步进电机；真空吸盘10通过固定在底部的移动旋转轴11与控制系统连接。
上圆盘1.1和下圆盘1.2上分别设有连接定位结构，上圆盘1.1上设有定位凹槽1.11，下圆盘1.2上设有定位凸台1.21，通过上圆盘1.1上的定位凹槽1.11和下圆盘1.2上的定位凸台1.21卡紧固定整体的去边圆盘1。这种结构设计主要是为了能够进行位置固定，避免在旋转过程中上下圆盘出现滑动。
去边圆盘1和固定架5均采用PEEK材料加工制成。该种材料具有耐腐蚀、抗老化，耐磨，机械强度高等特性。固定架5与去边圆盘1的连接采用AB胶的胶粘方式结合，固定架5与旋转轴6之间采用螺纹连接固定。
采用去除硅片边缘氧化膜装置去除硅片边缘氧化膜的方法具体实施例如下：（1）准备好组装好的去边圆盘1，内部放满吸水海绵8，通过上下圆盘的定位结构将卡槽卡紧，并检查牢固性。
（2）本实施例采用的摩擦布4为吸水性无纺布，在组装好后的去边圆盘的外凹槽处缠绕吸水性无纺布。
（3）将去边圆盘1固定在旋转轴6上，调平。
（4）将去边圆盘1试旋转，旋转速度设为5-10RPM，检查旋转情况。
（5）调试稳定无故障后，将转速降低至1.5RPM。
（6）将HF溶液通入去边圆盘1内，开始流速要稍快，待外凹槽位置所缠绕的吸水性无纺布润湿后停止通入HF溶液。
（7）取背封好的硅片9吸附在真空吸盘10上，主定位面与晶片触点开关平面接触幷对齐，参照去边圆盘1的外凹槽位置调整真空吸盘10在X轴、Y轴、Z轴位置，使真空吸盘10上的硅片9与去边圆盘1的外凹槽位置在同一水平面上。
（8）参数设定：打开操作显示屏，根据待去边晶片的几何形状分别设置定位面数量、晶片直径、定位面长度，设置晶片沿触点开关平面往复3次，进给速度设为3mm/s，设置晶片旋转总转数为30转，旋转速度为30r/min。
（9）导入设定参数，打开触点开关，开始自动去边，去边过程载有晶片的真空吸盘10先沿着触点开关平面方向（硅片与去边圆盘接触点切线方向）进行往复运动，去除定位面边缘SiO2膜，往复运动结束后，自动按照设定的直径数值调整吸盘中心与去边圆盘的距离，进行旋转运动，此时设定的真空吸盘旋转方向与去边圆盘互为逆旋转，去除弧线部分的SiO2膜。
（10）去边程序结束后，载有硅片9的真空吸盘10自动回到装片位置，手动充压缩空气卸片。
（11）第一片硅片9去边结束后，从真空吸盘10上取下，放入花篮中，用去离子水清洗干净，检查是否去除干净，并测量硅片边缘SiO2膜去除量。
（12）如果弧线边缘去除不干净，则需要增加旋转总转数，如果定位面去除不干净，则需要增加沿触点开关平面的往复次数。
（13）如果边缘去除量太大，超出预定的上限值，则按照超出数值将设定晶片直径调大；如果边缘去除量太小，小于预定的下限值，则将设定晶片直径适当调小。
（12）如果经过重新调整，再次完成去边程序后，需要重复步骤（11）再次测量。
（13）首片检验合格后方可正式操作，重复步骤（7）至步骤（10），打开流量控制泵，将HF溶液滴入流量控制在3-5滴/min。
（14）每半小时观察吸水性无纺布上HF溶液吸附情况，视观察具体情况适当调整补液速度。
（15）每工作4小时需要更换外凹槽内缠绕的吸水性无纺布，以去除反应产物H2O，保证HF溶液浓度和去除速率。
（16）运行完毕后，将吸水海绵和用过的吸水性无纺布经过清水漂洗后做废物处理，去边圆盘用去离子水清洗干净待下次使用。
本发明的去除硅片边缘氧化膜的装置采用卧式结构，通过去边圆盘外凹槽与硅片边缘接触，使SiO2与HF发生化学反应，达到去除硅片边缘SiO2背封膜的目的。去除硅片边缘氧化膜的装置主要分为两部分，一部分是由上下圆盘等构成的去边机，一部分采用业内熟知的倒角机设备，由两部分共同完成去边功能。通过卧式结构的去边圆盘设计，实现了HF溶液的通入到去边圆盘，被去边圆盘中填充的吸水海绵所吸附，HF液体没有相对流动，通过旋转不停更换反应位置，保持反应液具有较高并相对均衡的浓度。通过更换位置，增大散热，保持反应温度相对稳定。饱满的HF溶液通过凹槽内渗液通孔向凹槽外渗透；凹槽外位置缠有吸水性无纺布吸附渗出来的HF溶液；去边圆盘下表面为一体结构，液体不会自动溢出。
硅片通过真空吸盘固定，通过支撑轴的移动或旋转实现与去边圆盘外凹槽的接触，硅片边缘与去边圆盘外凹槽所缠的高弹力无纺布产生的机械挤压以及挤压后二者旋转带来的摩擦，实现了边缘SiO2膜与化学试剂的良好接触和充分浸润，最终实现接触部位的去除目的。硅片通过真空吸盘水平方向的往返移动与去边圆盘的接触，完成了硅片定位面的去边操作；硅片通过真空吸盘与去边圆盘的互为逆旋转的接触，完成了硅片弧线边缘的去边操作。反向旋转具有更有效擦除功能，保持边缘表面干燥无液体残留。
反应通过硅片边缘接触沾有HF溶液的无纺布发生，接触液体量有限，为了加快反应速率，HF溶液浓度需要尽量浓，因此，本方法所用HF溶液不需要添加缓蚀剂，如水，冰乙酸等，也不需要人为降温。
Claims (7)
1.一种去除硅片边缘氧化膜的装置，其特征在于，所述装置为卧式结构，包括由上下两部分组成的去边圆盘（1）和用于放置硅片（9）的真空吸盘（10），上圆盘（1.1）的圆周设有凸台，下圆盘（1.2）的圆周设有凹槽，上圆盘（1.1）的凸台嵌入到下圆盘（1.2）的凹槽里，构成整体的去边圆盘（1）；下圆盘（1.2）的圆周另外还设有凹槽，该凹槽深处弧面上分布着一圈渗液通孔（7），组装后的去边圆盘（1）中部形成整体凹槽（3），整体凹槽（3）外部缠有摩擦布（4），缠有摩擦布（4）的整体凹槽（3）与放置在真空吸盘（10）上的硅片（9）在同一水平面上；上圆盘（1.1）的上表面中心位置留有补液孔（2），该补液孔内插管道与补给用HF封闭容器连接；下圆盘（1.2）的底部封闭，组装后的去边圆盘（1）内部为中空结构，中空部分填充吸水海绵（8），用来吸收与SiO2膜进行反应的HF溶液；去边圆盘（1）粘接固定在固定架（5）上，固定架（5）与旋转轴（6）连接固定，旋转轴（6）连接步进电机；所述的真空吸盘（10）通过固定在底部的移动旋转轴（11）与控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种去除硅片边缘氧化膜的装置，其特征在于，所述的上圆盘（1.1）和下圆盘（1.2）上分别设有连接定位结构，上圆盘（1.1）上设有定位凹槽（1.11），下圆盘（1.2）上设有定位凸台（1.21），通过上圆盘（1.1）上的定位凹槽（1.11）和下圆盘（1.2）上的定位凸台（1.21）卡紧固定整体的去边圆盘（1）。
3.根据权利要求1所述的一种去除硅片边缘氧化膜的装置，其特征在于，所述的去边圆盘（1）和固定架（5）均采用PEEK材料加工制成。
4.一种采用如权利要求1所述的去除硅片边缘氧化膜的装置去除硅片边缘氧化膜的方法，其特征在于，该方法有如下步骤：
一、将HF溶液通入去边圆盘内，待凹槽外位置所缠绕的摩擦布润湿后停止通入HF溶液；
二、取背封好的硅片吸附在真空吸盘上，将主定位面与晶片触点开关平面接触幷对齐，参照去边圆盘的外凹槽位置调整真空吸盘在X轴、Y轴、Z轴位置，使真空吸盘上的硅片与去边圆盘的外凹槽位置在同一水平面上；
三、首先设定去边圆盘与真空吸盘的旋转方向互为逆旋转；然后通过控制系统界面输入晶片几何结构及硅片的运动轨迹：几何结构包括定位面数量、晶片直径、定位面长度；硅片的运动轨迹包括定位面往复次数和旋转转数；
四、根据硅片边缘氧化膜厚度及去除宽度，设定去边圆盘转速为1-2r/min，真空吸盘转速为10-30r/min，真空吸盘在X轴的进给速度为1-3mm/s，参数导入后打开触点开关，开始自动去边，去边程序结束后，载有硅片的真空吸盘自动回到装片位置，手动充气卸片；
五、去边结束后，用去离子水清洗干净，检测并测量边缘SiO2膜去除情况，单片硅片边缘SiO2膜去除时间为2-3min。
5.根据权利要求4所述的一种去除硅片边缘氧化膜的方法，其特征在于，每隔30min，观察去边圆盘外凹槽位置所缠绕的摩擦布上吸附HF溶液情况，视吸附HF溶液情况，调整HF溶液补给速度，滴入去边圆盘中的HF溶液流量控制在3-5滴/min。
6.根据权利要求5所述的一种去除硅片边缘氧化膜的方法，其特征在于，所述的去边圆盘每工作4小时更换外凹槽位置缠绕的摩擦布，以去除反应产物H2O，保证HF溶液浓度和去除速率。
7.根据权利要求6所述的一种去除硅片边缘氧化膜的方法，其特征在于，所述的HF溶液浓度为49%HF水溶液。
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