CN110931348A - 一种大尺寸硅片碱腐清洗装置及清洗工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，包括依次设置的预清洗单元、碱洗单元、酸洗单元和干燥单元，在所述碱洗单元至少包括一个碱液槽，所述干燥单元至少包括烘干槽。本发明还提出一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺。本发明可去除硅片表面由减薄造成的损伤层，同时最大限度地降低硅片表面的金属离子，保证硅片表面洁净，提高硅片表面洁净度，保证产品质量，提高硅片清洗的成品率。
Description
技术领域
本发明属于单晶硅清洗技术领域，尤其是涉及一种大尺寸硅片碱腐清洗装置及清洗工艺。
背景技术
在单晶硅片生产过程中，清洗质量的好坏决定着电子器件的性能、可靠性和稳定性，而随着单晶硅片向大尺寸化和薄片化的发展，对硅片清洗的要求标准更高。硅片尺寸越大，则其表面附着的颗粒、有机物和金属离子等污染物的数量更多，目前清洗装置如图1所示，先用氯化氢和氟化氢的混合液对硅片的金属离子进行清洗，然后再用双氧水和氨水的混合液对硅片表面的颗粒和有机物进行清洗，且在每个药液槽之后均设一纯水槽，最后再甩干硅片表面的水分，但这一结构中先清洗损伤层表面的金属杂质再氧化腐蚀损伤层的设置，使得在氧化腐蚀过程中，仍然有金属杂质残留在硅片表面，无法完全清洗掉，严重影响硅片的光电转化效率；而且用甩干的方式对硅片表面说服进行去除，硅片容易被磕碰，增加碎片风险。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种大尺寸硅片碱腐清洗装置及清洗工艺，尤其是适用于大尺寸硅片的清洗，解决现有技术中无法对硅片表面完全清洗干净且碎片率高的技术问题，保证硅片品质，降低生产成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，包括依次设置的预清洗单元、碱洗单元、酸洗单元和干燥单元，在所述碱洗单元至少包括一个碱液槽，所述干燥单元至少包括烘干槽。
进一步的，在所述碱洗单元和所述酸洗单元之后均设有清洗槽，所述清洗槽中的清洗液为纯水。
进一步的，所述碱液槽数量为两个，在所述碱洗槽中均设有摇摆泵。
进一步的，所述酸洗单元包括酸洗槽；所述预清洗单元包括预清洗槽。
进一步的，所述干燥单元还包括慢提拉槽，所述慢提拉槽置于所述烘干槽之前。
一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，包括依次对硅片进行碱性清洗、酸性清洗和干燥处理；所述碱性清洗至少包括一次碱液清洗。
进一步的，在所述碱性清洗之前还设有溢流预清洗，在所述酸性清洗和所述干燥处理之前均设有喷淋清洗；所述溢流预清洗时间为40-60s；所述喷淋清洗时间为230-260s。
进一步的，在所述碱性清洗过程中用所述摇摆泵对碱液进行回转摇动，摇动时间为80-100s，清洗温度为75-95℃。
进一步的，所述碱洗槽中的药液为KOH溶液，所述KOH溶液浓度为 40-50％；在所述酸洗槽中的药液为HCL和H2O2的混合溶液，HCL浓度为30-38％， H2O2浓度为35-40％。
进一步的，所述干燥处理包括温水慢提拉和烘干，所述慢提拉温度为 35-50℃；所述干燥温度为55-70℃。
采用本发明设计的清洗装置和清洗工艺，不仅可去除硅片表面由减薄造成的损伤层，同时最大限度地降低硅片表面的金属离子，保证硅片表面洁净，提高硅片表面洁净度，保证产品质量，提高硅片清洗的成品率。
附图说明
图1是现有技术用清洗装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例的一种大尺寸硅片碱腐清洗装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提出一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，如图2所示，尤其是适用于直径为280-320mm的大尺寸硅片，包括依次设置的预清洗单元、碱洗单元、酸洗单元和干燥单元，预清洗单元包括1#预清洗槽；在碱洗单元中至少包括一个碱液槽，在本实施例中，设有两个碱液槽，分别为2#碱液槽和3#碱液槽，干燥单元中依次包括7#满提拉槽和8#烘干槽；在碱洗单元和酸洗单元之后均设有清洗槽，分别为4#清洗槽和6#清洗槽，所有槽体均并排设置，通过夹爪机械手对硅片进行操作，夹爪机械手为常用结构，在此省略。
在预清洗单元中，主要是对减薄后的硅片表面中的大颗粒杂质进行纯水清洗，预清洗时间为40-60s。在1#预清洗槽中所用的清洗液为超纯水，超纯水是通过专用超纯水系统制备出的水，此种设备为本申请非重点，在此省略。超纯水中不含胶体物质、气体以及有机物，几乎没有导电介质，用超纯水进行硅片清洗，纯水不会被硅片表面中的金属离子分解，清洗效果好且纯度高，清洗得更干净。因硅片尺寸的加大，需要增加水流量的循环，在本实施例中，1#预清洗槽的水流量为1.6-2.2L/min。同时在1#预清洗槽中，采用常用超声波鼓泡循环和溢流清洗方式，同时在预清洗槽中增加一循环回转摇摆泵，可充分增加硅片清洗。在强烈的超声波作用下，超纯水清洗液内部会产生疏部和密部，疏部产生近乎真空的空腔泡，当空腔泡消失的瞬间，其附近便产生强大的局部压力，使分子内的化学键断裂，因此硅片表面杂质解吸。当超声波的频率和空腔泡的振动频率共振时，机械作用达到最大，泡内聚集的大量热能，使温度升高，促进化学反应的发生，从而起到辅助清洗的作用，其中超声波的频率设置可根据实际情况设置，在此不做限制。
在碱洗单元中，至少设有一个碱洗槽，在本实施例中，设有两个碱洗槽，分别为2#碱洗槽和3#碱洗槽，两个碱洗槽中的药液均为KOH溶液，且KOH 溶液的浓度为40-50％，优选地，KOH溶液的浓度为45％。两个碱洗槽的设置是用其中一个作为碱腐槽，另一个为备用槽，当第一个碱腐槽中腐蚀效果不好时，用第二碱洗槽作为备用槽进行碱腐处理。KOH腐蚀配合超声可对硅片表面进行腐蚀，将硅片表面的金属腐蚀裸露出来，同时还可去除硅片表面的颗粒杂质。
在两个碱洗槽中，均采用鼓泡循环和溢流循环处理，可提高金属离子的腐蚀效果；同时在碱洗槽中还增加设置回转摇摆泵，增加碱洗槽中碱液的混合效果，使KOH溶液充分被搅拌，可进一步提高碱洗效果。在2#碱洗槽和 3#碱洗槽中，所有碱液的循环量均为25-35L/min，碱液清洗温度为75-95℃，碱液清洗时间为95-110s，其中摇摆泵对碱液进行回转摇动，摇摆泵的摇动时间为80-95s，即当硅片进入碱液槽后，夹爪机械手松开，摇摆泵开始工作直至硅片出槽。KOH碱液在高温下对硅片进行快速腐蚀，损伤层存在时，采用上述工艺，硅片腐蚀速率可达3-5μm/min；损伤去除完全后，硅片腐蚀速率约为0.8-1.2μm/min。经腐蚀，硅片表面脏污及表面颗粒脱离硅片表面进入溶液，从而完成硅片的表面清洗。在本实施例中，摇摆泵为市面上买到的水泵，具体型号可根据实际需要选择，在此不详细要求。
碱洗后的硅片进入4#清洗槽中进行清洗，以去除硅片表面的金属离子和颗粒杂质，还有残留的碱液。清洗液为超纯水，清洗时间为230-260s。在本次清洗过程中，水流量为1.6-2.2L/min。4#清洗槽中加满纯水后，同步用喷淋方式对硅片进行清洗，然后快速排出清洗槽中的清洗液；再重新向清洗槽中注水，喷淋头继续喷淋，当清洗槽中的水满后，再快速排出清洗槽中的清洗液，连续两次快排冲洗，使得这种溢流和喷淋结合的方式对硅片清洗得更加干净，保证硅片表面的洁净度，最大限度地降低硅片表面的金属离子。
在酸洗单元中包括5#酸洗槽，5#酸洗槽中的药液为HCL、H2O2和超纯水的混合溶液，其中HCL浓度为30-38％，H2O2浓度为35-40％，其余为水。酸液的循环量为22-26L/min，在温度为21-25℃条件下，硅片表面的损伤层因H2O2氧化作用生成易溶于水的一层氧化物，该氧化物又被HCL腐蚀；腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，所以附着在硅片表面损伤层上的金属离子和颗粒杂质也随被腐蚀的损伤层而落入清洗液内。由于H2O2的氧化作用，硅片表面的有机物会被分解成CO2和H2O而被除去，酸洗250-280s后，可完全去除硅片表面的金属离子和颗粒杂质。
酸洗单元后设置的6#清洗槽，主要是对硅片表面的酸洗药液进行清洗，在此次清洗过程中，所用清洗液仍为超纯水，清洗时间为230-260s。在本次清洗过程中，水流量为1.6-2.2L/min。6#清洗槽中的清洗方式与4#清洗槽相同，即在清洗槽中加满纯水后，同步用喷淋方式对硅片进行清洗，然后快速排出清洗槽中的清洗液；再重新向清洗槽中注水，喷淋头继续喷淋，当清洗槽中的水满后，再快速排出清洗槽中的清洗液，连续两次快排冲洗，使得这种溢流和喷淋结合的方式对硅片清洗得更加干净，保证硅片表面的洁净度，最大限度地降低硅片表面的金属离子。
清洗后的硅片再进入干燥单元进行脱水处理，干燥单元包括7#慢提拉槽和8#烘干槽，7#慢提拉槽中的水温为35-50℃，清洗液为超纯水，水流量为 5.5-8L/min，脱水处理时间为50-70s，温水使硅片表面水分均匀分散，为后续干燥做准备，防止硅片表面出现水印；同时清洗液可进一步对硅片表面残留的药液清洗，保证硅片表面清洗质量。满提拉处理后硅片再进入8#干燥槽，干燥温度为55-70℃，干燥时间为80-100s。对清洗后的硅片先进行温水慢提拉处理再进行烘干处理，取代现有的甩干处理，不仅可快速干燥硅片表面上的水分，而且可保证硅片的完整性，防止硅片出现磕碰损伤，避免出现碎片，保证硅片的成品率。
在本实施例中，先用超纯水预清洗对硅片进行超声漂洗，以去除硅片表面的大颗粒；再用KOH碱液对硅片进行微腐蚀清洗，在去除硅片表面的颗粒杂质的同时再将硅片表面的金属腐蚀裸漏出来，在碱液清洗过程中，对槽内药液采用滚动和溢流循环的同时还进行回转摇动，保证碱液混合得更充分，使硅片腐蚀效果更好；而后再用HCL和H2O2的混合溶液将损伤层以及损伤成表面上粘附的金属离子一同去除掉；在每次药液清洗过后都采用纯水喷淋来清洗硅片表面的药液，同时在清洗槽内加满水后进行速排，目的是提高硅片清洗效果，保证硅片清洗质量。最后再硅片依次通过满提拉脱水和干燥去水处理，可完全获得表面清洗干净、洁净度高的硅片。
一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，采用如上所述的清洗装置，
第一步：对硅片进行预清洗处理，在超纯水1#预清洗槽中清洗40-60s，水流量为1.6-2.2L/min，主要是对减薄后的硅片表面中的大颗粒杂质进行纯水清洗。
第二步：再对硅片进行碱性清洗，碱性清洗至少包括一个碱洗槽，在本实施例中，设有两个碱洗槽，分别为2#碱洗槽和3#碱洗槽，两个碱洗槽中的药液均为KOH溶液，且KOH溶液的浓度为40-50％。两个碱洗槽的设置是用其中一个作为碱腐槽，另一个为备用槽，即当使用2#碱洗槽后，暂时先不用 3#碱洗槽。KOH碱液对硅片进行腐蚀清洗，在去除硅片表面的颗粒杂质的同时再将硅片表面的金属腐蚀裸漏出来。在碱液清洗过程中，对槽内药液采用滚动和溢流循环的同时还进行回转摇动，保证碱液混合得更充分，使硅片腐蚀效果更好。
在2#碱洗槽和3#碱洗槽中，所有碱液的循环量均为25-35L/min，碱液清洗温度为75-95℃，碱液清洗时间为95-110s，其中摇摆泵对碱液进行回转摇动，摇摆泵的摇动时间为80-95s，即当硅片进入碱液槽后，夹爪机械手松开，摇摆泵开始工作直至硅片出槽。KOH碱液在高温下对硅片进行快速腐蚀，使硅片表面脏污及表面颗粒脱离硅片表面，进而完成硅片表面的清洗。其中，摇摆泵为市面上买到的水泵，具体型号可根据实际需要选择，在此不详细要求。
第三步：对碱性清洗后的硅片进行清洗，清洗液为超纯水，清洗时间为 230-260s，水流量为1.6-2.2L/min，以去除硅片表面残留的碱洗药液，同时亦可去除硅片表面残留的金属离子。在4#清洗槽中采用超纯水对硅片表面的药液连续进行两次快排冲洗，目的是提高硅片清洗效果，保证硅片清洗质量。
第四步：再在5#酸洗槽中对硅片进行酸性清洗，药液为HCL、H2O2和超纯水的混合溶液，其中HCL浓度为30-38％，H2O2浓度为35-40％，其余为水。酸液的循环量为22-26L/min，在温度为21-25℃条件下，酸洗250-280s。硅片表面的损伤层因H2O2氧化作用生成易溶于水的一层氧化物，该氧化物又被HCL腐蚀；腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，所以附着在硅片表面损伤层上的金属离子和颗粒杂质也随被腐蚀的损伤层而落入清洗液内。由于H2O2的氧化作用，硅片表面的有机物会被分解成CO2和H2O而被除去，进而完全去除硅片表面的金属离子和颗粒杂质。
第五步：对酸性清洗后的硅片进行清洗，清洗液为超纯水，清洗时间为230-260s，水流量为1.6-2.2L/min，以去除硅片表面残留的酸洗药液，同时亦可去除硅片表面残留的金属离子。在6#清洗槽中采用超纯水对硅片表面的药液连续进行两次快排冲洗，目的是提高硅片清洗效果，保证硅片清洗质量。
第六步：再对硅片进行干燥处理，包括在7#满提拉槽中进行温水脱水处理和在8#烘干槽中进行去水处理，其中，在7#慢提拉槽中的水温为35-50 ℃，清洗液为超纯水，水流量为5.5-8L/min，脱水处理时间为50-70s，温水使硅片表面水分均匀分散，为后续干燥做准备，防止硅片表面出现水印；同时清洗液可进一步对硅片表面残留的药液清洗，保证硅片表面清洗质量。
满提拉处理后硅片再进入8#干燥槽，干燥温度为55-70℃，干燥时间为 80-100s。对清洗后的硅片先进行温水慢提拉处理再进行烘干处理，取代现有的甩干处理，不仅可快速干燥硅片表面上的水分，而且可保证硅片的完整性，防止硅片出现磕碰损伤，避免出现碎片，保证硅片的成品率。
采用本发明设计的清洗装置和清洗工艺，不仅可去除硅片表面由减薄造成的损伤层，同时最大限度地降低硅片表面的金属离子，保证硅片表面洁净，提高硅片表面洁净度，保证产品质量，提高硅片清洗的成品率，降低生产成本。
先用超纯水预清洗对硅片进行超声漂洗，以去除硅片表面的大颗粒；再用KOH碱液对硅片进行微腐蚀清洗，在去除硅片表面的颗粒杂质的同时再将硅片表面的金属腐蚀裸漏出来，在碱液清洗过程中，对槽内药液采用滚动和溢流循环的同时还进行回转摇动，保证碱液混合得更充分，使硅片腐蚀效果更好；而后再用HCL和H2O2的混合溶液将损伤层以及损伤成表面上粘附的金属离子一同去除掉；在每次药液清洗过后都采用纯水喷淋来清洗硅片表面的药液，同时在清洗槽内加满水后进行速排，目的是提高硅片清洗效果，保证硅片清洗质量。
对清洗后的硅片先进行温水慢提拉处理再进行烘干处理，取代现有的甩干处理，不仅可快速干燥硅片表面上的水分，而且可保证硅片的完整性，防止硅片出现磕碰损伤，避免出现碎片，保证硅片的成品率。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，其特征在于，包括依次设置的预清洗单元、碱洗单元、酸洗单元和干燥单元，在所述碱洗单元至少包括一个碱液槽，所述干燥单元至少包括烘干槽。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，其特征在于，在所述碱洗单元和所述酸洗单元之后均设有清洗槽，所述清洗槽中的清洗液为纯水。
3.根据权利要求2所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，其特征在于，所述碱液槽数量为两个，在所述碱洗槽中均设有摇摆泵。
4.根据权利要求3所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，其特征在于，所述酸洗单元包括酸洗槽；所述预清洗单元包括预清洗槽。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗装置，其特征在于，所述干燥单元还包括慢提拉槽，所述慢提拉槽置于所述烘干槽之前。
6.一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，其特征在于，包括依次对硅片进行碱性清洗、酸性清洗和干燥处理；所述碱性清洗至少包括一次碱液清洗。
7.根据权利要求6所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，其特征在于，在所述碱性清洗之前还设有溢流预清洗，在所述酸性清洗和所述干燥处理之前均设有喷淋清洗；所述溢流预清洗时间为40-60s；所述喷淋清洗时间为230-260s。
8.根据权利要求7所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，其特征在于，在所述碱性清洗过程中用所述摇摆泵对碱液进行回转摇动，摇动时间为80-100s，清洗温度为75-95℃。
9.根据权利要求8所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，其特征在于，所述碱洗槽中的药液为KOH溶液，所述KOH溶液浓度为40-50％；在所述酸洗槽中的药液为HCL和H2O2的混合溶液，HCL浓度为30-38％，H2O2浓度为35-40％。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一种大尺寸硅片碱腐清洗工艺，其特征在于，所述干燥处理包括温水慢提拉和烘干，所述慢提拉温度为35-50℃；所述干燥温度为55-70℃。
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