CN111092033A - 一种超声电化学复合的晶片清洗装置及其清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超精密加工的技术领域，更具体地，涉及一种超声电化学复合的晶片清洗装置及其清洗方法，包括壳体、晶片装夹组件、电化学清洗组件、超声组件以及驱动组件，晶片装夹组件与驱动组件连接，晶片装夹组件包括用于放置晶片的片槽以及安装于片槽两端的转轴，片槽悬空置于壳体内，转轴与壳体转动连接；电化学清洗组件包括阴极和阳极，阴极和阳极分别设于片槽的两侧；超声组件设于晶片装夹组件的下方。本发明结合超声振动作用和电化学电解作用进行清洗，微气泡的微射流作用于晶片表面使得污物层被分散、乳化、剥离，利用电极分解水产生具有氧化性极强的羟基自由基将有机污染物氧化为H2O和CO2，可显著提高清洗效率，且清洗过程不产生额外污染物。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工的技术领域，更具体地，涉及一种超声电化学复合的晶片清洗装置及其清洗方法。
背景技术
半导体晶片或LED衬底晶片制造过程中，由于晶片表面静电力、范德华力、化学键的作用，从切割锭块成为晶圆，再到晶圆的研磨、化学机械抛光，晶片表面都极易吸附各种难以去除的杂质，其中包括有机污染物(油脂、松香、石蜡等)、金属粒子、无机化合物等，而这些杂质将影响晶片的表面观察、平坦化加工以及使用。目前常用清洗晶片的装置包括超声发生装置与清洗容器，利用超声波在液体中的空化作用产生微气泡，一方面微气泡崩溃时产生的局部高温高压环境能够分解水产生具有氧化性极强的羟基自由基，将有机污染物氧化为H2O和CO2，另一方面微气泡崩溃时产生微射流，在其周围产生上千万个大气压力，直接用于清洁晶片表面，使污物层被分散、乳化、剥离。
中国专利CN201410363842.3公开了一种晶片清洗装置及晶片清洗方法，利用超声波的空化作用，并设置喷嘴向晶片表面平行喷射清洗液，这种清洗方法提高了晶片成品率，但是单纯使用超声波去除顽固淤渣的清洗效率还很低，清洗过程需要加入清洗剂，导致物料成本和环境成本增加；中国专利CN201320162031.8公开了一种用于晶片的超声波清洗装置，使用电机带动晶片沿丝杠在清洗槽中上下移动且发生旋转，避免了超声死角的问题，但对于清洗沾附难降解污染物的晶片仍有清洗时间长、效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超声电化学复合的晶片清洗装置及其清洗方法，利用超声波在液体中的空化作用产生微气泡，利用电极分解水产生强氧化性的羟基自由基，结合超声振动和电化学作用，可提高清洗效率、降低成本，操作灵活方便，不产生额外污染物。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种超声电化学复合的晶片清洗装置，包括壳体、晶片装夹组件、电化学清洗组件、超声组件以及驱动晶片装夹组件转动的驱动组件，所述晶片装夹组件与驱动组件连接，晶片装夹组件包括用于放置晶片的片槽以及安装于片槽两端的转轴，所述片槽悬空置于壳体内，所述转轴与壳体转动连接；所述电化学清洗组件包括阴极和阳极，所述阴极和阳极分别设于所述片槽的两侧；所述超声组件设于晶片装夹组件的下方。
本发明的超声电化学复合的晶片清洗装置，超声组件在液体中的空化作用产生微气泡，微气泡崩溃时产生上千万个大气压力的微射流作用于晶片表面，使得污物层被分散、乳化、剥离；同时本发明通过设置电化学清洗组件利用电极分解水产生具有氧化性极强的羟基自由基，将有机污染物氧化为H2O和CO2；在清洗过程中，晶片装夹组件带动待清洗晶片旋转，既可以使晶片表面被去除后的污物迅速扩散开来，加速更替晶片表面清洁组分，又能够防止出现超声死角、晶片表面出现色差。本发明结合超声振动作用和电化学电解作用进行旋转式清洗，可显著提高清洗效率，且清洗过程不需添加清洗剂，不产生额外污染物。
进一步地，所述晶片装夹组件还包括连接旋板，所述连接旋板与转轴连接，多组片槽中心对称分布、且多组片槽均通过卡扣组件与连接旋板卡接。片槽与连接旋板卡接便于片槽和待清洗晶片的安装与拆卸。
进一步地，所述片槽内设有卡槽，所述卡扣组件安装于片槽，所述连接旋板设有与所述卡扣组件卡接的勾部。
进一步地，所述卡扣组件包括拉环、弹簧及卡板，所述拉环的一端连接有拉杆，所述卡板设有容拉杆穿过的通孔，所述拉杆的一端穿过通孔连接有卡块，所述弹簧套于拉杆的外周、且所述弹簧设于卡块与卡板之间。将连接旋板旋入卡槽中，勾部挤压卡块收缩继续向卡槽内侧旋入，卡块在弹簧的作用下恢复原位实现勾部与卡块间的卡接；拉动拉环，卡块和弹簧收缩，连接旋板的勾部和卡块解除扣合，可顺利地从卡槽中旋出，完成片槽的拆卸。
进一步地，所述片槽开设有若干弧形凹槽，待清洗晶片装夹于弧形凹槽中。传动带在驱动片槽旋转的同时也带动晶片在弧形凹槽内滚动，由于弧形凹槽的曲面半径大于待清洗晶片的半径，即片槽旋转的角速度小于晶片旋转的角速度，晶片裸露于凹槽之外的部分一直在发生变化，故而不存在一直不能接触超声的区域，避免由于存在超声死角而导致超声清洗后晶片表面产生色差的问题。
进一步地，所述驱动组件包括驱动电机、传动带以及带轮，所述驱动电机安装于壳体，所述带轮安装于转轴，所述传动带连接于驱动电机和带轮之间；所述壳体设有轴承端盖，所述转轴与轴承端盖连接。驱动电机工作时通过传动带带动带轮转动，从而带动转轴和片槽旋转，既可以使晶片表面被去除后的污物迅速扩散开来，加速更替晶片表面清洁组分，又能够防止出现超声死角、晶片表面出现色差。
进一步地，所述电化学清洗组件还包括空气管道及气体供应器，所述空气管道与气体供应器连接，所述空气管道连接于阴极。
进一步地，所述壳体内置有分隔板，所述分隔板将壳体内部空间分隔为清洗舱和底舱，所述清洗舱的底部设有孔塞。在清洗完成后拔开孔塞可放出清洗舱中的清洗水。
进一步地，所述超声组件包括超声发生器及超声换能器，所述超声换能器与超声发生器电连接、且所述超声换能器安装于底舱。为获得较好的超声清洗效果，本发明的超声换能器可胶粘于底舱上方的中心位置。
本发明还提供了一种超声电化学复合的晶片清洗方法，包括以下步骤：
S1.将多组片槽分别与连接旋板卡接固定，并将待清洗晶片依次插入弧形凹槽中；
S2.将清水注入清洗舱并没过阳极；
S3.开启驱动电机，驱动传动带转动，带动片槽在壳体内旋转；
S4.开启超声发生器，设置超声发生器的工作频率和超声波功率，对晶片进行超声清洗；将阴极和阳极接通直流稳压电源，对晶片进行电化学清洗；
S5.关闭驱动电机、超声波发生器、直流稳压电源，排空清洗舱内污水，拆出片槽，取出清洗后的晶片。
本发明的超声电化学复合的晶片清洗方法，结合超声振动作用和电化学电解作用进行旋转式清洗，微气泡崩溃时产生上千万个大气压力的微射流作用于晶片表面使得污物层被分散、乳化、剥离，利用电极分解水产生具有氧化性极强的羟基自由基将有机污染物氧化为H2O和CO2，可显著提高清洗效率，且清洗过程不需添加清洗剂，不产生额外污染物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结合超声振动作用和电化学电解作用进行清洗，微气泡崩溃时产生上千万个大气压力的微射流作用于晶片表面使得污物层被分散、乳化、剥离，利用电极分解水产生具有氧化性极强的羟基自由基将有机污染物氧化为H2O和CO2，可显著提高清洗效率，且清洗过程不需添加清洗剂，不产生额外污染物；
本发明在清洗过程中旋转晶片装夹组件，既可以使晶片表面被去除后的污物迅速扩散开来，加速更替晶片表面清洁组分，又能够防止出现超声死角、晶片表面出现色差。
附图说明
图1为超声电化学复合的晶片清洗装置的结构示意图；
图2为超声电化学复合的晶片清洗装置的俯视图；
图3为超声电化学复合的晶片清洗装置的内部结构图；
图4为超声电化学复合的晶片清洗装置的片槽的连接示意图；
图5为图4中I-I向局部剖视图；
图6为超声电化学复合的晶片清洗装置的片槽的结构示意图；
附图中：1-壳体；11-轴承端盖；12-分隔板；13-清洗舱；14-底舱；15-孔塞；2-晶片装夹组件；21-片槽；22-转轴；23-连接旋板；24-卡槽；25-勾部；26-弧形凹槽；3-电化学清洗组件；31-阴极；32-阳极；33-空气管道；34-气体供应器；4-超声组件；41-超声发生器；42-超声换能器；5-驱动组件；51-驱动电机；52-传动带；53-带轮；6-卡扣组件；61-拉环；62-弹簧；63-卡板；64-拉杆；65-卡块；7-晶片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1至图6所示为本发明的超声电化学复合的晶片清洗装置的实施例，包括壳体1、晶片装夹组件2、电化学清洗组件3、超声组件4以及驱动晶片装夹组件2转动的驱动组件5，晶片装夹组件2与驱动组件5连接，晶片装夹组件2包括用于放置晶片的片槽21以及安装于片槽21两端的转轴22，片槽21悬空置于壳体1内，转轴22与壳体1转动连接；电化学清洗组件3包括阴极31和阳极32，阴极31和阳极32分别设于片槽21的两侧；超声组件4设于晶片装夹组件2的下方。
本实施例在实施时，超声组件4在液体中的空化作用产生微气泡，微气泡崩溃时产生上千万个大气压力的微射流作用于晶片表面，使得污物层被分散、乳化、剥离；电化学清洗组件3利用电极分解水产生具有氧化性极强的羟基自由基，将有机污染物氧化为H2O和CO2；在清洗过程中，晶片装夹组件2带动待清洗晶片旋转，既可以使晶片表面被去除后的污物迅速扩散开来，加速更替晶片表面清洁组分，又能够防止出现超声死角、晶片表面出现色差。
如图3所示，晶片装夹组件2还包括连接旋板23，连接旋板23与转轴22连接，多组片槽21中心对称分布、且多组片槽21均通过卡扣组件6与连接旋板23卡接，以便于片槽21和待清洗晶片的安装与拆卸。相应地，本实施例的连接旋板23也为中心对称结构。如图4所示，片槽21内设有卡槽24，卡扣组件6安装于片槽21，连接旋板23设有与卡扣组件6卡接的勾部25。为增加连接旋板23与片槽21之间连接的稳定性，本实施例的连接旋板23至少设置有三组勾部25，片槽21至少为三组，但勾部25和片槽21的数量限制并不作为本发明限制性的规定。
具体地，片槽21设有安装卡扣组件6的开孔，卡扣组件6包括拉环61、弹簧62及卡板63，拉环61的一端连接有拉杆64，卡板63设于开孔内部且卡板63设有容拉杆64穿过的通孔，拉杆64的一端穿过通孔连接有卡块65，弹簧62套于拉杆64的外周、且弹簧62设于卡块65与卡板63之间。实施时，将连接旋板23旋入卡槽24中，勾部25挤压卡块65向开孔内收缩，勾部25继续向卡槽24内侧旋入，卡块65在弹簧62的作用下恢复原位实现勾部25与卡块65间的卡接；拉动拉环61，弹簧62收缩，卡块65收缩至开孔中，连接旋板23的勾部25和卡块65解除扣合，可顺利地将连接旋板23从卡槽24中旋出，完成片槽21的拆卸。
如图5、图6所示，本实施例的片槽21开设有若干弧形凹槽26，多组弧形凹槽26中心对称环绕形成圆形凹槽，待清洗晶片装夹于圆形凹槽中，本实施例的圆形凹槽的曲面半径大于待清洗晶片的半径。待清洗晶片只是插入圆形凹槽中，但并未完全卡紧，其不会跟随连接旋板23一起旋转。传动带52在驱动片槽21旋转的同时也带动晶片在弧形凹槽26内滚动，由于弧形凹槽26的曲面半径大于待清洗晶片的半径，即片槽21旋转的角速度小于晶片旋转的角速度，晶片裸露于凹槽之外的部分一直在发生变化，故而不存在一直不能接触超声的区域，可避免由于存在超声死角而导致超声清洗后晶片表面产生色差的问题。本实施例中的弧形凹槽26宽为0.5mm～2mm，深为13mm～17mm，弧形凹槽26的尺寸可根据待清洗晶片的尺寸进行调整。
如图1至图3所示，驱动组件5包括驱动电机51、传动带52以及带轮53，驱动电机51安装于壳体1，带轮53安装于转轴22，传动带52连接于驱动电机51和带轮53之间；壳体1设有轴承端盖11，转轴22与轴承端盖11连接。驱动电机51采用带轮53皮带的传动方式驱动晶片装夹组件2旋转，是因其结构简单、传动稳定所作出的优选，并不作为限制性的规定，其他能够带动转轴22旋转的传动方式也应当适用于本发明。
如图1、图2所示，本实施例的电化学清洗组件3还包括空气管道33、气体供应器34以及直流稳压电源，空气管道33与气体供应器34连接，空气管道33与阴极31连接，阴极31和阳极32连接于直流稳压电源。本实施例中，阴极31呈管状，阳极32呈网状，阴极31采用中空管状的Pt/C气体扩散电极、石墨电极、Pt电极中的一种或多种的组合，并低于片槽21中晶片的最低点放置；阳极32采用网状Ti/RuO2-TiO2电极、Ti/Pt电极、金刚石薄膜电极中的一种或多种的组合，并高于片槽21中晶片的最高点放置；气体供应器34为气泵、空气站、氧气罐中的一种；本实施例中的阴极31和阳极32分别通过第一管卡和第二管卡与壳体1连接。
为了分隔清洗空间和零部件安装空间，本实施例在壳体1内置有分隔板12，分隔板12将壳体1内部空间分隔为清洗舱13和底舱14，清洗舱13的底部设有孔塞15，在清洗完成后拔开孔塞15可放出清洗舱13中的清洗水。
本实施例的超声组件4包括超声发生器41及超声换能器42，超声换能器42与超声发生器41电连接、且超声换能器42安装于底舱14，超声换能器42工作带动清洗舱13底板高频振动使得清洗液发生超声作用。为了获得较好的超声清洗效果，本实施例的超声换能器42可胶粘于底舱14上方的中心位置，但超声换能器42的位置并不作为限制性规定。另外，本实施例的超声换能器42的工作频率可在20kHz～40kHz的范围内进行调整。
实施例二
本实施例为实施例一中超声电化学复合的晶片清洗装置的清洗方法的实施例，包括以下步骤：
S1.将多组片槽21分别与连接旋板23卡接固定，并将待清洗晶片依次插入弧形凹槽26中；
S2.将清水注入清洗舱13并没过阳极32；
S3.开启驱动电机51，驱动传动带52转动，带动片槽21在壳体1内旋转；
S4.开启超声发生器41，设置超声发生器41的工作频率和超声波功率，对晶片进行超声清洗；将阴极31和阳极32接通直流稳压电源，对晶片进行电化学清洗；
S5.关闭驱动电机51、超声波发生器、直流稳压电源，排空清洗舱13内污水，拆出片槽21，取出清洗后的晶片。
步骤S1中，将其中一组连接旋板23旋入其中一组片槽21两端的卡扣组件6，顶起弹簧62直到弹簧62将卡块65推出并固定连接旋板23与片槽21的相对位置；将另一组连接旋板23旋入另外一组片槽21两端的卡扣组件6，顶起弹簧62直到弹簧62将卡块65推出并固定连接旋板23与片槽21的相对位置；将晶片置入弧形凹槽26中，将局部污染裸露在晶片与片槽21的非重叠区域，再将第三组连接旋板23旋入第三组卡槽24两端的卡扣组件6，顶起弹簧62直到弹簧62将卡块65推出并固定连接旋板23与片槽21的相对位置。
步骤S4中，本实施例可根据晶片的污染程度及清洗的难易程度选择只进行超声清洗过程、或只进行电化学电解过程、或超声清洗过程与电化学电解过程同步进行，从而在降低能耗的情况下，保证清洗效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，包括壳体(1)、晶片装夹组件(2)、电化学清洗组件(3)、超声组件(4)以及驱动晶片装夹组件(2)转动的驱动组件(5)，所述晶片装夹组件(2)与驱动组件(5)连接，晶片装夹组件(2)包括用于放置晶片的片槽(21)以及安装于片槽(21)两端的转轴(22)，所述片槽(21)悬空置于壳体(1)内，所述转轴(22)与壳体(1)转动连接；所述电化学清洗组件(3)包括阴极(31)和阳极(32)，所述阴极(31)和阳极(32)分别设于所述片槽(21)的两侧；所述超声组件(4)设于晶片装夹组件(2)的下方。
2.根据权利要求1所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述晶片装夹组件(2)还包括连接旋板(23)，所述连接旋板(23)与转轴(22)连接，多组片槽(21)中心对称分布、且多组片槽(21)均通过卡扣组件(6)与连接旋板(23)卡接。
3.根据权利要求2所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述片槽(21)内设有卡槽(24)，所述卡扣组件(6)安装于片槽(21)，所述连接旋板(23)设有与所述卡扣组件(6)卡接的勾部(25)。
4.根据权利要求3所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述卡扣组件(6)包括拉环(61)、弹簧(62)及卡板(63)，所述拉环(61)的一端连接有拉杆(64)，所述卡板(63)设有容拉杆(64)穿过的通孔，所述拉杆(64)的一端穿过通孔连接有卡块(65)，所述弹簧(62)套于拉杆(64)的外周、且所述弹簧(62)设于卡块(65)与卡板(63)之间。
5.根据权利要求2所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述片槽(21)开设有若干弧形凹槽(26)，待清洗晶片装夹于弧形凹槽(26)中。
6.根据权利要求2至5任一项所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述驱动组件(5)包括驱动电机(51)、传动带(52)以及带轮(53)，所述驱动电机(51)安装于壳体(1)，所述带轮(53)安装于转轴(22)，所述传动带(52)连接于驱动电机(51)和带轮(53)之间；所述壳体(1)设有轴承端盖(11)，所述转轴(22)与轴承端盖(11)连接。
7.根据权利要求1所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述电化学清洗组件(3)还包括空气管道(33)及气体供应器(34)，所述空气管道(33)与气体供应器(34)连接，所述空气管道(33)连接于阴极(31)。
8.根据权利要求1所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述壳体(1)内置有分隔板(12)，所述分隔板(12)将壳体(1)内部空间分隔为清洗舱(13)和底舱(14)，所述清洗舱(13)的底部设有孔塞(15)。
9.根据权利要求8所述的超声电化学复合的晶片清洗装置，其特征在于，所述超声组件(4)包括超声发生器(41)及超声换能器(42)，所述超声换能器(42)与超声发生器(41)电连接、且所述超声换能器(42)安装于底舱(14)。
10.一种超声电化学复合的晶片清洗方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将多组片槽(21)分别与连接旋板(23)卡接固定，并将待清洗晶片依次插入弧形凹槽(26)中；
S2.将清水注入清洗舱(13)并没过阳极(32)；
S3.开启驱动电机(51)，驱动传动带(52)转动，带动片槽(21)在壳体(1)内旋转；
S4.开启超声发生器(41)，设置超声发生器(41)的工作频率和超声波功率，对晶片进行超声清洗；将阴极(31)和阳极(32)接通直流稳压电源，对晶片进行电化学清洗；
S5.关闭驱动电机(51)、超声波发生器、直流稳压电源，排空清洗舱(13)内污水，拆出片槽(21)，取出清洗后的晶片。
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