CN111180369A - 一种半导体抛光片清洗设备及清洗方法 - Google Patents

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刘秒
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Abstract

本发明提供一种半导体抛光片清洗设备及清洗方法，包括：分离单元：用于将抛光后的硅圆片与装载所述硅圆片的一号片篮脱离分开；清洗单元：包括若干连续设置的清洗装置，用于对所述硅圆片进行清洗；合体单元：将清洗后的所述硅圆片装载入二号片篮中；在所述分离单元、所述清洗单元和所述合体单元中，分别设有独立的机械手对所述一号片篮或所述硅圆片进行移动操作。本发明先将装有抛光片的片篮与硅圆片分离，再对硅圆片进行分步清洗，清洗后的硅圆片再重新装入另一片篮中，同时在整个清洗过程中使用多个机械手对各个工序进行独立操作硅圆片，防止花篮和机械手对硅圆片造成二次污染，清洗质量好，清洗效率高。

Description

一种半导体抛光片清洗设备及清洗方法
技术领域
本发明属于半导体硅圆片清洗技术领域，尤其是涉及一种半导体抛光片清洗设备及清洗方法。
背景技术
化学机械抛光后的硅圆片是生产超大规模集成电路的基材，超大规模集成电路內纳米级的电器元件及电路连接线如果遭到颗粒污染物和金属污染物的污染，很容易造成芯片内电路形成短路或断路的功能损坏，导致集成电路的失效。然而在化学机械抛光后，硅圆片表面会附着有颗粒污染物和金属污染物，如果不能在化学机械抛光后通过清洗去除附着在硅圆片表面的颗粒污染物和金属污染物，硅圆片将不能用于超大规模集成电路生产，这将直接降低硅圆片的品质和价格，致使成品率较低，生产成本大。
现有清洗过程中，都是用盛放抛光后的硅圆片的片篮从开始药液清洗开始，一直到清洗结束都是用同一个片篮和移动操作工具，这样会给硅圆片造成二次污染，无法保证硅圆片完全彻底地清洗干净。同时，由于清洗槽结构的设计不合理，导致清洗质量差，返工率高的技术问题。
发明内容
本发明提供一种半导体抛光片清洗设备及清洗方法，解决现有清洗过程中使用同一个承载硅圆片的片篮和移动操作工具，导致硅圆片清洗不干净的技术问题。本发明结构设计合理且可控性高，可有效去除化学机械抛光后硅圆片表面上残留的抛光液、颗粒污染物和金属污染物，清洗质量好，清洗效率高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种半导体抛光片清洗设备，包括：
分离单元：用于将抛光后的硅圆片与装载所述硅圆片的一号片篮脱离分开；
清洗单元：包括若干连续设置的清洗装置，用于对所述硅圆片进行清洗；
合体单元：将清洗后的所述硅圆片装载入二号片篮中；
在所述分离单元、所述清洗单元和所述合体单元中，分别设有独立的机械手对所述一号片篮或所述硅圆片进行移动操作。
进一步的，所述分离单元包括分离槽和置于所述分离槽内的可活动分离顶架，所述分离顶架可贯穿所述一号片篮底部并将所述硅圆片与所述一号片篮分开。
进一步的，所述分离单元还包括上载槽和第一机械手，所述上载槽置于所述分离槽远离所述清洗单元一侧，所述第一机械手将所述一号片篮和所述硅圆片一同从所述上载槽转移至所述分离槽。
进一步的，所述清洗单元包括一号液槽和二号液槽，所述一号液槽靠近所述分离单元设置；在所述二号液槽前后分别设有一号洗槽和二号洗槽设置，所述一号洗槽位于所述一号液槽和所述二号液槽之间。
进一步的，所述清洗单元还包括第二机械手和第三机械手，所述第二机械手将所述硅圆片从所述分离单元中依次移动至所述一号液槽和所述一号洗槽中进行清洗；所述第三机械手将所述硅圆片从所述一号洗槽中依次移动至所述二号液槽和所述二号洗槽中进行清洗。
进一步的，在所述一号液槽和所述二号液槽中均设有摇动装置和超声装置且同步启动，所述摇动装置包括托架和置于所述托架下方的摇动手臂，所述托架用于放置所述硅圆片；所述摇动手臂可通过所述托架带动所述硅圆片进行摇摆清洗；所述超声装置包括置于所述一号液槽和所述二号液槽的超声器。
进一步的，所述合体单元包括合体槽和第四机械手，所述二号片篮预先置于所述合体槽内，所述第四机械手将清洗后的所述硅圆片装入所述二号片篮中。
进一步的，合体槽和所述清洗单元之间还设有烘干单元，所述烘干单元依次包括慢提拉槽和烘干槽，所述第四机械将所述硅圆片从所述二号洗槽中移出，并将所述硅圆片依次移动至所述慢提拉槽、所述烘干槽和所述合体槽中。
一种半导体抛光片清洗方法，采用如上任一项所述的清洗设备，步骤包括：在所述分离单元中将所述硅圆片与所述一号片篮脱离；然后在所述清洗单元中对所述硅圆片进行单独清洗；最后再将清洗后的所述硅圆片装入所述二号片篮中。
进一步的，在所述清洗单元中，所述一号液槽中装有包括NH4OH、H2O2和H2O的混合液体，NH4OH:H2O2:H2O的体积比为1:1:5-1:2:7，清洗温度为65°-80°；所述二号液槽中装有包括HCL、H2O2和H2O的混合液体，HCL:H2O2:H2O的体积比为1:1:6-1:2:8，清洗温度为65°-80°。
与现有技术相比，采用本发明提出的清洗设备，结构设计合理、可控性强且自动化程度高，先将装有抛光后的硅圆片与装有该硅圆片的一号片篮脱离分开，再对硅圆片进行分步清洗和烘干，清洗、烘干后的硅圆片再重新装入二号片篮中，避免在清洗过程中一号片篮上残留药液或污染物对清洗后的硅圆片造成二次污染，保证硅圆片彻底清洗，最大限度地去除化学机械抛光后硅圆片表面上残留的抛光液、颗粒污染物和金属污染物。同时在整个清洗过程中使用多个机械手在各个工序中对硅圆片进行独立操作，不仅可防止药液侵蚀机械手并使之与硅圆片产生交叉污染而影响硅圆片的清洗效果，而且可提高清洗设备的嫁接率，提高清洗效率，进一步保证硅圆片的清洗质量。
本发明提出的清洗方法，最大限度地降低花篮和机械手对硅圆片清洗造成的二次污染，并可完全去除抛光后硅圆片表面上残留的药液和污染物，清洗效果好且清洗效率高。
附图说明
图1是本发明一实施例的一种半导体抛光片清洗设备的结构示意图；
图2是本发明一实施例的分离单元的结构示意图；
图3是本发明一实施例的一号液槽的结构示意图；
图4是本发明一实施例的一号洗槽的结构示意图；
图5是本发明一实施例的合体槽的结构示意图。
图中：
10、分离单元 11、上载槽 12、分离槽
13、第一机械手 14、一号片篮 15、定位块
16、分离顶架 20、清洗单元 21、一号液槽
22、一号洗槽 23、第二机械手 24、托架
25、摇动手臂 26、超声器 27、补给管
28、加热器 29、二号液槽 210、二号洗槽
211、第三机械手 212、排水槽 213、储水槽
214、喷淋管 30、烘干单元 31、慢提拉槽
32、烘干槽 33、第四机械手 40、合体单元
41、合体槽 42、定位块 43、二号片篮
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。
本发明实施例提出一种半导体抛光片清洗设备，如图1所示，包括：
用于将抛光后的硅圆片与承载该硅圆片的一号片篮14脱离分开的分离单元、若干连续设置的清洗装置且用于对该硅圆片进行清洗的清洗单元20、用于将清洗后的硅圆片进行烘干的烘干单元30以及用于将清洗干燥后的硅圆片装载入二号片篮44中的合体单元。其中，在分离单元10、清洗单元20、烘干单元30和合体单元40中，分别设有独立的机械手对一号片篮14或硅圆片进行移动操作。在本实施例中，采用分离单元10先将抛光后的硅圆片与装有该抛光片的一号片篮14脱离分开，再单独对硅圆片依次在清洗单元20和烘干单元30中进行分步清洗和烘干，最后在合体单元40中将清洗烘干后的硅圆片再装入二号片篮44中，避免在清洗过程中承载抛光片的一号片篮14中含有从抛光片上流出的抛光液、颗粒污染物或金属污染物残留，防止一号片篮14随硅圆片一同清洗时会将抛光液或污染物重新粘附在清洗后的硅圆片上，解决了一号片篮14中残留药液或污染物对硅圆片造成二次污染的技术问题，达到对硅圆片彻底清洗的效果。同时在整个清洗过程中，使用多个机械手对离单元10、清洗单元20、烘干单元30和合体单元40中的各个工序进行独立操作片篮或硅圆片，不仅可防止药液侵蚀机械手并使之交叉污染而影响硅圆片清洗，而且可提高各清洗设备的嫁接率，进一步保证硅圆片的清洗质量，提高清洗效率。
具体地，如图2所示，分离单元10包括用于将抛光后的硅圆片装入承载硅圆片的一号片篮14中的上载槽11、用于将硅圆片和一号片篮14脱离的分离槽12和用于操作一号片篮14以使一号片篮14和硅圆片一同移动的第一机械手13，第一机械手13可采用任意结构的机械手，只要其能与一号片篮14配合即可，在此不做具体限制。其中，上载槽11和分离槽12均为上端面开口设置的独立水槽且并排设置，优选地，上载槽11和分离槽12大小相同，便于布置和加工。分离槽12靠近清洗单元20一侧设置，上载槽11固定设置在分离槽12远离清洗单元20的一侧，第一机械手13被悬挂在置于上载槽11和分离槽12正上方且与分离槽12长度方向垂直的导轨上(图省略)，第一机械手13沿导轨移动并将一号片篮14和硅圆片一同从上载槽11转移至分离槽12中。上载槽11和分离槽12中的水均为纯水，纯水的高度没过一号片篮14和硅圆片放置的高度，上载槽11和分离槽12不仅可作为使硅圆片上载到一号片篮14内和使硅圆片与一号片篮14分离，也可以作为预清洗槽对抛光后的硅圆片上的大颗粒进行清洗。
进一步的，上载槽11的目的是将一组硅圆片放入固定放置的一号片篮14中，在上载槽11和分离槽12底部均设有定位装置，定位装置包括对称设置的定位块15，定位块15并行设置在上载槽11和分离槽12的宽度方向上且平行于槽体长度方向设置。定位块15的宽度可调，当需要与空置的一号片篮14配合时，定位块15先沿槽体宽度方向向外张开，第一机械手13抓取一个空置的一号片篮14并让空置的一号片篮14置于定位块15之间，第一机械手13与一号片篮14分开，定位块15同步向一号片篮14靠近并夹紧一号片篮14，以使一号片篮14固定在上载槽11内；再用其它插片机械手(图省略)将抛光后的硅圆片逐一放入空置的一号片篮14中，进而完成硅圆片的上载工作。而后，装满硅圆片的一号片篮14被第一机械手13抓取并要搬运至分离槽12，定位块15松开，一号片篮14和硅圆片一起随第一机械手13从上载槽11移动到分离槽12中；装满硅圆片的一号片篮14被放置到分离槽12中的定位块15之间，第一机械手13松开并向上提起移动至上载槽11的正上方，等待取回下一空置的一号片篮14。
载有硅圆片的一号片篮14被放置在分离槽12中后，分离槽12中的定位块15即将一号片篮14卡紧并固定放置在槽底上，防止一号片篮14在分离槽12内移动。在分离槽12内的底部设有可活动分离顶架16，分离顶架16位于定位块15之间且并行于定位块15设置，分离顶架16上端面设有顶板17，顶板17下方设有顶柱18，顶柱18与顶板17固定连接，顶柱18可沿竖直方向带动顶板17上下伸缩移动，顶板17位于一号片篮14中心正下方处且可贯穿一号片篮14的底部并使硅圆片卡固在其上端面上。由于在清洗抛光后的硅圆片的过程中，承载硅圆片的一号片篮14会影响硅圆片的清洗效果，为保证硅圆片的清洗效果，避免一号片篮14对硅圆片造成二次污染，故需要将硅圆片脱离一号片篮14进行单独清洗。分离时，一号片篮14固定不动，顶柱18推动顶板17向上移动，顶板17顶起硅圆片并一同带动硅圆片向上移动，进而使硅圆片与一号片篮14脱离分开。当硅圆片与一号片篮14分开后，一号片篮14仍留在分离槽12底部，设置在下一工序清洗单元20中的第二机械手23抓住硅圆片，并带动硅圆片从分离槽12中移动至清洗单元20中进行清洗。硅圆片被移走后，顶柱18带动顶板17回撤到初始位置，分离槽12中的定位块15松开一号片篮14，第一机械手13将一号片篮14取走放入上载槽11中，准备下一组硅圆片的上载。
如图1所示，清洗单元20包括一次清洗和二次清洗，其中，一次清洗依次包括一号液槽21和一号洗槽22，一号液槽21靠近分离槽12设置；二次清洗依次包括二号液槽29和二号洗槽210，二号液槽29靠近一号洗槽22设置。清洗单元20还包括第二机械手23和第三机械手211，第二机械手23用于将硅圆片从分离单元10中的分离槽12内移出并依次移动至一号液槽21和一号洗槽中22进行清洗；第三机械手211将硅圆片从一号洗槽22中移出并依次移动至二号液槽29和二号洗槽210中进行清洗，第二机械手23和第三机械手211结构一样，都是用于卡紧一组硅圆片，对于第二机械手23和第三机械手211的结构可选择常规的任意一种可夹持一组硅圆片的夹装装置即可，此为非本案重点，在此省略。
具体地，如图3所示，一次清洗中先用药液在一号液槽21中对硅圆片进行氧化和腐蚀，再在一号洗槽22中对氧化和腐蚀掉的表层进行清洗，彻底去除表面上的颗粒污染物。在一号液槽21中装有包括NH4OH、H2O2和H20的混合液体，NH4OH:H2O2:H2O的体积比为1:1:5-1:2:7，为保证对硅圆片表面的颗粒污染物的去除效果，需要保持恒定的清洗温度，在本实施例中，清洗温度为65°-80°。NH4OH、H2O2和H20的混合药液可对抛光后的硅圆片的表面进行氧化和微刻蚀，使附着在表面的颗粒污染物随氧化层一起被去除掉，同时也可以去除轻微的有机污染物和部分金属污染物。在一号洗槽22内设有温度测试仪(图省略)以监控槽内药液温度大小，同时在一号洗槽22的底部设有加热器28，以保证槽内的药液温度恒定。当温度测试仪监控到一号洗槽22内的温度低于65°，则温度测试仪将测得的数据传输给温度控制器，温度控制器即可控制加热器28进行加热；若高于80°则报警，温度控制器控制加热器28停止加热；且药液在这一温度范围内，对硅圆片表面的颗粒污染物的去除效果最好。
一号洗槽21内还设有液位传感器和补给管27，液位传感器的设置目的是保证药液液面的恒定，若液位传感器监控到液面达到下限位置时，则补给管27中的H2O补液管开始补液；当液面到达上限位置时，则停止补液。为了保证一号洗槽21中的药液浓度的稳定，在一号洗槽21内测设有自动浓度测试仪，此为本领域的常用仪器，在此省略。如果NH4OH或H2O2的浓度低于设定值，则NH4OH补液管或H2O2补液管开始补液，每次补充10-20mL，补充一次后进行一次药液浓度的测定，如果药液浓度仍低于设定值，则继续补液，如此循环直至到达设定的浓度值。
为了提升清洗效果，还在一号液槽21中设有摇动装置和超声装置且同步启动。
具体地，如图3所示，摇动装置包括U型的托架24和置于托架24下方的摇动手臂25，硅圆片放置在托架24内，摇动手臂25在外力的作用下可上下往复运动，摇动手臂25通过带动托架24对硅圆片进行上下往复运动进行摇摆清洗，这一摇动设置可避免对同一批次的颗粒污染物的清洗出现差异，即用以提高去除同一批次的硅圆片的颗粒污染物的一致性，提升对硅圆片表面颗粒和有机污染物清洗的效果，以提升清洗效率。
超声装置包括设置在一号液槽21一侧壁面的超声器26，超声器26的高度与硅圆片所在高度相一致且垂直于硅圆片壁厚方向设置，超声器26可以产生平行于硅圆片表面的超声波，以使药液中的NH4OH和H2O2粒子浸润到硅圆片表面上，然后使混合溶液逐步扩散入界面，最后NH4OH和H2O2粒子完全浸润，并成为悬浮的自由NH4OH和H2O2粒子可以更加有效的去除硅圆片表面的颗粒污染物。在硅圆片进入一号液槽21后，超声器26开始工作，超声频率可采用20-50kHz或者1MHz，超声时间在1-5min。
在一号液槽21的工作过程中，通过设置在一号液槽21中的温度测试仪和加热器28，将药液温度恒定保持在65°-80°；再通过液位传感器、浓度测试仪和药液补给管27的共同作用下，将混合药液中的体积比控制在NH4OH：H2O2：H2O＝1:1:5-1:2:7之间；硅圆片放入一号液槽21后超声器26和摇动手臂25便同步开始工作，超声器26以超声波的形式向硅圆片进行微波振动，同时摇动手臂25通过托架24对硅圆片进行摇动清洗，清洗1-5min后，超声器26和摇动手臂25同步停止工作，第二机械手23将硅圆片从一号液槽21移动至一号洗槽22内。
如图4所示，一号洗槽22主要是除硅圆片表面的微粒杂质和残留的NH4OH和H2O2的混合药液,使硅圆片的表面洁浄。一号洗槽22包括位于上方的排水槽212和与排水槽212连通并位于排水槽212下方的储水槽213，在排水槽212内设有上部对称设置的两个喷淋管214和下部对称设置的两个喷淋管214，上部和下部的喷淋管214组分别位于排水槽212槽体两侧,喷淋管214垂直于硅圆片厚度方向设置，四组喷淋管214均朝硅圆片中心轴线位置喷射水流，对硅圆片形成相互交叉的喷淋效果，以全方位对硅圆片进行快速喷淋清洗。
本工序的工作过程，排水槽212在注满水后，第二机械手23将硅圆片从一号液槽21中取出放入一号洗槽22中的托架24上固定放置，第二机械手23移开，位于排水槽212与储水槽213之间的控制阀打开，水流在5-10s内快速从排水槽212进入储水槽213内，上部喷淋管214组和下部喷淋管214组同时工作，对硅圆片形成相互交叉喷淋。喷淋结束后，排水槽212注满水，第三机械手211将硅圆片从一号洗槽22移动至二号液槽29内进行二次清洗。
二次清洗主要是利用HCL和H2O2的混合药液去除硅圆片表面的金属污染物。具体地，二次清洗依次包括二号液槽29和二号洗槽210，二号液槽29和二号洗槽210的结构分别与一号液槽21和一号洗槽22的结构相同，在此省略附图，不再详述。
二号液槽29中装有包括HCL、H2O2和H2O的混合液体，HCL:H2O2:H2O的体积比为1:1:6-1:2:8，清洗温度恒定为65°-80°，在这一温度下，HCL和H2O2的混合药液可以溶解碱金属离子和铝、铁及镁之氢氧化物，另外盐酸中氯离子与残留金属离子发生络合反应形成易溶于水溶液的络合物，可从硅圆片的底层去除金属污染物。为了保证对硅圆片表面颗粒的去除效果，与一号液槽21一样需要保持恒定的温度和恒定的药液浓度，同时对硅圆片进行摇动和超声清洗。
二号液槽29的工作过程与一号液槽21一致，具体为：通过设置在二号液槽29中的温度测试仪和加热器28，将药液温度恒定保持在65°-80°；再通过液位传感器、浓度测试仪和药液补给管27的共同作用下，将混合药液中的体积比控制在HCL:H2O2:H2O＝1:1:6-1:2:8之间；硅圆片放入二号液槽29后超声器26和摇动手臂25便同步开始工作，超声器26以超声波的形式向硅圆片进行微波振动，同时摇动手臂25通过托架24对硅圆片进行摇动清洗，清洗1-5min后，超声器26和摇动手臂25同步停止工作，第三机械手211将硅圆片从二号液槽29移动至二号洗槽210内。
二号洗槽210主要是去除硅圆片表面微粒杂质和残留的HCL和H2O2的混合化学药液,使晶圆表面洁浄。二号洗槽210的工作过程与一号洗槽22一样，具体为：排水槽212在注满水后，第三机械手211将硅圆片从二号液槽29中取出放入二号洗槽210中的托架24上固定放置，第三机械手211移开，位于排水槽212与储水槽213之间的控制阀打开，水流在5-10s内快速从排水槽212进入储水槽213内，上部喷淋管214组和下部喷淋管214组同时工作，对硅圆片形成相互交叉喷淋。喷淋结束后，排水槽212注满水，设置在烘干单元30中的第四机械手42将硅圆片从二号洗槽210移动至烘干单元29内进行烘干清洗。
烘干单元30依次包括慢提拉槽31和烘干槽32，慢提拉槽31靠近二号洗槽210设置，烘干槽32靠近合体单元40中的合体槽41设置。合体单元40与烘干单元30共用第四机械手42，也即是，第四机械手42将硅圆片从二号洗槽210中移出，并将硅圆片依次移动至慢提拉槽31和烘干槽32中；而后，第四机械手42将烘干后的硅圆片从烘干槽32中移动至合体槽41中，将清洗干净后的硅圆片装入二号片篮43中。因第四机械手42与第二机械手23和第三机械手211一样都是用于夹装一组硅圆片，故结构一样，在此省略。
慢提拉槽31的目的是通过第四机械手42缓慢的拉起硅圆片，使硅圆片表面的水膜自然流下，避免硅圆片烘干后表面有水印形成。在慢提拉槽31清洗结束后，第四机械手42将硅圆片移动至烘干槽32内。
烘干槽32的设置是在硅圆片经历慢提拉槽31后使硅圆片彻底干燥，整个烘干过程处在高纯氮气氛围内。在硅圆片放入烘干槽32后，高纯氮气通过吹扫口吹扫硅圆片，带走硅圆片表面的湿气，热排风口排走气体，吹扫10-60min后，加热丝开始加热保持温度在40-70℃，持续1-5min。
如图5所示，合体单元40包括合体槽41和第四机械手42，在合体槽41的底部设有对称设置的定位块43，定位块43的结构和作用与定位块15一样，在此不再详述。提前将空置的二号片篮44固定放置在合体槽41底部的定位块43之间内，二号片篮44与一号片篮14的结构一样，在此省略。再通过第四机械手42将烘干槽32中的硅圆片放置到二号片篮44中，进而完成清洗干净后的硅圆片与二号片篮44的合体操作。
与现有技术相比，采用本发明提出的清洗设备，结构设计合理、可控性强且自动化程度高，先将装有抛光后的硅圆片与装有该硅圆片的一号片篮14脱离分开，再对硅圆片进行分步清洗和烘干，清洗、烘干后的硅圆片再重新装入二号片篮44中，避免在清洗过程中一号片篮14上残留药液或污染物对清洗后的硅圆片造成二次污染，保证硅圆片彻底清洗，最大限度地去除化学机械抛光后硅圆片表面上残留的抛光液、颗粒污染物和金属污染物。同时在整个清洗过程中使用多个机械手在各个工序中对硅圆片进行独立操作，不仅可防止药液侵蚀机械手并使之与硅圆片产生交叉污染而影响硅圆片的清洗效果，而且可提高清洗设备的嫁接率，提高清洗效率，进一步保证硅圆片的清洗质量。
同时在药液清洗过程中，通过设置在药液槽中的温度测试仪和加热器，将药液温度恒定保持在恒定范围内。再通过液位传感器、浓度测试仪和药液补给管的共同作用，将混合药液中的体积比控制在标准比例之间。同时采用摇动装置和超声器同步进行清洗，摇动装置可进一步提高去除同一批次的硅圆片的颗粒污染物的一致性，提升对硅圆片表面颗粒和有机污染物清洗的效果，提升高效率；超声器可使药液中的化学成分粒子浸润到硅圆片表面上，然后使混合溶液逐步扩散入界面，最后完全浸润并均匀分散到硅圆片上，并成为悬浮的自由粒子，从而可以更加有效的去除硅圆片表面的颗粒污染物。
在纯水清洗过程中，采用快速排水溢流的方法和交叉喷淋的方式对硅圆片进行清洗，以去除硅圆片表面微粒杂质和残留的化学药液,使硅圆片表面洁浄。
一种半导体抛光片清洗方法，采用如上任一项所述的清洗设备，步骤包括：
第一步：在分离单元10中将硅圆片与一号片篮14脱离。
具体地，如图2所示，分离单元10包括用于将抛光后的硅圆片装入承载硅圆片的一号片篮14中的上载槽11、用于将硅圆片和一号片篮14脱离的分离槽12和用于操作一号片篮14以使一号片篮14和硅圆片一同移动的第一机械手13，上载槽11和分离槽12中的水均为纯水，纯水的高度没过一号片篮14和硅圆片放置的高度，上载槽11和分离槽12不仅可作为使硅圆片上载到一号片篮14内和使硅圆片与一号片篮14分离，也可以作为预清洗槽对抛光后的硅圆片上的大颗粒进行清洗。
进一步的，上载槽11的设置是将一组硅圆片放入固定放置的一号片篮14中，在这一上载过程中，位于上载槽11底部的对称设置的定位块15先沿槽体宽度方向向外张开，第一机械手13抓取一个空置的一号片篮14并让空置的一号片篮14置于定位块15之间，第一机械手13与一号片篮14分开，定位块15同步向一号片篮14靠近并夹紧一号片篮14，以使一号片篮14固定在上载槽11内；再用其它插片机械手将抛光后的硅圆片逐一放入空置的一号片篮14中，进而完成硅圆片的上载工作。而后，装满硅圆片的一号片篮14被第一机械手13抓取并要搬运至分离槽12，定位块15松开，一号片篮14和硅圆片一起随第一机械手13从上载槽11移动到分离槽12中；装满硅圆片的一号片篮14被放置到分离槽12中的定位块15之间，第一机械手13松开并向上提起移动至上载槽11的正上方，等待取回下一空置的一号片篮14。
载有硅圆片的一号片篮14被放置在分离槽12中后，分离槽12中的定位块15即将一号片篮14卡紧并固定放置在槽底上，防止一号片篮14在分离槽12内移动。在分离槽12内的底部设有可活动分离顶架16，分离顶架16位于定位块15之间且并行于定位块15设置，分离顶架16上端面设有顶板17，顶板17下方设有顶柱18，顶柱18与顶板17固定连接，顶柱18可沿竖直方向带动顶板17上下伸缩移动，顶板17位于一号片篮14中心正下方处且可贯穿一号片篮14的底部并使硅圆片卡固在其上端面上。由于在清洗抛光后的硅圆片的过程中，承载硅圆片的一号片篮14会影响硅圆片的清洗效果，为保证硅圆片的清洗效果，避免一号片篮14对硅圆片造成二次污染，故需要将硅圆片脱离一号片篮14进行单独清洗。分离时，一号片篮14固定不动，顶柱18推动顶板17向上移动，顶板17顶起硅圆片并一同带动硅圆片向上移动，进而使硅圆片与一号片篮14脱离分开。当硅圆片与一号片篮14分开后，一号片篮14仍留在分离槽12底部，设置在下一工序清洗单元20中的第二机械手23抓住硅圆片，并带动硅圆片从分离槽12中移动至清洗单元20中进行清洗。硅圆片被移走后，顶柱18带动顶板17回撤到初始位置，分离槽12中的定位块15松开一号片篮14，第一机械手13将一号片篮14取走放入上载槽11中，准备下一组硅圆片的上载。
第二步：在清洗单元20中对分离后的硅圆片进行单独清洗。
具体地，清洗单元20包括一次清洗和二次清洗，其中，一次清洗依次包括一号液槽21清洗和一号洗槽22清洗；二次清洗依次包括二号液槽29清洗和二号洗槽210清洗。
具体地，如图3所示，一次清洗中先用药液在一号液槽21中对硅圆片进行氧化和腐蚀，再在一号洗槽22中对氧化和腐蚀掉的表层进行清洗，彻底去除表面上的颗粒污染物。一号液槽21中装有包括NH4OH、H2O2和H20的混合液体，NH4OH:H2O2:H2O的体积比为1:1:5-1:2:7，为保证对硅圆片表面的颗粒污染物的去除效果，需要保持恒定的清洗温度，在本实施例中，清洗温度为65°-80°。NH4OH、H2O2和H20的混合药液可对抛光后的硅圆片的表面进行氧化和微刻蚀，使附着在表面的颗粒污染物随氧化层一起被去除掉，同时也可以去除轻微的有机污染物和部分金属污染物。在一号洗槽22内设有温度测试仪(图省略)以监控槽内药液温度大小，同时在一号洗槽22的底部设有加热器28，以保证槽内的药液温度恒定。当温度测试仪监控到一号洗槽22内的温度低于65°，则温度测试仪将测得的数据传输给温度控制器，温度控制器即可控制加热器28进行加热；若高于80°则报警，温度控制器控制加热器28停止加热；且药液在这一温度范围内，对硅圆片表面的颗粒污染物的去除效果最好。
一号洗槽21内还设有液位传感器和补给管27，液位传感器的设置目的是保证药液液面的恒定，若液位传感器监控到液面达到下限位置时，则补给管27中的H2O补液管开始补液；当液面到达上限位置时，则停止补液。为了保证一号洗槽21中的药液浓度的稳定，在一号洗槽21内测设有自动浓度测试仪，此为本领域的常用仪器，在此省略。如果NH4OH或H2O2的浓度低于设定值，则NH4OH补液管或H2O2补液管开始补液，每次补充10-20mL，补充一次后进行一次药液浓度的测定，如果药液浓度仍低于设定值，则继续补液，如此循环直至到达设定的浓度值。
为了提升清洗效果，还在一号液槽21中设有摇动装置和超声装置。
具体地，如图3所示，摇动装置包括U型的托架24和置于托架24下方的摇动手臂25，硅圆片放置在托架24内，摇动手臂25在外力的作用下可上下往复运动，摇动手臂25通过带动托架24对硅圆片进行上下往复运动进行摇摆清洗，这一摇动设置可避免对同一批次的颗粒污染物的清洗出现差异，即用以提高去除同一批次的硅圆片的颗粒污染物的一致性，提升对硅圆片表面颗粒和有机污染物清洗的效果，以提升清洗效率。
超声装置包括超声器26，超声器26的高度与硅圆片所在高度相一致且垂直于硅圆片壁厚方向设置，超声器26可以产生平行于硅圆片表面的超声波，以使药液中的NH4OH和H2O2粒子浸润到硅圆片表面上，然后使混合溶液逐步扩散入界面，最后NH4OH和H2O2粒子完全浸润，并成为悬浮的自由NH4OH和H2O2粒子可以更加有效的去除硅圆片表面的颗粒污染物。在硅圆片进入一号液槽21后，超声器26开始工作，超声频率可采用20-50kHz或者1MHz，超声时间在1-5min。
在一号液槽21的工作过程中，通过设置在一号液槽21中的温度测试仪和加热器28，将药液温度恒定保持在65°-80°；再通过液位传感器、浓度测试仪和药液补给管27的共同作用下，将混合药液中的体积比控制在NH4OH：H2O2：H2O＝1:1:5-1:2:7之间；硅圆片放入一号液槽21后超声器26和摇动手臂25便同步开始工作，超声器26以超声波的形式向硅圆片进行微波振动，同时摇动手臂25通过托架24对硅圆片进行摇动清洗，清洗1-5min后，超声器26和摇动手臂25同步停止工作，第二机械手23将硅圆片从一号液槽21移动至一号洗槽22内。
如图4所示，一号洗槽22主要是除硅圆片表面的微粒杂质和残留的NH4OH和H2O2的混合药液,使硅圆片的表面洁浄。一号洗槽22包括位于上方的排水槽212和与排水槽212连通并位于排水槽212下方的储水槽213，在排水槽212内设有上部对称设置的两个喷淋管214和下部对称设置的两个喷淋管214，上部和下部的喷淋管214组分别位于排水槽212槽体两侧,喷淋管214垂直于硅圆片厚度方向设置，四组喷淋管214均朝硅圆片中心轴线位置喷射水流，对硅圆片形成相互交叉的喷淋效果，以全方位对硅圆片进行快速喷淋清洗。
本工序的工作过程，排水槽212在注满水后，第二机械手23将硅圆片从一号液槽21中取出放入一号洗槽22中的托架24上固定放置，第二机械手23移开，位于排水槽212与储水槽213之间的控制阀打开，水流在5-10s内快速从排水槽212进入储水槽213内，上部喷淋管214组和下部喷淋管214组同时工作，对硅圆片形成相互交叉喷淋。喷淋结束后，排水槽212注满水，第三机械手211将硅圆片从一号洗槽22移动至二号液槽29内进行二次清洗。
二次清洗主要是利用HCL和H2O2的混合药液去除硅圆片表面的金属污染物。具体地，二次清洗依次包括二号液槽29和二号洗槽210，二号液槽29和二号洗槽210的结构分别与一号液槽21和一号洗槽22的结构相同，在此省略附图，不再详述。
二号液槽29中装有包括HCL、H2O2和H2O的混合液体，HCL:H2O2:H2O的体积比为1:1:6-1:2:8，清洗温度恒定为65°-80°，在这一温度下，HCL和H2O2的混合药液可以溶解碱金属离子和铝、铁及镁之氢氧化物，另外盐酸中氯离子与残留金属离子发生络合反应形成易溶于水溶液的络合物，可从硅圆片的底层去除金属污染物。为了保证对硅圆片表面颗粒的去除效果，与一号液槽21一样需要保持恒定的温度和恒定的药液浓度，同时对硅圆片进行摇动和超声清洗。
二号液槽29的工作过程与一号液槽21一致，具体为：通过设置在二号液槽29中的温度测试仪和加热器28，将药液温度恒定保持在65°-80°；再通过液位传感器、浓度测试仪和药液补给管27的共同作用下，将混合药液中的体积比控制在HCL:H2O2:H2O＝1:1:6-1:2:8之间；硅圆片放入二号液槽29后超声器26和摇动手臂25便同步开始工作，超声器26以超声波的形式向硅圆片进行微波振动，同时摇动手臂25通过托架24对硅圆片进行摇动清洗，清洗1-5min后，超声器26和摇动手臂25同步停止工作，第三机械手211将硅圆片从二号液槽29移动至二号洗槽210内。
二号洗槽210主要是去除硅圆片表面微粒杂质和残留的HCL和H2O2的混合化学药液,使晶圆表面洁浄。二号洗槽210的工作过程与一号洗槽22一样，具体为：排水槽212在注满水后，第三机械手211将硅圆片从二号液槽29中取出放入二号洗槽210中的托架24上固定放置，第三机械手211移开，，位于排水槽212与储水槽213之间的控制阀打开，水流在5-10s内快速从排水槽212进入储水槽213内，上部喷淋管214组和下部喷淋管214组同时工作，对硅圆片形成相互交叉喷淋。喷淋结束后，排水槽212注满水，设置在烘干单元30中的第四机械手42将硅圆片从二号洗槽210移动至烘干单元29内进行烘干清洗。
第三步：在烘干单元30中对清洗后的硅圆片进行烘干处理。
具体地，烘干单元30依次包括慢提拉槽31和烘干槽32，合体单元40与烘干单元30共用第四机械手42，也即是，第四机械手42将硅圆片从二号洗槽210中移出，并将硅圆片依次移动至慢提拉槽31和烘干槽32中；而后，第四机械手42将烘干后的硅圆片从烘干槽32中移动至合体槽41中，将清洗干净后的硅圆片装入二号片篮43中。
慢提拉槽31的目的是通过第四机械手42缓慢的拉起硅圆片，使硅圆片表面的水膜自然流下，避免硅圆片烘干后表面有水印形成。在慢提拉槽31清洗结束后，第四机械手42将硅圆片移动至烘干槽32内。
烘干槽32的设置是在硅圆片经历慢提拉槽31后使硅圆片彻底干燥，整个烘干过程处在高纯氮气氛围内。在硅圆片放入烘干槽32后，高纯氮气通过吹扫口吹扫硅圆片，带走硅圆片表面的湿气，热排风口排走气体，吹扫10-60min后，加热丝开始加热保持温度在40-70℃，持续1-5min。
第四步：在合体单元40中将清洗后的硅圆片装入二号片篮44中。
具体地，如图5所示，合体单元40包括合体槽41，在合体槽41的底部设有对称设置的定位块43，定位块43的结构和作用与定位块15一样，在此不再详述。提前将空置的二号片篮44固定放置在合体槽41底部的定位块43之间内，二号片篮44与一号片篮14的结构一样，在此省略。再通过第四机械手42将烘干槽32中的硅圆片放置到片篮44中，进而完成清洗干净后的硅圆片与二号片篮44的合体操作。
本发明提出的清洗方法，最大限度地降低花篮和机械手对硅圆片清洗造成的二次污染，并可完全去除抛光后硅圆片表面上残留的药液和污染物，清洗效果好且清洗效率高。
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)

1.一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，包括：
分离单元：用于将抛光后的硅圆片与装载所述硅圆片的一号片篮脱离分开；
清洗单元：包括若干连续设置的清洗装置，用于对所述硅圆片进行清洗；
合体单元：将清洗后的所述硅圆片装载入二号片篮中；
在所述分离单元、所述清洗单元和所述合体单元中，分别设有独立的机械手对所述一号片篮或所述硅圆片进行移动操作。
2.根据权利要求1所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，所述分离单元包括分离槽和置于所述分离槽内的可活动分离顶架，所述分离顶架可贯穿所述一号片篮底部并将所述硅圆片与所述一号片篮分开。
3.根据权利要求2所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，所述分离单元还包括上载槽和第一机械手，所述上载槽置于所述分离槽远离所述清洗单元一侧，所述第一机械手将所述一号片篮和所述硅圆片一同从所述上载槽转移至所述分离槽。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，所述清洗单元包括一号液槽和二号液槽，所述一号液槽靠近所述分离单元设置；在所述二号液槽前后分别设有一号洗槽和二号洗槽设置，所述一号洗槽位于所述一号液槽和所述二号液槽之间。
5.根据权利要求4所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，所述清洗单元还包括第二机械手和第三机械手，所述第二机械手将所述硅圆片从所述分离单元中依次移动至所述一号液槽和所述一号洗槽中进行清洗；所述第三机械手将所述硅圆片从所述一号洗槽中依次移动至所述二号液槽和所述二号洗槽中进行清洗。
6.根据权利要求5所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，在所述一号液槽和所述二号液槽中均设有摇动装置和超声装置，所述摇动装置包括托架和置于所述托架下方的摇动手臂，所述托架用于放置所述硅圆片；所述摇动手臂可通过所述托架带动所述硅圆片进行摇摆清洗；所述超声装置包括置于所述一号液槽和所述二号液槽的超声器。
7.根据权利要求5或6所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，所述合体单元包括合体槽和第四机械手，所述二号片篮预先置于所述合体槽内，所述第四机械手将清洗后的所述硅圆片装入所述二号片篮中。
8.根据权利要求7所述的一种半导体抛光片清洗设备，其特征在于，在所述合体槽和所述清洗单元之间还设有烘干单元，所述烘干单元依次包括慢提拉槽和烘干槽，所述第四机械将所述硅圆片从所述二号洗槽中移出，并将所述硅圆片依次移动至所述慢提拉槽、所述烘干槽和所述合体槽中。
9.一种半导体抛光片清洗方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的清洗设备，步骤包括：在所述分离单元中将所述硅圆片与所述一号片篮脱离；然后在所述清洗单元中对所述硅圆片进行单独清洗；最后再将清洗后的所述硅圆片装入所述二号片篮中。
10.根据权利要求9所述的一种半导体抛光片清洗方法，其特征在于，在所述清洗单元中，所述一号液槽中装有包括NH4OH、H2O2和H2O的混合液体，NH4OH:H2O2:H2O的体积比为1:1:5-1:2:7，清洗温度为65°-80°；所述二号液槽中装有包括HCL、H2O2和H2O的混合液体，HCL:H2O2:H2O的体积比为1:1:6-1:2:8，清洗温度为65°-80°。
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JP2004300576A (ja) * 2003-03-20 2004-10-28 Ebara Corp 基板処理方法及び基板処理装置
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