CN112222062A - 一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及其清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及清洗方法，包括工艺腔、旋转机构系统、有机溶剂供给系统、清洗液供给系统、纯水供给系统、供气系统、机械手、回收系统和控制系统；工艺腔内包含衬底片固定装置和喷淋臂；旋转机构系统由电机系统与衬底片固定装置相连；有机溶剂供给系统开启时向工艺腔内输入有机溶剂；清洗液供给系统开启时向工艺腔内输入清洗液；供气系统由管路与喷淋臂连通；机械手自动实现衬底片的传递；回收系统用于排出工艺腔内的气体与废清洗液；控制系统由可编程式控制器及触摸人机界面组成。本发明方案采用有机溶剂、酸性清洗液、碱性清洗液等对衬底片表面进行清洗，溶解去除残留有机物、金属离子等，从而得到表面洁净的衬底片。

Description

一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及其清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及其清洗方法。
背景技术
在半导体及器件领域，衬底片上外延生长是其中必不可少的重要一环，衬底片生长面的洁净程度对生长的外延层的质量起到关键作用。而且半导体材料的一个重要特性就是对杂质十分的敏感，哪怕有百万分之一，甚至微量的杂质粒子，都会对半导体的物理性质有所影响。半导体器件制备过程中的材料加工工具、耗材、化学试剂、清洗用的水等都可以成为杂质粒子来源。
衬底片清洗就是利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在片子表面上的杂质粒子及自身氧化物发生化学反应和溶解作用，或伴以超声、加热、刷洗等物理方法，使杂质从被清洗衬底片表面脱附，然后用大量高纯冷热去离子水冲洗，从而得到符合清洁度要求的表面。
传统的衬底片清洗方法主要以RCA湿式化学洗净技术为基础。衬底片上的杂质分为有机杂质和无机杂质。衬底片上的油污等有机杂质对无机杂质有掩护作用，当它们吸附在衬底片表面时，将使衬底片表面呈现疏水性，从而妨碍去离子水或酸、碱溶液与片子表面的有效接触，使得去离子水或酸、碱溶液无法与片子表面或其它杂质粒子相互作用，因而无法实现有效的化学清洗。此外，油脂类杂质在高温下还会碳化，生成的产物有时会牢固的留在衬底片上而不易除去。衬底片上的有机溶剂一般可使用甲苯、丙酮、乙醇等有机溶剂来溶除。无机杂质主要以离子或原子吸附方式附着在衬底片表面。它们的吸附多属于化学吸附范畴，主要特点是杂质离子与片子表面之间依靠化学健力相结合，吸附力较强。而原子型杂质粒子吸附力最强，比较难以清除。衬底片表面沾污的无机杂质主要是使用无机酸、氧化剂等通过化学反应将它们溶解掉。如盐酸能与金属活性顺序表中氢以前的金属作用生成金属氯化物；盐酸能与碱性氧化物、氢氧化物或两性氧化物作用；盐酸能与碳酸盐作用。反应生成的金属氯化物一般溶于水，可用纯水冲洗溶除。硫酸具有与盐酸相同的酸的通性，浓硫酸不仅能与金属活动顺序表中氢以前的金属作用，在加热条件下，还可以与氢以后的金属如铜、汞、银等发生氧化还原反应。生成的硫酸盐一般溶于水，可以用纯水冲洗来溶除。衬底片表面的如二氧化硅等氧化层杂质则可以利用氢氟酸来溶除，氢氟酸与二氧化硅生成易挥发的四氟化硅气体，四氟化硅能进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络合物六氟硅酸。生成的六氟硅酸可用纯水冲洗溶除。传统衬底片清洗工艺主要以槽式浸泡为主，辅以超声、加热、鼓泡等手段，清洗后的衬底片表面通常容易有液体残留。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明提供了一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及其清洗方法，通过采用衬底片旋转与喷淋臂相对旋转的方法，有机溶剂、清洗液、气体等通过管路连通喷淋臂，实现旋转式喷洗，一边清洗一边通过衬底片旋转将废液甩走，废液及时通过排液系统排出，最后通过高纯氮气吹干。本发明可以有效避免槽式浸泡清洗工艺中容易产生的二次污染。衬底片的传递可以通过机械手自动实现，避免人为带入杂质粒子。整个步骤都可以通过可编程式控制器及触摸人机界面来自动控制操作，提高了清洗效率。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种衬底片旋转腐蚀清洗设备，包括如下结构：工艺腔、旋转机构系统、有机溶剂供给系统、清洗液供给系统、纯水供给系统、供气系统、机械手、回收系统和控制系统；
所述的工艺腔内主要包含衬底片固定装置和喷淋臂，所述的衬底片固定装置上端固定衬底片，衬底片固定方式为真空吸盘或周围卡口，下端连接电机，电机带动固定装置旋转；
所述的旋转机构系统位于工艺腔下方，由电机系统与衬底片固定装置相连；
所述的有机溶剂包括乙醇、丙酮，所述的有机溶剂供给系统由有机溶剂预处理装置和进液管路组成，有机溶剂预处理包含混液处理和加热处理，所述的进液管路由管道和节流阀组成，所述的进液管路与喷淋臂连通，所述的有机溶剂供给系统开启时向所述的工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射有机溶剂；
所述的清洗液供给系统由清洗液预处理装置和进液管路组成，清洗液预处理包含混液处理、加热处理、兆声处理，所述的进液管路由管道和节流阀组成，所述的进液管路与喷淋臂连通，所述的清洗液供给系统开启时向所述工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射清洗液；
所述的纯水供给系统由纯水制造设备及管路组成，与所述有机溶剂供给系统、清洗液供给系统通过管路相连，与喷淋臂通过管路相连；
所述的供气系统由管路与喷淋臂连通，所述供气系统中的气体包含氮气、压缩空气，供气管路由管道和节流阀组成，所述的供气管路开启时向所述的工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射气体；
所述的机械手接收控制系统指令，从指定位置提取衬底片放到所述的工艺腔内所述的衬底片固定装置上，清洗完成后，所述的机械手接收控制系统指令，从所述的工艺腔内所述的衬底片固定装置上提取清洗好的衬底片放到指定位置的片盒内；
所述的回收系统包含废气排出管路与废液回收管路，与所述的工艺腔连通，用于排出所述的工艺腔内的气体与废清洗液；
所述的控制系统包含可编程式控制器及触摸人机界面。
进一步的，所述的衬底片为水平固定方向，固定方式为真空吸盘或衬底片周围卡口，所述的衬底片尺寸为4英寸至8英寸，所述的衬底片的材质包含硅片、蓝宝石片、碳化硅片、氮化镓片。
进一步的，所述的喷淋臂在水平面内可伸缩可摆动，喷淋口为垂直于衬底片表面，或倾斜状，与衬底片表面呈一定角度。
进一步的，所述的旋转电机与衬底片固定装置相连，清洗过程中带动衬底片旋转。
进一步的，所述的清洗液包含盐酸溶液、硫酸溶液、氢氟酸溶液、氨水溶液，所述混液处理指酸(碱)与氧化剂、纯水按比例混合均匀，所述氧化剂为双氧水，所述混合比例为酸(碱)：双氧水：纯水等于1：1：20-100之间，所述加热处理温度范围在50℃-80℃，所述兆声处理只针对氨水混合液，兆声系统至于喷淋臂氨水喷嘴后部。
进一步的，所述机械手实现衬底片自动传递。
一种衬底片旋转腐蚀清洗方法，包括如下步骤：
步骤一、硫酸/盐酸/氨水：双氧水：纯水按1：1：20-100的比例混合处理，氢氟酸：纯水按1：20-80的比例混合处理，氨水混和液加热到50℃-80℃；
步骤二、加工好的衬底片经过纯水刷洗，机械手在指定位置提取待清洗的衬底片，放置于衬底片固定装置上，固定好衬底片；
步骤三、开启有机溶剂供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤四、开启纯水供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤五、开启清洗液供给系统中的硫酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤六、重复步骤四；
步骤七、开启清洗液供给系统中的氨水混合液，开启喷淋臂上氨水喷嘴后的兆声，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤八、重复步骤四；
步骤九、开启清洗液供给系统中的盐酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤十、重复步骤四；
步骤十一、开启清洗液供给系统中的氢氟酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤十二、重复步骤四；
步骤十三、开启供气系统中氮气，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，吹干5-20分钟；
步骤十四、机械手将腐蚀清洗好的衬底片提取至指定位置的洁净片盒中。
进一步的，下一步骤开启，上一步骤自动关闭。
进一步的，所述步骤十三中，氮气吹干还包括干燥气体通过干燥孔对衬底片背面进行干燥处理。
有益效果：本发明提供了一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及方法，通过采用衬底片旋转与喷淋臂相对旋转的方法，有机溶剂、清洗液、气体等通过管路连通喷淋臂，实现旋转式喷洗，一边清洗一边通过衬底片旋转将废液甩走，废液及时通过排液系统排出，最后通过高纯氮气吹干。本发明可以有效避免槽式浸泡清洗工艺中容易产生的二次污染。衬底片的传递可以通过机械手自动实现，避免人为带入杂质粒子。整个步骤都可以通过可编程式控制器及触摸人机界面来自动控制操作，提高了清洗效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；其中，1、工艺腔，2、喷淋臂，3、喷淋嘴，4、衬底片固定装置，5、旋转连接杆。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明中的衬底片旋转腐蚀清洗设备，包括如下结构：工艺腔、旋转机构系统、有机溶剂供给系统、清洗液供给系统、纯水供给系统、供气系统、机械手、回收系统和控制系统。
所述的工艺腔内主要包含衬底片固定装置和喷淋臂，所述的衬底片固定装置上端固定衬底片，衬底片固定方式为真空吸盘或周围卡口，下端连接电机，电机带动固定装置旋转。
所述的旋转机构系统位于工艺腔下方，由电机系统与衬底片固定装置相连。
所述的有机溶剂包括乙醇、丙酮，所述的有机溶剂供给系统由有机溶剂预处理装置和进液管路组成，有机溶剂预处理包含混液处理和加热处理，所述的进液管路由管道和节流阀组成，所述的进液管路与喷淋臂连通，所述的有机溶剂供给系统开启时向所述的工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射有机溶剂。
所述的清洗液供给系统由清洗液预处理装置和进液管路组成，清洗液预处理包含混液处理、加热处理、兆声处理，所述的进液管路由管道和节流阀组成，所述的进液管路与喷淋臂连通，所述的清洗液供给系统开启时向所述工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射清洗液。
所述的纯水供给系统由纯水制造设备及管路组成，与所述有机溶剂供给系统、清洗液供给系统通过管路相连，与喷淋臂通过管路相连。
所述的供气系统由管路与喷淋臂连通，所述供气系统中的气体包含氮气、压缩空气，供气管路由管道和节流阀组成，所述的供气管路开启时向所述的工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射气体。
所述的机械手接收控制系统指令，从指定位置提取衬底片放到所述的工艺腔内所述的衬底片固定装置上，清洗完成后，所述的机械手接收控制系统指令，从所述的工艺腔内所述的衬底片固定装置上提取清洗好的衬底片放到指定位置的片盒内。
所述的回收系统包含废气排出管路与废液回收管路，与所述的工艺腔连通，用于排出所述的工艺腔内的气体与废清洗液。
所述的控制系统包含可编程式控制器及触摸人机界面。
本发明中，所述的衬底片为水平固定方向，固定方式为真空吸盘或衬底片周围卡口，所述的衬底片尺寸为4英寸至8英寸，所述的衬底片的材质包含硅片、蓝宝石片、碳化硅片、氮化镓片。
所述的喷淋臂在水平面内可伸缩可摆动，喷淋口为垂直于衬底片表面，或倾斜状，与衬底片表面呈一定角度。
所述的旋转电机与衬底片固定装置相连，清洗过程中带动衬底片旋转。
所述的清洗液包含盐酸溶液、硫酸溶液、氢氟酸溶液、氨水溶液，所述混液处理指酸(碱)与氧化剂、纯水按比例混合均匀，所述氧化剂为双氧水，所述混合比例为酸(碱)：双氧水：纯水等于1：1：20-100之间，所述加热处理温度范围在50℃-80℃，所述兆声处理只针对氨水混合液，兆声系统至于喷淋臂氨水喷嘴后部。
所述机械手实现衬底片自动传递。
本发明的衬底片旋转腐蚀清洗方法，包括如下步骤：
步骤一、硫酸/盐酸/氨水：双氧水：纯水按1：1：20-100的比例混合处理，氢氟酸：纯水按1：20-80的比例混合处理，氨水混和液加热到50℃-80℃；
步骤二、加工好的衬底片经过纯水刷洗，机械手在指定位置提取待清洗的衬底片，放置于衬底片固定装置上，固定好衬底片；
步骤三、开启有机溶剂供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤四、开启纯水供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤五、开启清洗液供给系统中的硫酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤六、重复步骤四；
步骤七、开启清洗液供给系统中的氨水混合液，开启喷淋臂上氨水喷嘴后的兆声，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤八、重复步骤四；
步骤九、开启清洗液供给系统中的盐酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤十、重复步骤四；
步骤十一、开启清洗液供给系统中的氢氟酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤十二、重复步骤四；
步骤十三、开启供气系统中氮气，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，吹干5-20分钟；氮气吹干还包括干燥气体通过干燥孔对衬底片背面进行干燥处理；
步骤十四、机械手将腐蚀清洗好的衬底片提取至指定位置的洁净片盒中。
本发明在下一步骤开启时，上一步骤自动关闭。
具体实施例1
以碳化硅衬底片为例，所属碳化硅衬底片旋转腐蚀清洗包括下述步骤：
步骤一、硫酸/盐酸/氨水：双氧水：纯水按1：1：40的比例混合处理，氢氟酸：纯水按1：50的比例混合处理，氨水混和液加热到70℃；
步骤二、加工好的碳化硅衬底片经过纯水刷洗，机械手在指定位置提取待清洗的碳化硅衬底片，放置于衬底片固定装置上，固定好碳化硅衬底片；
步骤三、开启丙酮供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗8分钟；
步骤四、开启纯水供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5分钟；
步骤五、开启清洗液供给系统中的硫酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗8分钟；
步骤六、重复步骤四；
步骤七、开启清洗液供给系统中的氨水混合液，开启喷淋臂上氨水喷嘴后的兆声，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗8分钟；
步骤八、重复步骤四；
步骤九、开启清洗液供给系统中的盐酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗8分钟；
步骤十、重复步骤四；
步骤十一、开启清洗液供给系统中的氢氟酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗8分钟；
步骤十二、重复步骤四；
步骤十三、开启供气系统中氮气，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，吹干5分钟；
步骤十四、机械手将腐蚀清洗好的碳化硅衬底片提取至指定位置的洁净片盒中。
由此，本发明提供了一种衬底片旋转腐蚀清洗设备及方法，采用本设备及方法清洗得到的衬底片表面洁净，避免了传统槽式浸泡清洗常见的二次污染，液体残留物等。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、材料、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、材料、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。
尽管给出和描述了本发明的实施例，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围有权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种衬底片旋转腐蚀清洗设备，其特征在于，包括如下结构：工艺腔、旋转机构系统、有机溶剂供给系统、清洗液供给系统、纯水供给系统、供气系统、机械手、回收系统和控制系统；
所述的工艺腔内主要包含衬底片固定装置和喷淋臂，所述的衬底片固定装置上端固定衬底片，衬底片固定方式为真空吸盘或周围卡口，下端连接电机，电机带动固定装置旋转；
所述的旋转机构系统位于工艺腔下方，由电机系统与衬底片固定装置相连；
所述的有机溶剂包括乙醇、丙酮，所述的有机溶剂供给系统由有机溶剂预处理装置和进液管路组成，有机溶剂预处理包含混液处理和加热处理，所述的进液管路由管道和节流阀组成，所述的进液管路与喷淋臂连通，所述的有机溶剂供给系统开启时向所述的工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射有机溶剂；
所述的清洗液供给系统由清洗液预处理装置和进液管路组成，清洗液预处理包含混液处理、加热处理、兆声处理，所述的进液管路由管道和节流阀组成，所述的进液管路与喷淋臂连通，所述的清洗液供给系统开启时向所述工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射清洗液；
所述的纯水供给系统由纯水制造设备及管路组成，与所述有机溶剂供给系统、清洗液供给系统通过管路相连，与喷淋臂通过管路相连；
所述的供气系统由管路与喷淋臂连通，所述供气系统中的气体包含氮气、压缩空气，供气管路由管道和节流阀组成，所述的供气管路开启时向所述的工艺腔内通过所述喷淋臂向衬底片表面喷射气体；
所述的机械手接收控制系统指令，从指定位置提取衬底片放到所述的工艺腔内所述的衬底片固定装置上，清洗完成后，所述的机械手接收控制系统指令，从所述的工艺腔内所述的衬底片固定装置上提取清洗好的衬底片放到指定位置的片盒内；
所述的回收系统包含废气排出管路与废液回收管路，与所述的工艺腔连通，用于排出所述的工艺腔内的气体与废清洗液；
所述的控制系统包含可编程式控制器及触摸人机界面。
2.根据权利要求1所述的衬底片旋转腐蚀清洗设备，其特征在于：所述的衬底片为水平固定方向，固定方式为真空吸盘或衬底片周围卡口，所述的衬底片尺寸为4英寸至8英寸，所述的衬底片的材质包含硅片、蓝宝石片、碳化硅片、氮化镓片。
3.根据权利要求1所述的衬底片旋转腐蚀清洗设备，其特征在于：所述的喷淋臂在水平面内可伸缩可摆动，喷淋口为垂直于衬底片表面，或倾斜状，与衬底片表面呈一定角度。
4.根据权利要求1所述的衬底片旋转腐蚀清洗设备，其特征在于：所述的旋转电机与衬底片固定装置相连，清洗过程中带动衬底片旋转。
5.根据权利要求1所述的衬底片旋转腐蚀清洗设备，其特征在于：所述的清洗液包含盐酸溶液、硫酸溶液、氢氟酸溶液、氨水溶液，所述混液处理指酸(碱)与氧化剂、纯水按比例混合均匀，所述氧化剂为双氧水，所述混合比例为酸(碱)：双氧水：纯水等于1：1：20-100之间，所述加热处理温度范围在50℃-80℃，所述兆声处理只针对氨水混合液，兆声系统至于喷淋臂氨水喷嘴后部。
6.根据权利要求1所述的衬底片旋转腐蚀清洗设备，其特征在于：所述机械手实现衬底片自动传递。
7.一种衬底片旋转腐蚀清洗方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、硫酸/盐酸/氨水：双氧水：纯水按1：1：20-100的比例混合处理，氢氟酸：纯水按1：20-80的比例混合处理，氨水混和液加热到50℃-80℃；
步骤二、加工好的衬底片经过纯水刷洗，机械手在指定位置提取待清洗的衬底片，放置于衬底片固定装置上，固定好衬底片；
步骤三、开启有机溶剂供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤四、开启纯水供给系统，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤五、开启清洗液供给系统中的硫酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤六、重复步骤四；
步骤七、开启清洗液供给系统中的氨水混合液，开启喷淋臂上氨水喷嘴后的兆声，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤八、重复步骤四；
步骤九、开启清洗液供给系统中的盐酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤十、重复步骤四；
步骤十一、开启清洗液供给系统中的氢氟酸混合液，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，冲洗5-20分钟；
步骤十二、重复步骤四；
步骤十三、开启供气系统中氮气，开启喷淋臂摆动开关，开启衬底片旋转开关，吹干5-20分钟；
步骤十四、机械手将腐蚀清洗好的衬底片提取至指定位置的洁净片盒中。
8.根据权利要求7所述的衬底片旋转腐蚀清洗方法，其特征在于：下一步骤开启，上一步骤自动关闭。
9.根据权利要求7所述的衬底片旋转腐蚀清洗方法，其特征在于：所述步骤十三中，氮气吹干还包括干燥气体通过干燥孔对衬底片背面进行干燥处理。
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