CN117086020A - 一种硅片清洗方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅片清洗方法及系统，该方法包括：S1.将硅片放入第一清洗槽，在第一清洗槽的纯水中加入空气，与兆声波共同作用，去除硅片上大颗料的杂质；S2.将经步骤S1处理的硅片放入第二清洗槽，在第二清洗的纯水中加入臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上的原子类、分子类和离子类杂质；S3.将经步骤S2处理的硅片放入第三清洗槽，在第三清洗槽的纯水中加入空气和臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上残余的原子类、分子类和离子类杂质。这样即可实现硅片的高效清洁，且整个清洗过程无需使用任何化学药剂，清洗成本低，工序简化，清洗时间短，废水产生少，能耗和破片率低。
Description
技术领域
本发明属于硅片生产技术领域，尤其涉及一种硅片清洗方法及系统。
背景技术
目前，在硅片生产加工过程，行业内通用的硅片清洗方法是利用一定配比的混合碱剂、NAOH、KOH、H2O2等碱性溶剂在中高温、超声波状态下对硅片表面残留物质(原子、分子、离子类)进行化学清洁；然后利用纯水在高温、超声波状态下对硅片进行精洗，去除残留化学物质。现有硅片清洗工艺需在高温、超声波状态下进行，大规模的清洗流程能耗高，此外硅片清洗过程需使用大量化学碱剂，清洗成本较高且不利于环境保护。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种硅片清洗方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明所述的一种硅片清洗方法，包括：
S1.将硅片放入第一清洗槽，在第一清洗槽的纯水中加入空气，与兆声波共同作用，去除硅片上大颗料的杂质；
S2.将经步骤S1处理的硅片放入第二清洗槽，在第二清洗的纯水中加入臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上的原子类、分子类和离子类杂质；
S3.将经步骤S2处理的硅片放入第三清洗槽，在第三清洗槽的纯水中加入空气和臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上残余的原子类、分子类和离子类杂质。
进一步地，步骤S1中空气以小径气泡方式从第一清洗槽的槽底输入至纯水中，常温状态下加入速度为17ml/L～21ml/L，且兆声波的频率为1000kHz～1200kHz。
进一步地，步骤S2中将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式在0.3～0.5Mpa的条件下加入至第二清洗槽的纯水中，加入比例为0.037L/L水，且兆声波频率为1500kHz～2000kHz。
进一步地，步骤S3中将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式在0.4Mpa的条件下加入至第三清洗槽的纯水中，加入比例为0.021L/L水，且兆声波的频率为1500kHz～1700kHz。
第二方面，本发明还提供了一种基于所述的硅片清洗方法的硅片清洗系统，包括：
第一清洗槽，其槽底设置有周侧表面带孔的第一气管和第一兆声波发生装置，且所述第一气管与第一气泵连接；
第二清洗槽，其槽底设置第一超微密气泡发生器装置和第二兆声波发生装置；
以及第三清洗槽，其槽底设置有周侧表面带孔第二气管、第二超微密气泡发生器装置和第三兆声波发生装置，且所述第二气管与第二气泵连接。
进一步地，所述第一兆声波发生装置产生的兆声波频率为1000kHz～1200kHz，所述第二兆声波发生装置产生的兆声波频率为1500kHz～2000kHz，所述第三兆声波发生装置产生的兆声波频率为1500kHz～1700kHz。
本发明通过上述技术方案，具有以下有益效果：
1、无需使用化学药剂，清洗成本低；
2、节省了化学药剂清除工序，工序简化，清洗时间更短；
3、减少了清洗过程废水产生，降低废水处理成本；
4、整个清洗过程在中低温下完成，同时降低了能耗和破片率。
附图说明
图1是本发明所述硅片清洗方法的流程示意图；
图2是本发明所述硅片清洗方法的实验检测结果数据图；
图3是本发明所述硅片清洗方法中兆声波对硅片表面杂质去除的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明所述的一种硅片清洗方法，包括以下步骤：
步骤S1.将硅片放入第一清洗槽，在第一清洗槽的纯水中加入空气，与兆声波共同作用，去除硅片上大颗料的杂质。具体为：将硅片放入第一清洗槽，然后在常温状态下，将空气以速度为17ml/L～21ml/L的小径气泡方式从第一清洗槽的槽底输入至流入纯水中，同时通过兆声波发生器在纯水中产生兆声波，兆声波的频率为1000kHz～1200kHz，通过兆声波将逸出的小径气泡撕裂成更小气泡；通过所述更小气泡在上升过程中发生破裂，产生的冲击力将硅片表面大颗粒杂质去除。
在一种可能实现的方案中，所述第一清洗槽的槽底设置有周侧表面带孔的第一气管和第一兆声波发生装置，再通过第一气泵向气管供给气体，气体从气管周侧表面的孔逸出，形成小径气泡。
步骤S2.将经步骤S1处理的硅片放入第二清洗槽，在第二清洗的纯水中加入臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上的原子类、分子类和离子类杂质；具体为：将经步骤S1处理的硅片放入第二清洗槽，然后将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式并按照0.037L/L水的比例在0.3～0.5Mpa的条件下加入第二清洗槽的纯水中，其中该臭氧的微米气泡直径小于50微米；同时通过兆声波发生器在第二清洗槽的纯水中加入兆声波，兆声波的频率为1500kHz～2000kHz；清洗过程，加入的臭氧微米气泡在纯水中上浮，并在兆声波的作用下扩散至硅片四周和破裂，破裂产生的冲击力对硅片表面杂质去除也起到一定作用，而破裂释放出的臭氧则与水反应单氧离子与硅片表面的原子、分子、离子物质中和或反应，再由兆声波产生的冲击力使反应得到的产物从硅片表面脱落，达到清洗的目的，实现硅片表面大部分的原子、分子、离子类杂质去除。
在一种可能实现的方案中，所述第二清洗槽的槽底设置第一超微密气泡发生器装置和第二兆声波发生装置，其中该超微密气泡发生器装置属于现有技术，在此不再详细赘述，如上海行恒科技有限公司销售的型号为NANO-JET-01T或NANO-JET-10T或NANO-JET-50T的高压喷射式微纳米气泡发生装置)，通过超微密气泡发生器装置将臭氧以高压高浓度的微米气泡形式从第二清洗槽的底部输入至纯水中。
步骤S3.将经步骤S2处理的硅片放入第三清洗槽，在第三清洗槽的纯水中加入空气和臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上残余的原子类、分子类和离子类杂质；具体为：将经步骤S2处理的硅片放入第三清洗槽，然后将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式并按照0.021L/L水的比例在0.4Mpa的条件下加入至第三清洗槽的纯水中，同时通过兆声波发生器在第在不在清洗槽的纯水中产生兆声波，兆声波的频率为1500kHz～1700kHz；通过兆声波将逸出的小径气泡撕裂成更小气泡，再通过所述更小气泡在上升过程中发生破裂，产生的冲击力将硅片表面残余的大颗粒杂质去除；同时通过兆声波将加入的臭氧微米气泡扩散至硅片四周和破裂，一方面使破裂产生的冲击力对硅片表面残余的小颗粒杂质起到一定去除作用，二方面通过破裂释放出的臭氧则与水反应单氧离子与硅片表面残余的原子、分子、离子物质中和或反应，再由兆声波产生的冲击力使反应得到的产物从硅片表面脱落，实现彻底清洁效果。
在一种可能实现的方案中，所述第三清洗槽的槽底设置有周侧表面带孔第二气管、第二超微密气泡发生器装置和第三兆声波发生装置，且所述第二气管与第二气泵连接。
这样，通过本发明所述硅片清洗方法即可实现硅片的高效清洁(具体通过使用不同频率的兆声波与空气气泡和/或臭氧微米气泡相结合，对硅片表面的杂质进行去除)，而且整个清洗过程无需使用任何化学药剂，与现有使用大量化学碱剂的清洗方法相比，一方面能够降低了清洗成本，二方面能够节省了化学药剂清除工序，工序简化，清洗时间更短(经实验测试，本发明硅片清洗方法的总清洗时间约为42秒，其中S1-S3的清洗时间分别为15秒、10秒和17秒，与现有总清洗时间约为90秒的工序相比，清洗时间节省了53.33％，清洗效率提高一倍以上)，三方面能够减少了清洗过程废水产生，降低废水处理成本，四方面整个清洗过程在中低温下完成，既降低了能耗，又避免了因高温导致破片的问题，破片率有效降低。
由于硅片材质的易脆性，对兆声波的振动频率有一定要求。
兆声波清洗的原理是由超声波电源发出高频振荡电流，经换能器转变为机械振动波传入到清洗介质中，从而在液体中产生空化和声波流两种现象，在这两种现象的合力下将附着在晶圆表面的颗粒去除。空化作用的强度由液体中形成的气泡大小和密度决定，当频率较低时，气泡尺寸较大，密度较低；当频率变大时，气泡尺寸减小，密度增加。气泡尺寸越大，崩溃时产生的冲击力越大，去除颗粒的能力越强，但同时对硅片表面的损伤也越大。
所以在上述清洗方法的三个步骤中即遵循这一原理，对硅片表面不同的清洁时间段采用不同的兆声波频率。颗粒越大，大颗粒物密度相对越小；颗粒物越小，小颗粒物密度相对越大。在清洁的过程中大颗粒物会受能量冲击变小，所以在不同的清洁时间段用不同频率的兆声波对硅片表面的颗粒物进行彻底清洁。
颗粒物受力分析如下图3：
Mr：颗粒受到的剥离力矩；
Ma：粘附力矩；
Fdrag：为剥离力；
Fadhesion：粘附力(静电力及范德华力)；
Felec double layer：双电层力；
R：为颗粒半径；
A：颗粒与硅片表面的接触半径。
Mr：颗粒受到的剥离力矩，该力矩包含了由空化和声波流化学、物理反应过程中产生的合力作用于颗粒物时的力矩。
设Eth：空化作用时产生的热能；
Eel：空化作用时产生的光辐射能；
Eme：空化作用时声波作用产生的机械能；
Ech：空化作用时产生的化学能；
q：空化强度；
则有该气泡具有的能量为
由气蚀强度公式I＝WE/△t△v≈(P0/T)q，
得
所以，在设置兆声波频率时需要经过精密计算和试验、验证，并在进行多次试验后得出了以下数据：
第一阶段(步骤S1)：1000kHz～1200kHz；
第二阶段(步骤S2)：1500kHz～2000kHz；
第三阶段(步骤S1)：1500kHz～1700kHz；
选取以下工艺参数的清洁效果最好，尤其对于加工尺寸为158mm—230mm，厚度为180μm--110μm的硅片。
另外，将本发明上面所述第一清洗槽、第二清洗槽和第三清洗槽依次装配一起，即可构成硅片清洗。
将本发明所述硅片清洗方法应用于生产线上进行实验检测，具体操作为：
第1步，将硅片放入第一清洗槽，然后将空气小径气泡方式从第一清洗槽的槽底输入至纯水中，再通过兆声波将小径气泡撕裂成更小气泡；通过所述更小气泡在上升过程中发生破裂，产生的冲击力将硅片表面大颗粒杂质去除。
第2步，将经第一清洗槽清洗的硅片放入第二清洗槽，然后通过将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式加入纯水中，在兆声波的作用下，将臭氧微米气泡扩散至硅片四周和破裂，通过产生的冲击力对硅片表面杂质进行去除，且通过破裂释放出的臭氧则与水反应单氧离子与硅片表面的原子、分子、离子物质中和或反应，再由兆声波产生的冲击力从硅片表面脱落，达到清洗目的。
第3步，将经第二清洗槽清洗的硅片放入第三清洗槽，然后在第三清洗槽的纯水中加入空气、臭氧和兆声波，一方面利用小气泡破裂，产生的冲击力来去除硅片表面残余的大颗粒杂质，二方面利用臭氧微米气泡破裂产生的冲击力和释放的臭氧与水反应，再通过兆声波对硅片表面进行进一步清洗，去除残留的原子、分子、离子类杂质。
按上述步骤进行清洗实验一定时间，并将清洗完的硅片与之前采用本发明背景技术中记载的现有硅片清洗工艺清洗的硅片进行检测，检测结果如图2所示，通过本发明所述硅片清洗方法的污片率能下降至0.22％以下，而采用现有硅片清洗工艺则只能达到0.31％污片率。可见本发明所述硅片清洗方法能够实现硅片高效清洁。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种硅片清洗方法，其特征在于，包括：
S1.将硅片放入第一清洗槽，在第一清洗槽的纯水中加入空气，与兆声波共同作用，去除硅片上大颗料的杂质；
S2.将经步骤S1处理的硅片放入第二清洗槽，在第二清洗的纯水中加入臭氧，与兆声波共同作用，去除硅片上的原子类、分子类和离子类杂质；
S3.将经步骤S2处理的硅片放入第三清洗槽，在第三清洗槽的纯水中加入空气和臭氧，与兆声波共同作用，进一步去除硅片上残余的原子类、分子类和离子类杂质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中空气以小径气泡方式从第一清洗槽的槽底输入至纯水中，常温状态下加入速度为17ml/L～21ml/L，且兆声波的频率为1000kHz～1200kHz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式在0.3～0.5Mpa的条件下加入至第二清洗槽的纯水中，加入比例为0.037L/L水，且兆声波频率为1500kHz～2000kHz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中将臭氧以高压高浓度的微米气泡方式在0.4Mpa的条件下加入至第三清洗槽的纯水中，加入比例为0.021L/L水，且兆声波的频率为1500kHz～1700kHz。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的硅片清洗方法的硅片清洗系统，其特征在于，包括：
第一清洗槽，其槽底设置有周侧表面带孔的第一气管和第一兆声波发生装置，且所述第一气管与第一气泵连接；
第二清洗槽，其槽底设置第一超微密气泡发生器装置和第二兆声波发生装置；
以及第三清洗槽，其槽底设置有周侧表面带孔第二气管、第二超微密气泡发生器装置和第三兆声波发生装置，且所述第二气管与第二气泵连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一兆声波发生装置产生的兆声波频率为1000kHz～1200kHz，所述第二兆声波发生装置产生的兆声波频率为1500kHz～2000kHz，所述第三兆声波发生装置产生的兆声波频率为1500kHz～1700kHz。
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