CN117209160A - 一种半导体石英环及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体器件领域，具体公开了一种半导体石英环及其制备方法。该制备方法包括：将石英毛坯进行机床粗加工，得到石英环初品；将石英环初品置于第一碱性清洗剂中进行超声清洗，并用水进行超声漂洗；将石英环初品置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，并漂洗；再将石英环初品置于第二碱性清洗剂中，于80‑90℃下浸泡1.5‑3 h进行高温碱洗后，超声漂洗；再次重复超声清洗步骤，并经超声漂洗、干燥后得到表面粗糙度Ra＞20μin的半导体石英环。这种制备方法，无须采用人工喷砂和精加工步骤，能够保证同批加工制得的石英环表面质量的一致性和均匀性。

Description

一种半导体石英环及其制备方法

技术领域

本申请涉及半导体器件加工领域，更具体地说，它涉及一种半导体石英环及其制备方法。

背景技术

半导体石英玻璃是二氧化硅单一成分的非晶态材料，其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的到单纯网络，由于Si-O化学键能很大，结构很紧密，所以石英玻璃拥有优越的物理、化学性能，综合性能属于玻璃材料之最，被称为“玻璃王”。半导体石英玻璃主要用于制作半导体、电光源器、半导通信装置、激光器、光学仪器，实验室仪器、电学设备、医疗设备和耐高温耐腐蚀的化学仪器、化工、电子、冶金、建材以及国防等工业，应用非常广泛。

石英是值得重视的半导体辅材，广泛应用于晶圆加工。石英玻璃凭借其高纯度、耐高温、低热膨胀性、化学稳定性强等优良性能，在半导体芯片的制造加工中被广泛应用。集成电路产业链可以大致分为电路设计、芯片制造、封装测试三个主要环节，其中半导体产品的加工过程主要包括芯片制造(前道，Front-End)和封装(后道，Back-End)测试，其中芯片制造生产工艺复杂，工序繁多，生产过程需要使用到多种辅助性石英器件，因而高纯度石英材料是半导体IC芯片生产过程中广泛使用的关键性辅助耗材。

石英环在应用过程中对表面粗糙度有很高的要求，石英环的表面粗糙度越高，其吸附性能越好。目前，加工表面粗糙度Ra＞20μin的石英环的常用工艺如下：石英毛坯→机床粗加工(Ra为14-18μin)→精加工(Ra为7-8μin)→超声清洗→喷砂→超声清洗→氢氟酸洗→超声清洗(Ra＞20μin)。在上述工艺中，会采用喷砂工艺，通常为达到高粗糙度的表面效果，一般用选用三氧化二铝、碳化硅、石英砂等低于400目的砂材。然而，现在的喷砂工艺均为人工喷砂，不同的操作人员喷砂加工后，石英环粗糙表面的均匀性差，从而影响产品的表面性能。例如在制备晶圆的过程中，需要使用石英环来吸附生产晶圆的反应腔体内的生成物(以氧化物为主)，以避免此类生成物掉落在晶圆表面，导致晶圆不合格。而使用这种人工喷砂工艺制得的石英砂，因粗糙表面的均匀性差，导致其吸附性能不均匀，用其制备的晶圆良率低。

发明内容

为了提高石英环表面粗糙度的均匀性，改善石英环的表面性能，本申请提供一种半导体石英环的制备方法，其无须采用人工喷砂，能够保证同批加工的石英环表面质量的一致性和均匀性。

本申请提供采用如下的技术方案：

一种半导体石英环的制备方法，其包括：

将石英毛坯进行机床粗加工，得到石英环初品；

将石英环初品置于第一碱性清洗剂中进行超声清洗，并用水进行超声漂洗；

将石英环初品置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，并漂洗；

再将石英环初品置于第二碱性清洗剂中，于80-90℃下浸泡1.5-3h进行高温碱洗后，超声漂洗；

再次重复超声清洗步骤，并经超声漂洗、干燥后得到表面粗糙度Ra＞20μin的半导体石英环。

进一步地，第一碱性清洗剂中含有5-10wt％的KOH或NaOH；第二碱性清洗剂中含有10-15wt％的KOH或NaOH。

进一步地，碱性清洗剂还含有离子型表面活性剂和两性表面活性剂。

进一步地，上述超声清洗的工艺参数为：于温度50-60℃、超声频率30-50KHz下超声3-7min后，在70-90KHz下继续超声3-7min；超声清洗的次数为3-6次。

进一步地，上述超声漂洗的工艺参数为：于温度50-60℃、超声频率30-50KHz下超声1-3min后，在70-90KHz下继续超声1-3min；超声漂洗的次数为3-6次。

进一步地，上述石英环初品的表面粗糙度Ra为14-18μin。

进一步地，上述机床粗加工的步骤包括：

机床按照产品设计图纸加工石英毛坯，工艺参数为：磨头采用树脂材料，颗粒度为150-250目，转速为3000-5000rmp。

进一步地，上述氢氟酸溶液中HF的浓度为5-8wt％，腐蚀时间为5-8min。

第二方面，本申请还提供一种根据上述制备方法制得的半导体石英环，该半导体石英环的表面粗糙度Ra为20-30μin。

综上，本申请具有以下有益效果：

本申请采用的这种半导体石英环的制备方法，采用石英毛坯→机床粗加工→超声清洗→氢氟酸洗→高温碱洗→超声清洗的工艺，结合机床处理和化学表面处理，通过机床磨头和化学酸碱腐蚀来替代人工喷砂，并且在机床粗加工后，无须再进行精加工对产品表面打磨，直接进行氢氟酸洗和大于80℃的高温碱洗浸泡，利用高温碱液对石英环表面进一步化学腐蚀来提高机床加工后的粗糙度，得到表面粗糙度Ra为20-30μin的终产品。相比于现有工艺，本申请提供的这种方法，既能保证同批加工的石英环表面质量的一致性和均匀性，又能简化操作步骤，提升产品的加工效率。

附图说明

图1是本申请实施例1中石英环在高温碱洗前和高温碱洗后的对比图；

图2是本申请实施方式中检测石英环表面粗糙度的测定点位。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本申请的技术方案为：

本申请提供一种半导体石英环的制备方法，其工艺流程为：

石英毛坯→机床粗加工→超声清洗→氢氟酸洗→高温碱洗→超声清洗

具体包括以下步骤：

(1)将石英毛坯进行机床粗加工，得到石英环初品；

进一步地，石英环初品的表面粗糙度Ra为14-18μin，优选为15-17μin，例如可以是：15.5μin、16μin和16.5μin。

进一步地，机床粗加工的步骤包括：机床按照产品设计图纸加工石英毛坯，工艺参数为：磨头采用树脂材料，颗粒度为150-250目，转速为3000-5000rmp。采用此工艺参数可以直接将粗糙度提高到接近20μin，为后续高温碱洗做铺垫。

优选地，采用小于400目的磨头加工石英环外形；颗粒度优选为180-230目，更为优选地为200目；加工转速优选为3500-4500rmp，更为优选地为4000rmp。

(2)将石英环初品置于第一碱性清洗剂中进行超声清洗，并用水进行超声漂洗；由于机床加工后表面会残留油污、金属杂质等污染物，需对表面进行超声清洗。为了提高清洗效率并提高清洗后产品的洁净度，在清洗过程中需要进行超声处理，并加入碱性清洗剂。

该碱性清洗剂，可以为市面上洗涤能力强、且含有无机碱的去污产品。在本实施方式中，为了进一步提升清洗效果，优选地使用含有5-10wt％(优选为6-9wt％)的KOH或NaOH的碱性清洗剂(即第一碱性清洗剂)。

为了更好的去除油污，提升碱性清洗剂与石英环表面的浸润性，该碱性清洗剂优选地还含有离子型表面活性剂和两性表面活性剂。例如可以是：十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、卵磷脂、氨基酸型表面活性剂、甜菜碱型表面活性剂等。

进一步地，上述超声清洗的工艺参数为：于温度50-60℃、超声频率30-50KHz下超声3-7min后，在70-90KHz下继续超声3-7min；超声清洗的次数为3-6次。采用两种不同频率进行超声，有助于去除在加工过程中不同粒径的杂质。优选地，上述超声清洗的工艺参数为：于温度52-58℃、超声频率35-45KHz下超声4-6min后，在75-85KHz下继续超声4-6min；超声清洗的次数为3-4次。

由于碱性清洗剂中含有表面活性剂，在超声清洗后，如果采用去离子水漂洗的方式，难以彻底清除石英环上黏附的表面活性剂，不利于后续的化学腐蚀过程。因此，本实施方式优选地采用在水中进行超声漂洗的方式，超声漂洗的工艺参数为：于温度50-60℃、超声频率30-50KHz下超声1-3min后，在70-90KHz下继续超声1-3min；超声漂洗的次数为3-6次。优选地，上述超声漂洗的工艺参数为：于温度52-58℃、超声频率35-45KHz下超声1-3min后，在75-85KHz下继续超声1-3min；超声漂洗的次数为3-4次。

(3)将石英环初品置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，并漂洗；

本步骤采用低浓度的氢氟酸溶液腐蚀表面，对机床粗加工后得到的石英环初品表面进行预处理。优选地，氢氟酸溶液中HF的浓度为5-8wt％，腐蚀时间为5-8min。更为优选地，氢氟酸溶液中HF的浓度为6-7wt％，腐蚀时间为6-7min。

(4)再将石英环初品置于第二碱性清洗剂中，于80-90℃下浸泡1.5-3h进行高温碱洗后，超声漂洗；

酸洗后产品表面会残留酸渍及少量石英粉末，利用高温碱洗对残留酸进行中和，同时高温碱腐蚀会进一步提高产品的表面粗糙度。详细参数如下：采用含有10-15wt％KOH或NaOH的碱性清洗剂(即，第二碱性清洗剂，其中也可以含有表面活性剂)，在80-90℃(优选为82-88℃)的温度下浸泡，碱洗时间1.5-3h(优选为1.5-2h)，再用去离子水进行超声漂洗至少三道。超声漂洗的参数可以如步骤(2)记载的参数。

(5)再次重复超声清洗步骤，并经超声漂洗、干燥后得到表面粗糙度Ra＞20μin的半导体石英环。

高温碱洗只会中和氢氟酸及提高表面粗糙度，对于表面残留石英粉末去除效果不理想，需对进一步对石英环表面进行超声波清洗和超声漂洗，其具体的参数选择可以与步骤(2)一致。

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

本实施例提供一种半导体石英环，其制备方法包括：

(1)机床粗加工

机床按照产品图纸加工所有外形，尺寸符合图纸要求。机加主要参数：磨头采用树脂材料、颗粒度200目、加工转速4000转/min，加工后表面粗糙度在Ra：16μin。

(2)超声清洗

配制含有8wt％的KOH的碱性清洗剂(含有表面活性剂)，在55℃的温度下超声波清洗，超声频率40KHz、5min，80KHz、5min，再用去离子水进行超声漂洗四道，温度55℃，超声频率40KHz、2min，80KHz、2min。

(3)氢氟酸洗

采用低浓度氢氟酸腐蚀表面，对机床加工后表面进行预处理，氢氟酸配比如下：HF含量7wt％，腐蚀时间6min。酸洗过程中保持产品上下晃动，酸洗完成后迅速放入去离子水漂洗3次，每次需保持产品上下抛动30-60s，产品不进行烘干处理，保持湿润状态。

(4)高温碱洗

配制含有13wt％的KOH的碱性清洗剂(含有表面活性剂)，在80℃的温度下浸泡，碱洗时间1.5h，再用去离子水进行超声漂洗四道，产品不进行烘干处理，全程保持湿润状态。

其中，图1为石英环在高温碱洗前和高温碱洗后的对比图，由图1可见，高温碱洗前、后石英环会有很明显的差异，前为透亮色，碱洗后为哑光白。

(5)超声清洗

同步骤2，最后将超声漂洗后得到的产品在100℃温度下烘干10min，得到终产品。

实施例2

本实施例提供一种半导体石英环，其制备方法包括：

(1)机床粗加工

机床按照产品图纸加工所有外形，尺寸符合图纸要求。机加主要参数：磨头采用树脂材料、颗粒度200目、加工转速4000转/min，加工后表面粗糙度在Ra：14μin。

(2)超声清洗

机床加工后表面会残留油污，金属杂质等污染物，需对表面进行超声清洗：配制含有5wt％的KOH的碱性清洗剂(含有表面活性剂)，在60℃的温度下超声波清洗，超声频率30KHz、7min，70KHz、7min，再用去离子水进行超声漂洗三道，温度60℃，超声频率30KHz、3min，70KHz、3min。

(3)氢氟酸洗

采用低浓度氢氟酸腐蚀表面，对机床加工后表面进行预处理，氢氟酸配比如下：HF含量5wt％，腐蚀时间8min。酸洗过程中保持产品上下晃动，酸洗完成后迅速放入去离子水漂洗2次，每次需保持产品上下抛动30-60s，产品不进行烘干处理，保持湿润状态。

(4)高温碱洗：与实施例1一致

(5)超声清洗：同步骤2，最后将超声漂洗后得到的产品在100℃温度下烘干10min，得到终产品。

实施例3

本实施例提供一种半导体石英环，其制备方法包括：

(1)机床粗加工

机床按照产品图纸加工所有外形，尺寸符合图纸要求。机加主要参数：磨头采用树脂材料、颗粒度200目、加工转速4000转/min，加工后表面粗糙度在Ra：14—18μin。

(2)超声清洗

机床加工后表面会残留油污，金属杂质等污染物，需对表面进行超声清洗：配制含有5-10wt％的KOH的碱性清洗剂(含有表面活性剂)，在50—60℃的温度下超声波清洗，超声频率40KHz、5min，80KHz、5min，再用去离子水进行超声漂洗至少三道，温度50-60℃，超声频率40KHz、2min，80KHz、2min。

(3)氢氟酸洗

采用低浓度氢氟酸腐蚀表面，对机床加工后表面进行预处理，氢氟酸配比如下：HF含量5-8wt％，腐蚀时间5-8min。酸洗过程中保持产品上下晃动，酸洗完成后迅速放入去离子水漂洗至少2次，每次需保持产品上下抛动30-60s，产品不进行烘干处理，保持湿润状态。

(4)高温碱洗：与实施例1一致

(5)超声清洗：同步骤2，最后将超声漂洗后得到的产品在100℃温度下烘干10min，得到终产品。

实施例4

本组实施例采用正交实验，考察高温碱洗步骤中，碱洗温度与碱洗时间对终产品结果的影响，除了高温碱洗步骤外，其他步骤与实施例1一致。

高温碱洗：

配制含有13wt％的KOH的碱性清洗剂(含有表面活性剂)，按照表1中的碱洗时间、碱洗温度进行高温碱洗后，再用去离子水进行超声漂洗四道。

测定并记录每个条件下石英环产品的表面粗糙度及表面发白情况，结果如表1所示：

表1.实施例4中的正交实验参数及结果

由表1可见，当采用含有13wt％的KOH的碱性清洗剂时，在温度80-90℃下浸泡90-150min，所得到的石英环产品表面的发白程度合格，其对应的表面粗糙度均大于20μin。而当温度和时间小于上述范围时，产品表面的发白程度不足，且其对应的表面粗糙度不满足要求；当温度和时间大于上述范围时，粗糙度和发白程度可以满足要求，但生产成本会明显上升，且温度过高会增加员工操作难度。

实施例5

本组实施例，考察高温碱洗步骤中，碱性清洗剂中碱性物质的浓度对终产品表面粗糙度的影响，除了高温碱洗步骤外，其他步骤与实施例1一致。

高温碱洗：

配制如表2所示的碱性清洗剂，在80℃的温度下浸泡1.5h，再用去离子水进行超声漂洗四道。

测定并记录每个条件下石英环产品的表面粗糙度及表面发白情况，结果如表1所示：

表2.对碱性清洗剂中碱性物质考察结果

由表2可见：

对于碱性物质，相对于有机碱氨水，采用无机碱KOH和NaOH进行高温碱洗，对石英环表面的腐蚀效果好，且相比之下，KOH的效果更优。

对于KOH的浓度，当采用同样的条件进行高温碱洗时，碱性洗涤剂中KOH的浓度在10-15wt％范围内腐蚀的效果好，当浓度低于该范围，腐蚀效果差，产品的粗糙度以及发白程度达不到要求；超过该范围也可以达到要求但会增加生产运营成本。

对比例1

此对比例采用传统的手动喷砂工艺制备石英环，其工艺流程如下：

石英毛坯→机床粗加工→精加工→超声清洗→人工喷砂→超声清洗→氢氟酸洗→超声清洗；除了精加工和喷砂步骤外，其余的步骤均与实施例1一致：

(3)精加工

机床精加工：机床按照产品图纸加工所有外形，尺寸符合图纸要求。机加主要参数：磨头采用树脂材料、颗粒度400目、加工转速7500转/min，加工后表面粗糙度在Ra：5-7μin；

(5)人工喷砂

喷砂采用人工手动方式，将产品平放在喷砂机工作台上，用600目碳化硅磨料作为喷砂辅料，喷砂期间喷头距离产品10-20cm，沿着产品外形上下左右进行喷扫，正面喷完后将产品翻转，重复上述动作进行喷砂作业。人工喷砂对于员工手法要求较高，熟练工和新手差异会非常明显。

采用粗糙度测量仪对对比例1和实施例1所制得石英环的表面粗糙度进行六点测量，测量点位图如图2所示，结果如表3所示：

表3.表面粗糙度测定结果

由表3可见，相比于对比例1这种手工喷砂工艺，本申请实施例1提供的这种使用高温碱洗且无须精加工的工艺，所得到的石英环的表面粗糙度更加均匀、一致。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种半导体石英环的制备方法，其特征在于，其包括：

将石英毛坯进行机床粗加工，得到石英环初品；

将所述石英环初品置于第一碱性清洗剂中进行超声清洗，并用水进行超声漂洗；

将所述石英环初品置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，并漂洗；

再将所述石英环初品置于第二碱性清洗剂中，于80-90℃下浸泡1.5-3 h进行高温碱洗后，超声漂洗；

再次重复所述超声清洗步骤，并经超声漂洗、干燥后得到表面粗糙度Ra＞20μin的半导体石英环。

2.根据权利要求1所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述第一碱性清洗剂中含有5-10 wt%的KOH或NaOH；所述第二碱性清洗剂中含有10-15 wt%的KOH或NaOH。

3.根据权利要求2所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述碱性清洗剂还含有离子型表面活性剂和两性表面活性剂。

4.根据权利要求1所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述超声清洗的工艺参数为：于温度50-60℃、超声频率30-50 KHz下超声3-7min后，在70-90 KHz下继续超声3-7min；所述超声清洗的次数为3-6次。

5.根据权利要求1所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述超声漂洗的工艺参数为：于温度50-60℃、超声频率30-50 KHz下超声1-3min后，在70-90 KHz下继续超声1-3min；所述超声漂洗的次数为3-6次。

6.根据权利要求1-5任一项所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述石英环初品的表面粗糙度Ra为14-18μin。

7.根据权利要求6所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述机床粗加工的步骤包括：

机床按照产品设计图纸加工所述石英毛坯，工艺参数为：磨头采用树脂材料，颗粒度为150-250目，转速为3000-5000rmp。

8.根据权利要求1-5任一项所述的半导体石英环的制备方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液中HF的浓度为5-8 wt%，腐蚀时间为5-8min。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的半导体石英环，其特征在于，所述半导体石英环的表面粗糙度Ra为20-30μin。