CN1869284B - 一种旋转喷腐方法的化学挖槽工艺方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种旋转喷腐方法的化学挖槽工艺方法及装置，在电力电子器件硅片表面进行选择性精密刻蚀加工制作中采用旋喷法进行加工。先将硅片置在底座上，加工时硅片是旋转的，酸液从硅片上部经喷嘴雾化后向下喷向硅片。具体制作方法是：采用旋转腐蚀法在硅片表面形成梳条的操作。先将置于下部的硅片作均速旋转，再通过压缩空气利用虹吸原理将酸性腐蚀液从酸液储罐中吸出，通过喷嘴使酸性腐蚀液雾化，并以一定的张角均匀地喷到硅片表面。在硅片加工过程中还设有水保护部分，分成底喷水保护和顶喷水保护。顶喷水设置成当喷酸刚停止时启动。底喷水设置成与当硅片旋转时同步供给，与顶喷水同时停止。每个工位一次加工一个硅片，一个工作周期中酸、水交替起作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电子器件的制作工艺方法，特别是指一种在电力电子器件硅片的表面进行选择性精密刻蚀加工方法。本发明还涉及一种上述方法的装置。
背景技术
在硅片表面进行选择性的精密刻蚀加工，是半导体器件中一种常用的工艺方法。电力电子器件硅片表面同样需要进行选择性的精密刻蚀加工。精密刻蚀可分为使用腐蚀液的湿法刻蚀和采用原子游离、分子游离基以及离子等的干法刻蚀。现在的干法刻蚀又可进一步分为三大类：
1、等离子刻蚀：利用原子游离基加工，腐蚀呈各向同性，设备为同轴型结构。
2、反应离子刻蚀：利用活性离子加工，腐蚀呈各向异性，设备为平板型结构。
3、溅射刻蚀：利用非活性离子加工，腐蚀呈各向异性，设备为平板型结构。
在集成电路制造行业，干法刻蚀很普及，这一方面是因为IC芯片的加工尺寸较小(深约1um内)，精度要求高。另一方面是因为干法刻蚀的腐蚀速率本身较低，更加适宜于这种小尺度的精细加工。而对于电力电子器件制造业，由于加工尺寸相对较大(约数10um深)，加工时间将会过长，因此很少使用干法刻蚀。而对于湿法刻蚀的腐蚀主要有碱腐蚀和酸腐蚀两种方式。
●碱腐蚀：用KOH或NaOH溶液，加热到高温，腐蚀对硅呈各向异性，一般仅用于硅片表面作整体剥离。
●酸腐蚀：用硝酸与氢氟酸的混合液再加入适量的其它试剂，常温时对硅就有较高腐蚀速率，对硅的腐蚀呈各向同性。由于它对硅和二氧化硅的腐蚀速率有一定的差别，较适合于进行选择性的刻蚀
在电力电子器件制造业中，由于图形的加工尺寸较大，酸腐蚀较普及，除了用于硅片表面作整体剥离外，还常用于加工各类沟槽或梳条，其深度可达10～20um。
按腐蚀方式的湿法刻蚀目前主要采用浸泡法，即将硅片先插入专用花篮中，整体浸入腐蚀液中刻蚀，为了防止硅片局部过热，需要有专门的搅拌装置。这种方法优点是工效高，设备较简单。最大的缺点是硅片表面各处腐蚀均匀性不好，常呈铁饼状，相对误差高达12％。目前，国内外硅片腐蚀设备大都采用这种方式，我们传统上也按这种工艺方法来加工硅片上的梳条。
因此，在现有的电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作工艺中，仍存在一些不足，以致影响到电力电子器件硅片各方面的性能，甚至造成门阴间的短路或闪络故障。随着社会上各行各业对发电、输电、用电品质要求的提高，对电力电子器件硅片的要求也越来越高，尤其是对电力电子器件硅片的表面腐蚀的深度均匀性要求也越来越高，从环保的角度希望工艺中所用的酸越少越好，因此仍采用传统的浸泡法已经不能满足社会对电力电子器件硅片的要求，必需对此加以改进。从国内外专利检索情况看，在电力电子器件硅片阴极图形的梳条加工方法上，尚无相同或相近的工艺方法报导。
发明内容
本发明旨在针对现有电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作方法的不足，提供一种新型的，腐蚀的深度均匀性更好，用酸液更少，且劳动强度更低的电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作方法。
本发明的另一目的是提出一种上述方法的实施装置。
本发明的目的通过下述技术方案实现，在电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作中，采用旋喷法进行加工。先将硅片置在底座上，加工时硅片是旋转的，酸液从硅片上部经喷嘴雾化后向下喷向硅片。这种加工方法优点是硅片局部不会过热，因而表面腐蚀的均匀性大为改善，相对误差仅为3％。
具体制作方法是：采用旋转腐蚀法在硅片表面形成梳条的操作。先将置于下部的硅片作均速旋转，再通过压缩空气利用虹吸原理将酸性腐蚀液从酸液储罐中吸出，通过喷嘴使酸性腐蚀液雾化，并以一定的张角均匀地喷到硅片表面。根据梳条腐蚀深度的要求，调整电控喷酸管路的开闭，喷酸时间可在0～200秒范围调整。在硅片的加工过程中还设有水保护部分，分成底喷水保护和顶喷水保护。喷水设置成当喷酸刚停止时启动，持续时间可由电控调节器在0～30秒范围调整。底喷水则设置成与硅片旋转时同步供给，与顶喷水同时停止。每个工位一次加工一个硅片，一个工作周期中酸、水交替起作用。加工中工艺条件及配方为：
1、硅片工作条件：转速200～500±50转/分钟，距酸嘴距离：120±30mm。直径：100mm；
2、腐蚀酸液配比：硝酸:氢氟酸:冰乙酸＝1～10:1:1
3、雾化用气条件：压缩空气，压力为0.3±0.03MPa。
4、保护用水条件：去离子水，压力为0.25±0.03MPa。
5、安全环保条件：整个装置装入专用通风柜内，工作时有透明塑料板将操作者与被加工硅片之间进行隔离。操作者还应佩带安全眼镜、防护手套及口罩，工作场地3米附近还应设置安全淋浴装置，确保操作者及设备的安全。
根据上述方法所提出的装置是：至少有一可以旋转的底盘，底盘上固定有待加工的电力电子器件硅片，电力电子器件硅片通过底盘带动作匀速旋转，在电力电子器件硅片的上方设有用于喷射腐蚀酸液的喷嘴，喷嘴连接有压缩空气，在喷嘴上还有一个虹吸装置，虹吸装置用于吸入腐蚀酸液并使其雾化，通过压缩空气呈雾状向下方电力电子器件硅片的表面均匀喷出。为了保护电力电子器件硅片不至于过度腐蚀，在电力电子器件硅片的上方和下方均设有水保护装置，分成底喷水保护和顶喷水保护。底喷水保护是直接通过底盘输入的，而顶喷水保护装置是在底盘的上方设置的。
本发明的电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作具有如下特点：
1.加工质量改善(同传统的浸泡法相比，腐蚀的深度均匀性提高4倍)；
2.自动化程度高(加工过程已完全实现程控化)；
3.劳动强度降低(操作者只需装片，下片，腐蚀过程交由机器执行)；
4.生产效率提高(一个操作者可同时管理几个工位，提高人的生产率)；
5.安全条件改善(加工中操作者同加工件加强了隔离)；
6.节省化学试剂(测算表明，同传统的浸泡法相比，少用60％的酸液，减少了成本)；
7.减少废液排放(废液排放减少60％，降低了后序处理费用，有利环保)。
附图说明
图1为本发明装置原理结构示意图；
图2为本发明酸、水供给周期图；
图3为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
通过附图可以看出本发明是在电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作中采用旋喷法进行加工。先将硅片置在底座上，加工时硅片是旋转的，酸液从硅片上部经喷嘴雾化后向下喷向硅片。具体制作方法是：一个工作周期中酸、水交替起作用。先将置于下部的硅片作均速旋转，再通过压缩空气利用虹吸原理将酸性腐蚀液从酸液储罐中吸出，通过喷嘴使酸性腐蚀液雾化，并以一定的张角均匀地喷到硅片表面。根据梳条腐蚀深度的要求，调整电控喷酸管路的开闭，喷酸时间可在0～200秒范围调整。在硅片的加工过程中还设有水保护部分，分成底喷水保护和顶喷水保护。顶喷水则设置成当喷酸刚停止时启动，持续时间可由电控调节器在0～30秒范围调整。底喷水设置成与当硅片旋转时同步供给，与顶喷水同时停止。每个工位一次加工一个硅片，一个工作周期中酸、水交替起作用。加工中工艺条件及配方为：
1、硅片工作条件：转速300±50转/分钟，距酸嘴距离：120±30mm。直径：100mm；
2、腐蚀酸液配比：硝酸:氢氟酸:冰乙酸＝1～10:1:1
3、雾化用气条件：压缩空气，压力为0.3±0.03MPa。
4、保护用水条件：去离子水，压力为0.25±0.03MPa。
5、安全环保条件：整个装置安装入专用通风柜内，工作时有透明塑料板将操作者与被加工硅片之间进行隔离。操作者还应佩带安全眼镜、防护手套及口罩，工作场地3米附近还应设置安全淋浴装置，确保操作者及设备的安全。
实施例一
根据上述方法所提出的装置是：至少有一可以旋转的底盘1，底盘1上固定有待加工的电力电子器件硅片2，电力电子器件硅片2通过底盘1带动作匀速旋转，在电力电子器件硅片2的上方设有用于喷射腐蚀酸液的喷嘴3，喷嘴3通过连接管10连接有压缩空气4，压缩空气4通过连接管10进入喷嘴3，并经过喷嘴3呈雾状向下方的电力电子器件硅片2的表面喷出；在喷嘴上还有一个虹吸装置5，虹吸装置5上有一虹吸管8，虹吸管8插入装有腐蚀酸液的储酸罐9，虹吸装置5用于吸入腐蚀酸液并使其雾化，并通过压缩空气呈雾状向下方电力电子器件硅片的表面均匀的喷出。为了保护电力电子器件硅片不至于过度腐蚀，在电力电子器件硅片的上方和下方均设有水保护装置，分成底喷水保护6和顶喷水保护7。底喷水保护6是直接通过底盘1输入的，而顶喷水保护装置7是在底盘的上方设置的。加工工艺是：
1、调配腐蚀酸液。采用硝酸、氢氟酸和冰乙酸，并按硝酸:氢氟酸:冰乙酸＝2:1:1比例配比，将配好的腐蚀酸液装入储酸罐；
2、再将待加工的电力电子器件硅片放置于装置的底盘上，并固定好，调整距酸嘴距离：120±30mm；
3、启动可旋转的底盘，转速控制在300±50转/分钟；同时启动连接喷嘴的空气压缩机，使压缩空气的压力稳定在0.3±0.03MPa；
4、开启喷嘴，向待加工的电力电子器件硅片均匀喷射腐蚀酸液，喷酸时间可在0～200秒范围调整。同时启动底喷水设置向硅片旋转时同步供给保护水。
5、在喷射腐蚀酸液结束时启动顶喷水，持续时间可由电控调节器在0～30秒范围调整。
本发明将通过上述工艺与原有传统的浸腐法进行了对比试验，试验对比数据如表1。
表1：旋转浸泡腐蚀对比
通过数据对比可看出，新的“旋腐法”同传统的“浸腐法”相比，具有槽深均匀性好(这一点对改善相关器件质量很敏感)、酸液使用量大幅减少的优势。加工时间的比较则相差不大，但如果将“旋腐法”的设备加工成多工位的，则一个操作者，能同时操控2～3个工位，这样将使工作效率也比“浸泡法”提高，因为“浸腐法”完全由人工产生晃动来操作，因此难于实现多工位操作。两种方法的综合性能对比数据如表2
表2
| 比较指标 | 旋转喷腐 | 浸泡腐蚀 | 备注 |
| 酸的用量(100片) | 2.8升 | 5升 | 旋转喷腐省料 |
| 消耗时间(100片) | 300分钟 | 240分钟 | 浸泡腐蚀省时 |
| 劳动强度 | 只要装、卸硅片 | 腐蚀过程中靠人工搅匀散热 | 旋转喷腐省力 |
| 工作环境 | 酸雾被隔离 | 由于要人工搅匀，有酸雾气氛 | 旋转喷腐安全 |
Claims (5)
1.一种旋转喷腐方法的化学挖槽工艺方法，在电力电子器件硅片的表面进行选择性的精密刻蚀加工制作中采用旋喷法进行加工，先将硅片置在底座上，加工时硅片是旋转的，酸液从硅片上部经喷嘴雾化后向下喷向硅片；采用旋转腐蚀法在硅片表面形成梳条的操作，先将置于下部的硅片作均速旋转，再通过压缩空气利用虹吸原理将酸性腐蚀液从酸液储罐中吸出，通过喷嘴使酸性腐蚀液雾化，并以一定的张角均匀地喷到硅片表面；其特征在于：所述的旋喷法根据梳条腐蚀深度的要求，调整电控喷酸管路的开闭，喷酸时间可在0～200秒范围调整；在硅片的加工过程中还设有水保护部分，分成底喷水保护和顶喷水保护；顶喷水设置成当喷酸刚停止时启动，持续时间可由电控调节器在0～30秒范围调整；底喷水则设置成与当硅片旋转时同步供给，与顶喷水同时停止。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的旋喷法的工艺条件及配方为：
A、硅片工作条件：转速200～500±50转/分钟，距酸嘴距离：120±30mm；
B、腐蚀酸液配比：硝酸∶氢氟酸∶冰乙酸＝1～10∶1∶1；
C、雾化用气条件：压缩空气，压力为0.3±0.03MPa；
D、保护用水条件：去离子水，压力为0.25±0.03MPa；
E、安全环保条件：整个装置安装入专用通风柜内，工作时有透明塑料板将操作者与被加工硅片之间进行隔离。
3.如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：至少有一可以旋转的底盘，底盘上固定有待加工的电力电子器件硅片，电力电子器件硅片通过底盘带动作匀速旋转，在电力电子器件硅片的上方设有用于喷射腐蚀酸液的喷嘴，喷嘴连接有压缩空气，在喷嘴上还有一个虹吸装置，虹吸装置用于吸入腐蚀酸液并使其雾化，并通过压缩空气呈雾状向下方电力电子器件硅片的表面均匀喷出，在电力电子器件硅片的上方和下方均设有水保护装置。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的上方和下方均设有水保护装置是指水保护装置分成底喷水保护装置和顶喷水保护装置。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的底喷水保护是直接通过底盘输入的，而顶喷水保护装置是在底盘的上方设置的。
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