DE102015226300A1

DE102015226300A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Scheiben aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE102015226300A1
Application number: DE102015226300.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas König; Carmen Ratz; Walter Edmaier; Georg-Friedrich Hohl; Robert Pötzelsberger
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-07-06

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Scheiben aus Halbleitermaterial in einem Megaschaschallbad, wobei durch die Erhöhung der Flüssigkeitssäule über den Scheiben und oder eine Verbreiterung des Reinigungsbeckens die Effizienz der Partikelabreinigung deutlich erhöht wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Scheiben aus Halbleitermaterial in einem Ultraschallbad.
Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien (Substrate) Scheiben aus Halbleitermaterial mit extremen Anforderungen an die globale und lokale Ebenheit (Nanotopologie), Rauigkeit (Oberflächenglanz), und Reinheit (Freiheit von Fremdatomen und Partikeln) gestellt. Halbleitermaterialien sind Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Gallium-Arsenid oder Elementhalbleiter wie hauptsächlich Silicium und gelegentlich Germanium.
Scheiben aus Halbleitermaterial werden in einer Vielzahl von Prozessschritten hergestellt, angefangen mit dem Ziehen des Kristalls, über das Zersägen des Kristalls in Scheiben bis hin zur Oberflächenbearbeitung.
Insbesondere vor und oder nach der Oberflächenbearbeitung der Scheiben ist eine Reinigung der Scheibenoberflächen erforderlich, um insbesondere an den Oberflächen anhaftende Partikel sicher zu entfernen. Um die Reinigungsleistung zu erhöhen, erfolgt die Reinigung der Oberflächen von Scheiben aus Halbleitermaterial beispielsweise in Gegenwart von kleinen Bläschen (engl.: micro bubbles) wie u. a. in EP 2 202 782 A2 offenbart oder unter Verwendung von Ultraschallschwingungen, wie beispielsweise in EP 1 834 708 A2 , US 5,911,232 sowie US 5,148,823 A offenbart.
Schall mit einer Frequenz größer 20 kHz wird allgemein als Ultraschall (ultrasonic) bezeichnet. Niedrige Frequenzen um 20 kHz erzeugen in Flüssigkeiten Bläschen größeren Durchmessers, die ihre Energie bei Kavitationsereignissen in Form kräftiger Druckstöße an die Umgebung abgeben. Um bei der Reinigung der Oberflächen die jeweiligen Substrate nicht zu schädigen, werden für die Entfernung von Partikeln mit einem Durchmesser größer als 1 μm Schall mit einer Frequenz von etwa 200 kHz angewendet. Für die Abreinigung von Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 1 μm wird gemäß dem Stand der Technik Schall mit Frequenzen von größer gleich 400 kHz bis zu 1 bis 2 MHz verwendet. Dieser Frequenzbereich wird auch als Megaschall (megasonic) bezeichnet.
Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Reinigung von Scheiben aus Halbleitermaterial unter Einsatz von Megaschallschwingungen in einem eine Reinigungsflüssigkeit enthaltenden Behälter. Die zu reinigenden Scheiben werden in der Regel unter Zuhilfenahme eines Trägers (Carrier) in den Behälter mit der Reinigungsflüssigkeit gestellt. Die Reinigungsflüssigkeit kann aus reinem Wasser bestehen oder auch Zusätze von Chemikalien, beispielsweise Ammoniumhydroxid (NH₄OH) oder deren Derivate und/oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂) in einer definierten Konzentration enthalten.
Mittels Megaschall werden in der Reinigungslösung Schwingungen und oder Mikrobläschen, die unter Freisetzung von Kavitationsenergie platzen, erzeugt, wodurch die Entfernung von Partikeln auf den Oberflächen der Scheiben aus Halbleitermaterial verbessert wird.
Um ein Wiederanhaften der abgelösten Partikel an der Oberfläche der zu reinigenden Substrate zu verhindern, kann die Reinigungsflüssigkeit durch Überlauf kontinuierlich ausgetauscht werden, so dass immer saubere Reinigungsflüssigkeit in den Behälter mit den zu reinigenden Scheiben nachströmt.
Eine entsprechende Vorrichtung mit Überlauf ist beispielsweise in der Anmeldung US 5,996,595 offenbart. Im unteren Teil des Reinigungsbehälters befindet sich eine Vorrichtung zur Erzeugung von Megaschallwellen sowie Zuleitungen für die Reinigungsflüssigkeit. Über diese Zuleitungen wird die Reinigungsflüssigkeit während des Reinigungsprozesses kontinuierlich in den Behälter geleitet und strömt aus diesem Behälter über die Oberkante in einen zweiten, den ersten Behälter umschließende Auffangvorrichtung.
Allerdings weisen viele Megaschallreinigungsverfahren den Nachteil auf, dass die Megaschallschwingungen nicht gleichförmig im Reinigungsbad verteilt werden, so dass entweder bestimmte Bereiche von zu reinigenden Scheiben und/oder Scheiben an bestimmten Positionen im Reinigungsbecken nur unzureichend gereinigt werden.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren beschrieben worden, um diesem Nachteil entgegenzuwirken. So lehrt beispielsweise die DE 42 05 576 A1 eine Reinigungsvorrichtung und ein Reinigungsverfahren, bei dem gleichförmig Megaschallwellen auf das zu reinigende Substrat von der Seite eingestrahlt werden, da dadurch die Megaschallwellen am wenigsten von einem Trägerelement (Träger/Carrier für den Wafer) gegenüber dem Erreichen des Substrats abgeschirmt werden. Durch das seitliche Einstrahlen von Megaschallwellen kann es zu Reflexionen der Schallwellen an der gegenüberliegenden Behälterwand kommen, die zu einer Abschwächung bis hin zur Auslöschung der Schallwellen durch Überlagerung führen können.
Die europäische Patenanmeldung EP 1 834 708 A2 beschreibt beispielsweise einen Effekt von verschiedenen gelösten Gaskonzentrationen in der Reinigungslösung auf die Position der Partikelabreinigung bei Scheiben aus Halbleitermaterial.
Um die verschiedenen Bereiche der Oberfläche einer Scheibe aus Halbleitermaterial gleichmäßig von Partikeln zu reinigen offenbart die europäische Patentanmeldung EP 2 620 230 A1 einen Reinigungsbehälter mit abgeschrägtem Boden, bei dem durch Veränderung des Brechungsindexes eines zweiten Mediums die Richtung der Ultraschallwellen im Reinigungsbad während der Reinigung verändert wird.
Um mögliche Ungleichmäßigkeiten bei der Ultraschallreinigung von Scheiben aus Halbleitermaterial zu vermeiden, lehrt die JP 2109334 A2 eine Überlaufvorrichtung für den Reinigungsbehälter, bei dem durch einen Siphon-Effekt bewirkt wird, dass sich der Abstand zwischen der Oberkante der zu reinigenden Scheiben und der Oberfläche der Reinigungsflüssigkeit regelmäßig ändert.
Die stetige Veränderung der Höhe der Flüssigkeitssäule über der Oberkante der zu reinigenden Scheiben kann zu unterschiedlichen Strömungsverhältnissen im Reinigungsbehälter führen und damit zu einer ungleichmäßigen Abreinigung, beispielsweise durch ein unerwünschtes lokal konzentriertes Wiederanhaften von Partikeln auf den Oberflächen der zu reinigenden Scheiben, führen.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein neues Verfahren und eine Vorrichtung für die Reinigung von Scheiben mit einer Reinigungsflüssigkeit in Gegenwart von Schallwellen zur Verfügung zu stellen, das eine über die gesamte Oberfläche gleichmäßige und effektive Abreinigung von Partikeln erlaubt.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Reinigung von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial mit einer in einem Reinigungsbecken 1 befindlichen Reinigungsflüssigkeit 3, wobei die zu reinigenden Scheiben 2 in die Reinigungsflüssigkeit 3 eingebracht werden, wobei die Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsvorganges mit Schallwellen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche einer von der Reinigungsflüssigkeit 3 gebildeten Flüssigkeitssäule mindestens 5 cm vom höchsten Punkt der Kanten der Scheiben 2 beabstandet ist.
Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, dass sich über den Scheiben mindestens 5 cm an Flüssigkeitssäule befinden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reinigung von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial in Gegenwart von Schallwellen, die durch eine geeignete Vorrichtung erzeugt werden, umfassend ein Reinigungsbecken 1 mit einer Länge 11, einer Breite 12 und einer Höhe 13, wobei der Reinigungsbehälter 1 mit einer Reinigungsflüssigkeit 3 gefüllt ist und mindestens eine zu reinigende Scheibe 2 umfasst, eine umlaufende Kante der mindestens einen Scheibe 2 jeweils einen Abstand 22 > 0 zu den Innenseiten der die Breite 12 bestimmenden Seitenwände des Reinigungsbeckens 1 hat, sich über einer Oberkante der Scheibe 2 eine Flüssigkeitssäule der Höhe 23 umfassend Reinigungsflüssigkeit 3 befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe 23 der Flüssigkeitssäule während des Reinigungsvorgangs mindestens 5 cm beträgt.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial in Gegenwart von Schallwellen, die durch eine geeignete Vorrichtung erzeugt werden, umfassend einen Reinigungsbehälter 1 mit einer Länge 11, einer Breite 12 und einer Höhe 13, wobei der Reinigungsbehälter 1 mit einer Reinigungsflüssigkeit 3 gefüllt ist und mindestens eine zu reinigende Scheibe 2 umfasst, wobei eine umlaufende Kante der mindestens einen Scheibe 2 jeweils einen Abstand 22 > 0 zu den Innenseiten der die Breite 12 bestimmenden Seitenwände des Reinigungsbeckens 1 hat, wobei sich über einer Oberkante der Scheibe 2 eine Flüssigkeitssäule der Höhe 23 > 0 umfassend Reinigungsflüssigkeit 3 befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufsatz mit einer bestimmten Höhe auf der umlaufenden Oberkante des Reinigungsbehälters fixiert ist, so dass die Höhe 23 der Flüssigkeitssäule erhöht werden kann, wobei die Höhe 23 der Flüssigkeitssäule mindestens 5 cm beträgt.
Im Folgenden werden das zur Lösung der Aufgabe verwendete erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung detailliert erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung mindestens einer Scheibe aus Halbleitermaterial kann sowohl für Einzelscheibenreinigungsverfahren als auch für Mehrscheibenreinigungsverfahren verwendet werden. Beim Mehrscheibenreinigungsverfahren werden anstelle einer Scheibe mehrere Scheiben in einem Träger (Horde) in das Reinigungsbecken gestellt und gleichzeitig gereinigt. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Verwendung der 1 und 2 beschrieben.
Ein Reinigungsbecken im Sinne der Erfindung umfasst einen Boden und 4 Seitenflächen und ist nach oben hin offen.
1 zeigt schematisch ein Reinigungsbecken 1 in der Queransicht (1a) und in der Längsansicht (1b), in dem sich die zu reinigenden Scheiben 2 befinden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weder die Vorrichtung (Horde) zur Positionierung der Scheiben 2 im Reinigungsbecken 1 noch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schallwellen im Reinigungsbecken 1 eingezeichnet. Das Reinigungsbecken 1 hat eine Länge 11, eine Breite 12 und eine Höhe 13 und ist beispielhaft quaderförmig dargestellt. Die Oberfläche 31 der sich im Reinigungsbecken befindlichen Reinigungsflüssigkeit 3 schließt mit der Oberkante der Seitenflächen des Reinigungsbeckens 1 ab. Die Oberflächen der ersten und der letzten Scheibe 2 einer Gruppe von Scheiben hat jeweils einen Abstand 21 von den Innenseiten der den Oberflächen gegenüberliegenden Seitenflächen des Reinigungsbeckens. Die umlaufenden Aussenkanten (Scheibenränder) der Scheiben 2 haben jeweils einen Abstand 22 von den Innenseiten der den Aussenkanten gegenüberliegenden Seitenflächen des Reinigungsbeckens 1.
2 zeigt schematisch ein Reinigungsbecken 1 mit zwei einer sich am Boden des Reinigungsbeckens befindlichen Vorrichtungen (Zuleitungen) 4, aus der kontinuierlich frische Reinigungsflüssigkeit 3 in das Reinigungsbecken fließt. Zusätzlich sind in 2 die Seitenströmungen (Verwirbelungen) 32 (2a) und die sich oberhalb der Scheiben 2 ausbildenden Strömung 33, der Jetstream, eingezeichnet (2b). Der Jetstream erzeugt auch an der Oberkante der Scheiben 2 Verwirbelungen 332 (2b). Durch die kontinuierliche Zuführung von frischem Reinigungsmittel 3 fließt überschüssiges Reinigungsmittel 3 über die Oberkanten der Seitenflächen des Reinigungsbeckens ab (34). Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weder die Vorrichtung (Horde) zur Positionierung der Scheiben 2 im Reinigungsbecken 1 noch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schallwellen im Reinigungsbecken 1 eingezeichnet.
3 zeigt schematisch einen Aufsatz 5 auf das Reinigungsbecken mit der Länge 11, der Breite 12 und der Höhe 131. Damit hat das erfindungsgemäße Becken eine Gesamthöhe entsprechend der Summe aus 13 plus 131. Bei einem Überlauf über den Beckenrand erhöht sich die minimale Höhe 23 um den Wert der Höhe 131 des Aufsatzes 5.
Bei einer Scheibe 2 aus Halbleitermaterial (Wafer) handelt es sich üblicherweise um eine Silicium- oder Germaniumscheibe, ein Substrat mit von Silicium abgeleiteten Schichtstrukturen wie beispielsweise Silicium-Germanium (SiGe) oder Siliciumcarbid (SiC), oder heteroepitaktischen Abscheidungen von beispielsweise III/V-Halbleitern, wie zum Beispiel Galliumnitrid (GaN).
Ein Reinigungsbecken 1 ist ein Behältnis aus einem inerten Material, beispielsweise Glas oder Quarz, in dem sich die Reinigungsflüssigkeit 3 befindet und in das die zu reinigenden Scheiben 2 mittels eines Trägers (Horde, Carrier) für einen definierten Zeitraum hinein gestellt werden.
Als Reinigungsflüssigkeit 3 dient im einfachsten Fall Wasser in einer für die Reinigung von Halbleiterscheiben erforderlichen Reinheit. Die Reinigungsflüssigkeit 3 kann Zusätze von Chemikalien, beispielsweise Ammoniumhydroxid (NH₄OH) oder deren Derivate und/oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und oder Gase, beispielsweise Luft, Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) oder Edelgase, z. B. Argon (Ar), jeweils in einer definierten Konzentration, zur Erhöhung der Reinigungsleistung enthalten. Die Reinigungsflüssigkeit 3 kann temperiert werden.
Die Reinigungsflüssigkeit 3 kann während des Reinigungsprozesses kontinuierlich, diskontinuierlich oder gar nicht ausgetauscht werden. Wird die Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsprozesses nicht ausgetauscht, verbleibt diese mindestens für den Zeitraum, in dem die mindestens eine zu reinigende Scheibe sich im Reinigungsbecken 1 befindet, auch im Reinigungsbecken 1.
Bevorzugt wird die Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsprozesses kontinuierlich ausgetauscht. Hierzu strömt über mindestens eine Zuleitung 4 eine definierte Menge frischer Reinigungsflüssigkeit 3 in das Reinigungsbecken 1 und die gleiche Menge 34 strömt entweder über mindestens eine Ableitung aus dem Reinigungsbecken 1 wieder hinaus oder wird mittels einer Pumpe oder einer anderen Entnahmevorrichtung aus dem Reinigungsbecken 1 entnommen.
Besonders bevorzugt erfolgt der Austausch der Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsprozesses mittels Überlauf bzw. Abfluss 34. In dieser Ausführungsform fließt die Reinigungsflüssigkeit 3 bevorzugt über mindestens eine, besonders bevorzugt alle Oberkanten bzw. Beckenränder des Reinigungsbeckens 1 ab und kann beispielsweise in einer das Reinigungsbecken umlaufenden Rinne gesammelt abgeführt werden. Ebenfalls bevorzugt sind Vertiefungen in den Beckenrändern, über die der Abfluss 34 der überschüssigen Reinigungsflüssigkeit 3 erfolgt. Bevorzugt wird die gebrauchte Reinigungsflüssigkeit 3, ggf. nach einer Aufarbeitung, wiederverwendet.
Die mindestens eine Zuleitung 4 für die Reinigungsflüssigkeit 3 befindet sich bevorzugt am Boden des Reinigungsbeckens 1 (2a) und kann aus demselben oder einen anderen Material wie das Reinigungsbecken 1 bestehen. Bevorzugt handelt es sich bei der Zuleitung 4 um einen Hohlkörper, beispielsweise ein Rohr, aus Glas oder Quarz, wobei die Zuleitung 4 innerhalb des Reinigungsbeckens 1 Öffnungen aufweist, aus denen frische Reinigungsflüssigkeit 3 in das Reinigungsbecken 1 strömt.
In Abhängigkeit von der Größe der Austrittsöffnungen in der mindestens einen Zuleitung 4 und der aus den Austrittsöffnungen pro Zeiteinheit strömenden Menge an frischem Reinigungsmittel 3 kann das frische Reinigungsmittel 3 mit laminarer oder mit turbulenter Strömung in das Becken 1 fließen.
Bevorzugt sind die Anzahl und die Lage der Austrittsöffnungen in der mindestens einen Zuleitung 4 gleichmäßig über die Länge der Zuleitung 4 am Beckenboden verteilt. Durch das durch die Austrittsöffnungen strömende frische Reinigungsmittel 3 wird bzw. werden innerhalb des Reinigungsbeckens 1 eine oder mehrere Strömungen 31 und oder 32 erzeugt, die die Reinigungsflüssigkeit 3 vom Beckenboden zum Überlauf bewegt. Zusätzlich können, in Abhängigkeit von der Geometrie des Reinigungsbeckens 1 und der Lage und Anordnung der Austrittsöffnungen in der Zuleitung zusätzliche Verwirbelungen 322 innerhalb des Reinigungsbeckens 1 auftreten (2b).
Bevorzugt kann die pro Zeiteinheit ausgetauschte Menge an Reinigungsflüssigkeit 3, also das pro Zeiteinheit zugeführte Volumen, durch entsprechende Regeleinrichtungen auf einen definierten Wert eingestellt werden. Ebenfalls bevorzugt kann die zugeführte frische Reinigungsflüssigkeit 3 durch entsprechende Regeleinrichtungen auf eine definierte Temperatur eingestellt werden.
Bevorzugt kann die Konzentration eines oder mehrerer in der Reinigungsflüssigkeit 3 enthaltener Gase, die Gelöstgaskonzentration, und oder die Konzentration von chemischen Zusätzen auf einen definierten Wert eingestellt werden. Die Gelöstgaskonzentration und oder die Konzentration der chemischen Zusätze in der Reinigungsflüssigkeit kann während des Reinigungsprozesses konstant sein oder gezielt geändert werden. Eine gezielte Änderung der Gelöstgaskonzentration und oder der Konzentration der chemischen Zusätze in der Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsprozesses kann beispielsweise durch eine entsprechende Änderung der Gelöstgaskonzentration und oder der Konzentration der chemischen Zusätze im Zulauf erreicht werden.
Bevorzugt dient die Reinigungsflüssigkeit 3 zum Entfernen (Abreinigen) von Partikeln, die sich auf den Oberflächen der zu reinigenden Scheiben 2 befinden. Diese Partikel haben in der Regel einen Durchmesser von etwa 0,02 μm bis 10 μm und können die Oberflächen in einer unterschiedlichen Dichte bedecken. Der untere Grenzdurchmesser der Partikel ist durch das jeweilige Messverfahren (Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM), Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) im Vergleich zu Streulichtmessungen (SPx) bestimmt.
Es ist allgemein bekannt, dass die Abreinigung, also das Entfernen von Partikeln von den Oberflächen von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial in Gegenwart von Schallwellen deutlich effektiver ist. Schall mit einer Frequenz größer 20 kHz wird allgemein als Ultraschall (ultrasonic) bezeichnet.
Niedrige Frequenzen um 20 kHz erzeugen in Flüssigkeiten Bläschen größeren Durchmessers, die ihre Energie mit kräftigen Druckstößen an die Umgebung abgeben. Um bei der Reinigung der Oberflächen von Scheiben aus Halbleitermaterial die jeweiligen Substrate nicht zu schädigen, wird für die Entfernung von Partikeln mit einem Durchmesser größer als 1 μm Schall mit einer Frequenz von etwa 200 kHz angewendet.
Für die Abreinigung von Partikeln mit einem Durchmesser kleiner als 1 μm von den Oberflächen von Scheiben aus Halbleitermaterial wird gemäß dem Stand der Technik Schall mit Frequenzen von größer gleich 400 kHz bis zu 1 bis 2 MHz verwendet. Dieser Frequenzbereich wird auch als Megaschall (megasonic) bezeichnet.
Die Megaschall-Reinigung ist eine Nassreinigungstechnik, die auf der Übertragung von akustischer Energie, in ein flüssiges Reinigungsmedium beruht. Die akustische Energie, der Megaschall, wird durch eine entsprechende Vorrichtung, beispielsweise von einem piezoelektrischen Wandler, erzeugt. Die Schallwellen werden beispielsweise entweder von unten oder von der Seite in das Reinigungsbecken eingeleitet. Entsprechende Vorrichtungen zur Erzeugung von Schallwellen sind beispielsweise in US 4746831 A beschrieben.
Die durch die Schallwellen in der Reinigungsflüssigkeit 3 erzeugten Kavitationen von Mikroblasen unterstützen das Ablösen der Partikel, die wiederum durch Strömungseffekte von den Oberflächen der zu reinigenden Scheiben 2 aus Halbleitermaterial entfernt werden. Um ein Wiederanlagern abgelöster Partikel an den Oberflächen der Scheiben 2 aus Halbleitermaterial zu verhindern, müssen die abgelösten Partikel im gesamten Reinigungsbecken möglichst gleichmäßig von den Scheiben 2 abgeleitet werden.
Die Ableitung der von den Scheiben 2 gelösten Partikel erfolgt durch die im Reinigungsbecken 1 vorhandenen Strömungen, also der Bewegung von Flüssigkeit vom Ort größerer Krafteinwirkung zum Ort geringerer Krafteinwirkung, wobei unter dem Begriff Strömung sowohl lineare als auch nicht-lineare Bewegungen innerhalb der Reinigungsflüssigkeit 3 im Reinigungsbecken 1 verstanden werden.
Eine lineare Strömung kann beispielsweise aus dem Ablauf der Reinigungsflüssigkeit 3 über den Beckenrand hinweg (Überlauf) resultieren. Ein Beispiel für eine nicht-lineare Strömung ist eine Verwirbelung, also eine kreisförmige Strömung, beispielsweise durch einen umströmten Körper verursacht.
Die Strömungen innerhalb des Reinigungsbeckens 1 werden – bei einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Austausch der Reinigungsflüssigkeit 3 – zum einen durch die aus der Zuleitung 4 in das Reinigungsbecken 1 zugeführte frische Reinigungsflüssigkeit 3 und zum anderen durch die in die Reinigungsflüssigkeit 3 eingestrahlten bzw. übertragenen Schallwellen verursacht.
Diese Übertragung von akustischer Energie in die Reinigungsflüssigkeit 3 bewirkt wiederum zwei grundsätzliche Effekte, nämlich die akustische Strömung und die akustische Kavitation. Die durch die Schallwellen induzierte Kavitation, also das Zerplatzen kleiner Gasbläschen in der Reinigungsflüssigkeit 3, resultiert lokal begrenzt, durch die plötzliche Druckveränderung, in zusätzlichen Änderungen der Strömungsverhältnisse (Mikroströmungen). Insgesamt kann die Kavitation zu ungerichteten und turbulenten Strömungen führen. Die Kavitation selber kann durch chemische Zusätze in der Reinigungsflüssigkeit gezielt beeinflusst werden, wie beispielsweise in DE 10 2012 008 220 A1 beschrieben.
Die akustische Strömung wird durch den Schallstrahlungsdruck der Schallwellen in der Reinigungsflüssigkeit erzeugt. Dabei tritt neben der longitudinalen Schwingung der Fluidmoleküle um ihre Ruhelage auch eine makroskopische Strömung auf. Die Verwendung von akustischer Strömung zur Separation von in einem Dispersionsmittel dispergierten Teilchen ist beispielsweise in EP 0 400 115 B1 beschrieben.
Aus wirtschaftlichen Gründen richtet sich die Größe des Reinigungsbeckens 1 nach der Größe und der Anzahl der gleichzeitig zu reinigenden Scheiben 2 aus Halbleitermaterial und hat bevorzugt eine rechteckige Form. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung beschränkt sich aber nicht auf rechteckige Form eines Reinigungsbeckens 1, wird aber für diese nachfolgend beispielhaft beschrieben.
Das die Reinigungsflüssigkeit 3 enthaltende beispielsweise rechteckige Reinigungsbecken 1 (2) hat eine bestimmte Länge 11, eine bestimmte Breite 12 und eine bestimmte Höhe 13. Die Länge 11 kann kleiner, gleich groß oder größer als die Breite 12 sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 2 weder die zum Reinigungsbecken 1 gehörende Vorrichtung zur Erzeugung des Megaschalls noch die Vorrichtung (Horde) zum sicheren Halten der Scheiben 2 während des Reinigungsvorgangs sowie ggfs. notwendige Einbauten zum Aufnehmen der Horde eingezeichnet. Die mindestens eine zu reinigende Scheibe 2 kann – bezogen auf die Bodenfläche des Reinigungsbeckens 1 – senkrecht oder in einem beliebigen Winkel ungleich 90° im Becken 1 stehen.
Die Länge 11 wird durch die Anzahl der sich mittels einer Vorrichtung (Horde) in das Reinigungsbecken 1 zu stellenden Scheiben 2 und dem Abstand der einzelnen Scheiben 2 untereinander bestimmt. Die beiden äußeren zu reinigenden Scheiben 2 haben, bezogen auf deren jeweiligen äußeren Scheibenflächen, einen bevorzugten Abstand 21 von mindestens 1 cm, besonders bevorzugt von mindestens 2 cm zur jeweils gegenüberliegenden Innenseite der begrenzenden Seitenfläche des Reinigungsbeckens 1 (1a).
Die Breite 12 des Reinigungsbeckens 1 wird durch den Durchmesser der sich mittels einer Vorrichtung (Horde) in das Reinigungsbecken 1 zu stellenden Scheiben 2 bestimmt. Der minimale Abstand 22 zwischen den umlaufenden Scheibenkanten und den jeweiligen Innenseiten der begrenzenden Seitenfläche des Reinigungsbeckens 1 ist größer Null (> 0) und beträgt vorzugweise jeweils etwa 1 bis 2 cm (1b).
Die Höhe 13 des Reinigungsbeckens ist mindestens so groß, dass die sich mittels einer Vorrichtung (Horde) in das Reinigungsbecken 1 zu stellenden Scheiben 2 vollständig von der Reinigungsflüssigkeit 3 bedeckt sind, d. h. es befindet sich eine Flüssigkeitssäule mit einer minimalen Höhe 23 > 0 über der Oberkante (höchster Punkt der Außenkante der Scheibe 2 relativ zur Flüssigkeitsoberfläche 31) der mindestens einen sich im Reinigungsbecken 1 befindlichen Scheibe 2.
Die minimale Höhe 23 der Flüssigkeitssäule bzw. der Abstand zwischen dem höchsten Punkt der umlaufenden Scheibenkante und der Flüssigkeitsoberfläche 31 der Reinigungsflüssigkeit 3 im Reinigungsbecken 1 wird bei einem kontinuierlichen Austausch der Reinigungsflüssigkeit 3 beispielsweise durch die Höhe der mindestens einen Abfluss- bzw. Ablaufvorrichtung bestimmt. Bei einem Reinigungsbecken 1 mit mindestens einem Ablauf entspricht die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche 31 im Becken 1 der Höhe des Ablaufs bezogen auf den Beckenboden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird, ohne die Erfindung auf diese Ausführungsform zu beschränken, der das Reinigungsbecken 1 umlaufende Beckenrand, also die Oberkanten der Seitenflächen des Beckens 1, als die die Höhe der Oberfläche 31 der Reinigungsflüssigkeit 3 im Reinigungsbecken 1 bestimmende Größe beschrieben (2). Die Höhe der Oberfläche 31 der Reinigungsflüssigkeit 3 im Reinigungsbecken 1, und damit die minimale Höhe 23 der Flüssigkeitssäule über der Scheibe 2, wird also durch den Ablauf bzw. Überlauf der Reinigungsflüssigkeit über den Beckenrand bestimmt.
Die jeweiligen Abstände 21 und 22 beeinflussen wiederum die Strömungsverhältnisse innerhalb des Reinigungsbeckens 1 während der Megaschallreinigung. Darüber hinaus werden die Strömungsverhältnisse, die einen entscheidenden Einfluss auf das unerwünschte Wiederanhaften von bereits abgelösten Partikeln an den Scheibenoberflächen haben, durch den minimalen Abstand 23 zwischen der Oberkante der Scheibe 2 und der Oberfläche 31 der Reinigungsflüssigkeit 3 (Flüssigkeitssäule) bestimmt.
Der minimale Abstand 23 ist die Strecke zwischen dem höchsten Punkt der Oberkante der zu reinigenden Scheibe 2 und der senkrecht zu diesem höchsten Punkt stehenden Oberfläche 31 der Reinigungsflüssigkeit 3. Dabei ist es im Sinne der Erfindung unerheblich, ob die Scheiben 2 senkrecht oder in einem definierten Winkel ungleich 90° zum Boden des Reinigungsbeckens 1 stehen.
Die Erfinder haben festgestellt, dass sowohl die minimale Höhe 23 der Flüssigkeitssäule über den zu reinigenden Scheiben 2 als auch der Abstand 22 zwischen den Scheibenkanten und den jeweiligen Innenseiten der begrenzenden Seitenflächen des Reinigungsbeckens 1 einen entscheidenden Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Abreinigung von Partikeln, und damit auch dem Wiederanhaften von Partikeln, haben.
Die Erhöhung der minimalen Flüssigkeitssäule 23 über den zu reinigenden Scheiben 2 von 3 cm auf beispielsweise 5,1 cm verringerte unter ansonsten gleichen Versuchsbedingungen die Partikelanzahl auf den im Reinigungsbecken 1 befindlichen Silicium-Scheiben 2 mit einem Durchmesser von 300 mm in einem betrachteten Kantenbereich dieser Scheiben von 4,6 Partikel pro cm² auf 1,2 Partikel pro cm².
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass insbesondere die Erhöhung der Flüssigkeitssäule über den zu reinigenden Scheiben 2 einen entscheidenden positiven Einfluss auf die Abreinigung von Partikeln von den Oberflächen der Scheiben 2 hat.
Sowohl die zwischen den Seitenwänden des Reinigungsbeckens 1 und den umlaufenden Kanten der Scheiben 2, die sich in einem Abstand 22 zueinander befinden, vorhandenen Verwirbelungen 32 (Seitenwirbel) als auch die Strömung 33 oberhalb der Scheiben 2, der Jetstream, im Bereich der Flüssigkeitssäule mit der minimalen Höhe 23 wird durch beispielsweise eine Beckenranderhöhung so von den Scheibenrändern weg verlagert, dass der Abtransport von gelösten Partikeln verbessert und somit die Reinigungsleistung erhöht wird. Sowohl die Seitenwirbel 32 als auch der Jetstream 33 werden durch die Beckenranderhöhung in Richtung Flüssigkeitsoberfläche 31 verlagert.
Die Verlagerung der Seitenwirbel 32 wird ebenfalls durch eine Verbreiterung des Beckens 1, also einer Vergrößerung des minimalen Abstandes 22 erreicht.
Neben der Erhöhung des Beckenrandes oder der Verbreiterung des Reinigungsbeckens 1 ist auch die Kombination aus Erhöhung des Beckenrandes und einer Verbreiterung des Beckens 1 bevorzugt.
Durch die Verlagerung der Seitenwirbel 32 und des Jetstreams 33 von den Scheiben 2 weg, wird zusätzlich auch ein Hineinwirbeln von Partikeln auf die mindestens eine sich im Reinigungsbecken 1 befindliche Scheibe 2 bzw. bei mehreren Scheiben 2 zurück in das Scheibenpaket verhindert, so dass sich bereits von den Scheibenoberflächen abgelöste Partikel nicht wieder an den Scheibenoberflächen anlagern können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der abgelösten, sich in der Reinigungsflüssigkeit 3 befindlichen Partikel in Scheibennähe.
Im erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt die minimale Höhe 23 der Flüssigkeitssäule oberhalb der sich im Reinigungsbecken 1 befindlichen mindestens einen Scheibe 2 mindestens 5 cm, bevorzugt mindestens 5,5 cm und besonders bevorzugt mindestens 6 cm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Reinigungsbecken 1, bei dem entweder nur die nur die Beckenbreite 12 vergrößert oder nur die Beckenhöhe 13 erhöht wird, oder sowohl die Breite 12 vergrößert und die Beckenhöhe 13 erhöht werden.
Wird die Beckenbreite 12 vergrößert, vergrößert sich auf beiden Seiten der minimale Abstand 22 zwischen Scheibenrand und der dem Scheibenrand gegenüberliegenden inneren Fläche der Seitenwand. Die minimal zu verwendende Breite 22 des Reinigungsbeckens wird durch den Durchmesser der mindestens einen sich im Reinigungsbecken 1 befindlichen Scheibe 2 bestimmt.
Im erfindungsgemäßen Reinigungsbecken beträgt der minimale Abstand 22 zu beiden Seiten der mindestens einen Scheibe 2 jeweils mindestens 3 cm, bevorzugt jeweils mindestens 4 cm und besonders bevorzugt jeweils mindestens 5 cm, wenn die mindestens eine Scheibe 2 bezogen auf die Beckenbreite mittig im Becken positioniert ist. Eine nicht mittige Positionierung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht ausgeschlossen, ist aber aufgrund der unterschiedlichen Strömungsverhältnisse links und rechts von der mindestens einen Scheibe 2 nicht bevorzugt.
Wird das Reinigungsbecken 1 gegenüber einem Standard-Reinigungsbecken 1 beispielsweise um 4 cm breiter ausgeführt, vergrößert sich der minimale Abstand 22 um jeweils 2 cm, wenn die mindestens eine Scheibe 2 mittig im Becken steht. Die Vergrößerung der Beckenbreite 12 setzt den Einsatz eines entsprechend breiteren Reinigungsbeckens 1 voraus, dessen Breite 12 die genannten Voraussetzungen bzgl. des jeweils minimalen Abstandes 22 erfüllt.
Die Erhöhung des Beckenrandes kann ebenfalls durch den Einsatz eines entsprechend höheren Reinigungsbeckens 1 erfolgen. Bevorzugt wird aber eine Erhöhung des Beckenrandes durch einen Aufsatz auf das bestehende Reinigungsbecken 1.
Erfindungsgemäß kann die Erhöhung des Beckenrandes um eine definierte Höhe beispielsweise durch einen entsprechend hohen Aufsatz, der in Form und Größe dem Umfang des Reinigungsbeckens 1 entspricht, wirtschaftlich günstig realisiert werden (3). Der Aufsatz mit der gewünschten Höhe wird hierzu auf die umlaufende Oberseite (Oberkante) des Beckens flüssigkeitsdicht, beispielsweise mit einer entsprechend geeigneten Dichtung, aufgesetzt.
Soll beispielsweise der minimale Abstand 23 zwischen der Oberkante der Scheibe 2 und der Flüssigkeitsoberfläche 31, also die minimale Höhe 23 der Wassersäule über der Scheibe 2, von 2 cm auf 5 cm erhöht werden, wird erfindungsgemäß ein Aufsatz mit einer Höhe von 3 cm umlaufend und flüssigkeitsdicht auf das Reinigungsbecken 1 aufgesetzt. Eine einfache Dichtung aus beispielsweise einem Silikon oder Kautschuk in z. B. H-Form kann den Aufsatz flüssigkeitsdicht mit dem Reinigungsbecken 1 verbinden.
Die Oberkante des Aufsatzes kann plan oder mit Einkerbungen für den Ablauf des Reinigungsmittels versehen sein. Bei einer planen Oberkante des Aufsatzes und einem kontinuierlichen Austausch des Reinigungsmittels fließt das Reinigungsmittel über die glatten Kanten des Aufsatzes ab (34).
Der Aufsatz kann beispielsweise aus Kunststoff oder Quarzglas gefertigt werden und eine oder keine umlaufende Vorrichtung, beispielsweise eine Rinne zum Aufnehmen des überfließenden Reinigungsmittels 34 enthalten.
Die Höhe des Aufsatzes wird erfindungsgemäß so gewählt, dass die resultierende minimale Höhe 23 der Flüssigkeitssäule über der Oberkante der mindestens einen sich im Reinigungsbecken 1 befindlichen Scheibe 2 mindestens 5 cm, bevorzugt mindestens 5,5 cm und besonders bevorzugt mindestens 6 cm beträgt.
Bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Flüssigkeitssäule über der mindestens einen Scheibe 2 und einer Verbreiterung des Reinigungsbeckens 1 beträgt die minimale Höhe 23 der Flüssigkeitssäule oberhalb der sich im Reinigungsbecken 1 befindlichen mindestens einen Scheibe 2 mindestens 5 cm, bevorzugt mindestens 5,5 cm und besonders bevorzugt mindestens 6 cm und der minimale Abstand 22 zu beiden Seiten der mindestens einen Scheibe 2 bis zu den jeweiligen Innenseiten der Seitenflächen des Reinigungsbeckens 1 jeweils mindestens 3 cm, bevorzugt jeweils mindestens 4 cm und besonders bevorzugt jeweils mindestens 5 cm.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale können entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen werden. Umgekehrt können die bezüglich der vorstehend ausgeführten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und in den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2202782 A2 [0004]
EP 1834708 A2 [0004, 0012]
US 5911232 [0004]
US 5148823 A [0004]
DE 4205576 A1 [0011]
EP 2620230 A1 [0013]
JP 2109334 A2 [0014]
US 4746831 A [0042]
DE 102012008220 A1 [0047]
EP 0400115 B1 [0048]

Claims

Verfahren zur Reinigung von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial mit einer in einem Reinigungsbecken 1 befindlichen Reinigungsflüssigkeit 3, wobei die zu reinigenden Scheiben 2 in die Reinigungsflüssigkeit 3 eingebracht werden, wobei die Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsvorganges mit Schallwellen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche einer von der Reinigungsflüssigkeit 3 gebildeten Flüssigkeitssäule mindestens 5 cm vom höchsten Punkt der Kanten der Scheiben 2 beabstandet ist.
Verfahren zur Reinigung von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial in Gegenwart von Schallwellen, die durch eine geeignete Vorrichtung erzeugt werden, umfassend ein Reinigungsbecken 1 mit einer Länge 11, einer Breite 12 und einer Höhe 13, wobei der Reinigungsbehälter 1 mit einer Reinigungsflüssigkeit 3 gefüllt ist und mindestens eine zu reinigende Scheibe 2 umfasst, eine umlaufende Kante der mindestens einen Scheibe 2 jeweils einen Abstand 22 > 0 zu den Innenseiten der die Breite 12 bestimmenden Seitenwände des Reinigungsbeckens 1 hat, sich über einer Oberkante der Scheibe 2 eine Flüssigkeitssäule der Höhe 23 umfassend Reinigungsflüssigkeit 3 befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe 23 der Flüssigkeitssäule während des Reinigungsvorgangs mindestens 5 cm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reinigungsflüssigkeit 3 um Wasser handelt und die Reinigungsflüssigkeit temperiert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit 3 chemische Zusätze und oder Gase in einer definierten Konzentration enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit 3 während des Reinigungsprozesses kontinuierlich ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Schallwellen um Megaschallwellen handelt.
Vorrichtung zur Reinigung von Scheiben 2 aus Halbleitermaterial in Gegenwart von Schallwellen, die durch eine geeignete Vorrichtung erzeugt werden, umfassend ein Reinigungsbecken 1 mit einer Länge 11, einer Breite 12 und einer Höhe 13, wobei der Reinigungsbehälter 1 mit einer Reinigungsflüssigkeit 3 gefüllt ist und mindestens eine zu reinigende Scheibe 2 umfasst, wobei eine umlaufende Kante der mindestens einen Scheibe 2 jeweils einen Abstand 22 > 0 zu den Innenseiten der die Breite 12 bestimmenden Seitenwände des Reinigungsbeckens 1 hat, wobei sich über einer Oberkante der Scheibe 2 eine Flüssigkeitssäule der Höhe 23 > 0 umfassend Reinigungsflüssigkeit 3 befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufsatz mit einer bestimmten Höhe auf der umlaufenden Oberkante des Reinigungsbeckens 1 fixiert ist, so dass die Höhe 23 der Flüssigkeitssäule erhöht werden kann, wobei die Höhe 23 der Flüssigkeitssäule mindestens 5 cm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz aus dem gleichen oder einem anderen Material wie das Reinigungsbecken 1 besteht.