TW201432808A

TW201432808A - 用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備及方法

Info

Publication number: TW201432808A
Application number: TW102105067A
Authority: TW
Inventors: Hsueg-Sheng Lin; Cheng-Huang Kuo
Original assignee: Sj High Technology Company
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-08-16
Also published as: TWI484549B

Abstract

於一種用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備及方法中，化學反應裝置容納一鹼性化學劑，並加熱鹼性化學劑至一第一溫度。一髒污零件係沈浸於鹼性化學劑中，髒污零件包含一乾淨零件及沈積於其上之一廢料層，具有第一溫度之鹼性化學劑與廢料層反應以將廢料層移離乾淨零件，而獲得沾有鹼性化學劑之乾淨零件。清洗裝置提供一清洗液以清洗掉乾淨零件上之鹼性化學劑，而獲得沾有清洗液之乾淨零件。乾燥裝置於一第二溫度下將沾有清洗液的乾淨零件進行乾燥，而獲得沒有鹼性化學劑及清洗液的乾淨零件。藉此，可以提供節能之清潔效果。

Description

用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備及方法

本發明是有關於一種用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備及方法，且特別是有關於一種用於清潔有機金屬化學氣相沉積法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)設備的零件之濕式清潔設備及方法。

有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)是在基板上成長半導體薄膜的一種方法。

MOCVD成長薄膜時，主要在載流氣體(Carrier gas)通過有機金屬反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣體混合，然後在被加熱的基板上面發生化學反應促成薄膜的成長。一般而言，載流氣體通常是氫氣，但在某些特殊情況下是採用氮氣(例如：成長氮化銦鎵(InGaN)薄膜時)。常用的基板為砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、矽(Si)、碳化矽(SiC)及藍寶石(Sapphire，Al₂O₃)等等。而通常所成長的薄膜材料主要為三五族化合物半導體(例如：砷化鎵(GaAs)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlGaInP)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN))或是二六族化合物半導體，這些半導體薄膜則是應用在光電元件(例如：發光二極體(LED)、雷射二極體(Laser diode)及太陽能電池)及微電子元件(例如：異質結雙極性電晶體(HBT)及假晶式高電子遷移率電晶體(PHEMT))的製作。

MOCVD系統的組件可大致包含反應腔、氣體控制及混合系統、反應源及廢氣處理系統。

反應腔(Reactor Chamber)主要是所有氣體混合及發生反應的地方，腔體通常是由不鏽鋼或是石英所打造而成，而腔體的內壁通常具有由石英、石墨或是高溫陶瓷所構成的內襯。在腔體中會有一個用來承載基板之承載盤，這個承載盤必須能夠有效率地吸收由加熱器提供的能量而達到薄膜成長時所需要的溫度，而且還不能與反應氣體發生反應，所以多半是用石墨或是石墨鍍上碳化矽(SiC)所製造而成。

載流氣體從系統的最上游供應端流入系統，經由流量控制器(MFC,Mass flow controller)的調節來控制各個管路中的氣體流入反應腔的流量。當這些氣體流入反應腔之前，必須先經過一組氣體切換路由器(Run/Vent Switch)來決定管路中的氣體應流入反應腔(Run)亦或是直接排至反應腔尾端的廢氣管路(Vent)。流入反應腔體的氣體則可以參與反應而成長薄膜，而直接排入反應腔尾端的廢氣管路的氣體則是不參與薄膜成長反應的。

反應源可以分成兩種，第一種是有機金屬反應源，第二種是氫化物(Hydride)氣體反應源。有機金屬反應源儲藏在一個具有兩個聯外管路的密封不鏽鋼罐(cylinder bubbler)內，在使用此金屬反應源時，則是將這兩個聯外管路以VCR接頭而各與MOCVD機台的管路緊密接合，載流氣體可以在從其中一端流入，並從另外一端流出時，將反應源的飽和蒸氣帶出，進而能夠流至反應腔。氫化物氣體則是儲存在氣密鋼瓶內，經由壓力調節器(Regulator)及流量控制器來控制流入反應腔體的氣體流量。常用的有機金屬反應源有三甲基鎵(Trimethylgallium，TMGa)、三乙基鎵(TEG)、三甲基鋁(Trimethylaluminum，TMAl)、三乙基鋁(TEAl)、三甲基銦(Trimethylindium，TMIn)、雙(環戊二烯基)鎂(Bis(cyclopentadienyl)magnesium，Cp2Mg)、二異丙基碲醚(Diisopropyltelluride,DIPTe)等等。常用的氫化物氣體則有砷化氫(AsH₃)、磷化氫(PH₃)、氮化氫(NH₃)、二甲基聯氨(Unsymmetric Dimethylhydrazine,UDMHY)及矽乙烷(Si₂H₆)等等。

廢氣系統是位於系統的最末端，負責吸附及處理所有通過系統的有毒氣體，以減少對環境的污染。

因此，在MOCVD設備中，由於承載盤、石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體與晶圓同樣都暴露在反應腔的反應源中，所以這些承載盤、石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體也會受到污染，影響到後續的製程。

傳統清除承載盤的污染物的一種方法係為刮除法。然而，刮除法容易破壞MOCVD設備的這些零件，也無法有效刮除承載盤的凹坑的污染物，也極易破壞SiC層。

另一種清除污染物的方法係為高溫烘烤法，其中使用1450℃的高溫加上通以氮氣或氫氣的方式來烘烤承載盤，以在高溫下清除污染物。然而，這種高溫烘烤的方式，極易導致SiC層損壞或分解，此外需要浪費大量的電力，對於節能的觀點而言是相當不利的。

因此，本發明的一個目的係提供一種用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備及方法，可以在低溫下以低成本的方式來清潔零件，讓這些零件能夠再度被利用在特別是MOCVD製程中。

為達上述目的，本發明提供一種用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備，包含一固定結構、一化學反應裝置、一清洗裝置、一乾燥裝置。化學反應裝置設置於固定結構上，用以容納一鹼性化學劑，並加熱鹼性化學劑至一第一溫度。一髒污零件係沈浸於鹼性化學劑中，髒污零件包含一乾淨零件及沈積於其上之一廢料層，具有第一溫度之鹼性化學劑與廢料層反應以將廢料層移離乾淨零件，而獲得沾有鹼性化學劑之乾淨零件。清洗裝置設置於固定結構上，並提供一清洗液以清洗掉乾淨零件上之鹼性化學劑，而獲得沾有清洗液之乾淨零件。乾燥裝置設置於固定結構上，用以於一第二溫度下對沾有清洗液的乾淨零件進行乾燥，而獲得沒有鹼性化學劑及清洗液的乾淨零件。

本發明亦提供一種用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔方法，其包含：一熱化學反應步驟：將一髒污零件沈浸於一化學反應裝置中之一鹼性化學劑中，並將鹼性化學劑加熱至一第一溫度，髒污零件包含一乾淨零件及沈積於其上之一廢料層，具有第一溫度之鹼性化學劑與廢料層反應以將廢料層移離乾淨零件，而獲得沾有鹼性化學劑之乾淨零件；一清洗步驟：提供一清洗液以清洗掉乾淨零件上之鹼性化學劑，而獲得沾有清洗液之乾淨零件；以及一乾燥步驟：於一第二溫度下對沾有清洗液的乾淨零件進行乾燥，而獲得沒有鹼性化學劑及清洗液的乾淨零件。

藉由本發明之濕式清潔設備及方法，除了能夠在低溫的情況下清除MOCVD用的晶圓承載盤以外，亦能清潔石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體等MOCVD中所使用到的零件上面的MOCVD塗層。由於利用化學反應來移除MOCVD塗層，所以可以不需利用高達1450℃的高溫環境來移除MOCVD塗層，也不需利用刮除的方法而傷害到零件。再者，利用鹼性化學劑也不易對於MOCVD的零件產生酸性腐蝕。因此，本發明不論在節約能源及保護零件的方面，都能獲得優於目前習知技術的效果。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

S41‧‧‧熱化學反應步驟

S42‧‧‧清洗步驟

S43‧‧‧乾燥步驟

10‧‧‧固定結構

20‧‧‧化學反應裝置

21‧‧‧鹼性化學劑

22‧‧‧液槽

23‧‧‧蓋體

24‧‧‧加熱器

25‧‧‧排熱風扇

26‧‧‧溫控器

27‧‧‧電源開關

28‧‧‧加熱開關

29‧‧‧急停開關

30‧‧‧清洗裝置

31‧‧‧清洗液

40‧‧‧乾燥裝置

41‧‧‧氣體提供模組

42‧‧‧烘爐

50‧‧‧搬運機構

90‧‧‧髒污零件

91‧‧‧乾淨零件

92‧‧‧廢料層

100‧‧‧濕式清潔設備

421‧‧‧入口

422‧‧‧風扇

423‧‧‧加熱器

424‧‧‧存放架

425‧‧‧出口

圖1顯示依據本發明較佳實施例之用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備之示意圖。

圖2顯示圖1的化學反應裝置的示意圖。

圖3顯示圖1的乾燥裝置的示意圖。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔方法之流程圖。

圖5A與5B分別顯示利用本發明較佳實施例之用於清潔半導體設備的零件在清潔前及清潔後的照片圖。

在MOCVD設備中，除了承載晶圓的承載盤(或稱晶圓載體(wafer carrier))以外，MOCVD設備中的石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體與晶圓同樣都暴露在反應腔的反應源中，所以這些承載盤、石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體也會受到污染，影響到後續的製程。因此，本發明的用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備及方法，除了能夠清除承載盤以外，亦能清潔石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體等MOCVD中所使用到的零件上面的MOCVD塗層。

圖1顯示依據本發明較佳實施例之用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔設備100之示意圖。如圖1所示，本實施例之濕式清潔設備100包含一固定結構10、一化學反應裝置20、一清洗裝置30及一乾燥裝置40。

固定結構10可以是地板、底板或大型機架等可以讓化學反應裝置20、清洗裝置30及乾燥裝置40固定地或可移動或可轉動地設置於其上，也可以是任何可以將化學反應裝置20、清洗裝置30及乾燥裝置40連接在一起以防止傾倒或相互位移的連接結構。

化學反應裝置20設置於固定結構10上，用以容納一鹼性化學劑21，並加熱鹼性化學劑21至一第一溫度。於本實施例中，第一溫度的範圍是室溫(25℃或300K左右)至300℃，較佳是80至150℃，這遠低於習知技術的1450℃。一髒污零件90係沈浸於化學反應裝置20之鹼性化學劑21中。髒污零件90包含一乾淨零件91及沈積於其上之一廢料層(MOCVD塗層)92。具有第一溫度之鹼性化學劑21與廢料層92反應以將廢料層92移離乾淨零件91，而獲得沾有鹼性化學劑21之乾淨零件91。

於一例子中，鹼性化學劑21的成分包含氫氧基(OH-基)與雙氧水(H₂O₂)，而廢料層92的成分包含選自於由鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In)所組成的群組。亦即，氫氧基(OH-基)與雙氧水(H₂O₂)的任何比例的組合都可以當作本實施例之鹼性化學劑21。氫氧基(OH-基)的來源可以來自氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)等。反應式如下：2A+2BOH+6H ₂ O ₂ → 2B ⁺+2[A(OH)₄]^-+3H ₂其中的A可以是上述的Al，Ga，In，B可以是上述的K，Na等。

以清洗氮化鋁鎵的塗層為例，反應式為：2Al+2NaOH+6H ₂ O ₂ → 2Na ⁺+2[Al(OH)₄]^-+3H ₂

其中，氫氧基(OH-基)與雙氧水(H₂O₂)的重量比率的範圍約為0.01至20，反應時間約為5至30分鐘。值得注意的是，H₂O₂是當作觸媒用，是用來加速反應，所以沒有H₂O₂也可以完成本發明的效果。

於一例子中，可以利用人工的方式將沾有鹼性化學劑21之乾淨零件91搬運至清洗裝置30。清洗裝置30設置於固定結構10上，並提供一清洗液31以清洗掉乾淨零件91上之鹼性化學劑21，而獲得沾有清洗液31之乾淨零件91。清洗的方式包含噴灑、浸泡等。於本實施例中，是使用常溫的去離子水(DI water)來執行清洗功能，可以省下加熱去離子水的成本。於此情況下，由於鹼性化學劑21的反應也非常完全，所以也不需使用刷子來刷除尚未被去除的廢料層92。然而，於其他實施例中，亦可以視需要使用被加熱過的去離子水來執行清洗功能。

於一例子中，可以利用人工的方式將沾有清洗液31之乾淨零件91搬運至乾燥裝置40。乾燥裝置40設置於固定結構10上，用以於一第二溫度下對沾有清洗液31的乾淨零件91進行乾燥，而獲得沒有鹼性化學劑21及清洗液31的乾淨零件91。於本實施例中，第一溫度的範圍是室溫至300℃，較佳是80至150℃，譬如是100℃，這遠低於上述的1450℃，如此可以省下相當多的加熱能源。執行乾燥的作用在於消除零件上的水漬，以免影響後續MOCVD的進行。

值得注意的是，濕式清潔設備100可以更包含一搬運機構50，譬如是可以進行上下左右、前進後退及夾持零件的機械手臂等機構，其固定於固定結構10上，並將沾有鹼性化學劑21的乾淨零件91從化學反應裝置20搬運至清洗裝置30中，並將沾有清洗液31之乾淨零件91從清洗裝置30搬運至乾燥裝置40中。此舉的目的可以達到自動化的要求，省下人工搬運的成本。

圖2顯示圖1的化學反應裝置20的示意圖。如圖2所示，化學反應裝置20包含一液槽(譬如是不銹鋼液槽)22、一蓋體(譬如是不銹鋼蓋體)23、一加熱器(譬如是陶瓷纖維加熱器)24、多個排熱風扇25、一溫控器26、一電源開關27、一加熱開關28及一急停開關29。液槽22裡面容納鹼性化學劑21及髒污零件90。使用者按下電源開關27及/或加熱開關28後就開始啟動加熱器24進行加熱，蓋體23可以覆蓋液槽22以減少鹼性化學劑21的揮發。溫控器26可以利用溫度計、加熱器24及排熱風扇25將鹼性化學劑21的溫度控制在預設溫度。急停開關29可以在緊急時供使用者按壓以執行斷電的功能。

圖3顯示圖1的乾燥裝置的示意圖。如圖3所示，乾燥裝置40可以有三種實施方式(A)、(B)、(C)。因此，乾燥裝置40可以包含：(A)一氣體提供模組41；(B)一烘爐42；或(C)一氣體提供模組41以及一烘爐42。

於情況(A)下，氣體提供模組41提供一種具有第二溫度之氣體以對沾有清洗液31之乾淨零件91吹氣並吹乾。第二溫度的範圍是50至400℃。於情況(B)下，烘爐42於第二溫度下將乾淨零件91烘乾。於情況(C)下，氣體提供模組41提供一種氣體以對沾有清洗液31之乾淨零件91吹氣。不論吹乾與否，烘爐42於第二溫度下將沾有清洗液31之乾淨零件91烘乾。吹氣與烘乾的動作可以同時進行。

於此例子中，氣體提供模組41提供的是氮氣。氮氣從烘爐42的入口421進入，通過風扇422及加熱器423，最後在整個透氣的存放架424內部流通，沾有清洗液31之乾淨零件91可以放置在存放架424上中進行吹乾或烘乾程序。過多的氣體可以從烘爐42的出口425排出。值得注意的是，當氣體提供模組41直接提供第二溫度的氣體時，加熱器423及風扇422是可以被省略的構件；或者，氣體提供模組41、加熱器423及風扇422也可以被整合為一個模組。本發明並不特別受限於此。於一例子中，本發明所使用的是一種精密高溫熱風循環式烘箱(整個循環的路徑如圖3的箭頭方向所示)，具有獨立熱平衡均溫機構，裡面也設置有多個溫度感應器424，加熱器423的發熱能力是50至400℃，以100℃為佳，溫度控制的精準度是±0.1℃。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之用於清潔半導體設備的零件之濕式清潔方法之流程圖。如圖4與1所示，濕式清潔方法包含以下步驟。

首先，於一熱化學反應步驟S41中，將髒污零件90沈浸於化學反應裝置20中之鹼性化學劑21中，並將鹼性化學劑21加熱至第一溫度，髒污零件90包含乾淨零件91及沈積於其上之廢料層92，具有第一溫度之鹼性化學劑21與廢料層92反應以將廢料層92移離乾淨零件91，而獲得沾有鹼性化學劑21之乾淨零件91。

然後，於一清洗步驟S42中，提供一清洗液31以清洗掉乾淨零件91上之鹼性化學劑21，而獲得沾有清洗液31之乾淨零件91。

接著，於一乾燥步驟S43中，於第二溫度下將沾有清洗液31的乾淨零件91進行乾燥，而獲得沒有鹼性化學劑21及清洗液31的乾淨零件91。關於吹乾及/或烘乾的步驟，已經說明於上，故於此不再詳述。

圖5A與5B分別顯示利用本發明較佳實施例之用於清潔半導體設備的零件在清潔前及清潔後的照片圖。如圖5A所示，整個髒污零件(晶圓承載盤)的部分的乾淨零件91是因為被晶圓覆蓋住，所以沒有被廢料層92沈積上去，至於乾淨零件91以外的部分則存在有廢料層92。如圖5B所示，在利用本發明的設備進行清潔以後，廢料層92完全被移除，而留下整體的乾淨零件91。由此可知，本發明的設備及方法可以得到相當良好的清潔效果。

藉由本發明之濕式清潔設備及方法，除了能夠在低溫的情況下清除MOCVD用的晶圓承載盤以外，亦能清潔石英內襯、石墨內襯、絕緣支架以及金屬支撐體等MOCVD中所使用到的零件上面的MOCVD塗層。由於利用化學反應來移除MOCVD塗層，所以可以不需利用高達1450℃的高溫環境來移除MOCVD塗層，也不需利用刮除的方法而傷害到零件。再者，利用鹼性化學劑也不易對於MOCVD的零件產生酸性腐蝕。因此，本發明不論在節約能源及保護零件的方面，都能獲得優於目前習知技術的效果。值得注意的是，多個零件可以一起於化學反應裝置、清洗裝置及乾燥裝置一起被處理，藉以節省工時及成本。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。