硅拋光片全自动湿法清洗设备的研制

硅抛光片湿法清洗原理

1.1APM(SC-1)：NH4OH/H202/HzOSC-1是碱性溶液，能去除颗粒和部分金属杂质。由于h2o2氧化作用在硅片表面生成氧化膜，该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。si〇2的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而加快。Si的腐蚀速度随NH4OH的浓度升高而快。当清洗洗液温度升高，颗粒去除率也提高，在一定温度下可达最大值，一般工艺温度为60〜75°C。SC-1溶液浓度一般控制在稀浓度范围内，这样不但可以有效去除颗粒，而且可以防止表面微粗糙度增加。通常，在SC-1的基础上增加兆声系统，由于兆声微水流的加速度作用，可以增加颗粒去除效果，能够去除小于0.2um颗粒。

1.2HPM(SC-2)：HCI/H202/H20

由于硅表面的氧化和腐蚀作用，硅片表面的金属杂质，将随腐蚀层而进入清洗液中，并随去离子水的冲洗而被排除。SC-2用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下能去除铁和锌。一般工艺温度为65~85。。。

1.3HF/HCI稀的HF/HC1溶液可以去除硅片表面的自然氧化膜，同时去除表面的金属沾污。一般工艺温度为室温。

设备的组成及配置

2.1设备的组成

设备结构外形如图1所示，硅抛光片全自动湿法清洗设备采用全封闭、模块化结构设计。整机按功能模块主要由PVC主体机架：自动上料系统：前置式自动传输机械手；工艺槽体；排风系统；ULPA净化单元；干燥系统；管路系统、气路系统；电气硬件及软件控制系统：自动隔离门；化学液加热、循环、过滤系统；温度、压力、流量检测控制系统；化学液自动供液系统：自动下料系统等部分组成。

2.2设备配置

硅抛光片全自动湿法清洗设备工作方向为左进右出，工艺槽体呈单排排列，共由13个工位组成（见图2)。整机包括一套自动上料系统；3套石英水浴加热兆声循环溢流槽（SCI溶液）、1套石英常温循环溢流槽(SC2溶液）、1套常温循环溢流槽（HF/HC1溶液）、4套QDR快排槽、一套兆声溢流槽、一套干燥系统。其中最左边为上料位，最右边为下料位；配置3套传输机械手并设置于槽体前方独立的区域，负责上料位、工艺槽、下料位间的传输处理。其中机械手1运动区域：上料位、1号SC-1槽、2号QDR槽、3号SC-1槽、4号SC-1槽、5号QDR槽；机械手2运动区域：5号QDR槽~干燥系统；机械手3运动区域：干燥系统到下料位。三套机械手的交接工位为5号QDR槽和干燥工位，以上传输机械手直接抓取PFA材质标准片盒为脱钩方式。在上料位与1号槽、4号槽和5号槽、10号槽和干燥工位之间分别安装自动隔离门进行隔离。设备上料及下料过程由人工手动在设备左右两侧上下料位完成。

关键功能模块的设计

3.1整机洁净化结构设计

整机内部环境洁净化控制，是保证产品颗粒度技术指标的关键技术之一。抛光片清洗工艺对设备内部环境洁净度提出了更高的要求。主机材料选择、整体布局及结构设计、ULPA净化等级、静电的消除、风压检测与压力平衡控制等因素是影响内部环境洁净度的重要因素。整机采用全封闭设计，避免外界环境对设备内部的影响。使用抗静电PVC板作为机架的焊接材料，克服了PP材料强度低，易产生静电的缺点；设备采用上部进风下部排风布局方式，FFU安装于制程区顶部，引风口安装于台面下部，净化空气与槽内腐蚀气体在台面底部汇合后经排风口排出，使净化后的空气全覆盖片盒传输区，同时制程区的不同区域之间安装隔离门和隔离挡板，防止净化环境的交叉污染；具有进风压力和排风压力的调节和检测功能，控制进风压力、排风压力、净化

厂房环境压力三者的压力平衡，防止不同区域气体的交叉污染，同时通过静电消除装置，消除环境中存在的静电，从而避免环境对晶圆片表面颗粒的影响。

3.2自动上下料机构

片盒上下料机构结构如图3所示。

上、下料机构主要由精密滑轨、抬升机构、无杆气缸、导向气缸、片盒检测装置等组成。工作原理如下：无杆气缸前后平移，带动抬升机构做前后运动。导杆气缸驱动抬升机构带动片盒抬升，脱离台面和定位块，平移到所需工位。采用双导杆气缸完成抬升，双导杆气缸的特点主要是为保证片盒移动过程的平稳性。通过位置传感器对片盒进行精确位置检测。上料时，导向气缸带动抬升机构完成抬升动作，片盒脱离定位块和台面；无杆气缸向前滑动，将片盒放到上料位，完成一次上料动作。下料时，导向气缸带动抬升机构完成抬升动作，片盒脱离定位块和台面；无杆气缸向后滑动，将片盒放到下料位，完成一次下料动作。

3.3石英水浴兆声溢流槽

石英水浴加热兆声循环溢流槽结构见图4所示。槽体分为内、外槽结构。内槽为循环溢流石英裸槽，外槽为PVC槽，外槽底部安装有兆声换能器，内、外槽通过DI水传递兆声能量。溶液从内槽溢流口溢出后经过循环泵、在线加热器、过滤器，通过石英槽体底部两个注入管注入到槽体。石英槽体结构采用四面V型循环溢流结构。为了利于兆声的起振、槽底部气泡的排出、槽体底部做成倾斜结构，相对底面的倾角为3°。在槽的底部两侧还设有两个循环注入管，其上均与分布许多小孔，其功能是保证循环更均匀。

3.4传输机械手

传输机械手安装在相对清洗槽体完全独立的空间，保证传输精确性、位置准确性及传输平稳性，实现片盒的多工位输送功能。传输机械手为前置悬臂式配置，主要由平移机构、升降机构、夹持机构、安全防护装置等部分组成。结构分别如图5所示。

图5传输机械手结构示意图

平移机构由伺服电机、齿轮、齿条驱动，直线滚动导轨导向，实现机械手的水平运动。升降机构由伺服电机、滚珠丝杠、直线滚动导轨等组成，完成机械手在竖直方向的运动；开夹机构主要控制片盒的夹持和释放，通过电机驱动，带动转臂旋转，以实现机械手对片盒的取放；传输机械手装有安全防护装置，确保产品和人员的安全。

3.5QDR快排清洗槽

QDR快排槽的作用是用于实现对晶片表面残存的化学药液的去除和清洗。其结构如图6所示。主要由喷淋装置、匀流鼓泡板、快排气缸、自动槽盖、管路和管件等组成。具有快排冲洗、溢流漂洗及氮气鼓泡功能。槽体由PVDF板材焊接加工而成。槽体顶部四周采用V型设计，以增强溢流效果。DIW由槽体底部分两路注入，槽体内安装有带网眼的匀流板，用来承载花篮以及均匀流场；槽体顶部两侧安装喷管和喷嘴，实现顶部喷淋功能;氮气由匀流板上的微孔自底部注入,实现鼓泡功能，氮气鼓泡设有流量调节阀，以实现对氮气流量的精确控制。槽内废液通过快排气缸快速排出。

图6QDR快排槽结构示意图

3.6干燥系统

经过清洗工艺后，需要对晶片进行干燥。干燥后晶片表面不能留有“水印、水痕”及超出指标范围的颗粒物存在。本设备采用Marangoni干燥方式，在降低金属污染和颗粒的引入以及干燥速度等方面均达到较好的效果，其结构如图7所示。

该方式基于Marangoni效应，利用IPA(异丙醇）与高纯水不同的表面张力将晶圆表面的水分子吸收到干燥水槽内以实现对晶片的干燥。其结构见图7所示。主要由提升机构、干燥腔、平移机构、千燥水槽等部分组成。千燥过程分三个阶段：晶片脱水、花篮脱水、减压排风千燥。将硅抛光片利用机械手放置在干燥水槽定位装置内，提升机构将晶片以极慢的速度顶起，使晶片脱离承载片盒并提升出水面进入干燥腔，同时，将N2通入至IPA雾化槽以鼓泡的形式传至到水面，依靠MARANGONI效应产生的表面张力梯度，使晶片表面的水膜被剥离掉，得到表面干燥和超洁净的晶片。

3.7电气控制系统

硅抛光片全自动湿法清洗机电气控制系统使用欧姆龙PLC的CP1H系列CPU单元，此系列CPU单元配置4轴高速定位。本设备使用双CPU单元组站，可对8轴高速定位。机械手传输系统以及干燥控制系统选用松下A5系列电机及驱动器。PLC主从站分别和HMI进行通讯。温度控制系统和HMI通讯，目标温度通过HMI传输给温度控制系统，温度控制系统将当前槽体温度传输到HMI,显示给用户。用户可以直接在人机操作界面上进行对温度的设置与读取。HMI可以将温度数据再通过串口通讯传输给PLC,对温度控制模块进行控制。过程控制中的功能模块包括：兆声控制模块、液体控制模块、气动控制模块、通风控制模块、去静电模块等。这些模块通过PLC的I/O单元读取和发送信号来进行控制。

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