硅拋光片全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備的研制

硅拋光片濕法清洗原理

1.1APM(SC-1)：NH4OH/H202/HzOSC-1是堿性溶液，能去除顆粒和部分金屬雜質(zhì)。由于h2o2氧化作用在硅片表面生成氧化膜，該氧化膜又被NH4OH腐蝕，腐蝕后立即又發(fā)生氧化，氧化和腐蝕反復(fù)進(jìn)行，因此附著在硅片表面的顆粒也隨腐蝕層而落入清洗液內(nèi)。si〇2的腐蝕速度隨NH4OH的濃度升高而加快。Si的腐蝕速度隨NH4OH的濃度升高而快。當(dāng)清洗洗液溫度升高，顆粒去除率也提高，在一定溫度下可達(dá)最大值，一般工藝溫度為60?75°C。SC-1溶液濃度一般控制在稀濃度范圍內(nèi)，這樣不但可以有效去除顆粒，而且可以防止表面微粗糙度增加。通常，在SC-1的基礎(chǔ)上增加兆聲系統(tǒng)，由于兆聲微水流的加速度作用，可以增加顆粒去除效果，能夠去除小于0.2um顆粒。

1.2HPM(SC-2)：HCI/H202/H20

由于硅表面的氧化和腐蝕作用，硅片表面的金屬雜質(zhì)，將隨腐蝕層而進(jìn)入清洗液中，并隨去離子水的沖洗而被排除。SC-2用于去除硅片表面的鈉、鐵、鎂等金屬沾污。在室溫下能去除鐵和鋅。一般工藝溫度為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，同時(shí)去除表面的金屬沾污。一般工藝溫度為室溫。

設(shè)備的組成及配置

2.1設(shè)備的組成

設(shè)備結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，硅拋光片全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備采用全封閉、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整機(jī)按功能模塊主要由PVC主體機(jī)架：自動(dòng)上料系統(tǒng)：前置式自動(dòng)傳輸機(jī)械手；工藝槽體；排風(fēng)系統(tǒng)；ULPA凈化單元；干燥系統(tǒng)；管路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)；電氣硬件及軟件控制系統(tǒng)：自動(dòng)隔離門；化學(xué)液加熱、循環(huán)、過濾系統(tǒng)；溫度、壓力、流量檢測(cè)控制系統(tǒng)；化學(xué)液自動(dòng)供液系統(tǒng)：自動(dòng)下料系統(tǒng)等部分組成。

2.2設(shè)備配置

硅拋光片全自動(dòng)濕法清洗設(shè)備工作方向?yàn)樽筮M(jìn)右出，工藝槽體呈單排排列，共由13個(gè)工位組成（見圖2)。整機(jī)包括一套自動(dòng)上料系統(tǒng)；3套石英水浴加熱兆聲循環(huán)溢流槽（SCI溶液）、1套石英常溫循環(huán)溢流槽(SC2溶液）、1套常溫循環(huán)溢流槽（HF/HC1溶液）、4套QDR快排槽、一套兆聲溢流槽、一套干燥系統(tǒng)。其中最左邊為上料位，最右邊為下料位；配置3套傳輸機(jī)械手并設(shè)置于槽體前方獨(dú)立的區(qū)域，負(fù)責(zé)上料位、工藝槽、下料位間的傳輸處理。其中機(jī)械手1運(yùn)動(dòng)區(qū)域：上料位、1號(hào)SC-1槽、2號(hào)QDR槽、3號(hào)SC-1槽、4號(hào)SC-1槽、5號(hào)QDR槽；機(jī)械手2運(yùn)動(dòng)區(qū)域：5號(hào)QDR槽~干燥系統(tǒng)；機(jī)械手3運(yùn)動(dòng)區(qū)域：干燥系統(tǒng)到下料位。三套機(jī)械手的交接工位為5號(hào)QDR槽和干燥工位，以上傳輸機(jī)械手直接抓取PFA材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)片盒為脫鉤方式。在上料位與1號(hào)槽、4號(hào)槽和5號(hào)槽、10號(hào)槽和干燥工位之間分別安裝自動(dòng)隔離門進(jìn)行隔離。設(shè)備上料及下料過程由人工手動(dòng)在設(shè)備左右兩側(cè)上下料位完成。

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關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計(jì)

3.1整機(jī)潔凈化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)內(nèi)部環(huán)境潔凈化控制，是保證產(chǎn)品顆粒度技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。拋光片清洗工藝對(duì)設(shè)備內(nèi)部環(huán)境潔凈度提出了更高的要求。主機(jī)材料選擇、整體布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、ULPA凈化等級(jí)、靜電的消除、風(fēng)壓檢測(cè)與壓力平衡控制等因素是影響內(nèi)部環(huán)境潔凈度的重要因素。整機(jī)采用全封閉設(shè)計(jì)，避免外界環(huán)境對(duì)設(shè)備內(nèi)部的影響。使用抗靜電PVC板作為機(jī)架的焊接材料，克服了PP材料強(qiáng)度低，易產(chǎn)生靜電的缺點(diǎn)；設(shè)備采用上部進(jìn)風(fēng)下部排風(fēng)布局方式，F(xiàn)FU安裝于制程區(qū)頂部，引風(fēng)口安裝于臺(tái)面下部，凈化空氣與槽內(nèi)腐蝕氣體在臺(tái)面底部匯合后經(jīng)排風(fēng)口排出，使凈化后的空氣全覆蓋片盒傳輸區(qū)，同時(shí)制程區(qū)的不同區(qū)域之間安裝隔離門和隔離擋板，防止凈化環(huán)境的交叉污染；具有進(jìn)風(fēng)壓力和排風(fēng)壓力的調(diào)節(jié)和檢測(cè)功能，控制進(jìn)風(fēng)壓力、排風(fēng)壓力、凈化

廠房環(huán)境壓力三者的壓力平衡，防止不同區(qū)域氣體的交叉污染，同時(shí)通過靜電消除裝置，消除環(huán)境中存在的靜電，從而避免環(huán)境對(duì)晶圓片表面顆粒的影響。

3.2自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)

片盒上下料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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上、下料機(jī)構(gòu)主要由精密滑軌、抬升機(jī)構(gòu)、無桿氣缸、導(dǎo)向氣缸、片盒檢測(cè)裝置等組成。工作原理如下：無桿氣缸前后平移，帶動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)做前后運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)片盒抬升，脫離臺(tái)面和定位塊，平移到所需工位。采用雙導(dǎo)桿氣缸完成抬升，雙導(dǎo)桿氣缸的特點(diǎn)主要是為保證片盒移動(dòng)過程的平穩(wěn)性。通過位置傳感器對(duì)片盒進(jìn)行精確位置檢測(cè)。上料時(shí)，導(dǎo)向氣缸帶動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)完成抬升動(dòng)作，片盒脫離定位塊和臺(tái)面；無桿氣缸向前滑動(dòng)，將片盒放到上料位，完成一次上料動(dòng)作。下料時(shí)，導(dǎo)向氣缸帶動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)完成抬升動(dòng)作，片盒脫離定位塊和臺(tái)面；無桿氣缸向后滑動(dòng)，將片盒放到下料位，完成一次下料動(dòng)作。

3.3石英水浴兆聲溢流槽

石英水浴加熱兆聲循環(huán)溢流槽結(jié)構(gòu)見圖4所示。槽體分為內(nèi)、外槽結(jié)構(gòu)。內(nèi)槽為循環(huán)溢流石英裸槽，外槽為PVC槽，外槽底部安裝有兆聲換能器，內(nèi)、外槽通過DI水傳遞兆聲能量。溶液從內(nèi)槽溢流口溢出后經(jīng)過循環(huán)泵、在線加熱器、過濾器，通過石英槽體底部兩個(gè)注入管注入到槽體。石英槽體結(jié)構(gòu)采用四面V型循環(huán)溢流結(jié)構(gòu)。為了利于兆聲的起振、槽底部氣泡的排出、槽體底部做成傾斜結(jié)構(gòu)，相對(duì)底面的傾角為3°。在槽的底部兩側(cè)還設(shè)有兩個(gè)循環(huán)注入管，其上均與分布許多小孔，其功能是保證循環(huán)更均勻。

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3.4傳輸機(jī)械手

傳輸機(jī)械手安裝在相對(duì)清洗槽體完全獨(dú)立的空間，保證傳輸精確性、位置準(zhǔn)確性及傳輸平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)片盒的多工位輸送功能。傳輸機(jī)械手為前置懸臂式配置，主要由平移機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)裝置等部分組成。結(jié)構(gòu)分別如圖5所示。

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圖5傳輸機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

平移機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、齒輪、齒條驅(qū)動(dòng)，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等組成，完成機(jī)械手在豎直方向的運(yùn)動(dòng)；開夾機(jī)構(gòu)主要控制片盒的夾持和釋放，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)片盒的取放；傳輸機(jī)械手裝有安全防護(hù)裝置，確保產(chǎn)品和人員的安全。

3.5QDR快排清洗槽

QDR快排槽的作用是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片表面殘存的化學(xué)藥液的去除和清洗。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。主要由噴淋裝置、勻流鼓泡板、快排氣缸、自動(dòng)槽蓋、管路和管件等組成。具有快排沖洗、溢流漂洗及氮?dú)夤呐莨δ?。槽體由PVDF板材焊接加工而成。槽體頂部四周采用V型設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)溢流效果。DIW由槽體底部分兩路注入，槽體內(nèi)安裝有帶網(wǎng)眼的勻流板，用來承載花籃以及均勻流場；槽體頂部兩側(cè)安裝噴管和噴嘴，實(shí)現(xiàn)頂部噴淋功能;氮?dú)庥蓜蛄靼迳系奈⒖鬃缘撞孔⑷?實(shí)現(xiàn)鼓泡功能，氮?dú)夤呐菰O(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氮?dú)饬髁康木_控制。槽內(nèi)廢液通過快排氣缸快速排出。

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圖6QDR快排槽結(jié)構(gòu)示意圖

3.6干燥系統(tǒng)

經(jīng)過清洗工藝后，需要對(duì)晶片進(jìn)行干燥。干燥后晶片表面不能留有“水印、水痕”及超出指標(biāo)范圍的顆粒物存在。本設(shè)備采用Marangoni干燥方式，在降低金屬污染和顆粒的引入以及干燥速度等方面均達(dá)到較好的效果，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

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該方式基于Marangoni效應(yīng)，利用IPA(異丙醇）與高純水不同的表面張力將晶圓表面的水分子吸收到干燥水槽內(nèi)以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片的干燥。其結(jié)構(gòu)見圖7所示。主要由提升機(jī)構(gòu)、干燥腔、平移機(jī)構(gòu)、千燥水槽等部分組成。千燥過程分三個(gè)階段：晶片脫水、花籃脫水、減壓排風(fēng)千燥。將硅拋光片利用機(jī)械手放置在干燥水槽定位裝置內(nèi)，提升機(jī)構(gòu)將晶片以極慢的速度頂起，使晶片脫離承載片盒并提升出水面進(jìn)入干燥腔，同時(shí)，將N2通入至IPA霧化槽以鼓泡的形式傳至到水面，依靠MARANGONI效應(yīng)產(chǎn)生的表面張力梯度，使晶片表面的水膜被剝離掉，得到表面干燥和超潔凈的晶片。

3.7電氣控制系統(tǒng)

硅拋光片全自動(dòng)濕法清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)使用歐姆龍PLC的CP1H系列CPU單元，此系列CPU單元配置4軸高速定位。本設(shè)備使用雙CPU單元組站，可對(duì)8軸高速定位。機(jī)械手傳輸系統(tǒng)以及干燥控制系統(tǒng)選用松下A5系列電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。PLC主從站分別和HMI進(jìn)行通訊。溫度控制系統(tǒng)和HMI通訊，目標(biāo)溫度通過HMI傳輸給溫度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)將當(dāng)前槽體溫度傳輸?shù)紿MI,顯示給用戶。用戶可以直接在人機(jī)操作界面上進(jìn)行對(duì)溫度的設(shè)置與讀取。HMI可以將溫度數(shù)據(jù)再通過串口通訊傳輸給PLC,對(duì)溫度控制模塊進(jìn)行控制。過程控制中的功能模塊包括：兆聲控制模塊、液體控制模塊、氣動(dòng)控制模塊、通風(fēng)控制模塊、去靜電模塊等。這些模塊通過PLC的I/O單元讀取和發(fā)送信號(hào)來進(jìn)行控制。

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