硅拋光片全自動濕法清洗設(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，硅拋光片全自動濕法清洗設(shè)備采用全封閉、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。整機按功能模塊主要由PVC主體機架：自動上料系統(tǒng)：前置式自動傳輸機械手；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、流量檢測控制系統(tǒng)；化學(xué)液自動供液系統(tǒng)：自動下料系統(tǒng)等部分組成。
2.2設(shè)備配置
硅拋光片全自動濕法清洗設(shè)備工作方向為左進右出，工藝槽體呈單排排列，共由13個工位組成（見圖2)。整機包括一套自動上料系統(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套傳輸機械手并設(shè)置于槽體前方獨立的區(qū)域，負責(zé)上料位、工藝槽、下料位間的傳輸處理。其中機械手1運動區(qū)域：上料位、1號SC-1槽、2號QDR槽、3號SC-1槽、4號SC-1槽、5號QDR槽；機械手2運動區(qū)域：5號QDR槽~干燥系統(tǒng)；機械手3運動區(qū)域：干燥系統(tǒng)到下料位。三套機械手的交接工位為5號QDR槽和干燥工位，以上傳輸機械手直接抓取PFA材質(zhì)標(biāo)準片盒為脫鉤方式。在上料位與1號槽、4號槽和5號槽、10號槽和干燥工位之間分別安裝自動隔離門進行隔離。設(shè)備上料及下料過程由人工手動在設(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
3.1整機潔凈化結(jié)構(gòu)設(shè)計
整機內(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。拋光片清洗工藝對設(shè)備內(nèi)部環(huán)境潔凈度提出了更高的要求。主機材料選擇、整體布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計、ULPA凈化等級、靜電的消除、風(fēng)壓檢測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。整機采用全封閉設(shè)計，避免外界環(huán)境對設(shè)備內(nèi)部的影響。使用抗靜電PVC板作為機架的焊接材料，克服了PP材料強度低，易產(chǎn)生靜電的缺點；設(shè)備采用上部進風(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)口安裝于臺面下部，凈化空氣與槽內(nèi)腐蝕氣體在臺面底部匯合后經(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；具有進風(fēng)壓力和排風(fēng)壓力的調(diào)節(jié)和檢測功能，控制進風(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)境對晶圓片表面顆粒的影響。
3.2自動上下料機構(gòu)
片盒上下料機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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上、下料機構(gòu)主要由精密滑軌、抬升機構(gòu)、無桿氣缸、導(dǎo)向氣缸、片盒檢測裝置等組成。工作原理如下：無桿氣缸前后平移，帶動抬升機構(gòu)做前后運動。導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動抬升機構(gòu)帶動片盒抬升，脫離臺面和定位塊，平移到所需工位。采用雙導(dǎo)桿氣缸完成抬升，雙導(dǎo)桿氣缸的特點主要是為保證片盒移動過程的平穩(wěn)性。通過位置傳感器對片盒進行精確位置檢測。上料時，導(dǎo)向氣缸帶動抬升機構(gòu)完成抬升動作，片盒脫離定位塊和臺面；無桿氣缸向前滑動，將片盒放到上料位，完成一次上料動作。下料時，導(dǎo)向氣缸帶動抬升機構(gòu)完成抬升動作，片盒脫離定位塊和臺面；無桿氣缸向后滑動，將片盒放到下料位，完成一次下料動作。
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)，相對底面的傾角為3°。在槽的底部兩側(cè)還設(shè)有兩個循環(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傳輸機械手
傳輸機械手安裝在相對清洗槽體完全獨立的空間，保證傳輸精確性、位置準確性及傳輸平穩(wěn)性，實現(xiàn)片盒的多工位輸送功能。傳輸機械手為前置懸臂式配置，主要由平移機構(gòu)、升降機構(gòu)、夾持機構(gòu)、安全防護裝置等部分組成。結(jié)構(gòu)分別如圖5所示。
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圖5傳輸機械手結(jié)構(gòu)示意圖
平移機構(gòu)由伺服電機、齒輪、齒條驅(qū)動，直線滾動導(dǎo)軌導(dǎo)向，實現(xiàn)機械手的水平運動。升降機構(gòu)由伺服電機、滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌等組成，完成機械手在豎直方向的運動；開夾機構(gòu)主要控制片盒的夾持和釋放，通過電機驅(qū)動，帶動轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)機械手對片盒的取放；傳輸機械手裝有安全防護裝置，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現(xiàn)對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、自動槽蓋、管路和管件等組成。具有快排沖洗、溢流漂洗及氮氣鼓泡功能。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，以增強溢流效果。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，實現(xiàn)頂部噴淋功能;氮氣由勻流板上的微孔自底部注入,實現(xiàn)鼓泡功能，氮氣鼓泡設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)對氮氣流量的精確控制。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，需要對晶片進行干燥。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)以實現(xiàn)對晶片的干燥。其結(jié)構(gòu)見圖7所示。主要由提升機構(gòu)、干燥腔、平移機構(gòu)、千燥水槽等部分組成。千燥過程分三個階段：晶片脫水、花籃脫水、減壓排風(fēng)千燥。將硅拋光片利用機械手放置在干燥水槽定位裝置內(nèi)，提升機構(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入干燥腔，同時，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)
硅拋光片全自動濕法清洗機電氣控制系統(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8軸高速定位。機械手傳輸系統(tǒng)以及干燥控制系統(tǒng)選用松下A5系列電機及驅(qū)動器。PLC主從站分別和HMI進行通訊。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操作界面上進行對溫度的設(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,對溫度控制模塊進行控制。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)送信號來進行控制。
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