УСТРОЙСТВО МЕГАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

Полезная модель относится к технике индивидуальной очистки изделий и может быть использована в производстве полупроводниковых приборов на операциях очистки полупроводниковых пластин (подложек) с помощью акустического (ультра- и мегазвукового) воздействия.
Загрязнение полупроводниковых пластин и подложек практически возможно на всех операциях технологического процесса их изготовления.
Основными источниками загрязнений поверхности пластин и подложек являются: абразивные и клеящие материалы, кремниевая пыль при механической обработке; пыль в производственных помещениях; предметы, с которыми соприкасаются пластины и подложки (оборудование, инструмент, оснастка, технологическая тара); технологические среды; органические и неорганические реагенты, вода; одежда и открытые участки тела операторов и др.
Как правило, наличие на поверхности полупроводниковой подложки различного рода загрязнений приводит к резкому снижению процента выхода годных изделий на последующих технологических операциях. Загрязнение подложек обычно происходит при механической обработке полупроводниковых пластин, а наиболее распространенными являются загрязнения следующих видов:
- физические загрязнения (пылинки, ворсинки, абразивные материалы, силикаты, полупроводниковая пыль и другие посторонние частицы, химически не связанные с поверхностью пластин и подложек);
- загрязнения, химически связанные с поверхностью пластин и подложек (оксиды, нитриды и другие соединения);
- органические загрязнения (неполярные жиры, масла, силиконы и другие неионные примеси).
Подобные загрязнения эффективно удаляются методом акустической (ультразвуковой) обработки пластин (подложек), помещенных в жидкую химически активную среду [1], [2].
Ультразвуковая очистка представляет собой очистку поверхности твердых тел посредством возбуждения в моющем растворе колебаний ультразвуковой частоты. Для осуществления данного процесса применяется специализированная ванна. Такая очистка имеет множество преимуществ по сравнению с прочими способами очистки.
Самым главным плюсом является то, что ультразвуковая очистка не требует применения ручного труда. Ультразвуковая ванна рассчитана на то, чтобы очищаемый объект подвергался очищению посредством кавитационных пузырьков, которые проникают под пленку загрязнений, тем самым разрушая ее и отслаивая загрязнения от поверхности очищаемого объекта.
В таких ваннах осуществима очистка труднодоступных участков изделий без применения органических растворителей, что невозможно при других способах очистки.
Кроме указанных преимуществ, ультразвуковая очистка обладает и таким, как экологичность и безопасность осуществляемого процесса. Ванны не производят никаких вредных или неблагоприятных воздействий ни на окружающую среду, ни на здоровье человека; такая очистка не является токсичным или вредным процессом.
Наряду с этим, специфика ультразвуковой очистки позволяет максимально сократить время очищения деталей или любых приспособлений. Это обуславливается возможностью регулировать интенсивность акустического воздействия звуковых волн, приводящих в движение мельчайшие пузырьки. Так, для слабых загрязнений можно использовать воздействие ультразвукового излучения такой силы, при которой приводятся в действие незахлопывающиеся кавитационные пузырьки, воздействующие на загрязнения пульсирующими движениями, а для более стойких загрязнений требуется более высокая интенсивность ультразвукового поля, в котором присутствуют захлопывающиеся кавитационные пузырьки, создающие микроударное воздействие на загрязнения.
Кроме этого, такие ванны используются для обезжиривания разного рода деталей и предметов.
Как правило, для ультра- и мегазвуковой очистки полупроводниковых пластин в настоящее время вместо групповой обработки в многопозиционной технологической таре (так называемая кассетная обработка) используют устройства индивидуальной (позиционной) обработки. Это обусловлено тем, что диаметр пластин, используемых в полупроводниковой индустрии, вырос до 200÷350 мм, вследствие чего групповая обработка таких пластин оказывается малоэффективной и требующей большого расхода химических реагентов [2].
Известно устройство мегазвуковой обработки полупроводниковых пластин, содержащее ванну для очистки с вакуумным столиком для закрепления пластины, цилиндрический корпус емкости со штуцером для подачи моющего раствора (или воды), сопло, закрепленное на корпусе емкости, и пьезоизлучатель, установленный в корпусе. Корпус емкости установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно ванны в плоскости обрабатываемой пластины от периферии к центру ее и наоборот [3].
Обрабатываемая пластина размещается на вакуумном вращающемся столике. В емкость под давлением подают раствор, озвучивают его от пьезоизлучателя, который вырабатывает колебания с частотой f~1 МГц. Озвученный раствор (вода) выходит из сопла и омывает поверхность обрабатываемой пластины, вращающейся от центрифуги. За счет мегазвуковых колебаний с поверхности пластины удаляются загрязнения. Устройство обеспечивает равномерную обработку всей поверхности пластины за счет того, что струя жидкости, вытекающая из сопла, совершает колебания от периферии к центру пластины.
К недостаткам указанного устройства следует отнести невозможности осуществления очистки тыльной стороны пластины.
Известно также устройство для ультразвуковой очистки поверхностей пластин, содержащее ванну для очистки, дисковый пьедестал с размещенными на его поверхности пластинами и расположенные по диаметру пьедестала пьезоизлучатели, подсоединенные к генераторам переменного электрического напряжения и включающиеся поочередно парами в последовательности, задаваемой внешним процессором [4].
Хотя данное устройство и позволяет осуществлять групповую обработку полупроводниковых пластин, однако следующие недостатки, присущие конструктиву установки, существенно ограничивают область ее применения:
- наличие горизонтально расположенного подложкодержателя, предусматривающего размещение множества пластин, влечет за собой увеличение размеров ванны в плоскости, что ограничивает использование устройства для обработки пластин большого диаметра (200 мм и более), при этом требует большего расхода химреагентов.
Известно также устройство ультразвуковой очистки, содержащее корпус и размещенные внутри него ванну с моющим раствором, держатель образца и генератор ультразвуковых колебаний с блоком питания, состоящий из отдельных ультразвуковых модулей, каждый из которых связан прямым соединением и цепью обратной связи с отдельным излучателем и выполнен с возможностью автоматической подстройки рабочей частоты на частоту механического резонанса излучателя [5].
К недостаткам устройства следует отнести невозможности принудительного удаления от поверхности образца обогащенного загрязнениями слоя раствора, что может приводить к частичному переосаждению загрязнений на поверхность образца, вследствие чего снижается эффективность и качество очистки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для мегазвуковой очистки поверхности полупроводниковых пластин, содержащая корпус ванны, держатель пластин, при этом фиксация обрабатываемой пластины обеспечивается прижимными роликами, а сам держатель имеет возможность вращения, фронтальную форсунку с соплом для подачи моющей жидкости на рабочую поверхность пластины, установленную с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль рабочей поверхности пластины, проходящую через отверстие в держателе тыловую форсунку с соплом для подачи моющей жидкости на нерабочую поверхность пластины, причем в корпусе фронтальной форсунки установлен соединенный с генератором мегазвуковых колебаний пьезоизлучатель, а тыловая форсунка может быть также оснащена пьезоизлучателем [6].
Данное техническое решение поясняется фиг. 1, на которой представлены:
1 - пластина;
2 - прижимные ролики;
3 - держатель пластин;
4 - корпус ванны;
5 - фронтальная форсунка с соплом;
6 - патрубок подачи моющей жидкости во фронтальную форсунку;
7 - тыльная форсунка с соплом;
8 - пьезоизлучатель;
9 - сливной патрубок;
10 - патрубок подачи моющей жидкости в тыльную форсунку.
Установка содержит корпус ванны 4, внутри которого размещен цилиндрический держатель пластин 3, на котором размещена обрабатываемая пластина 1.
Очистка рабочей поверхности пластины осуществляется форсункой 5, в которую через патрубок 6 подают моющую жидкость, которую в свою очередь с помощью пьезоизлучателя 8 подвергают воздействию мегазвуковых колебаний.
Одновременно эта форсунка в процессе обработки пластины мегазвуком совершает серию поступательных перемещений от периферии пластины к ее центру и обратно, за счет чего обеспечивается полный охват поверхности пластины.
Фиксация пластины в держателе обеспечивается цилиндрическими роликами 2 с конусной боковой поверхностью, причем прижим пластины к роликам обеспечивается дополнительными фиксаторами, а сам держатель имеет в центре днища цилиндрическое отверстие, через которое проходит полый вал, вращающий держатель, и к этому же отверстию подсоединен патрубок 10 подачи моющей жидкости через форсунку 7 к нерабочей стороне пластины.
Форсунка 7 может быть также снабжена пьезоизлучателем, с помощью которого подвергают воздействию подаваемый через патрубок 10 моющий раствор. После цикла очистки моющая жидкость сливается через сливной патрубок 9.
Указанному техническому решению присущи следующие недостатки:
1) неполная отмывка части поверхности пластины, зафиксированной в пазах прижимных роликов, к которой затруднен (или полностью ограничен) доступ моющей жидкости;
2) усложненная конструкция, обусловленная наличием узла, обеспечивающего возвратно-поступательное перемещение форсунки.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, является увеличение надежности устройства и повышение качества очистки.
Указанный результат достигается за счет того, что в устройстве мегазвуковой очистки полупроводниковых пластин, содержащем корпус ванны, держатель пластины, фиксирующие пластину прижимные ролики, оснащенную пьезоизлучателем мегазвуковых колебаний фронтальную форсунку с соплом для подачи моющей жидкости на рабочую поверхность пластины, проходящую через отверстие в днище держателя тыльную форсунку с соплом для подачи моющей жидкости на нерабочую поверхность пластины, согласно полезной модели с целью увеличения надежности устройства и повышения качества очистки фронтальная форсунка закреплена неподвижно и имеет равномерно распределенные вдоль радиуса пластины сопла в количестве не менее трех сопел, а прижимные ролики в количестве не менее шести роликов имеют возможность синхронного вращения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 2 - общий конструктив установки, где:
1 - пластина;
2 - прижимные ролики;
3 - держатель пластин;
4 - корпус ванны;
5 - фронтальная форсунка с соплом;
6 - патрубок подачи моющей жидкости во фронтальную форсунку;
7 - тыльная форсунка с соплом;
8 - пьезоизлучатели;
9 - сливной патрубок;
10 - патрубок подачи моющей жидкости в тыльную форсунку,
на фиг. 3 - вид на пластину со стороны фронтальной форсунки, поясняющий принцип фиксации и обеспечения вращения пластины, где:
1 - пластина;
2а - загрузочные ролики;
2b - упорные ролики;
2d - диагональные ролики;
11 - боковая поверхность ролика;
R - радиус пластины;
L - базовый срез пластины;
G - расстояние между точками касания фаски пластины с роликами.
Фронтальная форсунка устройства 5 выполнена в виде продольной полой ламели, снабженной минимум тремя соплами, равномерно распределенными по ламели от радиуса пластины к ее краю: центральное сопло, сопло у края пластины и одно (или более) сопло между ними. В этом случае обеспечивается полный охват рабочей поверхности пластины моющей жидкостью.
Сама форсунка закреплена неподвижно, но так как расположенная на держателе 3 пластина 1 вращается, под струю моющей жидкости из сопел форсунки 5 попадает вся рабочая поверхность пластины.
Как известно, полированные полупроводниковые пластины всегда имеют периферийную фаску (кольцевую боковую поверхность), которая формируется на пластинах, отрезанных от цилиндрического слитка для снятия механических нарушений, а также имеют плоский базовый срез. Геометрические параметры фаски и базового среза определены международными стандартами [7].
Максимальная длина базового среза L не должна превышать трети диаметра пластины [7], т.е.:
.
Вращение пластины 1 в процессе очистки обеспечивается за счет передачи вращения от части (как минимум от 3-х роликов) к фаске. Ролики 2 расположены равномерно вдоль фаски пластины на одинаковом расстоянии друг от друга, а их количество не может быть менее шести.
Загрузка пластины на держатель 3 осуществляется через шлюзовую камеру (не показана) в направлении, показанном стрелкой. При этом пластина направляется на держатель парой роликов 2а до упора передней части пластины 1 в боковую поверхность пары роликов 2b.
Боковая поверхность 11 роликов 2 выполнена таким образом, что она зеркально повторяет профиль фаски пластины 1 (фиг. 2), центр загруженной таким образом пластины оказывается точно сориентированным на оси, проходящей через центры фронтальной 5 и тыльной 7 форсунок.
После фиксации пластины ролики приводят во вращательное движение в одном направлении с постоянной скоростью. За счет фрикционного сцепления фаски пластины 1 с боковой поверхностью 11 роликов обеспечивается вращение пластины в направлении, обратном направлению вращения роликов.
Поскольку длина базового среза L меньше длины G между точками касания фаски пластины 1 с боковыми поверхностями 11 двух любых соседних роликов, всегда обеспечивается контакт фаски с поверхностью минимум пяти роликов.
Таким образом, исключается вероятность возникновения аварийных ситуаций (заклинивание пластины или ее выпадение из фиксирующих роликов), то есть надежность конструкции увеличивается.
Конструкция держателя пластины может быть упрощена за счет исключения возможности принудительного вращения роликов загрузки 2а, при этом условия передачи вращения пластине от вращающихся роликов (ролики 2d и ролики 2а) не меняются, поскольку в любых положениях пластины обеспечивается фрикционное сцепление фаски пластины с боковой поверхностью минимум трех роликов вращения (см. фиг. 3).
Пример использования устройства
В примете в качестве пластин использовались кремниевые пластины марки КДБ-10 (111) диаметром 150 мм после двухсторонней полировки.
Фронтальная форсунка устройства была выполнена в виде продольной полой ламели с размещенным внутри пьезоизлучателем, снабженной соплами в количестве 5 штук.
Тыловая форсунка была выполнена по обычной схеме и не содержала пьезоизлучатель мегазвуковых колебаний.
Прижимные ролики были выполнены из материала монолитного фторопласта, а узел, приводящий во вращение ролики, располагался вне корпуса моечной ванны.
2
Процесс очистки осуществляется по стандартной технологии [8] и заключается в следующем. Звуковые волны частотой f=0,8-1,0 МГц генерируются в рабочей ванне облученной пьезоэлектрическими излучателями струей моющей жидкости из фронтальной форсунки. Сформированные звуковые волны имели мощность порядка 5-10 Вт/см.
Удаление частиц загрязнений с поверхности пластины при такой мегазвуковой обработке достигается в основном за счет уменьшения толщины граничного акустического слоя до уровня микрометров за счет воздействия микропотоков. Моющая жидкость проникает в область контакта поверхности и загрязнения, частица переходит в объем раствора.
С уменьшением кинематической вязкости очищающего раствора и увеличением частоты и мощности звуковых колебаний толщина граничного слоя может быть уменьшена.
Очистка осуществлялась в две стадии: сначала в аммиачно-перекисном растворе, а затем в горячей деионизованной воде.
Исследования качества поверхности пластин после очистки, осуществляемые по стандартным методикам, подробное описание которых приведено в [7], показали, что качество поверхности пластин соответствовало всем требованиям стандарта SEMI.
Процессы эпитаксиального наращивания на этих пластинах показали полное отсутствие автолегирования, которое всегда имело место в случае пластин, прошедших очистку, использующую стандартные методы фиксации пластины в неподвижных зажимах на держателе, вследствие чего локальные остатки не до конца удаленных загрязнений на пластине в местах ее крепления и приводили к эффекту автолегирования растущей эпитаксиальной пленки.
Поскольку при предлагаемой конструкции держателя пластины устройства вся поверхность пластины (и рабочая, и нерабочая) не имеет мест, в которые затруднен (или невозможен) доступ моющей жидкости во время процесса мегазвуковой очистки, качество очистки по сравнению с прототипом оказывалось существенно выше по сравнению с прототипом.
Ввиду отсутствия механизма перемещения фронтального сопла, а также в связи с исключением вероятности возникновения аварийных ситуаций при работе устройства (заклинивание пластины или ее выпадение из фиксирующих роликов) надежность устройства также оказывается выше по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Savage Т. Ultrasonic cleaning in industry. - Wire Industry, 2005, No. 6, p. 424-426.
2. М. Шмаков, В. Паршин, А. Смирнов. Очистка поверхности пластин и подложек. - Технологии в электронной промышленности, №5, 2008, с. 76-80.
3. Патент РФ №2173587 от 03.03.1998 г., кл. В08В 3/12.
4. Патент РФ №2262397 от 23.03.2004 г., кл. В08В 3/12.
5. Патент РФ №33334 от 29.04.2003 г., кл. В08В 3/12.
6. Патент РФ №50880 от 27.07.2005 г., кл. В08В 3/12 (прототип).
7. Book of SEMI Standards 0998. Materials Volume, Semiconductor Equipment and Materials International. - SEMI 1978, 1998.
8. В. Ланин, В. Томаль. Технология и оборудование ультразвуковой очистки изделий электроники. - Технологии в электронной промышленности, №8, 2007, с. 60-64.