本发明涉及一种碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置与方法，适用于6、8英寸半导体晶圆的切割、研磨后的化学剥离损伤的腐蚀加工工序，属于半导体材料
技术领域：
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背景技术：
：在晶圆加工过程中，晶棒经过切片、研磨等机械加工工序后，在晶圆表面因机械加工产生的应力而形成一定深度的损伤层，需要使用化学腐蚀的方法来消除这些机械损伤层。一般常见的腐蚀工艺有两种：酸腐蚀和碱腐蚀。酸腐蚀工艺腐蚀速率高，表面光亮，不容易吸附杂质，但是表面平坦度差，控制不好表面容易塌边，实际生产中需要依靠晶片旋转、充分搅拌腐蚀剂、还需要特别设计制造腐蚀载具等方法来改善表面状况。碱腐蚀工艺腐蚀速率低，容易控制平坦度且设备相对简单，生产成本低在中小直径晶圆生产制备中被广泛使用，但是碱腐蚀工艺也有其自身的缺陷。由于半导体晶圆碱腐蚀属于各向异性腐蚀，腐蚀速率在不同方向上存在差异，造成碱腐蚀后表面粗糙度比较高，腐蚀坑比较明显，需要抛光工序增加去除量，延长加工时间，影响加工效率。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，使用该装置可以在碱腐蚀过程中改善碱与晶圆衬底的反应速率，提高碱腐蚀均匀性，改善腐蚀后表面粗糙度，提高腐蚀片表面质量。本发明的另一目的在于提供一种使用所述装置碱腐蚀去除晶圆表面损伤的方法，适用于6、8英寸半导体晶圆的切割、研磨后的化学剥离损伤的腐蚀加工。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，包括腐蚀载具、机械手、腐蚀工艺槽和碱液准备槽；其中，腐蚀载具包括两个侧板和固定支撑在两侧板之间的固定杆；两侧板上相互对应地开有弧形槽；两侧板之间还安装有三根带齿转杆，其中一根带齿转杆的两端位于弧形槽内并可在弧形槽内移动，用来装卸晶圆；每根带齿转杆的两端均设有齿轮；两侧板的外侧还分别设有中心驱动齿轮和载具驱动齿轮，载具驱动齿轮与每根带齿转杆两端的齿轮配合；机械手包括传动齿轮组、载具驱动电机，机械手的传动齿轮组通过齿轮啮合方式带动腐蚀载具的两侧板外侧的中心驱动齿轮，中心驱动齿轮带动载具驱动齿轮，载具驱动齿轮带动带齿转杆两端的齿轮转动，进而驱动承载在三根带齿转杆上的晶圆转动；腐蚀工艺槽的上部边缘处设有溢流槽，该溢流槽通过碱液循环回液管与碱液准备槽相通，碱液循环回液管上设有在线加热器和循环泵；腐蚀工艺槽的底部还设有碱液弥散管，该碱液弥散管通过碱液循环进液管与碱液准备槽相通；腐蚀工艺槽的外侧壁上设有多个超声波振子头；碱液准备槽内部有投入式加热器。优选地，所述腐蚀工艺槽的上部为长方形，底部呈v形，两底面夹角范围为90-150度。优选地，所述腐蚀工艺槽的槽体材质为310或316l不锈钢；与腐蚀工艺槽连接的管道为pp(聚丙烯)或ptfe(聚四氟乙烯)材质。优选地，所述碱液弥散管向下一侧设有数个出液用小孔。优选地，所述超声波振子头称矩阵式排列。优选地，所述带齿转杆对称分布在两侧板之间，所述带齿转杆的齿牙间距与晶圆传递花篮的卡槽间距相同，以方便晶圆在腐蚀载具和传递花篮之间相互传递。一种使用所述装置进行碱腐蚀去除晶圆表面损伤的方法，包括以下步骤：(1)预先在碱液准备槽中注入腐蚀剂，腐蚀剂为氢氧化钠或氢氧化钾，其浓度为30-50％；(2)开启碱液准备槽中的加热器提升碱液温度，碱液准备槽温度为80-100℃；向腐蚀工艺槽中注入腐蚀剂时开启循环泵和在线加热器，碱液循环的流量范围是30-100l/min，控制腐蚀工艺槽内碱液的温度范围为80-120℃；(3)腐蚀过程中开启在线加热器稳定腐蚀剂温度，开启超声波发生器，腐蚀载具带动晶圆旋转，进入腐蚀工艺槽，腐蚀过程中保持转速为10-40rpm；机械手带动载具在工艺槽中上下和左右运动，运动幅度为50-150mm，频率为5-15hz。其中，所述超声波发生器的超声波频率为20-200khz，优选为40-120khz。本发明的优点在于：本发明的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置特别设计了晶圆腐蚀载具与腐蚀设备，载具和腐蚀设备相互配合能够实现腐蚀过程中载具带动晶圆转动，腐蚀设备中针对超声波运用和腐蚀工艺槽结构进行了特别的结构设计，最终实现了载具多方向抛动、载具旋转、碱液稳温循环、超声波震动开启等工艺功能要求。采用本发明的装置对晶圆进行碱腐蚀能够改善碱与晶圆衬底的反应速率，提高碱腐蚀均匀性，改善腐蚀后表面粗糙度，提高腐蚀片表面质量。附图说明图1为本发明碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置的立体结构示意图。图2为本发明中腐蚀载具的结构示意图。图3为图1中的机械手与腐蚀载具组合的结构示意图。图4为图1中的腐蚀工艺槽的俯视图。图5为图1中的腐蚀工艺槽与碱液准备槽组合的侧视图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。如图1所示，本发明的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，包括腐蚀载具1、机械手2、腐蚀工艺槽3和碱液准备槽4。如图2所示，腐蚀载具1包括两个侧板16和固定支撑在两侧板16之间的固定杆17；两侧板16上相互对应地开有弧形槽19；两侧板16之间还安装有三根带齿转杆18，其中一根带齿转杆的两端位于弧形槽19内并可在弧形槽19内移动，用来装卸晶圆；每根带齿转杆18的齿牙间距与晶圆传递花篮的卡槽间距相同，以方便晶圆在腐蚀载具1和传递花篮之间相互传递。每根带齿转杆18的两端均设有齿轮22；两侧板的外侧还分别设有中心驱动齿轮21和载具驱动齿轮20，载具驱动齿轮20与每根带齿转杆18两端的齿轮22啮合。如图3所示，机械手2包括传动齿轮组5、载具驱动电机6，机械手2的传动齿轮组5通过齿轮啮合方式带动腐蚀载具1的两侧板外侧的中心驱动齿轮21，中心驱动齿轮带动载具驱动齿轮20，载具驱动齿轮20带动带齿转杆18两端的齿轮22转动，进而驱动承载在三根带齿转杆18上的晶圆转动。结合图4所示，腐蚀工艺槽3的上部为长方形，其边缘处设有溢流槽7，该溢流槽7通过碱液循环回液管9与碱液准备槽4相通，碱液循环回液管9上设有在线加热器11和循环泵12；腐蚀工艺槽3的底部呈v形，构成底部的两侧面之间的夹角在90～150度范围内；腐蚀工艺槽3的底部还设有碱液弥散管8，该碱液弥散管8通过碱液循环进液管10与碱液准备槽4相通；腐蚀工艺槽3的外侧壁上设有多个超声波振子头13，这些超声波振子头呈矩阵式排列。结合图5所示，碱液准备槽4内部有投入式加热器，碱液准备槽4通过管道14连接化学液供给系统，并通过管道15连接废液回收系统。机械手在外部电机驱动下带动腐蚀载具相对腐蚀工艺槽做垂直运动和水平运动，从而把腐蚀载具和加工的晶圆移入或移出腐蚀工艺槽。整个机械手可以在导轨(未图示)上运行，在各工位间传递腐蚀载具。在机械手把腐蚀载具移入腐蚀工艺槽时，腐蚀过程随即开始。腐蚀过程中碱液由碱液循环泵抽出，通过碱液循环进液管和碱液弥散管进入腐蚀工艺槽，由于碱液弥散管开口向下，使液面稳定上升，不会产生湍流和喷溅。腐蚀工艺槽是一个溢流槽，溢出的碱液通过碱液循环回液管回流至碱液准备槽，实现了碱液的循环。在腐蚀过程中，半导体晶圆衬底材料与碱发生化学反应：si naoh h2o＝na2sio3 2h2，反应生成物中有气体h2和溶解性不好的盐na2sio3，造成部分微观区域隔绝碱与衬底材料，使反应断续进行，宏观上造成表面材料腐蚀不均匀，化学反应呈现各方向异性腐蚀。而开启超声波发生器后，超声波在液体中沿纵向传播，超声波在液体传播过程中产生空化效应，作用在晶圆表面上时，可以使碱腐蚀反应物快速脱离腐蚀表面，反应物被剥落的同时，衬底材料表面重新接触腐蚀剂，使碱腐蚀反应循环延续下去。超声波的作用可以增加碱与衬底材料反应速率，实现碱腐蚀工艺提高效率；降低碱腐蚀的各方向异性腐蚀差异，实现改善表面粗糙度。以下为一个在采用该装置进行碱腐蚀去除晶圆表面损伤时的实际操作过程示例：预先在碱液准备槽中注入腐蚀剂，腐蚀剂为浓度40％的氢氧化钠；开启碱液准备槽中的加热器提升碱液温度，碱液准备槽设定温度为80℃；向腐蚀工艺槽中注入腐蚀剂时开启循环泵和在线加热器，碱液循环的流量为50/min，腐蚀工艺槽碱液的设定温度95℃。腐蚀过程中开启在线加热器稳定腐蚀剂温度；腐蚀载具带动晶圆旋转，进入腐蚀工艺槽；腐蚀过程中超声波发生器处于开启状态，超声波频率65khz；腐蚀过程中保持转速为30rpm；机械手带动载具在工艺槽中上下和左右运动，运动幅度为100mm，频率为10hz；采用接触式表面粗糙度测试仪测试样品表面粗糙度，评测指标为表面粗糙度ra和rz值。其中ra是表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，轮廓上各点高度在测量长度范围内的算术平均值。表面粗糙度ra越小，则表面越光滑。rz为测试范围内微观不平度十点高度，表面粗糙度rz越小，则表面高度差异越小，表面越平整。对腐蚀后的晶圆表面进行表面粗糙度测试数据如下：组别腐蚀剂温度(℃)ra-1rz-1ra-2rz-2改进组naoh950.333.120.373.28对照组naoh950.656.310.595.6由测试数据可以发现，采用本发明上述腐蚀工艺的改进组样品在ra和rz值上明显小于传统工艺对照组，说明改进组样品表面更光滑，腐蚀坑更浅。这样的表面有利于抛光工序加工，降低了抛光去除量，减少了抛光加工时间，提高了生产效率。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，其特征在于，包括腐蚀载具、机械手、腐蚀工艺槽和碱液准备槽；其中，
腐蚀载具包括两个侧板和固定支撑在两侧板之间的固定杆；两侧板上相互对应地开有弧形槽；两侧板之间还安装有三根带齿转杆，其中一根带齿转杆的两端位于弧形槽内并可在弧形槽内移动；每根带齿转杆的两端均设有齿轮；两侧板的外侧还分别设有中心驱动齿轮和载具驱动齿轮，载具驱动齿轮与每根带齿转杆两端的齿轮啮合；
机械手包括传动齿轮组、载具驱动电机，机械手的传动齿轮组通过齿轮啮合方式带动腐蚀载具的两侧板外侧的中心驱动齿轮，中心驱动齿轮带动载具驱动齿轮，载具驱动齿轮带动带齿转杆两端的齿轮转动，进而驱动承载在三根带齿转杆上的晶圆转动；
腐蚀工艺槽的上部边缘处设有溢流槽，该溢流槽通过碱液循环回液管与碱液准备槽相通，碱液循环回液管上设有在线加热器和循环泵；腐蚀工艺槽的底部还设有碱液弥散管，该碱液弥散管通过碱液循环进液管与碱液准备槽相通；腐蚀工艺槽的外侧壁上分别设有多个超声波振子头；
碱液准备槽内部设有投入式加热器。
2.根据权利要求1所述的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述腐蚀工艺槽的上部为长方形，底部呈v形，两底面夹角范围为90-150度。
3.根据权利要求1所述的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述腐蚀工艺槽的槽体材质为310或316l不锈钢；与腐蚀工艺槽连接的管道为聚丙烯或聚四氟乙烯材质。
4.根据权利要求1所述的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述碱液弥散管向下一侧设有数个出液用小孔。
5.根据权利要求2所述的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述超声波振子头呈矩阵式排列。
6.根据权利要求1所述的碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置，其特征在于，所述带齿转杆对称分布在两侧板之间，所述带齿转杆的齿牙间距与晶圆传递花篮的卡槽间距相同，以方便晶圆在腐蚀载具和传递花篮之间相互传递。腐蚀载具的两侧板上相互对应地开有弧形槽，其中一根带齿转杆设置在该弧形槽的一端，通过带齿转杆在该弧形槽的移动可实现晶圆的装卸。
7.一种使用权利要求1-4中任一项所述装置进行碱腐蚀去除晶圆表面损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预先在碱液准备槽中注入腐蚀剂，腐蚀剂为氢氧化钠或氢氧化钾，其浓度为30-50％；
(2)开启碱液准备槽中的加热器提升碱液温度，碱液准备槽温度为80-100℃；向腐蚀工艺槽中注入腐蚀剂时开启循环泵和在线加热器，碱液循环的流量范围是30-100l/min，控制腐蚀工艺槽内碱液的温度范围为80-120℃；
(3)腐蚀过程中开启在线加热器稳定腐蚀剂温度，开启超声波发生器，腐蚀载具带动晶圆旋转，进入腐蚀工艺槽，腐蚀过程中保持转速为10-40rpm；机械手带动载具在工艺槽中上下和左右运动，运动幅度为50-150mm，频率为5-15hz。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述超声波发生器的超声波频率为20-200khz。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述超声波发生器的超声波频率为40-120khz。
技术总结本发明公开了一种碱腐蚀去除晶圆表面损伤的装置与方法。该装置包括腐蚀载具、机械手、腐蚀工艺槽和碱液准备槽；腐蚀载具包括两个侧板和安装两侧板之间的三根带齿转杆，每根带齿转杆的两端均设有齿轮；两侧板的外侧还分别设有中心驱动齿轮和载具驱动齿轮，载具驱动齿轮与每根带齿转杆两端的齿轮啮合；机械手包括传动齿轮组、载具驱动电机，机械手的传动齿轮组带动中心驱动齿轮而驱动带齿转杆转动；腐蚀工艺槽的通过碱液循环回液管和碱液循环进液管与碱液准备槽连接；腐蚀工艺槽的外侧壁上分别设有多个超声波振子头；碱液准备槽内部有投入式加热器。使用该装置可改善碱与晶圆衬底的反应速率，提高碱腐蚀均匀性，改善腐蚀后表面粗糙度。
技术研发人员：边永智;宁永铎;钟耕杭;程凤伶;刘佐星;陈赫;徐继平;卢立延
受保护的技术使用者：有研半导体材料有限公司
技术研发日：2018.11.30
技术公布日：2020.06.09
