碲鋅鎘襯底在CMP后的清洗控制方案探討

張 峰，孟 超，謝振民

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 概述

以碲鋅鎘單晶為基礎(chǔ)，主要分為高能射線光電探測器和紅外光電成像探測器兩個(gè)應(yīng)用方向，碲鋅鎘(Cd_(1-x)Zn_xTe或CdZnTe)是制備碲鎘汞紅外焦平面探測器的理想襯底材料，通過改變碲鋅鎘的鋅組分可以與不同組分的碲鎘汞外延膜晶格完全匹配，且表面粗糙度低和平整度高，是液相外延和分子束外延碲鎘汞材料的首選襯底[1]。

2 控制方案簡介

該清洗流程是在碲鋅鎘襯底劃片完成后，自動(dòng)進(jìn)行背面除蠟和正面去除光刻膠的工藝。涂蠟?zāi)康氖?，在減薄機(jī)械拋光時(shí)，粘連在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的硅片或石英片上，用于機(jī)械拋光時(shí)的固定。拋光結(jié)束后，需防護(hù)正面以防止劃傷故均勻涂抹光刻膠。然后在70℃熱水槽內(nèi)浸泡60min，取出晶片，再進(jìn)行清洗。

清洗先要進(jìn)行上掛，正反面依次清洗，第一步進(jìn)行背面的除蠟工藝，除蠟完成后第二步進(jìn)行正面除膠工藝，除膠完成后第三步烘干，最后下掛。

實(shí)現(xiàn)方式：使用額定負(fù)重2kg，機(jī)械手動(dòng)作半徑504mm的六軸機(jī)器人作為搬運(yùn)載體，將機(jī)器人倒立于平移軸上，平移軸使用400W 16位編碼的額定轉(zhuǎn)矩1.3N·m，伺服電機(jī)帶1：10減速機(jī)驅(qū)動(dòng)。搬運(yùn)中段放置花籃翻轉(zhuǎn)平臺(tái)。

控制使用三菱Q系列PLC作為主控制，使用CC-Link作為機(jī)器人通訊總線。編程方式使用STL步進(jìn)梯形圖實(shí)現(xiàn)。

3 清洗工序

3.1 準(zhǔn)備條件

配液，1)石油醚浸泡槽，手工傾倒石油醚(沸程(℃)60-90，顆粒符合ASTM 0級(jí))2.5L。2)石油醚二流體噴筆罐，手動(dòng)卸壓后，手工傾倒石油醚9L。3)丙酮二流體噴筆罐，手動(dòng)卸壓后，手工傾倒丙酮9L。4)乙醇二流體噴筆罐，手動(dòng)卸壓后，手工傾倒乙醇9L。

加熱，手動(dòng)打開石油醚浸泡槽加熱，加熱溫度設(shè)定35℃，手動(dòng)打開丙酮乙醇二流體噴筆管路水浴加熱，加熱溫度設(shè)定35℃。

3.2 上掛

放置清洗花籃隔層工裝共四個(gè)，分為背面上掛花籃工裝，正面上掛花籃工裝，背面下掛花籃工裝，正面下掛花籃工裝。每個(gè)工裝隔層共5層。清洗流程開始后先從背面上掛花籃工裝取片，從上向下依次提取。下掛時(shí)，從下向上放置。

根據(jù)清洗批次在上掛隔層中由上到下放置清洗花籃，花籃批次分以下5種。根據(jù)清洗種類，設(shè)定每一層清洗規(guī)格。

表1 晶片花籃規(guī)格

每一層可放置任意批次。

3.3 選擇清洗工藝

根據(jù)清洗工藝設(shè)定每一層的清洗工藝。

表2 晶片清洗工藝

3.4 清洗流程

全流程工藝如圖1所示，使用STL步進(jìn)流程圖編程方式，可根據(jù)工藝實(shí)現(xiàn)進(jìn)行跳步，將每個(gè)工藝變?yōu)槟K化程序，在主程序中，只需調(diào)用某工藝，實(shí)現(xiàn)多種流程任意編程。具體在實(shí)現(xiàn)時(shí)還需模擬運(yùn)行，查看機(jī)器人軌跡是否存在干涉，如果存在干涉還需以增加中轉(zhuǎn)點(diǎn)的方式規(guī)避干涉。在機(jī)器人的噴洗工藝中，由于每種規(guī)格晶片的排布不同，還會(huì)根據(jù)工藝自動(dòng)調(diào)整移動(dòng)軌跡，既能節(jié)省噴筆液體的使用和噴洗時(shí)間，又能針對(duì)每一種晶片的清洗死角進(jìn)行徹底洗凈。

圖1 清洗全流程圖

4 分體控制介紹

4.1 石英浸泡槽兆聲控制

兆聲發(fā)生器采用德國Weber 950 kHz 600W發(fā)生器，以底部水浴形式進(jìn)行兆聲清洗?？刂粕喜捎肦S485通訊方式進(jìn)行，通訊協(xié)議格式如下[2]：

圖2 兆聲發(fā)生器通訊格式

4.2 噴筆擺臂控制

擺臂升降、擺動(dòng)均由伺服電機(jī)控制，擺臂前端固定二流體噴筆，二流體噴筆由試劑和氮?dú)饣旌蠂姵?，?jīng)過特殊結(jié)構(gòu)噴出為具有一定壓力的霧狀，噴洗時(shí)，機(jī)器人夾具進(jìn)行全軌跡慢速移動(dòng)，與噴筆形成相對(duì)移動(dòng)，能夠?qū)τ诰秶那逑锤采w。對(duì)于每個(gè)規(guī)格的晶片花籃，機(jī)器人清洗時(shí)的移動(dòng)軌跡也不同，如圖3所示為K1花籃。機(jī)器人夾具將花籃平放于噴筆下方，噴筆距花籃高度大約5～8cm，太近的話，噴筆的噴霧處于收縮狀，易將晶片噴飛，太遠(yuǎn)噴筆噴霧太擴(kuò)散不利于清洗。噴筆起始位置在晶片4右下角，清洗開始后，噴筆位置不動(dòng)，夾具由起始位置以2mm/s速度平行于噴筆作直線位移移動(dòng)至晶片3左下角，夾具水平向前移動(dòng)5mm，然后再返回左側(cè)晶片4邊界，夾具水平向前移動(dòng)5mm，往返移動(dòng)，此時(shí)噴筆的二流體持續(xù)噴出。直至到達(dá)晶片1左上角。該液體清洗結(jié)束，若是丙酮或乙醇清洗時(shí)，當(dāng)二流體噴洗完成后，還需只使用柱狀液體(關(guān)閉氮?dú)?快速往返沖洗一次。

圖3 晶片花籃結(jié)構(gòu)簡圖

4.3 氮?dú)夂娓杉訜?/h3>

氮?dú)夂娓杉訜釘[臂同噴筆擺臂相同采用兩組伺服電機(jī)進(jìn)行控制。烘干是廠務(wù)氮?dú)馔ㄟ^一組材質(zhì)為SUS 316L 4kW 的在線加熱器加熱后實(shí)現(xiàn)。氮?dú)鈮毫?.6MPa，流量10m3/h。由于噴洗二流體中含有丙酮、乙醇這些易燃液體。故此在線加熱器的安全是第一位的，保護(hù)措施見表3。

表3 在線加熱器安全防護(hù)措施

氮?dú)饧訜嵬ㄟ^條縫式風(fēng)刀進(jìn)行吹風(fēng)，條縫寬度為0.5mm，烘干需要在石油醚噴洗時(shí)就提前開啟，晶片花籃在經(jīng)過乙醇噴洗后，機(jī)器人將其置于烘干風(fēng)刀下方，此時(shí)烘干風(fēng)刀會(huì)關(guān)閉瞬間，防止移動(dòng)時(shí)將晶片吹飛，風(fēng)刀的高度距離晶片高度為2～3cm，風(fēng)刀起點(diǎn)須與晶片左邊緣相平行，并使風(fēng)刀起始吹的面在晶片上。由于風(fēng)刀擺臂所做的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧，風(fēng)刀擺臂在擺動(dòng)時(shí)，機(jī)器人帶的夾具也必須圓弧運(yùn)動(dòng)，晶片花籃與風(fēng)刀保持相對(duì)靜止。風(fēng)刀在晶片上掃描式吹風(fēng)，且只能一次吹干。風(fēng)刀結(jié)束時(shí)停留在晶片右邊緣，并延時(shí)3s。

風(fēng)刀和夾具移動(dòng)時(shí)需保持相對(duì)靜止，必須依據(jù)以下公式計(jì)算出風(fēng)刀移動(dòng)的弧長和速度，機(jī)器人以圓弧坐標(biāo)按照風(fēng)刀的長度和速度進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。

(1)

式中，l：烘干擺臂移動(dòng)圓弧長度；n：烘干擺臂伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；R：烘干擺臂伸出半徑。

風(fēng)刀吹完的晶片經(jīng)過10倍光學(xué)顯微鏡觀察是否清洗潔凈，是否殘留光刻膠和黏附蠟，是否在烘干后殘留試劑點(diǎn)和濺射上的亮點(diǎn)。

圖4 顯微鏡下的試劑點(diǎn) 圖5 顯微鏡下的亮點(diǎn)

5 控制難點(diǎn)

1)背面去蠟，作為在機(jī)械拋光時(shí)固定晶片，晶片背面必須滿面涂滿蠟并有足夠的厚度才可以足夠的結(jié)合力防止晶片在拋光時(shí)發(fā)生位移。使用液體：石油醚，沸程(℃)60～90，顆粒符合ASTM 0級(jí)。MOS級(jí)，浸泡溫度為：35±1℃，使用頻率為950MHz 兆聲底部，浸泡時(shí)間 6min。

使用950MHz底部水浴兆聲，浸泡6min，再使用二流體噴筆，進(jìn)行軌跡噴洗。

2)在將背面去蠟后還需翻片，碲鋅鎘襯底材料的清洗，要求正反面都不能有真空吸附，只能在夾具上自然翻轉(zhuǎn)，夾具。

3)一次烘干，烘干必須一次完成，不能往返重復(fù)烘干，烘干采用氮?dú)怙L(fēng)刀出口溫度在50±5℃范圍內(nèi)，風(fēng)刀式吹干，吹出的熱風(fēng)為線狀，不能發(fā)散，目的就是將晶片上液體一次趕走無殘留，若吹風(fēng)過程中試劑未吹干或返濺回已干區(qū)域均會(huì)形成殘留試劑點(diǎn)導(dǎo)致此晶片報(bào)廢。吹風(fēng)起始位置務(wù)必與晶片起點(diǎn)齊平。

6 結(jié)束語

目前國內(nèi)此類設(shè)備還處于空白，由于紅外探測器材料的脆弱性，現(xiàn)階段的清洗主要還是以人工清洗較多，人工清洗存在以下問題：

1)有機(jī)試劑對(duì)人身的傷害。

2)每批次清洗的不確定性和不穩(wěn)定性。

3)單片清洗效率低，且碎片率也較高。

該文探討的控制方案能夠有效避免上述缺陷，目前已在客戶單位清洗設(shè)備上得到成功應(yīng)用。