一种摇摆式籽晶表面腐蚀、清洗、烘干装置及工艺方法
技术领域
本发明属于半导体晶体生长技术领域，具体涉及在晶体生长工艺中籽晶表面的腐蚀、清洗、烘干的装置及工艺方法。
背景技术
芯片、高频模块、大规模集成电路及超大规模集成电路等半导体器件，都需要高品质单晶作为其生产材料。在绝大多数晶体生长工艺中的开始阶段，需要依靠籽晶对熔融的晶体进行引晶、生长，可以说没有籽晶，就无法进行晶体生长工艺。而籽晶表面的纯度及洁净度在晶体生长时对晶体的品质有着直接的影响。在常规的籽晶腐蚀工艺中，籽晶会浸入由器皿承装的腐蚀液中，籽晶的部分表面会与器皿壁或底接触，经常会出现在其相互接触面处的籽晶表面腐蚀速率低，整体反应不均匀，表面杂质清理不彻底的现象。这种清理不彻底的籽晶在接触晶体熔体时，会使熔体内引入新的杂质，降低晶体参数，产生晶体缺陷，影响整体晶体生长质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种摇摆式籽晶表面腐蚀、清洗、烘干装置及工艺方法，可对整个籽晶表面进行充分的腐蚀，并且使后道工序中籽晶的清洗和烘干工艺，有机统一结合，可避免在后道工序操作时对籽晶产生的二次污染，有效保证了籽晶在未使用前表面的纯度和洁净度，减少工艺步骤次数，降低了操作成本，提高了工作效率，并且能大幅提升晶体生长时的晶体质量和晶体成品率。
本发明采用的技术方案是： 一种摇摆式籽晶表面腐蚀、清洗、烘干装置，包括腐蚀槽和配套的腐蚀槽盖、设置在腐蚀槽底部中间位置的籽晶支撑平台以及配套设置在腐蚀槽两侧的高纯热氮气通入短直管、腐蚀液通入短直管、去离子水通入短直管、溢流排液短直管，所述高纯热氮气通入短直管、腐蚀液通入短直管和去离子水通入短直管的自由端均设有开关截止阀，所述装置还包括设置在腐蚀槽底部的摇摆机构；所述籽晶支撑平台包括对称分布在腐蚀槽竖直向中轴线两侧且定位在腐蚀槽底部的支撑架、借助转轴安装在支撑架上端的籽晶支撑轮以及配套的籽晶支撑轮限位机构。
进一步地，所述籽晶支撑轮上设置有环形凹槽，所述环形凹槽截面呈等腰梯形。
进一步地，所述籽晶支撑轮限位机构包括设置在籽晶支撑轮一侧的限位杆以及对称设置支撑架两侧的限位板；所述籽晶支撑轮限位机构的限位角度是以支撑架竖直轴线为基准，向左和向右旋转角度在45-60°之间。
进一步地，所述摇摆机构包括底座、借助支撑杆设置在底座上的摇摆转轴、铰接在摇摆转轴上的摇摆平台以及配套的摇摆驱动机构；所述摇摆平台上端面连接腐蚀槽底面。
进一步地，所述摇摆驱动机构包括设置在底座上的摇摆电机、设置在摇摆电机输出端的摇摆转轮以及铰接在摇摆转轮和摇摆平台下端面的摇摆杆。
进一步地，所述摇摆机构还包括设置在底座四周的围板、连接在围板上端面和摇摆平台下端面的伸缩防护帘，所述伸缩防护帘的材质为硅胶或氟胶。
进一步地，所述高纯热氮气通入短直管和去离子水通入短直管呈上下位置分布且安装在腐蚀槽一侧，所述溢流排液短直管和腐蚀液通入短直管呈上下分布位置且安装在腐蚀槽另一侧，所述高纯热氮气通入短直管向上翘、与腐蚀槽壁的夹角为30-40°；所述去离子水通入短直管和腐蚀液通入短直管向上翘、与腐蚀槽壁的夹角为50-60°；所述溢流排液短直向下翘、与腐蚀槽壁的夹角为50-60°。
进一步地，所述腐蚀槽底部设有排泄管和配套的开关阀，所述腐蚀槽内壁设置有流入腐蚀液的液位刻度。
在腐蚀槽内两侧且与籽晶支撑轮同一水平位置安装有防撞缓冲垫。
基于摇摆式籽晶表面腐蚀、清洗、烘干装置的工艺方法，所述工艺方法包括以下步骤：
1）打开腐蚀槽盖，通过专用夹具将籽晶放置在籽晶支撑轮的合适位置，盖上腐蚀槽盖；
2）打开腐蚀液通入短直管的开关截止阀，使腐蚀液以0.35L/min流速通入腐蚀槽内，待腐蚀液液面平稳升至合适液位刻度时，关闭腐蚀液通入短直管的开关截止阀；启动摇摆机构，以10°～20°摆幅和1°/S～2°/S摆速对籽晶进行腐蚀，腐蚀2-5min后，关闭摇摆电机，待摇摆平台恢复至初始的水平位置后，打开排泄管的开关阀，使腐蚀液以0.5L/min流速缓慢排出，待液体全部排掉，关闭排泄管的开关阀；
3）打开去离子水通入短直管的开关截止阀，使去离子水以0.4L/min流速通入腐蚀槽（1）内，待去离子水液面平稳升至溢流排液短直管处开始溢流时，开启摇摆电机，以10°～20°摆幅和1°/S～2°/S摆速对籽晶进行溢流清洗，清洗10-20min后，关闭摇摆电机和去离子水通入短直管的开关截止阀；打开排泄管的开关阀，使去离子水以0.5L/min流速缓慢排出，待液体全部排掉，关闭排泄管的开关阀；
4）打开高纯热氮气通入短直管的开关截止阀，使高纯热氮气以2-3L/min流速通入腐蚀槽内，对籽晶进行吹扫和烘干；同时开启摇摆电机，以10°～20°摆幅和1°/S～2°/S摆速对籽晶进行摇摆，待10-15min后，关闭高纯热氮气通入短直管的开关截止阀和摇摆电机，操作完成。
采用本发明产生的有益效果：与常规静态处理籽晶方式相比，此发明的动态籽晶处理工艺，可对整个籽晶表面进行充分的腐蚀，并且使后道工序中籽晶的清洗和烘干工艺，有机统一结合，处理效果的更加彻底，同时避免在后道工序操作时对籽晶产生的二次污染，有效保证了籽晶在未使用前表面的纯度和洁净度，减少工艺步骤次数，降低了操作成本，提高了工作效率。并且能大幅提升晶体生长时的晶体质量和晶体成品率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A的放大示意图
图3是籽晶支撑轮限位机构的示意图。
具体实施方式
参看附图1-3，一种摇摆式籽晶表面腐蚀、清洗、烘干装置，包括腐蚀槽1和配套的腐蚀槽盖2、设置在腐蚀槽1底部中间位置的籽晶支撑平台以及配套设置在腐蚀槽1两侧的高纯热氮气通入短直管1-1、腐蚀液通入短直管1-2、去离子水通入短直管1-3、溢流排液短直管1-4，所述高纯热氮气通入短直管1-1、腐蚀液通入短直管1-2和去离子水通入短直管1-3的自由端均设有开关截止阀，所述装置还包括设置在腐蚀槽1底部的摇摆机构；所述籽晶支撑平台包括对称分布在腐蚀槽1竖直向中轴线两侧且定位在腐蚀槽1底部的支撑架3-1、借助转轴安装在支撑架3-1上端的籽晶支撑轮3-2以及配套的籽晶支撑轮限位机构。所述腐蚀槽1、腐蚀槽盖2、高纯热氮气通入短直管1-1、腐蚀液通入短直管1-2、去离子水通入短直管1-3、溢流排液短直管1-4采用的材质为高纯石英或其它高纯耐腐蚀耐温材质。高纯热氮气通入短直管1-1、腐蚀液通入短直管1-2和去离子水通入短直管1-3的开关截止阀均为耐腐蚀耐温开关阀，可为手动或电动方式进行操作阀门大小，用来控制流量和流速，其对应连接的软管也均为耐腐蚀耐温软管。
所述籽晶支撑轮3-2上设置有环形凹槽3-2-1，所述环形凹槽3-2-1截面呈等腰梯形。所述籽晶支撑轮限位机构包括设置在籽晶支撑轮3-2一侧的限位杆3-3以及对称设置支撑架3-1两侧的限位板3-4；所述籽晶支撑轮限位机构的限位角度是以支撑架3-1竖直轴线为基准，向左和向右旋转角度在45-60°之间。
籽晶支撑轮3-2材质为氟胶或硅胶等耐腐蚀耐温且与籽晶棱边接触面（内凹面）有较大的摩擦系数的材料，籽晶支撑轮3-2的一侧设置有限位杆3-3，限位杆3-3为聚四氟乙烯或其它耐腐蚀耐温材料。当在处理籽晶工艺中，需要使摇摆平台4-4调至最大的工艺摆幅和最快的工艺摆速时，籽晶支撑轮3-2的环形凹槽3-2-1与籽晶棱边接触面上能产生足够的摩擦力，当限位杆3-3触碰到限位板3-4使籽晶支撑轮3-2停止转动时，籽晶所产生惯性的滑动力小于籽晶棱边接触面与卡轮内凹面产生的静摩擦力，籽晶不会与停止的籽晶支撑轮3-2产生相对滑移。即籽晶支撑轮3-2停止转动时，籽晶也停止相对运动。
当籽晶放入籽晶支撑轮3-2合适位置，摇摆过程中，籽晶支撑轮3-2在正转停和反转停时，籽晶与籽晶支撑轮3-2会产生相对的最大位移量，即使其处在相对的最大位移量时，也不会使籽晶端面与对应的防撞缓冲垫3-5相碰撞，且均与防撞缓冲垫3-5保持一定距离。
支撑架3-1、转轴、限位板3-4均为石英、陶瓷等其它耐腐蚀耐温材质。
所述摇摆机构包括底座4-1、借助支撑杆4-2设置在底座4-1上方的摇摆转轴4-3、铰接在摇摆转轴4-3上的摇摆平台4-4以及配套的摇摆驱动机构；所述摇摆平台4-4上端面连接腐蚀槽1底面。摇摆平台4-4为耐腐蚀、平整、不易变形基台，采用如石英、陶瓷等材质。
所述摇摆驱动机构包括设置在底座4-1上的摇摆电机、设置在摇摆电机输出端的摇摆转轮4-5以及铰接在摇摆转轮4-5和摇摆平台4-4下端面的摇摆杆4-6。
所述摇摆机构还包括设置在底座4-1四周的围板4-7、连接在围板4-7上端面和摇摆平台4-4下端面的伸缩防护帘4-8，所述伸缩防护帘4-8的材质为硅胶或氟胶，可根据摇摆平台4-4的摇摆进行伸缩运动，密封性能良好。
所述高纯热氮气通入短直管1-1和去离子水通入短直管1-3呈上下位置分布且安装在腐蚀槽1一侧，所述溢流排液短直管1-4和腐蚀液通入短直管1-2呈上下分布位置且安装在腐蚀槽1另一侧，所述高纯热氮气通入短直管1-1向上翘、与腐蚀槽1壁的夹角为30-40°；所述去离子水通入短直管1-3和腐蚀液通入短直管1-2向上翘、与腐蚀槽1壁的夹角为50-60°；所述溢流排液短直1-4向下翘、与腐蚀槽1壁的夹角为50-60°。
高纯热氮气通入短直管1-1向上翘、与腐蚀槽1壁的夹角为30-40°，目的是使高纯热氮气吹向籽晶，使其尽快烘干，并驱赶籽晶周围及槽内的水汽，使水汽通过溢流排液短直1-4排走。高纯热氮气通入短直管1-1设置为一定合适的高度，目的是在对籽晶腐蚀和清洗的过程中不会被其液体沾附，防止吹出的高纯热氮气带有沾附液体的杂质，二次污染籽晶表面；高纯热氮气通入短直管1-1的开关截止阀，一般为闭锁状态，需要通高纯热氮气时才打开。
腐蚀液通入短直管1-2设置在腐蚀槽1下部，目的是使腐蚀液由籽晶下部以较缓慢速度升至合适液位刻度，防止在腐蚀槽1上方注入腐蚀液时，对籽晶进行冲击导致籽晶冲落，及冲入的腐蚀液部分飞溅、沾附至高纯热氮气通入短直管1-1，使吹出的高纯热氮气沾污。腐蚀液通入短直管1-2向上翘、与腐蚀槽1壁的夹角为50-60°，目的是籽晶在去离子水清洗完，通过泄流管排放干净去离子水后，腐蚀液通入短直管1-2与腐蚀槽1接口处没有残存的去离子水；防止下一步的热氮烘干工艺中，流动的热氮气会带进接口处残存去离子水的水汽，影响烘干效果，降低工作效率。腐蚀液通入短直管1-2的开关截止阀，一般为闭锁状态，需要通腐蚀液时才打开。
去离子水通入短直管1-3设置在腐蚀槽1下部，目的是使去离子水由籽晶下部以较缓慢速度升至合适液位刻度，防止在腐蚀槽1上方注入去离子水时，对籽晶进行冲击导致籽晶冲落，及冲入的去离子水部分飞溅、沾附至高纯热氮气通入短直管1-1；去离子水通入短直管道1-3向上翘、与腐蚀槽1壁的夹角为50-60°，目的是籽晶在去离子水清洗完，通过泄流口排放干净去离子水后，去离子水通入短直管道1-3与腐蚀槽1接口处没有残存的去离子水；防止下一步的热氮烘干工艺中，流动的热氮气会带进接口处残存去离子水的水汽，影响烘干效果，降低工作效率。去离子水通入短直管道1-3的开关截止阀，一般为闭锁状态，需要通去离子水时才打开。
溢流排液短直管1-4处在腐蚀槽1上合适的高度，其合适的高度是指：当液体在合适的液位刻度，使摇摆平台4-4需要调至最大的工艺摆幅和最快的工艺摆速时，由于摆动对腐蚀液造成的惯性，不会冲流到溢流排液短直管1-4与腐蚀槽1接口处，即不会由于摆动而使腐蚀液逐渐流失，导致在摆动过程中籽晶表面露出腐蚀液表面，而产生腐蚀速率不一致或腐蚀不均匀的现象发生。溢流排液短直管1-4向下翘、与腐蚀槽1壁的夹角为50-60°，目的是用于清洗籽晶的去离子水，上升至溢流排液短直管1-4与腐蚀槽1接口处时，迅速溢流排走，不会出现被溢流液体的反流现象，使清洗的更加彻底，提高清洗效率。
所述腐蚀槽1底部设有排泄管和配套的开关阀，所述腐蚀槽1内壁设置有流入腐蚀液的液位刻度。
在腐蚀槽1内两侧且与籽晶支撑轮3-2同一水平位置安装有防撞缓冲垫3-5。防撞缓冲垫3-5为氟胶或聚四氟乙烯等防腐蚀耐温材料。为防止籽晶支撑轮3-2一侧的限位杆3-3由于老化意外断裂导致籽晶支撑轮3-2旋转失控，或摇摆电机故障导致摆幅摆速异常，或其它因素，导致籽晶端面撞向腐蚀槽1壁，造成籽晶或腐蚀槽1壁的损坏。
基于所述的摇摆式籽晶表面腐蚀、清洗、烘干装置的工艺方法，所述工艺方法包括以下步骤：
1）打开腐蚀槽盖2，通过专用夹具将籽晶放置在籽晶支撑轮3-2的合适位置，盖上腐蚀槽盖2；
2）打开腐蚀液通入短直管1-2的开关截止阀，使腐蚀液以0.35L/min流速通入腐蚀槽1内，待腐蚀液液面平稳升至合适液位刻度时，关闭腐蚀液通入短直管1-2的开关截止阀；启动摇摆机构，以10°～20°摆幅和1°/S～2°/S摆速对籽晶进行腐蚀，腐蚀2-5min后，关闭摇摆电机，待摇摆平台4-1恢复至初始的水平位置后，打开排泄管的开关阀，使腐蚀液以0.5L/min流速缓慢排出，待液体全部排掉，关闭排泄管的开关阀；
3）打开去离子水通入短直管1-3的开关截止阀，使去离子水以0.4L/min流速通入腐蚀槽1内，待去离子水液面平稳升至溢流排液短直管1-4处开始溢流时，开启摇摆电机，以10°～20°摆幅和1°/S～2°/S摆速对籽晶进行溢流清洗，清洗10-20min后，关闭摇摆电机和去离子水通入短直管1-3的开关截止阀；打开排泄管的开关阀，使去离子水以0.5L/min流速缓慢排出，待液体全部排掉，关闭排泄管的开关阀；
4）打开高纯热氮气通入短直管1-1的开关截止阀，使高纯热氮气以2-3L/min流速通入腐蚀槽1内，对籽晶进行吹扫和烘干；同时开启摇摆电机，以10°～20°摆幅和1°/S～2°/S摆速对籽晶进行摇摆，待10-15min后，关闭高纯热氮气通入短直管1-1的开关截止阀和摇摆电机，操作完成。
上述方法产生的技术效果：在籽晶与籽晶支撑轮3-2产生相对运动过程中，籽晶棱边与籽晶支撑轮3-2的接触面随时变化，所有籽晶接触面均得到相应工艺处理，即籽晶全部表面都可以获得腐蚀、清洗、烘干的工艺处理。在常规的静态腐蚀工艺中，会经常出现2种情况导致籽晶腐蚀不彻底：1、在腐蚀籽晶过程中，至少会有籽晶的一端面总要与腐蚀器皿的内壁接触，在相互接触面处，腐蚀液相对较难浸入，接触面内外的腐蚀液相互交换相对较困难，接触面处的籽晶端面得不到充分的腐蚀。2、在腐蚀籽晶过程中，籽晶表面会与腐蚀液产生反应，生成气泡；籽晶下表面产生的气泡，有时会被下表面挡住，被阻止上升至液体表面，依附在籽晶下表面上。这样在籽晶下表面气泡内的局部区域，相对反应较慢或不反应，使整体腐蚀不均匀，表面杂质清理不彻底。本发明通过调整相应的工艺摆幅和工艺摆速，在摇摆过程中，使籽晶各个面得到充分的腐蚀处理，并会使籽晶下表面产生的气泡由于籽晶倾斜，更顺利摆脱籽晶下表面的阻挡，漂浮至液体表面，使反应更均匀、更充分、更彻底。同样后续常规的清洗、烘干工艺中，通常使用专用的籽晶夹具夹持着籽晶，在去离子水和热氮气枪下清洗和烘干。但籽晶的夹持部位，会相对清洗和烘干的不彻底。此发明装置在清洗和烘干工艺中，也是通过调整相应的工艺摆幅和工艺摆速，在摇摆过程中，使籽晶各个面得到充分、彻底的清洗和烘干处理。
