双面刷洗机和碳化硅晶片表面的清洗方法与流程

1.本发明涉及碳化硅新材料技术领域，具体涉及一种双面刷洗机以及一种碳化硅晶片表面的清洗方法。


背景技术：

2.以sic为代表的第三代宽带隙半导体材料，是发展大功率、高频高温、抗强辐射蓝光激光器和紫外探测器等技术的核心。sic晶体具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低、化学稳定性好等特点，是电力电子领域si的首选替代品，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等领域有着广泛的应用前景。
3.对于制作应用器件的碳化硅晶片表面洁净度要求非常高，在抛光后的晶片表面残留抛光液、金属离子等污染物，因此通常在使用或出厂前，对晶片进行一系列清洗过程。目前行业内大多使用rca湿式化学清洗技术来进行晶片清洗，通过调整清洗液的配比、清洗温度、清洗时间等工艺来达到不同的清洗效果。然而，利用现有技术清洗后的晶片上往往有少量颗粒无法被清理干净，无法达到晶片出厂表面清洁度标准，清洗效果不够理想。
4.因此，需要开发一种能够实现碳化硅晶片表面高洁净度的清洗方法和清洗装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种双面刷洗机，该双面刷洗机包括接收结构，其设置在第一毛刷和第二毛刷之间的居中位置的下方，用于接收碳化硅晶片，该接收结构可以上下移动，能够将清洗后的碳化硅晶片重新推回清洗区，实现碳化硅晶片的自动重复清洗，从而实现碳化硅晶片表面的高洁净度。而现有的双面刷洗机无法实现自动重复清洗，清洗效果不够理想。
6.本发明还提供一种碳化硅晶片表面的清洗方法，该方法通过超声波清洗和双面毛刷清洗两道清洗工艺，达到了高洁净度的晶片表面洁净度要求。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
8.本发明提供一种双面刷洗机，包括：
9.第一毛刷和第二毛刷，所述第一毛刷和所述第二毛刷平行设置，并且与待清洗的碳化硅晶片的表面平行设置，所述第一毛刷能够与碳化硅晶片的一个表面接触并清洗该表面，所述第二毛刷能够与所述碳化硅晶片的另一表面接触并清洗该表面；
10.接收结构，所述接收结构设置在所述第一毛刷和所述第二毛刷之间的居中位置的下方，并且所述接收结构的正中间设置有槽缝，所述槽缝用于接收所述碳化硅晶片；
11.感应器，所述感应器设置在所述接收结构内部，用于感应所述碳化硅晶片进入所述槽缝内的深度；
12.升降结构，所述升降结构设置在所述接收结构的底部；以及
13.控制系统，所述控制系统分别与所述感应器和所述升降结构连接，用于接收感应器传输的信号并控制所述升降结构的升降。
14.本发明还提供一种碳化硅晶片表面的清洗方法，包括：
15.对碳化硅晶片进行超声波清洗；以及
16.采用上述的双面洗刷机进行双面毛刷清洗。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果：
18.1、本发明提供了一种双面刷洗机，该双面刷洗机包括接收结构，其设置在第一毛刷和第二毛刷之间的居中位置的下方，用于接收碳化硅晶片，该接收结构可以借助其下方的升降结构上下移动，能够将清洗后的碳化硅晶片重新推回清洗区，实现碳化硅晶片的自动重复清洗，从而实现碳化硅晶片表面的高洁净度。
19.2、本发明还提供了一种碳化硅晶片表面的清洗方法，该方法通过超声波清洗和双面毛刷清洗两道清洗工艺，达到了高洁净度的晶片表面洁净度要求。
附图说明
20.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
21.图1为本发明的双面刷洗机的局部结构示意图(图中第一毛刷100和第二毛刷200的毛的朝向相反)。
22.图2为本发明的接收结构的俯视图。
23.附图标记说明：
24.100为第一毛刷，200为第二毛刷，300为碳化硅晶片，400为接收结构，401为槽缝，500为感应器，600为升降结构，700为控制系统，800为第一喷淋结构，900为吸附结构。
具体实施方式
25.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
26.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
27.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
28.下面将结合具体附图对本发明作进一步说明。
29.图1给出了本发明的双面刷洗机的局部结构示意图。具体地，如图1所示，本发明的双面刷洗机包括：第一毛刷100和第二毛刷200，第一毛刷100和第二毛刷200平行设置，并且与待清洗的碳化硅晶片300的表面平行设置，第一毛刷100能够与碳化硅晶片300的一个表
面接触并清洗该表面，第二毛刷200能够与碳化硅晶片300的另一表面接触并清洗该表面；接收结构400，接收结构400设置在第一毛刷100和第二毛刷200之间的居中位置的下方，并且接收结构400的正中间设置有槽缝401，槽缝401用于接收碳化硅晶片300；感应器500，感应器500设置在接收结构400内部，用于感应所述碳化硅晶片进入所述槽缝内的深度；升降结构600，升降结构600设置在接收结构400的底部；以及控制系统700，所述控制系统分别与所述感应器和所述升降结构连接，用于接收感应器传输的信号并控制所述升降结构的升降。
30.本发明的第一毛刷100和第二毛刷200设置在所述待清洗的碳化硅晶片的相对两侧。这样设置能够实现对碳化硅晶片的两个表面的同时清洗，节省清洗时间。
31.图1示出的第一毛刷100和第二毛刷200的毛的朝向相反，这仅仅是为了在图中区别示出第一毛刷100和第二毛刷200，两者的毛的朝向并不限于此。
32.优选地，所述接收结构为上表面向下凹陷的块状结构，所述设计能够与碳化硅晶片的外沿形状相契合，避免碳化硅晶片最底部脆弱处向下移动碰到接收结构时造成崩裂或刮伤。优选地，所述上表面呈弧形凹陷。
33.优选地，所述接收结构为橡胶材质。橡胶材质不会损伤晶片表面。
34.本发明对于槽缝401的尺寸大小没有特别限制，只要能够使碳化硅晶片进入槽缝的深度达到预设值即可。在本发明中，碳化硅晶片进入槽缝的深度(即，预设值)可为8-12mm(针对4寸碳化硅晶片)或13-17mm(针对6寸碳化硅晶片)。
35.优选地，升降结构400为升降台。当所选为4寸碳化硅晶片时，调整升降结构，使接收结构距离吸附结构100-120mm；当所选为6寸碳化硅晶片时，调整升降结构，使接收结构距离吸附结构160-170mm。该高度的设置恰能使碳化硅晶片下降到一定高度时，进入槽缝的深度能达到预设值，从而能够被重新推回至原来位置开始新一轮清洗。
36.优选地，第一毛刷100和第二毛刷200的材质可为聚乙烯醇、四氟或尼龙丝pa612。毛刷材质本身质地柔软，与晶片表面接触摩擦过程中不会产生任何损伤。
37.优选地，第一毛刷100的数量为至少一个。优选地，第一毛刷100的数量为两个以上。两个以上的所述第一毛刷100沿着碳化硅晶片表面平行设置。优选地，第二毛刷200的数量为至少一个。优选地，第二毛刷200的数量为两个以上。两个以上的所述第二毛刷200沿着碳化硅晶片表面平行设置。在一些实施例中，第一毛刷100和第二毛刷200的数量相同，第一毛刷100和第二毛刷200一一对应地设置在碳化硅晶片的相对两侧。1个第一毛刷100和1个第二毛刷200构成一对清洗毛刷。在一些实施例中，第一毛刷100设置在碳化硅晶片的左侧，第二毛刷200设置在碳化硅晶片的右侧；反之亦可。
38.在本发明中，第一毛刷100和第二毛刷200各自以中心轴为自转轴作自转运动，其中第一毛刷100顺时针旋转且第二毛刷200逆时针旋转，或者，第一毛刷100逆时针旋转且第二毛刷200顺时针旋转。优选地，所述旋转均为匀速旋转，且旋转速率相同，优选均为大于0且小于等于1600r/min。
39.优选地，所述双面刷洗机还包括：至少两个第一喷淋结构800和至少两个第二喷淋结构(图中未示出)，所述第一喷淋结构和所述第二喷淋结构分别设置在所述待清洗的碳化硅晶片的相对两侧，其中至少一个所述第一喷淋结构用于喷淋水且至少一个所述第一喷淋结构用于喷淋有机溶剂；至少一个所述第二喷淋结构用于喷淋水且至少一个所述第二喷淋
结构用于喷淋有机溶剂。这样设置可以实现对碳化硅晶片的化学清洗，进一步提高晶片表面洁净度。
40.在一些实施例中，所述第一喷淋结构和所述第一毛刷设置在所述待清洗的碳化硅晶片的同一侧，所述第二喷淋结构和所述第二毛刷均设置在所述待清洗的碳化硅晶片的另一侧。优选地，所述第一喷淋结构设置在所述第一毛刷的上方，所述第二喷淋结构设置在所述第二毛刷的上方。
41.优选地，所述第一喷淋结构和所述第二喷淋结构设置在碳化硅晶片相对两侧的中上部。
42.优选地，所述第一喷淋结构和所述第二喷淋结构为喷嘴。
43.优选地，所述双面刷洗机还包括：吸附结构900，吸附结构900设置在碳化硅晶片300表面的上部，用于吸附碳化硅晶片300，使之能够移动。
44.优选地，吸附结构900为吸盘。
45.在清洗过程中，碳化硅晶片夹在第一毛刷100和第二毛刷200的正中间，通过与上述毛刷之间的摩擦力，碳化硅晶片在被上述毛刷刷洗的同时匀速向下移动，直至碰到接收结构400，之后，碳化硅晶片向下继续移动并进入槽缝401内，当感应器500感应到碳化硅晶片进入槽缝401内的深度达到预设值时，感应器500将信号反馈给控制系统700，控制系统700传输信号至升降结构600，并控制升降结构600缓慢匀速地向上推动接收结构400至设定好的一定高度，该高度恰能使晶片重新回到清洗区(即，晶片即将开始进行清洗时所处的位置)，使其顶端重新被吸附结构900吸附，从而重新开始新一轮的双面毛刷清洗工序。根据预设需求进行若干个循环。
46.本发明还提供一种碳化硅晶片表面的清洗方法，具体包括以下步骤。
47.首先，对碳化硅晶片进行超声波清洗。
48.优选地，所述超声波清洗包括：利用多频段超声波和清洗液对所述碳化硅晶片进行预清洗。
49.优选地，所述清洗液可为盐酸(浓度为33％)和双氧水(浓度为35％)的混合溶液(混合体积比例1:1)，盐酸(浓度为33％)、双氧水(浓度为35％)和稀硫酸(浓度为67％)的混合溶液(混合体积比例2:2:1)，盐酸、双氧水和稀硝酸的混合溶液(混合体积比例2:2:1)，或者盐酸(浓度为33％)、双氧水(浓度为35％)、稀硝酸(浓度为30％)和稀硫酸(浓度为67％)的混合溶液(混合体积比例2:2:1:1)。双氧水主要起氧化作用，强氧化性可去除无机玷污及有机玷污，盐酸中氯离子起到络合作用可去除金属杂质，盐酸与其他无机酸起到化学腐蚀作用，使得杂质更易溶于溶液而被去除。
50.另外，超声波清洗后的晶片表面会残余清洗液，清洗液中的氯离子在双面毛刷清洗中能起到络合作用，使晶片表面上的许多金属生成溶于水的络离子，从而被除去。
51.优选地，所述多频段超声波的频率可为28～55khz、70-85khz或97-105khz。这些频率内清洗效果足够且不会调整过高导致浪费过多能源，节省工艺成本。
52.优选地，超声波清洗时长可为5-20min，优选10-15min。
53.优选地，超声波清洗温度可为70-100℃，优选80-95℃。对于晶片表面来说，杂质吸附是一个放热过程，而解吸是一个吸热过程，提高温度有利于晶片表面杂质粒子的解吸。
54.优选地，超声波清洗时长可为5-20min，优选10-15min。优选地，超声波清洗温度可
为70-100℃，优选80-95℃。清洗时长过短或清洗温度过低时，会造成清洁力度不够，无法达到超声波清洗目的；清洗时长过长或清洗温度过高时，一方面会造成不必要的电力能源浪费和工作时间浪费，另一方面在高温环境下清洗过长，存在导致碳化硅晶片崩裂表面损坏的风险。在本发明的清洗时长和温度范围内，可以达到有效清洗晶片表面杂质的目的。
55.本发明的超声波清洗能够在强烈的超声波作用下使清洗液内部产生疏部和密部，疏部产生近乎真空的空穴，当空穴消失瞬间，其附近便产生强大的局部压力，使分子内的化学键断裂，从而使晶片表面的杂质解吸。当超声波的频率和空穴的振动频率共振时，机械作用力达到最大，泡内积聚的大量热能，使温度升高，促进化学反应的发生，有利于清除晶片表面附着的大块污染颗粒。超声波清洗通过气蚀作用洗掉晶片上较大金属颗粒的污染。此外，还能够通过改变频段来改善清洁效果。而晶片上的小于1微米的颗粒需要通过双面毛刷清洗来去除。下面将详细描述双面毛刷清洗过程。
56.然后，采用上述的双面洗刷机进行双面毛刷清洗。
57.优选地，所述双面毛刷清洗包括：通过毛刷并利用有机溶剂和水对所述碳化硅晶片的每个表面进行清洗。优选地，所述水为超纯水。在本发明的一些实施例中，所述有机溶剂和水被喷淋在所述碳化硅晶片上。所述喷淋可借助上述双面刷洗机中的喷淋结构进行。所述毛刷为上述双面刷洗机中的第一毛刷和第二毛刷。
58.优选地，所述有机溶剂可为氨水(浓度为25％)，或者为氨水(浓度为25％)和双氧水(浓度为35％)的混合溶液(混合体积比例1:1)。
59.所述双面毛刷清洗借助双面毛刷(即上述第一毛刷和第二毛刷)并配合所述有机溶剂和水来进行。一方面，质地柔软的毛刷能快速清除表面易溶颗粒。另一方面，氨水具有络合性，许多金属生成溶于水的络合性，从而达到高洁净度清洗的目的。络合反应属于化学吸附，化学吸附是伴随着电荷移动相互作用或生成化学键的吸附，化学吸附的作用力是较强的价键力，因此，化学吸附具有化学反应的特点。化学吸附后吸附质分子与吸附剂原子之间形成吸附化学键，组成表面络合物，它与原吸附质分子相比，由于吸附键的强烈影响，其结构变化较大，反应活化能降低很多，加快了反应速率。在物理吸附中，基本上是通过吸附质与吸附剂表面原子间微弱的相互作用而在表面附近形成分子层；而化学吸附则源自吸附质的分子轨道与吸附剂表面的电子轨道的相互作用。因此，氨水的络合作用和双氧水的氧化作用能够同时作用，使许多金属离子形成稳定的可溶性络合物而溶于水，从而将碳化硅晶片更深层次的原子型杂质给去除掉，起到真正意义上的高洁净度清洗。另外，过氧化氢的氧化作用和盐酸(超声波清洗后残余的)的溶解作用以及氯离子的络合性能够使许多金属生成溶于水的络离子。在双面毛刷清洗过程中，物理清洗和化学清洗共同配合，相辅相成，显著提高了晶片表面的洁净度，满足现今碳化硅市场上对于碳化硅晶片的更高洁净度性能要求。
60.本发明的双面毛刷清洗在上述双面刷洗机中进行，具体地包括：将所述碳化硅晶片的两个表面分别与第一毛刷和第二毛刷接触；利用所述第一毛刷和所述第二毛刷以及所述有机溶剂和水对所述碳化硅晶片的两个表面进行清洗；在清洗过程中，所述碳化硅晶片保持向下移动，当进入接收结构内的深度达到预设值时，所述接收结构借助与其连接的升降结构能够向上移动，从而将所述碳化硅晶片重新推回到即将开始进行清洗时的位置，如此重新开始新一轮的双面毛刷清洗过程，根据预设需求进行若干个循环。优选地，双面毛刷
清洗可重复循环进行5-10次，优选5-7次。
61.优选地，本发明的清洗方法还可包括：在所述超声波清洗和所述双面毛刷清洗两个步骤完成后进行烘干。
62.优选地，所述烘干包括：通过在所述碳化硅表面吹扫等离子气体来进行烘干。
63.优选地，所述等离子气体可为氮气和氩气中的一种或两种。
64.氮气和氩气均为稳定性气体，极不活泼，一般不会与晶片表面成分发生额外的化学反应，因此可用来烘干碳化硅晶体表面，且气体单一纯净，不会带来额外增加的杂质。通过在晶片表面强力吹扫等离子气体，能够达到带走表面最后杂质和烘干的目的。
65.优选地，烘干时间可为5-20min，优选5-10min。
66.烘干可在常温下进行，或者烘干温度可为80-90℃，优选85-90℃。
67.下面结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明。
68.除非另有说明，实施例中使用的原料和试剂均为市售商品。本文未记载的试剂、仪器或操作步骤均是本领域普通技术人员可常规确定的内容。
69.实施例1
70.首先，进行超声波清洗工序，具体包括：将装满6寸碳化硅晶片300的料盒整个放入超声波清洗槽内，槽内清洗液(盐酸和双氧水的混合溶液)容量以能完全没过碳化硅晶片300为宜，点击开始按钮，多频段超声波(频率分别为55khz、85khz和105khz)配合清洗液对料盒内碳化硅晶片300进行预清洗。超声波清洗时长为5min，超声波清洗温度为100℃。
71.然后，在双面刷洗机中进行双面毛刷清洗工序，具体包括：将装满碳化硅晶片300的料盒放置于双面刷洗机的清洗等待区内，使料盒正好能卡在清洗等待区卡槽内(该清洗工艺中料盒和卡槽设计能够满足不同规格的碳化硅晶片清洗)。之后，调整升降结构，使接收结构距离吸附结构165mm。该高度的设置恰能使碳化硅晶片下降到一定高度时，插入到槽缝401的深度能达到预设值(15mm)，从而能够被重新推回至原来位置开始新一轮清洗。然后，将吸附结构900以卡槽中心线为轴线，从上往下移动至碳化硅晶片300顶端并将碳化硅晶片300依次吸附起来，紧接着移动至双面刷洗机刷洗区内，使碳化硅晶片300正好处于第一毛刷100和第二毛刷200正中间且碳化硅晶片300底端恰能与第一毛刷100和第二毛刷200接触。刷洗区共有四个喷嘴，分别位于待清洗的碳化硅晶片300的相对两侧，每侧的两个喷嘴分别朝向碳化硅晶片300表面喷出有机溶剂(氨水)和超纯水，第一毛刷100和第二毛刷200分别做自转运动，其中碳化硅晶片300左侧的第一毛刷100匀速顺时针旋转，右侧的第二毛刷200匀速逆时针旋转，且第一毛刷100和第二毛刷200的旋转速率大小相同，均为1000r/min。碳化硅晶片300夹在第一毛刷100和第二毛刷200的正中间，凭借与它们的摩擦力，在被毛刷刷洗的同时，匀速向下移动，直至碰到接收结构400(设置在第一毛刷100和第二毛刷200之间的居中位置的下方)。之后，碳化硅晶片300向下继续移动并进入槽缝401内，当设置在接收结构400内的感应器500感应到碳化硅晶片300进入槽缝401内的深度达到预设值(15mm)时，感应器500反馈信息至升降结构600(即升降台)，升降结构600缓慢匀速向上推动接收结构400至设定好的一定高度，该高度恰能使碳化硅晶片300重新回到清洗区(即，碳化硅晶片300即将开始进行清洗时所处的位置)，使其顶端重新被吸附结构900吸附从而重新开始新一轮的双面毛刷清洗工序。根据预设需求如此进行5个循环。
72.最后，吸附结构900重新吸附起经双面毛刷清洗后的碳化硅晶片300，并移动插入
烘干等待区的料盒内，按下烘干(温度为90℃)模式按钮，烘干等待区内气管吹出等离子气体(氮气)将碳化硅晶片300完全烘干(耗时5min)，至此整个清洗工艺结束。
73.实施例2
74.按照实施例1描述的方法进行，不同之处在于，在超声波清洗过程中，清洗液为盐酸(浓度为33％)、双氧水(浓度为35％)与稀硫酸(浓度为67％)的混合溶液(混合体积比例为2:2:1)；多频段超声波频率为28khz、70khz和97khz；超声波清洗时长为20min，超声波清洗温度为70℃；在双面毛刷清洗过程中，有机溶剂为氨水(浓度为25％)和双氧水(浓度为35％)的混合溶液(混合体积比例为1:1)；双面毛刷清洗重复进行10个循环；在烘干过程中，等离子气体为氩气；烘干时长为20min，烘干温度为80℃。
75.现使用较为频繁的传统工艺清洗即为用超声波清洗机对碳化硅晶片进行湿式清洗，超声波清洗时间为10min，对温度无要求，工作频率为20khz，清洗液成分为：6-8％脂肪醇聚氧乙烯醚作为表面活性剂，8-12％椰子油烷醇酰胺(6501)作为表面活性剂，2-5％油酸三乙醇胺作为表面活性剂，6-8％单乙醇胺作为防锈剂，0-1％苯并三氮唑作为缓蚀剂，1-3％二钠作为络合剂，70-77％的水，去除碳化硅晶片表面分子型杂质，然后用高纯度去离子水将碳化硅晶片表面冲洗干净，再烘干得到洁净表面的碳化硅晶片。下表1为经传统工艺清洗后与本发明工艺清洗后的晶片表面杂质颗粒数量(单位是个)对比，从表中很容易看出经本发明工艺清洗后的颗粒数要远远小于传统清洗工艺的颗粒数，且在颗粒大小层面上，各档位颗粒数目清洁程度也是本发明工艺优于传统工艺。
76.表1：
[0077][0078][0079]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。