蓝宝石衬底清洗工艺

��发布时间：2021-11-15 ��浏览次数：5248次

                                    蓝宝石衬底清洗工艺

 

 

 

 

1、 引言

2、 污染物杂质分类

3、 清洗的设备仪器

4、 清洗的工艺流程

5、 清洗间的操作规范

6、 硫酸溶液的安全使用

 

 

 

 

 

 

 

付星星

2011-7-14

 

 

1，引言

近二十年来，氮化镓基发光二极管（GaN-based LEDs）取得了飞跃式发展，并实现了大规模的产业化生产。GaN-based LEDs 由于其高效、节能、环保等优越性能，将取代现有的白炽灯、荧光灯、卤化灯等而成为主流的固态照明工具。

然而，同质外延生长所用的高质量GaN衬底的价格昂贵且远不能满足大规模生产的需求。现有的外延衬底大部分仍是蓝宝石，由于蓝宝石与GaN材料存在晶格失配和热失配等缺点，这阻碍了GaN晶体质量的提高，从而导致了GaN发光器件性能的进一步提高。大量研究表明，图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate, PSS）有利于降低晶体的位错密度和应力释放，从而大大改善GaN晶体的质量和GaN基发光器件的性能。

目前，世界各国在图形化蓝宝石衬底（PSS）的制备工艺上还没有一个相对成熟和标准化的清洗方法。中镓半导体科技有限公司在蓝宝石衬底的清洗方法上进行了大量的研究和改进。在此，我们对蓝宝石衬底清洗工艺中的仪器设备、工艺流程、操作规范及注意事项等进行了规范和总结。

 

2，污染物杂质分类

蓝宝石制备需要有一些有机物和无机物参与完成，另外，在PSS的制备过程中总是在人的参与下在超净间进行，这样就不可避免的产生各种环境对蓝宝石及PSS污染的情况发生。根据污染物发生的情况，大致可将污染物分为颗粒、有机物、金属污染物及其他。

(1)颗粒

 颗粒主要是一些聚合物，光刻胶及刻蚀杂质等。通常的颗粒粘附在晶片表面，根据颗粒与表面的粘附情况分析， 其粘附力主要是范德瓦尔斯吸引力，所以，对颗粒只要采取物理或化学的方面进行清除，逐渐减少颗粒与晶片的接触面积，最终将其去除。

(2) 有机物

有机物杂质在PSS制备中以多种形式存在，如人的皮肤油脂，净化室的空气、机械油、机硅树脂真空脂、光刻胶残余物、清洗溶剂等。每种污染物都对PSS的制备过程有不同程度的影响，通常在晶片表面形成有机薄膜阻止清洗液到达晶片表面，因此，有机物的去除常常在清洗工序的第一步进行。

(3) 金属污染物

蓝宝石本身的化学机械抛光过程会潜在引入金属污染源。

(4) 其他污染物

在清洗过程中，也可能会引入污染物，如，SPM具有强氧化性，会使有机残余物被氧化、碳化、硫化等，生成物粘附在晶片表面，不易去除。

3，清洗的设备仪器

主要以湿法清洗为主，以下是与湿法清洗相关的设备仪器。

[1] 有机溶剂清洗机【苏州华林科纳公司】

【用途】循环去离子(DI)水，对蓝宝石进行冲洗；形成局部通风区域，对清洗过程产生的有毒腐蚀性气体进行及时排除。

【操作流程】流程操作相对简单，在此不再强调。

【注意事项】

 （1）在清洗机内作业时，打开机器的通风设备，关闭外窗门，以防止有机溶剂气体扩散到清洗间，污染样品，损害操作人员健康；

 （2）保持清洗机内的清洁卫生，不摆放除超声设备、烧杯、花篮以外的其他设备。

 

 

[2] 超声波/兆声波设备

   【用途】超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。

（1）空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。

　（2）直进流作用：超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm2时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为10cm/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。

（3）加速度：液体粒子推动产生的加速度。对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。

【超声频率】 

　　通常选择从20kHz到30kHz范围内的清洗频率

【清洗温度】

一般来说,超声波在50℃-85℃时,效果最好。

[3] 甩干机

【用途】对清洗干净后的蓝宝石样品进行旋转吹干处理。

【操作流程】基本工艺流程如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

【注意事项】

(1) 设备运行时，腔体内必须放卡塞,否则由于平衡破坏造成设备损坏或精度降低；

(2)晶片必须均匀放置在卡塞内，尽量保证首尾重力平衡；

(3)卡塞放置在腔体内时，片子正面应朝向观察窗一侧；

(4)设备运行中不得试图打开密封门盖，否则会造成人体伤害或机器损坏；

(5)关机重启后，时间间隔1分钟以上，否则可能会造成电气损坏；

(6)设备运行中，注意去离子水流量不得超过允许值，否则可能由于排放受阻而造成机器损坏；

(7)每次运行完毕后取出片子时，注意卡塞口是否朝上，纠正后再取出，否则片子会掉出来；

(8)一旦发现水路的关联件出现“漏水”、“滴水”现象应立即关机，检修后再运行

 

[4] 烧杯、花篮、样品盒

【用途】清洗蓝宝石衬底的辅助工具

【注意事项】

(1)每天需要在使用超声波的前提下，依次用丙酮、异丙醇、DI水清洗烧杯和花篮，各5 min;

(2)样品盒均需依次用异丙醇、DI水超声清洗，各10 min，然后用氮气抢吹干；

 

[5] DI水电阻监测计

【用途】监测DI水的纯度

 

 

 

 

4，清洗的工艺流程

[1] 清洗常用的化学试剂

n 丙酮（ACE）

 【用途】除去有机残余物，有机颗粒；除去光刻胶。

n 异丙醇（IPA）

【用途】溶解丙酮，将有机残余物溶解。

n DI水

【用途】溶解异丙醇，带走残余物。

n SPM:  (H₂SO₄ : H₂O₂ : H₂O）

【用途】具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于溶液中，并能把有机物氧化生成CO₂和水。SPM可去除表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污较重时会使有机物碳化而难以去除。

n DHF:  (HF: (H₂O₂): H₂O)

【用途】腐蚀表面氧化层，去除金属沾污

n APM(SC-1) : (NH₄OH : H₂O₂ : H₂O)

 【用途】能除去粒子、部分有机物及部分金属

n HPM(SC-2): (HCl : H₂O₂ : H₂O)

 【用途】主要用于去除金属沾污

 

[2] 清洗的工艺流程示意图

 

(A) 新投片：

新丙酮【超声波，60°C/ 10 min】      DI水【冲洗，5 min】          异丙醇【超声波，60°C/ 10 min】      DI水【冲洗，5 min】                   

SPM【90°C， 10 min】       DI水【冲洗，5 min】                                                      

DI水【兆声波，60°C/ 10 min】    DI水【冲洗，10 min】    甩干

 

(B) 返工品1【涂胶前返工片清洗】：

SPM【90°C， 10 min】       DI水【冲洗，5 min】

DI水【兆声波，60°C/ 10 min】        DI水【冲洗，10 min】

       甩干

 

(C) 返工品2【残余光刻胶返工片清洗】：

旧丙酮【超声波，60°C/ 10 min】       新丙酮【超声波，60°C/ 10 min】

      DI水【冲洗，5 min】        异丙醇【超声波，60°C/ 10 min】       

      DI水【冲洗，5 min】        SPM【90°C， 10 min】          

DI水【冲洗，5 min】     DI水【兆声波，60°C/10min】                                     DI水【冲洗，10 min】      甩干    

 

[3] 清洗流程的操作规范

(A) 新投片的清洗

(1) 用丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)、去离子(DI)水依次进行超声清洗超声设备内槽、烧杯、花篮、卡塞及样品盒；

(2) 在二个超声设备的内槽分布倒入 2000 - 4000 ml的丙酮和异丙醇溶液，具体的溶液体积由内槽的容积来定，保证溶液水平面在花篮上平面以上；在一个烧杯中倒入2000 ml丙酮溶液；记录溶液更换日期，按每2000 ml溶液清洗250片晶片的要求规划溶液的清洗次数；

(3) 将晶片用花篮盛放并将其置于丙酮的内槽中，设置超声的温度60°C，并计时超声清洗晶片10分钟，用盖将内槽封闭，并记录溶液累计使用片数

(4) 将放有晶片的花篮取出冲水5分钟；

(5) 将花篮置于异丙醇中,设置溶液温度60°C，记时超声清洗晶片10分钟，用盖将内槽封闭，记录溶液累计使用片数；

(5) 将放有晶片的花篮取出冲水5分钟；

(6) 将放有晶片的花篮置于已配制好的硫酸和双氧水(共1200 ml, H₂SO₄ : H₂O₂ =3:1 ？)溶液中，计时10分钟，并记录溶液使用累计片数；保持溶液的温度为90°C。如果溶液不是新配溶液，需向溶液中按溶液的1/3加入双氧水溶液；

(7) 将放有晶片的花篮取出冲水5分钟；

(8) 将晶片从花篮中取出,放置到特制的卡塞中，将放有晶片的卡塞置于兆声波设备内槽中，在60°C兆声清洗10分钟；

(9) 将放有晶片的卡塞取出冲水10分钟；

(10) 将放有晶片的卡塞放入甩干机中，烘干。

 

(B) 返工品1【涂胶前返工片清洗】清洗

步骤仅为(A)流程中的 (6) — (10)。

 

(C) 返工品2【残余光刻胶返工片清洗】清洗

步骤是在进行(A)之前，将返工品放置于盛有费丙酮的烧杯中10分钟，其他步骤与(A)相同。

 

 

【注意事项】

(1)如有顽固污渍可用棉签蘸丙酮拭擦晶片后再进行清洗作业；晶片冲水前需将水槽注满水；

(2)将花篮和卡塞放置特定的位置，如清洗机的通风橱中，尽量不要手接触花篮或卡塞的边缘，防止样品被污染；

(3)丙酮、异丙醇均为有毒物质，操作前的准备工作一定要做好。操作时一定要戴好口罩和手套；

(4)溶液的配置一定要按相应的比例和容量，保证晶片完全浸泡在溶液中，清洗机的外窗门一定要关闭；

(5)清洗后的晶片倒入清洗过的样品盒前，也需要用氮气枪进行吹净样品盒；

(6) 在样品盒上贴标签时，注意防止标签上的胶水污染晶片；

(7)未经培训，不得进行硫酸溶液配制作业；硫酸溶液使用及废液回收需遵循《硫酸溶液安全使用规范》

 

5，清洗间的操作规范

【目的】规范清洗间作业事项便于安全生产

【操作前的心理准备】

操作前一定要先确定个人情绪是否稳定、精神状态是否良好。如有异常，应立即向负责人报告，进行调整。

【安全操作规范】

(1)操作前，一定要检查工作台通风是否良好，如有异常，向上级汇报或向动力保障部门说明情况，请求调整；

(2)在通风橱里开启药品，并一定要戴上口罩、塑胶手套和防酸手套；

(3)试剂开启前,都必须将外面的塑料袋、橡皮筋取下并扔进垃圾桶；

(4)拧开药品盖后，取下瓶口的塑封膜并扔进垃圾桶，在倾倒药品时，一定要确定塑封膜是否在瓶上；

(5)药品使用完后，必须把瓶盖拧紧并放到安全处；

(6)工作台前的外窗门，在使用时和使用后，均应拉下封闭，防止试剂污染晶片和超净间，危害员工健康；

(7)废液回收时一定要两人同时在场；

(8)有机废液和无机废液要回收严格分开，放入不同密封箱里；

(9)丙酮、异丙醇和去胶液的温度已经固定，不得随意更改。如确有需要，向领班汇报，等待上级批准；

(10)硫酸和双氧水混合溶液一定要等到冷却到30°C以下才能回收。

(11)溶液配制或回收时，溅到操作台上的溶液一定要用水冲干净，再用氮气枪吹干，保持工作台的清洁、干净。  

【注意事项】

(1)当有酸性或强腐蚀性溶液（硫酸、双氧水）不小心溅到皮肤上时，应立即用无尘布（或无尘纸）轻轻擦掉。然后用清水冲洗。

(2)当吸入过量有机物（丙酮、异丙醇），感到头晕、恶心时。一定要向班报告，情形严重的立即就医。

  

6，硫酸溶液的安全使用规范

【目的】安全正确操作硫酸溶液，确保操作者和设备生产的安全。

【安全操作服装规定】

使用高度危险性之化学药品时（如硫酸等），必须穿戴防护面具、抗酸碱防护长袍与抗酸碱手套等

【安全规定】

(1)领取

领取硫酸溶液前需先到仓库开具《危险化学品领料单》，填写物料名称、规格、型号及数量等相关信息，由经理签字副总以上审核后方可到仓库领取物料；用专用手推车搬运物料过程中需轻拿轻放，不可碰撞、倒置或横放物料，包装纸箱不可随物料进入无尘车间；

(2)存储

硫酸溶液的存储应专柜存放，且有通风设备，移动或更换溶液后，应放回原处并扣上门栓。

(3)使用

[1] 所有使用者一律先培训和考核，通过合格后方可自行使用；

[2] 使用化学防护器着装必须齐全，应全程穿戴防酸围裙、防酸手套及防酸面罩，以维护作业时的人身安全；

[3] 使用化学槽前应先确定排气抽风系统正常运行；无机区设备所使用的药品为无机化学药品，切不可将有机类药品（如：丙酮、异丙醇等)拿至该设备区操作与配制；

 [4] 配制新溶液时需再三确认标识，以免发生误配之危险，除会造成制程之损失外，严重易造成工伤事故。另需注意其化学特性及使用期限；

[5]  使用完毕的空瓶，需先经冲洗后方可放置于空瓶回收柜中；

[6] 若要暂时离开，对遗留下来无人管理的化学药品，要加以标签标识使用者名称，化学药品名称，配制日期。绝对不能将任何未贴标签的溶液或尚未清洗的器具放在一旁；

[7] 在化学槽工作时英养成良好的工作姿势，上身应避免前倾至化学清洗槽上方，一方面可防止危险发生，另一方面也可减少被污染的机会；

[8] 不使用化学槽时，应将盖子盖妥，清洗水槽之水和氮气关闭；

[9] 使用完毕的药品、烧杯、晶片，务必物归原位，并做适当处理，时刻保持清洗台面整齐干净。

 

(4)作业规范：

[1] 烧杯使用前要先清洗(丙酮、异丙醇、DI water超声冲洗)，配置溶液前亦然；

[2] 拿烧杯时需用双手，以两手抱紧烧杯外侧拿起；不可单手抓，因为容易滑落甚至摔破。拿烧杯或水杯时，手指不可碰触到杯缘或烧杯内部；

[3] 配置溶液时，化学药瓶不可放于清洗台上，因为药瓶的底部跟外侧都很脏，倒酸时，注意不能让药瓶瓶口接触到杯缘。使用完毕应立刻将药瓶放回柜中；

[4] 酸碱溶液不可与有机溶液混合使用，因为混合时会产生高热、燃烧甚至剧烈爆炸反应。而有机溶液都是易燃物，而不宜放在同一个槽中；

[5] 溶液不慎倾倒到地面时，若面积很大，可先用无尘纸围住，再以吸液棉覆盖，最后置入垃圾桶胶袋内封好。作业时戴厚的防酸手套，小面积的酸碱泼洒可用滤纸、无尘纸吸附。勿在无尘室内使用中和粉末(会有导致颗粒污染)；

[6] 操作本区设备时所使用之防护器具若有污损，需进行清洁并放回原处；

[7] 抗酸碱面罩、围裙之清洗：以擦拭纸沾清水，将沾附之殘酸废碱清除后归回原位；

[8] 在作业过程中发生化学品危害时，应先脱去衣物，请就近使用急救药品及设施。

 

(5)配制硫酸+双氧水顺序：(?)

[1] 先量取400 ml双氧水倒入烧杯中，将量筒用水枪洗净；

[2] 再量取1200 ml浓硫酸，沿着烧杯壁缓缓倒入烧杯中；若要降温，可先将烧杯置于水槽中，开启鼓泡功能；

[3] 清洗用具,打扫台面，将溶液瓶放回至溶液柜中。

 

(6)排放

[1] 排放废液前，先检查溶液温度是否过热，要等其冷却至低于30℃以下才方可倾倒，以避免水槽管路提早劣化；

[2] 在倒酸碱溶液时要先将DI水开启，目的是加速稀释进入管路内的酸碱溶液，且拿一水杯承接，防水四处溅洒，待水杯中的水溢满并流入水槽之后，将酸碱溶液沿槽璧倒入，最后要将杯子清洗干净归位；(?)

[3] 务必依排放规定进行排放，严禁任意倒入任何非指定排放口。

 

(7)酸碱防护服的标准穿戴，如下图：

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