碲锌镉衬底在CMP后的清洗控制方案探讨

张 峰，孟 超，谢振民

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 概述

以碲锌镉单晶为基础，主要分为高能射线光电探测器和红外光电成像探测器两个应用方向，碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_xTe或CdZnTe)是制备碲镉汞红外焦平面探测器的理想衬底材料，通过改变碲锌镉的锌组分可以与不同组分的碲镉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镉汞材料的首选衬底[1]。

2 控制方案简介

该清洗流程是在碲锌镉衬底划片完成后，自动进行背面除蜡和正面去除光刻胶的工艺。涂蜡目的是，在减薄机械抛光时，粘连在标准尺寸的硅片或石英片上，用于机械抛光时的固定。抛光结束后，需防护正面以防止划伤故均匀涂抹光刻胶。然后在70℃热水槽内浸泡60min，取出晶片，再进行清洗。

清洗先要进行上挂，正反面依次清洗，第一步进行背面的除蜡工艺，除蜡完成后第二步进行正面除胶工艺，除胶完成后第三步烘干，最后下挂。

实现方式：使用额定负重2kg，机械手动作半径504mm的六轴机器人作为搬运载体，将机器人倒立于平移轴上，平移轴使用400W 16位编码的额定转矩1.3N·m，伺服电机带1：10减速机驱动。搬运中段放置花篮翻转平台。

控制使用三菱Q系列PLC作为主控制，使用CC-Link作为机器人通讯总线。编程方式使用STL步进梯形图实现。

3 清洗工序

3.1 准备条件

配液，1)石油醚浸泡槽，手工倾倒石油醚(沸程(℃)60-90，颗粒符合ASTM 0级)2.5L。2)石油醚二流体喷笔罐，手动卸压后，手工倾倒石油醚9L。3)丙酮二流体喷笔罐，手动卸压后，手工倾倒丙酮9L。4)乙醇二流体喷笔罐，手动卸压后，手工倾倒乙醇9L。

加热，手动打开石油醚浸泡槽加热，加热温度设定35℃，手动打开丙酮乙醇二流体喷笔管路水浴加热，加热温度设定35℃。

3.2 上挂

放置清洗花篮隔层工装共四个，分为背面上挂花篮工装，正面上挂花篮工装，背面下挂花篮工装，正面下挂花篮工装。每个工装隔层共5层。清洗流程开始后先从背面上挂花篮工装取片，从上向下依次提取。下挂时，从下向上放置。

根据清洗批次在上挂隔层中由上到下放置清洗花篮，花篮批次分以下5种。根据清洗种类，设定每一层清洗规格。

表1 晶片花篮规格

每一层可放置任意批次。

3.3 选择清洗工艺

根据清洗工艺设定每一层的清洗工艺。

表2 晶片清洗工艺

3.4 清洗流程

全流程工艺如图1所示，使用STL步进流程图编程方式，可根据工艺实现进行跳步，将每个工艺变为模块化程序，在主程序中，只需调用某工艺，实现多种流程任意编程。具体在实现时还需模拟运行，查看机器人轨迹是否存在干涉，如果存在干涉还需以增加中转点的方式规避干涉。在机器人的喷洗工艺中，由于每种规格晶片的排布不同，还会根据工艺自动调整移动轨迹，既能节省喷笔液体的使用和喷洗时间，又能针对每一种晶片的清洗死角进行彻底洗净。

图1 清洗全流程图

4 分体控制介绍

4.1 石英浸泡槽兆声控制

兆声发生器采用德国Weber 950 kHz 600W发生器，以底部水浴形式进行兆声清洗。控制上采用RS485通讯方式进行，通讯协议格式如下[2]：

图2 兆声发生器通讯格式

4.2 喷笔摆臂控制

摆臂升降、摆动均由伺服电机控制，摆臂前端固定二流体喷笔，二流体喷笔由试剂和氮气混合喷出，经过特殊结构喷出为具有一定压力的雾状，喷洗时，机器人夹具进行全轨迹慢速移动，与喷笔形成相对移动，能够对于晶片全范围的清洗覆盖。对于每个规格的晶片花篮，机器人清洗时的移动轨迹也不同，如图3所示为K1花篮。机器人夹具将花篮平放于喷笔下方，喷笔距花篮高度大约5～8cm，太近的话，喷笔的喷雾处于收缩状，易将晶片喷飞，太远喷笔喷雾太扩散不利于清洗。喷笔起始位置在晶片4右下角，清洗开始后，喷笔位置不动，夹具由起始位置以2mm/s速度平行于喷笔作直线位移移动至晶片3左下角，夹具水平向前移动5mm，然后再返回左侧晶片4边界，夹具水平向前移动5mm，往返移动，此时喷笔的二流体持续喷出。直至到达晶片1左上角。该液体清洗结束，若是丙酮或乙醇清洗时，当二流体喷洗完成后，还需只使用柱状液体(关闭氮气)快速往返冲洗一次。

图3 晶片花篮结构简图

4.3 氮气烘干加热

氮气烘干加热摆臂同喷笔摆臂相同采用两组伺服电机进行控制。烘干是厂务氮气通过一组材质为SUS 316L 4kW 的在线加热器加热后实现。氮气压力0.6MPa，流量10m3/h。由于喷洗二流体中含有丙酮、乙醇这些易燃液体。故此在线加热器的安全是第一位的，保护措施见表3。

表3 在线加热器安全防护措施

氮气加热通过条缝式风刀进行吹风，条缝宽度为0.5mm，烘干需要在石油醚喷洗时就提前开启，晶片花篮在经过乙醇喷洗后，机器人将其置于烘干风刀下方，此时烘干风刀会关闭瞬间，防止移动时将晶片吹飞，风刀的高度距离晶片高度为2～3cm，风刀起点须与晶片左边缘相平行，并使风刀起始吹的面在晶片上。由于风刀摆臂所做的运动轨迹为圆弧，风刀摆臂在摆动时，机器人带的夹具也必须圆弧运动，晶片花篮与风刀保持相对静止。风刀在晶片上扫描式吹风，且只能一次吹干。风刀结束时停留在晶片右边缘，并延时3s。

风刀和夹具移动时需保持相对静止，必须依据以下公式计算出风刀移动的弧长和速度，机器人以圆弧坐标按照风刀的长度和速度进行相对移动。

(1)

式中，l：烘干摆臂移动圆弧长度；n：烘干摆臂伺服电机转动角度；R：烘干摆臂伸出半径。

风刀吹完的晶片经过10倍光学显微镜观察是否清洗洁净，是否残留光刻胶和黏附蜡，是否在烘干后残留试剂点和溅射上的亮点。

图4 显微镜下的试剂点 图5 显微镜下的亮点

5 控制难点

1)背面去蜡，作为在机械抛光时固定晶片，晶片背面必须满面涂满蜡并有足够的厚度才可以足够的结合力防止晶片在抛光时发生位移。使用液体：石油醚，沸程(℃)60～90，颗粒符合ASTM 0级。MOS级，浸泡温度为：35±1℃，使用频率为950MHz 兆声底部，浸泡时间 6min。

使用950MHz底部水浴兆声，浸泡6min，再使用二流体喷笔，进行轨迹喷洗。

2)在将背面去蜡后还需翻片，碲锌镉衬底材料的清洗，要求正反面都不能有真空吸附，只能在夹具上自然翻转，夹具。

3)一次烘干，烘干必须一次完成，不能往返重复烘干，烘干采用氮气风刀出口温度在50±5℃范围内，风刀式吹干，吹出的热风为线状，不能发散，目的就是将晶片上液体一次赶走无残留，若吹风过程中试剂未吹干或返溅回已干区域均会形成残留试剂点导致此晶片报废。吹风起始位置务必与晶片起点齐平。

6 结束语

目前国内此类设备还处于空白，由于红外探测器材料的脆弱性，现阶段的清洗主要还是以人工清洗较多，人工清洗存在以下问题：

1)有机试剂对人身的伤害。

2)每批次清洗的不确定性和不稳定性。

3)单片清洗效率低，且碎片率也较高。

该文探讨的控制方案能够有效避免上述缺陷，目前已在客户单位清洗设备上得到成功应用。