CN112880307B - 多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置及实现方法 - Google Patents

多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置及实现方法 Download PDF

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Abstract

多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置及实现方法，该装置可以解决现有晶圆片在干燥时采用夹持的方式，容易造成晶圆片的破损，其次被夹持的部位不能得到充分的干燥。不采用传统的机械手夹持，采用气悬浮的方式，可以减少晶圆片在夹持过程中因受力不均匀而导致晶圆片损坏。本发明与现有技术相比较体现了其可对多片晶圆片进行悬浮干燥，提高了工作效率。为了实现可调节气流稳定，遮板设计有通孔和栅格孔，当通孔和悬浮台的出气孔同心时，气流速度和对晶圆片的压力不受影响，当遮板转过15°时，此时栅格孔正好与悬浮台出气孔同心，此时气流会变缓，对晶圆片表面的压力会减小。所以可以实现不同厚薄的晶圆片干燥。

Description

多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置 及实现方法
技术领域
本发明涉及晶圆干燥技术领域，尤其是能够实现晶圆悬浮干燥的装置及其实现方法。
技术背景
晶圆是随半导体、光学等领域高新技术的发展而出现的一种新产品。硅晶圆是常见半导体集成电路的主要材料，在晶圆的使用和制备过程中,清洗以及清洗后的干燥都是不可缺少的环节。现有技术中, 常见的晶圆干燥方法主要包括三种：气体吹干法、IPA干燥法和用马兰戈尼的方法。
随着半导体日益向小型化、集成化的方向发展,晶圆的市场需求也向尺寸更大、厚度更薄的产品种类偏移。尺寸的增大和厚度的减少降低了晶圆强度，使得晶圆的干燥难度不断增加。对于大尺寸超薄晶圆的干燥，离心甩干法和气体吹干法都难以适用。并且在搬运过程中更加容易造成晶圆片的破损及划伤。
中国专利申请晶圆干燥装置(申请公布号：CN102768972A)，该发明公开了一种晶圆干燥装置。所述晶圆干燥装置包括：本体、晶圆夹持机构，所述晶圆夹持机构设在所述本体上用于支撑沿竖直方向定向的晶圆；水箱可上下移动地设在所述本体上,水箱的顶壁上设有沿上下方向贯通所述顶壁的槽口用于通过晶圆；水箱驱动件设在所述本体上且与所述水箱相连以便驱动所述水箱上下移动。但是该发明结构复杂，生产成本高且需要夹持晶圆，所以在夹持晶圆的过程中会使得晶圆破损。
中国专利一种安全节能的晶圆干燥装置(授权公告号：CN 207338315U)，该专利公开了一种晶圆片的干燥装置。该专利解决了晶圆表面脱水后的遗留的水痕问题，解决旋转脱水容易造成晶圆破碎问题,也减少了晶圆旋转脱水颗粒沾污问题，降低了生产成本。但是由于晶圆片很薄，机械手夹持晶圆片会很容易导致晶圆片的损坏，而且夹持的区域也不可以完全得到干燥。
针对以上问题，再与现有技术结合，本发明设计出了一种晶圆悬浮的干燥装置，即多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置及实现方法，使得晶圆片能够实现无夹持的干燥。
发明内容
针对以上问题，再与现有技术结合，本发明设计出了一种晶圆悬浮的干燥装置，即多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置及实现方法，使得晶圆片能够实现无夹持的干燥。本发明解决了现有晶圆片在干燥时采用夹持的方式，容易造成晶圆片破损的问题，其次解决了被夹持的部位不能得到充分干燥的问题。不采用传统的机械手夹持，本发明采用气悬浮的方式，可以减少晶圆片在夹持过程中因受力不均匀而导致晶圆片损坏。
为了解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置，其特征是，包括工作台、干燥箱、悬浮仓、悬浮仓承载机构，所述悬浮仓承载机构、干燥箱安装于工作台，所述悬浮仓通过悬浮仓承载机构送入或移出干燥箱；所述悬浮仓由若干悬浮台上下间隔布置而成，且每个悬浮台内置有通气的管道，每个悬浮台设有若干出气孔，相邻两个悬浮台之间的出气孔相对布置，形成气流，以使晶圆片悬浮于两个悬浮台之间。
进一步的，所述悬浮台承载机构包括导轨、电机、固定架板、丝杠、十字架板、滑台；所述导轨固定于工作台，所述滑台与导轨滑动配合，所述丝杠通过固定架板支撑于工作台上，且丝杠与滑台螺纹配合；所述悬浮仓安装于十字架板，所述十字架板安装于滑台顶部，所述电机驱动丝杠，以使滑台带动十字架板、悬浮仓沿导轨水平位移，从而使悬浮仓进入或移出干燥箱。
进一步的，所述滑台一侧安装有气缸，所述十字架板的尾部两侧分别设有左侧推板、右侧推板；左、右侧推板分别位于滑台两侧，并通过滑槽与滑台上下滑动配合；所述气缸的输出轴连接左侧板或右侧板，驱动十字架板带动悬浮仓上行或下行。
进一步的，所述悬浮仓包括旋转固定台，所述悬浮台由上下侧的单通悬浮台、中间的双通悬浮台通过侧边的若干支撑轴连成一体，并与旋转固定台转动连接；所述双通悬浮台的上下侧均布置出气孔，所述单通悬浮台的单侧布置出气孔。
进一步的，所述出气孔内设有多孔质介质，所述出气孔分成若干组，每组出气孔沿悬浮台径向呈直线型分布。
进一步的，每个悬浮台在出气孔处设有遮板，所述遮板上设有若干组直线型排列的通孔以及栅格孔，通孔、栅格孔间隔布置并分别沿遮板径向分布；相邻两组通孔或栅格孔之间的圆心角与相邻两组出气孔之间的圆心角相等；通过旋转遮板，使遮板的通孔或栅格孔与对应悬浮台的出气孔对应，以改变悬浮台出气孔的气流量。
进一步的，所述遮板通过遮板保持架与旋转固定台转动连接，所述遮板保持架由底架、两侧的夹板连成一体，所述底架与旋转固定台转动连接，两侧的夹板置于悬浮台两侧，并共同夹持固定对应的遮板，旋转遮板保持架，以使遮板发生旋转，以改变悬浮台出气孔的气流量。
进一步的，所述遮板的通孔形状为阶梯孔，当气流从下面较大的孔径处进入上面较小孔径处时，形成压力差，产生足够的压力使晶圆片悬浮起来。
进一步的，相邻两组的通孔和栅格孔之间的圆心角为15°，相邻两组的出气孔之间的圆心角为30°。
上述多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置的实现方法，其特征是，包括以下步骤：
1)将晶圆片置于相邻悬浮台之间，给管道内通气，相邻两个悬浮台之间的出气孔相对布置，形成气流，以使晶圆片悬浮于两个悬浮台之间；
2)根据实际需求，旋转遮板保持架，使遮板上的栅格孔或通孔与对应悬浮台的出气孔位置对应，切换出气孔的气流大小，以改变气流对晶圆片表面的压力和干燥的速度；
3)根据实际需求，使悬浮台旋转至合适位置；
4)通过气缸连接左侧板或右侧板，驱动十字架板带动悬浮仓上行或下行；
5)电机驱动丝杠，以使滑台带动十字架板沿导轨水平位移，以使悬浮仓进入或移出干燥箱。
本发明解决了大尺寸超薄晶圆的干燥问题，提供了一种无夹持、干燥彻底、安全无污染的晶圆干燥装置；同时可以实现多片晶圆片同时干燥，也可以实现气流场的可调节，可以适应不同厚薄尺寸的晶圆片。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
第一，本发明可以实现多片的晶圆片悬浮进行干燥，相较于传统干燥技术，干燥过程中可以实现无接触、无夹持的干燥，干燥无死点。从而可以避免因为机械手的夹持从而导致晶圆片的损坏和干燥不彻底。使用多个悬浮台形成一个悬浮仓，所以可以实现多片同时进行干燥。悬浮台出气孔与出气孔的间距开设，在一定程度上可以减少气流的不稳定对晶圆片造成的压力差。采用气悬浮干燥方法在一定程度上避免了因为机械手的夹持而导致晶圆片的损坏。
第二，为了实现可调节气流稳定，遮板设计有通孔和栅格孔，当通孔和悬浮台的出气孔同心(重合)时，气流速度和对晶圆片的压力不受影响，当遮板转过15°时，此时栅格孔正好与悬浮台出气孔同心(重合)，此时气流会变缓，对晶圆片表面的压力会减小。所以可以实现不同厚薄的晶圆片干燥。
第三，为了方便从悬浮仓内取出晶圆片，悬浮仓承载机构还可以实现上下方位的移动，特别适用于不能升降的的吸盘，可以很方便的实现取出晶圆片。
附图说明
图1为本发明的外形结构示意图；
图2为本发明的悬浮仓承载机构结构示意图；
图3为本发明的悬浮仓结构构示意图；
图4为本发明的双通悬浮台结构示意图；
图5为本发明的遮板结构示意图；
图6为本发明的遮板与悬浮台位置示意图；
图7为本发明的遮板上通孔和栅格孔的结构示意图；
图8为本发明遮板与遮板保持架位置示意图；
图中：工作台1、架台2、干燥箱3、喷头4、旋转固定台5、悬浮仓6、悬浮仓承载机构7、电机71、固定架板72、联轴器73、轴承座74、丝杠75、十字架板76、右侧推板77、左侧推板78、气缸 712、单通悬浮台61、双通晶圆片悬浮台62、支撑轴63、遮板64、遮板保持架66、底架661、夹板662、触角663、晶圆片65、多孔质介质623、栅格孔641、通孔642。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步说明：
多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置，由工作台1、架台2、干燥箱3、喷头4、旋转固定台5、悬浮仓6、悬浮仓承载机构7、电机71、固定架板72、联轴器73、轴承座74、丝杠75、十字架板76、右侧推板77、左侧推板78、气缸712、单通悬浮台61、双通晶圆片悬浮台62、支撑轴63、遮板64、遮板保持架 66、晶圆片65、多孔质介质623、栅格孔641等构成。
所述工作台1上方安装有悬浮仓承载机构7，所述悬浮仓承载机构7包括电机71、电机架72、联轴器73、轴承座74、丝杠75、十字架板76、右侧推板77、左侧推板78、滑台79、气缸712、导轨711。
电机71通过电机架72安装在轴承座74上，滑台79安装在丝杠 75上(螺纹配合)，可以通过电机驱动丝杠，实现滑台的水平移动，十字架板76安置在滑台79上，通过右侧推板77和左侧推板78滑台 79上下滑动配合。气缸712通过固定板710安装在滑台79上。就是当气缸712将左侧推板78顶起时，十字架板76可以沿着轴向上运动，实现上下位移，右侧推板起到在推动过程中保持稳定的作用。
晶圆悬浮仓6安装在旋转固定台5中间，旋转固定台5通过4个螺钉安装在十字架板76上。管道为空心，便于内部通热氮气。悬浮仓6是由多个悬浮台叠加，通过四根光轴63连接，旋转固定座5安装在悬浮仓承载机构7上不动，而悬浮仓6可以相对旋转固定座旋转一定的角度。
四个双通悬浮台62位于两个单通悬浮台61之间，间隔高度为 5mm。
双通悬浮台62上开设有光轴孔621、管道622、多孔质介质623、进气孔624。光轴孔621主要是用于支撑轴63穿过，连接6个悬浮台。开设管道622主要是将进气孔624送进来的热氮气通至每一个出气孔内。多孔质介质623填入出气孔内，主要是起到压力均布，气场稳定的作用。
遮板64开设有两种孔，分别为通孔642和栅格孔641。通孔642 和栅格孔641的圆心相隔的角度为15°。当通孔642和悬浮台62的出气孔同心时，气流速度和对晶圆片65的压力不受影响，当遮板64 转过15°时，此时栅格孔641正好与悬浮台62吹气孔同心，此时气流会变缓，对晶圆片表面的压力会减小。所以可以实现不同厚薄的晶圆片干燥。
如图8所示，遮板保持架66与旋转固定台5相连，遮板保持架 66的每侧夹板相对布置有10个触角，通过螺钉可以将遮板64固定在保持架66的触角上。
所述悬浮台为多孔制圆盘，出气孔呈晕状分布在台面，中心区域孔的数量较多，边缘较少；所述通孔形状为阶梯孔，当气流从下面直径较大处在进入上面直径较小处时，就会形成压力差，所以经过通孔的气流就有足够的压力使得晶圆片悬浮起来；多孔质材质填在出气孔内部，主要是起到气流对晶圆表面的一个压力均匀分布的作用。
所述遮板表面开设有许多孔，孔沿圆周均布排列，间隔15°。所述遮板在双通悬浮台的上下表面各安装一块，便于对晶圆片表面压力均布。为了实现可调节气流稳定，所述遮板设计有通孔和栅格孔，当所述通孔和所述悬浮台的出气孔同心时，气流速度和对晶圆片的压力不受影响，当所述遮板转过15°时，此时栅格孔正好与悬浮台出气孔同心，此时气流会变缓，对晶圆片表面的压力会减小。
所述悬浮台上的孔的间隙排列，主要考虑孔的排列方式。根据流体在悬浮台内部管道中流动过程，要分别满足连续性方程、动量守恒方程。
所述的孔内添加多孔介质填充材料，气体在内部的流动规律。如表1所示：
表1
Figure BDA0002893142280000091
注：悬浮台的出气孔呈晕状分布在台面，且出气孔沿悬浮台径向呈直线型分布，使出气孔形成若干不同直径的同心圆，表1中的“外圆”、“内圆”表示相邻两圈同心圆。
通过整合可得通过孔的流量公式：
Figure BDA0002893142280000101
现比较最内圈与第二圈的气流量的大小：
Figure BDA0002893142280000102
所以可以清晰的发现Q1＝Q2，所以由此可以推论，每一圈的内的气体流量都是相等的。
现考虑在理想状态下，不计阻力损失，通过孔的压力可用如下公式表示：
Figure BDA0002893142280000103
式中：ρ—气体密度；
Q—孔的流量；
S—孔的截面积；
由上式可知，若孔的截面积S越小，也就是说孔的直径越小，那晶圆表面受到的压力就越小。所以所述的运用遮板，遮板上开有栅格孔，所以当对较薄的晶圆片进行干燥时，可使用遮板进行遮挡，可以有效的减小晶圆表面所受的气体压力。
本发明多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的实现方法及装置的工作流程如下：
1)将晶圆片置于相邻悬浮台之间，给管道内通气，相邻两个悬浮台之间的出气孔相对布置，形成气流，以使晶圆片悬浮于两个悬浮台之间；
2)根据实际需求，旋转遮板保持架，使遮板上的栅格孔或通孔与对应悬浮台的出气孔位置对应，切换出气孔的气流大小，以改变气流对晶圆片表面的压力和干燥的速度；
3)根据实际需求，使悬浮台旋转至合适位置；
4)通过气缸连接左侧板或右侧板，驱动十字架板带动悬浮仓上行或下行；
5)电机驱动丝杠，以使滑台带动十字架板沿导轨水平位移，以使悬浮仓进入或移出干燥箱。
将晶圆片放入悬浮仓内，晶圆片由于上下气流的作用会悬浮在两个悬浮台的中间。此时，承载机构缓缓将悬浮仓送入干燥箱内，实现在一个容器内更快速的干燥。当干燥结束，承载机构会再次将悬浮仓移除干燥箱，便于晶圆片取出。
本发明提供的多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的实现方法，与现有技术相比较体现了其可多片干燥，干燥时无接触、无夹持。本发明的目的是为了解决现有晶圆片在干燥时采用夹持的方式，容易造成晶圆片的破损，其次被夹持的部位不能得到充分的干燥。不采用传统的机械手夹持，采用气悬浮的方式，可以减少晶圆片在夹持过程中因受力不均匀而导致晶圆片损坏。可调节流场，满足不同厚薄的晶圆片干燥。提高了工作效率，具有很大的市场前景和推广价值。

Claims (3)

1.多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置，其特征是，包括工作台（1）、干燥箱（3）、悬浮仓（6）、悬浮仓承载机构（7），所述悬浮仓承载机构、干燥箱安装于工作台，所述悬浮仓通过悬浮仓承载机构送入或移出干燥箱；所述悬浮仓由若干悬浮台上下间隔布置而成，且每个悬浮台内置有通气的管道（622），每个悬浮台设有若干出气孔，相邻两个悬浮台之间的出气孔相对布置，形成气流，以使晶圆片（65）悬浮于两个悬浮台之间；
所述悬浮仓包括旋转固定台（5），所述悬浮台由上下侧的单通悬浮台（61）、中间的双通悬浮台（62）通过侧边的若干支撑轴（63）连成一体，并与旋转固定台转动连接；所述双通悬浮台的上下侧均布置出气孔，所述单通悬浮台的单侧布置出气孔；
所述出气孔内设有多孔质介质（623），所述出气孔分成若干组，每组出气孔沿悬浮台径向呈直线型分布；
每个悬浮台在出气孔处设有遮板（64），所述遮板上设有若干组直线型排列的通孔（642）以及栅格孔（641），通孔、栅格孔间隔布置并分别沿遮板径向分布；相邻两组通孔或栅格孔之间的圆心角与相邻两组出气孔之间的圆心角相等；通过旋转遮板，使遮板的通孔或栅格孔与对应悬浮台的出气孔对应，以改变悬浮台出气孔的气流量；
所述遮板通过遮板保持架（66）与旋转固定台转动连接，所述遮板保持架由底架（661）、两侧的夹板（662）连成一体，所述底架与旋转固定台转动连接，两侧的夹板置于悬浮台两侧，并共同夹持固定对应的遮板，旋转遮板保持架，以使遮板发生旋转，以改变悬浮台出气孔的气流量；
所述遮板的通孔形状为阶梯孔，当气流从下面较大的孔径处进入上面较小孔径处时，形成压力差，产生足够的压力使晶圆片悬浮起来；
相邻两组的通孔和栅格孔之间的圆心角为15°，相邻两组的出气孔之间的圆心角为30°；
多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置的实现方法，包括以下步骤：
1）将晶圆片置于相邻悬浮台之间，给管道内通气，相邻两个悬浮台之间的出气孔相对布置，形成气流，以使晶圆片悬浮于两个悬浮台之间；
2）根据实际需求，旋转遮板保持架，使遮板上的栅格孔或通孔与对应悬浮台的出气孔位置对应，切换出气孔的气流大小，以改变气流对晶圆片表面的压力和干燥的速度；
3）根据实际需求，使悬浮台旋转至合适位置；
4）通过气缸连接左侧板或右侧板，驱动十字架板带动悬浮仓上行或下行；
5) 电机驱动丝杠，以使滑台带动十字架板沿导轨水平位移，以使悬浮仓进入或移出干燥箱。
2.根据权利要求1所述的多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置，其特征是，所述悬浮台承载机构包括导轨（711）、电机（71）、固定架板（72）、丝杠（75）、十字架板（76）、滑台（79）；所述导轨固定于工作台，所述滑台与导轨滑动配合，所述丝杠通过固定架板支撑于工作台上，且丝杠与滑台螺纹配合；所述悬浮仓安装于十字架板，所述十字架板安装于滑台顶部，所述电机驱动丝杠，以使滑台带动十字架板、悬浮仓沿导轨水平位移，从而使悬浮仓进入或移出干燥箱。
3.根据权利要求2所述的多片晶圆干燥用的多孔介质型稳定可调节气悬浮流场的装置，其特征是，所述滑台一侧安装有气缸（712），所述十字架板的尾部两侧分别设有左侧推板（78）、右侧推板（77）；左、右侧推板分别位于滑台两侧，并通过滑槽与滑台上下滑动配合；所述气缸的输出轴连接左侧板或右侧板，驱动十字架板带动悬浮仓上行或下行。
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