一种半导体晶圆制程用石英舟的再生修复方法与流程

本发明涉及半导体晶圆制造加工，特别涉及一种半导体晶圆制程用石英舟的再生修复方法。

背景技术：

1、石英舟又称石英boat，是以高纯熔融石英玻璃加工而成的精密承载部件，广泛应用于半导体晶圆制造的扩散、氧化、退火、低压化学气相沉积等高温制程，舟体内部设置的均匀沟齿可垂直插放并固定硅晶圆，随舟体整体送入管式高温炉完成对应工艺处理，凭借耐高温性能优异、化学性质稳定、纯度高及杂质污染极低的特性保障晶圆制程均匀性与洁净度。

2、现有的石英舟长期使用后其表面易受工艺气体与清洗药液侵蚀，出现雾化失透、析晶层生成、划伤缺损及残余应力累积失效问题。不仅会破坏石英舟表面的透光均匀性与形貌平整度，干扰管式炉内的热场分布与工艺气流均匀性，直接影响晶圆扩散、氧化、退火高温制程的参数一致性。而且表面雾化、析晶与划伤缺陷还易积存工艺残留与微颗粒，增加晶圆受杂质污染的风险，缺损部位与累积的残余应力会持续削弱舟体结构强度，在反复高温升降温的工况下极易引发裂纹扩展甚至整体开裂，最终导致石英舟提前报废。

3、关于石英部件的清洗再生已有相关发明专利涉及，具体如下：

4、中国专利申请号：202211082883.6，发明专利名称为：一种半导体干刻设备用石英部件的清洗再生方法，该发明提供了一种半导体蚀刻设备用石英部件的清洗再生方法，采用有机溶剂处理、高浓度混酸溶液处理、氧化剂溶液处理、硫酸溶液处理、低浓度混酸溶液处理、超声波清洗，无尘烘箱干燥七道工序依次处理，去除石英部件表面的沉积物及腐蚀破碎的石英晶粒。清洗前和清洗后的石英部件表面放大1000倍显微镜图像对比可以发现，处理后的石英部件表面整洁无污染、石英晶粒致密饱满，满足再生的要求。

5、但上述现有专利中，虽然能够通过多步湿法化学清洗去除表面沉积物，实现石英部件再生。但仅能去除表面膜层杂质，无法修复划伤、缺损、析晶及应力的深层失效问题。不仅无法恢复石英部件原有尺寸精度、表面形貌与结构力学性能，修复适用范围仅局限于轻度污染的部件，对存在深层失效的部件无法实现有效再生，难以显著延长部件使用寿命与复用次数，对降低半导体制程耗材成本的作用有限，且无法保障修复后部件在高温制程中的工艺稳定性与可靠性。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种半导体晶圆制程用石英舟的再生修复方法，用于解决现有技术仅能去除表面膜层杂质，无法修复划伤、缺损、析晶及应力的深层失效问题。

2、一种半导体晶圆制程用石英舟的再生修复方法，具体包括如下步骤：

3、s1，受入检查：对待修复的石英舟进行入厂外观初检，排查其外表面缺角裂纹的显性异常，初步确认部件整体损伤状态；

4、s2，脱模处理：根据石英舟表面的膜质类型，在1:100的区间内按对应比例调配硝氟酸，对部件进行脱模作业，去除表面附着的膜层与工艺污染物；

5、s3，脱模处理后检查：使用三坐标测量仪完成尺寸数据检测，确认是否需要追加机加工处理，同时全面排查表面划伤及腐蚀的待修复缺陷，最终核定维修等级；

6、s4，研磨预处理：根据部件腐蚀程度执行差异化处理；

7、s41，若表面仅存在雾化缺陷，无需研磨；

8、s42，若存在大面积腐蚀，则对腐蚀区域进行打磨，去除腐蚀层与深度表面缺陷；

9、s5，焊接修补后抛光：预处理后的部件先清洗干净，采用氢氧焰进行火抛光，并在抛光后同步执行退火作业；

10、s6，品质检查：使用三坐标、卡尺及测厚仪检测部件长度、平面度、内外径、沟齿间距和垂直度的全维度尺寸参数，将参数与受入状态对比并记录形变量，同时核验修补厚度是否在合格范围内；

11、s61，若尺寸或外观检测不合格，返回火加工工序重新处理；

12、s62，检测合格后进入下一道工序；

13、s7，清洗干燥：对部件进行溢流清洗，清洗后吹干表面，并进行干燥处理，从而保证部件洁净无药剂残留；

14、s8，真空包装出荷：干燥完成的部件使用pe袋进行真空包装，完成修复全流程后出厂。

15、作为本发明的进一步改进，在步骤s5中，所述氢氧焰中的氢气与氧气配比为1:3，所述氢氧焰用于产生1750℃以上高温使石英表面熔融，所述氢氧焰高温的过程中将产生气流带出石英表面杂质，所述焊接修补完成后再统一进行火抛光，所述退火作业的温度控制在1130℃-1170℃，所述退火用于使石英晶格重新排列释放加工产生的内部应力。同步实现表面纯化、形貌修复及应力消除，从而提升修复后石英舟表面洁净度与高温结构稳定性。

16、作为本发明的进一步改进，在步骤s7中，所述清洗采用硝酸与氢氟酸分步清洗部件，所述硝酸与氢氟酸的比例为1:9，所述硝酸与氢氟酸清洗完成后进行溢流清洗，所述溢流清洗的时间为10~15min，所述表面吹干采用氮气进行，所述干燥处理的环境为60℃情况下灯光干燥2小时。可彻底清除部件表面的药剂残留，全程避免引入二次杂质，保障修复后的石英舟达到所需的洁净度要求。

17、作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述硝氟酸的组成为68%的电子级浓硝酸、49%的电子级浓氢氟酸和100%超纯水，所述超纯水的电阻率≥18.2mω·cm，所述硝酸作为氧化剂用于去除金属杂质和有机残留，所述氢氟酸为核心蚀刻组分用于溶解氧化硅膜和析晶层的硅基沉积物。通过硝酸的氧化作用去除金属杂质与有机残留，借助氢氟酸的蚀刻能力溶解氧化硅膜及析晶层硅基沉积物，在高效完成深度脱模除污的同时避免引入二次杂质，适配半导体制程的高洁净要求。

18、作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，所述焊接前进行缺陷评估与预处理，先对所述缺陷损伤部位做边界判定与坡口处理，所述缺陷为缺角崩边类缺损时用金刚石磨头将破损边缘打磨成45°左右的v型坡口，所述v型坡口宽度略大于缺损面，所述v型坡口深度用于彻底清除缺陷从而增大熔合接触面积；所述缺陷为表面微裂纹时沿裂纹走向磨出u型坡口，所述裂纹两端各钻设φ0.5~1mm的止裂孔，所述止裂孔深度超过裂纹尖端；所述缺陷检测为贯穿性裂纹、缺损面积超过截面30%、沟齿薄壁处深度缺损时判定为不可焊，所述焊接采用与石英舟基体同牌号的高纯熔融石英棒。通过针对缺角崩边、表面微裂纹分别采用45°v型坡口、u型坡口加止裂孔的差异化预处理，明确不可焊缺陷判定边界，可彻底清除缺陷组织，同时保障焊区材质性能一致性，有效提升焊接修复质量与结构可靠性。

19、作为本发明的进一步改进，将预处理完成的所述部件固定在耐高温工装上后调小氢氧总流量，维持所述氢氧体积比为1:3，所述焊接先采用外焰对缺陷周边20~30mm范围进行均匀预热，所述均匀预热缓慢升温至800~1000℃，所述预热时长根据壁厚控制在5~15分钟，所述预热用于消除局部温差防止骤热导致裂纹扩展。可有效消除局部温差，避免石英基体因骤热导致裂纹扩展，保障焊接过程的结构安全性。

20、作为本发明的进一步改进，所述预热完成后将火焰内焰对准坡口底部，所述预热时小幅摆动火焰使基体表面均匀熔融，将所述石英棒填料尖端伸入火焰，待所述石英棒填料端部熔融成球状后轻触熔池使其与部件完全熔合，所述石英棒填料填充采用逐层堆焊法，所述逐层堆焊法的每层填充厚度控制在0.5~1mm，所述焊完一层后待熔池稍凝再焊下一层，所述逐层操作用于避免一次堆焊过厚导致内部气孔结合不良，所述堆焊过程中若熔池内出现微小气泡可小幅延长熔融时间，所述堆焊后填充高度略高于基体原始表面0.1~0.2mm，所述填充完成后逐步调小气体流量降低火焰功率。可有效避免一次堆焊过厚引发的内部气孔与结合不良缺陷，保障焊区组织致密性与熔合强度，同时为后续表面修整预留合理加工余量。

21、作为本发明的进一步改进，在步骤s5中，所述焊接、火抛和退火采用同一氢氧喷枪系统，所述氢氧喷枪系统通过更换不同口径焊嘴调整气体流量与走焰方式，所述焊接火抛区域分为大面积平面区域、薄壁区域和焊补区域，所述大面积平面区域采用宽焰喷嘴，所述宽焰喷嘴使用时维持氢氧比1:3与常规流量，所述薄壁区域采用窄径精密喷嘴，所述窄径精密喷嘴使用时总气流量降低30%~40%，所述窄径精密喷嘴使用时采用高频点扫式火抛，所述焊补区域以小火焰做局部匀质熔合消除焊补边界痕迹，所述边界痕迹消除完成后纳入整体火抛流程从而保证焊区与基体表面一致性。通过更换不同口径焊嘴调整气体流量与走焰方式，针对大面积平面、薄壁和焊补三类区域分别采用适配的喷嘴与加工策略，缩减了多工序流转的装夹误差与加工成本。

22、作为本发明的进一步改进，所述退火采用阶梯式分段退火工艺，所述阶梯式分段退火工艺分为升温段、保温段和降温段，所述升温段以3~5℃/min速率升至800℃并保温30min，消除所述部件内外温差后再以2~3℃/min速率升至1130~1170℃目标温度；所述保温段根据部件壁厚保温2~4h以此保证石英晶格充分重排；所述降温段以1~2℃/min速率降至800℃并保温1h，所述保温1h后以2~3℃/min速率降至300℃，所述部件最后随炉自然冷却至室温。通过精准管控各阶段升降温速率与保温时长，可先消除部件内外温差再促进石英晶格充分重排以彻底释放加工内应力，同时避免骤冷骤热引发的形变与新生应力，有效保障修复后石英舟的尺寸精度与结构稳定性。

23、本发明的优点是：

24、1、构建了两级检测定级、差异化工艺匹配和全维度质检闭环的完整再生流程，解决了现有石英部件再生技术仅能依靠湿法清洗去除表面膜层杂质、仅适用于轻度污染部件的局限。通过受入初检与脱模后精检两级检测核定维修等级，针对轻度雾化失光、局部缺角崩边、表面微裂纹及大面积腐蚀划伤不同损伤形态，灵活匹配化学脱模、研磨预处理、焊接修补和火抛光的工艺组合，可覆盖从轻度到中重度损伤的全场景修复需求。

25、2、采用缺陷定制化预处理与精准控温焊接工艺，解决了现有再生技术无法修复结构性缺损的问题。根据缺角崩边、微裂纹的不同缺陷类型，分别采用45°v型坡口、u型坡口加止裂孔的预处理方案，明确贯穿性裂纹、大面积缺损等不可焊判定边界以保障修复的可靠性。同时焊接过程通过周边预热控温、逐层堆焊及熔融排气的精细化参数控制，最大化保障焊区熔合质量。

26、3、采用同一氢氧喷枪系统实现焊接、火抛光及退火的全工序兼容，解决了传统工序分开加工导致的薄壁精密结构易过热变形的问题。仅通过更换不同口径焊嘴即可切换加工模式，针对大面积平面区域、薄壁沟齿区域及焊补区域分别采用宽焰常规火抛、窄径高频点扫和局部匀质熔合的适配方法，兼顾不同区域的加工精度与结构安全需求。

27、4、采用阶梯式分段退火工艺，通过精准控制升温、保温及降温的各阶段的速率与温度节点，充分释放加工过程产生的内应力。通过多段梯度控温，先消除部件内外温差再升至目标温度保温保障晶格的稳定，降温过程同样分段缓冷并设置保温点，避免骤冷产生新的内应力。不仅能彻底消除研磨、焊接及火抛带来的加工应力，还能有效释放石英舟长期高温服役累积的残余内应力，使修复后部件的抗热冲击性能甚至优于未修复的二手石英舟。