CN101528612A - 给去离子水充碳酸气的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于湿法清洁半导体器件的设备、系统和方法。具体说来，提供了可用来输送含所需浓度CO2的去离子水的系统，以及用来产生含所需浓度CO2的去离子水的方法，所述系统和方法可用于湿法清洁半导体器件。

Description

给去离子水充碳酸气的设备、系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及在半导体器件的湿法清洁中所用的设备、系统和方法。具体地，本发明涉及输送含所需浓度CO2的去离子水的系统，以及产生含所需浓度CO2的去离子水的方法，所述系统和方法用于半导体器件的湿法清洁。
背景技术
诸如集成电路这样的微电子芯片是由较大的半导体材料晶片制得的。此过程通常涉及多个连续步骤，包括：通过光刻法产生蚀刻掩模；在掩模的限定下蚀刻材料层；通过湿法化学技术和干法化学技术的某种组合清除光刻掩模；以及沉积材料层。光刻掩模是由称作光致抗蚀剂的聚合物材料形成的。清除光致抗蚀掩模后，通常还要进行最后的清洁步骤，称作漂洗或湿法清洁。
在这样漂洗半导体器件的过程中使用去离子(DI)水是公知的。要防止器件发生任何金属腐蚀和污染也是公知的。为了使湿法清洁更加有效，常常将诸如二氧化碳(CO2)和氮气(N2)这样的气体与去离子水混合起来。用充碳酸气的去离子(DI-CO2)水漂洗是电惰性过程，可进行无损伤清洁，同时保持器件的完整性。
控制这些气体的比例需要相当复杂的仪器，且成本高，这些是现有方法的显著缺陷。一般采用过量气体，但由于存在多余气体，特别是二氧化碳，这种做法会产生毒性和处理方面的问题。因此，这些工艺既费钱又麻烦。
发明内容
一方面，本发明涉及给去离子水充碳酸气的系统。该系统包含去离子水源、二氧化碳气源、接触室、至少一个传感器和前馈回路。接触室可与水源和气源流体连通。接触室可产生充碳酸气的去离子(DI-CO2)水，可具有输出充碳酸气的去离子水的出口。所述至少一个传感器可与所述出口流体连通，用于测量充碳酸气的去离子水的参数。前馈回路可与传感器连接，用于调节接触室中产生的充碳酸气的去离子水的电导率。
另一方面，本发明涉及充碳酸气的去离子水的产生方法。该方法包括向接触室提供去离子水和二氧化碳。在接触室中产生并经由接触室出口排出的充碳酸气的去离子水的参数可通过至少一个传感器感测。充碳酸气的去离子水的电导率可根据感测到的参数进行控制。充碳酸气的去离子水的电导率可通过前馈回路调节。具有指定电导率的充碳酸气的去离子水可自接触室流出。
在各种实例中，上述任何方面或本说明书所述任何方法或系统或组件，可包含一个或多个以下特征。在一些实施方式中，该系统可包括至少一个质流控制器(MFC)，其与气源和接触室流体连通。所述至少一个质流控制器可用于控制二氧化碳气体进入接触室的量和流速。
在一些实施方式中，所述系统可包含与至少一个传感器和至少一个质流控制器连接的前馈回路。前馈回路可用于调节二氧化碳气体的量，使充碳酸气的去离子水获得指定的电导率。
在某些实施方式中，所述系统可包含至少四个质流控制器。在各种实施方式中，该系统可包含至少三个传感器。在一些实施方式中，该系统可包含处理器，用于接收来自至少一个传感器的参数。所述参数可包括充碳酸气的去离子水的流速、温度和电导率。在某些实施方式中，该系统可包含与去离子水源、接触室和至少一个传感器流体连通的旁路单元。
在各种实施方式中，所述方法可包括通过至少一个质流控制器控制二氧化碳气体进入接触室的流速和量。在一些实施方式中，该方法可包括通过前馈回路控制充碳酸气的去离子水的电导率。前馈回路可与所述至少一个传感器和所述至少一个质流控制器连接。
在各种实施方式中，所述方法可包括调节至少四个质流控制器。在一些实施方式中，该方法可包括用至少三个传感器进行感测。在某些实施方式中，该方法可包括用旁路单元调节充碳酸气的去离子水的电导率。
在一些实施方式中，所述方法可包括根据处理器接收到的参数调节充碳酸气的去离子水的电导率。在某些实施方式中，该方法可包括混合二氧化碳气体和去离子水，然后将该去离子水供给接触室。
在各种实施方式中，从接触室排出的充碳酸气的去离子水的电导率可在约0-52微西门子/厘米的范围内。在一些实施方式中，从接触室排出的充碳酸气的去离子水的电导率可在约2-50微西门子/厘米的范围内。
在一些实施方式中，电导率从一个指定值变换到另一个指定值的响应时间可短于约10分钟。在各种实施方式中，电导率从一个指定值变换到另一个指定值的响应时间可短于约5分钟。在某些实施方式中，该响应时间可短于约1分钟。在各种实施方式中，该响应时间可短于约10秒钟。
本发明的一个优点是产生“无泡”DI-CO2水。接触室可提供高表面积，供CO2气体与去离子水充分混合，因而没有未溶解的过量二氧化碳。这避免了在DI-CO2水中形成气泡。在半导体器件的湿法清洁应用中采用“无泡”去离子水是有利的，因为这样就不会形成具有或高或低的酸性的区域，这种区域通常由气泡引起。所产生的“无泡”DI-CO2水对接受清洁的器件的损伤最小。
DI-CO2水的电导率与溶解在去离子水中的CO2气体的浓度成正比。本发明的优点是，它能高度精确地控制DI-CO2水中CO2的浓度。之所以能做到这一点，主要是因为该系统中存在前馈回路机制。前馈回路机制可对诸如离开接触室的DI-CO2水的电导率、温度和流速这样的参数与进入接触室的二氧化碳气体的量作出协调。质流控制器和反馈回路机制可进一步控制离开接触室的DI-CO2水的电导率。当去离子水中二氧化碳的浓度需要改变时，反馈和前馈回路机制还可显著缩短响应时间。在某些实施方式中，该响应时间可缩短到＜1分钟。响应时间通常是DI-CO2水的电导率从一个值跳到另一个值(例如从2微西门子/厘米跳到50微西门子/厘米)再跳回来的时间。
本发明的另一个优点是不需要氮气，对所用系统而言，减小了其尺寸，降低了其成本和复杂性，从而为获得DI-CO2水提供了简单得多的替代方案。本发明的又一个优点是进入接触室的二氧化碳几乎全部得到消耗，因而不存在与多余气体的处理或毒性相关的问题。
本发明的又一个优点是去离子水的压降从已知系统中的＞0.8巴减小到＜0.3巴。无论是在新循环回路的起始阶段需要对去离子水喷气的时候，还是在一个或多个阀门或调节器发生泄漏或出现其他故障而导致电导率突然发生意外改变的时候，通常都会出现压降。本发明以较低成本提供了更快的响应时间，从而获得了更高的可靠性。
借助以下附图、详细描述和权利要求书，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，但它们都只是通过示例方式说明本发明的原理。
附图说明
参考下面结合附图所作的描述，可以更好地理解本发明的上述优点以及其他优点。附图不一定是按比例绘制的，其重点一般是在于说明本发明的原理。
图1是产生DI-CO2水的系统的第一实施方式的框图。
图2是产生DI-CO2水的系统的第二实施方式的框图。
图3是产生DI-CO2水的系统的第三实施方式的框图。
图4是产生DI-CO2水的系统的一个实施方式的详细框图。
图5是产生DI-CO2水的系统的另一个实施方式的详细框图。
图6是产生DI-CO2水的系统的又一个实施方式的详细框图。
图7是接触室的一个实施方式的截面图。
图8是去离子水中CO2气体在不同温度和压力值下的溶解度图线。
图9是每升去离子水中CO2气体的量与DI-CO2水的电导率之间的关系图。
图10是DI-CO2水的温度与电导率之间的关系图。
具体实施方式
本发明提供了在半导体器件的湿法清洁中所用DI-CO2水的制备设备、系统和方法。一般地，所述设备、系统和方法可用于对半导体器件进行湿法清洁，同时避免或减少了静电荷引起的损伤。一方面，本发明提供了一种设备，它对二氧化碳在DI-CO2水中的所需浓度具有高度控制力和持久性。另一方面，所述设备、系统和方法可用来产生含有大范围的不同CO2浓度的DI-CO2水。例如，所述设备、系统和方法可产生低CO2浓度的DI-CO2水(0.154毫克/升CO2)，也可产生高CO2浓度的DI-CO2水(1540毫克/升)。一般地，本发明的设备、系统和方法不需要向接触室中加入过量CO2气体、氮气或任何其他气体就能产生DI-CO2水，从而降低了所述设备、系统和方法的成本和复杂性，减小了所述设备和系统的尺寸。所述设备、系统和方法中所用二氧化碳气体，即便不是全部，也是大部分溶解在去离子水中。因此，相比于通常采用过量CO2气体的常规系统，处理和毒性方面的问题减少。
图1显示了用来对超纯去离子水充碳酸气(即向去离子水中加CO2)的系统的一个实施方式。系统101通常包含电源105、气体组件110、接触室115和传感器组件120。系统101也可包含控制组件125。
气体组件110可连接到一个或多个气源，如CO2和氮气气源。气体组件110可包含多个可变阀门、过滤器和质流控制器，用于监视和/或控制每种气体进出气体组件110的流速和量。所述气体可单独离开气体组件110，也可先混合再离开。气体离开气体组件110后，可将其送入接触室115。
接触室115通常包含至少一个气体进口、至少一个去离子水进口、至少一个排放过量气体的出口和至少一个排放DI-CO2水的出口。气体可以注射或喷射到接触室115中。若需要，可对接触室115加压或抽气。接触室115通常可用来产生无泡DI-CO2水。
DI-CO2水可从接触室115排出，并通过传感器组件120。传感器组件120可包含多个传感器，用于监视和/或控制DI-CO2水的多个参数。这样的参数可包括DI-CO2水的流速、电导率、温度和压力。DI-CO2水可排出传感器组件120，然后根据需要加以使用，或者根据需要重新导回系统。
系统101可包含与传感器组件120和气体组件110流体连通的控制组件125。控制组件125可包含处理器、键盘和显示器。处理器可以是例如计算机的微处理器。控制组件可实现对系统101中每个阀门、质流控制器和传感器的自动控制和/或监视。系统101中每个阀门、质流控制器和传感器也可手工控制。
图2显示了系统101的另一个实施方式。除了接触室115外，系统101还可包含旁路单元130。旁路单元130可包含多个阀门和传感器，用来监视和/或控制通过该单元的去离子水的参数。所述阀门和传感器可手工操作，或者通过控制组件125控制。旁路单元130的一个优点是较高体积的去离子水可从旁路通过接触室115，与从接触室115排出的DI-CO2水混合。旁路单元130的另一个优点是，它可缩短DI-CO2水从高电导率-低流速变到低电导率-高流速所需的响应时间，反之亦然。
图3显示了系统101的另一个实施方式。离开气体组件的气体可直接进入接触室115，或者先与去离子水混合，再进入接触室115。本实施方式的一个优点是，它可缩短DI-CO2水从高电导率-低流速变到低电导率-高流速所需的响应时间，反之亦然。
图4显示了用来对超纯去离子水充碳酸气(即向去离子水中加CO2)的设备的一个示例性实施方式。该设备包含与接触室B1流体连通的气体组件C1。气体组件C1包含两个气体进口，可变阀门V51-V54、V58和V59，以及四个质流控制器MFC51-MFC54。气体组件C1还包含反馈回路/机制，其中MFC52-MFC54通过V57相互连接。
反馈回路/机制可用来对离开气体组件C1的气体的参数进行校正。例如，在图4所示实施方式中，一个或多个MFC可能稍微下降或偏离其初始流速标准。为校正此偏差，可在气体组件C1中引入反馈回路，随时更新MFC的控制机制。
MFC可手工调节，也可自动调节。MFC可将气流控制到这样的程度，使得即便不是全部，也是大部分进入B1的二氧化碳溶解在去离子水中，因而所得DI-CO2水是“无泡”的。这可避免浓度不均匀，而浓度不均会导致清洁性质变差。虽然图4显示了包含四个MFC的气体组件，但是可采用任意数量的MFC单元。在某些实施方式中，可用其他流量控制装置或浓度计量装置代替MFC，或者增设这些装置，用以控制气体组件C1中的气流。
如图4所示，去离子水可经由V3进入接触室B1，而来自气体组件C1的气体可经由V1和V2进入。轻挡板(light barrier)L3-L5可用来防止气体进入去离子水管线。在接触室B1中，二氧化碳与去离子水混合，直到获得所需的CO2浓度。DI-CO2水通过一个出口离开B1，并经过轻挡板L3、传感器FR21和阀门V81之后排出。传感器Q1与DI-CO2出口平行连接。也就是说，来自接触室的DI-CO2水有一部分可通过包含传感器Q1和阀门V89、V62和V80的排水管线。传感器组件包含传感器FR21和Q1。传感器FR21监视/控制DI-CO2水的流速，而传感器Q1监视/控制其温度和电导率。传感器Q1和阀门V89、V62、V80与阀门V4、V61和轻挡板L5一道构成控制回路，以便对接触室B1进行喷气/排气。Q1和FR21也可与质流控制器MFC51-MFC54直接相连，或者通过控制组件相连，形成前馈回路/机制。
前馈机制可用来调节气体参数(例如，通过改变一个或多个MFC上的流速)，调节依据是传感器Q1和传感器FR21的测定结果以及所需的CO2设定值。传感器Q1通常包含金属电极，它保持与流过它的水直接接触。该传感器组件收集到的信息传递到控制组件，以调节气体组件C1释放的气体的量。控制组件也可控制向接触室B1中喷气。在某些实施方式中，控制组件还控制反馈机制，对偏离气体组件C1中设定的、经过初始校准的参数值的偏差进行调节/校正。
前馈机制可通过监视诸如温度、流速和电导率这样的参数来控制DI-CO2水中的CO2浓度。例如，该设备的操作员可利用控制组件，针对CO2的流出浓度或去离子水的电导率，在计算机/微处理器中输入/选择所需的CO2设定值。若去离子水中CO2浓度较高，则需要采用较大的流速将CO2输入接触室B1，结果得到酸性较强的溶液(例如pH为4.5或以下)；若去离子水中CO2浓度较低，则需要采用较小的流速将CO2输入接触室B1(CO2气体较少)，结果得到酸性较弱的溶液(例如pH为4.6或以上)。为了控制从接触室B1的输出情况，该系统可采用前馈机制，在该机制中要测定流出物的温度、流速和电导率数值，然后通过电子方式传送到控制组件，以确定来自气体组件C1的输入CO2浓度(例如流速)。
除了控制气体组件C1外，前馈机制还可介入系统的喷气或排气。例如，在启动过程中，或者当CO2设定值急剧变化，导致自C1输入的CO2太少时，可打开喷气入口，通入更多气体(例如启动时氧气/空气和设定的过量CO2改变了)。可通过控制系统自动控制向接触室B1中喷气的操作。在各种实施方式中，操作员可打开喷气入口，手工控制向接触室B1中喷气的操作。
图5显示了用来产生DI-CO2水的设备的另一个示例性实施方式。在此实施方式中，气体组件C1包含一个气体入口，该入口与4个可变阀门V51-V54、4个质流控制器MFC51-MFC54和2个气体过滤器50、51流体连通。如图5所示，可形成两个独立的回路，它们各自包含两个MFC，具有两个独立的气体出口。这两个独立出口中的每一个可将气体输送到去离子水中，然后进入接触室。每个输送路径可包含多个阀门，如V1a、V1b、V2a、V2b、V5a和V5b。每个输送路径还可包含多个传感器，如M5a、M5b和PR4。传感器可用来监视和/或控制参数，如通过系统的气体的流速或压力。在某些实施方式中，在气体进入接触室之前，可通过一个出口将其导入去离子水，而另一个出口则将气体导入接触室。在进入接触室之前混合CO2气体和去离子水的优点是，DI-CO2水的电导率从一个值变到另一个值的响应时间缩短。另一个优点是，可精确控制DI-CO2水中CO2的浓度和离开接触室的DI-CO2水的电导率。气体组件C1中的两个独立回路提供了额外的反馈机制，可以更好地控制进出气体组件C1的气体的参数。
图6显示了用来对超纯去离子水充碳酸气(即向去离子水中加CO2)的设备的另一个示例性实施方式。在此实施方式中，气体组件C1包含两个气体入口，所述入口可用于两股独立气体如氮气和CO2。如图6所示，可变阀门V52-V54和质流控制器MFC52-MFC54相互连接，构成回路。一股独立气体可经由可变阀门V51和MFC51进入系统。两股气体可按照所需比例混合，然后离开气体组件。接触室B1具有可经由V4和V61释放气体的出口。若需要，释放的气体可重新回到气体组件，也可以释放到大气中。
如图6所示，接触室B1可具有旁路单元B3。旁路单元B3可包含传感器LAH、L1和LAL，它们可控制和/或监视诸如流速、压力和液面高度这样的参数。传感器可与控制组件连接以便实现自动控制，也可以手工控制。旁路单元的一个优点是可得到高体积去离子水。旁路单元的另一个优点是可在去离子水中得到低浓度CO2。旁路单元的又一个优点是DI-CO2水从低体积-高电导率变到高体积-低电导率的速度快，反之亦然。
除了旁路单元B3外，高体积去离子水也可经由独立管线通过阀门V31和传感器FR31，如图6所示。根据需要，此去离子水可与离开接触室的DI-CO2水混合，以改变其电导率，然后离开该系统。
流速在约20-80升/分钟范围内的高体积去离子水可流过旁路单元或独立管线，或同时流过二者。在一些实施方式中，高体积去离子水的流速范围可约为30-50升/分钟。在各种实施方式中，流速约为40-45升/分钟的去离子水可流过该系统。
气体组件通常由诸如不锈钢这样的金属制成。阀门、MFC和传感器是本领域的技术人员所熟知的，可采用任何市售阀门、MFC和传感器、调节器或监视器。气体和液体通常从耐蚀金属或金属合金制成的管子或管道中通过。只要有可能，也可采用由PTFE、PVDF、PFA、PVC、PP、PE、ECTFE、C-PVC等制成的聚合物管道或管子。
如图7所示，接触室通常是耐高压的容器或腔室。它可由玻璃、石英、金属、金属合金(如不锈钢、黄铜)或聚合物(如PTFE、PVDF、PFA、PVC、PP、PE、ECTFE、C-PVC等)制成。在一些实施方式中，接触室是由上述材料中的一种或多种的组合制成的。
优选的接触室具有圆柱那样的形状，其中填有“塔填料”，所述填料具有高表面积(基于单位体积)。由上述聚合物制成的纤维可用作塔填料。高表面积提高了二氧化碳与去离子水的混合速率。
控制组件125可包含存储的数据，所述数据将来自气体组件110的CO2的输入流速与具体温度、DI-CO2水流出速度和电导率关联起来，如图8-10所示。图8显示了不同温度和压力下CO2在去离子水中的溶解度，图9表明指定电导率范围2-60微西门子/厘米导致了非常宽的气体量范围。图10显示了充碳酸气的水的电导率与温度变化的关系。在某些实施方式中，控制组件125可验证所需的CO2输入流速是否与存储在其中的数据以及通过电子方式传送或输入控制组件125的温度、电导率、流速和设定值相符。在其他实施方式中，控制组件125可根据存储在其中的数据以及通过电子方式传送或输入其中的数值，计算/外推出CO2的输入流速。在某些实施方式中，控制组件通过传送电子信号自动调节气体组件110。在各种实施方式中，可以利用控制组件125计算出的数值，手工调节气体参数以及进入和/或离开系统101的去离子水的参数。
在图4所示实施方式中，Q1处的电导率在通向排水通道的旁路管线中测量。测量一般是在通向排水通道的旁路管线中进行的，因为电导率传感器Q1中的电极会引起金属污染。在其他实施方式中，也可以直接在DI-CO2水出口处进行在线无污染测量，这可利用特殊电极或无接触方法完成。
在某些实施方式中，在去离子水入口处增设压力调节器可以提高浓度的稳定性，因此增加了在连接的工具处使用的优点。在产生DI-CO2水的某些方法中，将CO2气体分开注入两个或多个管线可能是有利的。例如，用来稀释CO2的少量指定气体优选具有低电导率，以免气体入口处的气泡引起电导率波动。在各种实施方式中，去离子水流速的测量也可在入水口处完成。
在一个实施方式中，利用质流控制器实现对气体的控制。由于电导率与浓度之间存在如图9所示的平方关系，优选采用具有此种特性的控制元件。在另一个实施方式中，可采用具有开关限流器和受控压力的机制，或者采用具有PWM(脉宽调制)控制阀的构造。在电导率非常低的范围内，一种选择是注入已经有控制地充有CO2的水。
根据本发明产生的DI-CO2水实现了一种在电惰性气氛中无损伤清洁半导体器件的工艺。溶解的CO2将去离子水的电阻率降低到可防止表面带电的水平。它还使去离子水酸化，提高了ζ电势。DI-CO2水可保护易碎半导体器件的完整性。例如，可用DI-CO2水溶解、氧化、蚀刻和擦洗硅晶片表面的污染物。在湿法清洁步骤中，DI-CO2水还可防止金属腐蚀。DI-CO2水还可用在市售湿法清洁设备或工具中，作为一个部件或作为独立输送系统。
本领域的技术人员可以想到本说明书所述实施方式的各种变化形式、改进形式及其他实现形式，只要它们不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明不受限于前面的说明性描述。

Claims (19)

1.一种对去离子水充碳酸气的系统，其包括：
a)去离子水源；
b)二氧化碳气源；
c)与水源和气源流体连通的接触室，所述接触室产生充碳酸气的去离子水，所述接触室具有排出充碳酸气的去离子水的出口；
d)至少一个与所述出口流体连通的传感器，用于测量充碳酸气的去离子水的参数；
e)与所述传感器连接的前馈回路，用于调节接触室中产生的充碳酸气的去离子水的电导率。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括至少一个与所述气源和所述接触室流体连通的质流控制器，用于控制进入接触室的二氧化碳气体的量和流速。
3.如权利要求2所述的系统，其还包括与所述至少一个传感器和所述至少一个质流控制器连接的反馈回路，用于调节二氧化碳气体的量，使充碳酸气的去离子水获得指定电导率。
4.如权利要求2所述的系统，其还包括至少四个质流控制器。
5.如权利要求1所述的系统，其还包括至少三个传感器。
6.如权利要求1所述的系统，其还包括处理器，用于接收来自所述至少一个传感器的参数。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参数包括充碳酸气的去离子水的流速、温度和电导率。
8.如权利要求1所述的系统，其还包括与所述去离子水源、所述接触室和所述至少一个传感器流体连通的旁路单元。
9.一种产生充碳酸气的去离子水的方法，其包括：
a)向接触室供应去离子水；
b)向接触室供应二氧化碳气体；
c)用至少一个传感器感测在接触室中产生并经由接触室出口排出的充碳酸气的去离子水的参数；
d)根据感测到的参数控制充碳酸气的去离子水的电导率；
e)用前馈回路调节充碳酸气的去离子水的电导率；
f)使具有指定电导率的充碳酸气的去离子水从接触室流出。
10.如权利要求9所述的方法，其还包括用至少一个质流控制器控制二氧化碳气体进入接触室的流速和量。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括用反馈回路控制充碳酸气的去离子水的电导率，所述反馈回路与所述至少一个传感器和所述至少一个质流控制器连接。
12.如权利要求10所述的方法，其还包括至少四个质流控制器。
13.如权利要求9所述的方法，其还包括至少三个传感器。
14.如权利要求9所述的方法，其还包括用旁路单元调节充碳酸气的去离子水的电导率。
15.如权利要求9所述的方法，其还包括根据处理器接收到的参数调节充碳酸气的去离子水的电导率。
16.如权利要求9所述的方法，其还包括混合二氧化碳气体和去离子水，然后将去离子水供给接触室。
17.如权利要求9所述的方法，其特征在于，离开接触室的充碳酸气的去离子水的电导率在约2-50微西门子/厘米的范围内。
18.如权利要求9所述的方法，其特征在于，电导率从一个指定值变到另一个指定值的响应时间短于约5分钟。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，响应时间短于约1分钟。
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