CN101740341B - 二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，包括二氧化碳预处理腔、清洗腔、分离腔、二氧化碳循环控制系统和温度及压力控制系统；二氧化碳在预处理腔内进入预设的温度和压力状态后，经清洗腔内的喷嘴上的狭缝喷槽出射，伴随液体流分裂蒸发冷却，形成幕状固态气胶团簇流；幕状二氧化碳气胶流以一定角度入射到放置在可转硅片架上的硅片表面，通过动量转移，清除污染物颗粒，并由载流气体将颗粒带离清洗腔，在分离腔中回收二氧化碳并处理清洗污物。利用本发明，避免了纯水的大量消耗以及有机溶剂对环境的污染和操作人员的危害，可有效去除超临界二氧化碳无法去除的颗粒和碳化交联聚合物外壳，对小尺寸的图形和结构取得理想的清洗效果。

Description

二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术中的半导体硅片无水清洗技术领域，尤其涉及一种二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，利用低温二氧化碳气溶胶与污染粒子相撞对硅片表面进行无水清洗。

背景技术

随着微电子技术的进步，芯片的集成度不断提高，元器件的尺度不断缩小，相应地对硅片洁净度的要求也越来越高。因为硅片表面的残留污染物和杂质会导致电路或器件结构失效，所以在制造过程中需要进行大量的清洗。所谓清洗，是指在不破坏硅片表面电特性及器件结构的前提下，有效去除各类污染。

在传统的清洗技术中，最终要使用大量高纯水进行冲洗，再用异丙醇等干燥硅片表面。由此衍生出的问题是水资源的大量消耗、化学试剂引起的芯片和环境的污染，以及干燥过程中气液界面的表面张力引起的微结构粘连和颗粒吸附。而且受液体表面张力和粘度的限制，传统清洗技术无法对微小孔隙进行有效的清洗。随着半导体技术向更小的工艺节点延伸，传统清洗渐渐变得力不从心。

超临界态二氧化碳具有低粘度、高扩散性、低表面张力、亲有机性等特点，可以深入微小孔隙进行清洗，避免了大量纯水的消耗和传统清洗技术所需的后续处理(包括废液的处理和干燥等)，满足新一代硅片高深宽比结构的要求，也大大减小了半导体工业对资源和环境的压力。但是超临界二氧化碳对于颗粒沾污和高剂量粒子注入光刻胶后产生的碳化交联聚合物外壳的处理能力是有限的。

因此，在超临界二氧化碳清洗设备的基础上开发二氧化碳低温气溶胶清洗设备，不仅可以与超临界清洗技术兼容，同时改进对颗粒沾污和光刻胶碳化硬壳的处理能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，以克服硅片清洗的技术困难，解决传统清洗大量耗水、污染环境、无法深入微小结构进行有效清洗以及湿法清洗后干燥时因气液界面的张力引起的结构粘连和颗粒吸附等问题，并改善超临界二氧化碳无法有效去除的光刻胶碳化外壳和颗粒污染，满足新一代半导体工艺的要求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，该设备包括二氧化碳预处理腔1、清洗腔2、分离腔4、二氧化碳循环控制系统9和温度及压力控制系统10；二氧化碳在所述预处理腔1内进入预设的温度和压力状态后，经清洗腔2内的喷嘴201上的狭缝喷槽205出射，伴随液体流分裂蒸发冷却，形成幕状固态气胶团簇流；所述幕状二氧化碳气胶流以一定角度入射到放置在可转硅片架3上的硅片表面，通过动量转移，清除污染物颗粒，并由载流气体将颗粒带离清洗腔2，在分离腔4中回收二氧化碳并处理清洗污物。

上述方案中，所述预处理腔1用于二氧化碳的预处理，固定在支座11上，该预处理腔1内部装有温度传感器，外部由用于制冷的预处理腔换热盘管5环绕包裹，腔室内部温度受温度控制系统10的控制，在不同的温度下使二氧化碳达到不同程度的凝结。

上述方案中，所述清洗腔2固定在支座11上，该清洗腔2内部有气溶胶喷嘴201、温度传感器202、压力传感器203和盛放待清洗硅片的硅片架3，底部装有永磁体和轴承。

上述方案中，所述清洗腔2内部的温度及压力均受控制系统10的控制，保证清洗过程所需的温度和真空度；所述清洗腔2外部由用于制冷的清洗腔换热盘管6环绕包裹，下侧有用于加热的电阻丝。

上述方案中，所述气溶胶喷嘴201具有喷槽205，该喷槽205是宽0.2mm×55mm的狭缝，自狭缝出射的二氧化碳低温气胶流为幕状，且所述幕状气胶流所在平面与待清洗硅片表面成夹角可调，调整范围为45°～60°。

上述方案中，所述硅片架3为转动磁体支架，用于盛放不同规格的硅片，并在磁场作用下，由轴承传动进行旋转。

上述方案中，所述分离腔4是实现二氧化碳与清洗废物分离的腔室，固定在支座11上，二氧化碳在此全部气化后，经压缩机压缩后回二氧化碳储罐，清洗废物则由带手动阀门8的管道排出清洗设备。

上述方案中，所述二氧化碳循环控制系统9用于实现整套设备的二氧化碳循环控制工作，固定在支座10上，由液体二氧化碳储气罐和压缩机构成，对二氧化碳进行压缩、散热和存储，同时完成预处理腔1、清洗腔2和分离腔4的制冷任务，液体二氧化碳分别在清洗工作回路和制冷工作回路中流动。

上述方案中，所述清洗工作回路包括二氧化碳储气罐、二氧化碳预处理腔1、清洗腔2、分离腔4和液体二氧化碳压缩机。

上述方案中，所述制冷工作回路包括二氧化碳储气罐、预处理腔换热盘管5、清洗腔换热盘管6、分离腔换热盘管7和液态二氧化碳压缩机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明有以下有益效果。

(1)本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，属干法清洗，避免了高纯水的大量消耗，减少了半导体行业对资源和环境的压力。

(2)本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，利用物理力进行清洗，不使用液体，无表面张力引起的器件微结构粘连和颗粒吸附等致命问题。

(3)本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，使用低温二氧化碳气溶胶为清洗剂：一方面，二氧化碳适中的分子量保证清洗过程在降低硅片的材料损耗和图形损伤的同时，保持较高的颗粒去除效率；另一方面，与氮气和氩气相比，二氧化碳可在更低的能源消耗条件下(二氧化碳低温气溶胶形成温度为-78.5℃，而氮气和氩气分别需要达到-196℃和-189℃)，形成低温气溶胶，避免了非低温气胶因表面电荷引起的气胶尺寸分布不均的问题。

(4)本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，与二氧化碳超临界清洗设备兼容，可有效弥补超临界二氧化碳对于颗粒去除和高剂量等离子体注入光刻胶后形成的碳化壳等方面的清洗效果的不足。

(5)本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，使用的制冷剂和清洗剂均为二氧化碳。二氧化碳在清洗回路和制冷回路中均循环使用，不对环境产生压力。

附图说明

图1为本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备结构示意图；

图2为本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备中清洗腔结构示意图；

图中，二氧化碳预处理腔1，清洗腔2，硅片架3，分离腔4，预处理腔换热盘管5，清洗腔换热盘管6，分离腔换热盘管7，清洗废物排出管道8，二氧化碳循环控制系统9，温度及压力控制系统10，支座11，清洗腔喷嘴201，温度传感器202，压力传感器203，磁旋装置204，清洗腔喷嘴狭缝喷槽205。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备包括二氧化碳预处理腔1、清洗腔2、分离腔4、二氧化碳循环控制系统9和温度及压力控制系统10。二氧化碳在所述预处理腔1内进入预设的温度和压力状态后，经清洗腔2内的喷嘴201上的狭缝喷槽205出射，伴随液体流分裂蒸发冷却，形成幕状固态气胶团簇流。幕状二氧化碳气胶流以一定角度入射到放置在可转硅片架3上的硅片表面，通过动量转移，清除污染物颗粒，并由载流气体将颗粒带离清洗腔2，在分离腔4中回收二氧化碳并处理清洗污物。

预处理腔1用于二氧化碳的预处理，固定在支座11上，该预处理腔1内部装有温度传感器，外部由用于制冷的预处理腔换热盘管5环绕包裹，腔室内部温度受温度控制系统10的控制，在不同的温度下使二氧化碳达到不同程度的凝结。

清洗腔2固定在支座11上，该清洗腔2内部有气溶胶喷嘴201、温度传感器202、压力传感器203和盛放待清洗硅片的硅片架3，底部装有永磁体和轴承。清洗腔2内部的温度及压力均受控制系统10的控制，保证清洗过程所需的温度和真空度；所述清洗腔2外部由用于制冷的清洗腔换热盘管6环绕包裹，下侧有用于加热的电阻丝。气溶胶喷嘴201具有喷槽205，该喷槽205是宽0.2mm×55mm的狭缝，自狭缝出射的二氧化碳低温气胶流为幕状，且所述幕状气胶流所在平面与待清洗硅片表面成夹角可调，调整范围为45°～60°。硅片架3为转动磁体支架，用于盛放不同规格的硅片，并在磁场作用下，由轴承传动进行旋转。

分离腔4是实现二氧化碳与清洗废物分离的腔室，固定在支座11上，二氧化碳在此全部气化后，经压缩机压缩后回二氧化碳储罐，清洗废物则由带手动阀门8的管道排出清洗设备。

二氧化碳循环控制系统9用于实现整套设备的二氧化碳循环控制工作，固定在支座10上，由液体二氧化碳储气罐和压缩机构成，对二氧化碳进行压缩、散热和存储，同时完成预处理腔1、清洗腔2和分离腔4的制冷任务，液体二氧化碳分别在清洗工作回路和制冷工作回路中流动。清洗工作回路包括二氧化碳储气罐、二氧化碳预处理腔1、清洗腔2、分离腔4和液体二氧化碳压缩机。制冷工作回路包括二氧化碳储气罐、预处理腔换热盘管5、清洗腔换热盘管6、分离腔换热盘管7和液态二氧化碳压缩机。

再参照图1和图2，下面详细说明本发明提供的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备的具体工作流程，包括以下步骤：

步骤1：打开清洗腔2，将硅片放置在硅片架3上，密闭清洗腔2；

步骤2：启动所述清洗设备的二氧化碳循环控制系统9和温度压力控制系统10，令二氧化碳储罐内的液态二氧化碳进入二氧化碳预处理腔1，在制冷系统的作用下，所述预处理腔内的二氧化碳进入-78.5℃的低温状态。

步骤3：预处理腔内的低温二氧化碳液体经气溶胶喷嘴201进入具有温度和压力控制的清洗腔2中，所述清洗腔内维持的压强比预处理腔1低，保证离开喷嘴的液体分裂，并形成固态二氧化碳幕状气胶团簇。所述固态二氧化碳幕状气胶团簇流以45°角入射到硅片表面，与硅片表面发生碰撞，并通过碰撞将动能转移到硅片表面的颗粒污染物上。当所传递动能大于颗粒污染物与硅片表面的附着能时，颗粒污染物便与硅片脱离，在载流气体的携带下，离开清洗腔2，进入分离腔4。在清洗过程中，电机带动清洗腔2内的永磁体转动，磁性硅片架3与永磁体的磁性相反，产生转动力，在轴承传动下，实现旋转。

步骤4：进入分离腔的二氧化碳及清洗废弃物混合流体在温度和压力控制系统的作用下，其中的二氧化碳完全气化，自混合物体系中析出，经循环系统中的压缩机压缩后，回二氧化碳存储罐，而剩余的清洗废弃物，则经由带手动阀门的管道8排离清洗设备。

步骤5：至此，二氧化碳低温气溶胶清洗过程结束。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，该设备包括二氧化碳预处理腔(1)、清洗腔(2)、分离腔(4)、二氧化碳循环控制系统(9)和温度及压力控制系统(10)；二氧化碳在所述预处理腔(1)内进入预设的温度和压力状态后，经清洗腔(2)内的喷嘴(201)上的狭缝喷槽(205)出射，伴随液体流分裂蒸发冷却，形成幕状固态气胶团簇流；所述幕状固态气胶团簇流以一定角度入射到放置在可转硅片架(3)上的硅片表面，通过动量转移，清除污染物颗粒，并由载流气体将颗粒带离清洗腔(2)，在分离腔(4)中回收二氧化碳并处理污染物颗粒；

其中，所述预处理腔(1)用于二氧化碳的预处理，固定在支座(11)上，该预处理腔(1)内部装有温度传感器，外部由用于制冷的预处理腔换热盘管(5)环绕包裹，腔室内部温度受温度控制系统(10)的控制，在不同的温度下使二氧化碳达到不同程度的凝结。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述清洗腔(2)固定在支座(11)上，该清洗腔(2)内部有气溶胶喷嘴(201)、温度传感器(202)、压力传感器(203)和盛放待清洗硅片的硅片架(3)，底部装有永磁体和轴承。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述清洗腔(2)内部的温度及压力均受控制系统(10)的控制，保证清洗过程所需的温度和真空度；所述清洗腔(2)外部由用于制冷的清洗腔换热盘管(6)环绕包裹，下侧有用于加热的电阻丝。

4.根据权利要求2所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述气溶胶喷嘴(201)具有喷槽(205)，该喷槽(205)是宽 ×长为0.2mm×55mm的狭缝，自狭缝出射的二氧化碳低温气胶流为幕状，且幕状气胶流所在平面与待清洗硅片表面成夹角可调，调整范围为45°～60°。

5.根据权利要求2所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述硅片架(3)为转动磁体支架，用于盛放不同规格的硅片，并在磁场作用下，由轴承传动进行旋转。 

6.根据权利要求1所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述分离腔(4)是实现二氧化碳与污染物颗粒分离的腔室，固定在支座(11)上，二氧化碳在此全部气化后，经压缩机压缩后回液态二氧化碳储气罐，污染物颗粒则由带手动阀门(8)的管道排出清洗设备。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述二氧化碳循环控制系统(9)用于实现整套设备的二氧化碳循环控制工作，固定在支座(11)上，由液态二氧化碳储气罐和液态二氧化碳压缩机构成，对二氧化碳进行压缩、散热和存储，同时完成预处理腔(1)、清洗腔(2)和分离腔(4)的制冷任务，液体二氧化碳分别在清洗工作回路和制冷工作回路中流动。

8.根据权利要求7所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述清洗工作回路包括液态二氧化碳储气罐、二氧化碳预处理腔(1)、清洗腔(2)、分离腔(4)和液态二氧化碳压缩机。

9.根据权利要求7所述的二氧化碳低温气溶胶半导体清洗设备，其特征在于，所述制冷工作回路包括液态二氧化碳储气罐、预处理腔换热盘管(5)、清洗腔换热盘管(6)、分离腔换热盘管(7)和液态二氧化碳压缩机。 

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