CN102346381A - 高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置及方法。本发明将超临界二氧化碳、高温高压水以及双氧水结合起来，利用超临界二氧化碳独特的渗透和传输特性以及高温高压水在富氧条件下的强氧化性可以去除固化后的光刻胶。该方法属于一种物理-化学相结合的方式，与底层硅表面的兼容性很好，对注入表面的硅原子损耗较低。该装置及其方法操作简单，去胶效率高、表面干净光洁、成本低、环保、无需干燥，而且不会引入损伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体清洗/光刻胶剥离技术领域，尤其涉及一种高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置及方法。
背景技术
在现代半导体器件制造工艺，尤其是MEMS制造工艺中，经常需要使用固化后的光刻胶，如聚酰亚胺(PI)或SU-8胶。聚酰亚胺(PI)对硅片、铝、铜和玻璃等材料具有很好的黏附性能，亚胺化后的PI具有优异的耐腐蚀性，能抗有机溶剂的腐蚀，因此对于固化后的PI很难去除。SU-8光刻胶是一种化学增强型负性光刻胶，具有良好的光敏性和高深宽比，广泛应用于MEMS、LIGA、封装和微模铸等领域。固化后的SU-8胶也很难去除。
由于固化后的PI或SU-8等很难用传统的方法去除，使得固化交链的光刻胶的去除变得很具挑战性。对于硅上的固化光刻胶去除，可以使用碱性或酸性氟基溶液实现，但是会造成对底层硅的损耗，增大硅片表面微粗糙度；也可以使用等离子体去胶技术，但是非均匀等离子体产生的电荷会损伤晶圆表面的敏感结构。为了满足国际半导体技术蓝图对更低硅损伤和硅损耗的要求，可利用高温高压水辅助超临界二氧化碳剥离光刻胶的方法去除固化光刻胶。
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高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置及方法。
(二)技术方案
为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，该装置包括：
二氧化碳储气罐1，通过第一阀门2连接于第一质量流量控制器3，第一质量流量控制器3的出口连接于第一增压泵4；
氧气罐6，连接于平流泵5，通过第二阀门9与第二质量流量控制器10连接；
去离子水储罐8，连接于计量泵7，通过第三阀门11与流量计12连接；
精密混合器13，连接于第一增压泵4、平流泵5和计量泵7的出口；
球形混合器14一端连接精密混合器13，另一端连接加热器15；
加热器15，通过溢流阀16连接于延伸至反应腔室17内部的喷嘴18；
安装于反应腔室17内部并用于固定样片的旋转托盘20；
安装于喷嘴18下方反应腔室17内壁上将反应腔室17中的气态物和颗粒物带出的二氧化碳气源19；
喷嘴18，连接于反应腔室17的入口；
安装于反应腔室17侧壁出口的第二增压泵21；
过滤器23，连接于第二增压泵21的出口；
连接于过滤器23并对其出口气体进行冷却的冷却器24；
安装于反应腔室17底部并控制排液管道开关的第四阀门22；
连接于冷却器24另一出口的第五阀门25。
上述方案中，该装置还包括：CO2循环使用回路和CO2回收回路，所述过滤器23进一步用于过滤干燥CO2循环使用回路和CO2回收回路中的CO2。
上述方案中，该装置还包括：安装于反应腔室17上壁并实时测量显示喷嘴出口温度的温度传感器和安装于反应腔室17上壁并实时测量显示喷嘴出口压力的压力传感器。
上述方案中，所述精密混合器13用于预混合，所述球形混合器14用于充分混合。
上述方案中，所述二氧化碳气源19位于喷嘴18下方反应腔室17内壁上，用于将剥离下来的光刻胶带离样片的表面。
上述方案中，所述喷嘴18连接于反应腔室17内部且其位置和角度可改变。
上述方案中，所述溢流阀16位于加热器15的出口且用于维持恒定的压力。
为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的方法，该方法将超临界二氧化碳、高温高压水和氧气结合起来去除光刻胶。
上述方案中，所述水为去离子水，CO2气体纯度达99.999％以上，氧气纯度达99.99％以上。
上述方案中，所述高温为300℃至700℃，压力为8Mpa至50MPa。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置及方法，是利用物理和化学共同作用的结果，利用超临界二氧化碳独特的渗透和传输特性以及高温高压水在富氧条件下的强氧化性，将固化交链的光刻胶全部氧化溶解，去胶效率较高，无残留物，薄膜材料的损失最小化；省略灰化步骤大大降低了对衬底的损伤；该过程没有氧化层的形成，硅损耗和均方差粗糙度较低；对特别小的注入光刻胶图形也有很好的去胶效果。同时该装置操作简单，剥离后的表面干净光洁、成本低、无环境污染，集去胶和干燥与一体。所以该去胶技术对光刻胶的剥离，特别是难以去除的光刻胶提供了一种很好的研究方向，并对半导体器件的制造具有重要的参考价值，从而可以大大推动半导体去胶工艺的发展。
2、本发明提供的这种高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置及方法，将超临界二氧化碳、高温高压水以及双氧水结合起来，利用超临界二氧化碳独特的渗透和传输特性以及高温高压水在富氧条件下的强氧化性可以去除固化后的光刻胶。该方法属于一种物理-化学相结合的方式，与底层硅表面的兼容性很好，对注入表面的硅原子损耗较低。该装置及其方法操作简单，去胶效率高、表面干净光洁、成本低、环保、无需干燥，而且不会引入损伤。
附图说明
图1是本发明提供的高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置的结构示意图；
其中，1为二氧化碳储气罐，2为第一阀门，3为第一质量流量控制器，4为第一增压泵，5为平流泵，6为氧气罐，7为计量泵，8为去离子水罐，9为第二阀门，10为第二质量流量控制器，11为第三阀门，12为流量计，13为精密混合器，14球形混合器，15为加热器，16为溢流阀，17为反应腔室，18为喷嘴，19为二氧化碳气源，20为托盘，21为第二增压泵，22为第四阀门，23为过滤器，24为冷却器，25为第五阀门，26为单向阀。
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所示，图1是本发明提供的高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置的结构示意图。该装置包括：二氧化碳储气罐1，通过第一阀门2连接于第一质量流量控制器3，第一质量流量控制器3的出口连接于第一增压泵4；氧气罐6，连接于平流泵5，通过第二阀门9与第二质量流量控制器10连接；去离子水储罐8，连接于计量泵7，通过第三阀门11与流量计12连接；精密混合器13，连接于第一增压泵4、平流泵5和计量泵7的出口；球形混合器14一端连接精密混合器13，另一端连接加热器15；加热器15，通过溢流阀16连接于延伸至反应腔室17内部的喷嘴18；安装于反应腔室17内部并用于固定样片的旋转托盘20；安装于喷嘴18下方反应腔室17内壁上将反应腔室17中的气态物和颗粒物带出的二氧化碳气源19；喷嘴18，连接于反应腔室17的入口；安装于反应腔室17侧壁出口的第二增压泵21；过滤器23，连接于第二增压泵21的出口；连接于过滤器23并对其出口气体进行冷却的冷却器24；安装于反应腔室17底部并控制排液管道开关的第四阀门22；连接于冷却器24另一出口的第五阀门25。
该装置还包括：CO2循环使用回路和CO2回收回路，所述过滤器23进一步用于过滤干燥CO2循环使用回路和CO2回收回路中的CO2。
该装置还包括：安装于反应腔室17上壁并实时测量显示喷嘴出口温度的温度传感器和安装于反应腔室17上壁并实时测量显示喷嘴出口压力的压力传感器。
其中，所述精密混合器13用于预混合，所述球形混合器14用于充分混合。所述二氧化碳气源19位于喷嘴18下方反应腔室17内壁上，用于将剥离下来的光刻胶带离样片的表面。所述喷嘴18连接于反应腔室17内部且其位置和角度可改变。所述溢流阀16位于加热器15的出口且用于维持恒定的压力。
另外，本发明提供了一种基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的方法，该方法将超临界二氧化碳、高温高压水和氧气结合起来去除光刻胶。所述水为去离子水，CO2气体纯度达99.999％以上，氧气纯度达99.99％以上。所述高温为300℃至700℃，压力为8Mpa至50MPa。
再次参照图1，该装置中各部件的连接关系为：二氧化碳储气罐1的出口接第一阀门2，经第一质量流量控制器3与第一增压泵4连接起来；氧气罐6的出口与平流泵5的进口相连，该平流泵5的出口经第二阀门9与第二质量流量控制器10连接；去离子水罐8的出口接计量泵7的入口，该计量泵7的出口经第三阀门11与流量计12连接；第一增压泵4、第二质量流量控制器10和流量计12的出口都连接在精密混合器13的入口，精密混合器13的出口接有球形混合器14；球形混合器14的出口与加热器15连接，并与溢流阀16的一端连接；溢流阀16的另一端与位于反应腔室17内的喷嘴18入口相连；反应腔室17内部固定有可旋转托盘20；在喷嘴18入口下方的反应腔室17内壁上有一个CO2气体出口；第二增压泵21一端与腔室出口相连，另一端与过滤器23相连，过滤器23的出口一路经单向阀26与第一增压泵4的出口相连，另一路与冷却器24的入口相连，冷却器24的出口经第五阀门25和二氧化碳储气罐1入口相连；腔室17底部有一个排液口，排液管路上接有第四阀门22。
该装置中各部件的作用为：二氧化碳储气罐1提供实验所需的CO2；去离子水储罐8提供实验所需的去离子水；氧气罐6提供实验所需氧气，使去离子水在高温高压下富含氧；第一、第二质量流量控制器控制气体的流量；计量泵7对去离子水加压；第一增压泵4对CO2加压；平流泵6对氧气加压；流量计12对去离子水的流量进行控制；精密混合器13使CO2、去离子水和氧气进行前混合；球形混合器14使CO2、去离子水和氧气进行充分混合；溢流阀16，控制反应腔室17的进口压力；加热器15对混合流体进行加热，达到所需要的温度；二氧化碳气源19用于将剥离的光刻胶带离样片表面同时被带出反应腔室；可动喷嘴18用于将混合流体吹射到涂有光刻胶的硅片上，同时还可以进行位置和角度的改变；盛放硅片的托盘20可以进行旋转，增大吹扫面的切向力，同时剥离的光刻胶残渣在离心力作用下脱离样片；第二增压泵21将腔室中的CO2重新加压，从而循环利用；第四阀门22用于控制排水管道的开/关；过滤器23将腔室中出来的CO2气体进行过滤和干燥；冷却器24将气态CO2液化；第五阀门25控制着回收回路的开/关；单向阀26使流体单向流动，防止倒流现象。
结合图1，整个工艺流程为：打开加热器15，当其温度接近400℃时，运行第一增压泵4，打开第一阀门2并通过第一质量流量控制器3调整好流量，将CO2加压泵入精密混合器13中，运行平流泵5，打开第二阀门9并通过第二质量流量控制器10调整好流量，将氧气加压并泵入到精密混合器13中，运行计量泵7，打开第三阀门11并通过流量计12调整好流量，将去离子水加压并泵入到精密混合器13中，CO2、去离子水和氧气在精密混合器13中进行前混合，然后在球形混合器14中进行充分混合；打开二氧化碳气源19和运行第二增压泵21，使托盘旋转起来；溢流阀16的压限设为8MPa，经过加热器后，管道中的二氧化碳达到超临界态；当加热后混合流体的压力超过压限值后，溢流阀自动开启，混合流体将通过喷嘴18喷射到涂有光刻胶的硅片上；喷嘴18出口处的温度和压力可以通过温度传感器和压力传感器实时测量显示；吹洗下来的物质由二氧化碳气源19从硅片上带走；第二增压泵21会将反应腔室17中的气体和颗粒带出，并经过滤器23处理后通过单向阀26流回精密混合器13中进行循环使用；按照上述过程重复运行一段后，就可以将光刻胶完全去除；需要停止运行时，停止加热，第一增压泵4、平流泵5和计量泵7停止运行，回收被冷却器24液化成液态的CO2，其通过经第五阀门25的控制回收到钢瓶中；反应腔室17中的废液可以通过第四阀门22的控制从反应腔室17底部排出。
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 (10)
1.一种高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，该装置包括：
二氧化碳储气罐(1)，通过第一阀门(2)连接于第一质量流量控制器(3)，第一质量流量控制器(3)的出口连接于第一增压泵(4)；
氧气罐(6)，连接于平流泵(5)，通过第二阀门(9)与第二质量流量控制器(10)连接；
去离子水储罐(8)，连接于计量泵(7)，通过第三阀门(11)与流量计(12)连接；
精密混合器(13)，连接于第一增压泵(4)、平流泵(5)和计量泵(7)的出口；
球形混合器(14)一端连接精密混合器(13)，另一端连接加热器(15)；
加热器(15)，通过溢流阀(16)连接于延伸至反应腔室(17)内部的喷嘴(18)；
安装于反应腔室(17)内部并用于固定样片的旋转托盘(20)；
安装于喷嘴(18)下方反应腔室(17)内壁上将反应腔室(17)中的气态物和颗粒物带出的二氧化碳气源(19)；
喷嘴(18)，连接于反应腔室(17)的入口；
安装于反应腔室(17)侧壁出口的第二增压泵(21)；
过滤器(23)，连接于第二增压泵(21)的出口；
连接于过滤器(23)并对其出口气体进行冷却的冷却器(24)；
安装于反应腔室(17)底部并控制排液管道开关的第四阀门(22)；
连接于冷却器(24)另一出口的第五阀门(25)。
2.根据权利要求1所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，该装置还包括：CO2循环使用回路和CO2回收回路，所述过滤器(23)进一步用于过滤干燥CO2循环使用回路和CO2回收回路中的CO2。
3.根据权利要求1所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，该装置还包括：安装于反应腔室(17)上壁并实时测量显示喷嘴出口温度的温度传感器和安装于反应腔室(17)上壁并实时测量显示喷嘴出口压力的压力传感器。
4.根据权利要求1所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，所述精密混合器(13)用于预混合，所述球形混合器(14)用于充分混合。
5.根据权利要求1所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，所述二氧化碳气源(19)位于喷嘴(18)下方反应腔室(17)内壁上，用于将剥离下来的光刻胶带离样片的表面。
6.根据权利要求1所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，所述喷嘴(18)连接于反应腔室(17)内部且其位置和角度可改变。
7.根据权利要求1所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的装置，其特征在于，所述溢流阀(16)位于加热器(15)的出口且用于维持恒定的压力。
8.一种基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的方法，应用于权利要求1所述的装置，其特征在于，该方法将超临界二氧化碳、高温高压水和氧气结合起来去除光刻胶。
9.根据权利要求8所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的方法，其特征在于，所述水为去离子水，CO2气体纯度达99.999％以上，氧气纯度达99.99％以上。
10.根据权利要求8所述的基于高温高压水辅助的超临界二氧化碳剥离光刻胶的方法，其特征在于，所述高温为300℃至700℃，压力为8Mpa至50MPa。
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