CN105185730B - 一种低温氧等离子体超净水清洗硅片系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温氧等离子体超净水清洗硅片系统与方法，其特征在于该系统主要包括等离子体源、高频高压电源、气液溶解器、气液混合器、气液分离器、剩余低温氧等离子体气体消除器、低温氧等离子体水溶液浓度检测仪、硅片清洗槽、硅片清洗支架、阀体、过滤器、离心泵、止回阀、流量计等。清洗方法是把制取浓度为20mg/L～50mg/L的低温氧等离子体超净水注入硅片清洗槽中，在水温为5℃～40℃时，清洗硅片时间为2s～1min，去除硅片表面有机污染物、金属沾污物、颗粒物和自然氧化膜，去除率高于O3/HF、SPM(H2SO4/H2O2)和HPM(HCl/H2O2)等传统方法。

Description

一种低温氧等离子体超净水清洗硅片系统
技术领域
本发明属于半导体生产应用领域，涉及一种低温氧等离子体超净水清洗硅片系统。
背景技术
硅片是半导体器件和集成电路中使用最广泛的基底材料，随着超大规模集成电路的不断发展，集成电路的线宽不断减小，对硅片抛光表面质量的要求越来越严。这主要是因为抛光表面的颗粒、金属沾污、有机物沾污、自然氧化膜、微粗糙度等会严重影响器件的品质和成品率。因此，硅片表面的清洗成为半导体材料及器件生产过程中至关重要环节。由于RCA清洗法大量使用NH4OH，HCl和H2O2等化学试剂和高纯度化学试剂将增加运行成本，同时会带来环境污染及废液处理问题。因此，探索新的适合硅片清洗的工艺势在必行。目前用于清洗硅片的臭氧超净水质量浓度通常要达到30mg/L左右。虽然臭氧氧化电位达到2.07V，远高于H2O2(1.77V)、MnO4 －(1.52V)、ClO2(1.50V)、Cl2(1.30V)还低于·OH(2.80V)；低温氧等离子体溶于超净水形成含有·OH的低温氧等离子体超净水，它具有极强的氧化力，去除硅片表面有机物及金属的效率远比O3/HF、SPM(H2SO4/H2O2)和HPM(HCl/H2O2)等传统方法要强。另外，低温氧等离子体超净水清洗硅片方法可以在室温条件下进行清洗硅片，又不用进行废液处理。
发明内容
本发明克服现有清洗硅片不足之处，提供一种低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于该系统包括等离子体源、高频高压电源、高频高压变压器、高频高压电源控制器、冷却水循环泵、剩余低温氧等离子体气体消除器、低温氧等离子体水溶液浓度检测仪、硅片清洗槽、硅片清洗支架、喷嘴、液位控制器、电磁阀、气液溶解器、气液混合器、气液分离器、流量计、止回阀、离心泵、过滤器、球阀等，所述O2经气阀调节流量和流量计计量后输入等离子体源；所述供电电压～220V(或～380V)输入高频高压电源控制器输入端，经高频高压电源控制器调频调压后，从高频高压电源控制器输出端输出后，加入高频高压变压器输入端，经高频高压变压器升压后输入从高频高压电源；所述高频高压电源输出高频高压电输入等离子体源；所述等离子体源在高频高压电作用下把O2离解、电离、离解电离成高浓度低温氧等离子体；所述低温氧等离子体经气阀调节流量和流量计计量后注入气液溶解器；所述低温氧等离子体与超净水在气液溶解器混合溶解；所述混合溶解的气液经阀调节后注入气液分离器；所述气液分离器把低温氧等离子体超净水与未溶解的剩余低温氧等离子体分离开；所述剩余低温氧等离子体经液位控制器控制调节阀输入剩余低温氧等离子体气体消除器；所述剩余低温氧等离子体气体消除器把剩余低温氧等离子体高温还原成O2排空；所述低温氧等离子体超净水输入管道上设置压力表和低温氧等离子体水溶液浓度检测仪，计量管道中压力和测量低温氧等离子体超净水浓度；所述低温氧等离子体超净水输出管道设置上离心泵输送低温氧等离子体超净水；所述低温氧等离子体超净水输出管道上设置阀、流量计调节计量低温氧等离子体超净水流量；所述低温氧等离子体超净水输出管道上设置过滤器清除低温氧等离子体超净水中杂质；所述低温氧等离子体超净水输出管道上设置止回阀防止低温氧等离子体超净水回流；所述硅片清洗槽盛满低温氧等离子体超净水清洗硅片；所述硅片清洗槽中放置硅片清洗支架和喷嘴；所述硅片放置在硅片清洗槽中的硅片清洗支架上进行清洗；所述冷却水循环泵用于等离子体源降温。
所述等离子体源供电电压幅值为3kV～8kV，频率为6kHz～12kHz；
所述低温氧等离子体浓度为120mg/L～380mg/L；
所述低温氧等离子体超净水浓度为20mg/L～50mg/L，其中·OH水溶液浓度为1.0mg/L～4.8mg/L；
所述低温氧等离子体超净水温度范围为5℃～40℃；
所述低温氧等离子体超净水清洗硅片时间为2s～1min；
所述低温氧等离子体超净水剩余低温氧等离子体经剩余低温氧等离子体气体消除器还原成O2排空；
本发明采用强电离放电方法制取低温氧等离子体浓度达到167mg/L，为形成高浓度低温氧等离子体超净水奠定基础，同时又采用强激励方法把高浓度低温氧等离子体溶于超净水中形成浓度高达34.2mg/L的低温氧等离子体超净水，能够有效地去除硅片表面的有机、无机、颗粒以及金属沾污，清洗后的硅片表面可以满足更小线宽器件的要求。由于清洗工艺及步骤的简化，使清洗设备小型化成为可能，从而可以节省洁净间的占地面积。另外，高浓度低温氧等离子体超净水形成是在室温条件下反应，减少工艺步骤，使用尽量少的超净水及化学试剂便能达到清洗效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明系统结构图；
图2是低温氧等离子体超净水形成时间对低温氧等离子体超净水浓度影响实验结果曲线图；
图3是等离子体源放电功率对低温氧等离子体超净水浓度影响实验结果曲线图。
图中：1阀；2过滤器；3离心泵；4止回阀；5流量计；6气液溶解器；7气液混合器；8气液分离器；9调节阀；10液位控制器；11低温氧等离子体水溶液浓度检测仪；12剩余低温氧等离子体气体消除器；13冷却水循环泵；14等离子体源；15高频高压电源；16高频高压变压器；17高频高压电源控制器；18低温氧等离子体超净水；19硅片清洗槽；20硅片清洗支架；21喷嘴；22硅片；23低温氧等离子体超净水输入管道；24低温氧等离子体超净水输出管道。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例。
本发明的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统结构如图1所示，包括四个阀1、一个过滤器2、一个离心泵3、两个止回阀4、三个流量计5、一个气液溶解器6、一个气液混合器7、一个气液分离器8、一个调节阀9、一个液位控制器10、一个低温氧等离子体水溶液浓度检测仪11、一个剩余低温氧等离子体气体消除器12、一个冷却水循环泵13、一个等离子体源14、一个高频高压电源15、一个高频高压变压器16、一个高频高压电源控制器17、一个硅片清洗槽19、一个硅片清洗支架20、数个喷嘴21、一条低温氧等离子体超净水输入管道23、一个低温氧等离子体超净水输出管道24。
本发明低温氧等离子体超净水清洗硅片系统实施方法，主要是由等离子体源14、气液溶解器6、气液混合器7、气液分离器8和剩余低温氧等离子体气体消除器12等组成。高频高压电源15输出频率为6kHz～12kHz，电压幅值为3kHz～8kHz的电压供给等离子体源14形成高浓度低温氧等离子体，气态低温氧等离子体经气液溶解器6、气液混合器7、气液分离器8形成高浓度低温氧等离子体超净水18，再经低温氧等离子体超净水输入管道23注入硅片清洗槽19中底部喷嘴21喷射清洗硅片22。经气液分离器8分离出来的低温氧等离子体气体再经剩余低温氧等离子体气体消除器12分解成O2排空。本系统形成低温氧等离子体超净水质量浓度20mg/L～50mg/L，硅片22放置在硅片清洗支架20上进行清洗。
具体实施例：
(1)低温氧等离子体形成时间对低温氧等离子体超净水浓度影响
在硅片清洗槽体积为200L、水流速为52.9L/min、水温为14.8℃、氧气体积流量为7L/min、输入功率为800W条件下进行低温氧等离子体超净水形成实验，结果如图2所示，形成低温氧等离子体超净水时间为15min时，低温氧等离子体超净水质量浓度达到31.5mg/L；当反应时间为30min时，低温氧等离子体超净水质量浓度达到34.2mg/L，满足硅片清洗工序对低温氧等离子体浓度的要求。
(2)等离子体源放电功率与对低温氧等离子体超净水浓度影响
在硅片清洗槽体积为200L、水流速为52.9L/min、水温为14.8℃、氧气体积流量为7L/min、输入功率为800W、形成臭氧超净水反应时间为30min条件下进行等离子体源放电功率实验，结果如图3所示，当等离子体源放电功率达到700W时，低温氧等离子体超净水质量浓度达到31.8mg/L，满足硅片清洗所需的低温氧等离子体超净水浓度要求；当放电功率达到780W时，低温氧等离子体超净水质量浓度达到33.8mg/L。

Claims (7)

1.一种低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于，该系统主要包括等离子体源、高频高压电源、高频高压变压器、高频高压电源控制器、冷却水循环泵、剩余低温氧等离子体气体消除器、低温氧等离子体水溶液浓度检测仪、硅片清洗槽、硅片清洗支架、喷嘴、液位控制器、电磁阀、气液溶解器、气液混合器、气液分离器、流量计、止回阀、离心泵、过滤器、球阀等， O2经气阀调节流量和流量计计量后输入等离子体源；供电电压~220V或~380V输入高频高压电源控制器输入端，经高频高压电源控制器调频调压后，从高频高压电源控制器输出端输出后，加入高频高压变压器输入端，经高频高压变压器升压后输入从高频高压电源；所述高频高压电源输出高频高压电输入等离子体源；所述等离子体源在高频高压电作用下把O2离解、电离、离解电离成高浓度低温氧等离子体；所述低温氧等离子体经气阀调节流量和流量计计量后注入气液溶解器；所述低温氧等离子体与超净水在气液溶解器混合溶解；混合溶解的气液经阀调节后注入气液分离器；所述气液分离器把低温氧等离子体超净水与未溶解的剩余低温氧等离子体分离开；所述剩余低温氧等离子体经液位控制器控制调节阀输入剩余低温氧等离子体气体消除器；所述剩余低温氧等离子体气体消除器把剩余低温氧等离子体高温还原成O2排空；低温氧等离子体超净水输入管道上设置压力表和低温氧等离子体水溶液浓度检测仪，计量管道中压力和测量低温氧等离子体超净水浓度；低温氧等离子体超净水输出管道设置上离心泵输送低温氧等离子体超净水；低温氧等离子体超净水输出管道上设置阀、流量计调节计量低温氧等离子体超净水流量；低温氧等离子体超净水输出管道上设置过滤器清除低温氧等离子体超净水中杂质；低温氧等离子体超净水输出管道上设置止回阀防止低温氧等离子体超净水回流；所述硅片清洗槽盛满低温氧等离子体超净水清洗硅片；所述硅片清洗槽中放置硅片清洗支架和喷嘴；所述硅片放置在硅片清洗槽中的硅片清洗支架上进行清洗；所述冷却水循环泵用于等离子体源降温。
2.根据权利要求1所述的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于等离子体源供电电压幅值为3kV~8kV，频率为6kHz~12kHz。
3.根据权利要求1或2所述的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于低温氧等离子体浓度为120mg/L~380mg/L。
4.根据权利要求3所述的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于低温氧等离子体超净水浓度为20mg/L~50mg/L，其中·OH水溶液浓度为1.0mg/L~4.8mg/L。
5.根据权利要求4所述的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于低温氧等离子体超净水温度范围为5℃~40℃。
6.根据权利要求4或5所述的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于低温氧等离子体超净水清洗硅片时间为2s~1min。
7.根据权利要求6所述的低温氧等离子体超净水清洗硅片系统，其特征在于低温氧等离子体超净水剩余低温氧等离子体经剩余低温氧等离子体气体消除器还原成O2排空。
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