CN105750272B - 一种自动化干法清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动化干法清洗装置。所述清洗装置中的高压二氧化碳气体经高压气管顺序通过控压阀、电控阀门、空气过滤器、以及智能喷射探头中的文丘里管喷出，变成固体、液体、气体混合物从而清除工件表面残留颗粒污染物。智能喷射探头兼具监测工件位置状态的功能。五自由度电位移台带动被清洗件完成自动清洗，以及调节被清洗件与文丘里管之间的距离和相对角度。长焦距显微镜的观察范围与文丘里管喷射出的二氧化碳气流在被清洗工件表面的覆盖区域一致，用于实时观察和记录清洗效果。本发明能够在保证清洗效率和清洗后工件表面洁净度稳定性的情况下，利用干法清洗方式实现去除半导体器件、光学镜片、金属器件等表面残留的微米、亚微米颗粒的目的。

Description

一种自动化干法清洗装置

技术领域

本发明属于光电信息技术和精密机械制造领域，具体涉及一种自动化干法清洗装置。适用于半导体制造、光机电器件制造中对半导体器件、光学镜片、金属器件等表面微米、亚微米级残留物的去除。

背景技术

在光电信息技术和精密机械制造领域，随着行业制造技术的纵深发展，对制造精度的要求越来越高，其最高加工精度达到亚微米或纳米量级。对加工器件表面污染物的控制是随着加工精度的提高而兴起的。表面残留的颗粒污染物会对加工后产品的表面质量以及产品的光学性能、电子学性能产生一定的影响，严重时会造成产品报废。在半导体器件、光学器件的精密加工过程中，通常对表面残留污染物的控制会要求限制到微米或亚微米量级。国际标准化组织最新出版的标准中也将表面颗粒残留物的可控制范围向下延伸到亚微米量级，足以说明对超细颗粒污染物的严格控制在现代工业生产和科研工作中受到的重视程度越来越高。

半导体器件、光学镜片、金属器件等在生产加工过程中不可避免地会产生颗粒污染物，去除表面残留颗粒污染物则是生产加工后的一道极其重要的工序。目前，在精密制造行业去除表面残留颗粒污染物的方法很多，如喷涂擦拭清洗、超声波清洗、高压喷淋清洗、化学试剂清洗、风刀吹扫、激光清洗等都是非常有效的清洗方法。但针对微米、亚微米级颗粒污染物，由于颗粒与表面分子之间的静电引力、范德瓦尔斯力等相对较大，清洗较为困难。针对这部分颗粒污染物通常采用兆声波清洗法、二氧化碳雪清洗法等。兆声波清洗法属于湿法清洗，二氧化碳雪清洗法属于干法清洗。大多数光学镜片、金属器件等适用湿法清洗，但少数特殊材料制成的光学镜片、半导体器件、金属器件不适合湿法清洗，需要用到干法清洗。二氧化碳雪清洗法是新兴的干式清洗方法，它的核心部件为一个文丘里管，高压二氧化碳气体通过文丘里管后物质状态发生转变，形成固体、液体、气体混合物，固态二氧化碳颗粒到达工件表面由于温度骤然升高瞬间升华以致发生微区域爆炸，在发生爆炸的微小区域形成巨大冲击力，该冲击力将粘附于工件表面的颗粒污染物剥离表面并将其去除。目前，二氧化碳雪清洗常用手持喷枪的方式清洗，清洗参数人为控制，无法保证清洗效果的稳定性，清洗效率也低，清洗过程中也不能进行实时观察，无法保证理想的清洗效果。

发明内容

本发明的目的是解决清洗半导体器件、光学镜片、金属器件表面残留的微米、亚微米颗粒工艺中清洗效率和清洗后工件表面洁净度稳定新的问题。

本发明的一种自动化干法清洗装置，其特点是：所述的自动化干法清洗装置包含高压二氧化碳气瓶、控压阀、电控阀门、空气过滤器、智能喷射探头、长焦距显微镜、工作站、五自由度电位移台、图像转换控制器、五自由度电位移台控制器、电控阀门控制器、智能喷射探头控制器；其中，所述的智能喷射探头含有文丘里管、二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器、线缆转换器、定位板、绝缘转接板；所述的五自由度电位移台含有水平旋转电位移台、俯仰角度旋转电位移台、x轴方向电动平移台、y轴方向电动平移台、z轴方向电动平移台、载物台。

其连接关系是，所述的高压二氧化碳气瓶、控压阀、电控阀门、空气过滤器、智能喷射探头的文丘里管通过高压气管依次连接；智能喷射探头中的文丘里管通过螺钉固定在定位板上，二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器固定在绝缘转接板上，绝缘转接板通过螺钉固定在定位板上，线缆转换器固定在定位板上，二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器的控制线连接至线缆转换器。五自由度电位移台的水平旋转电位移台、俯仰角度旋转电位移台、x轴方向电动平移台、y轴方向电动平移台、z轴方向电动平移台从下往上依次固定连接，水平旋转电位移台与俯仰角度旋转电位移台的中轴线正交，水平旋转电位移台与z轴方向电动平移台同轴设置，x轴方向电动平移台、y轴方向电动平移台、z轴方向电动平移台相互垂直且交于同一点，载物台固定在z轴方向电动平移台上。被清洗工件固定在载物台上，被清洗工件的法线方向与y轴方向一致。

所述的智能喷射探头与长焦距显微镜位于被清洗工件的同一侧。电控阀门、电控阀门控制器、工作站通过信号传输电缆依次连接，长焦距显微镜、图像转换控制器、工作站通过信号传输电缆依次连接，五自由度电位移台、五自由度电位移台控制器、工作站通过信号传输电缆依次连接，智能喷射探头的线缆转换器、智能喷射探头控制器、工作站通过信号传输电缆依次连接。所使用的清洗介质二氧化碳气体由高压二氧化碳气瓶输出，并经高压气管输送，依次通过控压阀、电控阀门、空气过滤器、智能喷射探头的文丘里管，喷射出固体、液体、气体混合物到达被清洗工件表面。

所述的五自由度电位移台的水平旋转电位移台、俯仰角度旋转电位移台、x轴方向电动平移台、y轴方向电动平移台、z轴方向电动平移台的连接关系设置为x轴方向电动平移台、y轴方向电动平移台、z轴方向电动平移台从下往上依次固定连接，水平旋转电位移台、俯仰角度旋转电位移台固定在z轴方向电动平移台上，水平旋转电位移台与俯仰角度旋转电位移台的中轴线正交，水平旋转电位移台与z轴方向电动平移台同轴，x轴方向电动平移台、y轴方向电动平移台、z轴方向电动平移台相互垂直且交于同一点，载物台固定在俯仰角度旋转电位移台上。

所述的清洗介质替换为乙醚蒸汽。

所述的高压二氧化碳气瓶中气体压强的范围为1MPa~50MPa。

所述的距离感应器为激光距离感应器或超声波距离感应器。

所述的文丘里管采用不锈钢、铝合金、铜制作。

所述的定位板采用α3钢、不锈钢、铝合金、聚四氟乙烯制作。

本发明的自动化干法清洗装置的工作流程是，所述的被清洗工件被固定在五自由度电位移台上。二氧化碳气体由高压二氧化碳气瓶输出，并经高压气管输送，顺序通过控压阀、电控阀门、空气过滤器、智能喷射探头。所述的控压阀用于控制输出二氧化碳气体的压强。所述的工作站发出通气/断气信号，通过电控阀门控制器转换成模拟信号通知电控阀门控制高压二氧化碳气体的接通或断开。所述的空气过滤器用于过滤二氧化碳气体中所含杂质。所述的智能喷射探头含有文丘里管、二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器、线缆转换器、定位板、绝缘转接板。文丘里管通过螺钉固定在定位板上，二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器固定在绝缘转接板上，绝缘转接板通过螺钉固定在定位板上，线缆转换器固定在定位板上，二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器的控制线连接至线缆转换器，文丘里管、二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器之间的相对位置固定。二氧化碳气体通过文丘里管喷出成为固体、液体、气体三相混合物到达被清洗工件，清除表面残留颗粒污染物。所述的距离感应器用于监测被清洗工件与文丘里管之间的距离，其监测数据由智能喷射探头控制器接收，并传递至工作站。所述的工作站根据传回的距离信息判断被清洗工件与文丘里管之间的距离是否为最佳清洗距离，并作出是否调整距离的判断，由工作站发出调整信号至五自由度电位移台控制器，控制y轴方向电动平移台做出调整动作。所述的二极管激光器、四象限光电二极管用于监测智能喷射探头与被清洗工件之间的角度在清洗过程中是否会因为受到巨大冲击力而发生偏转。其中的二极管激光器发射出激光束，经被清洗工件表面垂直反射，四象限光电二极管接收反射的激光光斑，根据光斑在四象限光电二极管的四个光电二极管上的能量分布判断反射光束的角度是否发生偏转，由智能喷射探头控制器接收信号并传递至工作站，由工作站判断是否发生偏转，若发生偏转则发出调整信号至五自由度电位移台控制器，继而控制五自由度电位移台中的水平旋转电位移台、俯仰角度旋转电位移台调整被清洗工件的姿态。五自由度电位移台中的x轴方向电动平移台和z轴方向电动平移台带动被清洗工件分别在横向和纵向上作连续运动，从而自动完成整个工件表面的清洗工作。所述的长焦距显微镜的观察范围与文丘里管喷射出的二氧化碳气流在被清洗工件表面的覆盖区域一致，用于实时观察和记录清洗效果，所采集的图像或视频信号经图像转换控制器传回工作站，并由工作站进行实时显示或回放。

本发明的有益效果是，有效地解决了利用二氧化碳雪干法清洗半导体器件、光学镜片、金属器件表面残留的微米、亚微米颗粒工艺中清洗效率和清洗后工件表面洁净度稳定性问题。利用高压二氧化碳气体通过文丘里管后形成的固体、液体、气体三相混合物，将粘附于工件表面的颗粒污染物剥离表面并将其去除。将文丘里管、二极管激光器、四象限光电二极管、距离感应器集成于一个智能喷射探头中，在清洗过程中对被清洗件位置、角度进行实时监控和调整，便于在清洗过程中保持清洗参数的一致性。长焦距显微镜的观察范围与文丘里管喷射出的二氧化碳气流在被清洗工件表面的覆盖区域一致，用于实时观察和记录清洗效果，实现了精密清洗与表面洁净度检测的同步。

附图说明

图1是本发明的自动化干法清洗装置结构示意图；

图2是本发明中的智能喷射探头的结构示意图；

图3是本发明中的五自由度电位移台的结构示意图；

图中，1.高压二氧化碳气瓶 2.控压阀 3.电控阀门 4.空气过滤器 5.智能喷射探头 6.长焦距显微镜 7.工作站 8.五自由度电位移台 9.被清洗工件 10.图像转换控制器11.五自由度电位移台控制器 12.电控阀门控制器 13. 智能喷射探头控制器 51.文丘里管 52.二极管激光器 53.四象限光电二极管 54.距离感应器 55.线缆转换器 56.定位板57.绝缘转接板 81.水平旋转电位移台 82.俯仰角度旋转电位移台 83.x轴方向电动平移台 84.y轴方向电动平移台 85.z轴方向电动平移台 86.载物台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做具体描述。

实施例1

图1是本发明的自动化干法清洗装置结构示意图，图2是本发明中的智能喷射探头的结构示意图，图3是本发明中的五自由度电位移台的结构示意图。在图1~图3中，本发明的自动化干法清洗装置，包含高压二氧化碳气瓶1、控压阀2、电控阀门3、空气过滤器4、智能喷射探头5、长焦距显微镜6、工作站7、五自由度电位移台8、图像转换控制器10、五自由度电位移台控制器11、电控阀门控制器12、智能喷射探头控制器13。其中，所述的智能喷射探头5含有文丘里管51、二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54、线缆转换器55、定位板56、绝缘转接板57。所述的五自由度电位移台8含有水平旋转电位移台81、俯仰角度旋转电位移台82、x轴方向电动平移台83、y轴方向电动平移台84、z轴方向电动平移台85、载物台86。

其连接关系是，所述的高压二氧化碳气瓶1、控压阀2、电控阀门3、空气过滤器4、智能喷射探头5的文丘里管51通过高压气管依次连接。智能喷射探头5中的文丘里管51通过螺钉固定在定位板56上，二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54固定在绝缘转接板57上，绝缘转接板57通过螺钉固定在定位板56上，线缆转换器55固定在定位板56上，二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54的控制线连接至线缆转换器55。五自由度电位移台8的水平旋转电位移台81、俯仰角度旋转电位移台82、x轴方向电动平移台83、y轴方向电动平移台84、z轴方向电动平移台85从下往上依次固定连接，水平旋转电位移台81与俯仰角度旋转电位移台82的中轴线正交，水平旋转电位移台81与z轴方向电动平移台85同轴设置，x轴方向电动平移台83、y轴方向电动平移台84、z轴方向电动平移台85相互垂直且交于同一点，载物台86固定在z轴方向电动平移台85上。被清洗工件9固定在载物台86上，被清洗工件9的法线方向与y轴方向一致。

所述的智能喷射探头5与长焦距显微镜6位于被清洗工件的同一侧。电控阀门3、电控阀门控制器12、工作站7通过信号传输电缆依次连接，长焦距显微镜6、图像转换控制器10、工作站7通过信号传输电缆依次连接，五自由度电位移台8、五自由度电位移台控制器11、工作站7通过信号传输电缆依次连接，智能喷射探头5的线缆转换器55、智能喷射探头控制器13、工作站7通过信号传输电缆依次连接。所使用的清洗介质二氧化碳气体由高压二氧化碳气瓶1输出，并经高压气管输送，依次通过控压阀2、电控阀门3、空气过滤器4、智能喷射探头5的文丘里管51，喷射出固体、液体、气体混合物到达被清洗工件9表面。

所述的高压二氧化碳气瓶中气体压强为50MPa。

所述的文丘里管采用不锈钢制作。

所述的距离感应器为激光距离感应器。

所述的定位板采用α3钢制作。

本发明的自动化干法清洗装置的工作流程是，被清洗工件被固定在五自由度电位移台8上。二氧化碳气体由高压二氧化碳气瓶1输出，并经高压气管输送，顺序通过控压阀2、电控阀门3、空气过滤器4、智能喷射探头5。所述的控压阀2用于控制输出二氧化碳气体的压强。所述的工作站7发出通气/断气信号，通过电控阀门控制器12转换成模拟信号通知电控阀门3控制高压二氧化碳气体的接通或断开。所述的空气过滤器4用于过滤二氧化碳气体中所含杂质。所述的智能喷射探头5含有文丘里管51、二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54、线缆转换器55、定位板56、绝缘转接板57。文丘里管51通过螺钉固定在定位板56上，二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54固定在绝缘转接板57上，绝缘转接板57通过螺钉固定在定位板56上，线缆转换器55固定在定位板56上，二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54的控制线连接至线缆转换器55，文丘里管51、二极管激光器52、四象限光电二极管53、距离感应器54之间的相对位置固定。二氧化碳气体通过文丘里管51喷出成为固体、液体、气体三相混合物到达被清洗工件，清除表面残留颗粒污染物。所述的距离感应器54用于监测被清洗工件9与文丘里管51之间的距离，其监测数据由智能喷射探头控制器13接收，并传递至工作站7。所述的工作站7根据传回的距离信息判断被清洗工件9与文丘里管51之间的距离是否为最佳清洗距离，并作出是否调整距离的判断，由工作站7发出调整信号至五自由度电位移台控制器11，控制y轴方向电动平移台84做出调整动作。所述的二极管激光器52、四象限光电二极管53用于监测智能喷射探头5与被清洗工件9之间的角度在清洗过程中是否会因为受到巨大冲击力而发生偏转。其中的二极管激光器52发射出激光束，经被清洗工件9的表面垂直反射，四象限光电二极管53接收反射的激光光斑，根据光斑在四象限光电二极管53的四个光电二极管上的能量分布判断反射光束的角度是否发生偏转，由智能喷射探头控制器13接收信号并传递至工作站7，由工作站7判断是否发生偏转，若发生偏转则发出调整信号至五自由度电位移台控制器11，继而控制五自由度电位移台8中的水平旋转电位移台81、俯仰角度旋转电位移台82调整被清洗工件的姿态。五自由度电位移台8中的x轴方向电动平移台83和z轴方向电动平移台85带动被清洗工件分别在横向和纵向上作连续运动，从而自动完成整个工件表面的清洗工作。所述的长焦距显微镜6的观察范围与文丘里管51喷射出的二氧化碳气流在被清洗工件表面9的覆盖区域一致，用于实时观察和记录清洗效果，所采集的图像或视频信号经图像转换控制器10传回工作站7，并由工作站7进行实时显示或回放。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的五自由度电位移台8的水平旋转电位移台81、俯仰角度旋转电位移台82、x轴方向电动平移台83、y轴方向电动平移台84、z轴方向电动平移台85的连接关系设置为x轴方向电动平移台83、y轴方向电动平移台84、z轴方向电动平移台85从下往上依次固定连接，水平旋转电位移台81、俯仰角度旋转电位移台82固定在z轴方向电动平移台85上，水平旋转电位移台81与俯仰角度旋转电位移台82的中轴线正交，水平旋转电位移台81与z轴方向电动平移台85同轴，x轴方向电动平移台83、y轴方向电动平移台84、z轴方向电动平移台85相互垂直且交于同一点，载物台86固定在俯仰角度旋转电位移台82上。

所述的高压二氧化碳气瓶中气体压强为10MPa。

实施例3

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是所述的清洗介质为乙醚蒸汽。

实施例4

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是所述的文丘里管采用铝合金制作。

实施例5

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是所述的距离感应器为超声波距离感应器。

实施例6

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是所述的定位板采用聚四氟乙烯制作。

Claims (6)

1.一种自动化干法清洗装置，其特征是：所述的自动化干法清洗装置包含高压二氧化碳气瓶（1）、控压阀（2）、电控阀门（3）、空气过滤器（4）、智能喷射探头（5）、长焦距显微镜（6）、工作站（7）、五自由度电位移台（8）、图像转换控制器（10）、五自由度电位移台控制器（11）、电控阀门控制器（12）、智能喷射探头控制器（13）；其中，所述的智能喷射探头（5）含有文丘里管（51）、二极管激光器（52）、四象限光电二极管（53）、距离感应器（54）、线缆转换器（55）、定位板（56）、绝缘转接板（57）；所述的五自由度电位移台（8）含有水平旋转电位移台（81）、俯仰角度旋转电位移台（82）、x轴方向电动平移台（83）、y轴方向电动平移台（84）、z轴方向电动平移台（85）、载物台（86）；

其连接关系是，所述的高压二氧化碳气瓶（1）、控压阀（2）、电控阀门（3）、空气过滤器（4）、智能喷射探头（5）的文丘里管（51）通过高压气管依次连接；智能喷射探头（5）中的文丘里管（51）通过螺钉固定在定位板（56）上，二极管激光器（52）、四象限光电二极管（53）、距离感应器（54）固定在绝缘转接板（57）上，绝缘转接板（57）通过螺钉固定在定位板（56）上，线缆转换器（55）固定在定位板（56）上，二极管激光器（52）、四象限光电二极管（53）、距离感应器（54）的控制线连接至线缆转换器（55）；五自由度电位移台（8）的水平旋转电位移台（81）、俯仰角度旋转电位移台（82）、x轴方向电动平移台（83）、y轴方向电动平移台（84）、z轴方向电动平移台（85）从下往上依次固定连接，水平旋转电位移台（81）与俯仰角度旋转电位移台（82）的中轴线正交，水平旋转电位移台（81）与z轴方向电动平移台（85）同轴设置，x轴方向电动平移台（83）、y轴方向电动平移台（84）、z轴方向电动平移台（85）相互垂直且交于同一点，载物台（86）固定在z轴方向电动平移台（85）上；被清洗工件（9）固定在载物台（86）上，被清洗工件（9）的法线方向与y轴方向一致；

所述的智能喷射探头（5）与长焦距显微镜（6）位于被清洗工件的同一侧；电控阀门（3）、电控阀门控制器（12）、工作站（7）通过信号传输电缆依次连接，长焦距显微镜（6）、图像转换控制器（10）、工作站（7）通过信号传输电缆依次连接，五自由度电位移台（8）、五自由度电位移台控制器（11）、工作站（7）通过信号传输电缆依次连接，智能喷射探头（5）的线缆转换器（55）、智能喷射探头控制器（13）、工作站（7）通过信号传输电缆依次连接；所使用的清洗介质二氧化碳气体由高压二氧化碳气瓶（1）输出，并经高压气管输送，依次通过控压阀（2）、电控阀门（3）、空气过滤器（4）、智能喷射探头（5）的文丘里管（51），喷射出固体、液体和气体混合物到达被清洗工件（9）表面。

2.根据权利要求1所述的自动化干法清洗装置，其特征是：所述的五自由度电位移台（8）的水平旋转电位移台（81）、俯仰角度旋转电位移台（82）、x轴方向电动平移台（83）、y轴方向电动平移台（84）、z轴方向电动平移台（85）的连接关系替换为x轴方向电动平移台（83）、y轴方向电动平移台（84）、z轴方向电动平移台（85）从下往上依次固定连接，水平旋转电位移台（81）、俯仰角度旋转电位移台（82）固定在z轴方向电动平移台（85）上，水平旋转电位移台（81）与俯仰角度旋转电位移台（82）的中轴线正交，水平旋转电位移台（81）与z轴方向电动平移台（85）同轴，x轴方向电动平移台（83）、y轴方向电动平移台（84）、z轴方向电动平移台（85）相互垂直且交于同一点，载物台（86）固定在俯仰角度旋转电位移台（82）上。

3.根据权利要求1所述的自动化干法清洗装置，其特征是：所述的高压二氧化碳气瓶（1）中气体压强的范围为1MPa~50MPa。

4.根据权利要求1所述的自动化干法清洗装置，其特征是：所述的距离感应器（54）为激光距离感应器或超声波距离感应器。

5.根据权利要求1所述的自动化干法清洗装置，其特征是：所述的文丘里管（51）的材料采用不锈钢、铝合金、铜中的一种。

6.根据权利要求1所述的自动化干法清洗装置，其特征是：所述的定位板（56）的材料采用α3钢、不锈钢、铝合金、聚四氟乙烯中的一种。