CN117244487B - 一种异丙醇和氮气的混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种异丙醇和氮气的混合装置，包括：反应腔、异丙醇注入管路、氮气管路、设置于反应腔的导流板和鼓泡结构、及与反应腔连通的循环系统。通过导流板与鼓泡结构相结合的设置，增大氮气和异丙醇的接触面积，提高反应腔内的氮气和异丙醇的混合效率；进一步的，通过循环系统将反应腔内未混合充分的汽体输送回反应腔内进行循环混合，至反应腔内的氮气和异丙醇充分混合，形成液滴粒度小且均匀的异丙醇蒸汽和氮气的混合汽体，以此使得用此混合汽体对晶圆进行干燥时得以提高晶圆干燥的时效。

Description

一种异丙醇和氮气的混合装置
技术领域
本发明涉及半导体清洗设备技术领域，更具体涉及一种异丙醇和氮气的混合装置。
背景技术
经过清洗的晶圆需要进行干燥步骤去除表面水渍，再进行后续的晶圆制程。以去离子水作为清洗液为例，在烘干过程一般采用马兰格尼效应通过有机溶剂(常用异丙醇，简称IPA)蒸汽与载气(常用氮气)的混合汽体，降低残留于晶圆的去离子水的表面张力以使其向下流动直至脱离晶圆表面，以此对晶圆进行干燥。
传统的混合汽体的制备方法是使用石英管以及一进气管和出气管，石英管中连续注入异丙醇液体，从进气管向石英管通入氮气与异丙醇液体混合后，通过出气管喷出异丙醇和氮气的混合汽体。这种混合方法的缺陷在于，所制备的混合汽体中异丙醇和氮气混合不充分，由此会产生对晶圆进行干燥时效率不够的问题。而为了保证晶圆的干燥效果，晶圆在干燥腔体中的时间就需要相对更长，干燥效率整体低下。
有鉴于此，有必要对现有技术中的异丙醇和氮气的混合装置予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于公开一种异丙醇和氮气的混合装置，以解决现有的制备方法所制备的混合汽体中异丙醇和氮气混合不充分的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种异丙醇和氮气的混合装置，包括：
反应腔，用以供氮气与异丙醇液体进行混合并生成混合汽体；
导流板，配置于所述反应腔的内壁面，具有位于所述导流板中部的储液区域，及形成于所述导流板与所述反应腔的内壁面之间的导流通道，异丙醇由所述储液区域流向所述导流通道，经由所述导流通道导流后沿所述反应腔的内壁面向下流动，用以增大氮气和异丙醇的接触面积；
异丙醇注入管路，于所述储液区域向所述导流板注入异丙醇液体；
氮气管路，将加热后的氮气注入反应腔，与异丙醇液体进行混合；
鼓泡结构，设置于所述反应腔内所述导流板的下方，所述鼓泡结构与所述氮气管路连通，通过氮气对所述鼓泡结构周围的异丙醇液体进行鼓泡，用以进一步增大氮气和异丙醇的接触面积；
循环系统，与所述反应腔连通，用以将所述反应腔内生成的未混合充分的汽体输送回所述反应腔进行循环混合。
作为本发明的进一步改进，所述导流板包括底板及形成于所述底板的溢流结构，所述溢流结构为形成于所述底板的环状结构，所述储液区域为所述溢流结构围设形成的区域。
作为本发明的进一步改进，所述溢流结构与所述反应腔的内壁面形成环形流道，所述氮气管路包括朝向所述环形流道注入氮气的第一氮气注入口。
作为本发明的进一步改进，在所述反应腔内，于所述第一氮气注入口的前方配置挡气板，用以将注入的氮气打散。
作为本发明的进一步改进，所述反应腔内设置沿所述反应腔的纵向依次排布的多块所述导流板，所述异丙醇注入管路上设置与所述导流板分别对应的出液口，所述氮气管路设置与所述导流板分别对应的第一氮气注入口。
作为本发明的进一步改进，所述氮气管路还包括第二氮气注入口，由所述第二氮气注入口注入的氮气的温度大于由所述第一氮气注入口注入的氮气的温度。
作为本发明的进一步改进，所述溢流结构的溢流口均匀排布于所述溢流结构的顶部。
作为本发明的进一步改进，所述鼓泡结构包括回转设置的鼓泡管及用于对所述鼓泡管进行固定的限位结构。
作为本发明的进一步改进，所述循环系统包括循环管路及设置于所述循环管路的液泵，所述循环管路的入口与所述反应腔连接，所述循环管路的循环口与所述异丙醇注入管路连接。
作为本发明的进一步改进，所述混合装置包括不同温度的氮气加热组件，为所述反应腔注入不同温度的氮气；所述混合装置还包括用于对所述混合汽体进行加热的蒸汽加热组件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的混合装置，在反应腔内设置具有储液区域及导流通道的导流板，异丙醇由导流板中部的储液区域流向导流通道，经由导流通道导流后沿反应腔的内壁面向下流动，用以增大氮气和异丙醇的接触面积；同时，在导流板的下方设置鼓泡结构，通过氮气对鼓泡结构周围的异丙醇进行鼓泡，用以进一步增大氮气和异丙醇的接触面积；并且，通过循环系统将反应腔内未混合充分的汽体输送回反应腔内进行循环混合，至反应腔内的氮气和异丙醇充分混合后输出。
通过导流板、鼓泡结构及循环系统相结合的设置，在反应腔有限的空间内，尽可能地增大氮气和异丙醇的接触面积，以此提高反应腔内的氮气和异丙醇的混合效率，形成液滴粒度小且均匀的异丙醇蒸汽与氮气的混合汽体，以此使得用此混合汽体对晶圆进行干燥时得以提高晶圆干燥的时效提高。
附图说明
图1为本发明揭示的一种异丙醇和氮气的混合装置的整体结构示意图；
图2为反应腔的一种实施方式的结构示意图；
图3为反应腔内导流板的结构示意图；
图4为导流板上设置导流通道的局部结构示意图；
图5为异丙醇注入管路的示意图；
图6为混合装置的反应腔及异丙醇注入管路、氮气管路排布的示意图；
图7为混合装置内鼓泡结构的示意图；
图8为图1中循环系统的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
基于晶圆的马兰戈尼干燥原理，在晶圆干燥工艺中，需要配置一种异丙醇和氮气的混合装置，将氮气和异丙醇液体充分混合形成混合汽体，其中，需要混合汽体中的异丙醇蒸汽的液滴粒度小且均匀，使得混合汽体具有更强的扩散能力，以对晶圆具有更好的干燥效果。
请参图1至图8所揭示的一种异丙醇和氮气的混合装置(以下简称混合装置)的具体实施方式，以氮气作为载体气，通过特定的混合结构设计，将氮气与异丙醇液体进行充分混合，异丙醇液体溶解于高温氮气中实现异丙醇的汽化，结合流量控制、加热控制、加压控制及循环控制，以制备液滴粒度小且均匀的异丙醇蒸汽和氮气的混合汽体。
在本实施方式中，混合装置包括：反应腔100，用以供氮气与异丙醇液体进行混合并生成混合汽体；异丙醇注入管路20，为反应腔100注入异丙醇液体；氮气管路30，将加热后的氮气注入反应腔100，与异丙醇液体进行混合；加热系统40，为反应腔100注入不同温度的氮气，并对由反应腔100输出的混合汽体进行加热；循环系统50，将反应腔100内生成的未混合充分的汽体输送回反应腔100进行循环混合。
参图2至图6所示，在本实施例中，混合装置配置有一腔体10，将腔体10的内部构造为反应腔100。反应腔100用于容纳异丙醇液体、氮气及混合汽体，并为氮气和异丙醇进行混合操作提供空间，以形成液滴粒度小且均匀的异丙醇蒸汽，同时，在反应腔100内所形成的异丙醇蒸汽与氮气进一步混合形成均匀分布的混合汽体。
腔体10为密闭腔体，由于氮气和异丙醇液体在反应腔100内进行混合时，是在较高的温度下进行的，因此，在本实施例中，腔体10的外部还设置有壳体10a，壳体10a与腔体10之间具有一定间隔以构造出一个保温层，以此实现对于反应腔100的保温。
在反应腔100内设置导流板11，通过导流板11将异丙醇液体由导流板11的中部向导流板11的边缘导流，以增大氮气和异丙醇液体的接触面积，同时，通过导流板11将位于导流板11边缘的异丙醇液体导流至沿反应腔100的内壁面101向下流动，用以进一步增大氮气和异丙醇液体的接触面积。
在本实施例中，导流板11配置于反应腔100的内壁面101，包括底板111及形成于底板111的溢流结构112。溢流结构112为形成于底板111上的环状结构，溢流结构112围设形成位于导流板11中部的储液区域110。异丙醇注入管路20由储液区域110的上方向底板111注入异丙醇液体，异丙醇由底板111的中部向底板111的溢流结构112的内壁面流动，当异丙醇的液面高度超出溢流结构112的溢流口的高度时，异丙醇溢流而出。
在本实施例中，导流板11为具有较大延展面的平板，储液区域110对应的底面也具有较大的延展面，以此通过储液区域110为异丙醇液体和氮气提供较大的接触面积，供两者进行混合。并且，由于溢流结构112具有一定的高度，使得该储液区域110具有一定的容量用于容纳异丙醇，以此使得氮气和异丙醇液体在此储液区域110内有足够的混合时间，进一步提高混合效果。
在本实施例中，将溢流结构112的溢流口均匀排布于溢流结构112的顶部，溢流口的形状可以设置为刺角状或者齿状结构，以此在从储液区域110通过溢流结构112向外溢流时，保持稳定的溢流液面。溢流结构112的溢流口的最低点与溢流结构112的最高点之间的高度差可以根据实际效果进行调整，一般在1-2mm之间均可。在其它可替换的实施方式中，溢流结构112也可以设置为其它形状，以满足不同的导流需求。
在本实施例中，导流板11通过安装元件(未图示)安装于反应腔100的内壁面101。溢流结构112与反应腔100的内壁面101形成环形流道113，通过溢流结构112溢流而出的异丙醇进入环形流道113。底板111与反应腔100的内壁面101之间形成有导流通道114，异丙醇进一步通过环形流道113流动至导流通道114，经由导流通道114导流后异丙醇沿反应腔100的内壁面101向下流动。在本实施例中，反应腔100的内壁面101也为具有较大延展面的竖向平面，通过内壁面101对异丙醇进行导流，以对异丙醇液体与氮气的接触面进行进一步延展，以此进一步增大氮气和异丙醇液体的接触面积，供两者进行充分混合。
在具体实施时，导流通道114可以是设置于底板111紧贴内壁面101处的若干孔状结构，也可以是形成于底板111和内壁面101之间的空隙，或者其它能够实现沿反应腔100的内壁面101向下流动的引流结构。
参图2、图5所示，异丙醇注入管路20包括异丙醇注入口21及输送管22，在本实施例中，异丙醇注入口21设置于反应腔100的顶部，输送管22与异丙醇注入口21连通且于反应腔100内向下延伸一段距离。输送管22上设置与导流板11分别对应的出液口23，多个出液口23同时向导流板11的储液区域110注入异丙醇液体。为了通过出液口23均匀地向导流板11注液，例如，出液口23可设置为具有圆周排布的出液孔的出液结构。
参图1、图2和图6所示，本实施例中，氮气管路30分支为第一氮气管路31和第二氮气管路32。第一氮气管路31上设置第一氮气注入口311，第一氮气注入口311注入的氮气，用于与反应腔100内的异丙醇混合；第二氮气管路32上设置第二氮气注入口321，由第二氮气注入口321注入的氮气的温度大于由第一氮气注入口311注入的氮气的温度，以通过由第二氮气注入口321注入的氮气对反应腔100进行加压。一般通过第二氮气管路32将反应腔100内的压强增加至2bar左右(例如1.8-3.0bar)为佳。另一方面，由第二氮气注入口321注入的第二道氮气可以作为混合汽体输出的载气，例如，通过反应腔100输出的混合汽体经加热后输入用于干燥晶圆的干燥腔体，通过第二道氮气给反应腔100的内部加压，与干燥腔体内的压强形成压强差，可以使得此流动的氮气直接作为载体，将混合汽体从反应腔100中喷入干燥腔体，不需要提供另外的动力，节约了工艺组件。并且，由于干燥腔体为负压腔体，因此反应腔100内的气体压强无需特别高，就可以形成较高的压强差，也有利于异丙醇的雾化(由异丙醇液体形成异丙醇蒸汽的过程)。
在本实施例中，第一氮气注入口311设置于与导流板11对应的侧部。在导流板11上，于第一氮气注入口311的前方还配置有挡气板115，以使通过挡气板115将由第一氮气注入口311注入的氮气打散，更好地分散到反应腔100的内部周围，使与异丙醇更加充分地进行混合。例如，第一氮气注入口311朝向导流板11的环形流道113注入氮气，挡气板115设置在环形流道113内且位于第一氮气注入口311的前方。通过第一氮气注入口311注入的氮气，通过挡气板115打散后，均匀地分布在对应的导流板11的上方，与对应的导流板11上的异丙醇进行充分混合，将较大颗粒状的异丙醇液滴打散为较小颗粒状的异丙醇液滴，再以氮气为载气形成为异丙醇蒸汽。
在一实施例中，为提高氮气和异丙醇的混合效率，反应腔100内可设置多块导流板11对异丙醇进行导流，导流板11沿所反应腔100的纵向依次排布，第一氮气注入口311设置的个数与位置与导流板11相对应。即每层导流板11上均设置第一氮气注入口311与其上的异丙醇液体进行混合，以此成倍地增加氮气和异丙醇液体的混合效率。
结合图2和图7所示，混合装置还包括鼓泡结构12，设置于反应腔100内导流板11的下方。鼓泡结构12与氮气管路30连通，通过氮气对位于鼓泡结构12周围的异丙醇进行鼓泡，用以进一步增大氮气和异丙醇的接触面积。在本实施例中，鼓泡结构12设置于反应腔100的底部，未反应完全的异丙醇液体经过多块导流板11流到反应腔100的底部时，鼓泡结构12释放出氮气，对异丙醇液体进行鼓泡，促进异丙醇液体的汽化。
鼓泡结构12包括鼓泡管121和用于对鼓泡管121进行固定的限位结构122。在本实施例中，鼓泡管121被构造成回转设置，具体的，鼓泡管121与第一氮气管路31连通，由反应腔100底部的边缘以回转的形式逐层盘向底部的中心，以此将鼓泡管121形成回转设置。沿鼓泡管121的延伸方向，均匀且密集地设置用于排出氮气的小孔，由此可以仅通过使用一根通气管路实现由反应腔100的底部均匀地向反应腔100内鼓入氮气的目的。进一步的，通过限位结构122将鼓泡管121卡持于反应腔100的底部，实现对鼓泡管121的固定。
在一实施方式中，为进一步提高混合效率，反应腔100的底部可以预先注入部分异丙醇液体使其覆盖在鼓泡管121的上方。
参图1、图6和图8所示，混合装置还包括与反应腔100连通的循环系统50，用以将反应腔100内的异丙醇通过反应腔100进行循环处理，以使得异丙醇和氮气混合得更加充分，提高混合效率。具体的，循环系统50包括循环管路51及设置于循环管路51的液泵52，例如，液泵52可以采用隔膜泵。循环管路51的吸入口可以连接于反应腔100的侧部，优选为连接于最底层的导流板11的下方和鼓泡结构12的上方所对应的反应腔100的侧部区域；循环管路51的输出口连接于异丙醇注入管路20。在反应腔100中氮气和异丙醇液体混合一段时间后，再由循环系统50将反应腔100内未混合充分的混合汽体进行回收，并输送至异丙醇注入管路20，通过异丙醇注入口21将剩余的异丙醇液体再次注入反应腔100内与氮气继续进行混合反应，多次循环，在循环流动的过程中混合汽体中可以融入更多的氮气，直至反应腔100内的异丙醇液体与氮气充分混合形成液滴粒度小且均匀的异丙醇蒸汽与氮气的混合汽体。
具体的，循环管路51的循环口优选为连接于靠近异丙醇注入口21的位置，经由异丙醇注入口21将未充分混合的混合汽体再次注入反应腔100，通过第一氮气注入口311将混合汽体在导流板11上方的空间内与氮气再次进行混合，再通过导流板11上的导流通道114导流至沿内壁面101向下流动的过程中与氮气进行混合，再次混合后的汽体分布在鼓泡结构12上方的空间中，由鼓泡结构12中的鼓泡管121喷出氮气，对该混合汽体鼓泡进一步增强混合效果，混合一段时间后再进入循环系统50进行循环，直至生成充分混合后的混合汽体，由循环出口53输出。
参图1和图6所示，在本实施例中，加热系统40包括氮气加热组件及蒸汽加热组件43，其中，氮气加热组件包括设置于氮气管路30上的第一氮气加热组件41和第二氮气加热组件42，第一氮气加热组件41用于对氮气进行第一道加热，经过第一道加热后的氮气一部分通过第一氮气管路31向反应腔100注入氮气，与反应腔100内的异丙醇进行混合；另一部分由第二氮气加热组件42进行第二道加热，经过第二道加热后的氮气通过第二氮气管路32向反应腔100注入氮气，对反应腔100的内部施加气压。通过第二氮气注入口221向反应腔100内部施加气压，一方面是可以氮气与异丙醇的混合效率，另一方面还可以提供一定的压力，将混合汽体从反应腔100内推出。
蒸汽加热组件43用于将从反应腔100输出的混合汽体进行加热，加热后的混合汽体可直接输送至晶圆的干燥装置中。
本实施例提供的混合装置，通过导流板11与鼓泡结构12相结合，在反应腔100有限的空间内，尽可能地增大氮气和异丙醇的接触面积；并通过循环系统50对反应腔100内未混合充分的汽体输送回反应腔100内进行循环混合，使反应腔100内的氮气和异丙醇的充分混合，且具有较高的混合效率，以此制备液滴粒度小且均匀的混合汽体。在制备过程中，可根据使用的具体需求对该混合装置涉及的结构尺寸、流量、气压、温度、混合时间、循环次数等工艺参数进行调节，以制备所需参数(包括饱和度、粘度、蒸汽密度等)的异丙醇蒸汽与氮气的混合汽体。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，包括：
反应腔，用以供氮气与异丙醇液体进行混合并生成混合汽体；
导流板，配置于所述反应腔的内壁面，具有位于所述导流板中部的储液区域，及形成于所述导流板与所述反应腔的内壁面之间的导流通道，异丙醇由所述储液区域流向所述导流通道，经由所述导流通道导流后沿所述反应腔的内壁面向下流动，用以增大氮气和异丙醇的接触面积；所述导流板包括底板及形成于所述底板的溢流结构，所述溢流结构为形成于所述底板的环状结构，所述储液区域为所述溢流结构围设形成的区域；
异丙醇注入管路，于所述储液区域向所述导流板注入异丙醇液体；
氮气管路，将加热后的氮气注入反应腔，与异丙醇液体进行混合；
鼓泡结构，设置于所述反应腔内所述导流板的下方，所述鼓泡结构与所述氮气管路连通，通过氮气对所述鼓泡结构周围的异丙醇液体进行鼓泡，用以增大氮气和异丙醇的接触面积；
循环系统，与所述反应腔连通，用以将所述反应腔内生成的未混合充分的汽体输送回所述反应腔进行循环混合。
2.根据权利要求1所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述溢流结构与所述反应腔的内壁面形成环形流道，所述氮气管路包括朝向所述环形流道注入氮气的第一氮气注入口。
3.根据权利要求2所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，在所述反应腔内，于所述第一氮气注入口的前方配置挡气板，用以将注入的氮气打散。
4.根据权利要求3所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述反应腔内设置沿所述反应腔的纵向依次排布的多块所述导流板，所述异丙醇注入管路上设置与所述导流板分别对应的出液口，所述氮气管路设置与所述导流板分别对应的第一氮气注入口。
5.根据权利要求3所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述氮气管路还包括第二氮气注入口，由所述第二氮气注入口注入的氮气的温度大于由所述第一氮气注入口注入的氮气的温度。
6.根据权利要求1所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述溢流结构的溢流口均匀排布于所述溢流结构的顶部。
7.根据权利要求1所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述鼓泡结构包括回转设置的鼓泡管及用于对所述鼓泡管进行固定的限位结构。
8.根据权利要求1所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述循环系统包括循环管路及设置于所述循环管路的液泵，所述循环管路的入口与所述反应腔连接，所述循环管路的循环口与所述异丙醇注入管路连接。
9.根据权利要求1所述的异丙醇和氮气的混合装置，其特征在于，所述混合装置包括不同温度的氮气加热组件，为所述反应腔注入不同温度的氮气；所述混合装置还包括用于对所述混合汽体进行加热的蒸汽加热组件。
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