二氧化碳超临界流体半导体清洗设备

摘要

本发明公开了一种二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，用于半导体硅片的无水清洗。该设备包括进行超临界流体清洗和超临界干燥的主工作室、分离二氧化碳和清洗废液的分离室、存放增强清洗效果的清洗剂及助溶剂的暂存罐和对二氧化碳进行压缩、散热和存储的二氧化碳循环控制系统等几大部分。各部分通过带阀门的管道进行连接。在少量有机溶剂的配合下，以无表面张力的二氧化碳超流体为清洗媒体和漂洗液，深入微小孔隙获得良好的清洗和干燥效果。利用本发明提供的设备，避免了纯水的大量消耗和化学药剂带来的污染，解决了传统工艺中由于表面张力造成的结构变形和颗粒吸附等问题，而且二氧化碳循环使用减少了温室气体的大量排放。

权利要求

1.一种二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，其特征在于，该设备包括主工作室(1)、分离室(3)、清洗剂及助溶剂暂存罐(4)、温度及压力控制系统(7)和二氧化碳循环控制系统(8)，其中，主工作室(1)，用于半导体硅片的超临界流体清洗和超临界干燥，固定在支座(10)上，该主工作室(1)内部安装有温度传感器(106)和压力传感器(107)，腔室内部的温度受温度及压力控制系统(7)的控制；

分离室(3)，用于二氧化碳与清洗废液的分离，固定在支座(10)上，通过带电磁阀(105)的管道(104)与主工作室(1)相连，通过分离室排气管道(301)和二氧化碳循环控制系统(8)相连；

清洗剂及助溶剂暂存罐(4)，用于存放辅助清洗的有机溶剂，通过带电磁阀(403)的管道(402)与主工作室(1)的二氧化碳入口管道(103)相连；

温度及压力控制系统(7)，用于对主工作室(1)和分离室(3)腔室内部的温度进行控制；

二氧化碳循环控制系统(8)，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，同时完成主工作室(1)和分离室(3)的制冷任务；

所述二氧化碳循环控制系统(8)中的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；所述清洗工作回路自二氧化碳循环控制系统(8)的二氧化碳储气罐开始，经由主工作室进液管(103)、主工作室(1)、主工作室排液管(104)、分离室(3)、分离室排气管(301)、二氧化碳循环控制系统(8)的压缩机回到二氧化碳循环控制系统(8)的储气罐；

所述制冷工作回路自二氧化碳循环控制系统(8)的二氧化碳储气罐开始，经由换热器盘管(5)和二氧化碳循环控制系统(8)的压缩机后回到二氧化碳循环控制系统(8)的储气罐。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，其特征在于，所述主工作室(1)的内部有盛放硅片的片架(2)，外部由用于制冷的主工作室换热盘管(5)环绕，底部有加热丝。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，其特征在于，所述主工作室(1)顶部设置有高压密封盖(101)，用于保证主工作室(1)具有良好的密闭性能。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，其特征在于，所述硅片架(2)用于盛放多种规格的硅片。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，其特征在于，所述分离室(3)的内部安装有分离室温度传感器(303)和分离室压力传感器(304)，外部由用于制冷的分离室换热盘管(6)环绕。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，其特征在于，所述分离室(3)有带手动开关(901)的清洗废液排离管(9)。

说明书

二氧化碳超临界流体半导体清洗设备

技术领域

[0001] 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超临界流体半导体清洗设备，利用超临界态二氧化碳无表面张力的特点实现对半导体硅片的无水清洗。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 在传统的清洗技术中，无论是湿法清洗还是干法清洗，最终都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。

[0004] 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。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，以克服传统清洗的困难，解决传统清洗大量耗水、污染环境、无法深入微小孔隙进行清洗以及清洗后干燥引起的结构粘连和颗粒吸附等问题，满足新一代半导体工艺的要求。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，该设备包括主工作室1、分离室3、清洗剂及助溶剂暂存罐4、温度及压力控制系统7和二氧化碳循环控制系统8，其中，

[0009] 主工作室1，用于半导体硅片的超临界流体清洗和超临界干燥，固定在支座10上，该主工作室1内部安装有温度传感器106和压力传感器107，腔室内部的温度受温度及压力控制系统7的控制；

[0010] 分离室3，用于二氧化碳与清洗废液的分离，固定在支座10上，通过带电磁阀105的管道104与主工作室1相连，通过分离室排气管道301和二氧化碳循环控制系统8相连；

[0011] 清洗剂及助溶剂暂存罐4，用于存放辅助清洗的有机溶剂，通过带电磁阀403的管道402与主工作室1的二氧化碳入口管道103相连；

[0012] 温度及压力控制系统7，用于对主工作室1和分离室3腔室内部的温度进行控制；

[0013] 二氧化碳循环控制系统8，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，同时完成主工作室1和分离室3的制冷任务；

[0014] 所述二氧化碳循环控制系统8中的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；所述清洗工作回路自二氧化碳循环控制系统8的二氧化碳储气罐开始，经由主工作室进液管103、主工作室1、主工作室排液管104、分离室3、分离室排气管301、二氧化碳循环控制系统8的压缩机回到二氧化碳循环控制系统8的储气罐；所述制冷工作回路自二氧化碳循环控制系统8的二氧化碳储气罐开始，经由换热器盘管5和二氧化碳循环控制系统8的压缩机后回到二氧化碳循环控制系统8的储气罐。

[0015] 上述方案中，所述主工作室1的内部有盛放硅片的片架2，外部由用于制冷的主工作室换热盘管5环绕，底部有加热丝。

[0016] 上述方案中，所述主工作室1顶部设置有高压密封盖101，用于保证主工作室1具有良好的密闭性能。

[0017] 上述方案中，所述硅片架2用于盛放多种规格的硅片。

[0018] 上述方案中，所述分离室3的内部安装有分离室温度传感器303和分离室压力传感器304，外部由用于制冷的分离室换热盘管6环绕。

[0019] 上述方案中，所述分离室3有带手动开关901的清洗废液排离管9[0020] (三)有益效果

[0021] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果

[0022] (1)本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，属无水清洗设备，避免了高纯水的大量消耗，克服了半导体工业大量耗水的困难。

[0023] (2)本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，采用超临界态二氧化碳作为清洗媒体，避免了传统清洗过程中腐蚀性、易燃性以及有机溶剂等化学药品的大量使用。一方面，减少了处理清洗废液的成本，另一方面减小了对环境的污染，同时增强了操作人员的安全性。

[0024] (3)本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，采用超临界态二氧化碳作为清洗媒体，利用了超临界流体无表面张力的特点，深入微小孔隙进行清洗，解决了传统清洗媒体由于表面张力而无法深入至微小结构进行有效清洗的尴尬局面，因而更适合于新一代半导体制造技术的要求。

[0025] (4)本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，清洗完成之后，使用超临界态二氧化碳作为漂洗液，与清洗液进行充分置换后，对清洗后的晶片实施超临界干燥，避免了传统清洗技术最终干燥时由于气——液界面极大的表面张力引起的结构粘连、图形变形和颗粒物的致命吸附等问题。

[0026] (5)本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备，使用二氧化碳进行制冷和清洗。二氧化碳无毒无味、不燃烧也不助燃，化学性质稳定，而且它的临界温度比较低，满足对温度敏感的电路或结构的技术需要。同时，本设备使用的二氧化碳并不外排，而是经过压缩散热后循环使用，避免了温室气体的排放，不会对环境带来任何压力。

附图说明

[0027] 图1为本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备结构示意图；

[0028] 图2为本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备中主工作室示意图；

[0029] 图3为本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备中分离室示意图；

[0030] 图4为本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备中清洗剂及助溶剂暂存腔结构示意图；

[0031] 图5为本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备中硅片架的结构示意图；

[0032] 图6为本发明提供的二氧化碳超临界流体半导体清洗设备中主工作腔高压密封盖示意图；

[0033] 图中，主工作室1，硅片架2，分离室3，清洗剂及助溶剂暂存腔4，主工作室换热盘管5，分离室换热盘管6，温度及压力控制系统7，二氧化碳循环控制系统8，分离室废液排放管道9，支座10，主工作室高压密封盖101，主工作室进气管电磁阀102，主工作室进气管道103，主工作室排气管道104，主工作室排气管电磁阀105，主工作室温度传感器106，主工作室压力传感器107，2英寸片架201，3英寸片架202，4英寸片架203，导流槽204，分离室二氧化碳排气管道301，分离室排气管电磁阀302清洗剂及助溶剂暂存罐密封盖401，暂存罐排液管402，暂存腔罐液管阀门403，分离室废液排放管手动开关901。

具体实施方式

[0034] 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。

[0035] 如图1所示，图1为本发明提供的二氧化碳超流体半导体清洗设备结构示意图，该设备主要由工作室1、分离室3、清洗剂及助溶剂暂存罐4、温度及压力控制系统7和二氧化碳循环控制系统8组成。其中，主工作室1和分离室3均固定在支座10上。

[0036] 主工作室1通过带进液电磁阀102的主室进液管103与二氧化碳存储罐相连，通过带排液电磁阀105的主室排液管104与分离室3相连；暂存罐4通过带阀门403的排液管道402与主工作室1的进液管道103相连；主室1内部有盛放待清洗硅片的片架2，外部盘绕制冷用的主工作室换热盘管5，底部有加热用的电阻丝。主室的温度由主室温度传感器106进行测量，并由温度及压力控制系统7决定是否需要加热或制冷，以保证合适的工作温度；主室的压力由主室压力传感器107进行测量。由于本设备在高压条件下工作，必须保证整套装置良好的耐压性和密闭性，所以主室1带有高压密封盖101保证良好的密闭性能。

[0037] 主工作室1在清洗过程中始终保持液体环境，防止清洗时气——液界面的表面张力对微小的器件结构和图形造成损坏以及对杂质颗粒的致命吸附。

[0038] 分离室3的进液管与主工作室的排液管104相连，排气管道301与二氧化碳循环控制系统8内的压缩机相连，废液排出通道9带有手动常闭开关901。分离室外部盘绕制冷用的分离室换热盘管6。当清洗液排至分离室后，通过低温恒温降压使液体二氧化碳气化，气相二氧化碳经由排气管9送至压缩机进行压缩散热，回到储气罐，而非气相的有机溶剂和清洗产生的杂质等废液则通过上述手动开关排出本设备。

[0039] 二氧化碳循环控制系统8包含二氧化碳存储罐和压缩机两部分，它是本清洗设备实现二氧化碳循环使用的关键结构。一方面，参与清洗过程的二氧化碳通过分离室的排气管道301进入压缩机进行压缩散热后，回储气罐；另一方面输入主工作室换热盘管5和分离室换热盘管6内参与制冷的二氧化碳也由压缩机压缩后回储气罐循环使用。这样做避免了现有的开放式系统中二氧化碳的大量消耗，从而解决了温室气体排放对于环境的压力。

[0040] 将本发明所涉及的设备应用于半导体晶片清洗时，主工作室1内硅片架2中的待清洗硅片在清洗过程中需要始终保持液体环境，防止气——液界面的表面张力引起的颗粒吸附、结构粘连等不良后果。先用含少量清洗剂和助溶剂的超临界态二氧化碳作为清洗液对晶片进行清洗，再用超临界态二氧化碳进行深度漂洗，最后实施超临界干燥。整个过程需要控制主工作腔1的温度和压力。清洗过程中产生的废液送至分离室3中进行处理，分离室3低温恒温降压后，气相二氧化碳与废液分离，经分离室排气管道301由压缩机压缩散热后，回到储气罐，而剩余废液则经由手动排泄阀排出。

[0041] 在使用本发明提供的设备进行清洗时的具体工作步骤如下：

[0042] (1)打开主工作室1的高压密封盖101，取出硅片架2，将待清洗的硅片在保持湿环境的条件下放置在硅片架上，送回工作腔1，关闭高压密封盖101。

[0043] (2)打开主室进液电磁阀102和清洗剂及助溶剂暂存罐排液阀门403，令液体二氧化碳和清洗剂、助溶剂的混合物充满主工作室，保持主室1的工作温度和压力大于二氧化碳的临界温度和临界压力，对硅片初步实施超流体清洗。

[0044] (3)初步清洗结束后，打开主室排液电磁阀105，由主室进液管输入液体二氧化碳，对清洗液进行充分置换。清洗液由主室排液管104进入分离室。置换完成后，主室内充满了干净的液体二氧化碳。

[0045] (4)关闭主室排液电磁阀105。控制主室温度和压力在二氧化碳的临界温度和临界压力以上，即使用超临界态二氧化碳对清洗后的晶片进行深度漂洗。与此同时，分离室3降温，在-10℃条件下减压至非二氧化碳物质的沸腾温度以下，分离室中的物质中只有二氧化碳转变为气相，与含杂质的有机废液分离，通过分离室排气管301排出分离室，经由压缩机压缩散热后回储气罐循环使用；而废液则通过分离腔的手动排泄阀901排出设备。

[0046] (5)步骤4中主工作室1内以超流体为漂洗液的深度漂洗过程结束后，打开主室排液电磁阀，保持腔室温度在二氧化碳临界温度以上，缓慢降低腔体压力，对硅片实施超临界干燥，腔内的二氧化碳直接气化。气体二氧化碳同样由压缩机压缩散热后回储气罐循环使用。

[0047] (6)至此，清洗过程结束。

[0048] 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。