Установка для химической очистки поверхности изделий, преимущественно полупроводниковых пластин

 

Использование: электронная промышленность. Сущность изобретения: установка для химической очистки поверхности изделий, преимущественно полупроводниковых пластин, включающая систему для жидкостной химической очистки пластин, электрохимическую ячейку для активациии и очистки раствора в виде анодной и катодной камер, разделенных между собой полупроницаемой мембраной, а также систему для обеспечения непрерывной циркуляции раствора в системах установки, состоящую из трубопроводов, промежуточных емкостей, фильтров, насосов и запорно-регулирующей арматуры. Катод снабжен адсорбером продуктов катодных реакций, причем анодная камера сообщена с катодной камерой трубчатым каналом, входное отверстие которого размещено на уровне раствора серной кислоты в катодной камере, а выходное - в нижней части анодной камеры. Техническим результатом изобретения является создание установки с повышенными характеристиками очистки и активации раствора серной кислоты. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для жидкостной химической очистки (далее, - ЖХО) поверхности изделий, преимущественно полупроводниковых пластин, и может быть использовано в электронной промышленности, а также в других отраслях промышленности для глубокой высококачественной очистки поверхности деталей из различных материалов, например, при производстве печатных плат, магнитных дисков или лент, лазерных дисков, металлических деталей для радиоэлектронных устройств, электровакуумных приборов и т.д.

Известна установка для проведения процессов ЖХО [1], которая представляет собой автоматизированную линию, состоящую из отмывочных устройств и травильных ванн, промежуточных емкостей, соединенных между собой с помощью трубопроводов, запорно- регулирующей арматуры, фильтров, насосов и другой аппаратуры. Травильные ванны заполняют высокочистыми реактивами и проводят обработку поверхности полупроводниковых пластин. После достижения в реактивах определенной степени загрязнения их удаляют из производственного оборудования и вводят чистые реактивы в необходимых количествах. Загрязненные реактивы сбрасываются в кислотно-щелочную канализацию и направляют на утилизацию отходов.

Недостатками этой установки являются - отсутствие в ее составе оборудования для регенерирования реактивов, используемых для отмывки полупроводниковых пластин. Это приводит к большому расходу используемых дорогостоящих реактивов, которые сбрасываются в производственную канализацию после одноразового применения, а также к нестабильности во времени окислительной способности моющих растворов. Так, при проведении процессов ЖХО в стандартных установках типа: "Лада" и "Кубок" [1], активность и чистота растворов различны в разные периоды времени обработки пластин. При этом более высокое качество отмывки достигается для пластин, очищаемых чистым раствором, которые имеют более высокое качество, чем пластины, очищаемые в конце процесса, когда содержание загрязнений в растворе становится более высоким.

Известна установка для переработки серной кислоты из стоков производства полупроводников [2]. Установка состоит из двух последовательных дистилляторов. В первом дистилляторе исходная смесь, состоящая из перекиси водорода и серной кислоты, обогащенная серной кислотой. Во втором дистилляторе, функционирующем при пониженном давлении, серная кислота доводится до температуры кипения, а пары серной кислоты сжижаются в конденсаторе. Для повышения чистоты выделяемой таким образом серной кислоты некоторое ее количество из конденсатора подается на вход системы. Это оборудование позволяет получить серную кислоту высокой чистоты, пригодную для повторного использования в производстве полупроводников.

Недостатками установки [2] являются ее высокая материало- и энергоемкость, а также повышенная пожароопасность.

Известна установка для проведения процессов ЖХО поверхности полупроводниковых пластин с подробным описанием аппаратуры для осуществления процессов ЖХО и очистки растворов от примесей [3]. Технологическая линия, описанная в этом патенте США, состоит из следующих основных узлов и аппаратуры: рабочей ванны для проведения ЖХО, электрохимической ячейки для проведения активации раствора серной кислоты, а также аппаратов для проведения дистилляционной очистки кислоты. Эти основные узлы установки связаны между собой трубопроводами, промежуточными емкостями, фильтрами, насосами и запорно-регулирующей арматурой таким образом, что они формируют несколько сообщающихся между собой контуров циркуляции серной кислоты: контур ЖХО, контур дистилляционной очистки, контур активации в анодной камере электрохимической ячейки и замкнутый контур циркуляции в катодной камере электрохимической ячейки. Узел очистки состоит из системы дистилляционных аппаратов, конденсаторов, сепараторов, соединенных между собой трубопроводами для получения сверхчистой кислоты и ее возврата в процесс ЖХО.

Электрохимическая ячейка в этой установке [3] содержит анодную и катодную камеры, выполненные в одном корпусе и разделенные между собой полупроницаемой мембраной; размещенные в этих камерах, соответственно, катодную и анодную пластины с токоподводами, присоединенными к источнику питания; анолитный и католитный резервуары, отделенные от анодной и катодной камеры. Анолитный резервуар соединен двумя трубопроводами с входом и выходом анодной камеры, а католитный резервуар с входом и выходом катодной камеры так, что они формируют католитный и анолитный контуры циркуляции. Анолитный резервуар подсоединен также к патрубкам подачи неактивированной кислоты из системы очистки и патрубком отвода активированной кислоты в рабочую ванну для проведения процессов ЖХО. Катодная и анодная пластины размещены в электрохимической ячейке так, что одна из поверхностей каждой из них вплотную примыкает к корпусу, а вторая размещена параллельно мембране и друг другу.

Недостатки установки [3] заключаются в необходимости использования сложного и энергоемкого оборудования для дистилляционной очистки раствора серной кислоты и повышенной взрыво- и пожароопасностью этого оборудования. Кроме того, установка не обеспечивает требуемой эффективности активации раствора серной кислоты, что вызывает необходимость его нагрева до 180^oC.

Известна принципиальная схема установки [4] для проведения процессов ЖХО, которая описана в патенте на способ обработки полупроводниковых пластин, согласно которому активация и очистка растворов осуществляются в электрохимической ячейке. Эта установка [4] является наиболее близкой к предлагаемому изобретению и выбрана за прототип. Установка включает электрохимическую ячейку для активации и очистки водного раствора серной кислоты и рабочую ванну для проведения процесса ЖХО, соединенных между собой в замкнутый контур циркуляции с помощью трубопроводов, промежуточных емкостей, запорно-регулирующей арматуры, фильтров, насосов. В этом патенте [4] показана принципиальная возможность значительного упрощения технологического процесса проведения ЖХО, в особенности, очистку активированного раствора серной кислоты от образующихся загрязнений, которая осуществляется согласно этому способу в электрохимической ячейке одновременно с активацией, и очистку этого раствора.

Однако в этом изобретении на способ не раскрыты конструктивные особенности установки, в первую очередь, конструкция электрохимической ячейки, которые позволяют с наибольшей эффективностью реализовать преимущества способа [4] . Поэтому принципиальная схема установки, приведенная в качестве иллюстрации предложенного способа, требует более детальных конструктивных проработок для ее использования в реальных производственных процессах.

Задачей заявляемого изобретения является создание установки для проведения ЖХО с повышенными характеристиками очистки и активации раствора серной кислоты.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известной установке для проведения непрерывного процесса ЖХО полупроводниковых пластин и одновременного проведения непрерывного процесса очистки раствора серной кислоты (включающей систему для процесса ЖХО пластин, электрохимическую ячейку для активации и очистки от примесей моющего раствора в виде анодной и катодной камер, разделенных между собой полупроницаемой мембраной, а также систему, включающую трубопроводы, промежуточные емкости, фильтры, насосы и запорно-регулирующую арматуру для обеспечения непрерывной циркуляции раствора в системах установки), катод снабжен адсорбером продуктов катодных реакции, причем анодная камера сообщена с катодной камерой трубчатым каналом, входное отверстие которого размещено на уровне раствора серной кислоты в катодной камере, а выходное - в нижней части анодной камеры.

В частных вариантах выполнения установки анод и катод электрохимической ячейки выполнены в виде нескольких плоских пластин, установленных в корпусе ячейки поочередно параллельно друг другу, причем, каждая из пластин катода помещена в оболочку для сбора примесей и газов, образующихся на катоде, а каждая из пластин анода размещена в корпусе ячейки в полупроницаемой мембране, выполненной в виде карманов, сообщенных между собой последовательно с образованием анодной камеры, которая сообщена с катодной камерой и трубопроводом вывода очищенного, активированного раствора.

По другому частному варианту выполнения установки анод выполнен из тантала, а на его рабочих поверхностях закреплены пластины из платины.

Влияние отличительных признаков заявляемой установки на достижение технического результата изложено ниже при описании работы установки.

Предложенная конструкция установки иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемой установки.

На фиг. 2 показано схематическое изображение продольного сечения электрохимической ячейки.

На фиг. 1 показана блок-схема заявляемой установки, которая содержит рабочую ванну 6 для проведения процесса ЖХО полупроводниковых пластин; промежуточные емкости: напорный 1, накопительный 2 и сборный 3 баки; электрохимическую ячейку 4; источник стабилизированного напряжения 5; сильфонные химстойкие насосы 7; фильтры 8; регулировочный вентиль 9 и систему трубопроводов 10.

Электрохимическая ячейка, обозначенная позицией 4 на фиг. 1, схематическое изображение продольного сечения которой представлено на фиг. 2, состоит из фторопластового (винипластового) корпуса 1, в котором размещено несколько графитовых пластин-катодов 2 и анодов 3, выполненных из тантала.

Каждый катод помещен в проницаемую для раствора оболочку 4, выполняющую роль адсорбера для сбора продуктов катодных реакций 5. Оболочка 4 имеет газоотводный патрубок 6 и может быть выполнена из ткани, например, хлориновой.

Анод выполнен в виде плоского полого сосуда из тантала, на внешних поверхностях которого закреплены пластины из платины 7. Каждый анод помещен в анодную камеру 8, выполненную в виде кармана из полупроницаемой мембраны, например, политетрафлуороэтиленовой или силиконовой. Охлаждаемая полость анода разделена перемычкой 9, обеспечивающей равномерное охлаждение рабочих поверхностей водой, поступающей по трубопроводам 10. Катоды и аноды размещены в корпусе электрохимической ячейки поочередно, вертикально и параллельно друг другу.

Анодные камеры соединены между собой таким образом, что поступление каждой новой порции исходного раствора происходит в нижнюю часть камеры 11, где через систему отверстий 12 раствор, равномерно обтекая обе рабочие поверхности анода, заполняет объем камеры.

Образующийся в анодной камере активированный раствор серной кислоты удаляется из нее через выходной патрубок 13, имеющийся в верхней части анодной камеры, который также имеет газоотводную трубку 14.

Аноды и катоды присоединены к источнику стабилизированного напряжения при помощи шин 15, 16.

Заявляемая установка работает следующим образом.

Исходный раствор из напорной емкости по трубопроводу 17 непрерывно поступает в катодное пространство ячейки, где поддерживается постоянный уровень жидкости 18.

Через входное отверстие трубчатого канала 19 исходный раствор поступает в нижнюю часть первой анодной камеры 8, заполняет ее, вытесняя ранее образованный анолит, и под действием электрического тока насыщается продуктами анодных реакций, приведенных в Приложении 2. Избыток полученного активированного раствора выводится из первой анодной камеры через выходной патрубок 13, поступая в нижнюю часть второй, третьей камеры и т.д.

При заданном потенциале на электродах описанное движение раствора через электрохимическую ячейку сопровождается образованием множества активных окислительных компонентов с одновременной очисткой от посторонних примесей, накапливающихся на катоде и остающихся в виде продуктов катодных реакций в прикатодном пространстве 5 - адсорбере электрохимической ячейки.

Получаемая высокочистая окислительная смесь продуктов анодной электрохимической активации выводится из последней анодной камеры через выходной штуцер 20 в боковой стенке корпуса электрохимической ячейки и поступает в накопительную емкость установки.

Установка, блок-схема которой представлена на фиг. 1, работает следующим образом.

Раствор серной кислоты заливают в напорную емкость 1, снабженную датчиками уровня, из которой она самотеком поступает в катодную камеру электрохимической ячейки 4, а затем через трубку, обозначенную позицией 19 на фиг. 2, в анодную камеру электрохимической ячейки и далее, по вышеприведенному описанию ее работы. После заполнения электрохимической ячейки электролитом включают источник стабилизированного напряжения 5 и устанавливают напряжение на электродах, необходимое для проведения процессов электрохимической активации. Заданный потенциал и ток нагрузки контролируются по показаниям контрольно-измерительных приборов источника стабилизированного напряжения 5. Дальнейшее заполнение раствором электрохимической ячейки приводит к сливу активированного раствора через сливное отверстие 20 (фиг. 2) самотеком в накопительную емкость 2 (фиг. 1); при наработке достаточного объема активированной смеси, она из емкости 2 с помощью насоса 7 перекачивается через фильтрующее устройство 8 в рабочую ванну 6. Кассета с пластинами кремния диаметром 100 и 150 мм погружается в моющий раствор активированной серной кислоты, находящийся в рабочей ванне 6 при комнатной температуре. Пластины выдерживаются в моющем растворе 10 мин. Затем промываются в проточной деионизованной воде и сушатся. Отработанный раствор вновь поступает в накопительную емкость 3 и, далее, с помощью насоса 7 через фильтрующее устройство 8 в напорный бак 1.

Экспериментальные испытания предложенной установки для непрерывной жидкостной химической очистки изделий, преимущественно, полупроводниковых пластин показали, что ее использование устраняет недостатки существующей техники - ее сложность, материало- энергоемкость, взрывоопасность.

Заявленная установка с использованием электрохимической ячейки в системе очистки раствора обеспечивает непрерывное выведение отработанного моющего раствора в процессе ЖХО поверхности из производственного процесса, непрерывную очистку и активацию раствора и его повторное введение в производственный процесс при поддержании необходимой чистоты и стабильного состава активных окисляющих компонентов.

Установка обеспечивает непрерывность подачи регенерированного раствора в рабочую ванну для очистки полупроводниковых пластин при поддержании постоянного объема и концентрации моющего раствора. Использование электрохимической ячейки для очистки и активации раствора позволяет провести трех или четырехкратную смену объема кислоты в рабочей ванне в процессе очистки одной партии полупроводниковых пластин. Это достигается тем, что скорость потока регенерированного раствора в рабочей ванне может составлять от 120 до 240 л/ч при объеме ванны 10 или 15 л и времени очистки - 10 мин. В соответствии с заявляемым изобретением количество очищаемой и активируемой кислоты составляет 300-500 см³ на одну пластину, в то время как в традиционных процессах этот объем кислоты составляет 10-50 см³ на одну пластину. Поскольку моющий раствор подвергается непрерывной очистке и активации, конструкция устройства позволяет обеспечивать 100%-ную рекуперацию растворов, не требующую периодической замены растворов; уменьшение объема раствора, связанное с его уносом пластинами и кассетами, компенсируется добавкой исходного раствора.

Таким образом, совмещение в данном репроцессоре блоков очистки и активации в одном устройстве - электрохимической ячейке - приводит к доочистке моющего раствора до уровня содержания ионных и органических примесей меньшего, чем в исходном растворе, и исключает необходимость сложной системы очистки.

Различные модификации изобретения могут быть разработаны специалистами в данной области, не выходя за рамки идеи и объема данного изобретения, которые изложены в пунктах патентной формулы.

Использованные источники информации 1. Полтавцев Б. Г. , Князев А.С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. - К.: Техника, 1990, с. 5-28.

2. Патент США N 4980032, B 01 D 3/10 опубл. 1990 "Способ дистилляции и аппаратура для переработки серной кислоты".

3. Патент США N4828660, C 25 B 1/28 опубл. 1989 "Способ и устройство для непрерывной химической обработки в производственном процессе сверхчистых жидкостей".

4. Патент России N 2024993, H 01 L 21/312 опубл. 1994 г. "Способ очистки изделий, преимущественно, полупроводниковых пластин".

Формула изобретения

1. Установка для химической очистки поверхности изделий, преимущественно полупроводниковых пластин, включающая систему для жидкостной химической очистки пластин, электрохимическую ячейку для активации и очистки раствора в виде анодной и катодной камер, разделенных между собой полупроницаемой мембраной, а также систему для обеспечения непрерывной циркуляции раствора в системах установки, состоящую из трубопроводов, промежуточных емкостей, фильтров, насосов и запорно-регулирующей арматуры, отличающаяся тем, что катод снабжен адсорбером продуктов катодных реакций, причем анодная камера сообщена с катодной камерой трубчатым каналом, входное отверстие которого размещено на уровне раствора серной кислоты в катодной камере, а выходное - в нижней части анодной камеры.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что анод и катод электрохимической ячейки выполнены в виде нескольких плоских пластин, установленных в корпусе ячейки поочередно и параллельно друг другу, причем каждая из пластин анода размещена в корпусе ячейки в полупроницаемой мембране, выполненной в виде карманов, сообщенных между собой последовательно трубопроводами и формирующих анодную камеру.

3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что анод ячейки выполнен из тантала, а на его рабочих поверхностях закреплены пластины из платины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2