超临界流体干燥系统技术方案

一种在第二超临界操作流体环境中制备及干燥晶片（１５），包括微观电子机械系统（ＭＥＭＳ）结构的方法和装置。装置使用与操练机操作流体供应和回收系统连接的倒置压力容器（１１），带有与外部加热和冷却源连接的内部热交换器（９），压力容器用可垂直移动的基板（１０）关闭。构建用来支持多个晶片（１３）的晶片盒（１４）浸没在盛装容器（１２）的第一操作流体中，其安装在基板（１０）上，用来向上插入到压力容器（１１）中。压力容器（１１）入口管（２）和出口管（５）从压力容器（１１）的顶垂直向下延伸到接近基板（１０）。盛装容器（１２）入口管（１）和出口管（４）从压力容器（１１）的顶垂直向下延伸到盛装容器（１２）内并接近盛装容器（１２）的底。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术与1999年9月20日提交的待审申请US60/155，454和2000年8月4日提交的US09/632770相关。在通过蚀刻或其他方法除去腐蚀物质或腐蚀层后，将晶片进行清洗以除去任何残留的痕迹量的蚀刻溶液。清洗通常用去离子水来实施，这样在干燥中产生静摩擦问题。当“释放的”结构附着在另一个表面时，出现静摩擦或附着作用。图2显示了静摩擦的视觉表示以及它是如何产生的。图2a显示了在其下捕获清洗液体的适当释放的悬臂多晶硅梁。图2b显示了在清洗液体干燥过程中形成的毛细作用力如何将多晶硅梁拉向硅底物的。图2c显示了多晶硅梁是如何粘着底物的，使设备产生瑕疵。如图2中演示的在干燥中损坏多晶硅梁的毛细作用力由下列方程表示Fn=γAh(cosθ1+cosθ2)]]>其中γ是清洗液体的表面张力，A是梁与底物共享的表面面积，h是底物表面与梁之间的高度差，θ1和θ2分别是清洗液体与底物和梁的接触角。有两种方法控制毛细作用力，(i)通过改变清洗液体的表面张力来控制清洗液体的接触角，或(ii)减小或消除表面张力γ。因为与清洗液体接触的表面的状况(决定接触角)可以改变，第一种方法仅能最小化毛细作用力。此外，清洗液体的状况在使用期间也是变化的，这样可能导致不可预料的静摩擦及产量损失。在获得对控制释放微观结构的改善并且没有随后这些结构与底物的粘着作用的工作中，Berkeley加里弗尼亚大学的研究人员已发展出在超临界流体环境中干燥硅晶片的方法。在它的超临界状态中，表面张力γ是零，因此可从方程中明显地看出毛细作用力不可能形成。如果现在在整个干燥过程中能够保持在这种状态中(γ＝0)结构的周围环境，那么静摩擦就不会发生。二氧化碳由于它的临界点低(由临界温度Tc31.1摄氏度及高于大气压1073磅每平方英寸的临界压力确定的)，选取的超临界流体是CO2。在使用CO2干燥之前，根据水，腐蚀蚀刻步骤后清洗液体不与混溶的事实必须引入中间过程步骤。清洗后，当晶片还带有水是湿的时，水必须用与二氧化碳混溶的物质替代。这种物质可以是甲醇或是任何与二氧化碳可以100％混溶的其他物质。并且，晶片要保持浸没在甲醇中直到其被安全地放置在操作腔室内。使用这种实验室方法，将已用传统方式制成的包含微电版机械结构晶格模式的硅晶片(添加用甲醇替代清洗液体水的步骤)排列在压力容器中，水平方向，浸没在甲醇中。为了实施这个过程，压力容器首先用甲醇充满。操作人员将晶片快速转移到容器中，在转运过程中晶片表面上要保持有甲醇液体层。然后将容器密封，引入15分钟流动穿过的液态二氧化碳。在这个期间甲醇被液态二氧化碳快速吸收并带出压力容器。当容器腔室完全清除甲醇并完全充满纯液态二氧化碳时，均匀地提供几分钟的热量，使得二氧化碳转化到其超临界相。这时方法的优点获得实现，因为在这种转变期间没有液态/汽态界面产生。然后将二氧化碳缓慢地放空到大气中。在放空期间，温度保持在高于临界温度，二氧化碳不会经历相转变并保持在表面张力为零的状态中。演示这种方法的使用在实验室中的先有技术压力容器在图3中显示。从图中可明显看出，可以横截面打开的并且当关闭时温度和压力逐渐升高到这种范围的容器必须是严格构建的，并带有锁定机械装置足以安全地保持使用的总压力。在实验室装配中，使用8个螺栓的周边模式来固定容器的顶部和基板，以包含高压力。通过外部加热器来给容器加热，容器中的开口用来加入及排出过程物质。为了使过程充分经济地并有效地使用在生产环境中，实验室装配中存在几个明显的问题必须指出。这种设备不适合整合到具有插入及移出晶片的自动装置的生产线中；没有安全的转运装置保证在转运或转移过程中将液体层保持在晶片上；闭合装置是手动的太慢；过程的一系执行步骤是手动实施的太慢。这种设备也缺少生产必备条件的工业标准和规章所需的安全装置。在制备期间，一旦腐蚀层被除去，如果由于任何原因晶片变的干燥，其可能会产生静摩擦或将设备附着在晶片表面上。这样从一个制备步骤转运到另一个制备步骤而没有产生静摩擦总是有问题，通常取决于操作人员的效率，这样导致设备产率降低。本专利技术的简述本专利技术，其最简单的形式，是实施并改善用来干燥在硅晶片或其他底物表面上的微电版-机械结构或干燥晶片的先有技术的装置和方法。因此，本专利技术的目的是提供用二氧化碳超临界相干燥晶片，以及底物上的微观结构的实际并安全的生产机械结构。本专利技术的另一个目的是提供将浸没在第一操作流体或清洗试剂(如甲醇)中的晶片或底物安放在压力容器中，然后直接用也处于液态的第二操作流体(如液态二氧化碳)替换甲醇，这个过程在压力容器内连接并且不干扰微观结构。本专利技术的另一个目的是将第二操作流体升高到超临界态，利用超临界过程的优点使晶片干燥，然后降低压力和温度回收晶片。通过下面的详细描述，本专利技术的其他目的和优点对此领域中的技术人员变得非常明显，其中通过演示我们考虑到的实施我们专利技术的最佳方式，我们已经显示及描述的本专利技术的优选实施方案。本专利技术示图的简述附图说明图1是先有技术，显示了制备典型腐蚀表面微观加工(Sacrificial Surface Micromachined(SSM))微电版机械系统(MEMS)基设备的连续步骤。图2是先有技术，显示了使用制备MEMS基设备，在干燥过程中经历静摩擦的腐蚀表面微观加工方法制备设备的连续步骤。图3是演示超临界二氧化碳干燥微观结构的方法的先有技术实验室装置的透视图。图4是本专利技术优选实施方案装置的示意截面图，用相对与倒置压力容器是开启位置的基板演示。图5是图4实施方案的部分闭合位置的示意截面图，其中压力容器和盛装容器管分别在盛装容器外和内向下延伸。图6是图4和图5实施方案的完全闭合位置的示意截面图，其中压力容器和盛装容器管分别延伸几乎到基板和盛装容器底部。图7是图4，5，和6的实施方案的流体阀和配管组件的示意图。本专利技术优选实施方案的详细描述本专利技术可以有许多变通。因此，图示和对优选实施方案的描述是作为本专利技术的演示公开，而不解释为限制。参看图4，5和6，图中分别显示了本专利技术装置的优选实施方案的开启，半-开启和闭合位置。装置可以装配有基板(10)，固定的，和压力腔室(11)，可垂直移动的；或基板和压力腔室都是可以移动；或压力腔室(11)保持固定而基板(10)是可以垂直移动的。在这个优选实施方案中，我们描述了固定压力腔室和可移动的基板。倒置压力容器的优点是减少了由可移动顶部产生的并掉落到操作环境中的任何颗粒。倒置固定容器和移动基板的一个优点是升高基板比升高容器相对容易，并且没有用来给压力容器提供操作物质以及从压力容器移出操作物质的挠性连接。参看图6，图中显示了基板(10)和由不锈钢和电抛光制成压力腔室(11)。基板(10)和压力腔室(11)通过环形密封圈(16)密封。一个或多个晶片(13)放置在晶片盒(14)中，晶片盒(14)由石英或不锈钢制备。通过盛装容器对准固定装置(18)晶片盒对准中心安装在盛装容器(12)中。盛装容器(12)用操作流体(15)填充，如甲醇或丙酮。这种流体的选择取决于其与液态二氧化碳的混溶性。系统包含内部热交换器(9)，用来加热及冷却操作流体，通过热交换器入口(7)和热交换器出口(8)为系统提供外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在超临界环境中干燥晶片的装置，包括：倒置压力容器，水平基板，构建用来支持至少一片晶片进行干燥的晶片盒，足够大以将所述的晶片盒和所述的至少一片晶片浸没在第一操作流体中的盛装容器，所述的盛装容器也要足够小以安装在基板上及所述 压力容器内，用来将所述晶片盒中心对准安装在所述盛装容器内的装置；用来将所述盛装容器中心对准安装在所述基板上的装置，用来使所述压力容器和所述基板处于紧密及密封关系的装置，用来用气体状态的第二操作流体替换所述压力容器中空气的装置 ，用来将所述第二操作流体升高到液体状态的装置，用来用所述液体状态的所述第二操作流体替换所述盛装容器中所述第一操作流体的装置，用来将所述第二操作流体升高到超临界状态的装置，用来将所述压力容器中的压力降低到环境压力的装置，以及 用来将所述第二操作流体冷却到低于超临界温度的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯特塞奥尼斯，黑科莫瑞特兹，莫汉查安德瑞，伊杰兹杰弗里，乔纳森托伯特，
申请(专利权)人：SC流体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]