专利名称：气泡式反应清洗装置及其方法
技术领域：
本发明是有关一种清洗装置，应用于去除特定材质上的有机物，特别是一种利用臭氧的气泡式反应清洗装置及其方法。
背景技术：
异相反应系统(heterogeneous reaction system)遍存于各类产业中，例如，触媒反应系统及高阶电子组件的长膜工艺等皆是，如何提升异相反应系统的界面质传效率(heterogeneous mass transfer in multiphase)是相关工艺技术的研发重点，在气-液-固共存的异相反应系统中，由于反应必须通过气-液及液-固相的界面层进行，因此，界面扩散层的厚度以及反应界面的更新频率，成为影响反应速率的关键瓶颈。
一般传统技术多利用机械式搅拌、高音波或高音波震荡等操作来达到压缩界面层厚度，以提升界面质传效率的目的，但在液相存在比例较高，且气相属于难溶性气体的异相反应系统中，反应速率的瓶颈步骤主要决定在气-液界面间的质传速率，机械式搅拌并无法有效压缩界面层，所能达到的质传扩散效果极为有限；最近，也有新的研究利用高速旋转的离心力将固体表面的水层离心甩脱，达到压缩水膜厚度及更新接触界面的目的，但此方法需耗用较大电能，且高速旋转长期操作会产生微颗粒污染的疑虑，对于待处理材质的形状、尺寸、大小，都有所限制。
目前国际上尚无针对异相系统的界面扩散层控制方法的主题作发表，而针对臭氧水光阻清洗与相关设备的前案中，其相关技术内容有1、直接将基材部分浸泡在溶液内，同时注入臭氧气体，由旋转基材带起水溶液在表面形成一薄膜，而达到光阻去除。
2、利用喷洒臭氧水，再高速旋转基板而达到压缩界面层的目的。
3、除了臭氧水外，同时搭配其它溶液，例如去离子水(DI-water)、硫酸、盐酸、氨水等与臭氧同时混合，搭配超音波震荡。
4、利用高温水溶液形成的臭氧蒸气而达到去除光阻的目的。
5、利用紫外线(UV)加热基材，搭配臭氧以进行干式清洗。
综观这些方式都需要高速旋转，高温加热，使用紫外线(UV)，或式外加一些氧化剂，化学溶液等的环境下进行。尤其是高速旋转操作纳米工艺是极大的疑虑，而且高速旋转的操作方式对待处理材质的尺寸、形状与放置对称性有严格的要求，并且有产生微颗粒污染的问题，因此，其应用性将可能大受限制。
故如何有效运用臭氧气-液系统来达成清洗的目的，实为一具有思考价值的技术课题。
而目前公知技术中，最常运用的方式仍为使用硫酸清洗，但如此方式具有以下缺点高温工艺(120℃)、用水量大、废酸排放量大且无法处理有金属层材质，非常的消耗资源且不环保。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气泡式反应清洗装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供的气泡式反应清洗装置，是以一气泡式反应去除一基材表面的有机物，该清洗装置包含一反应槽，该反应槽用以容置该基材，并提供该基材清洗的空间；一反应气体供应源，该反应气体供应源与该反应槽连接，该反应气体供应源用以对该反应槽输出一反应气体；一反应液体供应源，该反应液体供应源用以输出一反应液体；一温度控制系统，该温度控制系统与该反应液体供应源连接，该温度控制系统用以控制该反应液体的温度，并将该反应液体输出至该反应槽；一气泡产生机构，该气泡产生机构用以接收该反应气体后，输出至该反应液体中产生一气泡；一运动单元，该运动单元用以使该基材于该反应槽中产生一转动位移；一压力控制系统，该压力控制系统与该反应槽连接，该压力控制系统用以控制该反应槽的压力，并抽取该反应槽中多余的该反应气体；及一涤洗液供应源，该涤洗液供应源于清除该有机物后，提供一涤洗液清洗该基材。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该反应气体为一臭氧及一含有臭氧的混合气体中任选其一。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该臭氧的气体浓度范围为1％～17％。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该臭氧的产生方式为经一高压电场及经一紫外线(UV)照射中任选其一。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该反应液体为去离子水(DI-water)、臭氧水及经HCl、H2SO4、NH4OH等调整过pH的溶液中任选其一。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该温度控制系统控制该反应液体的温度为室温～80℃之间。
所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，该反应槽可将该反应液体保留于其内部并形成一水平液面。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该运动单元包含有一固定结构，该固定结构用以将该基材固定于该运动单元之上。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该转动位移为一旋转运动，该旋转运动的转速可为1～10rpm。
所述的气泡式反应清洗装置，其中该气泡产生结构为一抗臭氧管上设置有至少一个出气口或是一气体分散盘中任选其一，且该气泡产生结构设置于该水平液面下。
所述的气泡式反应清洗装置，该基材于去除该有机质后，可利用该反应槽或是另一清洗槽体来进行该涤洗程序。
本发明提供的利用气泡式反应清洗的方法，该方法是以一气泡式反应对一基材表面进行去除一有机物的方法，包含将该基材置入一反应槽中，输送适当浓度及流量的一反应气体；将该反应气体传送通过温度适当的一反应液体，以产生一气泡；使该气泡沿着该基材表面往上爬升，并去除该基材表面的该有机物；将该基材以一涤洗液进行涤洗程序。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该基材需有部分面积浸泡于该反应液体中，该基材浸泡于该反应液体的水位高度占该基材其直径的5～80％之间。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该基材与该反应液体的液面角度范围为5度～90度之间。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该基材于清除该有机物包含有一旋转运动，该旋转运动的速度范围为1rpm～10rpm之间。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该反应气体的出气口位置必须位于该基材下方的该反应液体下。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该基材为半导体晶圆(semiconductor wafer)或是玻璃基板。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该有机物为一光阻剂及工艺中一有机污染物。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该旋转运动、该反应气体浓度、该反应气体流量、该反应液体温度及该反应液体液面高度，可于去除该有机物的过程中随时变更。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该反应气体为一臭氧及一含有臭氧的混合气体中任选其一。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该臭氧的气体浓度范围为1～17％。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该臭氧的产生方式可为经一高压电场及经一紫外线(UV)照射中任选其一。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该反应液体为去离子水(DI-water)、臭氧水及经HCl、H2SO4、NH4OH等调整过pH的溶液中任选其一。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该反应液体的温度为室温～80℃之间。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该涤洗液进入该反应槽的方式可为由反应槽体一上方注入及一下方注入中任选其一。
所述的气泡式反应清洗的方法，其中该涤洗程序为一浸泡方式、蒸气方式(shower)及喷雾方式(spray)中任选。
本发明利用气泡式界面扩散层压缩技术的概念，将其结合应用在有机去除反应槽体的设计与清洗流程，在省水、省能、不需高速旋转的操作条件下，及可以有效率达到材质表面有机物去除的目的。
图1为本发明气泡式反应清洗装置的结构示意图；图2A为本发明气泡式反应清洗装置的清洗步骤流程(1)图；及图2B为本发明气泡式反应清洗装置的清洗步骤流程(2)图。
具体实施例方式
为使对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，配合附图详细说明如下本发明为一种气泡式反应清洗装置，是以气泡式反应去除基材表面的有机物，首先请参照图1，为本发明气泡式反应清洗装置的结构示意图。
本发明的气泡式反应清洗装置包含有反应槽10、运动单元20、温度控制系统30、反应液体供应源40、反应气体供应源50、压力控制系统60、气泡产生机构70及涤洗液供应源80，反应槽10用以容置基材90，并提供基材90清洗的空间，而基材90则置放于运动单元20上，并使基材90于反应槽中清洗时产生转动位移，而反应气体供应源50则用于对反应槽10输出反应气体，反应液体供应源40用于输出反应液体至温度控制系统30，温度控制系统30于收到该反应液体后，则控制反应液体的温度，并将适当温度的反应液体输出至反应槽10中。
反应液体在反应槽10中形成水平液面，并完全覆盖气泡产生机构70，气泡产生机构70可为抗臭氧管，并于管上设置有至少一个出气口来排气，或是使用气体分散盘来制作，并用于接收反应气体后，输出至反应液体中产生气泡71，而压力控制系统60亦与反应槽10连接，且用于控制反应槽10的压力，并于反应完成后来抽取反应槽10中多余的反应气体，当有机物已经顺利的从基材90上去除后，则可进入涤洗程序，此时涤洗液供应源80则提供涤洗液清洗基材90，此涤洗程序可以在反应槽10中完成，亦可以将基材90移至另一清洗槽体来进行。
为达成良好的去除效果，前述的反应气体还可使用臭氧或是含有臭氧的混合气体，而臭氧的产生方式可经由高压电场产生或是利用紫外线(UV)照射来产生，当反应气体进入反应槽10后，其适当的浓度为1％～17％为佳；而反应液体81则可选用去离子水(DI-water)、臭氧水或是经HCl、H2SO4、NH4OH等调整过pH的溶液，其适当的温度为室温～80C，当气泡71产生时，则会沿着基材90向上爬升，此时基材90已经借由固定结构21固定于运动单元20的上，运动单元20可产生一旋转运动来旋动基材90，此旋转运动的转速可为1～10rpm，此旋转运动可以旋转运动单元20并带动基材90旋转，或是设计为仅旋转基材90。
除了前述的清洗装置外，接下来请继续参照图2A，为本发明气泡式反应清洗装置的清洗步骤流程(1)图。
假设有一半导体晶圆(semiconductor wafer)或是玻璃基板为其基材，当基材上因光阻剂或是工艺中任一有机污染物欲清洗时，首先将基材置入反应槽中(步骤200)，然后提供反应气体以形成气泡(步骤210)，此步骤需输送适当浓度的适当流量的反应气体，并将反应气体传送通过温度适当的反应液体中，以产生气泡，然后进行汽泡式反应来去除基材上的有机物(步骤220)，此时气泡会沿着基材表面往上爬升，并去除基材表面的该有机物，此程序可选用连续式反应(步骤230)或是分段式反应(步骤240)，当反应完成后则将残留反应气体的抽离与破坏(步骤250)，并进入进行涤洗程序，即为使用涤洗液将去除有机物的基材加以涤洗(步骤260)，此涤洗程序可利用原本的反应槽来完成，或是取出基材换至另一清洗槽体来进行，最后将涤洗完成的基材取出(步骤270)，即完成整体的流程步骤，请参照图2B，为本发明气泡式反应清洗装置的清洗步骤流程(2)图。
在去除有机物反应的过程中，基材需有部分面积浸泡于反应液体的中，且基材浸泡于反应液体的水位高度占基材其直径的5～80％之间为佳，同时基材与反应液体的液面角度范围为5度～90度之间为佳，而反应气体的出气口位置必须位于基材下方，并位于反应液体下，以保可顺利的产生气泡，当步骤220于执行时，基材更需产生一旋转运动来确保有机物去除的效果，此旋转运动的速度范围可设定于1rpm～10rpm之间，其中连续式反应(步骤230)与分段式反应(步骤240)则可依据情况自由选择，其中的差异性则在于*连续式反应是指反应气体浓度、气体流量、水溶液温度、基材浸泡水位、基材旋转速度及基材与反应液体液面角度等条件，在整个反应过程中皆是固定不变的。
*分段式操作是指整个气泡式反应的过程可以分成数个步骤进行，每一个步骤可在不同反应气体浓度，不同的气体流量，不同的反应液体温度、基材旋转速度及不同的基材与反应液体液面角度下进行。
而最后的涤洗程序中，涤洗液进入反应槽的方式可为由上方注入或是下方注入，并无特别限制，而涤洗的方式亦可选用浸泡方式、蒸气方式(shower)及喷雾方式(spray)。
同时本方法利用臭氧气体在液体中自然形成的气泡壁做为气-液-固异相系统的反应界面，不需高速旋转操作，以气动方式产生气泡并使其沿着待清洗的材质表面爬升，在气泡爬升的拖曳过程中就会让液-固界面层厚度压缩至最小而达到提高界面质传效率目的，并进而去除有机物染物。本技术的优点为省水、省能、不需高速旋转操作、可在常温常压下操作、无微颗粒污染疑虑、对材质的处理尺寸与材质种类弹性大。
虽然本发明以前述实施例描述如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的申请专利范围。
权利要求
1.一种气泡式反应清洗装置，是以一气泡式反应去除一基材表面的有机物，该清洗装置包含一反应槽，该反应槽用以容置该基材，并提供该基材清洗的空间；一反应气体供应源，该反应气体供应源与该反应槽连接，该反应气体供应源用以对该反应槽输出一反应气体；一反应液体供应源，该反应液体供应源用以输出一反应液体；一温度控制系统，该温度控制系统与该反应液体供应源连接，该温度控制系统用以控制该反应液体的温度，并将该反应液体输出至该反应槽；一气泡产生机构，该气泡产生机构用以接收该反应气体后，输出至该反应液体中产生一气泡；一运动单元，该运动单元用以使该基材于该反应槽中产生一转动位移；一压力控制系统，该压力控制系统与该反应槽连接，该压力控制系统用以控制该反应槽的压力，并抽取该反应槽中多余的该反应气体；及一涤洗液供应源，该涤洗液供应源于清除该有机物后，提供一涤洗液清洗该基材。
2.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该反应气体为一臭氧及一含有臭氧的混合气体中任选其一。
3.如权利要求2所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该臭氧的气体浓度范围为1～17％。
4.如权利要求2所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该臭氧的产生方式为经一高压电场及经一紫外线照射中任选其一。
5.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该反应液体为去离子水、臭氧水及经HCl、H2SO4、NH4OH调整过pH的溶液中任选其一。
6.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该温度控制系统控制该反应液体的温度为室温～80℃之间。
7.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，该反应槽可将该反应液体保留于其内部并形成一水平液面。
8.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该运动单元包含有一固定结构，该固定结构用以将该基材固定于该运动单元之上。
9.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该转动位移为一旋转运动，该旋转运动的转速可为1～10rpm。
10.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，其中该气泡产生结构为一抗臭氧管上设置有至少一个出气口或是一气体分散盘中任选其一，且该气泡产生结构设置于该水平液面下。
11.如权利要求1所述的气泡式反应清洗装置，其特征在于，该基材于去除该有机质后，可利用该反应槽或是另一清洗槽体来进行该涤洗程序。
12.一种利用气泡式反应清洗的方法，该方法是以一气泡式反应对一基材表面进行去除一有机物的方法，包含将该基材置入一反应槽中，输送适当浓度及流量的一反应气体；将该反应气体传送通过温度适当的一反应液体，以产生一气泡；使该气泡沿着该基材表面往上爬升，并去除该基材表面的该有机物；将该基材以一涤洗液进行涤洗程序。
13.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该基材需有部分面积浸泡于该反应液体中，该基材浸泡于该反应液体的水位高度占该基材其直径的5～80％之间。
14.如权利要求13所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该基材与该反应液体的液面角度范围为5度～90度之间。
15.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该基材于清除该有机物包含有一旋转运动，该旋转运动的速度范围为1～10rpm之间。
16.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该反应气体的出气口位置必须位于该基材下方的该反应液体下。
17.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该基材为半导体晶圆或是玻璃基板。
18.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该有机物为一光阻剂及工艺中一有机污染物。
19.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该旋转运动、该反应气体浓度、该反应气体流量、该反应液体温度及该反应液体液面高度，可于去除该有机物的过程中随时变更。
20.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该反应气体为一臭氧及一含有臭氧的混合气体中任选其一。
21.如权利要求20所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该臭氧的气体浓度范围为1～17％。
22.如权利要求20所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该臭氧的产生方式可为经一高压电场及经一紫外线照射中任选其一。
23.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该反应液体为去离子水、臭氧水及经HCl、H2SO4、NH4OH调整过pH的溶液中任选其一。
24.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该反应液体的温度为室温～80℃之间。
25.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该涤洗液进入该反应槽的方式可为由反应槽体一上方注入及一下方注入中任选其一。
26.如权利要求12所述的气泡式反应清洗的方法，其特征在于，其中该涤洗程序为一浸泡方式、蒸气方式及喷雾方式中任选。
全文摘要
一种气泡式反应清洗装置及其方法，是利用气泡式界面扩散层压缩技术，利用气动方式产生的气泡壁作为气－液－固异相系统的反应界面(interface)，并借助气泡沿着待清洗的材质表面爬升的拖曳过程，让液－固界面层厚度压缩变小，而使界面质传效率最佳化，进而有效除去材质表面的有机物。
文档编号B08B11/00GK1986085SQ20051013385
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者金光祖, 陈秋美, 徐静怡, 郭詠琪 申请人:财团法人工业技术研究院