CN113198801A - 一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，所述方法包括以下步骤：1)，将待清洗基体粘结在三维移动平台上，移动三维移动平台使所述待清洗基板位于激光脉冲聚焦点及腔体出口处；2)，利用第一脉冲激光束和第二脉冲激光束聚焦在腔体内诱导气体击穿产生等离子体冲击波，经过腔体内表面的反射增强冲击波强度，使得待清洗基体表面上的微纳米颗粒污染物在冲击波去除力的作用下从待清洗基板表面飞离。本发明提供了一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，能有效提高基板表面清洗面积，提高清洗效率。
Description
技术领域
本发明涉及表面清洗技术，特别涉及一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法。
背景技术
随着芯片单元尺寸不断缩小(DRAM半节距有望于2021年达到14nm)，待清洗的硅晶圆片表面污染颗粒尺寸已小于10nm。颗粒污染物会降低IC产业集成芯片、微型机械、精密光学元器件等产品的性能，严重时会导致产品失效。传统的机械清洗与化学清洗方法(机械洗刷、化学液浸泡、超声清洗等)存在破坏基板及二次污染的缺点，且此类方法对直径小于100nm的颗粒清洗效率低下。
激光诱导等离子体清洗是直接在气体氛围中聚焦，诱导气体电离产生等离子体冲击波，利用冲击波的擦除力作用，去除被污染基板表面的纳米颗粒。该技术避免了激光与基体的直接相互作用，可以有效去除纳米级颗粒，控制方便、效率高且对基板无损伤。最近研究发现双脉冲诱导等离子体清洗技术能有效抑制单脉冲激光诱导等离子体冲击波清洗中未清洗盲区形成的问题，但是未解决清洗面积较小的问题。发明专利200810165891.0“清洗基片的方法与装置”提出了一种内室约束的激光诱导冲击波清洗方法，存在清洗面积较小、清洗效率较低的不足。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，能有效提高基板表面清洗面积，提高清洗效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，所述方法包括以下步骤：
1)，将待清洗基体粘结在三维移动平台上，移动三维移动平台使所述待清洗基板位于激光脉冲聚焦点及腔体出口处；
2)，利用第一脉冲激光束和第二脉冲激光束聚焦在腔体内诱导气体击穿产生等离子体冲击波，经过腔体内表面的反射增强冲击波强度，使得待清洗基体表面上的微纳米颗粒污染物在冲击波去除力的作用下从待清洗基板表面飞离。
进一步，所述三维移动平台由计算机控制系统控制，三维移动平台移动精度为5μm。
所述待清洗基板的背面固定于三维移动平台上，实验后从平台取下，选择使用双面胶带将基板背面粘结于三维移动平台上。
所述待清洗基板表面位于双束脉冲激光聚焦点于腔体出口处的正上方，等离子体与待清洗基板表面距离要保证实验不会损伤基板，且有较好的清洗效果。
所述第一脉冲激光束和和第二脉冲激光束分别由第一脉冲激光器和第二脉冲激光器得到；第一脉冲激光束通过反射镜形成反射脉冲激光束，反射脉冲激光束和第二脉冲激光束分别由第一聚焦镜和第二聚焦镜聚焦于腔体内一点，反射脉冲激光束和和第二脉冲激光束其中至少有一束脉冲能单独击穿气体诱导产生等离子体冲击波。
第一脉冲激光束和和第二脉冲激光束由数字延迟发生器控制脉冲延迟时间，脉冲延迟时间在0-100μs之间可调。
所述第一聚焦镜和第二聚焦镜分别把反射脉冲激光束和和第二脉冲激光束聚焦于腔体内同一点，所述反射脉冲激光束和和第二脉冲激光束聚焦点在同一平面内，其夹角在0-180度之间可调。
所述腔体是密闭的容器，其形状为球体或长方体，材料为玻璃或聚合物。
所述腔体中至少有两个拥有能允许激光穿过的第一腔体窗口和第二腔体窗口，其材料包括但不限于玻璃。
所述反射脉冲激光束和第二脉冲激光束聚焦在腔体内诱导气体击穿，击穿次数在1-100之间；
所述反射脉冲激光束和第二脉冲激光束聚焦在待清洗表面下方气体中诱导击穿，此气体包括空气或惰性气体；
所述清洗用第一脉冲激光器和第二脉冲激光器波长为1064/532nm，脉宽在10fs-10ns之间，单束脉冲能量为100-1000mJ；所述的微纳米颗粒污染物的直径为0.01-1000μm。
本发明使用两个激光器分别产生一束激光脉冲聚焦于腔体空间内同一点，其产生的等离子体与冲击波经腔体内表面反射放大，最后经过腔体出口涌出至待清洗基板表面，受冲击波擦除力的作用下，待清洗基板表面上的颗粒污染物飞离。
本发明的有益效果主要表现在：通过双脉冲激光诱导气体击穿产生等离子体冲击波，避免了激光与基体的直接相互作用，在保留了脉冲激光诱导等离子体冲击波清洗技术的绿色环保、控制方便、对基板无损伤优势的同时，能有效抑制单脉冲诱导冲击波清洗方法中的未清洗盲区的形成，扩大清洗面积，提高清洗效率。
附图说明
图1为本发明所述空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法的装置图。
其中，1第一脉冲激光器，2数字延迟发生器，3第二脉冲激光器，4第一脉冲激光束，5反射镜，6反射脉冲激光束，7第二脉冲激光束，8第一聚焦镜，9第二聚焦镜，10三维移动平台，11基板，12污染颗粒，13计算机控制系统，14腔体，15冲击波，16聚焦焦点，17腔体窗口，18腔体窗口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，所述方法包括以下步骤：
1)，将待清洗基体粘结在三维移动平台10上，移动三维移动平台10使所述待清洗基板位于激光脉冲聚焦点及腔体出口处；
2)，利用第一脉冲激光束和第二脉冲激光束聚焦在腔体内诱导气体击穿产生等离子体冲击波，经过腔体内表面的反射增强冲击波强度，使得待清洗基体表面上的微纳米颗粒污染物在冲击波去除力的作用下从待清洗基板表面飞离。
进一步，所述三维移动平台10由计算机控制系统13控制，三维移动平台10移动精度为5μm。
所述待清洗基板11的背面固定于三维移动平台10上，实验后从平台取下，选择使用双面胶带将基板11背面粘结于三维移动平台10上。
所述待清洗基板11表面位于双束脉冲激光聚焦点16于腔体14出口处的正上方，等离子体与待清洗基板11表面距离要保证实验不会损伤基板，且有较好的清洗效果。
所述第一脉冲激光束4和和第二脉冲激光束7分别由第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器3得到；第一脉冲激光束4通过反射镜形成反射脉冲激光束6，反射脉冲激光束6和第二脉冲激光束7分别由第一聚焦镜8和第二聚焦镜9聚焦于腔体14内一点，反射脉冲激光束6和和第二脉冲激光束7其中至少有一束脉冲能单独击穿气体诱导产生等离子体冲击波。
第一脉冲激光束4和第二脉冲激光束7由数字延迟发生器2控制脉冲延迟时间，脉冲延迟时间在0-100μs之间可调。
所述第一聚焦镜8和第二聚焦镜9分别把反射脉冲激光束6和第二脉冲激光束7聚焦于腔体内同一点，所述反射脉冲激光束6和第二脉冲激光束7聚焦点在同一平面内，其夹角在0-180度之间可调。
所述腔体14是密闭的容器，其形状为球体或长方体，材料为玻璃或聚合物。
所述腔体14中至少有两个拥有能允许激光穿过的第一腔体窗口17和第二腔体窗口18，其材料包括但不限于玻璃。
所述反射激光束6和第二脉冲激光束7聚焦在腔体14内诱导气体击穿，击穿次数在1-100之间；
所述反射激光束6和第二脉冲激光束7聚焦在待清洗表面下方气体中诱导击穿，此气体包括空气或惰性气体；
所述清洗用第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器3波长为1064/532nm，脉宽在10fs-10ns之间，单束脉冲能量为100-1000mJ；所述的微纳米颗粒污染物的直径为0.01-1000μm。
如图1所示，分别由第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器3产生的第一脉冲激光束4、第二脉冲激光束7在数字延迟发生器2的脉冲延迟时间调控下，第一脉冲激光束4通过反射镜形成反射脉冲激光束6，通过第一腔体窗口17和第二腔体窗口18聚焦于腔体14内同一点，激光聚焦产生的冲击波15最终在腔体14内表面的反射放大下涌出腔体14出口。在三维移动平台10上通过双面胶带固定单面抛光的硅圆晶片11，通过计算机控制系统13控制三维移动平台10的移动，调节激光聚焦点与硅圆晶片表面的距离，此时待清洗的硅圆晶片11表面位于聚焦焦点16及腔体14出口上方。两激光脉冲延迟时间由数字延迟发生器2控制，第一脉冲激光束4、第二脉冲激光束7分别由Nd:YAG脉冲激光器1和Nd:YAG脉冲激光器3产生，其工艺参数为：输出波长1064nm，脉宽6ns，频率10Hz，光斑直径0.5mm。聚焦镜焦距为150mm。硅圆晶片11抛光表面的污染颗粒12为聚苯乙烯胶乳纳米颗粒，粒径分布为300nm。通过调节腔体形态体积、两脉冲激光的能量、脉冲次数、脉冲之间的延迟时间、以及激光聚焦点产生的冲击波核心与工件硅圆晶片11表面的距离,调节出最佳激光诱导等离子体冲击波去除硅圆晶片11表面微纳米颗粒的参数。当激光能量过高和激光聚焦点与硅圆晶片表面的距离过小时,会造成硅圆晶片表面损伤；当激光能量过低和激光聚焦点与硅片表面的距离过大时，清洗的效率会大大降低；当双脉冲间延迟时间过大时，不能有效抑制残余未清洗盲区面积。通过实验我们设定腔体为球状玻璃，体积为33.5mm3，激光焦点位于腔体正中心且距离硅片垂直距离为4mm,单脉冲激光能量均为200mJ,每一次的脉冲数为3,双脉冲延迟间隔为200ns。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)，将待清洗基体粘结在三维移动平台(10)上，移动三维移动平台(10)使所述待清洗基板(11)位于激光脉冲聚焦点(16)及腔体(14)出口处；
2)，利用第一脉冲激光束(4)和第二脉冲激光束(7)聚焦在腔体(14)内诱导气体击穿产生等离子体冲击波(15)，经过腔体(14)内表面的反射增强冲击波(15)强度，使得待清洗基体表面上的微纳米颗粒污染物(12)在冲击波去除力的作用下从待清洗基板(11)表面飞离。
2.如权利要求1所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述三维移动平台(10)由计算机控制系统(13)控制，三维移动平台(10)移动精度为5μm。
3.如权利要求2所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述待清洗基板(11)的背面固定于三维移动平台(10)上，实验后从平台取下，选择使用双面胶带将基板(11)背面粘结于三维移动平台(10)上。
4.如权利要求1所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述待清洗基板(11)表面位于双束脉冲激光聚焦点(16)于腔体(14)出口处的正上方，等离子体与待清洗基板(11)表面距离要保证实验不会损伤基板，且有较好的清洗效果。
5.如权利要求1所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，第一脉冲激光束(4)和和第二脉冲激光束(7)分别由第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器(3)得到；第一脉冲激光束(4)通过反射镜形成反射脉冲激光束(6)，反射脉冲激光束(6)和第二脉冲激光束(7)分别由第一聚焦镜(8)和第二聚焦镜(9)聚焦于腔体(14)内一点，反射脉冲激光束(6)和和第二脉冲激光束(7)其中至少有一束脉冲能单独击穿气体诱导产生等离子体冲击波。
6.如权利要求5所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，第一脉冲激光束(4)和和第二脉冲激光束(7)由数字延迟发生器(2)控制脉冲延迟时间，脉冲延迟时间在0-100μs之间可调。
7.如权利要求5所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述第一聚焦镜(8)和第二聚焦镜(9)分别把反射脉冲激光束(6)和和第二脉冲激光束(7)聚焦于腔体内同一点，所述反射脉冲激光束(6)和和第二脉冲激光束(7)聚焦点在同一平面内，其夹角在0-180度之间可调。
8.如权利要求5所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述腔体(14)是密闭的容器，其形状为球体或长方体，材料为玻璃或聚合物。
9.如权利要求5所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述腔体(14)中至少有两个拥有能允许激光穿过的第一腔体窗口(17)和第二腔体窗口(18)，其材料包括但不限于玻璃。
10.如权利要求1所述的空间约束双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述反射脉冲激光束(6)和第二脉冲激光束(7)聚焦在腔体(14)内诱导气体击穿，击穿次数在1-100之间；
所述反射脉冲激光束(6)和第二脉冲激光束(7)聚焦在待清洗表面下方气体中诱导击穿，此气体包括空气或惰性气体；
所述清洗用第一脉冲激光器(1)和第二脉冲激光器(3)波长为1064/532nm，脉宽在10fs-10ns之间，单束脉冲能量为100-1000mJ；所述的微纳米颗粒污染物的直径为0.01-1000μm。
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