专利名称：用于干燥衬底的设备和方法
技术领域：
本发明主要涉及干燥要求高清洁度的衬底的设备和方法。
背景技术：
在某些工业中，必需使用使物体达到特别高清洁度的工艺。例如在集成电路制造期间在多个步骤中对半导体衬底进行清洁、清洗和干燥以从衬底除去化学物、残留物和微粒。集成电路制造技术已发展到其上的细微图形可为90nm和更小的尺寸。随着器件尺寸的减小，在清洁和干燥衬底期间留下的水印甚至可导致在集成电路器件中所谓的“致命缺陷”。本发明描述了一种新的、高效用于清洁衬底的系统和方法从而使衬底上沉积的微粒和水印最小。
图1A到图1C示出了描述使用一种用于干燥衬底的系统和方法的一系列示意图；图2A示出了可以与图1A到图1C的系统一起使用的另一内容器的截面端视图；图2B示出了可以与图1A到图1C的系统一起使用的第二替代的内容器的截面端视图；图3所示为来自于晶片表面的马兰格尼(Marangoni)流动的示意图。
具体实施例方式
结构参照图1A，一种干燥系统包括腔室10，该腔室10具有开口11和可移动至覆盖该开口11的盖12。腔室10具有外容器14和设置在外容器14内的内容器16。
该外容器由一种诸如PVDF或TeflonTM的材料形成，该材料不与工艺环境中使用的化学物反应。
内容器16包括具有上边缘20的侧壁18。虽然从图1A到图1C描述了一批系统，其中内容器16和同时处理多个衬底S相匹配，该内容器可采用适合用于处理单个衬底或用于同时只处理两个衬底的内容器代替。在发明名称为“APPARATUS AND METHOD FOR SINGLE-OR DOUBLE-SUBSTRATEPROCESSING”的专利申请WO03050861中示出和描述了用于单个和两个衬底湿处理系统的元件设置，在此引入其全部内容作为参考。此外，适合用于单衬底湿处理的容器和附属的自动化装置为由SCP Global Technologies，Boise，ID制造的EMERSION 300(tm)Single Wafer Processor。
如将在下文详细描述，内容器16的上边缘和壁用作溢流堰，从而进入内容器16的流体从内容器16的壁溢出进入外容器14。内容器的上边缘20优选地为所示的锯齿状以使流体堆积在边缘上最小。
对该系统进一步设置从而在使用该系统期间上边缘20的高度(因而从内容器16成瀑布流下层的叠面的流体)相对晶片衬底的高度可升高或降低。在图1A-1C的实施例中，其通过在腔室10内提供可折叠的侧壁18实现。通过折叠侧壁18，上边缘20可在图1A中所示的较高位置和图1C中所示的较低位置之间移动。在一实施例中，该可折叠的侧壁可折叠成如图1B中所示的“手风琴”形式。内容器16可由PTFE或不与在工艺环境中使用的化学物起反应的其它材料组成，并且还能经过许多周期而不疲劳的情况下进行折叠和拉伸。该内容器包括驱动系统(未示出)，该驱动系统包括电动机和设置于外容器的外部并经由联接与内容器相连的附属元件。因为来自外部环境的气体、烟和微粒可扩散进入腔室10中的清洗流体，所以需要防止空气进入腔室10。氧气扩散进入腔室顶部空间和清洗流体可导致衬底上不必要的水印。因此，该联接优选地通过流体互锁(与用于管子中的反虹吸P形气隔类似)以阻止外部空气沿联接穿过进入腔室10。替代的结构还可用来允许移动或设置该层叠相对于衬底表面的高度。例如，在一替代实施例中，内容器16可改为保持它的体积不变但是可在外容器内较高位置和较低位置之间移动，优选地同时使衬底的高度保持不变。在另一替代实施例中，内容器在外容器中的开口内可以为可移动的，而不是在外容器内可折叠的。
如果需要，该系统可提供设置兆频超声波换能器以在激活时在工艺腔室内产生兆频超声波能带。该能带作为内容器内的活动区用来改善清洁、清洗和/或干燥工艺，如在发明名称为“APPARATUS AND METHOD FOR SINGLE-ORDOUBLE-SUBSTRATE PROCESSING”的专利申请WO03050861中详细描述，在此引入其全部内容作为参考。
内容器可能与图1A中的内容器16相似，但是它们采用如图2A和2B中所示的兆频超声波能力得到改善。这些内容器可用来代替如图1A所示的内容器16，其中需要兆频超声波能力。
图2A描述了可折叠的内容器16a，其适用于单晶片处理，并包括与内容器16a侧壁相连的一对兆频超声波换能器40、42。每个换能器40、42可包括单个换能器元件或一系列多个换能器。换能器40、42设置于内容器16a的上边缘20a的下方的高度，并定向为使换能器40将兆频超声波能量导向衬底的正表面，同时换能器42将兆频超声波导向衬底背面。
图2A的实施例中，换能器优选地设置为使得在气体/液体介面上或刚好在其下方例如在内容器16a内的液体上端0-20％内的位置能量束与衬底表面相互作用。换能器可设置为以垂直于衬底表面方向或与法线方向成一角度定向兆频超声波。优选地，能量定向为与法线方向成约0-30度角，以及最优选地与法线方向成约5-30度角。
优选地提供相对于法线方向和/或功率角度独立可调节的换能器40、42。例如，如果成角度的兆频超声波能通过换能器40导向衬底正表面，则优选地具有来自换能器42的能量以垂直于该衬底表面的方向向该背面传播。实施此方法通过抵抗由成角度的能量对正面基板的作用力可降低或防止或减少该正面上的图形的损坏。此外，当需要对衬底正面用相对较低的功率或者不施加功率从而避免损坏细小图形时，较高功率将传播离背面(以一角度或垂直于衬底的方向)。该较高功率可通过衬底共振和使衬底正面上沟槽内的微空化现象增多-从而有助于使杂质从沟槽孔流出。
另外，提供具有可调节角度的换能器40、42允许角度根据衬底的特征(例如细小图形)和执行的工艺步骤发生改变。在一些实例中，也可以为单个换能器、或超过两个换能器，而不是一对换能器40、42。
图2B描述了用于如图1A所示的一批系统的另一内容器16b，其与图2A中的内容器类似的但对其改进。在图2B的实施例中，换能器44、46优选地定向为面向如所示的衬底S的边缘，从而允许由换能器44、46发出的兆频超声波能经过相邻的衬底之间。该换能器可设置为以垂直于衬底表面的方向或以与法线方向成一角度定向兆频超声波能。优选地，能量以与法线方向成约0-10度角，并且最优选地约为成1-3度角。
再参照图1A，该系统包括流体入口22，其将工艺流体诸如DI清洗水导入内容器16。第一排出管24从内容器16伸出并优选地能允许快速地(例如15cm/sec或更快)从内容器排除流体，诸如在快速卸料操作中。如果需要，第一排出管24可替代地允许更慢和/或更多地控制内容器的排水。
第二阀26允许外容器里的流体以受控制的速率(例如0.5mm/sec到10mm/sec的范围)排出。
蒸汽/气体口28与盖12流动地相连。盖12包括歧管设置以最优化进入腔室10中的气体/或蒸汽的均匀分布。
排气口30从腔室10伸出，优选地稍微低于盖12(例如约1mm下方)。排气口30优选地浸在液体容器32中从而防止外部空气从排气出口进入该腔室。
如图1A所示的批系统的内容器16优选地安装为容纳用于固定一个或多个衬底的处理晶片盒36。升降平台34优选地设置在内容器16内。升降平台34包括自动装置(未示出)其在较低的和较高的位置之间移动该升降平台，从而允许该升降平台在工作期间从工艺晶片盒稍微提升衬底。因为衬底阵列中的第一和最后衬底和阵列中间的衬底相比可暴露于稍微不同的工艺条件中，该升降平台34可包括位于升降平台正对的两端的“虚拟衬底”(未示出)，从而位于虚拟衬底之间的实际的衬底将暴露于一致的工艺条件中。如果需要，该升降平台可设置为允许对其中一个虚拟衬底带电从而将微粒从该阵列中的其它衬底吸走。
应当理解另外的系统可使用“无晶片盒”传送系统，该传送系统传送一个或多个衬底，而不是工艺晶片盒，进入内容器16。如一示例，衬底从晶片盒的分离可采用一种现有技术公知的被动升降系统用于为工艺目的从晶片盒移走衬底。如另一示例在发明名称为“APPARATUS AND METHOD FORSINGLE-OR DOUBLE-SUBSTRATE PROCESSING”的专利申请WO03050861中详细描述，在无晶片盒的系统中，在内容器内衬底可由延伸入内容器内的终端受动器和/或设置在内容器内的固定系统支撑。
操作下面将说明使用图1A-1C的系统清洗和干燥衬底。
首先，将一个或多个衬底S降低进入内容器16。关闭盖12以将衬底封闭在腔室内。诸如DI清洗水的工艺流体经由入口22进入内容器16并在边缘20上成瀑布流入外容器14。打开排出管26以允许清洗液体以受控制的速率从外容器14排出。对工艺流体的液流优选地在衬底移入腔室10之前开始以使衬底最少地暴露于空气中，然而另外液流也可以在腔室内设置衬底期间或之后开始。
如果该系统为使用工艺晶片盒36的系统，升降平台34稍微向上移动以从该工艺晶片盒提升衬底。虽然该步骤为可选的，但需要将衬底从该晶片盒分离以防止在干燥期间水堆积在接触点处。作为另一替代例，衬底可如上文所述在插入之前或期间从晶片盒分离。
如所述，通过使从周围空气可扩散进入工艺流体中的氧气量最小可以改善系统的性能。因此，当衬底完全浸入工艺流体中时，可实施排气步骤以除去从腔室10来的空气。根据该步骤，打开出口30并且置换气体(例如氮气或氩气或其它不活泼气体)经由入口28进入腔室10从而驱走在盖12和成瀑布流下的工艺流体的上表面U之间的空隙G中的空气。经由出口30将空气置换出腔室10。在一实施例中，置换步骤可包括其中氩气用作置换气体的第一步骤以及其中氮气用作置换气体的第二步骤。因为较重的氩气分子和较轻的氮气分子相比可将氧气从空隙G中较快地驱出，所以使用氩气可缩短置换步骤的整个时间。虽然在整个置换步骤中可使用氩气，但是因为N2比氩气要便宜很多所以可能需要该两步工艺。在另一实施例中，在置换气体进入之前可通过出口30施加微真空以有助于从空隙G中除去氧气。
如果需要进一步清洗，可继续通入低气流的不活泼气体诸如氮气和氩气等直到进行IPA干燥步骤时为止。
接着实施干燥步骤，优选地在腔室压力约为大气压力(Atm)至大气压力(Atm)+5in H2O下。为了干燥衬底，干燥蒸汽(诸如IPA)和载送气体(诸如氮气)的混合气体经由口28进入腔室。在晶片准备进行干燥之前IPA在独立的IPA蒸汽生成室(未示出)中进行蒸汽的产生。该IPA蒸汽可采用传统的方法形成，诸如利用沸腾的氮气通过大量的IPA液体。在另一实施例中，通过将预测数量的IPA液体注入至加热的表面，可以在IPA蒸汽生成室内产生IPA蒸汽。根据该第二实施例，对该IPA加热至温度优选地低于IPA的沸点(其在1大气压时为82.4℃)从而产生密集的IPA蒸汽云。当IPA蒸汽通入腔室10中干燥衬底时，加热的N2(具有温度约为70-120℃)进入该IPA生成室并允许携带该IPA蒸汽通过端口28从IPA腔室进入腔室10。盖12中的歧管设置促使IPA蒸汽均匀分布充满盖中的沟道并因此均匀的蒸汽流通过入口并到达衬底上。
在工艺中使用的IPA和氮气优选地为高纯度，诸如“ppb”或十亿分率品质或99.999％纯度。N2/IPA优选地以约50每分钟标准升(slpm)的速率进入该腔室用于IPA干燥时间优选地为5-10分钟。优选地保持N2/IPA混合物中的IPA的百分比为常数。所需的该百分比将根据要干燥的表面改变。例如，具有约20-40％的IPA蒸汽的N2/IPA混合物对于亲水的表面是适用的，然而约2-10％的IPA蒸汽对于疏水表面可能是适用的。
在整个IPA干燥步骤中新的清洗流体继续流入内容器16并在边缘20上成瀑布流下进入外容器14。随着N2/IPA流入该腔室，内容器16慢慢地折叠，导致它的上边缘20(因此成瀑布流下的液体面)在外容器14内以均匀的速率慢慢降低。优选地，内容器16以一速率折叠，该速率将引起上边缘20(因此成瀑布流下的液体的层叠面)以约0.5-10mm/sec和最优选地为1-2mm/sec的速率降低。优选地保证该内容器16平稳地折叠从而防止在液体/空气介面发生飞溅或表面起伏，这是因为飞溅将使衬底干燥的区域重新弄湿。
在整个IPA干燥步骤中，层叠面沿着衬底表面下降。新的清洗液体继续流入内容器16并在边缘20上成瀑布流下进入外容器14-从而防止溶解的IPA和/或微粒在清洗液体表面堆积。对通过排出管26从外容器14排出的流体的速率进行控制以使外容器中的流体面保持在边缘20面的下方，并还用来防止外容器被完全排干。因为完全排空外容器可能导致通过暴露的排出管26进入空气至腔室10中，所以不要完全排空外容器(或甚至排空至液体面低于预定的面的点，在优选地方法可为约2cm)。
图3示意性地描述了在所述的干燥步骤期间干燥衬底S。参照图3，在IPA蒸汽进入期间随着层叠面L沿着衬底面下降，流体的弯月面在衬底和内容器中的整个流体之间延伸。进入的IPA蒸汽溶解到该液体的弯月面中。如图3中所示，溶解的IPA蒸汽浓度在衬底表面SS最高以及在该清洗流体与晶片表面分开的的区域较低。由于表面张力随着IPA浓度的增加而降低，水的表面张力在IPA浓度最高的衬底表面处为最低。从而，该浓度梯度产生如箭头A所示的清洗远离衬底表面的“Marangoni流动”。从而从晶片表面除去清洗水，得到干燥的晶片表面。
参照图1C，一旦内容器16的边缘20下降到一预定的高度(例如，至位于衬底下方的一点或至少衬底底部的边缘区域)，进行最后的步骤，在该步骤中具有温度在50-100℃范围的热的不活泼气体(例如氮气)经由入口28进入腔室10。该加热的气体从衬底和晶片盒上去除任何剩余的清洗流体和IPA蒸汽，并从腔室的环境中驱走IPA蒸汽。
如果采用配置为在内容器内形成兆频超声波能带的系统处理衬底，则可以实施另一种干燥方法。将结合采用图2A的内容器16a的单晶片系统描述该方法，但是该方法同样适合于包含具有图2B的内容器16b的批系统。
参照图2A，如用以上所述的干燥方法，在IPA引入期间通过降低内容器16a的上边缘20a和同时从外容器14(如图1A所示的容器14)排出流体，层叠面沿着衬底S的表面下降。为了改善干燥，在层叠面下降的同时，使用兆频超声波换能器40、42(图2A)供给能量，从而在兆频超声波能带或内容器16a内的区域Z内产生湍流。该湍流使附着于衬底的流体的边界层变薄。由于区域Z中的边界层变薄，IPA可更快地扩散至表面上并进入衬底的图形中，从而以致用较少的IPA用量加速干燥。由于随着上边缘的降低，区域Z沿着衬底表面下降，该衬底可相对快地暴露于IPA气体中(即优选地以速率30mm/sec或更低，和最优选地以速率在约5mm/sec-30mm/sec之间)，虽然诸如以上所述也可使用的相对慢的抽取速率。
如用先前描述的干燥方法，可引入诸如加热的氮气的气体以蒸发任何剩余的IPA和/或水薄膜，和衬底以及驱走腔室的IPA蒸汽。
使用公开的系统也可以执行其它干燥步骤。在这种替代干燥步骤中，通过从阀24实施“快速倾泄”，关闭进入该容器的清洗液流以及将内容器中的流体迅速地排出到一预定的高度(例如完全地，或至衬底的高度下方的一点或至至少衬底底部的边缘区)。一旦该容器中的液体排放至晶片下方的水平面，可以使氮气和IPA通过口28从生成室进入腔室10。
该IPA蒸汽在晶片上冷凝，在吸附于晶片表面的液体中形成均匀浓度的IPA。冷凝的IPA在晶片上破坏水的表面张力从而导致清洗水离开晶片表面。在IPA干燥周期结束前，该清洗水将完全从水、晶片盒和容器壁除去，并将完全被冷凝的IPA取代。
与现有技术相比，替代干燥步骤中的快速倾泄和IPA蒸汽步骤具有多个优点。与传统的蒸汽干燥器相比，具有的一个优点是在整个工艺过程中晶片维持净化环境中，而不是当它们从清洗管移至干燥管时暴露在氧气和微粒中。此外，在实施快速倾泄后，水的残留层保持在晶片表面上。当IPA蒸汽开始进入腔室时，它在该残留层的表面冷凝并扩散进入水层。随着更多的IPA在水中冷凝，它将逐渐地减少表面张力直到水最终脱离晶片表面。IPA蒸汽继续进入腔室并在晶片表面冷凝，在晶片表面留下冷凝的IPA层。
这种除去水的方法尤其有利于具有高的高宽比或严密的表面图形的晶片，其中在晶片表面内存在许多致密的间隙。在这些致密的间隙中毛细管作用力很大并因此很难将水从上面除去。这种在水的残留层上冷凝IPA的方法，其中在残留层上冷凝的IPA以它的方式进入水中然后进入晶片致密的几何结构中(以及在残留层已脱离晶片后继续冷凝在晶片表面上)有助于甚至在那些深的或致密图案的区域的干燥。
此外，冷凝的水和从晶片表面的冷凝的IPA的流动促进IPA/水清洗晶片表面，其有助于除去残留在晶片上的任何微粒。
另一个优点在于实施快速倾泄步骤从而可在非常短的时间周期内，优选地在5秒钟内完全排空内容器(或至少将容器内的流体排出至晶片下方)。液体的高速排空有利于从晶片表面除去水分(和水分中的任意微粒)。因此它有助于甚至在IPA蒸汽步骤开始前除去水分。
本文描述的系统因为允许用户根据衬底的特点或实施工艺的特性选择执行的干燥模式(例如以首先描述的模式，其中使层叠面相对于衬底降低，或快速倾泄模式，或者当可用时，兆频超声波辅助的干燥模式)，所以具有优点。
本文已经描述了采用本发明原理的某种实施例。这些实施例只作为示例给出但并不意欲限定权利要求—因为本发明的这种设备和方法按除这里具体所述的方式之外的许多方式设置和实施。例如，该系统可用于实施蚀刻、清洁和清洗的方法因为它可适用于移去衬底表面的层叠面(具有或不具有兆频超声波能带的出现)，包括其在发明名称为“APPARATUS AND METHOD FORSINGLE-OR DOUBLE-SUBSTRATE PROCESSING”的WO03050861中描述的，在此引用其全部内容作为参考。此外，本文结合每个描述的实施例已进行描述了大量特征。应当理解可以以多种方式组合所述的特征，并且在不脱离本发明的情况下，根据其中一种公开的实施例描述的特征有可能包含在其它实施例中。最后，各种尺寸、持续时间、工艺顺序、化学物、体积等已经作为示例给出并不意欲进行限定。
权利要求
1.一种用于干燥衬底的系统，该系统包括腔室；设置于所述腔室内的内容器，所述内容器包括具有限定层叠面的上边缘的至少一壁，其中所述上边缘在所述腔室内从所述层叠面位于第一高度的第一位置收缩到所述层叠面位于第二高度的第二位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述壁为可折叠的，将所述上边缘从所述第一位置收回到所述第二位置。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内容器当所述上边缘在所述第一位置时具有第一体积，并且当所述上边缘在所述第二位置时具有第二体积，并且其中所述第二体积小于所述第一体积。
4.根据权利要求1所示的系统，其特征在于，所述内容器为可移动的，在所述腔室内从第一高度移动至第二高度以收回所述上边缘。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括流动地连接到所述内容器的流体入口，其用于接收进入所述内容器的工艺流体。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括流动地连接至所述腔室的气体入口，其用于将干燥气体导入所述腔室。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括盖，其可移动至关闭的位置以封闭所述腔室。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内容器匹配以容纳运送至少一衬底的衬底载体，以及所述系统还包括在所述腔室内可移动的升降平台以从所述载体提升所述衬底。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一兆频超声波换能器，其设置为在所述内容器中的流体里形成兆频超声波能带。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述兆频超声波换能器设置为在所述上边缘从所述第一位置移动至所述第二位置的期间，所述兆频超声波能带在所述容器内降低。
11.一种处理衬底的方法，包括步骤提供腔室和在所述腔室内的内容器，所述内容器包括限定层叠面的边缘；在所述内容器中设置晶片衬底；将工艺流体导入所述内容器，使所述工艺流体溢出所述边缘；在所述导入步骤期间，降低所述腔室内的所述边缘从而降低所述层叠面。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述降低步骤包括折叠至少一部分所述内容器。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述折叠步骤减少所述内容器的体积。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述降低步骤包括降低所述内容器。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法用于清洗和干燥衬底，其中所述导入步骤导入清洗流体，以及其中所述方法还包括在所述降低步骤期间向所述腔室内通入干燥气体并允许所述干燥气体与附着在所述层叠面上方的所述衬底的流体接触。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述干燥气体降低附着在所述层叠面上方的所述衬底的所述流体的所述表面张力。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述干燥气体使附着在所述层叠面上方的所述衬底的所述流体产生马兰格尼流动。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述干燥气体包括异丙醇。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述腔室包括出口，以及其中所述方法还包括在所述降低步骤之前，向所述腔室中引入置换气体以通过所述出口将氧气清除出所述腔室的步骤。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述引入步骤包括引入包含氩气的第一置换气体和接着引入包含氮气的第二置换气体。
21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述降低步骤以约0.5-10mm/sec的速率降低所述层叠面。
22.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述降低步骤以约1-2mm/sec的速率降低所述层叠面。
23.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括将兆频超声波能导入所述工艺流体的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述导入步骤在所述工艺流体内形成兆频超声波能带，以及其中所述方法还包括相对所述晶片衬底的高度降低所述兆频超声波能的步骤。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述将兆频超声波能导入所述工艺流体的步骤包括从与所述边缘连接的至少一兆频超声波换能器发射兆频超声波能，以及其中所述降低边缘的步骤使所述兆频超声波能带相对于所述晶片衬底的高度降低。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述降低步骤以约30mm/sec或更小的速率降低层叠面。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述降低步骤以约8-30mm/sec之间的速率降低层叠面。
28.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述导入和降低步骤在不使所述晶片衬底从所述腔室移开的情况下实施。
全文摘要
本发明描述了一种用于干燥衬底的系统，该系统包括腔室和设置在该腔室内的具有上边缘的内容器。工艺流体被导入该内容器并允许在该上边缘上成瀑布流下。使该内容器的上边缘降低从而降低该衬底表面上的层叠面，同时干燥蒸汽进入该腔室。随着该层叠面在该衬底表面降低，该衬底表面暴露在该干燥蒸汽中。兆频超声波能可以引导入该内容器中采用边界层减薄处理以加快干燥。
文档编号F26B3/00GK1965388SQ200580006137
公开日2007年5月16日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月27日
发明者埃里克·汉森 申请人:应用材料股份有限公司