CN101107490A - 在单基板处理期间从基板中去除微量液体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在单晶片处理舱中通过在基板接触可旋转支承件的那些区域处提供毛细材料来干燥基板的装置和方法。毛细材料用毛细力吸取留在基板和支承件之间接触区域的任何液体，由此降低基板的边缘排除区并提高成品率。在一个方面，本发明的装置包括：含有夹具的可旋转支承件，用于通过仅接触基板的周边区域来将基板支承为基本水平定向；包含一个或多个接触面的夹具，其中这些接触面包含毛细材料。

Description

在单基板处理期间从基板中去除微量液体的装置和方法
本发明的技术领域
本发明涉及在设备制造期间用于干燥物体，尤其是干燥硅晶片基板、平板显示器基板以及必须被清洁、冲洗并干燥的其他类基板的装置和工艺。本发明尤其涉及在集成电路制造期间从硅晶片基板中去除残量液体。然而，本发明也能应用于未加工晶片、引线框、医疗设备、磁盘和磁头、平板显示器、微电子掩模的制造以及在处理期间要求高水平清洁和/或干燥的其他应用场合。
发明背景
在半导体制造中，在薄盘状基板上生产半导体器件。通常，每张基板都含有多个半导体器件。在任何单张基板上能生产出的半导体器件的精确数目取决于该基板的尺寸以及要在其上生产的半导体器件的尺寸。然而，半导体器件已经变得越来越小型化。小型化的结果是在任何给定面积内能生产出的半导体器件的数目更多，从而使得每张基板的表面积所具有的价值越来越高。
在半导体器件的生产过程中，基板在最终生产出可行的产品之前需要经历多道处理步骤。这些处理步骤包括：化学蚀刻、晶片研磨、光刻胶清除以及掩模。这些步骤典型地在工艺槽内进行并且通常要求每张基板在处理期间经历多个循环的清洁、冲洗和干燥，以便从基板中清除可能导致污染并引发器件损坏的微粒。然而，这些冲洗和干燥步骤可能带来由其本身导致的额外问题。
一个主要问题是在冲洗(或将基板暴露在液体中的任何其他处理步骤)之后本应将液体从基板中完全去除的干燥步骤的失效。本领域普通技术人员周知的是由有液滴残留的晶片区域生产出的那些半导体器件失效可能性要大得多。于是，为了每张基板中功能合格的器件的成品率，就必须尽可能完全地从基板表面中去除所有液体。
已经发明出极为复杂的系统和方法以尽快并且尽可能地干燥这些基板。然而，由于现有技术的干燥系统和方法的种种不足，就不可能有效且经济地从基板表面去除所有的液体痕迹。当将基板置于槽内用于处理时，通常由嵌在工艺槽内部的可以是载体或者载物件的支承设备来将基板支承在直立位置。从基板与支承设备相接触的区域中快速有效地去除痕量水是本领域内公认的一大问题。因此，基板的某些有价值的部分会由于本领域内已知的“边缘排除”而被浪费，其中术语“边缘排除”指的是接近边缘而无法被完全干燥并且必须放弃的那一部分基板。因为半导体器件变得越来越小型化，所以“边缘排除”区域也变得越来越有价值，因为若不是残量液体导致的水渍，这些区域本可以生产更多数量的功能器件。
已经为改善干燥器系统和干燥方法做出了许多尝试，以便能够通过完全干燥晶片基板来免除边缘排除的必要。然而，这些方法都无法直接有效地解决上述问题。
例如，Mohindra等人的美国专利第5,571,337号教示了一种向部分完成的半导体边缘脉冲发出诸如氮气的干燥流体以从边缘中去除液体的方法。应用Mohindra的工艺会导致接触点处液体的蒸发。因为会使得原本在水中存有的微粒或杂质遗留下来从而降低成品率，所以蒸发是不合需要的。此外，执行Mohindra工艺所需的设备是昂贵而笨重的。
McConnell等人的美国专利第4,984,597号教示了使用大量IPA代替水并增强干燥。然而，这一工艺需要特制的槽以及精密的支承设备以安全处理并使用IPA。此外，McConnell的工艺由于使用了大量的IPA因而成本很高。
第三种干燥系统是由在Munakata在美国专利第6,125,554号中所教示的。Munakata教示了一种用于干燥基板的系统，该系统包括具有凹槽的搁架，来将基板支承在垂直位置。基板由搁架的凹槽接触并支承。每个凹槽都具有接近该凹槽的孔，这些孔能够将凹槽接触点附近附着在基板上的水吸入孔内。这一系统要求额外的设备来形成每一凹槽处的真空力，并且搁架内的开孔和空腔会因为气泡和捕获微粒而在液体填充工艺槽中引起一些问题。此外，Munakata使用的搁架很昂贵并且难以生产。
已经提出了许多其他的系统和方法用来尝试以清洁、低成本并省时的方式解决由于无法有效从基板边缘和干燥器支承设备之间接触点中去除水份而导致的边缘排除问题，但是这些方法都无法完全解决这一问题。
最近，用于一次性处理单基板的方法和系统已得到广泛使用。这一系统的一个示例在Bran的美国专利第6,295,999号中有所公开。这些系统和方法来将基板支承为水平定向并且在处理期间旋转该基板。这些单基板装置和处理方法遭受的问题与以上讨论的、有关边缘排除和不充分干燥的问题相同。
发明概述
因此本发明的一个目标是提供一种更快的干燥高价值物品(诸如基板)的方法。
本发明的另一个目标是提供一种更划算的干燥高价值物品的方法。
本发明的又一个目标是降低或免除存在于支承结构和带干燥物品之间接触点处的边缘排除问题。
再一个目标是改善硅晶片的高价值集成电路的成品率。
本发明的另一个目标是将降低对大量昂贵的干燥化学制品的需要。
本发明的又一个目标是根据前述目标提供干燥单基板的装置和方法。
本发明的其他目标和优点将在随后的描述中阐明，并且在本领域普通技术人员考察了随后的描述或从本发明的实践中有所领悟之后将变得显而易见。本发明的目标和优点将通过由权利要求书具体指出的那些手段及其组合而被认识和获取。
在一个方面，本发明是一种用于干燥至少一张基板的装置，该装置包括：含有夹具的可旋转支承件，用于通过仅接触基板的周边区域来将基板支承为基本水平定向；夹具，包括接触并支承基板的周边区域的一个或多个接触面；并且其中一个或多个接触面包含毛细材料。
优选地，该夹具适于通过排外地接触毛细材料来支承基板的周边区域。构造该夹具使得在含有毛细材料的基板周边区域与夹具之间的所有接触面都有助于确保留在基板和夹具之间的所有液体被吸入毛细材料并离开基板，由此改善干燥并降低边缘排除。
在一个实施例中，该夹具完全由毛细材料构成。可选地，该夹具能够包括从接触面的毛细材料中伸出并贯穿该夹具的毛细材料通道。该毛细材料通道允许将液体向外吸出基板。支承件的旋转使得离心力将已被吸入通道的液体向外流过该通道。
虽然毛细材料可以是能通过使用毛细力吸取液体的任何材料，但是较佳的毛细材料是蜂窝状毛细材料，诸如多孔氟聚物或多孔聚丙烯(“PP”)。
为了在旋转期间保持基板就位，该装置可以包括用于将基板固定至夹具的一个或多个夹钳。在此实施例中，一个或多个夹钳将优选地具有在旋转期间接触并固定基板的接合面。最为优选地，这些夹钳的接合面也含有毛细材料。
在一个实施例中，夹具可以包括从夹具内表面中伸出的凸缘。在此实施例中，该凸缘夹具内部上形成一阶梯状凹槽，该凹槽具有底板和从底板中向上伸出的壁。当在夹具上放置一基板时，凹槽的底板接触该基板周边区域的底面而垂直壁则接触该基板的边缘。于是在此实施例中，是凹槽的底板和壁起接触面的作用并由毛细材料构成。
若有需要的话，可提供从凹槽的壁和底板的毛细材料中伸出并贯穿该夹具的至少一个毛细材料通道。在此实施例中，毛细材料通道优选地终止于夹具外表面的露出面。
夹具优选地为一基本呈环形的夹具。该装置还包括可旋转支承件被放置其中的处理舱。该装置还可包括设置用来向置于可旋转支承件上的基板施加弯液面干燥流体的干燥流体源。
在另一个方面，本发明可以是一种用于干燥至少一张基板的装置，该装置包括：具有从内表面突出的凸缘的可旋转支承件，该凸缘在夹具内形成具有底板和从底板中向上伸出的壁的阶梯状凹槽；其中该阶梯状凹槽的尺寸和形状适于容纳基板，使得该凹槽的底板与该基板周边区域的底面相接触而垂直壁则与该基板的边缘相接触；并且，其中当基板由夹具支承时与该基板周边区域相接触的底板和壁的所有表面都含有毛细材料。
在再一个方面，本发明可以是一种用于干燥至少一张基板的装置，该装置包括：可旋转支承件，该支承件具有适于与基板周边区域相接触并将基板支承为基本水平定向的至少一个夹具；在一个或多个接触面处与夹具相接触的基板的周边区域；并且其中接触面包含毛细材料。在此实施例中，适于接触并支承基板周边区域的夹具可以是部分分段环或者足以在其周边支承该基本的其他结构。
在又一个方面，本发明是一种干燥基板的方法，该方法包括：提供包含夹具的可旋转支承件，通过仅接触基板的周边区域将基板支承为基本水平定向；在可旋转支承件上接触湿基板使得仅有基板的周边部分与夹具相接触，其中与基板相接触的夹具的所有表面都包含毛细材料；旋转该夹具以便从基板中去除大部分液体；并且，其中基板中残留的液体被吸入毛细材料而离开基板。
在又一个方面，本发明可以是一种干燥基板的方法，该方法包括：提供具有可旋转支承件的处理舱，其中可旋转支承件包含一基本呈环形的夹具；在可旋转支承件上支承湿基板使得基板的周边部分在一个或多个接触面与基本呈环形的夹具相接触，该基板由基本呈环形的夹具支承为基本水平定向，该接触面包含毛细材料；旋转该可旋转支承件以便从基板中去除大部分液体；并且用毛细材料从基板中吸取残留的液体。
这些方法还可以包括在旋转阶段期间对基板施加干燥液体的步骤。干燥液体可以是异丙醇而毛细材料可以是多孔氟聚物或多孔PP。与上述装置一样，本发明的方法不限于用具有环形夹具的支承件来实施，而是也可以用适于接触基板的周边区域并将基板支承为基本水平定向的任何夹具来实施。
本申请的发明方法可以结合多种半导体处理步骤一并使用，这些步骤包括蚀刻、冲洗以及清除。在许多情况下，可以顺序执行所有这些步骤而无需将基板从本发明的装置中移出。
附图简述
图1是根据本发明一个实施例的支承一晶片的单晶片干燥系统的横截面示意图。
图2是图1所示单晶片干燥系统的可旋转支承件的俯视图。
图3是其上带有支承晶片的图1所示单晶片干燥系统的可旋转支承件的俯视图。
图4是去除晶片并示出沿着支承件的环形夹具的横截面的细节的、图1所示III-III区域的详视图。
图5是示出了沿着支承件的环形夹具的横截面的细节并支承一晶片的、图1所示III-III区域的详视图。
图6是示出了沿着该支承件的环形夹具的横截面的细节以及固定晶片就位的夹钳的、图1所示III-III区域的详视图。
本发明的实施方式
各附图和以下说明描述了仅用于说明的目的的本发明的各实施例。本领域普通技术人员从以下讨论中将容易地认识到可以利用在此所示结构和方法的其他实施例而不背离本发明的原理。
随着半导体晶片尺寸的增加，不采用一次清洁一盒晶片，而采用一次清洁单张晶片的清洁装置和方法更为可行且花销更小。
参见图1。示出了根据本发明一个实施例的基板干燥系统100。干燥系统100包括用于支承单半导体晶片106呈基本水平定向的可旋转支承件108。可旋转支承件108设置在由壁101限定的处理舱104内。设置喷嘴201用于在需要时向晶片106施加处理流体，诸如清洁流体、清除流体和/或干燥流体。
可旋转支承件108包括环形夹具108a、多个轮轴108b、轮毂108c以及轴110。环形夹具108a由多个轮轴108b支承，而多个轮轴108b又都连至轮毂108c。轮毂108c则由轴110支承。轴110延伸通过处理舱104的底壁101。可以围绕轴110添加O形环或其他密封装置以密封处理舱104的底壁101。在处理舱104之外，该轴110与电动机112相连接，以便在加工处理期间整个支承件108和晶片106都可在需要时旋转。轴110与电动机112的机械/可操作连接以及在晶片加工处理期间电动机112的操作都属于本领域普通技术人员所知的范围内。
现参考图2，示出了可旋转支承件108的顶视图。如图所示，环形夹具108a大致呈环形。然而本发明不限于此，并且该夹具可以具有任何期望的形状，包括但不限于椭圆形、正方形、矩形或三角形。精确的形状将由它要支承的基本形状来确定。此外，该夹具不必一定是固态单结构，而可以是适于仅与基板围绕其圆周的周边区域的小部分在间歇点处相接合的、多个被截顶的片段，诸如分段环形夹具等。
在环形夹具108a的顶面113上设有三个夹钳200，用于在旋转和加工处理期间接合并固定晶片106。在环形夹具108a的顶面113上所设的三个夹钳200彼此间隔约120°。
现参考图4，环形夹具108a包括底面124、外表面125、内表面126和顶面113。外表面125构成环形夹具108a的外部圆周/周边，而内表面126则构成环形夹具108a的内部圆周/周边。内表面126由从环形夹具108a主体向内突出的凸缘部分127之壁形成。
凸缘127在环形夹具108a的顶内部分形成了阶梯状凹槽120。该阶梯状凹槽120围绕环形夹具108a的整个内圆周延伸。阶梯状凹槽包括底板121和从底板121中向上伸出的垂直壁122。凹槽120的底板121形成了其上搁置晶片106底面周边区域的横档。垂直壁122用作旋转期间禁止晶片106实质水平移动的限制装置。如下将详细讨论本发明主要考虑的环形夹具108a的构造材料。
现参见图3，当晶片106加载在可旋转支承件108上时，夹钳200则位于不突出的打开位置(未示出)。随后在上面对齐晶片106并将其向下放置在环形夹具108a上从而使得晶片106的周边区域搁在凹槽120内。于是，晶片106周边区域的底面就搁在凹槽120的底板121上而晶片106的边缘作与凹槽的垂直壁122相接触。晶片106的大部分不与支承件108的任何部分相接触。如下将详细讨论在环形夹具108a上放置晶片106以及它们之间的接触。
一旦晶片106在环形夹具108a上就位，夹钳200就移至关闭位置(已示出)，使得夹钳200的夹子210在晶片106周边区域的顶面106c之上。夹子210在围绕晶片106周边区域的三个位置处按压晶片106的顶面106c，由此固定晶片106就位以供加工处理。
虽然示出了用于就地固定晶片106的夹钳200，但是本发明不限于此。例如还可使用其他的装置，诸如闩锁、紧固组件、底板121上用于形成基片边缘可在其中滑动配合的凹口的上横档或者吸入组件。实际上，在本发明的某些实施例中根本无需使用任何装置来保持晶片106的就位。
再回过来参见图4，构造环形夹具108a具有毛细材料117(示出为点状材料)与非毛细材料118(示出为带斜线的材料)的组合。在此使用的“毛细材料”是在毛细力的作用下能够吸取液体的任何材料，可以是带气孔/空腔的闭孔材料也可以是在物质间带间隔/空隙的开孔材料。材料可以是固有的毛细材料或者是可以变化为毛细材料的可变材料，例如通过使材料多孔。在此使用的“非毛细材料”是用毛细力无法呈现显著吸取液体能力的任何材料，并且不是开孔材料或闭孔材料。
优选地，毛细材料是蜂窝状毛细材料。在本发明实践中可以使用的蜂窝状毛细材料的适当示例是多孔氟聚物，诸如聚四氟乙烯(“PTFE”)和PVDF。多孔PP也是合适的蜂窝状毛细材料。当使用多孔PP时，可接受的气孔尺寸范围是125至170微米。气孔在多孔PP中所占体积的可接受范围在35％至50％之间。这就意味着多孔PP中35％至50％的体积是敞开空间的。虽然多孔PP和多孔PTFE是用于本发明的较佳蜂窝状毛细材料，但是本领域普通技术人员应该理解，术语“毛细材料”包含范围要广得多的材料，它可包括未知或未被发现的材料，只要这些材料呈现用毛细力吸取液体现象的能力即可。合适的非毛细材料的示例包括非多孔氟聚物，诸如PP、PTFE和PVDF。
阶梯状凹槽120的底板121和垂直壁122由蜂窝状毛细材料117构成。环形夹具108a的蜂窝状毛细材料117形成了从底板121和壁121伸出并且贯穿环形夹具108a的非毛细材料118的通道131。该通道131在环形夹具108a外表面125处终止，从而使毛细材料露在外表面125上。
现参见图5，当将晶片106放置在环形夹具108a上以供加工处理时，仅有晶片106的底面106a的周边区域搁在凹槽120的底板121上。晶片106的边缘106b与壁122相接触。因为底板121和壁122由毛细材料117构成，所以当晶片106由环形夹具108a支承时，晶片106单独地仅与毛细材料117相接触。当晶片106由其支承时，在此使用的与晶片106相接触的支承件108的表面可被称为接触面。
通过构造出毛细材料117的环形夹具108a的接触面(即，在此实施例中的底板121和壁122)，留在晶片106和接触面之间的液体将被毛细材料117吸入并离开晶片106，由此可完全干燥晶片106并降低和/或形成边缘排除。
提供贯穿环形夹具108a的毛细材料通道131就能允许被吸入蜂窝状毛细材料117的液体在支承件108旋转期间由离心力经通道131向外推出而离开晶片106。这是有利的，因为它执行了将留在毛细材料117中的微粒和污染物从晶片106中移出的清洗功能。此外，通道131允许毛细材料117排水，由此干燥该毛细材料以使其不会因为变得饱和而无法执行毛细干燥功能以及作为接触面。
在一个可选实施例中，环形夹具108a可完全由毛细材料117构成，只要被选的毛细材料能够提供在加工处理期间支承晶片106的足够硬度即可。
现参见图6，还可以构造每个夹钳200的夹子210的底面/底部以使得夹子210与晶片106的顶面106c相接触/接合的表面由毛细材料117构造。当完成这一构造时，支承件108的所有接触面(图1)都由毛细材料构造，由此就有助于消除液体留在晶片106周边区域的任何表面与支承件108之间的可能性。
如下将讨论一种根据本发明一实施例的干燥方法。首先，如图1至图5所示，在加工处理和/或冲洗之后将晶片106放置在支承件108内。晶片106在加工处理和/或冲洗程序期间可以由支承件108支承或未由其支承。随后以所需的旋转速度旋转晶片106，使离心力将晶片106表面上在处理程序中残留的大多数液体去除。可选地，此时可以经由喷嘴201将诸如异丙醇的干燥流体施加到晶片106的表面上。如上所述，可能围绕着晶片106的周边区域在支承件108和晶片106的接触面之间留有少量的液体。然而，因为支承件108的所有接触面都由毛细材料117构成，所以残留的液体将被吸入毛细材料117而离开晶片106，由此就能完全干燥晶片106。作用在毛细材料117上的离心力将迫使被吸入通道131的液体向外通过通道131并从露在夹具108a的外表面125上的毛细材料117中排出。这有助于确保毛细材料维持低饱和水平并能在需要时吸取液体。
可以在加工处理和/或干燥程序期间通过上盖或其他保护处理舱104免受外部环境伤害的途径来密封处理舱104。
虽然已经详细描述并示出了本发明，但是各种改变和修改对本领域普通技术人员而言将变得显而易见并且不背离本发明的精神和范围。更具体地说，本发明的装置和方法不限于去除冲洗步骤之后的DI水份，而是能够用于从基板中去除任何液体。

Claims (20)

1.一种用于干燥至少一张基板的装置，包括：
含有夹具的可旋转支承件，用于通过仅接触基板的周边区域来将基板支承为基本水平定向；
所述夹具包括接触并支承所述基板的周边区域的一个或多个接触面；并且
其中所述一个或多个接触面包含毛细材料。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于将所述基板固定至所述夹具的一个或多个夹钳，所述一个或多个夹钳具有在旋转期间接触所述基板并将所述基板固定至所述夹具的接合面，其中所述接合面包含毛细材料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹具是基本呈环形的夹具。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹具的接触面完全由所述毛细材料形成。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述夹具完全由所述毛细材料构造。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，对于每个接触面，所述夹具包含从所述接触面的毛细材料中伸出并贯穿所述夹具的毛细材料通道。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹具包括从所述夹具内表面中伸出的凸缘，所述凸缘形成具有底板和从底板中向上伸出的壁的阶梯状凹槽，并且当将基板放置在所述夹具上时，所述凹槽的底板接触所述基板周边区域的底面而所述垂直壁接触所述基板的边缘，构成所述接触面的所述底板和壁包含所述毛细材料。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括从所述凹槽的接触面的毛细材料中伸出并贯穿所述夹具的至少一个毛细材料通道。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述毛细材料通道具有在所述夹具外部上的露出面。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括从所述接触面的毛细材料中伸出并贯穿所述夹具的至少一个毛细材料通道。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述夹具是包括从环形夹具内表面中伸出的凸缘的环形夹具，所述凸缘形成具有底板和从底板中向上伸出的壁的阶梯状凹槽；
当将基板放置在所述夹具上时，所述凹槽的底板接触所述基板周边区域的底面而所述垂直壁接触所述基板的边缘，构成所述接触面的所述底板和壁含有所述毛细材料；以及
由所述毛细材料构成的通道从所述接触面的毛细材料中伸出、贯穿所述夹具直至所述环形夹具的外表面。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括处理舱，所述可旋转支承件被放置在所述处理舱内。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，还包括设置用来向被置于所述可旋转支承件上的基板施加弯液面干燥流体的干燥流体源。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述毛细材料是蜂窝状毛细材料。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述蜂窝状毛细材料是多孔氟聚物或PP。
16.一种用于干燥至少一张基板的装置，包括：
具有从内表面中突出的凸缘的可旋转支承件，所述凸缘在所述夹具内形成具有底板和从所述底板中向上伸出的壁的阶梯状凹槽；
其中，所述阶梯状凹槽的尺寸和形状被制成适于容纳基板，使所述凹槽的底板与所述基板周边区域的底面相接触而所述垂直壁与所述基板的边缘相接触；并且
在所述基板由所述夹具支承时与所述基板周边区域相接触的底板和壁的所有表面都含有毛细材料。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述夹具是环形的。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述夹具包括从与所述基板周边区域相接触的所述底板和壁的表面中伸出直至夹具外表面的毛细材料通道，所述通道延伸贯穿非毛细材料。
19.一种干燥基板的方法，包括：
提供含有夹具的可旋转支承件，用于通过仅接触基板的周边区域来将基板支承为基本水平定向；
在所述可旋转支承件上支承湿基板使所述基板的仅周边部分与所述夹具相接触，其中与所述基板相接触的夹具的所有表面都包含毛细材料；
旋转所述夹具以从所述基板中去除大部分液体；并且
其中所述基板中残留的液体被吸入所述毛细材料而离开所述基板。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述夹具包括从所述接触面的毛细材料中伸出并贯穿所述夹具的至少一个毛细材料通道，并且在所述夹具旋转期间，所述通道内的液体由离心力从所述接触面的毛细材料中吸出。
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