CN102349135B - 移除颗粒污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
用于从衬底表面移除颗粒污染物的装置和方法，包括在所述表面涂覆粘弹性材料层。所述粘弹性材料涂覆为薄膜并显示实质的液体状特征。施加外力到涂覆有所述粘弹性材料的第一区域，以便涂覆有所述粘弹性材料的第二区域基本不受所施加力的作用。施加力的持续时间短于所述粘弹性材料的本征时间以便达到粘弹性材料的固体特征。显示固体状特征的所述粘弹性材料至少部分地与所述表面上存在的所述颗粒污染物中的至少一些相互作用。当所述粘弹性材料显示固体状特征时，所述粘弹性材料和所述颗粒污染物中至少一些一起从所述表面的所述第一区域被移除。
Description
本发明涉及申请号为12/131,654的美国专利申请(代理人Docket No.LAM2P628A)，其申请日为2008年6月2日，名称为“MATERIALS FOR PARTICLE REMOVAL BY SINGLE-PHASEAND TWO-PHASE MEDIA”，也涉及申请号为12/165,577的美国专利申请(代理人Docket No.LAM2P638)，其申请日为2008年6月30日，名称为“SINGLE SUBSTRATE PROCESSING HEAD FORPARTICLE REMOVAL USING LOW VISCOSITY FLUID”。本申请也涉及申请号为12/262,094的美国专利申请(代理人Docket No.LAM2P646)，其申请日为2008年10月30日，名称为“ACOUSTICASSISTED SINGLE WAFER WET CLEAN FORSEMICONDUCTOR WAFER PROCESS”。合并上述专利申请到本申请作为参考。
技术领域
本发明大体涉及诸如半导体衬底之类的固体表面的清洁，并且尤其涉及利用外力达到(access)液体清洁介质的固体状特征以在制造工艺之后清洁半导体衬底的方法和装置。
背景技术
本领域众所周知，固体表面经历制造工序后，其上会留下不需要的瑕疵和颗粒污染物，因而需要清洁和干燥。例如这样的制造工序的例子包括等离子刻蚀(例如，通过刻蚀或凹刻蚀用于铜双道金属镶嵌应用)和化学机械抛光(CMP)。在每道制造工序后，使用了各种清洁方法来移除衬底表面不想要的瑕疵，某些清洁方法牵涉到选择具有化学结构的液体介质，这种化学结构能与颗粒污染物至少部分结合或相互作用并快速地将液体介质连同微粒污染物移除。
其他方法仍牵涉到液体介质的选择，大体上施加液体介质覆盖至少一部分衬底，通过液体介质传播声能量并使用声能量从衬底表面移除颗粒。通过液体介质传播声能量能使清洁首要地贯穿于空穴效应(cavitation)、超微束效应(microstreaming)以及当化学物质被用于液体介质时的化学反应增强作用。空穴效应是在声音振动作用下来自于液体介质里溶解气体的微观气泡的迅速形成并破裂。气泡一旦破裂就会释放能量，来自气泡破裂的能量通过让颗粒附着于衬底的各种粘附力的消散而协助移除颗粒。声学超微束效应是高频振动下通过液体介质的声波传播的速率梯度引发的液体运动。声能提供促进液体介质中化学作用的激活能量。
因为形成于衬底表面上特征的关键尺寸持续减小，所以具有可与特征关键尺寸相当的尺寸的亚微米颗粒数量增加。由于亚微米颗粒的关键尺寸，所以总是需要改进清洁技术，以基本清洁衬底表面但不损坏形成于衬底上的特征，以便由所述制造方法生产的器件产量不受损害。
本发明的实施方式出现在上下文中。
发明内容
一般说来，本发明通过提供清洁机构填补了这些需要，该清洁机构能够以可控且有效的方式提供外力，以便使施加于衬底表面的液体介质达到固体状特征，该衬底表面比如半导体衬底表面。应该领会到，本发明能够以多种方式实现，包括方法、装置或系统。以下描述了几种本发明的创造性的实施方式。
在一种实施方式中，提供了清洗衬底(比如半导体衬底)表面颗粒的方法。该方法包括将液体一样的粘弹性材料涂覆在该表面成为薄膜。施加外力到涂覆有该粘弹性材料表面的第一区域，使得涂覆有该粘弹性材料的该表面的第二区域基本上没有受到所施加的外力的作用。施加外力持续的时间要短于该粘弹性材料的本征时间(intrinsic time)。该外力的短暂施加足够能使该粘弹性材料显示固体状特征。然后，在施加力期间该粘弹性材料持续显示为固体状特征时，将该粘弹性材料与该颗粒中的至少一些从该表面的第一区域范围的一同被移除，导致相当干净表面。当从该第一区域的该范围移除粘弹性材料时，第二区域的粘弹性材料持续显示为液体状特征。
在另一实施方式中，提供了用于清洁衬底表面的颗粒移除机构。该颗粒移除机构包括托持衬底以将衬底清洁的载架机构、分配头、力施加头和冲洗头。载架机构被配置为沿着轴接收、托持并运输衬底。分配头被配置为在衬底表面涂覆粘弹性材料成为液体薄膜。力施加头被配置为提供力于涂覆有粘弹性材料的弯液面的表面的第一区域。施加力到粘弹性材料的持续施加短于粘弹性材料的本征时间，以便能达到粘弹性材料的易于将其移除的固体状特征。冲洗头被配置为在施加外力时提供液体化学物作为冲洗弯液面，并且将液体化学物、粘弹性材料以及颗粒中的至少一些从所述表面的第一区域移除。在移除第一区域范围的粘弹性材料期间，第二区域的粘弹性材料持续显示为液体状特征。
在另一实施方式中，提供了为从衬底表面移除颗粒的颗粒移除机构。该颗粒移除机构包括：容纳作为液体介质的粘弹性物质的容器，接收、支持和托持在该容器里的衬底以便在所述表面上提供粘弹性材料的薄层的载架机构。所包括的力施加机构提供力到涂覆有粘弹性材料的表面的第一区域，使得涂覆有粘弹性材料的衬底的第二区域基本上不受该施加力的作用。该施加力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间，以便能达到该粘弹性材料的固体状特征。力施加机构也可以被配置为在施加所述力时并且所述粘弹性材料持续显示为固体状特征时，将所述粘弹性材料和颗粒污染物中的至少一些从涂覆有粘弹性材料的所述表面上的第一区域范围移除。在移除该第一区域的该范围的粘弹性材料期间，第二区域的粘弹性材料持续显示为液体状特征。产生的表面在保留形成于衬底上特征的同时基本上是干净的。
通过达到粘弹性材料的固体状特征，粘弹性材料作为在粘弹性膜衬底界面的单件被移除，留下了基本干净的表面。该方法允许彻底地移除粘弹性材料和包含于粘弹性材料的颗粒，因此使留下的污染物的残余数量最小。本发明的实施方式依赖于粘弹性材料被施加到衬底表面时以及在最后的冲洗步骤中其液体状特征，并且，依赖于当从该表面移除所述颗粒和粘弹性材料时粘弹性材料的固体状特征。液体状特征能弄湿表面形貌(topography)，而固体状特征能与将被移除的颗粒中的至少一些结合或相互作用并便于容易且彻底地从表面移除。此方法对清洁衬底的表面有效果而且有效率。
从下面的详细说明、结合附图、通过示例的形式阐明了本发明的原理，本发明的其他方面和优点将变得明显。
附图说明
结合附图通过以下详细说明本发明将容易理解，为帮助说明，相同的数字指的是相同的结构元件。
图1A示出了在本发明的一个实施方式中，使用推力的颗粒移除机构的简化框图的侧视图。
图1B示出了在本发明可替换的实施方式中，使用拉力的颗粒移除机构的简化框图的侧视图。
图1C示出了在本发明的一个实施方式中，带有在冲洗头前缘的延伸垫片的颗粒移除机构的简化框图的侧视图。
图2A示出了依照本发明的一个实施方式的简化框图，其中力施加头与分配头结合，其后跟有冲洗头。
图2B示出了依照本发明的一个可替换实施方式的简化框图，分配头后跟有结合的力施加头与冲洗头。
图3A示出了本发明一个实施方式中衬底表面清洁机构的简化框图，该机构提供声能达到粘弹性材料的固体状特征。
图3B示出了图3A所示衬底表面清洁机构的部分爆炸图。
图4A示出了本发明一个实施方式中，使用振动移除颗粒污染物的可替换实施方式的侧视图，
图4B示出了图4A所示实施方式的俯视图。
图5示出了在本发明的一个实施方式中，提供外力以达到粘弹性材料固体状特征的操作流程图。
具体实施方式
现在描述几个从衬底表面有效地移除颗粒污染物的实施方式，但对本领域的技术人员来说很明显，该方法可以在这些具体细节的没有某些或全部的情况下就可以实践本发明。另外的情况是，为了避免不必要地模糊本发明，公知的工艺操作没有做详细描述。
本发明的实施方式给出了使用粘弹性材料并提供外力以达到粘弹性材料的固体状特征进而清洁衬底表面的颗粒移除机构。所选粘弹性材料使得所选材料的化学结构能与将要从表面移除的颗粒污染物中的至少一些结合或相互作用。将粘弹性材料涂在所述表面上作为液体薄膜，并施加外力到涂覆有粘弹性材料表面的第一区域，使得涂覆有粘弹性材料表面的第二区域基本不受外力作用。施加该外力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间以便在第一区域范围达到粘弹性材料的固体状特征。施加外力并且该材料仍然显示为固体状特征期间，第一区域的粘弹性材料连同颗粒中的至少一些被移除。在移除第一区域范围的粘弹性材料期间，第二区域的粘弹性材料持续显示为液体状特征。产生的衬底基本上是干净的，粘弹性材料的固体状特征能使该材料容易且彻底地移除。
本发明的实施方式提供了有效果且有效率的从表面移除颗粒的机构。可以通过达到(access)粘弹性材料的固体特征从这些实施方式受益的一些衬底包括用于半导体的硅衬底、平板显示器、太阳能或成像传感器应用表面。达到粘弹性材料的弹性或刚性性质能容易地移除材料而不破坏特征，因此提高了形成于所述表面上的电子装置(半导体装置)的产量，比如半导体衬底的产量。当施加粘弹性材料于衬底表面和最后的冲洗步骤时，本发明的实施方式依赖于粘弹性材料被施加到所述衬底的表面时以及在最后的清洗步骤中其液体状特征；并且依赖于从表面移除颗粒和粘弹性材料时，粘弹性材料的固体状特征。本领域众所周知，由于制造和清洁工艺使用化学物，衬底上留下了大多数污染物。因此，通过达到固体状特征，该实施方式保证了粘弹性材料的彻底清除因此显著地减少了清洁工艺留下的污染物的数量，比如粘弹性材料的数量。因此，该实施方式提供了有效果且有效率的清洁工艺。
应该注意到可以施加外力于粘弹性材料分配过程期间、在粘弹性材料分配过程和冲洗过程之间、冲洗过程期间或前述的组合。当前实施方式的颗粒移除构思能获得粘弹性材料的弹性的或固体状的性质，该性质发生于力的施加时间短于材料的本征时间时。在该弹性支配区域，从粘弹性材料传到表面上的颗粒污染物的力是充分和有效的，足以克服颗粒到表面的粘附并成功地从表面将颗粒分离。这导致利用较少的力去高效地克服颗粒到表面的粘附并成功地从表面分离颗粒。一旦克服了颗粒到表面的粘附，冲洗过程就会从表面移除该材料和颗粒中的至少一些。可以看出，颗粒移除能发生在粘弹性材料分配之后但在完全的冲洗过程之前的任何时候。结果是，在一些实施方式中先于冲洗过程施加该力，而在一些其他的实施方式中在冲洗过程期间施加该力。
所选粘弹性材料具有这样的化学结构，其能与颗粒至少部分结合或互相作用。在一些实施方式中，粘弹性材料可以是长链聚合物。当施加力到粘弹性材料时，该粘弹性材料在施加力的位置开始显示为固体状特征。固体状特征能使材料容易地从衬底表面脱落。粘弹性材料不限于长链聚合物，还可以包括悬浮液、蠕虫状胶团、表面活性剂、磁流变溶液或电流变溶液，以及其他粘弹性固体，比如橡胶、凝胶剂、粘合剂和前述物的组合。
有了以上对施加外力达到液体介质的固体状特征的大体理解，比如粘弹性材料，以各附图为参考，现在开始详细描述本发明的不同实施方式。
图1A示出了颗粒移除机构的简化框图的侧视图。该颗粒移除机构包括载架机构(未示出)、分配头105、力施加头115和冲洗头125。载架机构被配置为沿着轴接收、托持和运输衬底100，比如半导体衬底。载架机构可以是任何本领域公知的惯用载架机构或者提供惯用载架机构功能的任何其他新机构。分配头105被配置为涂覆清洗化学物比如粘弹性材料到衬底100的表面作为薄膜弯液面。所选粘弹性材料具有与衬底100表面上的多数颗粒污染物中的至少一些结合或相互作用的化学结构。粘弹性材料被施加到衬底100的表面时，其显示为实质的液体状特征。
力施加头115被配置为施加外力到涂覆有粘弹性材料表面的第一区域。外力的施加使得涂覆有粘弹性材料表面的第二区域基本上不受该外力的作用。在一个实施方式中，涂覆有粘弹性材料的第一区域远离分配入口，第二区域接近于分配头的分配入口。在施加外力的第一区域创建弹性支配区域110。一直到弹性支配区域110粘弹性材料都显示为液体状特征116-a。当显示为液体状特征时，该材料能被容易地施加在表面上并且随后从表面将其冲洗。在弹性支配区域110，来自力的能量引起粘弹性材料里发生脉动。这时候，粘弹性材料开始显示固体状特征116-b，所以拽拉材料并将其从表面剥落是容易的。显示为固体状特征的粘弹性材料至少部分地与表面上的颗粒污染物中的至少一些相互作用，并且至少部分地与颗粒污染物结合。当施加力期间，粘弹性材料持续显示为固体状特征，被结合的颗粒污染物连同粘弹性物质被从第一区域范围移除。在从第一区域移除粘弹性材料期间，在第二区域的粘弹性材料持续显示为液体状特征。因此，实施方式以不同工艺的模式(固体和液体)工作，每种工艺模式的成功利用产生了基本上干净的衬底100。
如图1A所示实施方式中，该外力是推力，其垂直地或以一角度冲击于晶片表面，其通过力施加头115提供于弹性支配区域110。该推力提供给粘弹性材料足够的能量以达到固体状特征。当粘弹性材料显示固体状特征期间，利用相同的推力将粘弹性材料从表面吹走从而移除第一区域范围的粘弹性材料。粘弹性材料至少带走了在清洁过程期间已经成功与粘弹性材料相互作用的颗粒污染物中的一些。
冲洗头125执行额外的冲洗使得形成的固体表面100是充分干净的。为此，冲洗头125被配置为供应液体或液体化学物作为冲洗弯液面以在清洁过程之后冲洗衬底表面，并且在成功的冲洗后移除该冲洗弯液面。
虽然上述实施方式描述了力施加头的使用，但力施加头是任选的。在一个实施方式中，颗粒移除机构可以包括施加粘弹性材料膜到衬底表面的分配头，其后为冲洗衬底表面的冲洗头。在这个实施方式中，冲洗头提供了能使粘弹性材料显示固体状特征以能将粘弹性材料和任何颗粒污染物从衬底表面容易清除所需的外力。
在另一实施方式中，外力是拉力，是垂直于晶片表面或者与晶片表面成一角度的方向远离晶片的力。图1B所示颗粒移除机构描绘了施加于衬底100表面拉力的工作方式。在此实施方式中，通过力施加头115提供诸如吸力之类的拉力于弹性支配区域110。该拉力提供足够的能量将粘弹性材料的液体状特征转变为固体状特征。除提供转变粘弹性材料性质的力外，该拉力被配置为在粘弹性材料持续显示为固体状特征时从衬底表面的弹性支配区域110移除粘弹性材料，从而产生了基本上干净的衬底表面。
在本发明的一个实施方式中，颗粒移除机构可以包括延伸垫片以将力的作用延伸到粘弹性材料上。图1C示出了具有结合在冲洗头125前缘上的延伸垫片128的颗粒移除机构。载架(未示出)分别沿着各个分配头105、力施加头115和冲洗头125下的轴接收、支持并运输衬底。因为衬底100在分配头和力施加头下移动，所以衬底表面会暴露于通过分配头105分配的粘弹性材料和通过力施加头115施加的外力。因为衬底100会继续沿着冲洗头125下面的轴移动，结合在冲洗头125前缘的延伸垫片128起隧道(tunnel)作用，并在冲洗头里产生将力的作用延伸到粘弹性材料上的“隧道效应”。通过在颗粒移除机构中冲洗头的前缘增加延伸垫片128，可以减少施加到粘弹性材料的力的量，同时提供与没有任何垫片时的力所产生的效果一样的效果。在没有提供延伸垫片的情况下，为了有效地移除相当数量的颗粒污染物，必须施加更大量的力到粘弹性材料。在一个实施方式中，延伸垫片位于使间隔128在进入冲洗弯液面前在粘弹性材料上产生延伸力作用的位置。
力施加头115可以与分配头105或冲洗头125中的任一个保持分开或结合。图2A示出了力施加头115与分配头105相结合的实施方式。在该实施方式中，力施加头115结合于分配头105的后缘由此形成结合头120。分配头105将粘弹性材料涂覆于衬底表面作为液体薄膜，力施加头115施加外力到涂覆有液体薄膜的衬底表面的第一区域，该第一区域定义弹性支配区域110。施加力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间。如果在弹性支配区域110缓慢地施加力，粘弹性材料将基本上保持为保留有液体状特征的液体。但是，如果迅速地施加力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间，粘弹性材料就将开始显示固体状特征。在此描述的各种实施方式中，选择具有较长本征时间的粘弹性材料。在一个实施方式中，粘弹性材料可以有1秒的本征时间，在该实施方式中，如果施加外力持续的时间短于1秒，粘弹性材料就将开始显示固体状特征。
在一个实施方式中，提供了可以位于结合头120后缘的延伸垫片，结合头120由分配头和力施加头组成，如图2A所示。在该实施方式中，力施加头115结合在分配头105的后缘上且提供延伸垫片128于结合头120的后缘。如先前的解释，延伸垫片128扩展了由力施加头所提供力的作用。通过使用延伸垫片128，就可以使用较小的力去克服固体表面和颗粒污染物之间的粘附力，导致有效地从表面移除颗粒污染物。
在本发明的另一个实施方式中，力施加头115可以如图2B所示与冲洗头125结合。在该实施方式中，力施加头115结合于冲洗头125的前缘由此形成结合头120。分配头105被配置为将粘弹性材料作为液体弯液面薄膜涂覆到衬底100的表面。在分配头105下面移动衬底以便用粘弹性材料作为液体弯液面薄膜116-a涂覆于衬底。然后在结合头120中力施加头115的下面移动表面。力施加头115施加外力到定义为弹性支配区域110的液体弯液面116-a的第一区域，施加外力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间。该力在施加期间提供足够的能量以让第一区域范围的粘弹性材料显示固体状特征116-b，通过拉扯该材料就能轻松剥落而形成基本上干净的衬底表面。在从第一区域范围移除期间，在第二区域涂覆在衬底表面上的粘弹性材料持续显示液体状特征。
在一个实施方式中，力施加头结合在粘弹性材料弯液面范围外冲洗头的前缘。在另一实施方式中，力施加头结合在粘弹性材料弯液面范围内冲洗头的前缘。以上实施方式被视为示例性的而绝不是限制。
在本发明的另一个实施方式中，图2B的结合头120可以在力施加头115和冲洗头125之间额外包括延伸垫片128，如图2B所示。延伸垫片128扩展了施加到表面上粘弹性材料的力的作用，导致使用远远更小的力去克服颗粒污染物和表面之间的粘附力。
如早先提及，外力可以是推力或拉力。推力可以是由惰性气体或液体化学物提供的垂直地或成一定角度地冲击晶片表面的力。惰性气体可以是氮、空气或其他惰性气体，液体化学可以是去离子水(DIW)或任何其他液体化学物。拉力可以是由真空、惰性气体或液体化学物提供的、与晶片表面垂直或成一定角度的直接离开晶片表面的力。相似地，分配头105、力施加头115和冲洗头125可以是不同的线性邻近头。应该理解为，实施方式不限于线性邻近头，也可以延伸包括旋转头，或者也可以使用其他批量清洁机构。
关于邻近头、邻近头的定向和结构、臂组件的结构和功用、以及使用声能用于清洁的邻近头中的换能器的更多信息，可以参照申请号为10/611,140、申请日为2003年6月30日、名称为″METHOD AND APPARATUS FOR CLEANING A SUBSTRATEUSING MEGASONIC POWER″的美国专利申请，该申请已经转让于本申请的受让人，其通过引用合并于此。
优选的邻近头和他们各自的入口管和出口管的结构和式样可以在申请号为10/261,839、10/404,270和10/330,897的美国专利申请中看到，这些通过引用被合并于此。因此，可以将这里描述的任何一个、某些或者全部邻近头的任何合适结构用于合适的衬底清洁和干燥。另外，邻近头也可以有任何合适数量或形状的出口管和入口管。
用于清洁衬底的粘弹性材料的更多信息，可以参考申请号为61/013,950、申请日为2007年12月14日、名称为″MATERIALSAND METHODS FOR PARTICLE REMOVAL BY SINGLE-PHASEAND TWO-PHASE MEDIA″的美国临时专利申请，该申请已经转让于本申请的受让人，其通过引用被合并于此。
在另一实施方式中，力可以在粘弹性材料的液体弯液面中引起振动运动。图3A示出了利用声能引起振动运动的颗粒移除机构的简单框图，图3B示出了换能器406工作方式的爆炸图。在此实施方式中，力施加头115装备有换能器406以产生声能，从而引起施加于衬底表面的粘弹性材料的振动运动。换能器406包括换能器主体406b和与电源408相连的压电元件406a。电源408可以是任何种类的电源，比如射频电源。换能器406位于靠近力施加头115的底面并面对衬底表面的顶面，从而换能器406产生的声能在强度没有实质损失的情况下转移。换能器主体406b通过压电元件接收来自电源408的电能并转换电能为声能。接着声能被传送到由分配头105作为液体弯液面提供的粘弹性材料的第一区域。在一个实施方式中，可以通过力施加头115施加液体介质，并且通过作为耦合剂的液体介质，来自力施加头115内换能器406的声能被传送到粘弹性材料的第一区域。
只要换能器406能够符合力施加头115的几何要求、可以施加声能到衬底并可以在弯液面116a中引起脉动，换能器406可以是任何适合的尺寸、形状和数量。应该领会到，只要换能器406能施加脉动到弯液面116a，换能器406可以位于与分配头或冲洗头分离或结合的力施加头的任何适当区域。
通过在粘弹性材料中的脉动，声能提供足够强的以引起振动运动的力。施加力到涂覆有粘弹性材料衬底表面的第一区域，以便涂覆有粘弹性材料衬底表面的第二区域基本上不会受到施加力的作用。施加该力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间，使得能达到粘弹性材料的固体状特征。当显示固体状特征时，粘弹性材料至少部分地与颗粒污染物中的至少一些相互作用或结合。因为粘弹性材料在第一区域范围持续经受力并显示固体状特征，从表面移除粘弹性材料和颗粒污染物形成了基本干净的衬底表面。在从第一区域范围移除粘弹性材料期间，第二区域的粘弹性材料持续显示液体状特征。
在另一实施方式中，由机械力提供振动运动。在该实施方式中，提供机械力的机构包括于力施加头之中。该机构可以是连接于电源的马达，在施加于衬底表面上的粘弹性材料中提供机械力引起机械振动。该机械振动能使粘弹性材料显示固体状特征。固体状特征材料至少部分地与颗粒污染物中的至少一些相互作用或结合，并能容易地从表面移除粘弹性材料和包埋的颗粒污染物，由此产生基本干净的衬底表面。前述实施方式是就粘弹性材料是单相化学物而言来描述的。因此，虽然粘弹性材料既显示固体状特征又显示液体状特征，前述实施方式中的粘弹性材料在施加到衬底表面时是作为单相化学物的。实施方式不限于单相化学物。
粘弹性材料可以是两相(固-液、固-气或液-气)化学物或者三相(固-液-气)化学物。更多关于双相和多相化学物的细节可以参考申请号为12/131,654(代理人Docket#LAM2P628A)、申请日2008年6月2日、名称为″Materials and Methods for ParticleRemoval by Single Phase and Two-Phase Media″的美国专利申请，申请号为12/131,660(代理人Docket#LAM2P628C)、申请日2008年6月2日、名称为″Methods for Particle Removal by Single Phase andTwo-Phase Media″的美国专利申请，申请号为11/532,491(代理人Docket#LAM2P548B)、申请日2006年9月15日、名称为″Methodand Material for Cleaning a Substrate″的美国专利申请，以及申请号为12/165,577(代理人Docket#LAM2P638)、申请日2008年6月30日、名称为″Single Substrate Processing Head for Particle Removalusing Low Viscosity Fluid″的美国专利申请，其通过引用被合并于此。
在一个实施方式中，粘弹性材料可以有可包含多个本征时间的化学结构。在该实施方式中，拉力、推力或振动力可以微调以最佳地达到粘弹性材料的固体状特征。粘弹性材料可以包括任何一种悬浮液、蠕虫状胶团、表面活性剂、磁流变溶液或电流变溶液以及粘弹性固体，比如橡胶、凝胶剂、粘合剂和前者的任意组合。
在另一实施方式中，颗粒移除机构可以包括喷嘴或喷雾器以引进推力或拉力到施加在衬底表面上的粘弹性材料。图4A示出了简化的颗粒移除机构的侧视图且图4B示出了图4A所示颗粒移除机构的俯视图。在该实施方式中，容器410被用于接收并托持作为液体介质的粘弹性材料。颗粒移除机构也包括载架机构420以接收、支持并沿着容器410内的轴移动衬底100，以便在衬底100的表面上涂覆粘弹性材料薄层。载架机构420可以进一步被连接到机构，比如马达机构上，以使载架和接收的衬底能沿着轴移动。力施加器机构430被用于提供外力到覆盖衬底表面的粘弹性材料，施加时间周期短于粘弹性材料的本征时间。力施加器机构430可以是提供惰性气体或液体化学物(DIW)推力到粘弹性材料的喷嘴或高速冲洗枪。力施加器机构430也可以用真空提供拉力。力施加器机构430也可使用真空提供拉力。力施加器机构430连接于提供真空流、惰性气流或液体化学物流的容器。力施加器机构不限于喷嘴或高速冲洗枪，其可以扩展到能够向粘弹性材料提供外力的其他种类机构。在一个实施方式中，施加力包括使用推力的两阶段冲洗。在该实施方式中，力施加器机构430用喷雾器提供惰性气体或液体化学物，随之喷射空气使化学物变干。虽然已经呈现了具体实例，但应该注意到这些实施方式的各种变化也是可以的。
在一个实施方式中，力施加器机构安装于活动臂上，如图4A和4B所示。使用活动臂移动力施加器机构430到衬底表面上的合适位置，以便施加力到涂覆有粘弹性材料的至少部分固体表面的第一区域。施加该力使涂覆有粘弹性材料的衬底表面的第二区域基本上不受所施加力的作用。在一个实施方式中，可以让支持固体表面的载架机构相对力施加机构所施加的外力沿着旋转轴旋转，以便基本均匀地施加外力到涂覆有粘弹性材料衬底表面的第一区域。当施加力时，第一区域的粘弹性材料开始显示固体状特征。这时候粘弹性材料至少部分地与衬底表面发现的颗粒污染物中的至少一些相互作用或结合。当施加力并且第一区域的粘弹性材料持续显示固体状特征时，粘弹性材料和已经与该材料相互作用的某些颗粒污染物一起被移除。在从第一区域范围移除粘弹性材料期间，施加到第二区域的衬底表面的粘弹性材料持续显示液体状特征。在此实施方式中，力施加器机构430被配置为不仅施加外力，而且还在粘弹性材料显示固体状特征时帮助移除表面第一区域的粘弹性材料。通过使用惰性气体、液体化学物或真空的拉力或推力能使粘弹性材料从第一区域移除。
虽然图4A和4B所示实施方式公开的是力施加器机构配置在活动臂上，但也可以考虑该实施方式的变化。例如，在一个实施方式中，力施加器机构可能安装在固定臂上，并且施加力到衬底表面的第一区域，而涂覆有粘弹性材料的衬底表面的第二区域基本上不受到所施加力的作用。在该实施方式中，接收并支持衬底的机构(比如“卡盘”机构)沿着旋转轴旋转衬底以便一致地暴露衬底表面给所施加的力。暴露于所施加力的粘弹性材料开始显示固体状特征，并且连同已经与粘弹性材料相互作用的颗粒污染物一同被从表面移除。
应当注意到，实施方式不限于施加粘弹性材料到衬底的部分表面，也可以包括其他变化，比如施加粘弹性材料覆盖整个衬底表面的实施方式。在一个实施方式中，分配粘弹性材料始于中心并进行到边缘以便涂覆整个衬底表面，接着通过施加推力或拉力使粘弹性材料可以显示固体状特征，从中心到边缘进行冲洗。在另一实施方式中，施加足够的(full-back)超声波(megasonic)或声学振动(acoustical vibration)到覆盖整个表面的粘弹性材料，取代前面实施方式中提到的拉力或推力，同时从中心开始到边缘冲洗整个衬底表面。在另一实施方式中，施加机械振动到覆盖整个衬底表面的粘弹性材料，取代之前实施方式中提到的声学振动，同时从中心开始冲洗整个衬底。
表面污染物颗粒的最佳移除取决于各种参数，包括与所施加力相关的参数、与粘弹性材料相关的参数、与分配头、力施加头、冲洗头以及结合于分配头或冲洗头时的可选的延伸垫片相关的参数。移除期间一些要考虑的参数包括拉力或推力的数量、对应头和固体表面间的间隙、拉力或推力的角度、延伸垫片的尺寸、表面上粘弹性材料的分配量等。在一个使用惰性气流(氮气或空气)施加拉力(吸力或真空力)的实施方式中，显示的导致粘弹性材料和颗粒污染物的最佳移除的满意效果各种参数包括：大约10到1000标准升每分钟(slm)的吸入空气流量，优选大约200到500slm的吸入空气流量；大约0.3mm到3mm的固体表面到头的间隙，优选大约0.5mm-1mm的间隙；大约0度(垂直固体表面)到60度的吸入流向角，优选大约0度到30度角；大约1Omm到50mm的垫片长度；以及大约10ml/分钟到500ml/分钟的分配量，优选大约100ml/分钟到200ml/分钟分配量。以上参数可以应用于在粘弹性材料弯液面范围之外的结合在冲洗头前缘上的力施加头(FAH)，可以应用于在粘弹性材料弯液面范围内的结合在冲洗头前缘上的FAH，可以应用于结合于分配头后缘上的FAH，或者可以应用于当FAH与冲洗头和分配头保持分开并定位于分配头与冲洗头之间时。
在另一使用液体(DIW)流施加拉力(吸力)的实施方式中，显示的导致粘弹性材料和颗粒污染物最佳移除的满意效果的各种参数包括：大约100ml/min到大约5000ml/min的吸入液体流，优选大约1000ml/min到大约4000ml/min的吸入液体流；大约0.1mm到大约3mm的固体表面到头的间隙，优选大约0.3mm到1mm的间隙；大约0度(垂直衬底表面)到大约60度的吸入液流角，优选大约0度到大约30度角；大约5mm到大约100mm的延伸垫片长度，优选大约10mm到大约50mm的延伸垫片长度；大约10ml/分钟到大约500ml/分钟的分配量，优选大约100ml/分钟到大约200ml/分钟的分配量。以上参数可以应用于在粘弹性材料弯液面范围内的接近冲洗头的前缘或后缘的力施加头(FAH)。
在另一实施方式中，使用惰性气体流(氮气或空气)施加推力(比如吹力)，显示的导致粘弹性材料和颗粒污染物最佳移除的满意效果的各种参数包括：大约10slm到大约1000slm的气体流，优选大约30slm到大约80slm的气体流；大约0.5mm到大约15mm的衬底表面到头的间隙，优选大约1mm到大约5mm的间隙；大约0度(垂直于衬底表面)到大约60度的吸入气流角，优选大约30度到大约45度角；大约5mm到大约100mm的垫片长度，优选大约10mm到大约50mm的垫片长度；以及大约5ml/分钟(衬底表面)到大约100ml/分钟的分配量，更优选大约10ml/分钟到30ml/分钟的分配量。以上参数可以应用于结合在冲洗头前缘上的力施加头(FAH)，可以应用于结合在分配头后缘上的FAH，或者可以应用于当FAH与冲洗头和分配头保持分开并定位于分配头与冲洗头之间时。定位FAH以便惰性气体流冲击在施加在固体表面上的粘弹性材料上。
在另一使用液体化学物(DIW)流施加拉力的实施方式中，显示的导致粘弹性材料和颗粒污染物最佳移除的满意效果的各种参数包括：大约100ml/min到大约5000ml/min的液体化学物流，优选大约2000ml/min到大约4000ml/min的液体化学物流；大约0.1mm到大约3mm的衬底表面到头的间隙，优选大约0.3mm到大约1mm的间隙；以及大约0度(垂直衬底表面)到大约60度的吸入液流角，优选大约0度到大约30度角；大约5mm到大约100mm的延伸垫片长度，优选大约10mm到大约50mm的延伸垫片长度。以上参数可以应用于在粘弹性材料弯液面范围内的接近冲洗头的前缘或后缘的力施加头(FAH)。
除了与使用惰性气体或液体化学物流的拉力/推力相关的参数之外，使用通过声能、机械能或通过其他形式的能量施加的力提供振动运动的实施方式可以使用。可以通过邻近分配头施加振动力并通过脉动分配或脉动抽吸提供至衬底表面的粘弹性材料的流的方式提供振动运动。可选择地，可以通过邻近分配头使用振动力并通过脉动分配或脉动抽吸去离子水(DIW)冲洗流的方式提供机械振动。对于有0.5秒的本征时间，大约2Hz到1000Hz的脉动频率，优选大约10Hz到100Hz的脉动频率的粘弹性材料，通过达到粘弹性材料的固体状特征，已经显示了最佳移除颗粒污染物的满意效果。
相似地，对于通过DIW耦合至粘弹性材料和固体表面的超声波或超声盘产生的声学振动，已经显示出从表面最佳移除颗粒污染物的满意效果的有关声能的参数包括：使用大约10kHz到大约500kHz超声能的脉动频率，更优选大约44kHz、88kHz或132kHz，或者使用大约800kHz到大约2MHz超声波能的脉动频率，更优选由大约10到大约1000瓦特功率源提供的大约1.4MHz。在此实施方式中，DIW作为耦合剂传输声能到粘弹性材料。
污染物颗粒移除机构相对于粘弹性材料的不同模式的操作的达到进行解释。粘弹性材料显示基本上为液体状特征直到施加外力粘弹性材料显示基本上为固体状特征之时。固体状特征有助于容易地攫取颗粒污染物。这是因为当诸如颗粒污染物之类的固体在液体下面且从液体的顶部施加力时，在液体消散前只有来自液体的一部分力能传送到下面的固体。另一方面，当第一固体在第二固体(颗粒污染物)顶部上且从第一固体的顶部施加力到第二固体时，施加到第一固体的力能完全地传送到第一固体下面的第二固体，而不用担心第一固体的消散。粘弹性材料的显示液体状特征的粘性特征能容易地施加在表面上且随后从表面移除，固体状特征使得能用所施加的力攫取颗粒污染物。作为例子已经显示满意效果的粘弹性材料请参考申请号为12/131,654(代理人Docket No.LAM2P628A)、申请日为2008年6月2日、名称为″MATERIALS FOR PARTICLEREMOVAL BY SINGLE-PHASE AND TWO-PHASE MEDIA″的美国专利申请；以及申请号为12/165,577(代理人Docket No.LAM2P638)、申请日2008年6月30日、名称为″SINGLESUBSTRATE PROCESSING HEAD FOR PARTICLE REMOVALUSING LOW VISCOSITY FLUID″的美国专利申请，其通过引用被合并于此。
通过以上各实施方式的详细描述，现在将参考图5描述从衬底表面移除颗粒污染物的方法。图5示出了涉及使用外力达到施加在固体表面上清洁化学品的固体状特征，从衬底表面成功移除颗粒污染物的各种工艺操作。该方法始于选择合适的粘弹性材料，如操作510所示。选择的粘弹性材料包括能至少部分地与衬底表面上的颗粒污染物中的至少一些结合或相互作用的化学结构，并且基于施加到粘弹性材料的力能显示液体状特征和固体状特征。
将所选粘弹性材料在表面涂覆为薄膜，如操作520所示。粘弹性材料作为薄膜基本覆盖表面。这时粘弹性材料显示液体状特征。施加外力到施加在衬底表面上的粘弹性材料的第一区域，如操作530所示。施加的外力使得涂覆有粘弹性材料的衬底的第二区域基本不受到所施加力的作用。施加外力的持续时间短于粘弹性材料的本征时间。该应用中所用的本征时间定义为使粘弹性材料松弛所需的时间。当施加力的时间短于本征时间，粘弹性材料将开始显示固体状特征。
当施加力期间并且粘弹性材料显示固体状特征时，粘弹性材料成功地与颗粒污染物中的至少一些相互作用以成功地结合颗粒污染物，接着通过剥离粘弹性材料，该结合的颗粒污染物和粘弹性材料一起被从衬底表面的第一区域移除，如操作540所示。应当注意到，在从第一区域的第一范围移除粘弹性材料期间，在第二区域施加的粘弹性材料持续显示液体状特征。通过在达到固体状特征时移除粘弹性材料，彻底的清洁能导致基本干净的衬底表面。结果，通过清洁操作大大减少遗留污染物使得该方法是更有效果和有效率的清洁方法。该方法通过达到固体状特征，以彻底移除来自第一区域的粘弹性材料和颗粒污染物中的至少一些。
虽然本发明已经根据若干优选实施方式的形式进行了描述，但应认识到本领域的技术人员通过阅读前述说明书和研究附图将获得本发明的各种变化、附加、排列和等同替换。因此本发明预期包括的所有这样的变化、附加、变换和等同替换均落在本发明的真实精神和范围之内。
Claims (30)
1.用于从衬底表面移除颗粒污染物的方法，包括：
将粘弹性材料层涂覆到所述表面成为薄膜，所述粘弹性材料显示液体状特征并具有能与所述表面上出现的所述颗粒污染物至少部分相互作用或结合的化学结构；
施加力到涂覆有所述粘弹性材料的所述表面的第一区域，以便涂覆有所述粘弹性材料的所述表面的第二区域基本不受所施加的所述力的作用，所施加的所述力的持续时间短于所述粘弹性材料的本征时间；和
在施加所述力时从所述第一区域移除所述粘弹性材料，所述粘弹性材料的所述移除包括从所述表面移除所述颗粒中的至少一些；
其中当所述粘弹性材料在所述力的所述施加过程中显示固体状特征时，在所述表面的所述第一区域的范围内发生所述移除，并且其中在所述第一区域的所述范围内的所述移除过程中，在所述第二区域，所述粘弹性材料持续显示所述液体状特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中施加力进一步包括，
提供拉力将所述粘弹性材料拉离所述衬底的所述表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述拉力用真空流提供。
4.根据权利要求1所述的方法，其中施加力进一步包括，
提供推力将所述粘弹性材料推离所述衬底的所述表面。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述推力由惰性的气体或液体化学物中的一种提供。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述惰性的气体是空气或氮气中的一种，所述液体化学物是去离子水或悬浮微粒中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中施加力进一步包括，
提供振动力以在所述粘弹性材料中产生脉动。
8.如权利要求7所述的方法，其中通过声能或机械能中的一种提供所述振动力。
9.如权利要求1所述的方法，其中移除所述粘弹性材料进一步包括在所述粘弹性材料开始显示液体状特征前，从所述第一区域移除所述粘弹性材料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中施加力进一步包括，
当所述粘弹性材料显示多本征时间时，微调所述力的频率以达到所述粘弹性材料的固体状特征。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘弹性材料包括以下物质中的任何一种：悬浮液、蠕虫状胶团、表面活性剂、磁/电流变溶液和粘弹性固体、以及任何前者的组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述粘弹性固体为橡胶、凝胶剂或粘合剂。
13.用于从衬底表面移除颗粒的颗粒移除机构，包括：
载架机构，其沿着轴接收、托持和运输衬底；
分配头，其被配置将作为薄膜的粘弹性材料的弯液面涂覆到所述衬底的所述表面的至少一部分，所述粘弹性材料基本显示液体状特征；
力施加头，其被配置为施加外力到涂覆有所述粘弹性材料的所述表面的第一区域，以便涂覆有所述粘弹性材料的所述表面的第二区域基本不受所施加的所述力的影响，所施加的所述外力的持续时间短于所述粘弹性材料的本征时间以便能达到所述粘弹性材料的固体状特征；和
冲洗头，其被配置为，在以达到所述固体状特征的方式施加所述力时，将液体化学物作为冲洗弯液面供应以冲洗所述表面，并且从所述第一区域范围移除所述粘弹性材料。
14.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头结合在所述分配头的后缘。
15.根据权利要求14所述的颗粒移除机构，其中所述分配头包括所述后缘上的延伸垫片，以扩展来自所述力施加头的力的作用。
16.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头结合在所述冲洗头的前缘上。
17.根据权利要求16所述的颗粒移除机构，其中所述冲洗头包括所述冲洗头的所述前缘上的延伸垫片，以在所述表面暴露于来自所述冲洗头的液体化学物的所述冲洗弯液面之前，扩展来自所述力施加头的所述力的作用。
18.根据权利要求16所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头结合于冲洗弯液面的范围之外。
19.根据权利要求16所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头结合于冲洗弯液面的范围之内。
20.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头是分离的且位于所述分配头和所述冲洗头之间。
21.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头结合在所述冲洗头的后缘。
22.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中：所述力施加头被配置为使用惰性的气态化学物的真空流提供吸力。
23.根据权利要求22所述的颗粒移除机构，其中：所述惰性的气态化学物为空气或氮气。
24.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中所述力施加头被配置为使用液体化学物的真空流提供吸力。
25.根据权利要求24所述的颗粒移除机构，其中所述液体化学物为去离子水。
26.根据权利要求13所述的颗粒移除机构，其中所述分配头、所述冲洗头和所述力施加头是线性头或旋转头的一种。
27.用于从衬底表面移除颗粒污染物的颗粒移除机构，包括：
容器，其被配置为容纳粘弹性材料，所述粘弹性材料基本显示液体状特征并且具有与所述表面上存在的颗粒污染物至少部分结合或相互作用的化学结构；
载架机构，其被配置为沿着所述容器内的轴接收、支持和移动所述衬底，以便使所述粘弹性材料的薄膜层涂层在所述衬底的所述表面上；和
力施加器机构，其被配置为施加外力到涂覆有粘弹性材料的所述表面的第一区域，以便涂覆有所述粘弹性材料的表面的第二区域基本不受所施加的所述力的作用，施加所述外力的持续时间短于所述粘弹性材料的本征时间以便能在所述第一区域范围达到所述粘弹性材料的固体状特征，以容易将所述粘弹性材料和结合于所述粘弹性材料的颗粒中的至少一些一起移除。
28.根据权利要求27所述的颗粒移除机构，其中所述力施加器机构包括被配置为提供机械能到所述表面上的粘弹性材料的所述薄膜以便能使粘弹性材料脉动的马达，所述机械能足以允许达到所述粘弹性材料的所述固体状特征。
29.根据权利要求27所述的颗粒移除机构，其中所述力施加器机构包括被配置为为在所述表面的粘弹性材料的所述薄膜中产生振动提供声能的换能器，以便能使所述粘弹性材料脉动，所述粘弹性材料的所述脉动能使所述粘弹性材料达到所述固体状特征。
30.根据权利要求27所述的颗粒移除机构，其中所述力施加器机构进一步包括提供拉力或推力中的一种的喷嘴，其中所述喷嘴安装在移动臂上并连接于容器以提供所述拉力或所述推力到施加在所述表面上的所述粘弹性材料。
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