CN102812545B - 用于微环境中均匀分布吹扫气体的多孔隔板 - Google Patents

Abstract

一种改进了用于把微环境净化到所需水平的相对湿度、氧气或颗粒物的系统和方法，通过采用可以在微环境内均匀分布吹扫气体的吹扫气体输送装置和方法。一种具有沿塔的长度延伸的流体流动通道的净化塔的衬底容器。在孔和流体流动通道之间具有多孔介质的孔可以调节每个孔排出气体的流量和压力。可替代地，塔也可以由多孔管状聚合材料构成。套管可以在内部引导排出的吹扫气体。

Description

用于微环境中均匀分布吹扫气体的多孔隔板

相关申请

本申请要求2009年12月10日提交的申请号为61/285,218的美国临时专利申请的权益和优先权，其全部公开内容通过引用纳入本文中。

技术领域

本发明涉及适用于在超净环境中储存或运输物体，如半导体晶圆的便携式衬底容器，特别涉及用于净化上述容器内部环境，使其达到所需水平的相对湿度、氧气和大气颗粒物的系统和方法。

背景技术

在衬底的运输和储存过程中，如果周围空气中痕量的灰尘或气体杂质附着在半导体晶圆或其他物体上，由受影响的晶圆得到的后续产品的产量将会下降。随着集成程度的增加，这种趋势变得越来越明显。因此，对于实现这些运输容器内高清洁度环境的需求不断增加，这种清洁度不仅是针对灰尘而言，也包括气体杂质。

目前，为了产生在储存和运输时容纳衬底的洁净空间，采用惰性气体来净化微环境，通过进气口把惰性气体注入容器中，使得容器内的空气从排气口排出。这些吹扫气体进气口和排气口通常位于容器壳体的底面上，并从容器内部通过壳体底面延伸出去，在壳体底面与吹扫气体输送系统连接。这种方法使用位于净化进气口的单向阀和圆形聚四氟乙烯微粒过滤器来控制和过滤进来的吹扫气体。这样惰性的吹扫气体就会取代容器内的空气和污染物，而遭受污染的空气会通过净化排气口或门孔（如果门孔被移除）被强制排出。

也有人设计了其他几种方法来把吹扫气体输送到容器内以改善容器内环境，这些现有技术的尝试都存在明显的缺陷，促成了对本发明的需求。例如，Roberson等人的美国专利号6,221,163的发明公开了一种控制分子污染的系统和方法，可以净化容器达到所需水平的相对湿度、氧气和颗粒物。容器包括进气口和排气口，每个都包括单向阀和过滤器组件，以提供干净、干燥的气态工作流体来保持低水平的湿度、氧气或颗粒物。进气口与气态工作流体源连接，排气口则连接在排空系统上。集成的定向单向阀在非常低的压差下（例如小于10毫巴）下运转。在一个实施方式中，容器内的吹扫气体流可以通过一个或多个喷嘴塔引向衬底，促使在舱（pod）内形成层流。还可以提供与进气塔具有类似功能的一个或多个出气塔，以促进容器内的层流。这种方法在在位于塔的底部的有单向阀/过滤器组件内设置有颗粒物过滤器。这种方法的缺点是，当吹扫气体流通过塔上的孔时，气体的分布从塔顶的孔到塔底的孔是逐渐减少的。结果导致从微环境中排出水与氧气的时间延长。

净化的目标之一是降低微环境的内体积内的湿度与氧气水平。净化的一大挑战是如何快速和高效地把吹扫气体均匀分布到容器内的衬底上。目前使用容器底部的进气口和排气口的净化方法对快速和高效两个要求均不能满足，因为对吹扫气流来说，阻力最小的路径是直接从进气口到排气口。很少有气体流经晶圆之间，晶圆之间的空间成为不会立刻受到吹扫气体作用的死区。这导致微环境中湿度和氧气水平的不均匀。利用净化塔可以提高净化的速度和效率，但即使采用渐变的孔，塔内的孔依然不能使吹扫气体在晶圆之间均匀分布。实际上，当吹扫气体通过塔上的孔时，气体的分布从塔顶的孔到塔底的孔是减少的。这就导致了微环境中的氧气和水的排出效率低。

净化的另一个目标是除去容器内环境中中的大气污染物，这些污染物主要是通过净化口的过滤设备来捕获，并在净化容器时被有效地清除掉。然而，容器是可重复使用的，而且再次使用前必须清洗。作为清洗过程中的一部分，人工操作员必须卸下净化塔和净化口/过滤设备，以防止这些设备中积水。在拆卸并重新安装净化塔和净化口/过滤设备的过程中，污染物又会由人工操作员引入到微环境中。

因此，需要一种改进的净化方法，来解决如何以快速且高效的方式排出晶圆容器中的污染物的问题。特别是需要一种净化方法和装置让吹扫气体在塔中积聚，从而由于气体积聚导致塔内压强上升，当气体流经塔进入微环境中时就可以均匀分布在晶圆之间。另外一个需求就是减少或消除人工操作员接触容器内部。目前，当容器被清洗并重新使用时，操作员必须接触容器内部来拆卸并重新安装净化塔和净化口/过滤器。

发明简述

鉴于上述问题，本发明提供了一种改进的用于净化微环境的系统和方法，通过采取一种在微环境中提供均匀分布的吹扫气体的吹扫气体输送装置和方法，以净化微环境至所需水平的相对湿度、氧气或颗粒物。

本发明的另外一个优势是可采用疏水材料制成净化塔的多孔隔板，以防止水在清洗过程中进入净化塔，因而在清洗过程中无需拆卸吹扫气体输送装置，从而避免了清洗后在拆卸和重新安装吹扫气体输送装置过程中把颗粒物引入微环境中。

本发明的另一个优点是多孔隔板可被形成为与进化塔的非平面的几何形状相匹配的形状，并通过阻断气流，多孔隔板使吹扫气体积聚在塔内。随着气体积聚，塔内的压强增加，且当压强足以克服隔板材料时，气流通过隔板材料进入晶圆容器内，并平均分布在容器内安装的晶圆之间。

本发明的另一个优点是在晶圆通道门板被卸掉的情况下，净化塔显著降低微环境内的相对湿度水平。

本发明另一个优点是，净化塔的多孔隔板提高了微环境从顶部到底部的净化效率。

在一个优选的实施方式中，微环境包括进气口和排气口，每个都包括单向阀配件和连接在用于干净、干燥的气态工作流体的进气口和排气口上的净化塔，为微环境中所容纳的材料周围提供可控的低水平的湿度、氧气和颗粒物浓度。微环境容器的进气口与气态工作流体源连接，排气口则连接在排空系统上。根据一个实施方式，在操作中，塔包括在塔基部分内的密封垫圈，从而保持了对容器壳体的密封，以防止不需要的化学物质或颗粒物进入晶圆容器内部。因此，任何流经晶圆容器内部和外部之间的气流都被限制在由垫圈限定的通道中流动。流体流动的类型包括引入晶圆容器内部的吹扫气体，例如氮气。流体流动可以进一步由多孔隔板元件进行限制。多孔隔板在吹扫气体被引入晶圆容器内之前，为其过滤去除颗粒物，以及氧气和湿气。集成的定向单向阀在非常低的压力差下工作。在此实施方式中，多孔薄膜隔板被直接放置在进气塔的塔孔后。薄膜隔板在两方面提高了塔的性能。首先，薄膜隔板使得可以在塔内对吹扫气体均匀地施加压力。加压的气体就可以均匀地流经薄膜和塔的孔，并进入容器内部。塔上的孔可以是任何形状，包括从塔的顶端到底部连续的垂直开口，这样从上往下看，塔呈现“C”形。这样就会使得吹扫气体在微环境内的衬底之间均匀分布，塔降低微环境内的相对湿度和氧气的能力也获得了改进。其次，隔板可以采用具有疏水特性的材料制成，从而在清洗微环境时起到隔水的作用。这种疏水隔板在清洗过程中可以把水隔离在净化塔之外，因此也把水隔离在净化口之外。多孔薄膜隔板也可以起到颗粒物过滤器的功能，除去气流中颗粒物，这样也就不需要在塔基的净化口上的颗粒物过滤器了。

在另一个实施方式中，薄膜隔板是由多孔聚合物制成的，可以做成与塔的几何形状相匹配的几何形状。这种成形的隔板的好处是它还可以用来密封组成净化塔的后部和有槽的前部的啮合面。此外，隔板可以形成扁平的编织形状，并用于覆盖塔前部的孔。

另一个实施方式中，净化塔本身可以用与制造薄膜隔板相同的多孔聚合材料制成，这样就不需要由孔、径向槽，或者单独的塔部分来组成塔。这样的塔可以制成加盖的多孔管，直接连接在容器的底部的进气和排气口。这种塔可以做成“C”形的套管，将其安放在一定位置，仅简单的由套管在微环境中的位置就可决定，气流是直接地流向衬底还是流向容器壁的位置，还是任意其他需要的方向。

另一实施方式是，多孔薄膜过滤器可以制成气囊安装在塔内。在这个实施方式中，多孔材料不仅覆盖净化塔的喷嘴，也覆盖净化塔前后两部分之间的缝隙（reveal）。这可以让任何从缝隙渗漏物也得到过滤，而且可以隔绝从缝隙漏入塔内的水。吹扫气体从塔基注入过滤器气囊，随后穿过气囊壁分散开，穿过塔上的槽并进入容器内部。气囊可以被制成完整的管子安装在塔的前后部之间，也可以被制成一个完整的管子安装在塔的前后部位之间。

附图说明

图1A是正面开口的晶圆容器。

图1B示出了安装了一个净化塔的正面开口的晶圆容器。

图2是塔的正视图，示出了气体分散槽。

图3是塔的后部、多孔薄膜隔板和开有槽的塔的前部的分解图。

图4示出了吹扫气流进入塔中，随后通过隔板薄膜和塔上的槽进入容器内部。

图5是多孔聚合材料制成的净化塔及它压配到模塑的塔基部分的分解图。

图6是塔和多孔薄膜气囊的分解图。

图7是完整的管状气囊的截面图，示出了进气口以及不同管壁部分的厚度，它可以让吹扫气体流向塔前部的分散槽。

图8示出了在一定气压和水压下，多孔聚乙烯与多孔聚丙烯各自的流量数据。

图9示出了卸掉门用本发明在晶圆槽#1、#13和#25净化前后所测量的相对湿度的降低。

具体实施方式

图1A阐明了配置为晶圆容器组件1的衬底容器的结构，称作FOUP或FOSB，其包括敞开的前部2、前门3和外壳部分4。晶圆W通过敞开的前部平行地插入和移除。内侧的槽可以固定衬底，在这里是半导体晶圆。前门3带有密封装置，与外壳部分4可以密封地啮合，形成与周围大气隔离的内部空间。用于净化塔6的接收结构5可以在外壳部分的底部壁内。

参照图1B，示出的净化塔6是优选实施方式的一部分，此实施方式采用一个或多个通过塔基部分7连接在进气口或排气口上的独特配置的塔6，让衬底容器内的气态工作流体或吹扫气体直接流向以及离开容器内存放的衬底。每个塔上都设置有孔，优选是以一系列的以定距离间隔的的喷嘴8的形式。气态吹扫流体会清扫容器及其内容物，带走残留的湿气、氧气和AMC，并促进颗粒物向排气口或门孔运动。本发明所有人的美国专利号6,221,163专利，以及本申请的所有人的国际公开号WO2009/114798A2的专利申请公开了此发明的实施方式中可应用的某些结构配置、组件细节与材料，所述专利与公开文本通过引用纳入本文中。

在一个可选择的实施方式中，如图5所示，塔的结构可以为以多孔聚合材料制成的塔17的形式，靠摩擦力安装固定在塔基单元7上。优选也可以有一个或多个排气塔连接在排气口上，其与进气塔具有类似的结构和功能，来引导气流通向用于排气到配套设备的排气阀。

图3和图4示出了安装了多孔材料过滤器的塔的内部。图3是整个塔的分解图。该图示出了塔后部9，其是模塑的单独部分，通过把位于塔后部上的一系列拉环12刚好放入塔前部11的凹槽13中，来与塔前部11连接。图4是靠近塔基部分7的塔6的内部的剖面图，示出了塔垫圈16，吹扫气体进气口14，通过垫圈进入塔的气流管道或流体流动通道15并流出喷嘴口8的吹扫气体的流动路径。吹扫气体通过吹扫气体进气口14进入塔6，通过气流管道，并在存在配置为条状多孔材料10的隔板过滤器的情况下，可以让塔内气体压强增大，直到气压足以使克服过滤器薄膜，然后以从塔顶到塔底同样的压强和分布通过喷嘴口8分散进入容器内部。换句话说，横穿过滤材料的压强降低，使得沿着整个塔的纵向具有均匀的压强，其高于容器内的塔的外部的压强。沿着塔长度的较高压强，可以让每个孔或出口区域都有均匀的气流流出，或者沿着出口槽的长度上也有均匀的气体排出。增压使吹扫气体通过层流经过所有安装在容器内的衬底来净化容器内部空间。理想的情况下，塔的直径是0.75英寸到2.0英寸，塔壁的厚度是1/16英寸到3/8英寸。理想的情况下，塔的长度是容器安装塔的容器部分的内部高度的70%到100%。而且理想地，塔部分的长度至少是最下面的衬底槽到最上面的衬底槽之间的距离。

本发明的系统和方法计划用于容器待用于下一个生产场所或制造过程中的步骤的时候。据估计这段时间大概在6分钟到1个小时。在理想情况下，容器可以在6分钟或更短的时间内被完全净化，达到所需水平的相对湿度、氧气和颗粒物。在大约5分钟内，相对湿度可以降低到0.1%或更低。通常，提供给容器的气态工作流体或吹扫气体流量达到20标准立方英尺/小时，压强从0到5磅/平方英寸。一般可用的加压氮气或其他惰性气体的压强在65到125磅/平方英寸，系统内工作气体的压强一般是由一个终端调节器控制，把给予容器的给进压力限制在最高10磅/平方英寸以内。容器内的工作压强通常约1磅/平方英寸。气态工作流体或吹扫气体经过过滤可以除去99.999%的大小在0.10到2.0微米的颗粒物。

图5示出了另一种实施方式，塔被配置为管状结构，完全或基本上完全用多孔材料制成，因此也就不需要塔部分。塔部分的管状结构17是由多孔隔板材料成型制成的，形成前部没有喷嘴槽的塔部分的形状。模塑的净化塔靠摩擦力固定在塔基部分7上。和优选实施方式中一样，吹扫气体在塔中积累直到压强增加到足以透过隔板材料后并进入容器内部的水平。在另一种可选择的实施方式中，模塑的隔板是制成塔的隔板材料之一，不过增加了横截面是“C”形的套管18。这可以让吹扫气体透过塔的材料后，通过沿着套管整个长度从顶到底分布的开口槽吹向衬底。这样塔的配置可以通过旋转塔上的套管来改善吹扫气体在通过较大单个的净化槽时的方向性。套管可以为管状多孔的形式的顶端提供盖或是端塞，否则顶端是敞开的。

图6示出了用多孔隔板聚合材料模塑的气囊19，这使得它适于放进塔6中，通过不仅覆盖了孔喷嘴8，也封住了塔分开的两部分9和11结合的缝隙20，可以提供吹扫气体的过滤和加压。图中示出的气囊没有背面，以促进模塑过程。因此气囊19插入塔内时敞开的一边要远离孔8，以正常工作。每个气囊都有内部流体流动通道23，通道沿整个气囊的长度或基本上整个塔的长度延伸。气囊可以用柔软的编织多孔聚合材料制成。

图7示出了气囊19的另一种可选择的结构。该气囊的剖面图示出了气囊壁的不同厚度。前部气囊壁22要比后部气囊壁21薄。不同的厚度可以促进吹扫气体的输送，因为相比于较厚的后壁21，气体会更快，更容易地渗透通过面向塔孔的薄壁22。气囊壁厚度的差异也要求气囊必须正确安装。多孔材料优选是多孔的聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、PTFE（聚四氟乙烯）或PFA（全氟烷氧基）。多孔材料的多孔性可以是例如，以发泡材料、纤维材料或烧结材料的形式。纤维材料可以编织或随意地压紧或缠绕。此处的特殊形状可以通过热塑形成，或在某些情况下，用对刚性材料块进行机械加工或让多孔材料预先成型。合适的多孔聚合物可以从GenPore,1136MorgantownRd,ReadingPA获得。

合适的多孔材料用在净化塔内可以在气体透过隔板薄膜过滤材料前为提供气体的充足的加压已在塔内形成压力，从而改善吹扫气体在容器内的流动，使气体沿着塔的长度均匀分布，这样可以让整个容器内和所有衬底上有均匀的压强和分布。同时这种材料具有疏水性质，因此可以防止或尽量减少在回收利用步骤的清洗周期的中，进入净化塔的水。防止水进入净化塔和净化进气口和排气口，可以最大限度地减少清洗过程所需的时间，并保持容器清洁。

参照图8，在一个实施方式中，净化塔可以由用多孔聚合材料制成的管状部分36形成，管在顶端38是可以闭合的，具有适于封住管子顶端的非多孔聚合材料形成的盖子40。为了引导气体在塔的一端排出，非多孔材料阻隔套管44被配置为具有轴向延伸的狭缝的管片段，由非多孔聚合材料制成，可以套在多孔管部分的外围。塔底可以固定在非多孔聚合材料的接头48上，并在底端处与净化口连接。净化口通过常规方式连接至容器外的吹扫气体源上。净化塔可被加压，使得塔顶附近的流速和流量与塔底部附近的流速和流量相等或大致相等。理想的是，管状部分的直径是0.75英寸到2.0英寸且管状部分壁厚度是1/8英寸至3/8英寸。理想的管状部分的壁厚度为直径的10%到25%。理想的情况下，管状部分的长度是管状部分所在容器部分的内部高度的70%至100%。而且理想情况下管状部分的长度至少要达到最底部的衬底槽和最高的衬底槽之间的距离。

图9示出在使用安装或拆卸了门的本发明，净化前和后微环境内的相对湿度水平。在净化前对晶圆槽＃13的相对湿度测量表明，相对湿度水平23在40%到45%之间。净化前对晶圆槽＃1进行的另一测量表明相对湿度水平24在35%到40%之间。净化后，对晶圆槽＃25相对湿度的测量结果表明，相对湿度水平26在20%到25%之间。净化后在晶圆槽＃13的另一测量也表明相对湿度水平25在20%到25%之间。

虽然此处描述的本发明结合了优选的实施方式，本领域普通技术人员在读过上述内容后，可以实现对此处阐述的实施方式的修改、等效替换或其它方式的变更。上面描述的每一个实施方式，也可以包括或纳入如其他任何或所有实施方式中所公开的变体。因此，希望此处由专利证书赋予的保护在广度和范围上只由权利要求和其任何等效物加以限定。

Claims (3)

1.一种可以为衬底容器中的净化塔提供沿着长度均匀分布的气态材料吹扫气流的方法，所述方法包括提供多孔聚合物构成的管状部分的净化塔，管状部分在顶端封闭；通过将底端插入非多孔聚合材料的接头，使管状部分的底端与非多孔聚合材料的接头连接，所述接头具有偏离部；接头与衬底容器的底端处的吹扫气口连接，管状部分通过所述接头偏离吹扫气口；吹扫气口与容器外部的吹扫气体源连接，为净化塔加压，以便让塔顶附近的流速和流量与塔底附近的流速和流量相等或基本上相等。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括利用具有狭长槽的细长套管调整吹扫气流的方向，所述套管适合装入管状部分。

3.一种衬底容器，其包括：

衬底容器，其包括具有供衬底装卸的开口的容器部分，适合用于密封地覆盖所述开口的门；所述衬底容器具有

衬底容器内的衬底携带部分，并且包括安装在衬底容器内部的容器部分的进气塔，用于让气态工作流体进入容器部分内部，以用气态工作流体净化容器空间，具有一定的长度进气塔，具有沿着塔的长度分布的一个或多个排气区域，以及沿塔的长度延伸的内部气流通道，所述塔包括沿塔的长度延伸的形成为管状结构的过滤介质，所述管状结构具有连接到容器部分的底部的向下面向的净化口的轴向流体流动通道，管状结构位于非多孔聚合材料的接头中，接头具有水平部分并延伸至向下面向的净化口，以允许吹扫气体进入位于偏离所述轴向流体流动通道的位置的净化口，沿着管状结构向上流动，并沿着所述管状结构的整个长度排出所述管状结构，所述过滤介质限定了轴向流动通道。