CN104952759A - 晶圆清洁箱内微环境控制装置及控制方法 - Google Patents

晶圆清洁箱内微环境控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种晶圆清洁箱内微环境控制装置，其适用于控制所述微环境以防止清洁后的晶圆被再次污染，包括：具有控制模块、温度探测器和压差计的控制部分、冷却气体输入管路、排气管路、不活泼气体输入管路以及去污干燥装置。该装置可在晶圆被加热清洁之后使晶圆清洁箱与冷却气体源可连通，向箱内输送冷却气体来将晶圆冷却至箱外环境温度；同时在冷却结束之后使晶圆清洁箱与不活泼气体源可连通，向箱内输送不活泼气体；另外，在冷却气体或不活泼气体进入晶圆清洁箱之前先进行干燥和去污，从而避免在晶圆的冷却过程以及晶圆进入下一道工序之前被再度污染。本发明还提供一种晶圆清洁箱内微环境控制方法。

Description

晶圆清洁箱内微环境控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及晶圆清洁设备和方法，更具体地涉及控制晶圆清洁箱内微环境的装置和方法。
背景技术
随着制程技术不断的提升以及纳米技术的不断发展，目前已进入32nm，甚至28nm制程。晶圆表面的空气污染物(AMC)会造成晶圆薄膜厚度测量的不稳定性。为得到长期稳定而准确的薄膜厚度测量值，在测量前需对晶圆进行清洗，以去除晶圆表面污染物。
大量分析及实验表明，晶圆暴露在空气中时，其表面将附着大量水分、碳氢化合物等污染热进而形成一层污染膜。因此，目前，晶圆表面污染物的去除多是通过加热方式来实现清洁。例如：卤素灯加热，微波加热，或铁盘加热等等。另有许多实验数据表明，晶圆表面空气污染物的形成异常迅速，也就是说，当晶圆表面的空气污染物被加热去除后，在冷却过程中，如果不保证晶圆所处微环境的干净干燥，晶圆表面将很快被再次污染。遗憾的是，目前大家都只是专注于如何去除表面污染物，却没有更多地考虑到晶圆的再次污染。
发明内容
本发明的目的就是提供一种晶圆清洁箱内微环境控制装置及方法，以在晶圆清洁箱内提供一个干净且干燥的不活泼微环境，从而保证清洁后的晶圆不会被再度污染。
为此，根据本发明的一个方面，提供一种晶圆清洁箱内微环境控制装置，其适用于控制所述微环境以防止清洁后的晶圆被再次污染，其特征在于，包括：
控制部分，其包括控制模块、与控制模块电连接并用来探测晶圆温度的温度探测器、和与控制模块电连接并用来测量所述微环境和箱外环境压差的压差计；
冷却气体输入管路，其一端受控制模块的控制在晶圆被清洁之后与冷却气体源可连通，另一端连接至晶圆清洁箱以有选择地向箱内输送冷却气体来将晶圆冷却至箱外环境温度；
排气管路，其一端连接至晶圆清洁箱并受控制模块的控制与微环境可连通，另一端连接至气体排放地；
不活泼气体输入管路，其一端受控制模块的控制在晶圆温度降至箱外环境温度时与不活泼气体源可连通，另一端连接至晶圆清洁箱以有选择地向箱内输送不活泼气体直至所述压差达到阈值；
去污干燥装置，其设置成对有选择地进入晶圆清洁箱内的冷却气体和不活泼气体进行过滤和干燥，所述冷却气体输入管路的另一端以及所述不活泼气体输入管路的另一端经由所述去污干燥装置与所述晶圆清洁箱连接。
在本发明的该方面，由于冷却晶圆的冷却气体已被干燥和过滤，因此进入晶圆清洁箱内的冷却气体不会对经加热而被清洁或清洗的晶圆造成再度污染，而且，由于在向晶圆清洁箱内输送冷却气体的同时也同时向外排气，因此能够及时将晶圆被加热过程中产生的热汽以及从晶圆表面清洁掉的污染物带走；而在晶圆被冷却好后向晶圆清洁箱内输入的经干燥和过滤的大于箱外环境气压的不活泼气体又可以使晶圆保持在一个干净干燥的不活泼环境中，从而避免晶圆在进入晶圆制程的下一道工序之前被再度污染。
优选地，上述冷却气体输入管路的所述一端上设置有冷却气体阀门，所述冷却气体阀门与所述控制模块电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向箱内输送冷却气体。
优选地，上述不活泼气体输入管路的所述一端上设置有不活泼气体阀门，所述不活泼气体阀门与所述控制模块电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向箱内输送不活泼气体。
优选地，上述排气管路的所述一端上设置有排风门和风机。排风门的设置可保证排气管路在风机工作过程中与晶圆清洁箱内微环境连通，风机的设置可保证其工作时能向外抽吸微环境中的气体。
优选地，上述冷却气体输入管路的另一端和所述不活泼气体输入管路的另一端经由三通管路共同连接至所述去污干燥装置。这样，冷却气体输入管路和不活泼气体输入管路可以共用一个去污干燥装置。
优选地，上述去污干燥装置设置有干燥剂、吸附剂和过滤器以使进入晶圆清洁箱内的冷却气体或不活泼气体保持洁净、干燥。
进一步优选地，上述干燥剂、吸附剂和过滤器在气体流动路径上依次排布。
优选地，上述不活泼气体为高纯氮气。
优选地，所述控制模块为PLC控制器。
优选地，上述晶圆清洁箱的箱体由隔热材料形成。
优选地，上述温度探测器设置于所述晶圆清洁箱内。
优选地，上述压差计设置在所述晶圆清洁箱内，并且所述压差计的其中一个输入口经由管子与箱外环境连通。
根据本发明的另一个方面，提供一种晶圆清洁箱内微环境控制方法，其适用于控制所述微环境以防止清洁后的晶圆被再次污染，所述方法包括如下步骤：
在晶圆被加热清洁之后向晶圆清洁箱内输送冷却气体；
使冷却气体在流动经过晶圆之后从晶圆清洁箱内排出；
在晶圆被冷却至箱外环境温度后切断冷却气体的输送；
在冷却气体被切断之后向晶圆清洁箱输送不活泼气体；
当晶圆清洁箱内微环境与箱外环境的压差达到阈值时停止不活泼气体的输送；
其中，在冷却气体或不活泼气体进入晶圆清洁箱内之前先进行干燥和过滤以保持进入微环境的气体的干燥和洁净。
优选地，所述冷却气体的输送和箱内气体的排出同步进行。
优选地，所述冷却气体和所述不活泼气体的干燥和过滤经由同一个去污干燥装置。
通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。
附图说明
本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：
图1是根据本发明的一个优选实施方式的晶圆清洁箱内微环境控制装置的示意图；
图2是根据本发明的一个优选实施方式的晶圆清洁箱内微环境控制方法的流程图。
附图标记说明
10  晶圆清洁箱
101 箱体                103箱门
105 密闭清洁腔体        107支撑销
109 加热装置
201 控制部分
211 控制模块            221温度探测器
231 压差计
203 冷却气体输入管路
213 冷却气体阀门        223进气腔
205 排气管路
215 排风门              225风机
235 排气腔
207 不活泼气体输入管路
217 不活泼气体阀门      227三通阀
209 去污干燥装置
219 干燥剂              229吸附剂
239 过滤器
30  晶圆
具体实施方式
根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。
图1示出了根据本发明的优选实施方式的晶圆清洁箱10内微环境控制装置，其适用于控制晶圆清洁箱10内的微环境以防止清洁后的晶圆30被再次污染。
如图1所示，晶圆清洁箱10具有箱体101、箱门103和密闭清洁腔体105，其中，在密闭清洁腔体105内容置有通过例如支撑销107支撑的晶圆30，在密闭清洁腔体105的顶部装设有加热装置109。箱体101优选由隔热材料形成。加热装置109例如可以是红外加热管如高压氙灯，也可以是微波发生器等，用于加热晶圆30从而通过加热实现对晶圆30的清洁。
如图1所示，晶圆清洁箱内微环境控制装置包括控制部分201、冷却气体输入管路203、排气管路205、不活泼气体输入管路207、以及去污干燥装置209。控制部分201包括可以例如是PLC控制器控制模块211、与控制模块211电连接并用来探测晶圆30的温度的温度探测器221、以及与控制模块211电连接并用来测量箱内微环境和箱外环境压差的压差计231。在本实施方式中，温度探测器221设置于密闭清洁腔体105中，例如箱体101的底壁上，用来探测晶圆30的温度；压差计231也设置在密闭清洁腔体105中，它的一个输入口(标准压差计包括两个输入口一个信号输出口)可经由管子(图未示)与箱外环境连通。
如图1所示，在本实施方式中，冷却气体输入管路203的一端与冷却气体源(图未示)可连通，另一端连接至晶圆清洁箱10的箱体101上并与密闭清洁腔体105可连通。冷却气体源例如可采用工厂厂务提供的压缩空气。在冷却气体输入管路203的该一端上设置有冷却气体阀门213，该冷却气体阀门与控制模块211电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向密闭清洁腔体105内输送冷却气体；去污干燥装置209装设于冷却气体输入管路203的另一端上，例如该另一端上可设有一个扩大的进气腔223，去污干燥装置209可装设在该进气腔223内。通过控制模块211对冷却气体阀门213的控制，可根据需要使冷却气体输入管路203与冷却气体源连通，从而经由去污干燥装置209再与密闭清洁腔体105连通。应当理解的是，在冷却气体输入管路203与晶圆清洁箱10的连接处可设有风门，该风门可构造成通过冷却气体自动敞开来使冷却气体输入管路与密闭清洁腔体连通。
如图1所示，去污干燥装置209内可设置有优选在气体流动路径(见箭头F)上依次排布的干燥剂219、吸附剂229和过滤器239，从而来自冷却气体源的冷却气体经由它可被干燥、吸附和过滤，使得进入密闭清洁腔体105内的冷却气体保持洁净、干燥。
如图1所示，排气管路205一端连接至晶圆清洁箱10的箱体101上并与密闭清洁腔体105(也可以说是微环境)可连通，另一端连接至气体排放地(图未示)。在排气管路205的该一端上设置有排风门215和风机225，在本实施方式中，排风门和风机都受控制模块211控制。排气管路205的该一端可以是扩大的排气腔235以更好地在其内容置排风门215和风机225，排风门215优选开设在箱体101的壁上。排风门215的设置可保证排气管路205在风机225工作过程中与晶圆清洁箱10内的微环境连通，风机225的设置可保证其工作时能向外抽吸微环境中的气体。排气管路205的设置一方面可以将冷却气体在冷却晶圆之后(这时冷却气体温度已经升高)及时排除提高冷却效率，另一方面可以在对加热清洁结束后的晶圆30进行冷却的过程中，及时将密闭清洁腔体105中悬浮的从晶圆表面清洁下来的污染物以及水汽及时地排出，避免晶圆冷却过程中再次污染晶圆表面。控制模块211优选同步控制冷却气体输入管路203和排气管路205的开启和关闭，从而使得在密闭清洁腔体105中形成流动的风，起到有效冷却晶圆并及时排污的目的。优选地，排气管路205与冷却气体输入管路203分别设置于箱体101的两端，这样可以使得进入密闭清洁腔体105的冷却气体充分地流动接触并冷却晶圆30。
如图1所示，在本实施方式中，不活泼气体输入管路207的一端上设置有不活泼气体阀门217，该不活泼气体阀门217与控制模块211电连接从而被控制打开或关闭，另一端经由三通阀227与冷却气体输入管路203连接，该三通阀227与控制模块211电连接并受控。这样，控制模块211可根据需要分别控制冷却气体阀门213和不活泼气体阀门217的打开和关闭，并根据这两个阀门的开闭来控制三通阀227的工作方式。具体地，当需要冷却晶圆30时，冷却气体阀门213打开、不活泼气体阀门217关闭，三通阀227被调节为使冷却气体输入管路203畅通、而不活泼气体输入管路207不通，冷却气体经由去污干燥装置209进入密闭清洁腔体105内，反之，当晶圆30被冷却完成(例如冷却至向外环境温度)后，不活泼气体阀门217打开、冷却气体阀门213关闭，三通阀227被调节为使不活泼气体输入管路207畅通而冷却气体输入管路203不通，不活泼气体经由去污干燥装置209进入密闭清洁腔体105内。通过上述设置，使得冷却气体输入管路203和不活泼气体输入管路207可以共用一个去污干燥装置。当然，在另外的实施方式中，这两个管路可分别经由各自的去污干燥装置连接至箱体101。优选地，不活泼气体为高纯氮气。高纯氮气可以由厂务提供，也可以用一个氮气罐独立提供。
需要说明的是，在本实施方式中，温度探测器221随时探测晶圆30的温度，当控制模块211控制晶圆的加热清洁完成后，冷却气体输入到密闭清洁腔体105内来冷却晶圆30，当温度探测器221探测到晶圆30的温度降至例如箱外环境温度时则停止冷却气体的输送，然后开始通过不活泼气体输入管路207向密闭清洁腔体105内输入不活泼气体如高纯氮气，通过压差计231随时向控制模块211发送箱内微环境和箱外环境的压差信号，当压差达到阈值时或为正值时，停止不活泼气体的输送，使晶圆30保持在一个干净干燥的不活泼环境中，从而避免晶圆在进入晶圆制程的下一道工序之前被再度污染。
根据本发明的第二个方面，提供一种晶圆清洁箱内微环境控制方法，其包括如下步骤：
1)在晶圆被加热清洁之后向晶圆清洁箱内输送冷却气体；
2)使冷却气体在流动经过晶圆之后从晶圆清洁箱内排出；
3)在晶圆被冷却至箱外环境温度后切断冷却气体的输送；
4)在冷却气体被切断之后向晶圆清洁箱输送不活泼气体；
5)当晶圆清洁箱内微环境与箱外环境的压差达到阈值时停止不活泼气体的输送；
6)在冷却气体或不活泼气体进入晶圆清洁箱内之前先进行干燥和过滤以保持进入微环境的气体的干燥和洁净。
优选地，上述冷却气体的输送和箱内气体的排出同步进行。冷却气体和不活泼气体的干燥和过滤优选经由同一个去污干燥装置。
在本实施方式中，优选地，步骤1)还包括先判断晶圆是否加热清洁完毕的步骤；步骤3)中还包括先判断对晶圆的冷却是否结束的步骤；步骤5)中还包括先判断晶圆清洁箱内微环境与箱外环境的压差是否达到阈值的步骤。
具体地，如图2所示，其提供了根据本发明优选实施方式的晶圆清洁箱内微环境控制方法。
首先，由控制模块211判断加热是否结束，如果是，则关闭加热装置109；开启冷却气体阀门213；开启排风门215和风机225。由控制模块211判断冷却是否结束，如果是，则关闭冷却气体阀门213、排风门215和风机225，然后开启不活泼气体阀门217。由控制模块211判断密闭清洁腔体105内外压差是否达到阈值，如果是，则结束向密闭清洁腔体105内输入高纯氮气，如果否，则回到判断的步骤。
下面结合图1和图2介绍一下晶圆从进入晶圆清洁箱10清洁直至下一道工序的整个操作控制过程。
清洁晶圆的一系列操作由控制模块211完成。首先开启晶圆清洁箱10的箱门103，将待清洁晶圆30置于支撑销(Pin)107上，然后关闭箱门103，并开启密闭清洁腔体105顶部的加热装置109。温度探测器221则实时探测晶圆30的温度，当温度达到例如280度时，恒温控制例如3分钟后，关闭加热装置109，开启冷却气体阀门213，同时开启排风门215以及风机225。晶圆30开始进行冷却。冷却气体吹向密闭清洁腔体105，再经由风机225排出箱体外，这样，不仅加快了晶圆的冷却过程，同时，又把腔体内的污染物及热汽都排出去了。当温度探测器221探测到的晶圆温度达到箱外环境温度(即室温)时，关闭冷却气体阀门213、排风门215和风机225，然后开启不活泼气体阀门217，给密闭清洁腔体105充入高纯氮气。当压差计231(也可以是压差传感器)检测出密闭清洁腔体105内的微环境压力比外部即箱外环境压力高并达到设定阈值时，关闭不活泼气体阀门217，停止充气。此时，如果要取出清洁后的晶圆30进行下一道工序，或是转存到另一个专门的晶圆承载盒，只需打开箱门103，取出即可。由于冷却气体和不活泼气体在进入密闭清洁腔体105之前都先经过了去污干燥装置209，且微环境中不活泼气体的压力较箱外环境压力大可以确保箱体101外的脏空气以及潮湿空气无法进入密闭清洁腔体105内，因此清洁后的晶圆30始终处于一个干净干燥的正压环境中，所以，无论后续进行什么操作，都能保证从腔室中取出的晶圆是非常干净的。
需要说明的是，由于高纯氮气不合水，不含油，因此给密闭清洁腔体105充高纯氮气的主要目的有两个，一是为清洁后的晶圆提供一个干净干燥的环境，二是提供一个比箱外环境压力稍高一些的正压腔室，从而使得外界的脏空气以及水气无法进入腔室，进而保证腔室内环境的干净干燥，最大限度的保证了清洁后的晶圆在进入下一步工序前不会被二次污染。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和／或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (15)

1.一种晶圆清洁箱内微环境控制装置，其适用于控制所述微环境以防止清洁后的晶圆被再次污染，其特征在于，包括：
控制部分，其包括控制模块、与控制模块电连接并用来探测晶圆温度的温度探测器、和与控制模块电连接并用来测量所述微环境和箱外环境压差的压差计；
冷却气体输入管路，其一端受控制模块的控制在晶圆被清洁之后与冷却气体源可连通，另一端连接至晶圆清洁箱以有选择地向箱内输送冷却气体来将晶圆冷却至箱外环境温度；
排气管路，其一端连接至晶圆清洁箱并受控制模块的控制与微环境可连通，另一端连接至气体排放地；
不活泼气体输入管路，其一端受控制模块的控制在晶圆温度降至箱外环境温度时与不活泼气体源可连通，另一端连接至晶圆清洁箱以有选择地向箱内输送不活泼气体直至所述压差达到阈值；
去污干燥装置，其设置成对有选择地进入晶圆清洁箱内的冷却气体和不活泼气体进行过滤和干燥，所述冷却气体输入管路的另一端以及所述不活泼气体输入管路的另一端经由所述去污干燥装置与所述晶圆清洁箱连接。
2.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述冷却气体输入管路的所述一端上设置有冷却气体阀门，所述冷却气体阀门与所述控制模块电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向箱内输送冷却气体。
3.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述不活泼气体输入管路的所述一端上设置有不活泼气体阀门，所述不活泼气体阀门与所述控制模块电连接从而被控制打开或关闭以有选择地向箱内输送不活泼气体。
4.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述排气管路的所述一端上设置有排风门和风机。
5.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述冷却气体输入管路的另一端和所述不活泼气体输入管路的另一端经由三通管路共同连接至所述去污干燥装置。
6.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述去污干燥装置设置有干燥剂、吸附剂和过滤器以使进入晶圆清洁箱内的冷却气体或不活泼气体保持洁净、干燥。
7.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述干燥剂、吸附剂和过滤器在气体流动路径上依次排布。
8.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述不活泼气体为高纯氮气。
9.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述控制模块为PLC控制器。
10.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述晶圆清洁箱的箱体由隔热材料形成。
11.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述温度探测器设置于所述晶圆清洁箱内。
12.如权利要求1所述的晶圆清洁箱内微环境控制装置，其特征在于，所述压差计设置在所述晶圆清洁箱内，并且所述压差计的其中一个输入口经由管子与箱外环境连通。
13.一种晶圆清洁箱内微环境控制方法，其适用于控制所述微环境以防止清洁后的晶圆被再次污染，所述方法包括如下步骤：
在晶圆被加热清洁之后向晶圆清洁箱内输送冷却气体；
使冷却气体在流动经过晶圆之后从晶圆清洁箱内排出；
在晶圆被冷却至箱外环境温度后切断冷却气体的输送；
在冷却气体被切断之后向晶圆清洁箱输送不活泼气体；
当晶圆清洁箱内微环境与箱外环境的压差达到阈值时停止不活泼气体的输送；
其中，在冷却气体或不活泼气体进入晶圆清洁箱内之前先进行干燥和过滤以保持进入微环境的气体的干燥和洁净。
14.如权利要求13所述的晶圆清洁箱内微环境控制方法，其特征在于，所述冷却气体的输送和箱内气体的排出同步进行。
15.如权利要求13所述的晶圆清洁箱内微环境控制方法，其特征在于，所述冷却气体和所述不活泼气体的干燥和过滤经由同一个去污干燥装置。
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