CN110268513A - 用于在工艺室中旋转和平移衬底的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了与用于在处理期间在工艺室内移动半导体衬底的处理系统有关的系统和方法。处理系统围绕枢转点以弧形运动在两个位置之间来回移动衬底，同时围绕衬底自身的中心点旋转衬底。

Description

用于在工艺室中旋转和平移衬底的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月27日提交的题为“Systems and Methods for Rotatingand Translating a Substrate in a Process Chamber”的美国临时申请第62/451,499号的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
可以通过在微电子衬底上施加各种材料和选择性去除各种材料来进行IC制造。制造工艺的一个方面可以包括使微电子衬底的表面暴露于清洁处理以从微电子衬底去除工艺残留物和/或碎屑(例如颗粒)。已经开发了各种干清洁技术和湿清洁技术来清洁微电子衬底以提高产量和装置性能。然而，有源部件的增加的密度(例如，较小的装置特征)使得装置更容易受到来自动力清洁处理的物理损害和来自比过去更小的颗粒的产量损失的影响。因此，期望能够去除较小的颗粒和/或相对较大的颗粒，而不损坏衬底上的敏感结构。
过去，用于低温清洁设备的典型硬件配置使用喷雾棒或喷嘴将清洁化学物质分配至衬底。在一些先前的方法中，在喷雾棒或喷嘴下平移衬底以使处理覆盖最大化，从而以有效的方式均匀地清理衬底。这种方法导致设计具有内部容积的工艺室，所述工艺室能够在局部的工艺喷雾件或喷射件下平移整个衬底，使得工艺喷雾件将以最小停留时间通过衬底的整个直径以实现期望的颗粒去除效率(PRE)。例如，工艺室包括具有滑动杆或稳定杆的线性滑动台，所述滑动杆或稳定杆使承载的线性滑动台移动通过喷雾，从而使得整个衬底将通过喷雾件。这些杆具有弹簧激励的密封件，这些密封件容易受到密封泄漏的影响并且导致颗粒和工艺问题。杆的摩擦表面区域是需要润滑的潜在颗粒源，其引入了额外的污染和颗粒问题。在这些实施方式中，工艺室比衬底直径的两倍还要长，以实现所需的PRE结果。然而，线性平移部件(例如杆)的尺寸需要比衬底大得多的室容积以及随着衬底直径的尺寸增加而增加的工艺室内的摩擦表面区域。另外，较大的室容积增加了成本(例如，更长的抽真空时间、更多的化学品和更大的覆盖面积(footprint))，而没有工艺性能的相应增加。
因此，期望对工艺室设计的任何改进，这些改进使表面处理覆盖最大化、改善颗粒去除效率、减少工艺循环时间、降低化学成本和/或降低设备成本。
发明内容
本文描述了用于在工艺室内处理衬底的系统和方法的实施方式，以消除对具有滑动密封件的线性平移杆的需要，并且在处理整个衬底时使整体移动覆盖面积最小化。移动覆盖面积是处理期间衬底的移动所覆盖的二维面积的最大量。通过不需要衬底的线性平移的衬底处理机构来实现使移动覆盖面积最小化。概括地说，处理机构集成了衬底的两个同时径向移动以最小化2D移动，同时将衬底充分地暴露于清洁化学品以实现期望的PRE。处理机构的旋转中心位于摆臂的相对两端。摆臂的第一端包括枢转点(例如第一旋转中心)，并且摆臂的相对端包括将衬底固定至摆臂的衬底保持器。衬底保持器包括使得衬底能够围绕其自身的中心点旋转的旋转机构(例如第二旋转中心)。衬底处理系统被设计成将衬底的正面定位在化学品分配点下方，使衬底围绕其自身的中心点旋转，同时围绕枢转点以弧形运动来移动旋转衬底。
本文描述的系统可以提供优于在先前方法中使用的线性运动系统的若干优点。例如，最小化水平移动可以实现工艺室的较小的2D覆盖面积，这可以允许将更多的室添加至单个主机(mainframe)以及/或者减小主机的尺寸。较小的行进距离通过缩短电线的长度实现了更清洁的接线管理，并且消除了对用于实现更长的平移移动的电子链电缆管理硬件的需求。此外，所公开的系统设计使得能够使用更简单的旋转馈通技术——包括铁磁流体密封件或旋转滑动密封件——以减少工艺室内的潜在颗粒源的数量和尺寸。较小的机器人覆盖面积减小了真空室内的摩擦表面区域，并且可以将潜在的粒子源(例如移动部件、密封件等)放置得更靠近真空端口，以在粒子到达衬底之前移除粒子。
该系统可以用于对用于构建用于任何目的或应用的电气装置的半导体衬底进行处理。该系统可以包括工艺室，所述工艺室具有能够保持在低于大气压的压力下的内部容积，同时在内部容积内处理或移动衬底。在一个实例中，系统可以配置有流体喷嘴，该流体喷嘴被设计成在处理期间分配流体或气体，并且可以被设置在固定至系统的衬底的对面或上方。该系统包括枢转部件，该枢转部件包括摆臂，所述摆臂一端设置有衬底保持器并且相对端设置有枢转点。枢转部件包括耦接至枢转点的步进电机，并使摆臂围绕枢转点以弧形运动在相距不超过145°的两个位置之间旋转。结合枢转运动，衬底保持器包括使衬底围绕其自身的中心点旋转的旋转系统。该系统可以包括确保枢转点水平偏离衬底中心点的任何长度的摆臂，因为垂直于衬底表面的垂直线不能通过枢转点和衬底中心点绘制。枢转部件可以包括室内部的元件(例如衬底保持器或卡盘等)和室外部的元件(例如旋转/摆动电机等)的组合，以使得衬底能够在工艺室内移动。
在一个实施方式中，枢转部件被配置成围绕枢转点来回移动摆臂，使得摆臂的相对端以弧形运动在从枢转点测量的相距小于145°的两个径向位置之间旋转衬底。支撑部件可以包括用于微电子衬底的支撑表面，支撑表面将微电子衬底固定至支撑部件。在一个特定实施方式中，衬底旋转部件可以耦接至支撑表面，衬底旋转部件使得支撑表面能够围绕支撑表面的中心点旋转。在这种情况下，中心点水平地、垂直地和/或径向地偏离摆臂的枢转点，使得衬底的旋转中心不同于摆臂的旋转中心。可以通过设置在衬底支撑部件或摆臂内的步进电机或磁悬浮电机来实现衬底旋转。在一个特定实施方式中，摆臂可以经由枢转杆(例如轴、管等)耦接至旋转电机，该枢转杆使得摆臂能够相对于电机偏移，从而使得可以将旋转电机设置在内部容积之外。在另一实施方式中，枢转部件可以被配置成围绕枢转点在至少两个位置之间摆动摆臂，以至少部分地基于流体喷嘴相对于衬底和/或衬底的直径的相对位置使衬底上的处理流体覆盖最大化。
在一个实施方式中，使用枢转部件的处理方法可以包括：使用摆臂旋转电机将摆臂定位到工艺室内的装载/卸载位置。衬底处理器将微电子衬底放置在耦接至摆臂的旋转部件(例如支撑表面)上。在通过任何机械装置或电气装置将衬底固定至摆臂之后，可以将摆臂定位至设置在处理室内的喷嘴下方或附近的初始起始位置。在一个具体实施方式中，对衬底进行定位以避免在分配处理流体之前衬底的任何表面区域直接位于喷嘴下方。一旦就位，衬底可以开始以预定的径向速度围绕其中心点旋转。同样，在使工艺处理气体流过流体喷嘴进入工艺室之前，系统控制器将确认任何其他预定的方法条件(例如室压力、工艺气体温度、进气压力或其组合)被满足。在该实施方式中，系统控制器将指示枢转部件使摆臂以预定时间和角速度围绕枢转点以弧形运动在工艺室内的两个或更多个位置之间枢转。在大多数衬底清洁实施方式中，两个或更多个位置之间的旋转角度将小于360°，并且通常小于145°。
本文公开的系统和方法可以应用于任何半导体装置制造操作，其将受益于改进的移动效率和更小的室覆盖面积或工具覆盖面积。本公开内容的范围不限于低于大气压的处理应用，并且本文公开的低于大气压的实施方式仅用于示例性和说明性目的。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与上面给出的本发明的大体描述以及下面给出的详细描述一起用于解释本发明。另外，附图标记的最左边的数字标识该附图标记首次出现的图。
图1包括根据本公开内容的至少一个实施方式的清洁系统的示意图和清洁系统的工艺室的截面图。
图2包括根据本公开内容的至少一个实施方式的清洁系统使用的另一处理系统实施方式的截面侧视图。
图3包括根据本公开内容的至少一个实施方式的处理系统的顶视图。
图4包括根据本公开内容的至少一个实施方式的使用清洁系统的示例性方法的流程图。
图5包括根据本公开内容的至少一个实施方式的另一处理系统实施方式的顶视图。
图6包括根据本公开内容的至少一个实施方式的处理系统内的摆臂移动的顶视图。
具体实施方式
图1包括通过在室内以独特的方式相对于分配源移动衬底来处理微电子衬底的示例性处理系统的示意图。特别地，在关于具有集中流体流动的单个分配源的实施方式中，该集中流体流动能够处理衬底的离散部分，使得移动衬底改善晶片处理结果。然而，处理系统不限于单个分配源处理，并且可以与多源分配处理一起使用以实现更均匀的化学处理(例如清洁、沉积、蚀刻等)。出于示例性和说明性的目的，将处理系统描述为低温清洁系统，但并不旨在将权利要求的范围限制于清洁实施方式。例如，本文公开的系统和方法可以应用于沉积、蚀刻、跟踪(track)、计量、图案化或用于制造电子装置的任何其他处理技术。
概括地说，本文所公开的衬底处理系统包括具有两个同时旋转的构件的嵌套旋转机构，以在化学处理环境内移动衬底。该机构包括围绕位于枢转臂的一端的枢转点来回摆动的枢转臂。设置在枢转点的相对端的是能够固定衬底和使衬底围绕其中心点旋转的衬底支撑部件。枢转运动和旋转运动的组合使得能够在相对小的表面区域内实现最宽的表面暴露。因此，较小的表面区域还使工艺室覆盖面积和体积最小化，这除了工艺益处之外，可以改善循环时间、化学成本和主机覆盖面积。
转至图1，处理系统被示出为清洁系统100，其能够使用低温冷却的流体从微电子衬底102清洁颗粒、污染物或膜。工艺室106可以被配置成从一个或更多个流体源108接收加压流体，其中，加压流体在通过喷嘴112流入或扩展进入内部容积114之前，由流体冷却系统或低温冷却系统110(例如液氮)冷却，该内部容积114通过耦接至工艺室106的真空系统136而保持在相对低的压力下。可以将低温冷却的流体朝向衬底102引导，该衬底102被固定至设置在工艺室106中的处理系统104，如截面侧视图108中所示。在一个实施方式中，用于冷却流体的气体管线(gas line)是隔热的，以使温度变化最小化并防止冷凝。
在该实施方式中，单个喷嘴112用于将处理流体分配到内部容积中。在某些情况下，喷嘴的出口直径与衬底直径之间的尺寸差异可能非常大(例如>50x)。因此，在一些情况下，分配的流体可能仅能够清洁与衬底102的尺寸相比的相对小的区域。在过去，通过在喷嘴102下方线性平移和旋转衬底102来解决该问题。然而，以这种方式处理衬底102需要将衬底平移长距离(例如至少是直径的2倍)以处理整个衬底102并保持期望的PRE。行进距离规定了足够大小的内部容积114，以在不接触工艺室106的侧壁的情况下移动衬底。行进距离和室容积可能不利地影响处理工艺循环时间，因为需要更多时间来行进更大的距离以及泵送/清除更大的容积。因此，减小行进距离和工艺室108的容积可以有益地影响循环时间并使清洁系统100对于操作而言更具成本效益。
本文公开了意在减小衬底的水平或2D行进距离的处理系统104，其实现了内部容积114的减小。处理系统104的距离优势和容积优势通过这样的机构来实现：该机构能够在喷嘴112下方围绕枢转点以弧形运动来回旋转衬底104，同时使衬底102围绕其自身的中心点旋转。喷嘴112可以定位成避免在处理期间越过衬底的中心点。
处理系统104通过使用在一端处固定至枢转杆120以及在相对端处固定至衬底支撑部件122的摆臂118来实现衬底102的两个径向移动的组合。枢转杆120来回旋转不超过145°，使得摆臂118的远端沿着由摆臂118的半径和枢转杆120的旋转角度形成的弧线移动。以这种方式，在工艺处理期间，当从喷嘴112上方或从喷嘴112观察时，衬底102看起来像围绕枢转杆120以弧形运动枢转。该枢转运动由图1中示出的枢转箭头134指示。枢转杆120是处理系统104的第一旋转中心。
处理系统的第二旋转中心位于被配置成使用机械装置和/或电气装置固定衬底102的衬底支撑部件122的中心处。衬底支撑部件被配置成允许衬底102围绕其自身的中心点旋转。在这种情况下，旋转系统124被耦接至支撑部件122并且能够如图1中示出的旋转箭头130所指示的使衬底102旋转。衬底的旋转速度和摆臂的角速度以及其他清洁系统100的操作可以经由能够执行指令的控制器116来控制，其中指令存储在存储器118中并在计算机处理器120上执行以在工艺室106内实现任何处理技术。
半导体处理领域的普通技术人员能够将清洁系统100(例如流体源108、低温冷却系统110、真空系统136、控制器及其相应的子部件(未示出，例如传感器等))配置成实现在工艺室106中执行的任何处理。
在图1的实施方式中，旋转系统124被示出为嵌入到摆臂118中以使来自旋转系统124的移动部件的污染最小化。然而，在其他实施方式中，旋转装置可以耦接至摆臂118的后侧，如图2所示，或者集成到摆臂118的前侧上的衬底支撑部件122。摆臂的前侧与喷嘴相对，并且摆臂118的后侧与其前侧相对。
图2示出了图1中所示的工艺室106和处理系统104的示例性实施方式的截面侧视图。图2的实施方式共享与用于操作图1的清洁系统100的部件有关的一些共同方面。例如，工艺室106外部的操作部件(例如，控制器116等)适用于图2示出的枢转系统200。类似地，可以以与图1中描述的方式类似的方式使用或操作枢转系统200的一些内部部件。例如，共同的内部部件可以包括但不限于喷嘴112和内部容积114。另外，可以由枢转系统200以类似的方式实现图1实施方式中描述的衬底102的移动能力。同样地，枢转系统200的构思和部件也可以应用于图1的清洁系统100和/或工艺室106。
在图2中，枢转系统包括工艺室106的侧壁202，侧壁202包围内部容积114以帮助实现清洁系统100的低于大气压的处理。侧壁202包围枢转系统200的在内部容积114内的一部分并且配置有真空密封穿透件204以连接内部部分与外部部分。穿透件204可以是旋转滑动密封件或铁磁流体密封件，以允许枢转部件200的外部部分(例如电机)暴露于大气状况下，同时使枢转部件200的内部部分能够在低于大气压的环境内操作。侧壁202可以包括其他附加的真空密封入口和真空密封出口，以在处理期间将化学品分配到内部容积114中或排出这些化学品。例如，将喷嘴112耦接至流体源108和将处理化学品输送至工艺室106的气体分配网络。可以将连接至喷嘴112的气体管线或喷嘴112本身设置在侧壁202内，同时使得能够在内部容积114内保持真空紧密密封。将设置在侧壁202内的真空端口206连接至真空系统136，以排出分配到内部容积114中的流体。在图2的实施方式中，将真空端口206设置在衬底102下方，以更有可能在由枢转系统200产生的颗粒可能撞击衬底102之前移除这些颗粒。另外，将真空端口206放置在衬底的弧状运动的下方或对面可以改善跨衬底102的流体流动均匀性，这可以提供更均匀的PRE结果。在一个特定实施方式中，真空端口206可以设置在下侧壁或底侧壁202上，位于由枢转系统200的枢转部件208实现的衬底的弧形行进路径的中点处。
概括地说，枢转部件208在处理之前固定衬底102，然后在喷嘴112下方以径向弧形运动来回移动衬底102，同时使衬底102围绕其自身的中心点旋转。可以将枢转部件208和喷嘴112定位成适应期望的处理结果。例如，在一个实施方式中，喷嘴112和枢转部件208相对于彼此定位，使得喷嘴112在由枢转部件208执行的弧形运动的中点处越过衬底的中心点。然而，在其他实施方式中，喷嘴112可以相对于弧形运动的中心点横向偏移，使得喷嘴112避免越过衬底102的整个直径。以这种方式，在处理期间衬底的水平行进距离可以被最小化并且可以针对枢转部件208实现较小的内部容积114。然而，喷嘴112的位置可以根据清洁系统100或其他应用的期望性能而变化。例如，相对于枢转部件208的喷嘴112放置可以与处理的工艺能力和拥有成本(例如循环时间、化学品消耗、覆盖面积等)相平衡。在一些情况下，处理应用可以受益于喷嘴112越过整个衬底102直径，但在其他处理应用中，较小内部容积114和较短水平行进距离或横向行进距离的成本效益可能不会不利地影响处理结果。
在图2的实施方式中，衬底102经由设置在摆臂118的一端上的衬底支撑部件210固定至枢转部件208，摆臂118在摆臂118的相对端处耦接至枢转杆120。衬底102的弧形运动由摇摆部件212驱动，摇摆部件212耦接至枢转杆120的远端，并且使枢转杆120在相距小于145°的至少两个位置之间来回摇摆旋转。另外，耦接至摆臂118的后侧和/或衬底支撑部件210的衬底旋转部件214驱动衬底102围绕其自身中心点进行360°的旋转。
衬底支撑部件210可以包括卡盘或支撑表面以固定衬底102以防止在处理期间的任何不受控制的移动。卡盘可以使用任何机械装置、电气装置和/或气动装置以将衬底102夹紧或固定至卡盘。在摆臂118和衬底102旋转期间，卡盘应该能够固定卡盘。
在一个实施方式中，衬底旋转部件218可以耦接至摆臂118的后侧和/或衬底支撑部件210。旋转部件218可以包括具有旋转驱动轴的步进电机，使用旋转轴承机构旋转卡盘或支撑表面，使得衬底卡盘或支撑表面可以围绕其自身的中心点旋转。步进电机电耦接至可以根据需要调节旋转速度的控制器116。
在另一个实施方式中，旋转部件218可以包括可以磁耦接至衬底卡盘或表面支撑件的磁悬浮系统(未示出)。悬浮系统可以包括磁径向轴承，以在水平方向、垂直方向和径向方向上磁性地控制衬底卡盘移动。例如，每个移动方向由相应的磁体组独立控制，以提升、稳定和旋转衬底卡盘。每组被指定用于控制特定的移动方向，并且经由控制器116调节以旋转衬底卡盘，而不与枢转系统200的任何其他部件进行物理接触。
在另一个实施方式中，衬底卡盘或支撑表面可以包括加热元件(未示出)，以在低温冷却处理期间加热衬底102。加热可以用于防止由冷却的处理流体导致的衬底102翘曲，其中冷却的处理流体可以在衬底102内产生温度梯度。在一些情况下，温度梯度足够大而引起足够的应力，从而造成衬底102的变形。在一些实施方式中，加热衬底102可以改善处理性能，例如在清洁处理期间去除颗粒、防止颗粒的重新附着、在蚀刻处理期间去除材料、或者在沉积处理期间沉积材料。在一个实施方式中，加热元件可包括电阻元件，该电阻元件耦接至摆臂118并靠近衬底卡盘的旋转部分定位，但不与衬底卡盘的任何旋转部分物理接触。
如图2所示出的，衬底支撑部件210耦接至摆臂118的一端，枢转杆120耦接至摆臂118的相对端。摆臂118和枢转杆120形成由摇摆部件212驱动以在内部容积114内通过预定运动移动衬底102的简单机构。摆臂118和枢转杆120的连接形成枢转点，在内部容积114内衬底102围绕该枢转点在两个位置之间旋转。在该实施方式中，选择两个位置以允许喷嘴112越过衬底102，而不越过衬底的中心点。因此，摆臂的长度取决于衬底102的直径和喷嘴112在内部容积114内的位置。通常，摆臂118的臂半径应大于或小于枢转点与喷嘴112之间的水平距离，以防止喷嘴112在处理期间越过衬底的中心点。枢转杆120的长度取决于摇摆部件212的位置以及喷嘴112与衬底102之间的任何所需间隙。
在一个实施方式中，摆臂118和枢转杆120形成有内部容积，以允许电气管线或气动管线到达衬底卡盘。电气管线和气动管线可用于控制对衬底卡盘的衬底102的旋转和夹持。摆臂118和枢转杆120可以由任何合适的材料制成：材料的强度和成分能够承受施加该材料的任何力，适当地抵抗与引入内部容积114的处理流体的任何化学反应，并防止处理流体到达其内部容积。
摇摆部件212可以是能够以小于145°的来回运动可靠地旋转枢转杆120的任何合适的电气/机械装置。例如，具有合适的扭矩和响应的步进电机允许衬底102沿着摆臂118的自由端的弧形路径以高达50°/s的角速度移动。图3示出了在处理过程的各个阶段期间从截面线AA-AA看到的枢转系统的顶视图。
图3是枢转系统200的示例性实施方式，其示出了如从图2中的AA-AA线所看到的在内部容积114中的处理期间处于各种位置的枢转部件208的顶视图。在图3中，枢转部件208被示为摆臂118、枢转杆120和具有衬底102的衬底支撑部件210。枢转部件208设置在由侧壁202和传送门300表示的工艺室106内，该传送门300是用于将衬底102移入工艺室106和移出工艺室106的开口，在图2中不可见。传送门300使用电气/机械/气动致动器来打开和关闭传送门300，以在侧壁202中创建允许衬底102移入工艺室106或移出工艺室106的开口。当枢转部件208处于装载位置302时，传送机构(未示出)拾取衬底102并将衬底102放置在衬底支撑部件210之上以及从衬底支撑部件210取走。通常，装载位置302靠近传送门以使传送机构进入内部容积的行进距离最小化，但是工艺室108不需要指定的装载位置302与处理位置分开，并且为了便于说明，仅以这种方式示出工艺室106内的可能位置的说明。
在一个实施方式中，在开始处理之前，枢转部件208可以从装载位置302移动至第一位置(例如起始位置)304。在这种情况下，在内部容积114内分配处理流体之前，喷嘴112被定位成刚好离开衬底102的边缘。在从喷嘴112分配处理流体之前，衬底支撑部件210可以开始旋转衬底102。一旦处理流体的流动和工艺压力稳定，枢转部件208就将摆臂118旋转到将衬底102的一部分直接置于喷嘴112下方的第二位置306。枢转部件208将在整个处理过程中在第一位置304与第二位置306之间来回枢转所需量的预定时间，并且可以在第一位置304处或第二位置306处停止。在整个处理过程中，衬底102将围绕枢转点(例如枢转杆120)以弧形运动308移动。在流体分配结束之后，衬底102将停止旋转，并且摆臂118将移动至装载位置302，以使衬底102能够用于通过传送机构拾取。
图4包括用于使用枢转系统200处理衬底的方法的流程图400。可以使用控制器116执行存储在非暂时性介质(例如存储器)中的计算机处理器可执行指令在枢转部件208上实现本文公开的方法，所述计算机处理器可执行指令指导衬底102移动和清洁系统100部件以在衬底102上实现处理条件。方法步骤的顺序是示例性的，并且可以以各种顺序完成步骤，除非另有指示。
在框402处，枢转部件208将使摆臂118定位到装载位置302以将微电子衬底接收在工艺室106(例如处理室)内。传送机器人将移动衬底102通过传送门。
在框404处，传送机器人将微电子衬底102放置在耦接至摆臂118的旋转部件(例如衬底支撑部件210)上。旋转部件将使用任何电气装置、机械装置和/或气动装置将微电子衬底102固定至枢转部件208。
在框406处，枢转部件208将微电子衬底102定位在被设置在处理室内的低温喷嘴的下方或对面。例如，可以将衬底102放置在第一位置304或第二位置306以准备进行处理。
在框408处，枢转部件开始围绕微电子衬底102的中心点旋转微电子衬底102。衬底支撑部件210可以根据处理要求以10rpm到300rpm的旋转速度来旋转衬底。控制器116可以包括枢转速度部件，该枢转速度部件可以包括硬件、固件、软件或其组合，以调节角速度以改变喷嘴112在衬底102上的停留时间。例如，控制器116可以执行指令以至少部分地基于流体喷嘴112相对于微电子衬底102的中心点的相对定位来改变角速度。例如，当流体喷嘴112在距中心点一定距离内时，摆臂118的角速度可以更快，并且当流体喷嘴112进一步远离中心点时，摆动臂118的角速度将减慢。在另一个实施方式中，角速度将根据喷嘴112相对于衬底的中心点或衬底102的边缘的位置而增大或减小。喷嘴112在特定定位上的停留时间可以基于衬底102的速度而变化。随着喷嘴102移动远离衬底的中心，衬底102的速度将增加，从而导致相应的停留时间减小。这意味着处理不均匀地分布在衬底102上，因为更靠近中心的区域将比更靠近衬底边缘的区域具有更高的停留时间。这种变化将产生不均匀的处理结果，使得一些区域根据相对于衬底102的中心的相对位置而被过度清洁或清洁不足。因此，随着喷嘴112向衬底的中心移动或变得更接近衬底的中心，可以增加角速度以使跨衬底102的停留时间即定位上的时间量稳定。例如，当衬底在第一位置304与第二位置306之间转换时，角速度可以以非线性方式在50rpm到12Grpm之间转换。在其他实施方式中，角速度可以至少部分地基于喷嘴112的相对位置和支撑部件210在第一位置304与第二位置306之间转换时的旋转速度。
在框410处，在一个实施方式中，控制器116可以指示清洁系统100使处理化学品流入内部容积并使微电子衬底102暴露于处理化学品。在这种情况下，可以在喷嘴112出口在衬底102紧上方之前开始化学品暴露，使得初始流体被引导朝向相对的侧壁202，而不是衬底102。然而，在该实施方式中，在将处理化学品分配到内部容积114中时，衬底102被认为暴露于处理化学品。
在一个具体实施方式中，处理可以包括在70K到270K之间的温度下和在防止在处理流体中形成液体的压力下从喷嘴112分配的氮气、氩气或两者的组合。本领域普通技术人员能够使用相图或任何其他已知的可用于单个物质或物质的混合物的相图文献来选择温度和压力的适当组合。在许多实施方式中，工艺室106的压力可以保持在小于100托。
在框412处，在控制器116已经确认工艺条件(例如压力、流量、衬底旋转)在期望的限制内之后，枢转部件208可以开始围绕枢转点(例如枢转杆120)来回枢转摆臂118。在大多数情况下，如从枢转点测量的摆臂的旋转角度将小于360°，以实现比先前技术具有更小的内部容积114的成本优势。在大多数实施方式中，控制器116将第一位置304与第二位置306之间的旋转角度限制为小于145°。基于旋转角度限制，衬底的中心点将沿着围绕枢转点的弧线行进。另外，在摆臂118在第一位置304与第二位置308之间摆动时，控制器116可以将摆臂的角速度限制在5弧度每秒至50弧度每秒之间。
在一些实施方式中，控制器116可以执行指令以至少部分地基于流体喷嘴112相对于微电子衬底102的中心点的相对位置来改变旋转速度。例如，当流体喷嘴112在距中心点一定距离内时，旋转速度可以更快，并且当流体喷嘴112进一步远离中心点时，速度将减慢。在另一实施方式中，旋转速度将根据喷嘴112相对于衬底的中心点或衬底102的边缘的位置而增大或减小。喷嘴112在特定定位上的停留时间可以基于衬底102的速度而变化。随着喷嘴102移动远离衬底的中心，衬底102的速度将增加，从而导致相应的停留时间减小。这意味着处理不均匀地分布在衬底102上，因为更靠近中心的区域将比更靠近衬底边缘的区域具有更高的停留时间。这种变化将产生不均匀的处理结果，使得一些区域根据相对于衬底102的中心的相对位置被过度清洁或清洁不足。因此，随着喷嘴112向衬底的中心移动或变得更接近衬底的中心，可以增加旋转速度以使跨衬底102的停留时间即定位上的时间量稳定，以控制跨整个衬底102的处理均匀性。例如，当衬底在第一位置304与第二位置306之间转换时，旋转速度可以以非线性方式在50rpm到120rpm之间转换。在其他实施方式中，旋转速度可以至少部分地基于喷嘴112的相对位置和摆臂118在第一位置304与第二位置306之间转换时的角速度。
控制器116可以控制摆臂的角速度和衬底102旋转速度达存储在存储器118中的预定量的时间。在化学处理结束时，控制器将停止旋转摆臂118和衬底102，并且然后指示摆臂118返回至装载位置302，以使传送机器人能够拾取衬底102并从工艺室106移除衬底。
图5包括处理系统500的顶视图，并且是处理系统104和工艺室106的另一实施方式。在图5的实施方式中，处理系统104可以包括围绕固定点504(例如枢转点)枢转的枢转臂502或摆臂平台。枢转点可以位于枢转臂504的一端，并且可以将枢转点固定至使枢转臂504在处理系统500内在第一位置与第二位置之间移动的机构。枢转臂502的移动可以在第一位置与第二位置之间摆动，使得枢转臂502围绕枢转点506旋转小于360度。在一个具体实施方式中，第一位置与第二位置之间的枢转角度将在小于或等于145度的弧上。在一些情况下，喷嘴112的放置可以限制微电子衬底102的流体覆盖，这可以通过在枢转臂502的与枢转点相对的远端处添加旋转平台508来增强。在该实施方式中，当微电子衬底102在喷嘴112下方旋转时，枢转臂可以在第一位置与第二位置之间平移，其中所述喷嘴112用于形成低温气雾(aerosol)或GCJ喷雾或其他处理化学品。以这种方式，平移和旋转暴露微电子衬底102的不同部分并增加低温气雾或GCJ喷雾的表面区域覆盖，同时使用于清洁处理的室的尺寸最小化。
在一个实施方式中，旋转机构508可以合并到枢转臂502中或者耦接至枢转臂，以在处理期间在枢转臂502在第一位置与第二位置之间移动的同时实现微电子衬底102的360度旋转。旋转机构508可以包括表面支撑区域，以在处理期间固定微电子衬底。表面支撑区域还可以包括加热元件，以抵消由低温气雾或GCJ喷雾引起的表面冷却以增强清洁工艺，防止已移除的颗粒再次沉积到清洁过的表面上，并且还防止工艺室内(例如微电子衬底102或喷嘴112)的冷凝。
在另一实施方式中，枢转臂502的移动可以由步进电机驱动，如图1所示出的，枢转臂来回摆动以围绕枢转点以弧形运动带动微电子衬底102。步进电机可以位于工艺室的外部，并且与延伸至工艺室106中的空心轴带式耦接。空心轴标记耦接至空心轴的枢转臂502的枢转点506。空心轴耦接至铁磁流体密封的旋转馈通装置，该旋转馈通装置在铁磁流体密封件的大气压力侧具有机械轴承，以垂直地支撑轴。然后使用法兰和O形环将铁磁流体馈通组件螺栓连接并密封至室的底部。空心轴可以用于将接线从工艺室外部运送至设置在枢转臂502上的旋转机构508。接线将通过空心轴和枢转臂502与工艺气体隔离。
如图1实施方式所示出的，枢转臂502可以延伸超过微电子衬底102的直径，以允许枢转点506被放置成远离微电子衬底表面，以使由枢转臂502在第一位置与第二位置之间枢转的摩擦引起的污染最小化。
弧形运动系统的一个目的是使低温气雾或GCJ喷雾能够覆盖或处理构建微电子装置的微电子衬底的尽可能多的表面区域(如果不是全部的话)。低温气雾或GCJ喷雾膨胀到工艺室中，从高压环境进入低压环境。因此，低温气雾或GCJ喷雾扩展或覆盖与喷嘴直径(例如<5mm)相比宽的区域(例如100mm至150mm)，这意味着喷嘴不必停留在整个表面区域的紧上方以有效地处理微电子衬底。例如，可以对喷嘴112的位置和弧形系统运动进行优化以使平移运动或弧线运动最小化并且实现低温气雾或GCJ处理在微电子衬底102的整个表面上的表面覆盖。在一个实施方式中，喷嘴112可以保持在固定定位处，但是喷嘴不需要是静止的，而微电子衬底在喷嘴下方以弧形运动平移。与弧形移动结合，微电子衬底102也可以围绕衬底的中心点旋转。可以优化弧形移动和旋转速度以至少部分地基于低温气雾或GCJ喷雾的颗粒移除效率来提供停留时间。停留时间可以基于微电子衬底的表面条件(例如膜类型、膜图案、颗粒尺寸等)而变化。概括地说，枢转臂的角速度将在5弧度每秒到50弧度每秒之间变化，并且衬底支撑件的旋转速度可以在10RPM到300RPM之间变化。如上所述，弧形移动可以围绕枢转点扫过高达145度。
在一个具体实施方式中，低温气雾或GCJ喷雾处理可以从离微电子衬底的边缘几度的喷嘴开始。微电子衬底102的弧形移动可以通过将喷嘴定位在微电子衬底上方在相对于微电子衬底的中心的半径处而开始，所述半径小于微电子衬底的直径(例如，距离直径为300mm的微电子衬底的中心115mm)。通过允许工艺化学品通过喷嘴朝向微电子衬底流动，可以开启低温气雾或GCJ喷雾。在一些情况下，在开始围绕枢转点的弧形移动之前，可以允许低温气雾或GCJ喷雾稳定在该半径处。在一些实施方式中，微电子衬底可以在弧形移动的开始之前或之后开始围绕其中心点旋转。
在工艺处理期间，微电子衬底102可以移动通过被设计成使微电子衬底上的工艺处理覆盖最大化的一个或更多个移动轮廓。移动轮廓可以改变微电子衬底相对于喷嘴112的定位、速度和停留时间。
在一个实施方式中，移动轮廓可以包括越过微电子衬底102的喷嘴112，并且可以在未到达微电子衬底的中间时停止，所述微电子衬底也可以围绕其中心点旋转，以增加从喷嘴分配的低温气雾的表面区域覆盖。替选地，微电子衬底102可以在中间停止并且枢转回到起始位置以第二次处理微电子衬底102。然而，该方法不需要微电子衬底102精确地返回到其起始位置。例如，喷嘴可能越过中间并且在比起始位置更靠近微电子衬底的相对侧的半径处停止。此外，可以通过以下操作来改进清洁工艺：在更靠近微电子衬底的相对侧的半径处停止并且沿相反方向围绕枢转点506以弧形运动返回。这些移动轮廓中的任何一个都可以被用于根据来自喷嘴的清洁区域的有效尺寸来清洁微电子衬底102的整个表面。
由于在喷嘴112靠近衬底102的边缘并且衬底102在旋转时，有效清洁的圆周长较大，因此为了在清洁喷雾下获得相同的有效停留时间，喷嘴必须位于该区域上方达与喷嘴更靠近衬底102的中心时相比更长的时间，其中喷嘴更靠近衬底102的中心时有效清洁圆的周长较短。因此，可以改变枢转臂502的角速度以解决该问题。在一个特定实施方式中，可以优化枢转臂的角速度，以在喷嘴更靠近微电子衬底102的中心时更快地移动微电子衬底，从而为低温气雾或GCJ喷雾提供基本均匀的暴露时间。而且，由于低温气雾非常冷，因此这种可变的角速度用于防止跨微电子衬底102的过大的温度梯度，这会造成衬底的翘曲和工艺性能问题。
如图5所示出的，枢转点506可以靠近真空排气端口510，以使由枢转臂生成的颗粒到达微电子衬底102的可能性最小化。通过使用在枢转点上游注入室的气体将颗粒吸取至真空端口，枢转点506与真空排气端口510的接近可以减少污染。理想地，气体流动将防止由枢转移动产生的颗粒到达微电子衬底102。
枢转臂502的枢转移动由双向箭头示出，从而示出了上述第一位置与第二位置之间的移动的一个实施方式。为了解释而非限制的目的，枢转臂502被示出为三角形形状。三角形形状旨在突出围绕枢转点的枢转运动或摇摆运动。枢转臂502的设计可以至少部分地基于气体流动、真空端口定位和/或工艺条件而变化，这使得在处理期间能够实现最佳颗粒去除效率。枢转臂502设计可以包括但不限于方形设计、矩形设计或圆形设计。在图5的实施方式中，衬底支撑部件可以包含到枢转臂中。在处理期间在枢转臂移动时并且在衬底支撑部件同时旋转微电子衬底时，衬底支撑部件可以固定微电子衬底。以这种方式，在处理期间使暴露于喷嘴的微电子衬底的表面区域最大化。因此，可以优化枢转臂的长度和枢转臂的第一位置与第二位置的定位，以实现清洁处理化学品的表面区域覆盖以使颗粒去除效率最大化。
图6包括支撑臂602的移动图600的顶视图，该图表示摆臂118和枢转臂502在它们各自的处理系统内的移动。图6示出了在清洁处理期间本文公开的实施方式可以如何在室内的第一位置与第二位置之间枢转的一个示例。在其他实施方式中，枢转臂的设计可以用于减小可移动卡盘的暴露表面区域，使得枢转臂对室内的流体流动的影响被最小化。例如，可以将真空端口放置在可移动卡盘下方，以防止颗粒从可移动卡盘的后侧移动至微电子衬底。例如，在一个特定实施方式中，考虑到微电子衬底和室的尺寸，取决于流体流动所实现的表面覆盖和可用的枢转点定位(例如第一位置和第二位置)，枢转点可以设置在微电子衬底下方。
尽管上面仅详细描述了本发明的某些实施方式，但本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，可以对实施方式进行许多修改。因此，所有这样的修改都意在包括在本发明的范围内。例如，可以将上述实施方式结合在一起，并且可以根据需要添加或省略实施方式的部分。因此，实施方式的数量可以不限于仅在本文中描述的特定实施方式，从而普通技术人员可以使用本文描述的教导来制作附加的实施方式。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
室，其包括能够保持在低于大气压的压力下的内部容积；
耦接至所述室的枢转部件，所述枢转部件包括：
设置在所述内部容积内的摆臂，所述摆臂包括位于所述摆臂的一端的枢转点；以及
耦接至所述摆臂的摇摆部件，所述摇摆部件能够围绕所述枢转点来回旋转所述摆臂；
耦接至所述摆臂的远端的支撑部件，所述支撑部件包括：
用于微电子衬底的支撑表面，所述支撑表面用于将微电子衬底固定至所述支撑部件；以及
耦接至所述支撑表面的衬底旋转部件，所述衬底旋转部件能够围绕所述支撑表面的中心点旋转所述支撑表面；以及
设置在所述内部容积内的流体喷嘴。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述摇摆部件被配置成围绕所述枢转点以小于145度的旋转角度来回旋转。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体喷嘴耦接至流体源和低温冷却系统。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述支撑表面包括将所述衬底固定至所述支撑表面的衬底夹持机构。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衬底旋转部件包括围绕所述中心点旋转所述支撑表面的步进电机。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衬底旋转部件包括围绕所述中心点旋转所述支撑表面的磁悬浮系统。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述摆臂包括靠近所述支撑表面设置的加热元件。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体喷嘴被配置成耦接至低温冷却部件，或者，所述流体喷嘴耦接至所述低温冷却部件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述流体喷嘴包括耦接至隔热气体管线的入口，所述隔热气体管线耦接至流体冷却单元。
10.一种设备，包括：
室，其包括能够耦接至真空泵的内部容积；
设置在所述内部容积内的摆臂，所述摆臂平台被配置成围绕位于所述摆臂的一端的枢转点在两个位置之间摆动；
耦接至所述摆臂的衬底卡盘，所述衬底卡盘包括相对于所述摆臂的所述枢转点水平偏移的中心点，所述衬底卡盘包括：
衬底平台，用于将半导体衬底固定至所述衬底卡盘；以及
旋转机构，其耦接至所述衬底平台。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括摆臂旋转部件，所述摆臂旋转部件被设置在所述内部容积的外部并且通过真空紧密密封件或穿透部件耦接至所述摆臂。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述真空紧密密封件包括铁磁流体密封件或旋转滑动密封件。
13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述旋转机构被设置在所述内部容积内。
14.根据权利要求10所述的设备，其中，所述摆臂被配置成围绕所述枢转点旋转高达145度。
15.一种方法，包括：
对摆臂进行定位以将微电子衬底接收在处理室内；
将微电子衬底放置在耦接至所述摆臂的旋转部件上；
将所述微电子衬底定位在被设置在所述处理室内的喷嘴下方；
使所述微电子衬底暴露于包括低温冷却流体的工艺处理；
围绕所述微电子衬底的中心点旋转所述微电子衬底；以及
围绕枢转点来回枢转所述摆臂。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述枢转包括：以至少部分地基于所述流体喷嘴相对于所述微电子衬底的中心点的相对位置而变化的角速度来旋转所述摆臂。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述枢转包括：以5弧度每秒到50弧度每秒之间的角速度来旋转所述摆臂。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，旋转包括：以至少部分地基于所述流体喷嘴相对于所述微电子衬底的中心点的相对位置而变化的旋转速度来旋转所述微电子衬底。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述旋转包括10 RPM到300 RPM之间的旋转速度。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述枢转包括在第一位置与第二位置之间旋转所述摆臂，其中，所述第一位置和所述第二位置沿着围绕所述枢转点的弧线相距小于145度。
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