CN1167518C - 处理微电子工件的微环境反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明阐明了一个在微环境中处理工件(55)的设备(10)。该设备包括旋转电机(40)和工件内室(20)。工件内室(20)连接到旋转电机(40)并被它旋转。工件内室(20)进一步定义了完全封闭的处理膛(50)，其中有一个或多个处理流，它们通过内室(20)旋转产生的向心加速度分布到工件(55)的至少一个表面。本文还阐明了增强该设备的各种措施以及使用该设备的过程。

Description

处理微电子工件的微环境反应器
与本发明相关的背景技术
业界不断地在寻找改善制造微电子电路和元件，比如从晶片制造集成电路的处理方法。人们发现了各种各样的改善，但通常都以一个或多个目的作为设计目标。这些改善的目标包括：1)减少把晶片处理成期望的集成电路所需的时间，2)增加单位晶片变成可用的集成电路的产量，比如通过减少处理过程中晶片污染的可能性；3)减少把晶片变成期望的集成电路的步骤；4)减少把晶片处理成集成电路的成本，比如通过减少处理过程所需的化学物质的成本。
在处理晶片时，通常有必要把晶片的一个或多个表面放置在某一流体如液体、蒸汽或气体中。举例来说，这些流体被用于腐蚀晶片表面，清洁晶片表面，烘干晶片表面，钝化晶片表面，沉淀晶片表面的薄膜等。控制处理流体的物理参数，比如它们的温度，分子组成，剂量等，通常对处理操作的成功起着关键作用。因此，把这些流体导入晶片的表面的过程必须在受控的环境下进行。一般地，这些晶片处理都发生在目前人们熟知的反应器中。
业界已经知道并使用着各种结构和配置的反应器。Semitool公司用着一个这样的反应器，并把它应用到它们的Equinox(该公司品牌)处理工具。一般而言，反应器由反应杯阵列组成，其中包含有固定的反应杯，构造反应杯的材料与用于晶片处理特定步骤中使用的处理流体不发生化学反应。在反应杯中提供了引导流体进入杯中的许多喷嘴或其它装置。固定杯有一个开口的顶部。支撑晶片的转子头阵列用于密封反应杯的顶部，从而构成一个处理膛以便晶片在里面被处理。除了把晶片引入到处理膛之外，转子头阵列还用于旋转晶片，旋转晶片发生在处理流体引入晶片表面时或处理完成之后用于驱除处理流体。
在处理过程中，机械设备在有许多处理反应器的彻底清洁的环境中操作带有晶片的转子头阵列。机械设备用暴露的状态提供晶片给转子头阵列，其方向保持使晶片待处理的一面朝上。旋转头阵列把晶片颠倒过来并设法密封处理杯。在处理晶片的过程中，保持晶片被处理的一面始终朝下。
对生产集成电路所采用的许多流体处理步骤来说，以前的反应器的结构和配置相当有用。但是，本发明人认识到将来的集成电路制造过程会最终需要更大程度的控制反应器并使之具有高效率。因此，本发明开发了一种新的反应器处理和设计的方法，它增强了对目前用于微电子制造的流体处理过程的控制，并且进一步提供了实现和执行更高级更完善的处理过程。另外，该反应器包括一些有优势的力学特征，这些特征包括允许反应器用于机械晶片传送装置，允许反应器方便的为不同的处理过程而重新配置，以及允许反应器的处理膛方便的拆卸和安装。
本发明阐明了一个在微环境中处理工件的设备。该设备包括旋转电机和工件内室。工件内室连接到旋转电机并被它旋转。工件内室进一步定义了完全封闭的处理膛，其中有一个或多个处理流，它们通过内室旋转产生的向心加速度分布到工件的至少一个表面。本文还阐明了增强该设备的各种措施以及使用该设备的过程。
附图简要说明
图1是根据本发明的一个实例构造的微电子工件内室和转子阵列的截面图。
图2是根据本发明教导构造的微电子工件内室的进一步实例的剖面图。
图3是图2的工件内室处于装配状态的顶视图。
图4是图3的工件内室沿线IV-IV的截面图。
图5是图3的工件内室沿线V-V的截面图。
图6是图3的工件内室沿线VI-VI的截面图。
图7A和7B的截面图显示了工件内室处于关闭状态并连接到旋转驱动阵列的情形。
图8A和8B的截面图显示了工件内室处于打开状态并连接到旋转驱动阵列的情形。
图9描述了边缘配置的一个实例，该边缘配置有利于在工件内室互斥地处理晶片的较高的和较低的表面。
图10描述了工件内室的一个实例，它与一个自动循环系统连接。
图11和12是采用本发明的样例处理工具的示意图。
图13描述了根据本发明的原则构造的晶片批处理工具。
图14描述了反应器的进一步的实例，它所包括的特征有助于它很好的与工件转送自动装置配合，在此过程中，反应器处于打开状态以便装载或卸载待处理的工件。
图15描述图14所示的反应器的实例，但该反应器处于关闭状态。
图16描述可能用于图14的反应器的偏斜元件的实例。
图17说明前述反应器用于实现冲洗/烘干过程的系统。
图18是另一种不同的情况下反应器被切掉一部分后的透视图。
图19是反应器沿中心垂直轴的截面图。
图20是图3的反应器中画了圆圈的特定部分的放大了的细节。
图21和22是图20描述的特定部分的进一步放大，分别取自反应器的不同位置。
图23是用于反应器的转子的放大了的透视图。
图24是用于反应器的较低的膛壁和四个杠杆的放大了的透视图。
图25和26是杠杆进一步放大的细节，两图分别从不同的位置观察。
发明的详细描述
图1是根据本发明教导构造的反应器(一般用10表示)的某一实例的截面图。图1的反应器10的实例由转子部件15和微电子工件内室20组成。转子部件15包括一组支撑元件25，它们从转子部件15向下延展以接合工件内室20。每个支撑元件25包含有槽30，其尺寸可以接合放射状扩展的凸缘35，凸缘扩展到工件内室20的外围区域。转子部件15还包括旋转电机阵列40，其用途是沿中心轴47旋转中心部件45，该中心部件包括支撑元件25。这样，当支撑元件25接合凸缘35时，工件内室20就可以和中心部件45一起安全的旋转。另外，还使用了转子部件15的其它结构以及用于保护工件内室20的接合机制。
图1中工件内室20的实例定义了一个彻底封闭的处理膛50。该彻底封闭的处理膛50的形状最好与微电子工件55的自然外形一致，并紧密吻合工件的表面形状。图1的特殊结构包括一个有内膛表面65的上膛元件60。上膛元件60在其内膛表面包含有一个中心放置的流体入口70。该特殊结构还包括一个有内膛表面80的下膛元件75。下膛元件75在其内膛表面包含有一个中心放置的流体入口85。上膛元件60和下膛元件75互相接合，定义了处理膛50。上膛元件60包括从其内膛表面65向下投影的边壁90。一个或多个出口100通过边壁90被放置在处理膛50的周边区域，当内室20绕轴47旋转时，利用产生的向心加速度，膛50中的流体通过出口排出。
在所描述的实例中，微电子工件55通常是具有上平面和下平面的圆形晶片。因此，处理膛50的平面图通常是圆形，内膛表面65和80通常是平坦的而且平行于工件55的上平面和下平面。内膛表面65和80之间以及工件55的上下平面之间的间隔相当小。该间隔最好足够小以便对流经空隙区域的处理流体的物理属性提供彻底的控制。
晶片55与内膛表面80之间有从内膛表面80伸展出来的一组间隔元件105隔开。从内膛表面65伸展出来另一组间隔元件110，它们与间隔元件105对齐并固定住两者之间的晶片55。
流体入口70和85提供传输通道，以便一种或多种处理流体进入膛50来处理晶片表面。在所描述的实例中，从晶片55的上部进入入口70的处理流体要经过流体供应管道115，该管道具有位置接近入口70的流体出口喷嘴120。流体供应管道115通过转子部件15沿中心扩展，它最好应该和转轴47同心。类似的，从晶片55的下部进入入口85的处理流体要经过流体供应管道125。流体供应管道125的终端有一个喷嘴130，其位置接近入口85。尽管喷嘴120和130的终端位置离它们各自的入口还有一段距离，但我们应该知道可以伸展管道115和125从而使缺口135消失。另外，喷嘴120和130或管道115和125还包括旋转密封元件，它们邻接并密封上下膛元件60和75的入口70和85区域。此时，在设计旋转部件时要仔细考虑，以便使由于运动部件的磨损导致的任何污染降到最小。
在处理过程中，一个或多个处理流体单独或同时通过流体供应管道115和125以及入口70和85供应，它们接触到膛50中工件55的表面。内室20在处理过程中通过转子部件15绕轴47旋转，利用向心加速度的作用，在膛50内部产生经过工件55表面的连续流体流。因此，进入入口70和85的处理流体被驱动着穿越工件表面，其方向呈放射状，从工件55的中心发散到工件55的周边。在工件55的周边，任何用尽的处理流体都由于向心加速度的原因而从出口100排出膛50。用尽的处理流体汇聚到杯状容器中，该容器放置在工件内室20的下边或附近。正如下面将要阐明的，工件内室20的周边区域的结构可以有效的把来自入口70的处理流体和来自入口85的处理流体分离开，以便晶片55的不同表面可以使用不同的处理流体加工。在此种安排下，处理流体可以分别汇聚到内室20的周边区域供处理或再循环。
在图1所示的实例中，工件内室20可以组成单一的晶片群，用于在不同的处理站和/或工具之间传输工件55。如果在不同的处理站和/或工具之间传输内室20发生在清洁的环境中，那么内室20的各种不同开口可以不必封闭。但是，如果这种传输发生在有晶片污染的环境中，就必须有效的密封各种不同开口。比如，入口70和85都被提供不同的有缝隙的聚合体横隔膜。此时，流体供应管115和125的末端都有特定的跟踪结构用于从横隔膜的缝隙中扩展并把处理流体引入膛50。这种跟踪/缝隙横隔膜结构用于医学界的静脉供应设备。选择用做横隔膜的聚合体材料时应该考虑将要引入的特定处理流体。出口100密封方法与之类似，一旦内室20处于清洁的环境，就把跟踪结构插入横隔膜。
另外，可以构造出口100允许流体从处理膛排出同时禁止流体从内室20的边缘进入膛50。达到该效果的一个例子是通过把开口100构造成喷嘴形式，即流体流开口在膛50的内部开口较大而在内室20的周边开口较小。还可以进一步改造出口100，可以使用旋转阀门元件连接一组出口100。阀门元件，比如带开口的环状物(其开口分别对应出口100的位置)，放置在开口100的临近，在传输时，通过旋转密封出口100。在处理时，则旋转阀门元件使出口100处于开放状态的位置。惰性气体，比如氮，可以通过供应管道115和125被充入膛50，充入的时机要恰好在把内室传输到后续工具或处理站之前。其它各种密封机制也可以用于封闭出口100以及入口70和85。
图2是另一个反应器结构的透视图。该反应器放置在固定的处理状态，可以打开或关闭以便放入和取出工件。反应器，标记为200，由可分离的上膛元件205和下膛元件210组成。象前面的实例一样，上膛元件205包含通常为平面的膛表面215，膛表面有中心分布的入口220。尽管在图2中没有画出，下膛元件210同样的有通常为平面的内膛表面225，其膛表面也有中心分布的入口230。上膛元件205包括向下伸展的边壁235，它可以用密封聚合体材料形成，也可以与元件205的其它部分集成。
上膛元件205和下膛元件210彼此分离，以接受位于其间的工件。当工件被放置在它们之间时，上膛元件205和下膛元件210相向移动形成处理膛，处理膛中间的工件固定在与平面内膛表面215和225有一定间隔的位置上。在图2-8B所示的反应器实例中，工件，比如半导体晶片，被夹紧在一组支撑元件240和相应的间隔元件235之间，此时，上膛元件和下膛元件联合起来构成处理膛(参见图7B)。上膛元件和下膛元件之间彼此或分或和轴向运动是有一组扣件307推动的，扣件的结构将在下面描述。该组扣件307使上膛元件和下膛元件处于关闭的位置，如图7A所示。
在所揭示的实例中，一组晶片支撑元件240伸展到上膛元件205的边缘区域，其位置是边壁235的放射形外围。晶片支撑元件240沿各自的轴245线性运动，允许支撑元件240和间隔元件255在上膛元件和下膛元件处于关闭位置时(如图7A所示)夹紧晶片，也允许支撑元件240当上膛元件和下膛元件分离时(如图8A所示)从夹紧状态释放晶片。每个支撑元件240包括一个支撑臂250，它朝上膛元件205的中心呈放射状的伸展。每个支撑臂250的末端放置在相应的间隔元件255的上面，后者从内膛表面215伸展出来。每个间隔元件255都呈锥形，其顶部接近支撑臂250的末端。凹口295被放置在下膛元件210的边缘位置并可以接合晶片支撑元件240的圆形下部300。当下膛元件210向上推到关闭位置时，凹口295接合支撑元件240的圆形下部300，并驱动它们向上以保护位于支撑元件240的支撑臂250和相应的间隔元件255之间的晶片55。该关闭状态如图5所示。在关闭状态，凹口295和上膛元件对应的凹口296(参见图2)在反应器200的边缘区域提供了一组出口。每个支撑元件240的放射状排列的支撑臂250由设定梢308维持，它们从侧面槽309伸展出来，穿越每个支撑元件的上部。
扣件307的结构允许上膛元件和下膛元件彼此之间或合或分的运动，如图2，6，和7B所示。下膛元件210包括一组固定其上的中空的圆柱体270，并朝上伸展，穿过上膛元件205的周边区域的对应缺口275，形成每个扣件307的下部。棍280延伸到中空的圆柱体270并可靠地形成每个扣件307的上部。棍280和圆柱体270联合起来形成扣件307，它可以在上膛元件205和下膛元件210之间沿打开和关闭位置之间的轴线283做相对线性的运动。在每个棍280的上部有两个凸缘285和290。凸缘285起着停止元件的作用，它限制上膛元件205和下膛元件210在打开位置时的过分分离。凸缘290提供一个表面来限制弹性元件比如弹簧(参见图6)等，使上膛元件205和下膛元件210倾斜到关闭的位置。
参见图6，弹簧303等类似的物体，一头位于每个扣件307伸展出来的圆形槽305中，每个弹簧的另一头的位置与各自对应的扣件307的凸缘290接合，扣件307处于压缩状态从而使弹簧产生弹力驱动扣件307和下膛元件210向上与上膛元件205接合。
所设计的反应器200在处理工件时沿中心轴旋转。为了达到该目的，中心放置的轴260从上膛元件205的上部伸展。在后面的图7A-8B将进一步详细描述，轴260与旋转驱动电机接合用来旋转驱动反应器200。轴260的结构具有位于中心位置的流体通道(参见图4)，经过该通道，处理流体可以到达入口220。另外，中心通道还可以当作分离的流体入口管道等。
如图3和4所示，一组可选的溢流通道312沿上膛元件205的中心位置发散分布。轴260的终端是带入口凹陷320的开叉末端315，它在处理膛310的上部和溢流通道312之间提供流体运输。轴260的开叉末端315利用诸如装配板325之类的东西可靠的连接上膛元件205。装配板325也通过一组扣件330可靠的连接到上膛元件205(图5)。当流入处理膛310的流体超过从膛周围的出口流出的量时，溢流通道312允许处理流体离开处理膛310。
图7A和7B是反应器200处于关闭状态的截面图，它连接一个旋转驱动阵列，用400标记；而图8A和8B是类似的截面图，但是反应器200处于打开的状态。如图所示，轴260向上扩展到旋转驱动阵列400。轴260和定子405结合起来，形成旋转驱动电机阵列410的必要组件。
如图1所示的实例，上膛元件205和下膛元件210结合起来定义了彻底封闭的处理膛310，其形状，在优选实例中，与工件55的外形完全一致。晶片55被固定在膛310内部，其上下表面与内膛表面215和225之间保持一定距离。如上所述，这是由支撑元件240和间隔元件255实现的，当反应器200处于图7A和7B的关闭位置时这些元件夹紧晶片55的边缘。
正是到图7A和7B所示的关闭状态才开始处理晶片55。晶片可靠的处于处理膛310之内，处理流体经过轴260的通道415和入口220进入膛310的内部。类似的，处理流体还经过导向入口230的处理供应管道125进入膛310。随着旋转驱动电机阵列410旋转反应器200，任何经入口220和230供应的处理流体都被向心加速度产生的力驱动而穿过晶片55的表面。用尽的处理流体从反应器边缘由凹口295和296形成的出口离开处理膛310。这些出口之所以存在是因为支撑元件240的结构没有完全阻挡结果流体的流动。另外，或作为补充，也可以在边缘区域提供其它的开口。
一旦处理完成，反应器200就被打开以便拿取晶片，如图8A和8B所示。处理完之后，激励器425被用于驱动激励线圈430向下移动与扣件307的上部接合。扣件307被驱动并压迫弹簧303，导致下膛元件210下降并与上膛元件205分开。随着下膛元件210的下降，支撑元件240也在重力的影响下或抵消弹性元件的作用力而随之下降，晶片55也同时下降。在较低的位置，反应器膛310打开，因而把晶片55暴露出来，以便移开和/或插入新的晶片到反应器200。该插入和移开的操作可以手工进行，也可以用自动机械臂进行。
前述的反应器200设计特别适合于用机械传输机制等类似的方法自动装载和卸载工件。比较图7A和8A可以作为证据，工件上表面和上膛元件205的内膛壁之间的间隔随着反应器200处于打开或关闭状态的不同而不同。当处于打开状态时，工件上表面与上膛元件205内膛壁之间的间隔设为x1，它为自动传输机制的工件传输臂的操作提供足够的清除空间。当处于关闭状态时，工件上表面与上膛元件205内膛壁之间的间隔设为x2，x2小于x1。距离x2在所描述的实例中可以按照在工件处理操作中期望的间隔选择。
图9描述便于分开处理晶片55的每个面的边缘配置。如图所示，分隔元件500从处理膛310的边壁235伸展到紧靠晶片55的周边505的位置。分隔元件500可以采取各种不同的形状，图中所示的锥形只是一种配置而已。分隔元件500最好伸展到处理膛310的整个圆周。第一组一个或多个出口510分布在分隔元件500的上面，接受从晶片55的上表面来的用尽的处理流体。类似的，第二组一个或多个出口515分布在分隔元件500的下面，接受从晶片55的下表面来的用尽的处理流体。当晶片55在处理过程中旋转时，来自供应管415的流体到达晶片55的上表面并利用向心加速度的作用在晶片上表面分散开来。类似的，来自供应管125的流体到达晶片55的下表面并利用向心加速度的作用在晶片下表面分散开来。由于分隔元件500的边缘紧靠着晶片55的周边，来自晶片55上表面的处理流体不会流到分隔元件500的下面，而来自晶片55下表面的处理流体也不会流到分隔元件500的上面。因此，采用该反应器结构可以用不同的处理流体和步骤以互斥的方式同时处理晶片55的上表面和下表面。
图9还描述了如何把供应给晶片上表面和下表面的处理流体用互斥的方式收集起来。如图所示，流体收集器520沿反应器200的外边缘分布。流体收集器520包括第一收集区域525，该区域有纵立的长条木版530和流动的沟壑535，该结构引导流体从出口510流到第一排液沟540，来自晶片上表面的用尽的流体就被引导到收集储存槽供处理或再循环。流体收集器520还包括第二收集区域550，该区域也有纵立的长条木版555和流动的沟壑560，该结构引导流体从出口515流到第二排液沟565，来自晶片下表面的用尽的流体就被引导到收集储存槽供处理或再循环。
图10描述了反应器200的另一个配置，它从流体入口230供应处理流体。如图所示，工件内室20放置在杯570上。杯570包括位于出口100外部的边壁575以收集从膛310流出的流体。有角度的底面580把收集的流体导向坑585。流体供应线587连接到坑585并提供流体。坑585最好还配备一个导流阀门589。入口主干592定义了一个渠道595，其一端是开口597，开口于坑585，另一端是入口开口230。
图10所示的实例在操作时，随着反应器200的旋转，处理流体从供应线587提供给坑585。一旦坑585满了，从供应线587流到坑中的流体就停止。反应器200的旋转带来的向心加速度提供压力差，驱动流体经过开口597和230，进入膛310，至少接触晶片55的下表面，并离开出口100，流体重新循环到坑585以便进一步使用。
图10所示的自动重循环系统有许多优点。紧密的流体环使过程参数控制的延迟最小，从而便于控制各种物理参数，比如流体温度、流体流量等。而且没有检测设备、容器壁、泵等的热量损失。另一个优点是该系统不使用分离的泵，因此消除了泵带来的故障。这种故障或失效对处理温度高而有腐蚀性的化学物质而言是常见的。
图11和12描述了两种不同类型的处理工具，其中每个工具都采用一个或多个包含上述反应器结构的处理站。图11是某一工具的示意方框图，通常标记为600，包括一组放置呈弓形606的处理站605。处理站605可以对晶片执行类似的处理操作，也可以执行不同但互补的处理操作。比如，一个或多个处理站605可以对晶片执行金属(如铜)电镀过程，而其它一个或多个处理站执行互补的操作，比如清洁/烘干过程，预湿润过程，光阻尼过程等。
待加工的晶片从输入/输出站607供应给工具600处理。供应晶片给工具600可以采用S.M.I.F群，其中每个内部放置一组晶片。另外，也可以用单独的工件内室，比如图1的20，提供晶片给工具600。
每个处理站605都可以由自动臂610访问。自动臂610传输工件内室或单独的晶片到输入/输出站607。自动臂610还在各种不同的处理站605之间传输晶片或内室。
在图11所示的实例中，自动臂610绕轴615旋转沿通道606执行传输操作。相反，图12所示的工具620利用一个或多个自动臂625，沿线形通道630运行，执行所需的传输操作。如图10的实例所示，使用了一组独立的处理站605，但是在本设计中更多的处理站605采用单一处理工具。
图13描述了在批处理设备702中采用一组工件内室700(比如上面描述的)的一种方法。如图所示，各个工件内室700以垂直方式互相堆叠，通过共同的旋转电机704绕共同的旋转轴706旋转。设备702还包括处理流体传递系统708。传递系统708包括从流体供应处(未画)接受处理流体的固定折叠710。固定折叠710上有出口，出口连接到旋转折叠712的输入端。旋转折叠712可以与内室700可靠的一起旋转，它与固定折叠710通过旋转节点714相连。一组流体供应线716从旋转折叠712伸展到各自的喷嘴部位718，并接近内室700的入口。分布于两个内室700之间的喷嘴718用于提供向上和向下两个方向的流体流。相反地，最低供应线716包括的喷嘴718只提供向上方向的流体流。旋转折叠712的最上部包括出口720，它提供处理流体给最上边的内室700的流体入口。
图13的批处理设备702的结构用于同时提供同样的流体给每个内室700的上表面和下表面。但是，也可以采用其它配置。比如，喷嘴718可以包括阀门元件用于选择开或关，根据流体需要供应给每个内室700的上入口还是下入口。在这种情形下，最好采用边缘配置，比如图9所示的配置，在每个内室700中把供应给晶片55上表面和下表面的流体分隔开来。另外，设备702还包括同心折叠，用于同时供应两种不同的流体给与内室700的上入口和下入口有关的单独的供应线。
图14显示了一个特别适合与自动处理工具集成的反应器实例。该反应器，通常标记为800，其特征是采用一种独特的协作方式，允许自动臂等类似的设备在装载和卸栽操作期间从反应器800中插入或取出工件，而同时又保证工件和反应器内膛壁之间在处理过程中相对清洁。
上述反应器实例和图14所示的反应器800之间的一个原则性区别在于工件支撑阵列的性质。如图所示，反应器800包含与下膛元件210对应的工件支撑阵列，以805标记。根据所述的实例，工件支撑阵列805包含一组从下膛元件210伸展出来的工件支撑元件810。工件支撑元件810的下部由弹性元件815支撑。在工件支撑元件810的弹性元件815的末梢，工件支撑元件810的终端是工件支撑表面820和引导结构825。引导结构825从工件支撑表面820伸展到一个钝圆锥体830。引导结构825有助于把工件边缘送入到与工件支撑表面820对齐的位置，从而保证处理过程中工件正确的登记。引导结构825还在上膛元件205的内膛壁和工件的上表面之间提供了清洁空间。
当上膛元件205和下膛元件210处于所示的打开状态以便往反应器800中装载或卸载工件时，所描述的实例的弹性元件815用来使工件支撑元件810弹向上方。弹性元件815可以有许多形式。比如，对所有的工件支撑元件810采用共同的单一弹性结构。另外，如所揭示的实例所示，每个工件支撑元件810有单独的弹性结构。该单独的弹性结构采用叶式弹簧835的形式，或采用其它的如卷式弹簧结构等形式。
正如上面有关反应器实例的描述，反应器800的上膛元件205和下膛元件210可以相对移动，形成如图14所示的打开状态和图15所示的关闭状态。由于膛元件205和210相对运动，工件支撑元件810的钝圆锥830可以接合到上膛元件205的内膛表面。膛元件205和210之间的连续运动驱动工件支撑元件810反抗叶式弹簧835的弹力直到工件被工件支撑元件810的支撑表面820和相应的突出物840夹紧。该突出物840从上膛元件205的内膛壁伸出。当处于该关闭状态时，反应器就作好了处理工件的准备。
图14的反应器800还包括有助于确保上膛元件和下膛元件210、205之间的正确配置的装置，该装置使上下膛元件互相接近达到处理位置。在所描述的实例中，这些装置采用类似天线引入线的引导别针845的结构，别针845从一个膛元件伸展出来并接合到另一个膛元件的缝隙中。此处，引导别针845从下膛元件210伸展出来并接合到上膛元件205的缝隙中(未画)。引导别针845都是直立的元件，其终端分别对应作为引导表面的各个钝圆锥。
前述设计使反应器800特别适合于自动工件装载和卸载，比如，自动传送机制，采用该机制可以直接把工件插入反应器而不会使工件弹出。通过比较图14和15可以作为证据，工件下表面和下膛元件210的内膛壁之间的间隔随着反应器800处于打开或关闭状态的不同而不同。当处于打开状态时，工件下表面与下膛元件210内膛壁之间的间隔设为x1，它为自动传输机制的工件传输臂的操作提供足够的清除空间。当处于关闭状态时，工件下表面与下膛元件210内膛壁之间的间隔设为x2，x2小于x1。距离x2在所描述的实例中可以按照在工件处理操作中期望的间隔选择。
图16描述了弹性元件815的一个实例。如图所示，弹性元件815由一组叶式弹簧835组成，它们以放射状从中心节点区域850伸展到各个工件支撑元件810的下边。另一组放射状元件855从中心850伸展到各个引导别针845的下边。与叶式弹簧835不同，该另一组放射状元件855不必设计成随着上下膛元件210和205朝处理位置运动而伸缩。弹性元件825的形成可以是聚合体材料或同类的东西，用于阻尼处理环境中的化学物质。如果使用这样的材料，工件支撑元件810和引导别针845就可以与它们各自对应的叶式弹簧835和放射状元件855集成为一体。
在所描述的实例中，中心节点850包含中心缝隙900以容纳安全装置905，它把弹性元件815和下膛元件210的下边连接起来。参见图14和15，安全装置905可以用于通过下膛元件210提供处理流体入口。当安全装置905以该方式形成时，反应器800就拥有了一个快捷而方便的方式来为不同的处理提供不同的入口配置。
有时候，人们会需要把反应器800移出头盖860。比如，反应器800有时要移出来服务，有时要用执行其它过程的反应器或处理其它工件类型的反应器替换。
为了达到该目的，反应器800和头盖860之间装配了连接器阵列865，后者允许反应器800和头盖860之间方便的连接或断连。在图15所示的实例中，连接器阵列865由固定在处理头盖860上的头连接器870和固定在反应器800上的反应器连接器875组成。在正常操作时，连接器870和875通过有螺纹的接点880可靠的连接在一起。螺杆组885从头连接器870伸出，可以通过旋转紧固反应器连接器875的表面或对应的缝隙，从而防止连接器870和875松开。
如果希望移开反应器800，就旋转反应器使之对齐螺杆集885和固定于头盖860的对应的筒状通道890。筒状通道890的结构允许用户扩展一个工具来接合螺杆集885。然后旋转并升高螺杆集直到它与螺杆头部方块895紧密接合。一旦按该方式紧密接合，头部连接器870就旋转锁定头部区域860，从而允许反应器800和对应的反应器连接器875与头部连接器870松开达到移动反应器的目的。
反应器800的另一个特征是在上膛元件205采用铝等物质制造的硬化元件910。通过增加上膛元件或下膛元件的硬度，就可以使用较高的旋转速度，而且可以增加处理过程中内膛壁的平滑度。
上面揭示的反应器结构有大量很好的优势。其中许多优势直接来自于减少反应器膛中的流体流动区域。一般而言，由于很少的流体被浪费所以可以更有效的利用处理流体。而且，减少反应器膛的流体流动区域可以更容易的控制流体的物理参数，比如温度、质量流等。这带来了更相容的结果而且使得这些结果可以重复。
前述结构还可以对单一晶体使用两种或更多不同处理流体执行连续处理，而且这些流体都从反应器膛的单一入口提供。另一方面，同时提供不同的流体给晶片的上下表面的能力为执行新颖的处理操作开放了机会。比如，处理流体HF液供应给反应器膛的下部流体入口用于处理晶片的下表面，而某一个惰性气体，比如氮气，可以提供给上部流体入口。因此，HF液可以与晶片的下表面反应，而晶片的上表面则可以有效的与HF隔离开来。除此之外，还可以执行大量其它新颖的处理。
本发明人认识到集成电路清洁/烘干过程将最终需要对清洁器/烘干器施加更多更经济有效的控制。因此，本发明采用了一种全新的清洁和烘干半导体晶片的方法，该方法可以更强的控制要清洁和要烘干的流体的物理属性。另外，把清洁和烘干晶片建立在一个单独的基础上相对利用前述处理过程烘干某个单独的晶片而言要更快一些。
图17描述了控制清洁/烘干流体的供应量的方法，这些流体被供应到任一前述实例的清洁器/烘干器中。如图所示，流体供应系统，标记为1800，包含氮气供应1805，IPA供应1810，IPA蒸馏器1815，DI水供应1820，可选的加热元件1825，可选的流量表1830，可选的流量调节器/温度传感器1835，以及阀门机制1840。系统1800的所有这些组件都在有适当软件程序的控制单元845的控制下工作。
在清洁器/烘干器操作过程中，阀门机制1840被连接到供应DI水，从供应管1820到清洁器/烘干器膛的上下入口。随着水供应到膛中，晶片以比如200RPM的速度旋转。这就使得水在向心加速度的作用下流过晶片的每个表面。一旦足够多的水进入内膛清洁晶片表面，就可以操纵阀门机制1840提供烘干流体，该流体最好由氮气和IPA蒸汽组成，烘干流体进入清洁器/烘干器内膛的上下入口。最好操纵阀门机制1840使之能够在DI水结束之后立即紧跟的输入烘干流体。当烘干流体进入内膛后，晶片旋转带来的向心加速度驱使烘干流体穿越晶片表面，紧跟在DI水形成的新月状之后。IPA蒸汽有助于烘干位于新月边缘的晶片表面。可以进一步加强对晶片的烘干，使用加热元件1825可以烘干DI水和/或氮气/IPA蒸汽。使用控制器1845可以控制要供应的流体的特定的温度。类似的，控制器1845可以使用流量调节器1835和流量表1830调节进入清洁器/烘干器内膛的DI水以及氮气/IPA蒸汽的流量。
经过一些修改，前述反应器设计可以适用于执行一些独特的处理过程：微电子工件和一个或多个处理流体之间的接触受到控制并限制到工件所选择的区域中。图18-22描述了这样的一个反应器设计。
参照图18-22，其中有一个反应器2100用于处理微电子工件，比如硅晶片10，在该微环境中有一个上表面12，下表面14，以及一个外部的圆形周边。对某些特定应用而言，上表面12是前表面，又称做设备面，而下表面是背面，又称做非设备面。但是，对其它应用而言，硅晶片10刚好正反颠倒。
除非特别说明，反应器2100与前面描述的反应器类似。但是，如图所示，我对反应器2100做了改善，使之更适合于执行选定的微电子制造过程。
反应器2100有一个包含上膛壁2120的上膛元件，以及一个包含下膛壁2140的下膛元件。膛壁2120，2140可以开启以便允许晶片10被装载到反应器100中供处理，其方法是装载和卸载机制(未画)，比如，可以是有终端受动器的机械装置。膛壁2120，2140还可以关闭以便定义一个容舱2160以支撑晶片10到膛壁2120、2140之间的处理位置。
定义了旋转轴A的反应器2100有一个包含转子2210的头部2200，它装配在上膛壁2120，并且装配了一个电机2220，用于在关闭状态下饶轴A旋转转子2210以及上下膛壁2120，2140，并相应的旋转支撑在处理位置的晶片10。电机2220利用旋转元件轴承2224驱动以放射状位于头部2200的筒形2222。头部2200可以上升以打开内壁2120，2140，也可以下降用于关闭内壁2120，2140。
上膛壁2120有一个入口2122用于处理流体，流体可以是液体，蒸汽或气体，下膛壁2140有供流体进入的入口2142，这些流体对给定的应用而言，可以是与上述流体类似或不同的流体。头部2200装配有上喷嘴2210，它轴向伸展通过筒形2222，以便不妨碍筒形2222的旋转。上喷嘴2210把处理流体向下引导穿过上膛壁2120的入口2122。
上膛壁2120包含一组类似的出口2124，他们以一致的角度间隔沿垂直轴A展开。在所揭示的实例中，采用了36个这样的出口2124。每个出口2124离垂直轴A向外有一个相对较大的半径距离，离被固定在处理位置的晶片10的外周边16向内有一个相对较小的半径距离，比如大约1。5厘米的距离。
当上膛壁和下膛壁2120，2140关闭时，他们定义了一个微环境反应器2160，该微环境有上处理膛2126和下处理膛2146。上处理膛由上膛壁2120和晶片10的第一平表面定义，下处理膛由下膛壁2140和晶片10的第二平表面(与第一表面相对)定义。上处理膛2126和下处理膛2146之间可以通过晶片10的外周边的环形区域2130进行流体交流，在环形区域2130靠近底部2134的位置，它们被用环形、可以压缩的封条(比如O形环)2132密封起来。这些封条2132允许进入较低入口2142的处理流体可以保持较低的压力，从而流向出口2134。
与前面叙述的反应器实例相比较，反应器2100特别适合于执行某个范围内的独特的微制造处理。比如，反应器2100特别适合于执行这样的处理，在该处理中工件的第一表面需要完全接触处理流体，而工件的第二表面只需要周边区域接触处理流体。之所以能实现该处理，是因为进入下处理膛壁2140的入口2142的处理流体可以只作用于晶片10的下表面14，晶片10的外部边缘16，以及晶片10的上表面12的外部边缘，然后才到达出口2124；还因为进入上膛壁2120的入口2122的处理流体可以只作用于晶片10的上表面12，除了上表面12的外边缘18之外，然后到达出口2124。
下面我们举一个这样过程的例子。反应器2100用于控制进入各个入口2122，2142的处理流体的各个压力从而实现下述过程：处理流体被允许接触工件的第一表面，工件的周边边缘以及工件反面的周边区域。这种流体接触范围从另一角度可以看做除了工件反面的一部分(排除周边区域后的反面)之外都接触。根据对应该过程的一个实例，需要从第一表面，工件的周边以及该工件反面的周边区域中腐蚀掉很薄的材料。
在有关该过程的一个更具体的实例中，被金属化处理采用的该过程用于在半导体晶片或类似的东西上形成微电子元件和/或互相连接的结构。为了达到该目的，要施加薄膜层，比如种子层，到位于前表面以及外部周边至少一部分的障碍层。在一个或多个干涉步骤之后，比如铜层电镀之类，能够蚀刻电镀材料、薄膜材料、和/或障碍层材料的蚀刻剂被有选择的流经第一表面的外部边缘，而同时阻止它流过第一表面的半径范围之内的其它区域。因此，在第一表面的外围移开了一层或多层，而在第一表面外围之内的区域仍保持完整。如果蚀刻剂不仅流过第一表面的外边缘，而且流过反面及其外边缘，那么它也就移开了晶片外边缘的一层或多层，而且该蚀刻剂可以祛除的任何污染物质也从背面祛除了。
基于前述过程，人们可以认识到其它层和/或材料可以有选择的蚀刻，清洁，沉淀，保护等，基于处理流体和外部边缘和/或工件反面的有选择接触。比如，要从工件的反面和第一表面的外部边缘祛除氧化物，可以通过有选择的接触氧化物蚀刻剂如氢氟酸。类似的，可以控制在反应器中的氧化物蚀刻剂，使它接触除了外部边缘之外的工件的整个前表面，从而保持外部边缘的氧化物处于完整状态。我们还要认识到祛除出口2124以允许反应器2100被用于选择性的包含或排除外部边缘的过程是不必要的，或者是不期望发生的。
如图23-26所示，在前述反应器中可以增加附加结构，这取决于该设计的反应器是否要执行和自动实现某些特殊处理，如果要，那么就须使用附加结构。在其中一个这样的附加结构里，下膛壁140有一个上表面2144用于绕入口2142定义一个环形槽。槽2146用于收集液体副产品和/或经入口2142供应的处理流体残液。举例来说，如果某一流体从晶片10滴下，就会在反应器100旋转过程中产生的向心加速度的影响下被引导到出口2124。
另一个与反应器2100连接的附加结构涉及下喷嘴。如图所示，下喷嘴2260，其位置低于下膛壁2140上的入口2142，它包含两个或多个端口2262(画了两个)用于引导两个或多个处理流体向上流过入口2142。端口2262的方向有利于使直接流汇聚到晶片10的下表面。反应器2100还包含清洁喷嘴2280，其位置在下喷嘴2260的一边，用于引导清洁气流，如氮气，穿越下喷嘴2260。
反应器2100的其它附件还有底座2300，它装配下喷嘴2260，清洁喷嘴2280，它定义了一个共轴的环形液压装置2320。液压装置2320有多个(比如四个)排液沟2322(画了一个)，每个排液沟装配有一个气动提升阀2340用于打开和关闭排液沟2322。这些排液沟2322提供单独的路径用于引导不同类型的处理流体到达合适的系统(未画)用于存放，处置或再循环。
环形壁脚板2360从上膛壁2120向下伸展到达液压装置2320上面，以便于上膛壁2140一起旋转。每个出口2124的方向都便于引导处理流体经过对着环形壁脚板2360的内表面2362的流体通道2364而排出该出口2124。如图所示，内表面2362向外向下张开，以便在反应器旋转产生的向心加速度的影响下，到达内表面2362的处理流体向外向下流动，朝向液压装置2320。因此，处理流体倾向于掠过液压装置2320，流向排液沟2322。
转子2210的有棱纹的表面2215朝向转子2210的平滑表面，并分隔开一个很小的距离，该有棱纹的表面位于环形区域204，并与液压装置2320相通。当转子2210旋转时，有棱纹的表面2215就试图使环形区域2204中的气体旋转，以帮助把处理流体吹过液压装置2320，朝向排液沟2322。
上膛壁2120有一个间隔物2128，它向下突出，以阻止被支撑的晶片10离开处理位置向上接触到上膛壁2120。下膛壁2140有一个间隔物2148，它向上突出，以保证被支撑的晶片10与下膛壁2140之间有一定的间隔；下膛壁还有一个立柱2150向上突出越过被支撑的晶片10的外边缘16，以阻止被支撑的晶片10偏离垂直轴A的中心。
下膛壁2140可以装配升高机制2400，该机制用于把支撑在处理位置的晶片10升高到高处。当头部2200被升高到超过底座2300时升高机制就把晶片10送到高处，以便打开上膛壁2120和下膛壁2140。把所支撑的晶片10升高到高处有利于使用如带终端受动器的机械手等一类的装载和卸载机制(未画)来卸载晶片。
升高机制2400包括升高杠杆组2420。每个升高杠杆2420通过枢轴2422装配在下膛壁2140，该枢轴从升高杠杆2420伸展到下膛壁2140的插座2424，以便在操作位置和非操作位置之间绕枢轴旋转。当上下膛壁2120，2140处于关闭状态时，每个枢轴杠杆2420都被安排成与上膛壁2120接合，此时该枢轴杠杆2420都旋转到非操作位置。每个升高杠杆2420都有弹性装置，以便当不与上膛壁2120接合时旋转到操作位置。
因此，当上下膛壁2120，2140处于关闭状态时，每个升高杠杆2420都从操作位置旋转到非操作位置，而当上下膛壁2120，2140处于打开状态时，每个升高杠杆2420都从非操作位置旋转到操作位置。每个升高杠杆2420装配有一个插销2424，该插销伸展到被支撑在处理位置的晶片10下部并把所支撑的晶片升高到高处，此时，升高杠杆2420就从非操作位置旋转到操作位置。
升高杠杆2420装配有环绕下膛壁2140的弹性元件2440(比如O形环)，该弹性元件通过升高杠杆2420自身所带的挂钩2426与升高杠杆2420接合。在每个升高杠杆2420上，插销2422定义了一个轴，插销2424和挂钩2426之间相对于该轴成直径对立。当上下膛壁2120，2140处于关闭状态时，弹性元件2440维持在较高程度的拉伸度；当上下膛壁2120，2140处于打开状态时，弹性元件2440维持在较低程度的拉伸度。
上下膛壁2120，2140也可以相互夹紧并通过闭锁机制2500处于关闭状态。根据一个闭锁机制的实例，该机制包括闭锁环2520，闭锁环保留在下膛壁2140并且与位于上膛壁2120的具有互补外形的凹窝2540接合。闭锁环2520由具有弹力的弹簧材料(比如乙烯聚合氟化物)制成，并带有一组向内的台阶区域2530。因此，台阶区域2530能够使闭锁环2520从具有第一直径的未变形状态改变为具有相对较小直径的变形状态。该变形发生于当台阶区域2530受到内向辐射力时。当该力消失时，闭锁环2520就回复到未变形状态。
闭锁机制2500还包括一组闭锁凸轮2540，每个凸轮对应于台阶区域2530之一。每个闭锁凸轮2540适合于施加辐射力到对应的台阶区域2530。
闭锁机制2500还包括驱动环2560，驱动环用于激发闭锁凸轮2540，驱动环2560在预先限制的移动范围之内向上或向下运动。在所描述的实例中，驱动环2560上升时用于激发闭锁凸轮2540，当下降时用于解激发闭锁凸轮。闭锁机制2500还包括一组气动设备2580(比如三个该设备)用于上升或下降驱动环2560。当驱动环2560上升时，上膛壁和下膛壁2120，2140彼此释放，以便头部2200能够从底座2300上升从而打开上下膛壁2120，2140，或者头部下降到底座2300之中从而关闭上下膛壁2120，2140。
驱动环2560装配有向上突出的插销2562(画了一个)，该插销伸入到对准环2570的多个缝隙2564对应的其中之一，此时，驱动环2560上升。所装配的对准环2570与下膛壁2140一起旋转。当驱动环2560下降时，插销2562从缝隙2564中退出并清除对准环2570。当伸入对应的缝隙2564时，插销2562与被支撑在处理位置的晶片10对齐，以便有利于象上面提到的那样，利用机械系统卸载晶片10。
本发明结合晶片进行了描述。但是，要认识到本发明具有宽广的应用范围。举例来说，本发明可以应用于处理磁盘和磁头，平板显示器，微电子面具以及其它需要有效的控制加湿处理的过程。
在不偏离本发明的基本原则的前提下可以对前述系统提出许多修改和变化。尽管本发明在描述过程结合一个或多个特定实例揭示了其细节，但是业界技术人员将会认识到这些改变不会偏离在后面的权利要求中阐明的本发明的范围和精神。

Claims (25)

1.一种用于处理工件的设备，包括：
一个上膛部件，所述上膛部件具有一个上部内膛表面和一个上部入口，所述上部入口延伸通过所述上膛部件向工件的上表面提供流体；
一个下膛部件，所述下膛部件具有一个下部内膛表面，所述下膛部件能够与所述上膛部件结合在所述工件周围形成处理膛；以及
至少一个流体出口，所述流体出口在所述处理膛中用以使流体通过旋转上膛部件和下膛部件所产生的离心力从所述处理膛中脱出；
多个在所述下膛部件上的下部支撑和多个在所述上膛部件上的上部支撑，所述下部支撑和上部支撑用于支撑所述处理膛中的工件，所述工件与所述下部内膛表面和上部内膛表面隔开。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述上膛部件和下膛部件形成一个可以从所述设备移动的用于传输的容器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理膛总体上与工件的形状相一致。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述的上部入口设置在上膛部件的中心，用以向工件的上表面提供第一流体；并且所述设备还包括一个下部入口，用以向工件的下表面提供第二流体。
5.根据权利要求4所述的设备，在处理膛中工件的外部边缘的周围还包括分隔元件，所述分隔元件使第一和第二流体的流动分布隔离开，通过所述分隔元件第一流体的流动主要被限制为与工件的上表面接触，而第二流体的流动主要被限制为与工件的下表面接触。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述工件通常是圆形的半导体晶片，并且其中上膛部件和下膛部件的入口的开口与所述半导体晶片的中心对准。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括一个与上膛部件和下膛部件中的一个相连的旋转电机，以及用于将上膛部件和下膛部件锁定在一起的装置。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括多个分隔开的出口，每个出口都均匀地设置在上膛部件和下膛部件的旋转轴的径向距离处。
9.根据权利要求4所述的设备，还包括一个具有至少两个端口的管口，用于引导两股或多股处理液通过下部入口使液流汇聚到它们到达的工件。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括：
一具有多个开口的对准环，所述对准环附着到上膛部件并与其同轴；
一位于所述对准环下面的驱动环，所述驱动环具有多个向上伸的针尖，每个针尖与对准环中的开口之一对准；以及
用于提升和降低所述驱动环的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述用于提升和降低的装置包括在驱动环下面的多个气动装置。
12.根据权利要求1或11所述的设备，还包括用于将上膛部件和下膛部件锁定在一起的装置。
13.根据权利要求12所述的设备，所述锁定装置包括：
在所述下膛部件上的闭锁环，其具有多个可作径向移置的梯级区段，以啮合入上膛部件中的凹槽并由该凹槽中脱离；
多个闭锁凸轮，一个闭锁凸轮与闭锁环的每一个梯级区段相接合；
一可啮合到闭锁凸轮的驱动环，以便将凸轮移进或移出上膛部件中的凹槽；以及
为将驱动环啮合到闭锁凸轮的设备。
14.根据权利要求1所述的设备，还包括一在下膛部件上的器件提升机构，用于在上膛部件与下膛部件分离时由下膛部件提取器件。
15.根据权利要求14所述的设备，所述提升机构包括多个通过枢轴连接到下膛部件的操作杆。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括上膛部件中的多个溢流通道，从上膛部件的中心区域呈放射状向外延伸。
17.根据权利要求1所述的设备，还包括：
围绕上膛部件和下膛部件的一个杯；
所述杯中的一个坑；
一条流体供应线，从所述坑连接到流体入口。
18.根据权利要求1所述的设备，还包括：
一个机械手，用于将工件移入或移出处理膛。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述工件的上表面和下表面与上膛部件和下膛部件之间的空隙所形成的处理膛紧密地限定引入处理膛的在工件周围的处理流体。
20.一种用于处理工件的方法，包括：
相对移动一个上膛部件和一个下膛部件，在一个工件周围形成一处理膛；
将所述处理膛中的工件固定在所述上膛部件上的上部支撑和在所述下膛部件上的下部支撑之间；
向所述工件提供一股流体；以及
旋转所述上膛部件和一个下膛部件以及工件以产生离心力，使所述流体穿过工件的至少一个表面。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括通过与所述工件相邻的处理膛壁把流体限制在工件的表面的步骤。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括提供第一流体和第二流体的步骤，这样第一流体主要与工件的上表面接触，第二流体主要与工件的下表面接触。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：
将清洗流体加入所述处理膛中；
旋转清洁器/干燥器外壳以产生离心加速度，使清洗流体穿过工件的至少一个表面；
在使用清洗流体后将干燥流体加入清洁器/干燥器腔室；以及
旋转清洁器/干燥器外壳以产生离心加速度，使干燥流体穿过工件的至少一个表面。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述清洗流体包括DI水。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述干燥流体包括氮气和IPA蒸汽。
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