CN116888717A - 具有温度控制设备的原子氧与臭氧清洁装置 - Google Patents

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Abstract

本公开内容的实施方式涉及具有UV辐射产生器温度控制的氧清洁腔室及原子氧清洁基板的方法。原子氧清洁腔室包括工艺腔室和耦接至工艺腔室的冷却腔室以及将工艺腔室从冷却腔室密封地分隔的分隔件。紫外线(UV)辐射产生器设置在冷却腔室中，并且提供UV辐射通过分隔件进入工艺腔室中。气体分配组件在工艺腔室中的基座的上表面之上分配臭氧，并且冷却剂分配组件将冷却气体分配至冷却腔室中以冷却UV辐射产生器。通过主动地冷却UV辐射产生器，产生在稳定波长下的更高强度UV辐射，亦即，没有通常与高功率UV辐射产生器输出相关的波长漂移。

Description

具有温度控制设备的原子氧与臭氧清洁装置
背景
领域
本公开内容的实施方式一般涉及清洁装备的设备及方法。具体而言，本公开内容的实施方式涉及具有UV辐射产生器温度控制的氧清洁腔室和原子氧清洁基板的方法。
相关技术说明
在清洁半导体装置时，经常期望从基板的表面移除污染物，从而留下干净的表面。若没有清洁，则可能存在将不利地影响半导体装置效能的污染物。半导体装置及腔室部件的清洁度影响产品良率、腔室工作时间(uptime)以及顾客成本(customer cost)。
大多数基板清洁技术采用暴露于紫外线(UV)辐射的含氧清洁剂来使基板的表面氧化。与其他含氧清洁剂相比，原子氧具有最高的反应速率及氧化能力，使得以更高的速率来清洁基板的表面以获得更大的产量。然而，原子氧的寿命短，一旦形成将与O2及含氧清洁剂的其他分子结合。另外，增加形成原子氧的效率取决于来自UV辐射产生器的UV辐射的强度。然而，增加强度将增加从UV辐射产生器发射的热，从而导致UV辐射的发射光谱位移。
因此，需要改进的氧清洁腔室及原子氧清洁基板的方法。
发明内容
在一个实施方式中，提供原子氧清洁腔室。原子氧清洁腔室包括工艺腔室。原子氧清洁腔室进一步包括耦接至工艺腔室的冷却腔室以及将工艺腔室从冷却腔室密封地分隔的分隔件。原子氧清洁腔室进一步包括设置在冷却腔室中的紫外线(UV)辐射产生器并且可操作以提供UV辐射通过分隔件进入工艺腔室中，和设置在工艺腔室中的基座。原子氧清洁腔室进一步包括气体分配组件及冷却剂分配组件，气体分配组件可操作以在基座的上表面之上分配臭氧，冷却剂分配组件可操作以将冷却气体分配至冷却腔室中以冷却UV辐射产生器。
在另一个实施方式中，提供原子氧清洁腔室。原子氧清洁腔室包括工艺腔室。原子氧清洁腔室进一步包括耦接至工艺腔室的冷却腔室以及将工艺腔室从冷却腔室密封地分隔的分隔件。原子氧清洁腔室进一步包括设置在冷却腔室中的紫外线(UV)辐射产生器并且可操作以提供UV辐射通过分隔件进入工艺腔室中，和设置在工艺腔室中的基座。原子氧清洁腔室进一步包括气体分配组件及冷却剂分配组件，气体分配组件可操作以在基座的上表面之上分配臭氧。冷却剂分配组件包括冷却剂气体入口、冷却剂气体出口，和可操作以将冷却气体分配穿过(across)冷却腔室的冷却剂气体源，以及可操作以使得冷却气体穿过冷却腔室至冷却剂气体出口的冷却剂泵。
在又另一个实施方式中，提供原子氧清洁基板的方法。原子氧清洁基板的方法包括将基板定位在设置在工艺腔室中的基座的上表面上。原子氧清洁基板的方法进一步包括使臭氧流入工艺腔室中并且在基板之上分配臭氧。原子氧清洁基板的方法进一步包括使冷却气体流入冷却腔室中，以将UV辐射产生器的温度维持在低于预定温度。原子氧清洁基板的方法进一步包括从设置在冷却腔室中的UV辐射产生器提供波长在约240纳米(nm)至约310nm之间的辐射至设置在工艺腔室中的臭氧。
附图的简要说明
为了能够详细理解本公开内容的上述特征的方式，通过参照实施方式可获得以上简要总结的本公开内容的更特定描述，实施方式中的一些实施方式绘示于附图中。然而，应注意，附图仅绘示示例性实施方式，因此不应视为限制本公开内容的范畴，并且可允许其他等效实施方式。
图1A及图1B为根据实施方式的原子氧清洁腔室的示意横截面视图。
图2为根据实施方式的原子氧清洁基板的方法的流程图。
为了促进理解，在可能的情况下使用了相同的附图示记来指称图式中共有的相同元件。预期一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开内容的实施方式一般涉及清洁装备的设备及方法。更特定而言，本公开内容的实施方式关于具有UV辐射产生器温度控制的氧清洁腔室及原子氧清洁基板的方法。原子氧清洁腔室包括工艺腔室。原子氧清洁腔室进一步包括耦接至工艺腔室的冷却腔室以及将工艺腔室从冷却腔室密封地分隔的分隔件。原子氧清洁腔室进一步包括设置在冷却腔室中的紫外线(UV)辐射产生器并且可操作以提供UV辐射通过分隔件进入工艺腔室中，以及设置在工艺腔室中的基座。原子氧清洁腔室进一步包括气体分配组件及冷却剂分配组件，气体分配组件可操作以在基座的上表面之上分配臭氧，冷却剂分配组件可操作以将冷却气体分配至冷却腔室中以冷却UV辐射产生器。
图1A及图1B为原子氧清洁腔室100的示意横截面视图。原子氧清洁腔室100适用于使用原子氧清洁基板。图1B的原子氧清洁腔室100包括冷却剂再循环组件168。图1B的原子氧清洁腔室100包括图1A的原子氧清洁腔室100的所有组件以及添加的冷却剂再循环组件168。原子氧清洁腔室100包括冷却腔室102及工艺腔室103。冷却腔室102耦接至工艺腔室103。冷却腔室102与工艺腔室103通过分隔件104分隔。冷却腔室102与工艺腔室103相邻堆叠。分隔件104提供密封以将工艺腔室103从冷却腔室102分隔(separate)及隔离(isolate)。冷却腔室102与工艺腔室103可为相邻堆叠的两个分隔的主体。冷却腔室102与工艺腔室103可为单一主体。冷却腔室102包括冷却空间106。冷却空间106为由冷却腔室102与分隔件104界定的空间。工艺腔室103包括处理空间108。处理空间108为由工艺腔室103与分隔件104界定的空间。
处理空间108包括用于在工艺腔室103内支撑基板101的基座110。基座110由杆(stem)112支撑。基座110通过延伸通过工艺腔室103的杆112可移动地设置在处理空间108中。杆112连接至升举系统(未图示)，此升举系统在处理位置(如图示)与传送位置之间移动基座110，此传送位置有助于经由通过工艺腔室103所形成的狭缝阀114将基板传送至处理空间108及从处理空间108传送基板。处理位置对应于从紫外线(UV)辐射产生器118至基座110的上表面120的距离116。
工艺腔室103包括气体分配组件122。气体分配组件122包括气体入口124、含氧气体源126、臭氧(O3)产生器128及流量(flow)控制器130。气体入口124设置在工艺腔室103中。臭氧产生器128经由第一导管132与含氧气体源126流体连通。臭氧产生器128能够从含氧气体产生臭氧并且将臭氧维持在期望的压力及浓度。经由第二导管134与臭氧产生器128流体连通的流量控制器130，例如质量流量控制(mass flow control；MFC)装置，控制来自臭氧产生器128的臭氧的流动速率(flow rate)。原子氧清洁腔室100包括控制器138。控制器138包括中央处理单元(CPU)、存储器及用于CPU的支持电路。控制器138与流量控制器130连通以控制臭氧进入处理空间108的流动速率。控制器138能够控制用于原子氧清洁腔室100的例如原子氧清洁基板101的方法200的操作参数及操作。
臭氧从臭氧产生器128经由气体入口124及流量控制器130流入工艺腔室103中。气体入口124经由第三导管136连接至流量控制器130。臭氧流分布在基座110的上表面120之上。气体出口140设置在工艺腔室103中。泵143耦接至气体出口140，用于控制处理空间108内的压力并且通过气体出口140经由第四导管141从处理空间108排出副产物。处理空间108包括设置在处理空间108中的UV强度传感器148。UV强度传感器148可操作以测量由UV辐射产生器118释放的UV辐射的UV强度。
来自UV辐射产生器118的UV辐射能够从冷却空间106传递通过分隔件104至处理空间108。分隔件104将由UV辐射产生器118散逸的热保持在冷却腔室102中，使得可更有效地控制工艺腔室103的温度。分隔件104是可操作以允许UV辐射传递通过的透明材料。举例而言，分隔件104为熔融石英(fused quartz)、熔融二氧化硅(fused silica)、它们的组合或其他适合的材料。
UV辐射产生器118设置在冷却空间106中。UV辐射产生器118可包括一个或多个UV辐射源。UV辐射源可各自为低压汞灯。UV辐射产生器118产生UV辐射。UV辐射产生器118可包括灯、LED发射器或其他构造为释放在约240nm至约310nm波长的辐射的UV发射器。举例而言，UV辐射产生器118释放波长约253nm的辐射。
来自臭氧产生器128分布在基板101的表面之上的臭氧暴露于来自UV辐射产生器118的UV辐射并且转换成氧气(O2)及原子氧(O)。氧气及原子氧使基板101的表面上的无机材料(例如碳氢化合物)氧化，从而产生二氧化碳(CO2)及水(H2O)作为副产物。泵143从处理空间108排出副产物。与其他含氧清洁剂相比，原子氧具有最高的反应速率及氧化能力，使得以更高的速率来清洁基板101的表面以获得更大的产量。举例而言，原子氧可在基板101的表面上立即使SO2氧化成SO3。SO3可通过基于水的清洁步骤容易地从基板101移除。SO3可通过泵143移除或可在随后的清洁过程中移除。通过原子氧清洁基板101来移除SO2减缓雾状(haze defect)缺陷累积。如上所述，原子氧的寿命短，一旦形成将与O2及其他分子结合。臭氧产生器128能够连续地提供臭氧至处理空间108，使得由UV辐射产生器118产生的UV辐射将臭氧原位转换成原子氧。处理空间108中的原位原子氧产生提供高浓度的原子氧至基板101的表面。冷却剂再循环组件168将UV辐射产生器118维持在恒定温度以防止发射光谱漂移，发射光谱漂移将导致UV辐射的强度降低。冷却剂再循环组件168提高来自UV辐射产生器118的UV辐射的强度，以提高原子氧清洁过程的效率。从UV辐射产生器118至基座110的上表面120的距离116控制提供至基板101的表面的原子氧的浓度。
冷却腔室102包括反射器150。反射器150设置在冷却空间106中并且耦接至冷却腔室102。反射器150可操作以反射由UV辐射产生器118释放的UV辐射，使得UV辐射更有效率地被引导通过分隔件104至处理空间108中。在一个实施方式中，反射器150设置在UV辐射产生器118之上。
冷却腔室102包括冷却剂分配组件152。冷却剂分配组件152包括冷却剂气体入口154、冷却剂源156及冷却剂流量控制器158。冷却剂气体入口154设置在冷却腔室102中。冷却剂流量控制器158，例如质量流量控制(MFC)装置，经由第一冷却剂导管160与冷却剂源156流体连通。冷却剂流量控制器158控制来自冷却剂源156的冷却气体的流动速率。冷却剂源156包括冷却气体，例如空气、氮气(N2)或其他适合的气体。分隔件104防止冷却气体与设置在处理空间108中的臭氧混合。来自冷却剂源156的冷却气体行进通过冷却剂流量控制器158并且经由第二冷却剂导管162至冷却剂气体入口154。离开冷却剂气体入口154的冷却气体流过(flow over)UV辐射产生器118至冷却剂气体出口164，因此移除由UV辐射产生器118产生的热。
利用冷却剂分配组件152来控制UV辐射产生器118的温度。为了增加形成原子氧的效率，期望使来自UV辐射产生器118、波长约为254nm的高强度UV辐射进入处理空间108。为了增加由UV辐射产生器118发射的UV辐射的强度，增加提供至UV辐射产生器118的电功率。电功率的增加将导致UV辐射产生器118发射热。热散逸将导致UV辐射的发射光谱漂移。发射光谱漂移将导致254nm的UV辐射的强度降低。冷却剂分配组件152使冷却气体在冷却空间106中流动以将冷却空间106维持在约30℃与约40℃之间。来自冷却剂源156的冷却气体流过UV辐射产生器118以将UV辐射产生器118维持在恒定温度。
温度传感器166提供用以决定冷却UV辐射产生器118的有效性的信息。在一个示例中，温度传感器166获得信息，从此信息可决定离开冷却空间106的冷却气体的温度并且用以决定冷却空间106和/或UV辐射产生器118的温度。温度传感器166与冷却剂流量控制器158及控制器138连通。流动速率可由冷却剂流量控制器158基于用以提高或降低UV辐射产生器118的温度的度量(metric)来调整。另外，UV强度传感器148与冷却剂流量控制器158及控制器138连通。基于UV强度传感器148的UV强度读数，进入冷却空间106的冷却剂的流动速率可由冷却剂流量控制器158来调整，以基于UV辐射产生器118的操作状态或由UV强度传感器148感测到的UV辐射量来提高或者降低温度。温度传感器166及UV强度传感器148中的一者或两者可设置在原子氧清洁腔室100中。
如图1A所示，其可与本文所述的其他实施方式结合，原子氧清洁腔室100包括冷却剂泵153。冷却剂泵153耦接至冷却剂气体出口164，用于控制冷却空间106内的冷却气体压力并且经由第三冷却剂导管155从冷却空间106排出多余的冷却气体通过冷却剂气体出口164。
如图1B所示，其可与本文所述的其他实施方式结合，原子氧清洁腔室100包括冷却剂再循环组件168。冷却剂再循环组件168耦接在冷却剂气体入口154与冷却剂气体出口164之间。冷却剂再循环组件168包括冷却剂流动管线170及热交换器172。冷却剂流动管线170经由第三冷却剂导管155与冷却剂气体出口164流体连通。泵(未图示)使得冷却气体离开冷却空间106并且进入冷却剂再循环组件168。冷却气体流动通过冷却剂流动管线170至热交换器172。热交换器172将热从冷却气体移除至外部环境或至另一种冷却流体。冷却气体从热交换器172流动通过冷却剂流动管线170至冷却剂流量控制器158，于此处再循环的冷却气体被重新引入冷却空间106中。冷却气体从冷却剂源156经由第一冷却剂导管160供应至冷却剂流动管线170。冷却气体行进通过冷却剂流量控制器158并且经由第二冷却剂导管162至冷却剂气体入口154。
图2为原子氧清洁基板101的方法200的流程图。为了便于说明，将参照图1A及图1B来描述图2。然而，需注意，亦可采用原子氧清洁腔室100以外的原子氧清洁腔室来执行方法200。
于操作201，将基板101传送至原子氧清洁腔室100。原子氧清洁腔室100包括工艺腔室103及冷却腔室102。基板101通过狭缝阀114进入工艺腔室103的处理空间108。基板101位于设置在处理空间108中的基座110上。基板101的第一表面被定向为朝向设置在冷却腔室102的冷却空间106中的紫外线(UV)辐射产生器118。从UV辐射产生器118至基座110的上表面120的距离116为约7毫米(mm)至约30mm。
于操作202，提供臭氧流至处理空间108。臭氧气体以约50sccm至约20000sccm的速率流入处理空间108中。处理空间108中的压力维持在约0psi至约15psi之间。在处理空间108中臭氧流分布在基板101的第一表面之上。进入处理空间108的臭氧的流动速率由与控制器138连通的流量控制器130来控制。
于操作203，UV辐射产生器118释放辐射。辐射从冷却腔室102的冷却空间106穿过(pass through)分隔件104至处理空间108。UV辐射产生器118构造为释放波长在约240nm至约310nm之间的辐射。在处理空间108中分布在基板101的第一表面之上的臭氧流暴露于辐射并且被转换成氧气(O2)及原子氧(O)。氧气及原子氧使基板101的第一表面上的有机材料(例如碳氢化合物)氧化，从而产生二氧化碳(CO2)及水(H2O)作为副产物。
于操作204，冷却气体进入冷却空间106。冷却气体可从冷却剂源156提供和/或可经由热交换器172再循环至冷却空间106。冷却气体从冷却剂源156释放通过冷却剂气体入口154至冷却空间106。冷却气体流过UV辐射产生器118以将冷却空间106和/或UV辐射产生器118维持在低于预定温度。预定温度在约30℃与约40℃之间。进入冷却空间106中的冷却气体的流动速率在约1lpm与约10lpm之间。冷却空间106中的压力为约0psi至约15psi。当原子氧清洁腔室100包括冷却剂泵153时，冷却气体通过冷却剂泵153从冷却空间106移除。当原子氧清洁腔室100包括冷却剂再循环组件168时，冷却气体行进通过冷却剂流动管线170至热交换器172。在通过冷却剂气体入口154重新进入冷却空间106之前，热交换器172从冷却气体移除热。
UV辐射产生器118和/或冷却空间106的温度由控制器138、冷却剂流量控制器158以及温度传感器166及UV强度传感器148中的一者或两者来控制。温度传感器166和/或UV强度传感器148与控制器138连通。温度传感器166及UV强度传感器148可操作以获得度量，从此度量可分别决定冷却气体的温度或辐射的UV强度。温度传感器166及UV强度传感器148发送信号至控制器138，控制器138中继(relaying)温度及强度信息。冷却气体的温度或辐射的UV强度可用以查明UV辐射产生器118的温度。与冷却剂流量控制器158连通的控制器138可操作以基于温度传感器166及UV强度传感器148的测量值控制流入冷却腔室102中的冷却气体的流动速率，以便将UV辐射产生器118维持在期望的温度。
于操作205，从处理空间108移除副产物。泵143耦接至气体出口140，用于通过气体出口140从处理空间108排出副产物。于可选的操作206，针对基板101的后续表面重复操作202、203、204及205。举例而言，基板101可被翻转，使得基板101的相对侧可在工艺腔室103中暴露。于方法200结束时，可从原子氧清洁腔室100移除基板101用于进一步处理。
总之，本文描述了具有UV辐射产生器温度控制的原子氧清洁腔室及原子氧清洁基板的方法。通过主动冷却UV辐射产生器，UV辐射产生器可经操作以产生稳定波长下的更高强度UV辐射，亦即，没有通常与高功率UV辐射产生器输出相关联的波长漂移。与其他含氧清洁剂相比，高强度输出可实现更多原子氧，从而实现快速反应速率及氧化能力，使得快速且有效率地清洁基板的表面。原子氧清洁腔室包括臭氧产生器，此臭氧产生器连续地提供臭氧至处理空间，使得由UV辐射产生器产生的辐射将臭氧原位转换成原子氧。
尽管前文为针对本公开内容的示例，但在不脱离本公开内容的基本范畴的情况下可设计本公开内容的其他及进一步示例，并且本公开内容的范畴由所附权利要求所确定。

Claims (20)

1.一种原子氧清洁腔室，包括：
工艺腔室；
冷却腔室，耦接至所述工艺腔室；
分隔件，将所述工艺腔室从所述冷却腔室密封地分隔；
紫外线(UV)辐射产生器，设置在所述冷却腔室中，并且可操作以提供UV辐射通过所述分隔件进入所述工艺腔室中；
基座，设置在所述工艺腔室中；
气体分配组件，可操作以在所述基座的上表面之上分配臭氧；和
冷却剂分配组件，可操作以将冷却气体分配至所述冷却腔室中以冷却所述UV辐射产生器。
2.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，进一步包括温度传感器，所述温度传感器被定位以提供指示所述UV辐射产生器的温度的度量。
3.如权利要求2所述的原子氧清洁腔室，进一步包括UV强度传感器，所述UV强度传感器设置在所述工艺腔室中，所述UV强度传感器可操作以提供指示从所述UV辐射产生器释放的所述UV辐射的UV强度的度量。
4.如权利要求3所述的原子氧清洁腔室，进一步包括控制器，所述控制器与所述冷却剂分配组件连通并且可操作以基于所述温度传感器和所述UV强度传感器来控制进入所述冷却腔室的所述冷却气体的流动速率。
5.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，进一步包括冷却剂流动管线，所述冷却剂流动管线将所述冷却腔室的冷却剂气体入口耦接至所述冷却腔室的冷却剂气体出口，所述冷却剂流动管线可操作以使冷却气体再循环通过所述冷却腔室。
6.如权利要求5所述的原子氧清洁腔室，进一步包括：
热交换器，耦接在所述冷却腔室的所述冷却剂气体入口与所述冷却剂气体出口之间。
7.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，其中所述气体分配组件包括：
气体入口，设置在所述工艺腔室中，所述气体入口耦接至所述气体分配组件；和
气体出口，设置在所述工艺腔室中，所述气体出口耦接至泵。
8.如权利要求7所述的原子氧清洁腔室，其中所述气体分配组件进一步包括：
含氧气体源；
臭氧产生器，与所述含氧气体源连通；和
流量控制器，所述流量控制器可操作以控制所述臭氧进入所述工艺腔室的流动速率，所述流量控制器与所述臭氧产生器连通。
9.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，进一步包括冷却剂泵，所述冷却剂泵耦接至形成在所述冷却腔室中的出口。
10.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，其中反射器设置在所述冷却腔室中并且设置在所述UV辐射产生器之上。
11.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，其中所述分隔件为熔融二氧化硅材料。
12.如权利要求1所述的原子氧清洁腔室，其中所述基座包括处理位置，所述处理位置对应于从所述UV辐射产生器至所述基座的所述上表面的距离。
13.一种原子氧清洁腔室，包括：
工艺腔室；
冷却腔室，耦接至所述工艺腔室；
分隔件，将所述工艺腔室从所述冷却腔室密封地分隔；
紫外线(UV)辐射产生器，设置在所述冷却腔室中，并且可操作以提供UV辐射通过所述分隔件进入所述工艺腔室中；
基座，设置在所述工艺腔室中；
气体分配组件，可操作以在所述基座的上表面之上分配臭氧；和
冷却剂分配组件，所述冷却剂分配组件具有冷却剂气体入口、冷却剂气体出口、冷却剂气体源和冷却剂泵，所述冷却剂气体源可操作以将冷却气体分配穿过所述冷却腔室，所述冷却剂泵可操作以使得冷却气体穿过所述冷却腔室至所述冷却剂气体出口。
14.如权利要求13所述的原子氧清洁腔室，进一步包括冷却剂流动管线，所述冷却剂流动管线将所述冷却腔室的所述冷却剂气体入口耦接至所述冷却腔室的所述冷却剂气体出口，所述冷却剂流动管线可操作以使冷却气体再循环通过所述冷却腔室。
15.如权利要求14所述的原子氧清洁腔室，进一步包括：
热交换器，耦接在所述冷却腔室的所述冷却剂气体入口与所述冷却剂气体出口之间。
16.一种原子氧清洁基板的方法，包括以下步骤：
将基板定位在设置在工艺腔室中的基座的上表面上；
使臭氧流入所述工艺腔室中并且在所述基板之上分配所述臭氧；
使冷却气体流入冷却腔室中，以将UV辐射产生器的温度维持在低于预定温度；和
从设置在所述冷却腔室中的所述UV辐射产生器提供波长在约240纳米(nm)至约310nm之间的辐射至设置在所述工艺腔室中的所述臭氧。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述冷却气体再循环通过所述冷却腔室。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：在使所述冷却气体再循环之前，使离开所述冷却腔室的所述冷却气体流动通过热交换器。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述提供辐射的步骤进一步包括以下步骤：使所述辐射通过分隔件，所述分隔件将所述冷却腔室从所述工艺腔室密封地分隔。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述预定温度在约30℃与约40℃之间。
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