CN1230289A - 分子污染控制系统 - Google Patents

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Abstract

用于分子污染控制的系统和方法,允许将一SMIF箱清洁到所希望的相对湿度,含氧量,或尘粒水平。所述SMIF箱包括一单向阀和过滤器总成的入口,以供给一清洁,干燥的气态工作流体以使装在SMIF箱内的材料周围维持低水平的湿气,含氧量,和尘粒含量。SMIF箱出口也包括一单向阀和过滤器总成,与抽吸系统相连。清洁气体在SMIF箱内的流动可被引导到一个或多个喷嘴塔,以使在箱内产生层流,以及可设置一个或多个出口塔,具有与进口塔相似的功能。清洁气体可通过暴露到干燥剂而干燥,加热到100℃至120℃之间的温度,并可在引入到下一SMIF箱之前或之后检验以得到基本组成水平,多个SMIF箱也可由一单个的污染控制基础单元清洁。

Description

分子污染控制系统
本发明涉及半导体制造设备和方法，特别涉及用于清洁分子隔离室如用于存储和转运半导体制造材料的标准机械接口箱的系统和方法，使之达到所希望的相对湿度，含氧量，或尘粒水平。
如标准化机械接口箱(SMIF)的模块化隔离室，典型地在材料的存储，转运和加工提供一个微环境，以隔离和控制一用于制造集成电路的晶片，晶片盒或基片周围的环境。这些材料的加工处理通常是在一般称之为“净化室”的无尘室中进行的。然而，维护这类“净化室”处于无污染状态需要大量的精心工作，特别是在材料的加工过程中。
在一个使用SMIF系统来代替一传统的净化室的常规系统中，使过滤后的空气在SMIF箱内循环，并以此取得SMIF箱内的净化度。一无尘对接接口用来联接两个空间，每个空间都封闭一个包括各自空间的互锁门的净化空气环境。各自空间的互锁门相互配合，使从环境脏污中所聚集在门的外表面上的尘粒被截除。已知的一种加工设备和技术被用在半导体器件的制造中的热加工中，以防止外界空气进入反应管。装卸所加工的物料典型的是由加热段外插入的夹具进行的，以防止外部空气进入热加工室。
虽然这种系统能够控制SMIF箱内的尘粒水平，氧的存在也能降低半导体材料的表面品质。在一种用于防止半导体材料的表面生成自然氧化物的传统工艺中，在硅基片上形成氮化硅层。清洁系统也为已知，例如具有用于晶片装载位置，晶片清洁位置，以及晶片加工位置的移动式悬臂清洁系统。一清洁喷射器及回流管设置在用于进入晶片的波纹管中，在另一已知的系统中，制造材料受到冷氮清洗循环，在气相加工如淀积中尘粒和尘粒产生的缺陷通过控制尘粒载运机制，比如在冷氮清洗循环中施以低强度辐射能而减少。
在SMIF箱中的湿气存在也是不希望的，一种清洁集成电路晶片的方法和设备是利用干燥气体。至少一种气体由使其通过微波等离子发生器被激活，或由加热晶片，使晶片表面附近的气体激活，引起类似于由水中的非气态清洗材料的离子化引起的化学反应。在蚀刻过程以后，蚀刻室充满了惰性气体，如氮气，其能帮助清除剩余的反应产物，其可包括可在传统的工艺过程后存在的蒸气状态的卤族元素或卤族官能团，例如氯，溴，三氯化砷，硅烷等。
然而，存在着对于清洁SMIF箱使其在不使用时，如在制造设备中等待下一工位或步骤时一贯地维持所希望的相对湿度，含氧量及尘粒水平的需要。此段时间的长度估计为从大约六分钟到数小时长。理想地，SMIF箱应当在一个六分钟或更短的用期内被彻底地清洁到所希望的相对湿度，含氧量式尘粒水平。本发明可满足此种需要。
简要地，以普通术语来说，本发明提供了一改进的系统和方法用于清洁SMIF箱到所希望的相对湿度，含氧量或尘粒水平。在一个优选实施例中，SMIF箱包括一进口及一出口，各自包括一个单向阀过滤器总成，用于清洁干燥气态工作流体，其用于在SMIF箱内的材料周围提供一被控制的低水平的湿度，含氧量及尘粒含量。SMIF箱入口连接有一气态工作流体源，出口连接有一抽吸系统。整体定向流动单向阀可在非常低的压差下操作(如小于10毫巴)。
本发明的方法还提供了用于通过将其暴露于干燥剂中来干燥清洁气体，将清洁气体加热到高于100℃，但低于所述箱的热敏温度，即105到120℃来改进清洁过程；并在引入SMIF箱之前检验预热过的气态工作流体以得到基本的成份水平。在本发明的另一方面，通过在箱内全部气流中维持清洁气体的流速处于层流流速，低于声速，以防止不希望的漩涡形成，而漩涡有可能聚集湿气或尘粒，使箱内形成层流而提供了一改进了的清洁气体的入口流动。在本发明的另一优选实施例中，采用一个或更多喷嘴塔使SMIF箱内的清洁气体流导向产品使得箱内形成层流。也可采用一个或更多的出口塔，具有类似于进口塔的功能，以使得在箱内产生层流。在另一优选实施例中，采用整体塔在整个箱内来导向和扩散气态工作流体流。还可以包括一分子污染控制基础单元，SMIF箱可固定在其上，其特征在于箱内环境清洁的改进。在本发明方法的另一方面中，可采用质流控制使气流率可控制地以某一斜率升降，以避免由SMIF箱内薄片振动导致的尘粒产生。
本发明的这些和其他方面及优点将从以下配合附图举例详细说明中凸显出来。
图1A是根据本发明固定到一分子污染控制基础单元上以进行清洁的一单独的SMIF箱简图。
图1B是根据本发明另一实施例固定到一分子污染控制基础单元上以进行清洁的一单独的SMIF箱简图。
图2是一部分剖面图，说明一SMIF箱在图1A和1B的分子污染控制基础单元的基板上的固定。
图3A是具有一图1A和1B的分子污染控制基础单元的基板的流线的单向阀的机械接口的放大的剖面图。
图3B是具有一图1A和1B的分子污染控制基础单元的基板的流线的单向阀的机械接口的另一实施例的放大的剖面图。
图4是根据本发明的一改进了的SMIF箱的透视图。
图5是图4的SMIF的入口塔的分解透视图。
图6是图4的SMIF箱的入口塔的另一实施例的分解透视图。
图7A是一具有与SMIF箱的薄片支撑臂一体的入口塔的SMIF箱的另一实施例。示出剖面上的一圆形部分。
图7B是图7A的圆形部分的放大的剖面图。
图8A是根据本发明固定到一分子污染控制基础单元用以清洁的一单独的SMIF箱的透视图。
图8B是根据本发明固定到一分子污染控制基础单元用以清洁的一单独的SMIF箱的另一实施例的透视图。
图9A是根据本发明固定到与用以清洁SMIF箱的分子污染控制基础单元的气态工作流体供排路线平行相连的基板上的一列数个SMIF箱的前视图；
图9B是根据本发明固定到与用以清洁SMIF箱的分子污染控制基础单元的气态工作流体供排路线平行相连的基板上的一列数个SMIF箱的另一实施例的前视图；
图10是根据本发明在一塔上固定到与用以清洁SMIF箱的分子污染控制基础单元的气态工作流体供排路线平行相连的基板上的数个SMIF箱的前视图；以及
图11是根据本发明多个SMIF箱固定到用以清洁SMIF箱的分子污染控制基础单元的简图。
由于尘粒，湿气和含氧量能够污染和劣化半导体制造材料的表面，重要的是适当地清洁并保持这些材料的局部制造环境没有这些污染物。大气中的污染物可包括水蒸气，含氧量，以及尘粒。并且在常规的制造过程中产生的污染物可包括蒸汽状态的卤族元素或卤族官能团，例如氯，溴，三氯化砷，硅烷等。如图中所示，本发明提供了改进的系统和方法，用以清洁一SMIF箱到所希望的相对湿度，含氧量或尘粒水平。
参照图1A,1B,2和2A，在本发明的分子污染控制系统的优选实施例10中，一标准机械接口(SMIF)箱12具有一形成一室的壳体13，适于固定与一分子污染控制基础单元14一起工作，提供一气态工作流体如氮气，氩气或其他惰性气体或惰性气体组合的源15。其压力是例如大约80磅每平方英寸，与SMIF箱流体连通以清洁SMIF箱。典型地，可得到压力为从大约65到大约125磅每平方英寸的压力氮气及其他惰性气体。当前，氮气为优选，系统中工作气体的压力使用点用调节器(point-of-use regulator)来控制，将SMIF箱的进口供给压力限制到大约10磅每平方英寸的最大值，而在SMIF箱内典型的工作压力为1磅每平方英寸。最好还设置一个与SMIF箱流体连通的真空泵，用以从SMIF箱内去除气态工作流体，尘粒及其他污染物，含氧量，以及湿气。
如图1A所示，供给SMIF箱的气态工作流体也可由加热器18加热，由干燥器20干燥。气态工作流体，即清洁气体，例如说可以将其从氮气或其他惰性气体源到SMIF箱的途径中暴露在干燥器中的干燥剂中进行干燥，干燥剂与清洁气体中的任何残留水气起化学反应，而不引入任何不希望的成分，在目前的一个优选实施例中，清洁气体也可以被加热到高于100℃，但低于箱的热敏温度。比如说，105℃到120℃之间。如图1A和1B所示，在气态工作流体源和一个或多个SMIF箱的入口之间的流体通路上最好还设置有质流控制阀21，以控制气态工作流体到SMIF箱的供给流动。最好采用质流控制使气体流率以可控制的方式以某一斜率升降，以避免由SMIF箱内的薄片振动导致的尘粒产生。清洁气体流在箱内的速度也最好被维持在层流速度，低于声速，以防止不希望的漩涡产生，并创造箱内层流的条件。这些漩涡会保持湿气和尘粒。
参照图1A到3B，在当前的本发明优选实施例中，单向阀总成22和24被结合到SMIF箱的各个进口26中，以及各个出口28中。SMIF箱的基础30的入口适于与分子污染控制基础单元14的供给管线32流体连通，其出口适于与分子污染控制基础单元14的排放管线34流体连通。SMIF箱就固定在分子污染控制基础单元14上。SMIF箱的基础30用作通往SMIF箱的门，有时也称其为SMIF箱门。
如图3A和3B所示，入口的单向阀总成包括一单向阀40，其允许气态工作流体单向流入SMIF箱，以及一个滤清器42用来滤除尘粒物质。出口的单向阀总成典型地仅需包括单向阀44，允许气态工作流体单向流出SMIF箱，但也可如同进口单向阀包括一滤清器及一滤清器总成。整体定向流动单向阀最好可在非常低的压差下动作，典型地小于10毫巴。供给管线32和排放管线34典型地从分子污染控制基础单元的基板处延伸，并包括O型密封圈46，48，其尺寸分别与进口和出口的供给管线或排放管线密封地相配。
进口及出口的单向阀总成可帮助确保只有干净的，干燥的气态工作流体进入SMIF箱，以在SMIF箱的内容物周围提供一个具有非常低的粒子含量的受控环境。当基本为100％的氮或其它惰性气体气态工作流体清洁SMIF箱，SMIF箱内的大气环境可在例如大约5分钟内达到大约0.1％的相对湿度水平，基本上无氧。理想地，SMIF箱可在大约6分钟或更短地周期内彻底地清洁到所希望的相对湿度，含氧量，或尘粒水平。
如图1A所示，在一个实施例中，分子污染控制基础单元的气态工作流体排放管线还可以包括一个流量计50，用于监控气态工作流体通过SMIF箱的流动，以及一对阀52,54，用于引导工作气体SMIF箱供给管线直接到排放管线，以便由传感器56监控例如湿度，含氧量，尘粒以及温度。在当前的一优选实施例中，阀门可以包括一电控电磁阀52，控制从供给到排放管线的气态工作流体的流动，以及一个电控电磁阀54，控制从SMIF箱通过排放管线的气态工作流体的流动。通过关闭连接阀52及打开排放管线阀54,SMIF箱中所存的气态工作流体的污染水平可通过传感器56监控；通过打开连接阀52及关闭排放管线阀54，以通过传感器56检测预热过的气态工作流体以在气态工作流体引入SMIF箱之前得到基本组成水平。在图1B所示的另一优选实施例中，由于工作气体的纯度可以典型地由气源控制，比如由工作气体出售方的资证认定，或由在使用前在实验室中检验决定，因而工作气体的状况的监控就不再需要，而由传感器56如一湿度计对SMIF箱中存在的包括排放管线中的气体的监控可由选项提供，以对SMIF箱内存在的气态工作流体的污染水平进行监控。
参照图4及图5，在本发明当前的一优选实施例中，气态工作流体的流动或SMIF箱内的清洁气体可以被引导到，或离开容纳在SMIF箱内使用一个或多个独特构型的由一固定元件64连接到进口26或出口28的塔62支持的薄片或基片制造材料60上。每个塔上都有许多小孔，可以是以一系列间隔的喷嘴66的形式，这些喷嘴尺寸分级变化(graduated)。当用作一进口塔时，喷嘴尺寸渐次变化到在进口塔附近产生一均匀的速度场，从而1确定SMIF箱内部周围的气流的矢量方向。气态工作流体将吹拂SMIF箱及其内容物，驱除残余的湿气并使尘粒向排放口运动。在图6所示的另一个优选实施例中，塔的构型可以取塔68的形式，具有一系列间隔开的，放射状槽形口70，最好一个或多个通风塔被连接到出口或口上，具有一类似于进口塔的结构和功能，以引导到出口阀的流动排向仪器，到局部环境中。这样出口塔最好具有如图5所示的构型，或者在一替换的实施例中如图6所示的构型。当用作出口塔时，喷嘴开口有助于增加气态工作流体速度，从箱内较低的气态工作流体速度到排放管线内较快的流动速度。
在图7A和图7B所示的另一个优选实施例中，进口塔72可以被结合进SMIF箱的薄片支撑臂74，位于管形垂直元件76中，以引导和扩散整个箱内部的气态工作体的流动。在SMIF箱的相对侧，可设置一个或多个类似的出口或排放塔(未示出)，以抽出含有残余物的清洁气体进行排放。整体进口和出口塔不影响SMIF箱的基板“门”的操作，而且也不对用于薄片加工的支撑机械装置产生约束。
本发明的系统及方法旨在用于当SMIF箱不需要时，即，当等待下一个生产工位或下一个制造步骤时。这些时间段估计约为6分钟至长于1小时。理想地，SMIF箱在6分钟或更短地时间内被彻底地清洁到所希望的相对湿度，含氧量，或尘粒水平。大约0.1％或更低的相对湿度水平可在大约5分钟内获得。提供给SMIF箱的气态工作流体或清洁气体的流动典型地达20SCFH，压力大约从0到5磅每平方英寸。加压的氮气及其他惰性气体典型地可以从65到125磅的压力得到，系统内的工作气体的压力典型地采用点用调节器控制，限制SMIF箱的供给压力为最大值约10磅每平方英寸，SMIF箱内的工作压力典型地约为1磅/平方英寸。气态工作流体或清洁气体被过滤而以约99.999％的效率去除小至0.10～2.0微米的尘粒。
如在图8A中所示的一个本发明的系统和方法的优选实施例中以及图8B中所示的另一个优选实施中那样，一单独的SMIF箱80可以被(典型地用人工)固定到一分子污染控制模块化基础单元84的底板82上，以提供SMIF箱的气态工作流体的供给和排放，如以上所述。在图9A,9B,10和11所示的另一个本发明的优选实施例中，一单独的污染控制模块化基础单元84可向多个SMIF箱80提供气态工作流体的供给和排放。如图9所示，一列数个SMIF箱80可以塔状固定到基板82上，基板82与气态工作流体供给和排放管线86平行相连。
如图11所示，与图1A和1B所示的单个SMIF箱的构形相类似，在图9A,9B和10的多箱构形中，分子污染控制模块化基础单元84通常提供一气态工作流体的供给85，工作流体典型地为氮气或其他惰性气体，例如以80磅/平方英寸的压力供给。分子污染控制基础单元还可以包括一过滤器88，用于过滤气态工作流体而以约99.999％的效率去除小至0.1～2.0微米的尘粒。分子污染控制基础单元最好包括一清洁控制总成90，其典型地包括一质量控制阀21，控制SMIF箱内的气态工作流体的供给。在当前的优选实施例中，清洁控制总成还提供一干燥室20，用以接受和干燥气态工作流体或清洁气体，方法是将其暴露在如活性铝，氯化钙，硅胶，或氯化锌等干燥剂中，例如其可与供给到SMIF箱的清洁气体中的任何残存的水分起化学反应并将其去除，并不向清洁气体中引入任何不希望的成分，其他不向清洁气体引入任何不希望的成份的干燥剂也可适合此处。
在当前的一个优选实施例中，清洁控制总成还提供一加热器18，用以将清洁气体加热到高于100℃，但低于箱的热敏温度，即105到120℃。对于多箱的构型，典型地提供一歧管92，用以平均分配气态工作流体到各SMIF箱。如以上参照图1A所述，在当前的一个优选实施例中，清洁控制单元还可以在SMIF箱的出口管线提供传感器56，与供给管线相连，以监控清洁后的SMIF箱内存在的气态工作流体的相对湿度，含氧量以及尘粒物含量。并允许检测预热过的气态工作流体以在将其引入到SMIF箱之前得到基本组成水平，还可以设置其他型式的传感器以检测在常规处理后可能存在的其他型式的污染如蒸汽中携带的卤素或卤族官能团，例如氯，溴，三氯化砷，硅烷等。如图1A和1B所示，最好设置一真空泵16与SMIF箱的一个或多个出口流体连通以去除气态工作流体或清洁气体，以及任何颗粒污染物，其它形式的蒸汽污染物如从制造过程和SMIF箱的气态工作流体或清洁气体中所夹带的污物。
从以上叙述很明显地看出，尽管说明的是本发明的特定形式，但可以作出各种变形而不背离本发明的精神和范围。相应地，本发明仅由所附的权利要求书限定。

Claims (26)

1．一种用于清洁半导体制造材料环境到所希望的相对湿度，含氧量及尘粒水平的系统，包括：
一模块化隔离舱，具有限定一用于半导体制造材料的室的壳体，所述壳体包括一基础；
一入口，设置在所述基础上，用于接纳气态工作流体到所述模块化隔离舱，以用所述气态工作流体清洁所述模块化隔离舱，所述入口包括一单向阀和过滤器总成，用以允许所述气态工作流体单向流入所述模块化隔离舱及用以过滤所述流入模块化隔离舱内的气态工作流体；
一出口，设置在所述基础上，用于从所述模块化隔离舱内除去所述气态工作流体，所述出口包括一单向阀总成，用以允许从所述模块化隔离舱内除去的气态工作流体单向流动；
一气态工作流体源，用于清洁所述模块化隔离舱；以及
一分子污染控制基础总成，具有一气态工作流体供给口，与所述气态工作流体源流体连通，所述基础总成气态工作流体供给口，适于与所述模块化隔离舱入口以密封的流体连通状态配合，并且所述分子污染控制基础总成具有一基础总成排放口，适于与所述模块化隔离舱出口以密封的流体连通状态配合。
2．如权利要求1的系统，其中所述入口包括一入口塔，其具有多个间隔开的孔。
3．如权利要求2的系统，其中所述间隔开的孔包括一系列喷嘴，其尺寸分级变化。
4．如权利要求1所述的系统，其中所述入口包括一入口塔，其具有多个间隔开的放射状槽口。
5．如权利要求1的系统，其中所述出口包括一出口塔，其具有多个间隔开的孔。
6．如权利要求1的系统，其中所述出口包括一出口塔，其具有多个间隔开的放射状槽口。
7．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成还包括一真空泵，其与基础总成排放口流体连通，以从所述模块化隔离舱内去除所述气态工作流体，尘粒污染物，氧，以及气态工作流体中夹带的湿气。
8．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括多对所述基础总成气态工作流体供给口以及所述基础总成排放口，用以匹配地接受多个所述模块化隔离舱。
9．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一干燥室，其含有干燥剂用以干燥供给所述模块化隔离舱的所述气态工作流体。
10．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一加热器用以加热供给到所述分子隔离舱的所述气态工作流体到约100℃至120℃之间的温度。
11．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一传感器，用以监控供给到所述模块化隔离舱的所述气态工作流体的相对湿度。
12．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一个传感器，用以监控供给到所述模块化隔离舱的所述气态工作流体的含氧量。
13．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一个传感器，用以监控供给到所述模块化隔离舱的所述气态工作流体的尘粒含量。
14．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一个传感器，用以监控供给到所述模块化隔离舱的所述气态工作流体的相对湿度。
15．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一个传感器，用以监控从所述模块化隔离舱出来的所述气态工作流体的氧含量。
16．如权利要求1的系统，其中所述分子污染控制基础总成包括一个传感器，用以监控从所述模块化隔离舱出来的所述气态工作流体的尘粒含量。
17．一种用以清洁一半导体制造材料的模块化隔离舱内的环境到所希望的相对湿度，含氧量及尘粒水平的方法，其中模块化隔离舱具有一基础，包括一入口，设置在所述基础上以接纳一气态工作流体到所述模块化隔离舱，用以清洁所述模块化隔离室；一出口，设置在所述基础上以从所述模块化隔离舱内去除所述气态工作流体；一气态工作流体源用以清洁所述分子隔离舱，以及一分子污染控制基础总成，其具有一基础总成气态工作流体供给口，设置的可与所述模块化隔离舱入口以密封流体连通状态匹配，以及一基础总成排放口，设置得可与所述模块化隔离舱出口以密封流体连通状态匹配，所述方法包括以下步骤：
供给气态工作流体流到模块化隔离舱，用以清洁所述模块化隔离舱的湿气，氧和尘粒，
维持所述气态工作流体以层流速度流动，使箱内为层流，以及
将气态工作流体连同其夹带的湿气，氧及尘粒一起从模块化隔离舱抽出。
18．如权利要求17的方法，其中维持所述气态工作流体以层流速度流动的步骤包括维持所述气态工作流体以低于声速的层流速度流动。
19．如权利要求17的方法，还包括干燥供给到所述模块化隔离舱的气态工作流体的步骤。
20．如权利要求17的方法，还包括加热供给到所述模块化隔离舱的气态工作流体到一大约100℃至120℃之间的温度的步骤。
21．如权利要求17的方法，还包括监控供给到所述模块化隔离舱的气态工作流体的氧含量的步骤。
22．如权利要求17的方法，还包括监控供给到所述模块化隔离舱的气态工作流体的尘粒含量的步骤。
23．如权利要求17的方法，还包括监控供给到所述模块化隔离舱的气态工作流体的相对湿度的步骤。
24．如权利要求17的方法，还包括监控从所述模块化隔离舱出来的气态工作流体的相对湿度的步骤。
25．如权利要求17的方法，还包括监控从所述模块化隔离舱出来的气态工作流体的氧含量的步骤。
26．如权利要求17的方法，还包括监控从所述模块化隔离舱出来的气态工作流体的尘粒含量的步骤。
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