DE69730349T2

DE69730349T2 - Drehbare und verschiebbare sprühdüse

Info

Publication number: DE69730349T2
Application number: DE69730349T
Authority: DE
Inventors: J. Thomas WAGENER; L. Kevin SIEFERING; A. Pamela KUNKEL; F. James WEYGAND; P. Gregory THOMES
Original assignee: FSI International Inc
Current assignee: Tel Manufacturing and Engineering of America Inc
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: JP3672321B2; KR100483343B1; EP0949984B1; EP0949984A1; DE69730349D1; JP2001506925A; KR20000062322A; WO1998028107A1; US5942037A

Description

Die vorliegende Erfindung zielt ab auf eine Vorrichtung, die eine Düse des Typs aufweist, der eine Reihe von Öffnungen hat, die sich in einer Längsrichtung der Düse erstrecken, um einen Aerosolsprühnebel zur Bearbeitung einer festen Oberfläche bereitzustellen, die innerhalb einer Bearbeitungskammer bereitgestellt ist. Insbesondere ist in der Düse eine gleichmäßige Verteilung einer Flüssigkeit entlang der Düsenlänge bereitgestellt, um das Aerosol gleichmäßig zu versprühen. Die Düsenkonstruktion stellt außerdem eine gleichmäßige Verteilung bereit, unabhängig vom Winkel, so daß die Düse relativ zu der zu bearbeitenden Oberfläche drehbar sein kann und verschiebbar sein kann, um den Abstand der Düse zu der zu bearbeitenden Oberfläche zu ändern.
Die vorliegende Erfindung ist für eine spezielle Anwendbarkeit in der Halbleiter- und Mikroelektronik-Industrie entwickelt worden und insbesondere zum Reinigen von kontaminierten Substraten, beispielsweise von Halbleiter-Wafern aus Silizium und Galliumarsenid, Mehrfachchipträgern, Flachbildschirmanzeigen, magnetischen Festplatten, MEMs und anderen elektronischen Vorrichtungen. Viele Verfahren sind entwickelt worden, um solche Oberflächen zu reinigen. Techniken umfassen die Verwendung von Lösungsmitteln oder chemisches Reinigen zum Entfernen von Kontaminationsfilmen von Oberflächen, die Verwendung von hochenergetischen Schallwellen und Kombinationen davon. Lösungsmittel für Chemikalien können als Gasstrahl oder Flüssigkeitssprühnebel angewendet werden.
Kürzlich sind kryogene Aerosole zum Strahlsprühen gegen Oberflächen entwickelt worden, insbesondere in der Halbleiterwaferindustrie zur Partikeldekontamination. Kryogene Mittel, die zum Entfernen der Partikelkontamination verwendet worden sind, umfassen Argon, Kohlendioxid und Wasser. Die hinter kryogenen Aerosolen steckende Idee ist, einen Strahl aus gefror nen Kristallen bereitzustellen, die sich mit Unterschall- oder Überschallgeschwindigkeit bewegen. Die Bildung und die Größe der Kristalle hängt ab von den thermodynamischen Bedingungen, einschließlich Druck, Temperatur, Strömung, und von dem Kristallbildungsverfahren, das hauptsächlich von der Ausgangsphase der zugeführten Substanz und der Düsenkonstruktion abhängt. Kohlendioxid und Wasser sind in bestimmten Anwendungen verwendet worden; jedoch verlangt das Reinigen von Siliziumwafern hohe Reinheit und die Fähigkeit, die Oberfläche des Siliziumwafers nicht zu beschädigen. Somit erscheint nun Argon-Aerosol besonders gut geeignet zum Reinigen von Halbleiterwafern. Beispielsweise offenbaren die US-Patente Nr. 5 377 911 (Bauer et al.), 5 062 898, 5 209 028, 5 294 261 (McDermott et al.) die Verwendung von kryogenen Aerosolen, die Argon in Kombination mit Stickstoff enthalten können. Die US-Patente 4 747 421 (Hayashi) und 4 806 171 (Whitlock et al.) beschreiben Vorrichtungen zum Reinigen von Substraten unter Verwendung von Kohlendioxid-Aerosolkristallen.
Eine einfache schematische Darstellung des kryogenen Aerosolreinigungssystems ist in 1 gezeigt, das eine Siliziumwaferoberfläche 1 und eine Strahlaufpralldüse 2 aufweist. Die Düse 2 weist entlang ihrer Länge mehrere Öffnungen auf, aus welchen der Aerolsolstrahl-Sorühnebel zur Siliziumwaferoberfläche 1 getrieben wird. Typisch sind die Öffnungen so gestaltet, daß der Aerosolstrahlstrom in einem vorgegebenen Winkel auf dem Siliziumwafer 1 aufprallt. Das Aerosol enthält Aerosolkristalle 3, die in dem Aerosolgas suspendiert sind, die durch die Linien veranschaulicht sind, die sich von der Düse aus erstrecken, um die Siliziumwaferoberfläche 1 zu überqueren, und von der Siliziumwafereberfläche 1 an den Pfeilspitzen erstrecken. Kontaminationspartikel 4 sind auf der Siliziumwaferoberfläche 1 gezeigt und sind außerdem gezeigt, wie sie von dem Aerosolgasstrahlstrom von der Siliziumwaferoberfläche 1 weg transportiert werden. Typisch ist die Strahlaufpralldüse 2 in einer Position und in einem speziellen Winkel fixiert, so daß der Aerosolstrahlstrom, der die Aerosolkristalle 3 enthält, auf der Oberfläche 1 des Siliziumwafers aufprallt, der gehalten wird, um relativ zur fixen Position der Strahlaufpralldüse 2 bewegbar zu sein. Normalerweise ist der Siliziumwafer, der die Oberfläche 1 hat, auf eine solche Weise angebracht, daß er unterhalb der Strahlaufpralldüse 2 verschoben werden kann, so daß die gesamte Siliziumwaferoberfläche 1 gereinigt werden kann. Die in dem Aerosolgas getragenen Aerosolkristalle 3 prallen auf die Oberfläche des Siliziumwafers 1, bewirken das Entfernen von Kontaminationspartikeln 4 und der Strahlstrom trägt die Kontaminationspartikel 4 von der Siliziumwaferoberfläche 1 weg. Wie oben beschrieben, kann das Aerosol als Aerosolkristalle 3 kryogene Aerosolagglomerate oder irgendwelche anderen als Reinigungsmittel bekannte Partikel oder Flüssigkeiten aufweisen.
In einer kryogenen Reinigungsvorrichtung sind die Düse 2 und der Siliziumwafer, der von einer bewegbaren Einspannvorrichtung gehalten werden würde, innerhalb einer Aerosolreinigungskammer bereitgestellt. In der Aerosolreinigungskammer ist während des Reinigungsvorgangs ein Vakuum bereitgestellt, derart, um eine Bildung von kryogenen Aerosolkristallen 3 zu steuern. Insbesondere wird die inerte Substanz, beispielsweise ein Gemisch aus Argon und Stickstoff, der Düse 2 zugeführt und wird aus der Strahlaufpralldüse 2 in die Vakuumreinigungskammer ausgestoßen, in welcher die kryogenen Aerosolkristalle 3 und der Aerosolgasstrahlstrom gebildet werden.
Die kryogenen Aerosolkristalle 3 werden primär durch Verdampfungskühlen gebildet. Verdampfungskühlen beruht auf kleinen Flüssigkeitströpfchen, die vor dem Aufprallen auf die Siliziumwaferoberfläche 1 gefrieren. Die kleinen Flüssigkeitströpfchen werden aus größeren Tröpfchen gebildet, die durch das Hochdruckgas zerstäubt werden, das sich von den Düsenöffnungen aus ausdehnt. Wegen des Druckabfalls zwischen der Düse und dem Siliziumwafer gefrieren die kleinen Flüssigkeitströpfchen (der Aerosolsprühnebel) in Kristalle. Durch Verdampfungskühlen gebildete Kristalle haben im allgemeinen einen Durchmesser von ungefähr ein bis zehn Mikrometer (1–10μm) oder größer. In geringerer Bedeutung werden kryogene Aerosolkristalle außerdem über ein Joule-Thompson-Kühlen gebildet, was eine homogene Keimbildung von Kristallen auf der Basis eines mit der Ausdehnung verbundenen Temperaturabfalls innerhalb der Aero solreinigungskammer ist, wie in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 5 377 911 (Bauer) beschrieben ist. Diese Keimbildung stellt viel kleinere und weniger wirkungsvolle Kristalle mit einem Durchmesser im allgemeinen in der Größenordnung von 0,01μm bereit.
Um also die primäre Bildung der Kristalle durch das Zerstäuben von Flüssigkeitströpfchen in kleine Flüssigkeitströpfchen und das anschließende Gefrieren zu erzielen, muß die Düsenkonstruktion die Flüssigkeit gleichmäßig entlang der Länge der Düse verteilen. Eine gleichmäßige Verteilung stellt sicher, daß sich entlang der Länge der Düse die größeren Tröpfchen bilden, die zerstäubt, gefroren und von dem Aerosolgas transportiert werden.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist eine Strahlaufpralldüse 2 in einer fixierten Winkelorientierung gezeigt. Die innerhalb der Düse 2 bereitgestellten inerten Substanzen und die Flüssigkeit bilden darin ein Bad, im wesentlichen bis zur Höhe der Reihe von Öffnungen. Der Aerosolsprühnebel wird aus den Öffnungen ausgestoßen, wie oben erwähnt ist. Für eine gleichmäßige Bearbeitung ist es wichtig, einen gleichmäßigen Sprühnebel entlang der Länge der Düse bereitzustellen. Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich das Flüssigkeitsbad entlang des Abschnitts der Länge, der dargestellt ist. Es wird vermutet, daß sich Wellen durch das Flüssigkeitsbad bewegen, wie ebenfalls in 3 angedeutet ist. Vermutlich bewirken diese Wellen das, was manchmal als Schwankungseffekt der Intensität des Aerosolsprühnebels entlang der Länge der Düse beobachtet worden ist. Dieser Effekt wird als "Wandereffekt" bezeichnet. Obwohl die momentane Gleichmäßigkeit der Düse schlecht ist, wenn Wandern beobachtet wird, wirkt sich dieses Phänomen nicht wesentlich auf die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung aus, da sich die Wellen entlang der Länge der Düse vor und zurück bewegen.
Eine Folge der Bereitstellung einer fixierten Düse ist jedoch die Erzeugung eines speziellen Aufprallwinkels. Bei einer Reinigung oder einer andersartigen Behandlung einer Substratoberfläche, die Oberflächenmerkmale, -muster oder Durchgangslöcher hat, kann der Aerosolstrom in dem eingestellten Aufprallwinkel Oberflächen der Merkmale möglicherweise nicht ge eignet reinigen. Beispielsweise kann das Entfernen von Kontaminationen aus tiefen Gräben und anderen Oberflächenmerkmalen dadurch gründlicher durchgeführt werden, daß die Richtung des Aerosolsprühnebels fast senkrecht zur Substratoberfläche orientiert wird, während das Entfernen von Partikeln von einer ebenen Oberfläche eine Orientierung des Aerosolsprühnebels in einem sehr flachen streifenden Winkel zur Substratoberfläche erfordern könnte. Wegen der Form der Kontaminationspartikel und der Art und Weise, wie sie an den ebenen Oberflächen haften, könnten ferner selbst bei ebenen Oberflächen unterschiedliche Aufprallwinkel wirkungsvoller sein.
In 4 ist eine ähnliche Düse wie die vorstehend beschriebene dargestellt, die aber in einer Orientierung fixiert ist, um einen im wesentlichen senkrecht auf eine Substratoberfläche gerichteten Aerosolsprühnebel bereitzustellen. Insbesondere ist die Richtung des Aerosolsprühnebels in Richtung der Schwerkraft dargestellt. In dieser Situation ist der oben diskutierte Effekt der Bildung eines Flüssigkeitsbads und somit die Bildung von kryogenen Aerosolkristallen beeinträchtigt. Die Flüssigkeitsansammlung ist ungleichmäßig und es kann sich weniger bis gar keine Flüssigkeit ansammeln, wie auf der rechten Seite dargestellt ist, unabhängig davon, ob das kryogene Fluid an einem oder an beiden Enden der Düse oder an irgendeinem Punkt entlang ihrer Länge zugeführt wird. Mit einer ungleichmäßigen Flüssigkeitsansammlung kann die Bildung von kryogenen Aerosolkristallen an bestimmten Stellen entlang der Düsenlänge verhindert sein und kann eine ungleichmäßige Bearbeitung auftreten.
Das vorstehend erwähnte US-Patent Nr. 5 377 911 (Bauer et al.) offenbart eine fixierte Düse, die eine Doppelkammer verwendet. Wie in 7A des Patents von Bauer et al. gezeigt ist, steht eine obere Kammer über eine Reihe von Öffnungen mit einer unteren Kammer in Verbindung, und eine andere Reihe von Öffnungen aus der unteren Kammer ist vorgesehen, aus welchen das Aerosol ausgestoßen wird. Jedoch ist der Zweck der Bereitstellung des oberen und unteren Verteilers, die Erzeugung von Niederdruckpunkten auszuschließen, und die gleichmäßige Ver teilung von Gas, das von dem oberen Verteiler zum unteren Verteiler strömt.
Die GB-A-642 605 betrifft einen Flüssigkeitsaufbringungsmechanismus, der ein Sprührohr aufweist, das sich quer über ein Kapillarkissen erstreckt, wobei die Flüssigkeit über das Rohr auf das Kissen gesprüht wird und das Sprührohr so angebracht und angeordnet ist, daß es um seine eigene Achse drehbar ist.
Die JP-A-03-016666 betrifft eine Fluideinspritzdüse, die das Einstellen des Strahls und die Änderung der Einspritzwinkel dadurch erlaubt, daß eine gerade Anzahl von Verteilerflügeln an der Randfläche eines inneren zylindrischen Düsenrohrs gebildet ist und eine beliebige Anzahl von inneren zylindrischen Düsenlöchern im Umfangsabschnitt gebildet ist und daß ein äußeres zylindrisches Düsenrohr bereitgestellt ist, das mehrere äußere zylindrische Düsenlöcher in entgegengesetzter Richtung zu den inneren zylindrischen Düsenlöchern hat.
Die JP-A-02-254141 offenbart eine Wasserlöschvorrichtung für Aluminiumbänder, wobei das Kühlwasser aus den Düsenköpfen der Wassersprühvorrichtungen gespritzt wird. Die Wassersprühvorrichtung besteht aus einem doppelten Rohr, nämlich einem äußeren Rohr und einem inneren Rohr, und einer Trennwand mit einer Nut, und die Sprühdüsenköpfe sind an der Seite, die mit dieser Trennwand unterteilt ist, angeordnet und das innere Rohr ist an der anderen Seite angebracht.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert und überwindet die Nachteile und Mängel des Stands der Technik durch Bereitstellung einer Düse, die eine Reihe von Öffnungen entlang einer Länge der Düse hat, um ein Substrat zu bearbeiten, und die drehbar einstellbar ist. Durch die in der vorliegenden Erfindung verwendete Düsenkonstruktion wird Flüssigkeit richtig entlang der Länge der Düse verteilt, unabhängig vom Aerosolsprühwinkel. Dies erlaubt die Erzeugung eines gleichmäßigen Aerosolstroms, der unabhängig vom Sprühwinkel ist. Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Düsenkonstruktion verbessert die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit innerhalb der Düse, was zusätzlich zur Bereitstellung einer gleichmäßigeren Flüssigkeitsansammlung außerdem den Wandereffekt wesentlich eliminiert.
Das drehbare Einstellen der Düse ist dahingehend vorteilhaft, daß die Düse in einem größeren Anwendungsbereich verwendbar ist. Insbesondere kann durch unterschiedliches Orientieren der Aerosolsprührichtung abhängig von den Oberflächenmerkmalen, dem Typ und der Form der Kontaminationspartikel und von anderen Faktoren das Bearbeiten von Substraten gründlicher ausgeführt werden. Beispielsweise kann da, wo Oberflächenmerkmale bereitgestellt sind, ein fast senkrechter Aufprallwinkel zur Substratoberfläche bevorzugt sein. Zum Bearbeiten einer sehr ebenen Oberfläche kann ein sehr flacher streifender Aufprallwinkel zur Substratoberfläche bevorzugt sein. Jedoch können durch Ändern der Aufprallwinkel, abhängig beispielsweise von der Form des Kontaminationspartikels und seiner Haftung, höhere Leistungen erzielt werden. Die Winkelorientierung des Aerosolsprühnebels wird durch Drehen der Düse eingestellt. Im Falle einer kryogenen Reinigungsvorrichtung ist es ein weiterer Vorteil, daß das Drehen ausgeführt werden kann, während die Bearbeitungskammer unter Vakuum bleibt. Überdies kann die Drehbewegung automatisiert sein, so daß sie von Substrat zu Substrat oder während der Reinigung eines einzelnen Substrats automatisch geändert werden kann.
Vorzugsweise ist die Düse in Richtung auf das zu bearbeitende Substrat hin oder von diesem weg oder parallel zur Substratoberfläche verschiebbar. Somit kann der Abstand zwischen der Düse und der Substratoberfläche eingestellt werden, um die Bearbeitung zu optimieren, oder kann die Düse verschoben werden, während das Substrat fixiert ist. Auf diese Weise ist es mit unterschiedlich dicken Substraten vorteilhaft möglich, die Sprühdüse zu betätigen, um einen festen Sprühwegabstand zur Substratoberfläche über die Oberfläche des unterschiedlich dicken Substrats hinweg aufrechtzuerhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines typischen kryogenen Aerosolreinigungssystems zum Reinigen der Oberfläche eines Siliziumwafers;
2 ist eine schematische Perspektivansicht einer Düse, die eine Reihe von in Längsrichtung ausgerichteten Öffnungen hat und die in einem Aerosolsprühwinkel zur Schwerkraft von ungefähr 45° orientiert ist;
3 ist eine schematische Ansicht der Düse von 2, die in dem gleichen Winkel orientiert ist, und zeigt die Bildung eines Flüssigkeitsbads innerhalb der Düse und entlang ihrer Länge;
4 ist eine ähnliche schematische Ansicht wie 3, wobei jedoch die Düse so orientiert ist, daß ihre in Längsrichtung ausgerichteten Öffnungen einen Aerosolsprühnebel in Richtung der Schwerkraft erzeugen, und zeigt eine teilweise Bildung eines Flüssigkeitsbads;
5 ist eine schematische Seitenansicht einer Aerosolkammer mit einer Düse, die drehbar einstellbar ist, und wobei der Abstand zwischen der Düse und der Substratoberfläche einstellbar ist,;
6 ist eine schematische Seitenansicht eines Substrats, das sich relativ zu einer Düse nach links bewegt, und zeigt den Aufprallwinkel des Strahlstroms und den Sprühabstand zwischen der Düse und der Substratoberfläche;
7 ist eine Teilansicht eines Querschnitts einer drehbaren und verschiebbaren Verbindungsanordnung für eine Düse, die gezeigt ist, wie sie an einer Seitenwand einer Aerosolkammer angebracht ist;
8 ist eine Perspektivansicht der drehbaren und verschiebbaren Verbindungsanordnung von 7, die von ihrer Verbindung mit der Seitenwand der Aerosolkammer getrennt ist;
9 ist ein Teil einer Seitenansicht der Seitenwand einer Aerosolkammer, an welcher die drehbare und verschiebbare Verbindungsanordnung von 7 und 8 anzubringen ist;
10 ist eine Seitenansicht einer Düse und zeigt eine Reihe von in Längsrichtung ausgerichteten Öffnungen entlang der Länge des Außenrohrs der Düse;
11. ist eine Seitenansicht der Düse, die um 90 Grad radial zu der, die in 10 gezeigt ist, gedreht ist, wobei das Außenrohr abgenommen ist und seine Position durch die strichpunktierten Linien veranschaulicht ist und das Innenrohr mit einer Reihe von in Längsrichtung ausgerichteten Öffnungen gezeigt ist;
12 ist eine Teilansicht eines Querschnitts der Düse und zeigt das Innen- und Außenrohr miteinander verbunden;
13 ist eine schematische Seitenansicht eines Längsabschnitts einer Düse, wobei die inneren Öffnungen in Richtung der Schwerkraft orientiert sind, während die Strahlaufprallöffnungen in einem Winkel von 90° relativ zu den inneren Öffnungen gerichtet sind;
14 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 14-14 von 13;
15 ist eine ähnliche schematische Ansicht wie 13, zeigt jedoch die inneren Öffnungen um 90° zur Schwerkraftrichtung gerichtet, während die Strahlaufprallöffnungen in Schwerkraftrichtung gerichtet sind; und
16 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 16-16 in 15.
Mit Bezug auf die Figuren und zuerst auf 5, wobei in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, ist eine Vorrichtung 10 zur Behandlung der Oberfläche eines Objekts, beispielsweise eines Siliziumwafers 12, dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist zur Behandlung irgendeines Typs einer Mikroelektronik-Vorrichtung verwendbar, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Flachbildschirmanzeigen, Festplattenlaufwerken und Mehrfachchipmodule. Zusätzlich ist die Erfindung verwendbar zur Behandlung von Masken, die für mikrolithographische Verfahren verwendet werden, einschließlich Röntgenstrahlen-Masken, und zur Behandlung von irgendwelchen Halbleiter-Substraten, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Galliumarsenid-Wafer und aus Silizium bestehende Wafer.
Die Vorrichtung 10 weist grundsätzlich eine bewegbare Einspannvorrichtung 14, die den Siliziumwafer 12 innerhalb einer Aerosolkammer 16 hält, und eine Strahlaufpralldüse 18 auf. Die Düse 18 ist gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung drehbar einstellbar und verschiebbar, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Vorrichtung 10 wird zur Behandlung einer Oberfläche 13 des Substrats, z.B. eines Siliziumwafers 12, verwendet; eine solche Behandlung kann irgendeine Beschichtung, Reinigung oder eine ähnliche Be handlung sein, bei welcher die Strahlaufpralldüse 18 ein Aerosol, eine Flüssigkeit oder ein Gas bereitstellt, um die Oberfläche 13 zu beaufschlagen. Zum Zwecke einer speziellen Beschreibung wird die Vorrichtung 10 als eine Aerosolreinigungsvorrichtung beschrieben, die verwendet wird, um Kontaminationen von der Oberfläche eines Siliziumwafers zu entfernen.
Die dargestellte Einspannvorrichtung 14 ist von dem Typ, der eine lineare Bewegung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs erlaubt, um die gesamte Seite des Wafers 12 durch den Strahlaufprallstrom hindurch zu bewegen. Die vorliegende Erfindung ist auch auf Systeme anwendbar, die drehbare Einspannvorrichtungen (nicht gezeigt) verwenden, wobei eine Drehbewegung des Wafers 12 erzeugt wird, um seine Oberfläche mit dem Strahl aus der Düse 18 zu beaufschlagen. Alternativ kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusätzlich zur Bewegung der Einspannvorrichtung oder statt dieser die Düse in die zur Oberfläche des Wafers parallele Richtung verschiebbar sein, während die Einspannvorrichtung und der Wafer stationär bleiben, um ein gleiches Ergebnis zu erzielen. Der Begriff "Einspannvorrichtung" wird verwendet, um eine Vorrichtung zu bezeichnen, die das zu behandelnde Objekt dem Zweck entsprechend hält. In dem Fall, in dem die Einspannvorrichtung sich linear bewegt oder sich dreht, weist die Einspannvorrichtung außerdem den geeigneten Gleit- oder Führungsmechanismus des Drehtisches auf. Wo jedoch die Einspannvorrichtung stationär ist, kann sie bloß ein dem Zweck entsprechender Haltemechanismus sein.
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung als eine kryogene Aerosolreinigungskammer, die verwendet wird, um Kontaminationen von Siliziumwafern zu entfernen. Wie vorstehend im Hintergrundabschnitt geschildert, kann kryogenes Reinigen beispielsweise Argon-Aerosole, Kohlendioxid oder Wasser verwenden. Zur Zeit sind Argon-Aerosole bevorzugt. Spezielle Beispiele von kryogenen Argon-Aerosolen kombiniert mit Stickstoff sind in den US-Patenten Nr. 5 062 898, 5 209 028 und 5 294 261, alle von McDermott et al., und in dem US-Patent Nr. 5 377 911 von Bauer et al. offenbart.
Wie in 5 gezeigt, definiert die Aerosolkammer 16 einen geschlossenen Innenraum mit einem Auslaßkanal 20. Innerhalb der Aerosolkammer 16 ist die bewegbare Einspannvorrichtung 14 bereitgestellt. Die bewegbare Einspannvorrichtung 14 weist eine Oberfläche zum Halten eines Siliziumwafers 12 auf und wird bewegbar gehalten, so daß die Oberfläche 13 des zu behandelnden Siliziumwafers 12 vollständig durch den Aufprallbereich der Strahlaufpralldüse 18 hindurch bewegt werden kann. Die bewegbare Einspannvorrichtung 14 kann irgendeinen herkömmlichen Mechanismus aufweisen, um den Siliziumwafer 12 an ihrer Oberfläche anzubringen, die der Strahlaufpralldüse 18 zugewendet ist, beispielsweise Vakuumöffnungen, die zur Haltefläche hin offen sind, um den Siliziumwafer 12 an diese zu halten. Mechanische Halterungen oder Klammern, Saugvorrichtungen, elektrostatische Vorrichtungen und elektromagnetische Vorrichtungen sind bekannt, um den Wafer an der Einspannvorrichtung zu befestigen. Diese und andere können verwendet werden. Die bewegbare Einspannvorrichtung 14 wird ferner innerhalb der Aerosolkammer 16 gehalten, um ihre erforderliche Bewegung bereitzustellen. Herkömmliche Schlitten und Führungsmechanismen können verwendet werden, um den Bewegungspfad der bewegbaren Einspannvorrichtung 14 zu definieren. Überdies kann ein Betätigungsmechanismus 22 verwendet werden, um der bewegbaren Einspannvorrichtung 14 eine Bewegung entlang ihres Führungspfads aufzuerlegen. Der Betätigungsmechanismus 22 kann irgendeinen herkömmlichen elektrischen, mechanischen, elektromechanischen, hydraulischen, pneumatischen oder dergleichen Betätigungsmechanismus aufweisen. Der Betätigungsmechanismus 22 sollte einen ausreichenden Bewegungsbereich haben, so daß die Oberfläche 13 des Siliziumwafers 22 vollständig durch den Aufprallbereich hindurch bewegt werden kann. Eine Betätigungsstange 24 kann den Betätigungsmechanismus 22 mit der bewegbaren Einspannvorrichtung 14 verbinden und kann außerdem einen Vakuumdurchlaß aufweisen, um das Vakuum zur Oberfläche der bewegbaren Einspannvorrichtung 14 zu führen, um den Siliziumwafer 12 zu befestigen, wie oben diskutiert.
Um die Fluiddynamik innerhalb der Aerosolkammer 16 zu steuern, ist ein Strömungsteiler, der eine Ablenkplatte 34 auf weist, mit einem Ende der bewegbaren Einspannvorrichtung 14 verbunden und erstreckt sich in den Auslaßkanal 20. Zusätzlich ist ein Schirm 36 innerhalb der Aerosolkammer 16 vorgesehen und weist eine Platte auf, die mit der Aerosolkammer 16, beispielsweise mit ihrer oberen Wand, verbunden ist, um die Strömung um die Düse 18 herum zu steuern. Die Steuerung der Fluiddynamik innerhalb der Aerosolkammer 16 durch die Ablenkplatte 34 und die Schirmplatte 36 sind in dem mit angemeldeten US-Patent Nr. 08/712 342, eingereicht am 11. September 1996, ausführlicher beschrieben. Der Hauptzweck ist, den Nach-Aufprallstrom in zwei positive Ströme C und D zu teilen, um eine Rekontaminierung zu verhindern.
Die Düse 18 wird innerhalb der Aerosolkammer 16 gehalten, um drehbar einstellbar zu sein, wie durch den Pfeil A angedeutet ist, und um entlang der Richtung von Pfeil B verschiebbar zu sein, um den Abstand zwischen der Düse 18 und der Oberfläche 13 des Wafers 12 einzustellen. Die Art und Weise der Bereitstellung der Dreh- und Verschiebeeinstellungen wird nachstehend beschrieben. Die Düse 18 ist mit einer Versorgungsleitung 26 verbunden, die ihrerseits weiter mit einzelnen Versorgungsleitungen 28 und 30 verbunden sein kann, die mit den eigentlichen Gas- oder Flüssigkeitsanschlüssen für Argon, Stickstoff oder dergleichen, abhängig von der speziellen Bearbeitung, verbunden sind. Weitere Prozeßschritte, wie beispielsweise Gaskühlung, können innerhalb der Versorgungsleitung 26 erfolgen, wiederum abhängig von der speziellen Bearbeitung, so daß die Düse 18 das gewünschte Aerosol, beispielsweise kryogenes Reinigungsaerosol, ausstößt. Das Innere der Aerosolkammer 16 kann ferner entweder mit einer Vakuumvorrichtung oder einer Überdruckvorrichtung verbunden sein, um selektiv den gewünschten Luftdruck innerhalb der Aerosolkammer 16 auf der Basis des speziellen Prozesses zu steuern. Eine Vakuumvorrichtung (nicht gezeigt) kann über den Auslaßkanal 20 angeschlossen sein. Der Druck kann einfach durch Bereitstellen von Gas durch die Düse 18 oder über eine andere Versorgungsleitung erhöht werden. Beispielsweise ist in einer kryogenen Reinigungsvorrichtung, die Argon und Stickstoff verwendet, normalerweise gewünscht, zur Bildung der kryogenen Kristalle den Druck innerhalb der Aerosolkammer 16 zu verringern. Wie vorstehend im Hintergrundabschnitt beschrieben, bilden sich die kryogenen Kristalle primär durch Verdampfungskühlen, das auf dem Gefrieren von kleinen Flüssigkeitströpfchen vor ihrem Aufprall auf der Oberfläche 13 des Wafers 12 beruht. Die kleinen Flüssigkeitströpfchen werden aus größeren Tröpfchen gebildet, die durch das Hochdruckgas, das sich von den Düsenöffnungen aus ausdehnt, zerstäubt werden. Die kleinen Flüssigkeitströpfchen (der Aerosolsprühnebel) gefrieren aufgrund des Druckabfalls zwischen der Düse und dem Druck innerhalb der Aerosolkammer 16.
Wie in 5 gezeigt, kann ein Ausgleichsgas, vorzugsweise ein Inertgas wie Stickstoff, an einem oder an mehreren Orten, die durch Versorgungsleitungen 38 angedeutet sind, in die Aerosolkammer 16 hinein gebracht werden. Obwohl nicht notwendig, wird ein solches Ausgleichsgas vorzugsweise an der Decke und/oder am Boden der Aerosolkammer 16 an ihrer anderen, vom Auslaß entfernt liegenden Seite hineingebracht. Der Grund für die Verwendung des Ausgleichsgases ist, kleine Druckabweichungen (in der Größenordnung zwischen 5–10 Prozent) innerhalb der Aerosolkammer zu kompensieren oder auszugleichen, die durch Instabilitäten in der Düsen- und der Drucksteuerung hervorgerufen werden. Durch Zuführen des Ausgleichsgases werden irgendwelche schädlichen lokalen Druckdifferenzen minimiert und der positive Gesamtdruckstrom von links nach rechts, der durch die Wirkung des Aufprallstrahls, wie in 5 gezeigt, erzeugt wird, wird aufrechterhalten. Das Ausgleichsgas kann durch Schlitze, die in der Decken- und Bodenwand der Aerosolkammer 16 vorgesehen sind, in die Aerosolkammer 16 hinein gebracht werden. Herkömmliche Gaszufuhrtechniken können verwendet werden.
Es ist in 10 gezeigt, daß die Düse 18 eine Reihe von in Längsrichtung ausgerichteten Strahlaufprallöffnungen 40 aufweist. Mit Bezug auf 6 definieren die Strahlaufprallöffnungen 40 den Aufprallwinkel der Substanz, die verwendet wird, um die Oberfläche 13 des Wafers 12 zu behandeln. Im Falle einer kryogenen Reinigungsvorrichtung weist die Substanz vorzugsweise die gefrorenen kryogenen Kristalle und den Gasstrom auf . Der Aufprallwinkel ist in 6 als Winkel α ge zeigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Düse 18 drehbar innerhalb der Aerosolkammer 16 angebracht, so daß der Winkel α abhängig von dem gewünschten Reinigungswinkel variiert werden kann. Somit ist die Düse in einem größeren Anwendungsbereich verwendbar oder wirkungsvoller. Insbesondere kann das Bearbeiten von Substraten, die tiefe Gräben und andere Oberflächenmerkmale aufweisen, dadurch gründlicher durchgeführt werden, daß die Aerosolsprührichtung fast senkrecht zur Substratoberfläche orientiert wird, wobei α gleich 90° ist. Zum Bearbeiten einer sehr ebenen Oberfläche kann der Aerosolsprühnebel in einem sehr flachen streifenden Winkel bereitgestellt werden, der nahe an einem Winkel α von 0° ist. Andere Oberflächen können α-Winkel irgendwo zwischen 0° und 90° erfordern. 6 zeigt den sich nach links bewegenden Wafer 12. Wenn jedoch der Wafer nach rechts bewegt wird, könnte der Aufprallwinkel ebenso zwischen α-Winkeln von 90° bis 180° eingestellt werden. Abhängig von den Oberflächenmerkmalen des Substrats, z.B. des Wafers 12, kann der Winkel α von Substrat zu Substrat oder während der Reinigung eines einzelnen Substrats geändert werden.
Vorzugsweise ist die Düse 18 der vorliegenden Erfindung auch zur Oberfläche 13 hin oder von ihr weg einstellbar. Der Abstand x zwischen der Unterkante der Düse und der Substratoberfläche kann eingestellt werden, um irgendeine spezielle Bearbeitung zu optimieren. Überdies ist es bei Substraten, deren Dicke variiert, möglich, die Sprühdüse 18 zu betätigen, um einen festen Sprühwegabstand x zur Substratoberfläche über die Oberfläche des unterschiedlich dicken Substrats hinweg aufrechtzuerhalten.
Mit Bezug nun auf 7, 8 und 9 wird eine Art eines drehbaren und verschiebbaren Anbringens der Düse 18 beschrieben. In 8 ist eine Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung 42 dargestellt, verbunden mit der Düse 18. In 7 ist ein Teil eines Querschnitts durch die Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung 42 gezeigt, wobei die Verbindungsanordnung 42 an einer Seitenwand 44 befestigt ist, die eine Seitenwand der Aerosolkammer 16 ist. 9 zeigt einen Ausschnitt der Sei tenwand 44, an welchem die Verbindungsanordnung 42 anzubringen ist.
Die Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung 42 weist eine Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46, eine Drehdurchführung 48 und eine Befestigungsplatte 50 auf. In dem in 7 gezeigten zusammengebauten Zustand liegt die Befestigungsplatte 50 an der Seitenwand 44 der Aerosolkammer 16 und die Drehdurchführung 48 ist zwischen der Befestigungsplatte 50 und der Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 bereitgestellt.
Wie gezeigt, ist die Düse 18 über ein herkömmlich bekanntes VCR-Anschlußstück 54 mit einem Versorgungsrohr 52 verbunden. Alternativ könnte die Düse 18 direkt an das Versorgungsrohr 52 geschweißt sein. Das Versorgungsrohr 52 geht durch eine Öffnung hindurch, die in einer Endwand 56 der kryogenen Flüssigkeit Vakuumdurchführung 46 vorgesehen ist. Das Versorgungsrohr 52 ist vorzugsweise dicht mit der Endwand 56 verbunden, um eine Vakuumabdichtung bereitzustellen und um eine Düseneinstellung, nachstehend beschrieben, zu erleichtern. Stärker bevorzugt ist das Versorgungsrohr 52 an die Endwand 56 geschweißt.
Die Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 weist vorzugsweise eine kommerziell erhältliche Vakuumdurchführung auf, die von Huntington Mechanical Laboratories, Inc. of Mountain View, CA, als Modell FT-188 erhältlich ist. Die Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 weist außerdem einen Flanschabschnitt 58 auf, der verwendet wird, um die Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 mit der Drehdurchführung 48 zu verbinden. Wie gezeigt, werden Schrauben 60 verwendet. Der Flanschabschnitt 58 weist eine Oberfläche 62 auf, die geeignet ist, um einen vakuumdichten Verschluß mit einer ausgesparten Oberfläche 64 der Drehdurchführung 48 bereitzustellen. Vorzugsweise ist eine Dichtung 66 zwischen den Oberflächen 62 und 64 vorgesehen, um den vakuumdichten Verschluß sicherzustellen. Die Drehdurchführung 48 weist vorzugsweise eine kommerziell erhältliche differential gepumpte Drehbefestigungsvorrichtung auf, die ebenfalls von Huntington Mechanical Laboratories of Mountain View, CA, als Serie VF-174-275 erhältlich ist. Die Drehdurchführung 48 weist einen ersten Komponentenabschnitt 47 auf, der relativ zu einem zweiten Komponentenabschnitt 49 drehbar einstellbar ist. Somit kann sich die Oberfläche 64 der Komponente 47 relativ zu einer Oberfläche 68 der Komponente 49 drehen. Die oben angegebene Drehdurchführung 48 weist eine Skala von 0-360 Grad mit einer Sperrschraube (nicht gezeigt) auf, um eine Ausrichtung beizubehalten, und kann optional mit einem Schrittmotor für eine automatisierte Drehung versehen sein (Serie MVF-174-275, ebenfalls kommerziell erhältlich von Huntington Labs.).
Die Komponente 47 der Drehdurchführung 48 ist mittels Schrauben 48 mit der Kryogenflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 verbunden. Auf der zur ausgesparten Oberfläche 64 gegenüberliegenden Seite der Drehdurchführung 48 ist die Oberfläche 68 in dichtem Eingriff mit einer Oberfläche 70 der Befestigungsplatte 50. Wiederum ist vorzugsweise eine Dichtung 72 zwischen den Dichtflächen 68 und 70 vorgesehen, um einen vakuumdichten Verschluß bereitzustellen. Die Befestigungsplatte 50 ist beispielsweise mittels Schrauben (nicht gezeigt) an der Komponente 49 der Drehdurchführung befestigt.
Wie am besten in 7 gezeigt ist, weist die Befestigungsplatte 50 eine Öffnung 74 auf, die vorzugsweise etwas größer ist als die Abmessung der Düse 18. Die Befestigungsplatte 50 weist außerdem ein Paar Kanäle 76 auf, die verwendet werden, um die Befestigungsplatte 50 einstellbar an der Seitenwand 44 der Aerosolkammer 16 anzubringen. Die Kanäle 76 wirkt mit mehreren, vorzugsweise vier, Klammern 78 (von denen nur zwei in 7 gezeigt sind) zusammen, die an der Seitenwand 44 angeschraubt sind. Die Klammern 78 ragen über die Seitenkanten der Befestigungsplatte 50 vor, um so gegen die Kanäle 76 zu wirken, so daß, wenn die Klammern 78 festgezogen sind, die Befestigungsplatte 50 in ihrer Position fixiert ist. Vorzugsweise hat die Seitenwand 44 der Aerosolkammer 16 einen Kanal 80 zum Führen der Befestigungsplatte 50. Die Richtung des Kanals 80 ist die gleiche Richtung, in welcher die Düse 18 zum Wafer 12 hin und von diesem weg verschoben wird, wie durch den in 5 gezeigten Pfeil B angedeutet ist. Ebenfalls in gleiche Richtung wie der Kanal 80 erstreckt sich ein Schlitz 82, durch welchen die Düse 18 positioniert wird. Wie in 9 gezeigt, kann die Düse 18 irgendwo entlang der Länge des Schlitzes 82 positioniert werden. Die Position der Düse 18 ist festgelegt durch die Klammern 78, die gegen die Befestigungsplatte 50 wirken, wie vorstehend beschrieben.
Um einen vakuumdichten Verschluß zwischen der Oberfläche des Kanals 80 und der Oberfläche der Befestigungsplatte 50 bereitzustellen, ist eine Dichtung 84 vorgesehen. Die Dichtung 84 weist vorzugsweise eine Dichtung vom Typ O-Ring auf, die innerhalb einer in der Fläche des Kanals 80 bereitgestellten Nut eingepaßt ist . Die Dichtung 84 und ihre Nut sind in 9 als eine im wesentlichen ovale Form dargestellt; jedoch ist irgendeine Form verwendbar, solange sie den Schlitz 82 umgibt und ein vakuumdichter Verschluß zwischen der Befestigungsplatte 50 und dem Kanal 80 bereitgestellt wird.
Der Schlitz 82 und die durch die Befestigungsplatte 50 hindurchgehende Öffnung 74 sind vorzugsweise so konstruiert, daß im Innern der Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 und der Drehdurchführung 48 eine Vakuumkammer 86 bereitgestellt ist, die zum Innern der Aerosolkammer 16 hin offen ist. Das heißt, der Druck innerhalb der Aerosolkammer 16 wäre der gleiche wie der Druck innerhalb der Innenkammer 86, die innerhalb der Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung 42 definiert ist. Die Innenkammer 86 isoliert das Anschlußstück 54 und den Abschnitt des Versorgungsrohrs 52 und den der Düse 18 innerhalb der Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung 42. Um den restlichen Abschnitt des Versorgungsrohrs 52, der sich von der Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung 42 aus erstreckt, zu isolieren, ist ein Vakuummantel 88 vorgesehen. Der Vakuummantel 88 umgibt auf herkömmliche Weise das Versorgungsrohr 52 und ist vorzugsweise durch Schweißen mit der Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46 verbunden. Somit kann ein separates Vakuum im Innern des Vakuummantels 88 bereitgestellt werden, um das Versorgungsrohr zu isolieren.
Eine Dreheinstellung der Düse 18 wird durch die Drehposition der Komponente 47 relativ zur Komponente 49 der Drehdurchführung 48 erreicht. Um dies zu tun, wird die Stellschraube (nicht gezeigt) gelockert, so daß die Komponenten 47 und 49 relativ zueinander drehbar eingestellt werden können. Das Bewegen der Komponente 47, während die Komponente 49 in einer fixen Position zur Befestigungsplatte 50 ist, bewirkt auch ei ne Drehung der Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46, die ihrerseits fest mit dem Versorgungsrohr 52 verbunden ist. Da das Versorgungsrohr 52 durch das Anschlußstück 54 fest mit der Düse 18 verbunden ist, wird die Düse 18 schließlich entsprechend der an der Drehdurchführung 48 bereitgestellten Skala drehbar eingestellt. Wenn die Einstellposition erreicht ist, wird die Stellschraube (nicht gezeigt) festgezogen. Da die Drehdurchführung 48 vorzugsweise vakuumdicht ist, kann ferner die Dreheinstellung vorgenommen werden, während die Aerosolkammer 16 unter Vakuum ist.
Aus dem Vorstehenden wird auch ersichtlich, daß die Befestigungsplatte 50 innerhalb des Kanals 80 der Seitenwand 44 der Aerosolkammer 16 in einer Position eingestellt werden kann, um die Düse 18 innerhalb der Aerosolkammer 16 verschiebbar zu positionieren. Durch Lockern der Klammern 78 können die Befestigungsplatte 50 gemeinsam mit der Drehdurchführung 48, die Kryoflüssigkeit-Vakuumdurchführung 46, das Versorgungsrohr 52, das Anschlußstück 54 und die Düse 18 entlang des Kanals 80 und des Schlitzes 82 bewegt werden. Die Dichtung 84 stellt in jeder Position entlang des Schlitzes 82 einen geeigneten vakuumdichten Verschluß sicher, obwohl das Vakuum während des eigentlichen Einstellvorgangs möglicherweise nicht aufrechterhalten wird. Wenn erwünscht ist, die Düse 18 in einer gewünschten Verschiebeposition zu fixieren, werden die Schrauben 78 festgezogen, um den richtigen dichten Verschluß der Dichtung 84 mit der Befestigungsplatte 50 in der richtigen Position zu bewirken. Eine Skala kann ebenfalls entlang der Kante der Befestigungsplatte 50 und/oder des Kanals 80 vorgesehen sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können der Kanal 80 und der Schlitz 82 statt dessen in paralleler Richtung zur Oberfläche des Wafers 12 (siehe 5) bereitgestellt sein. Die Düse kann somit entlang der Oberfläche des Wafers 12 bewegbar sein. Um dies auszuführen, würde eine andere Vakuumkopplungstechnik als die oben beschriebene erforderlich sein, beispielsweise mit bewegbaren Bälgen oder dergleichen. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, den Schlitz und den Kanal in ausreichender Länge zu definieren, so daß die Düse 18 über die gesamte Oberfläche des Wafers 12 hinweg oder über irgendeinen Abschnitt davon, der zu behandeln ist, bewegt werden kann. Auf diese Weise kann mit einer stationären Einspannvorrichtung zum Halten des Wafers in Position innerhalb der Aerosolkammer 16 die Düse 18 bewegt werden, um den Wafer 12 zu bearbeiten.
Eine Konstruktion der Düse 18 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 10, 11 und 12 dargestellt. Grundsätzlich weist die Düse 18 ein Außenrohr 90, ein Innenrohr 92, eine Endkappe 94 eine Endkappe 95 und ein Anschlußstück 96 auf, das vorzugsweise Teil des oben diskutierten VCR-Anschlußstücks 54 zum Anschluß an das Versorgungsrohr 52 ist.
Wie in 12 gezeigt, weist das Anschlußstück 96 einen Innenkanal 98 auf, der, wie gezeigt, zur linken Seite des Anschlußstücks 96 hin offen ist, um über das Anschlußstück 54 mit dem Versorgungsrohr 52 in Verbindung zu stehen. Am anderen Ende des Anschlußstücks 96 ist ein Rohrabschnitt 100 vorgesehen, durch welchen der Kanal 98 auch hindurchgeht. Das Außenrohr 90 umgibt den Rohrabschnitt 100 und ist mit der Oberfläche 102 des Anschlußstücks 96 verbunden. Vorzugsweise sind das Außenrohr 90 und der Rohrabschnitt 100 konzentrisch angeordnet. Das Außenrohr kann auf herkömmliche Weise mittels Schweißen mit der Oberfläche 102 verbunden sein. Das Innenrohr 92 ist vorzugsweise stumpf am Rohrabschnitt 100 angefügt und beispielsweise mittels Schweißen mit diesem verbunden. An dem anderen Ende der Düse 18 ist die Endkappe 95 dicht mit dem Ende des Innenrohrs 92 verbunden und ist innerhalb der Endkappe 94 aufgenommen, die das Ende des Außenrohrs 90 dicht verschließt und sowohl das Innenrohr als auch das Außenrohr 92 bzw. 90 hält. Vorzugsweise hält die Endkappe 94 die konzentrische Beziehung des Außenrohrs 90 und Innenrohrs 92 aufrecht.
Durch diese Konstruktion ist innerhalb des Außenrohrs 90 durch dessen innere Oberfläche, die äußere Oberfläche des Innenrohrs 92, die Oberfläche 102 des Anschlußstücks 96 und die Endkappe 94 ein erster Hohlraum 104 definiert. Außerdem ist ein zweiter innerer Hohlraum 106 innerhalb des Außenrohrs 90, insbesondere innerhalb des Innenrohrs 92 und des Rohrabschnitts 100 des Anschlußstücks 96, durch deren inneren Oberflächen und die Endkappe 95 definiert.
Das Innenrohr ist vorzugsweise mit einer Reihe von in Längsrichtung ausgerichteten Öffnungen 108 versehen. Die Öffnungen 108 müssen jedoch nicht ausgerichtet sein und können in einigen Fällen absichtlich nicht ausgerichtet sein. Beispielsweise können einige Öffnungen 108 radial um 180 Grad zu den anderen versetzt sein. Die Öffnungen 108 stellen eine Verbindung zwischen dem zweiten inneren Hohlraum 106 und dem ersten inneren Hohlraum 104 bereit. Die Strahlaufprallöffnungen 40 sind im Außenrohr 90 in einer in Längsrichtung ausgerichteten Reihe bereitgestellt, um eine Verbindung von dem ersten inneren Hohlraum 104 aus nach außen bereitzustellen. Insbesondere lenken die Strahlaufprallöffnungen 40 das darin befindliche Fluid/Gas-Gemisch in die Richtung und in dem Aufprallwinkel α, wie oben diskutiert und in 6 gezeigt, zum Wafer 12.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die inneren Öffnungen 108 nicht radial mit den Strahlaufprallöffnungen 40 ausgerichtet. Das heißt, sie sind radial im Winkel zueinander versetzt. Vorzugsweise sind die inneren Öffnungen 108 in einem Winkel von 90° zu den Strahlaufprallöffnungen 40 versetzt; jedoch ist nur erforderlich, daß ein gewisser Winkelversatz bereitgestellt ist, um die Erzeugung mindestens eines Flüssigkeitsbades innerhalb der Düse 18 sicherzustellen, wie nachstehend weiter diskutiert wird.
In 13 und 14 ist eine Winkelorientierung der Düse 18 dargestellt. Insbesondere ist das Innenrohr 92 so orientiert, daß seine Öffnungen 108 nach unten gerichtet sind, was die Richtung der Schwerkraft sein würde. Die Strahlaufprallöffnungen 40 des Außenrohrs 90 sind 90 Grad dazu versetzt, so daß der Aerosolstrom im wesentlichen horizontal gerichtet ist. Mit Bezug auf 5 und 6 würde dies einen Aerosolstrom im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Wafers 12 bereitstellen.
Eine zweite Orientierung ist in 15 und 16 dargestellt. In diesem Fall ist das Innenrohr 92 so orientiert, daß seine Öffnungen 108 im wesentlichen 90 Grad zur Schwerkraftrichtung gerichtet sind. Die Strahlaufprallöffnungen 40 des Außenrohrs 90 sind allgemein in die Schwerkraftrichtung gerichtet. Diese Orientierung würde einen Aerosolstrom bereit stellen, der im wesentlichen senkrecht zum Wafer 12 gerichtet ist, wie in 5 und 6 gezeigt ist.
Wie beide Orientierungen beweisen, ist sichergestellt, daß sich bei jeder Winkelorientierung der Düse 18 ein Flüssigkeitsbad entweder in dem ersten inneren Hohlraum 104 oder in dem zweiten inneren Hohlraum 106 bildet. Überdies wird sich selbst bei einem anderen Winkelversatz als 90° zwischen den inneren Öffnungen 108 und den Strahlaufprallöffnungen 40 eine gewisse Menge Flüssigkeit ansammeln. Zum Abgeben irgendeines Typs von Flüssigkeit entlang einer in Längsrichtung ausgerichteten Düse ist dieses Merkmal dahingehend vorteilhaft, daß die abzugebende Flüssigkeit ganz über die Länge der Düse hinweg verteilt ist. Genauso wie es im Fall der vorstehend im Hintergrundabschnitt dieser Anmeldung diskutierten kryogenen Aerosolreinigung erforderlich ist, daß die Flüssigkeit entlang der Länge der Düse 18 verteilt ist. Um beim anschließenden Gefrieren die primäre Bildung der Kristalle durch Zerstäuben der Flüssigkeitströpfchen in kleine Tröpfchen zu erreichen, sorgt die Düsenkonstruktion für die Verteilung der Flüssigkeit entlang der Länge der Düse 18. Wie in 3 gezeigt und oben diskutiert, wird ein Flüssigkeitsbad innerhalb der Düse 18 erzeugt, wenn die Strahlaufprallöffnungen in einem Winkel zur Schwerkraft bereitgestellt sind. Im Vergleich dazu, wie in 4 gezeigt, wird ein Flüssigkeitsbad nicht geeignet erzeugt, wenn die Strahlaufpralldüsen in Schwerkraftrichtung gerichtet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein geeignetes Flüssigkeitsbad bereitgestellt, gleichgültig, ob die Strahlaufprallöffnungen 40 in einem Winkel zur Schwerkraft (beispielsweise 90° wie in 13 gezeigt) oder in Schwerkraftrichtung (wie in 15 gezeigt) gerichtet sind.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Düse 18 bereit, die verschoben werden kann, so daß der Abstand zwischen der Düse 18 und der Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts eingestellt werden kann, und wobei der Aufprallwinkel des Aerosolstroms drehbar eingestellt werden kann. Eine spezielle Ausführungsform eines Mechanismus, um die drehbare und verschiebbare Verbindung und Einstellung bereitzustellen, ist beschrieben, wobei die Düse 18 in jeder gewünschten Winkelorientierung ein gestellt werden kann. Überdies ist in jeder Winkelorientierung die Bildung eines Flüssigkeitsbads sichergestellt, um eine gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit innerhalb der Düse 18 und, am wichtigsten, einen gleichmäßigeren Strahlaufprall aus den Öffnungen 40 bereitzustellen. Selbstverständlich können andere Mechanismen verwendet werden, um die drehbare und verschiebbare Einstellung bereitzustellen, und sind andere Orientierungen und Anordnungen möglich, um einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum bereitzustellen, die in einer Weise in Verbindung stehen, um sicherstellen, daß sich ein Flüssigkeitsbad entlang der Länge der Düse 18 bildet.
Im Falle einer kryogenen Aerosolreinigungsvorrichtung sind die Strahlaufprallöffnung 40 und die inneren Öffnungen 108 ausgerichtet, um sich in Längsrichtung entlang des Außenrohrs 90 bzw. Innenrohrs 92 zu erstrecken. Die Größe der Strahlaufprallöffnungen 40 bestimmt sich auf der Basis der Bildung von Flüssigkeitströpfchen, die aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem ersten inneren Hohlraum 104 und dem Innern der Aerosolkammer 16, in welcher ein Vakuum ist, zerstäubt und gefroren werden. Jedoch ist bevorzugt, den Druck im ersten inneren Hohlraum 104 und im zweiten inneren Hohlraum 106 im wesentlichen gleich zu halten. Um dies zu erreichen, sollte die Querschnittfläche des zweiten inneren Hohlraums 106 im wesentlichen gleich den summierten Flächen der inneren Öffnungen 108 sein. Das heißt, durch Summieren der Fläche aller inneren Öffnungen, sollte diese Fläche im wesentlichen gleich der Querschnittfläche des zweiten inneren Hohlraums 106 sein. Vorzugsweise sind die inneren Öffnungen 108 wesentlich größer als die Strahlaufprallöffnungen 40 und somit sind, verglichen mit der Anzahl der Strahlaufprallöffnungen 40 entlang des Außenrohrs, wesentlich weniger innere Öffnungen 108 entlang der Länge des Innenrohrs 92 bereitgestellt.
Die drehbare Einstellung der Düse 18 erlaubt eine wirkungsvolle Verwendung der Düse in einem größeren Anwendungsbereich. Das Bearbeiten von Substraten, die tiefe Gräben oder andere Oberflächenmerkmale haben, kann dadurch gründlicher ausgeführt werden, daß die Aerosolsprührichtung fast senkrecht zur Substratoberfläche orientiert wird. Für eine sehr ebene Oberflä che kann die Orientierung des Aerosolsprühnebels in einem sehr flachen streifenden Winkel zur Substratoberfläche bereitgestellt werden. Überdies kann die Intensität des Aerosolsprühnebels dadurch eingestellt werden, daß die Düse 18 zu der Oberfläche des zu bearbeitenden Substrats hin und von dieser weg verschoben wird. Am wichtigsten ist, daß die Winkelorientierung der Düse 18 und der Abstand zwischen der Düse 18 und der zu bearbeitenden Oberfläche jeweils unabhängig eingestellt werden können, wobei die Gleichmäßigkeit des Sprühnebels entlang der Länge der Düse 18 aufrechterhalten werden kann.
Andere Modifikationen im Bereich der Erfindung sind in Erwägung. Mit Bezug auf 12 kann das Außenrohr 90 der Düse 18 einstellbar mit dem Anschlußstück 96 verbunden sein. Das unmittelbar daran angeordnete Ende des Außenrohrs 90 kann beispielsweise mit einem Flansch versehen sein, der mit einem auf der Oberfläche 102 des Anschlußstücks 96 vorgesehenen Flansch oder einer daran vorgesehenen Klemmvorrichtung zusammenwirkt, so daß das Außenrohr 90 in irgendeiner eingestellten Drehposition verriegelt werden kann. Der Vorteil, das Außenrohr 90 einstellbar zu machen, ist, daß der radiale Winkelversatz zwischen den Öffnungen 108 und den Strahlaufprallöffnungen 40 abhängig von dem speziellen Strahlaufprallwinkel, der für eine spezielle Behandlungs- oder Bearbeitungsanwendung festgelegt ist, optimiert werden kann. In jedem Fall ist gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß Öffnungen 108 auf eine Weise radial bereitgestellt sind, die erlaubt, daß sich entweder im Innenrohr 92 oder im Außenrohr 90 ein Flüssigkeitsbad bildet, wie oben diskutiert.
Es wird auch erwogen, daß das Versorgungsrohr das Bearbeitungsfluid oder -gas irgendwo entlang der Länge der Düse 18 oder von mehr als einem Punkt aus zuführen kann. Wenn beispielsweise die Versorgungsleitung zwischen den Enden der Düse 18 angeschlossen ist, kann dennoch eine Dreh- und Schiebeverbindungsanordnung verwendet werden, um die Düse 18 anzubringen; jedoch kann die Versorgungsleitung durch geeignete Anschlußstücke mit dem Innenrohr 92 verbunden sein. Die Versorgungsleitung kann flexibel sein, um die Dreh- und Schiebeeinstellungen zu erlauben. Bei mehr als einem Zuführungspunkt kann eine Versorgungsleitung 52, wie obige, mit irgendeiner anderen flexiblen Versorgungsleitung kombiniert sein, die mit dem Innenrohr 92 irgendwo entlang seiner Länge, einschließlich an seinem distalen Ende verbunden ist. Außerdem können mehrere Versorgungsleitungen entlang der Länge der Düse 18 angeschlossen sein. Durch die vorliegende Erfindung wird eine gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit entlang der Länge der Düse 18 erreicht, unabhängig davon, wo das Bearbeitungsfluid oder -gas zugeführt wird.

Claims

Vorrichtung (10) zum Behandeln der Oberfläche (13) eines Objekts (12) durch Beaufschlagen der Oberfläche mit einem Aerosolsprühnebel, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Aerosolkammer (16), die einen Innenraum zur Aufnahme eines innerhalb der Aerosolkammer (16) zu behandelnden Objekts definiert, Halteeinrichtungen (14) zum wirksamen Halten des Objekt innerhalb der Aerosolkammer (16), wobei eine Oberfläche in einer Behandlungsposition ist; und eine Düse (18) zum Anschluß an eine Fluidzuführung (26) und zur Abgabe eines Aerosolsprühnebels, wobei die Düse eine Reihe von Aufprallöffnungen (40) hat, die in einer Längsrichtung entlang mindestens eines Teils der Düse (18) bereitgestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse von einem drehbar einstellbaren Düsenhalter (42) wirksam innerhalb der Aerosolkammer (16) gehalten ist, so daß durch Drehen der Düse um ihre Längsachse die Reihe von Aufprallöffnungen in unterschiedlichen radialen Winkeln bezüglich dieser Längsachse der Düse angeordnet werden können und wobei die Düse einen Innenraum hat, der in Längsrichtung in einen ersten (104) und einen zweiten (106) Hohlraum unterteilt ist, wobei mindestens eine Öffnung (108) zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum vorgesehen ist, wobei die Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum bezüglich den Aufprallöffnungen (40) in einem festen radialen Versatzwinkel um die Längsachse der Düse angeordnet ist, der zum radialen Winkel der Aufprallöffnungen (40) versetzt ist, wobei die Düse (18) auf diese Weise drehbar ist, um die Aufprallöffnungen (40) in einem anderen radialen Winkel anzuordnen, ohne den Versatz zwischen der Öffnung (108) und den Aufprallöffnungen (40) zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse in der Aerosolkammer außerdem so einstellbar angebracht ist, daß ein Abstand zwischen der Düse und einer Oberfläche eines zu behandelnden Objekts variiert werden kann, wenn es von den Halteeinrichtungen in Position gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die eine Befestigungsplatte aufweist, an welcher die Düse angebracht ist und welche einstellbar an einer Wand der Aerosolkammer angebracht ist, um den Abstand zwischen der Düse und einer Oberfläche eines zu behandelnden Objekts, wenn dieses von den Halteeinrichtungen in Position gehalten wird, zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich die Düse durch einen durch die Wand der Aerosolkammer hindurchführenden Schlitz erstreckt, so daß durch Ändern der Position der Befestigungsplatte relativ zur Wand der Aerosolkammer die Position der Düse entlang der Länge des Schlitzes eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die ferner eine Dichtungseinrichtung aufweist, die sich um den Schlitz herum erstreckt, so daß in jeder eingestellten Position der Düse ein dichter Eingriff zwischen der Befestigungsplatte und der Wand der Aerosolkammer bereitgestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Düse außerdem drehbar einstellbar innerhalb der Aerosolkammer gehalten wird, so daß die Reihe von Aufprallöffnungen in unterschiedlichen radialen Winkeln bezüglich einer Längsachse der Düse angeordnet werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweist, die auf wirksame Weise gehalten werden und miteinander verbunden sind, wobei der erste innere Hohlraum zwischen einer inneren Oberfläche des Außenrohrs und einer äußeren Oberfläche des Innenrohrs bereitgestellt ist, wobei der zweite innere Hohlraum innerhalb des Innenrohrs bereitgestellt ist und sich die Öffnungen durch das Innenrohr hindurch erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Innenrohr mehrere Öffnungen aufweist, die den ersten und den zweiten inneren Hohlraum miteinander verbinden, wobei die mehreren Öffnungen in Längsrichtung ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die mehreren Öffnungen, die den ersten und den zweiten inneren Hohlraum verbinden, einen ersten Satz von mehreren Öffnungen, die längs ausgerichtet sind, und einen zweiten Satz von mehreren Öffnungen aufweisen, die längs ausgerichtet sind, aber in einem radialen Winkel zur Längsachse, der sich von dem radialen Winkel des ersten Satzes von mehreren Öffnungen und von dem radialen Winkel der Aufprallöffnungen unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Innenrohr mehrere Öffnungen aufweist, die den ersten und den zweiten inneren Hohlraum verbinden, und wobei die Summe der Flächen der mehreren Öffnungen im wesentlichen gleich der Querschnittfläche des zweiten inneren Hohlraums ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Innenrohr und das Außenrohr einen kreisförmigen Querschnitt haben.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Innenrohr und das Außenrohr konzentrisch angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Öffnung durch das Innenrohr um 90° radial zu den Aufprallöffnungen versetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweite innere Hohlraum mit einem Versorgungsrohr verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Einrichtung zum drehbar einstellbaren Anbringen der Düse an einer Wand der Aerosolkammer aufweist, so daß die Reihe von Aufprallöffnungen in unterschiedlichen radialen Winkeln bezüglich einer Längsachse der Düse angeordnet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner ein Anschlußstück aufweist, an welchem sowohl das Außenrohr als auch das Innenrohr wirksam miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Außenrohr einstellbar mit dem Anschlußstück verbunden ist, so daß ein radialer Winkel zwischen der Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum und den Aufprallöffnungen variiert werden kann.