Устройство для очистки поверхности пластин

Изобретение касается способа жидкостной очистки поверхности пластин из полупроводниковых материалов, стекла, кварца и других материалов от загрязнений и частиц, возникающих по маршруту их изготовления и применения, и может быть использовано в микроэлектронике. Сущность изобретения состоит в том, что очистку ведут струей воды или моющего раствора, которую сканируют по всей поверхности обрабатываемой пластины с одновременным торможением потока на поверхности пластины за счет использования инструмента в виде плоской пластины, расположенной со стороны обрабатываемой поверхности на расстоянии контакта с потоком. Инструмент торможения выполнен с возможностью вертикального и горизонтального перемещения над обрабатываемой пластиной, может иметь рельефную поверхность а также отверстие для подачи струи воды или моющего раствора.

Изобретение касается способа жидкостной очистки поверхности пластин из полупроводниковых материалов, стекла, кварца и других материалов от загрязнений и частиц, возникающих по маршруту их изготовления и применения, и может быть использовано, например, в микроэлектронике. Такие частицы и загрязнения могут быть пылью, остатками фоторезиста, адсорбированными парами вакуумного масла, продуктами плазмохимической и других видов обработки. Подаваемой на поверхность пластины жидкостью может быть моющий раствор и вода.

Известен способ очистки пластин (патент WO 01/82340 А 1, МКИ: H 01 L 21/00), заключающийся в том, что пластину располагают обрабатываемой поверхностью вниз и при ее вращении на ее центральную часть снизу вверх струйно подают жидкость. Очистку ведут с использованием ультразвуковых колебаний.

Недостатком этого способа является недостаточная и неодинаковая эффективность очистки поверхности пластин (периферийная часть и центральная область) вследствие недостаточного динамического воздействия жидкости на поверхность пластины и центральной подачи жидкости.

Известен способ очистки пластин (Установка отмывки автоматическая УОХМ.ПСЭ-100-001, Техническое описание ЩЦМ 3.190.038 ТО, листы 3, 8). Струю воды высокого давления - до 25 МПа формируют при протекании через форсунку. Форсунку сканируют над поверхностью пластины для охвата всей ее поверхности. Струю воды подают перпендикулярно обрабатываемой поверхности пластины, которую фиксируют вакуумом на столике центрифуги и вращают с частотой до 8500 об/мин. Струя высокого давления является средством для отрыва частиц от обрабатываемой поверхности и последующего их уноса потоком воды.

Недостатками этого способа являются:

а) недостаточная эффективность очистки обрабатываемой поверхности пластины - не более 15-20%, так как отрываются и уносятся потоком воды только частицы размером более 2 мкм;

б) невозможность качественной очистки поверхности пластин с технологическим рельефом (щель глубиной более 1мкм, впадины между мезаструктурами и т.д.).

Целью изобретения является повышение качества очистки поверхности пластин и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе очистки пластин, включающем подачу воды в виде струи на вращающуюся пластину, сканирование струи по поверхности пластины для охвата всей ее поверхности, поток воды на поверхности пластины тормозят с использованием поверхности плоского инструмента, расположенного от обрабатываемой поверхности на расстоянии контакта с потоком воды, а так же за счет того, что в поток воды, проходящий через форсунку, вводят химические компоненты для образования моющего раствора, такие как окислители, щелочи, поверхностно-активные вещества (ПАВ), стабилизаторы и т.д., например, окислитель - Н₂O₂ и щелочь - NH ₄OH, в количестве не более 10%; на струю воды или моющего раствора накладывают мегазвуковые колебания с мощностью, необходимой для возникновения явления кавитации; плоский инструмент для торможения потока жидкости сканируют над поверхностью пластины; струю воды или моющего раствора подают через отверстие в инструменте для торможения потока жидкости; поверхность инструмента для торможения потока жидкости, обращенная к обрабатываемой поверхности пластины, имеет дополнительный рельеф; струю воды, проходящую через форсунку, нагревают внешним источником тепла, например, термостатом, до температуры 25-40°С;.

Изобретение поясняется рисунками 1-5.

На рис.1 схематично изображены силы, воздействующие на загрязнения и частицы на поверхности пластины:

1 - точка на поверхности плоского инструмента торможения;

2 - точка на поверхности пластины, где располагается загрязнение.

На рис.2 - схема устройства, показывающая осуществление способа очистки по п.1 формулы изобретения.

На рис.3 - схема устройства, показывающая осуществление способа очистки по п.п.1, 2, 3, 4 формулы изобретения.

На рис.4 - схема устройства, показывающая осуществление способа очистки по п.п.1, 4, 5 формулы изобретения.

На рис.5 - схема устройства, показывающая осуществление способа очистки по п.п.1-6 формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняет рис.1, который позволяет понять физику процесса удаления частиц и загрязнений с поверхности обрабатываемой пластины. При подаче на поверхность вращающейся пластины воды через форсунку для формирования струи, сканирующей по поверхности пластины для охвата всей ее поверхности, и при торможении потока воды неподвижной поверхностью плоского инструмента, расположенного от обрабатываемой поверхности на расстоянии контакта с потоком воды, возникает динамическая сила F_д, воздействующая на частицу или загрязнение на поверхности пластины, которая является результирующей двух сил:

1. центробежной силы от вращения пластины [F_ц=f(²; R)];

2. силы вязкого трения, возникающей при торможении потока жидкости вследствие наличия градиента скорости по толщине потока жидкости

[F _т=f(; R; ; S_з)].

- частота вращения пластины;

R - расстояние от центра пластины до точки 2;

- коэффициент вязкости (вязкость) жидкости;

S _p - коэффициент, характеризующий состояние поверхности инструмента торможения - ее рельеф. Очистка поверхности пластины всегда происходит в два этапа:

1. Отрыв частицы от обрабатываемой поверхности пластины.

2. Удаление частицы с поверхности потоком жидкости.

Для усиления эффективности отрыва частицы от поверхности и разрушения загрязнения настоящий способ обработки предполагает использование:

1. Моющего раствора, образуемого при введении в струю воды, подающейся на пластину, химических компонентов, таких как окислители, щелочи, поверхностно-активные вещества (ПАВ), стабилизаторы и т.д., например, окислитель - Н₂О₂ и щелочь - NР ₄OH;

2. Наложение мегазвуковых колебаний с мощностью, необходимой для возникновения явления кавитации на струю воды или моющего раствора.

Эффективность удаления частиц возрастает, если использовать:

1. Сканирование плоского инструмента торможения потока жидкости над поверхностью пластины для охвата всей ее поверхности на расстоянии контакта с потоком воды.

2. Подачу струи воды или моющего раствора через отверстие в инструменте торможения потока жидкости.

3. Дополнительный рельеф поверхности инструмента торможения потока жидкости, обращенной к обрабатываемой пластине, за счет турбулизации потока.

4. Дополнительный нагрев воды или моющего раствора внешним источником.

Таким образом, удаление частиц и загрязнений в рассматриваемом способе обработки происходит в два этапа:

1. Отрыв частиц от поверхности пластины, обусловленный динамическим воздействием суммарной силы F_д, дополнительной энергией подведенных мегазвуковых колебаний и химической активностью моющего раствора.

2. Удаление частиц, зависящее от суммарной силы F_д и геометрии поверхности инструмента (рельефа), обращенной к пластине.

Осуществление способа очистки пластин приведено в примерах выполнения № 1-№ 4.

Пример выполнения № 1

Осуществление способа очистки пластин поясняет рис. 2. Кремниевую пластину 3 100 мм, фиксируют вакуумом на столике центрифуги 4 и вращают с частотой вращения =6500 об/мин. Струю деионизованной воды 5 с расходом 1,3 л/мин подают в течение 30 с через форсунку 6. Струю сканируют по поверхности пластины 3 для охвата всей ее поверхности за счет перемещения форсунки 6. Над пластиной 3 располагают инструмент 7, выполненный в виде плоской пластины, с помощью которого проводят торможение потока воды на поверхности пластины 3. Инструмент 7 закреплен неподвижно над обрабатываемой пластиной 3, но имеет возможность вертикального перемещения для ввода его в контакт с потоком воды на поверхности пластины 3. Очистку пластины проводят в рабочей камере 8, из которой через патрубок 9 осуществляют слив отработавшей воды. Оценка эффективности очистки поверхности от частиц проводилась на 8 пластинах (2 партии по 4 шт. каждая) с использованием установки SurfScan 4500, при этом фиксировалась степень удаление частиц размером от 0,16 мкм и более. Эффективность очистки составила 20-25%.

Пример выполнения № 2

Осуществление заявленного способа очистки пластин поясняет рис.3. Последовательность операций как в примере 1, отличие только в том, что в деионизованную воду 5 добавляют химические компоненты 10 для образования моющего раствора. На протекающую через форсунку 6 струю воды или моющего раствора накладывают мегазвуковые колебания с помощью излучателя 11, расположенного внутри форсунки 6, и плоский инструмент для торможения потока жидкости 7 сканируют

над поверхностью пластины 3 с использованием устройства перемещения по радиусу пластины (поз.12). Частота мегазвуковых колебаний 0,9-1,6 МГц, мощность ˜40 Вт. Оценка степени очистки проводилась на 16 кремниевых пластинах 0 100 мм (4 партии по 4 шт. каждая). Режим обработки пластин:

- частота вращения пластины 6500 об/мин;

- частота сканирования - 0,4 с^-1;

- расход подаваемой в форсунку воды - 1,3 л/мин;

- время обработки поверхности моющим раствором, например 1:1:40 (NH ₄OH:H₂O₂:H ₂O) - 12 с;

- время промывки водой - 10 с;

- время сушки - 10 с.

Применение такого способа резко усиливает эффект отрыва частиц от поверхности и разрушения загрязнений и их последующего уноса потоком жидкости и позволяет увеличить степень очистки поверхности пластин до 65-70%.

Пример выполнения № 3

Осуществление способа очистки поясняет рис.4. Он позволяет отказаться от отдельного механизма сканирования 12 инструмента торможения 7 потока воды за счет закрепления инструмента 7 на форсунке 6, сканирующей над поверхностью пластины 3. Подача струи воды или моющего раствора происходит через отверстие 13 в инструменте 7 для торможения потока воды. При использовании обработки поверхности пластины струей деионизованной воды в течение 30 с получили степень очистки 25-30%, при использовании моющего раствора - 40-50%. Режим обработки пластин:

- частота вращения пластины 6500 об/мин;

- частота сканирования - 0,4 с^-1 ;

- расход подаваемой в форсунку воды - 1,3 л/мин;

- время обработки поверхности моющим раствором, например 1:1:40 (NH₄OH:H₂O ₂:H₂O) - 20 с;

- время промывки водой - 10 с;

- время сушки - 10 с.

Использование этой очистки для отмывки пластин водой после проявления слоя фоторезиста, например, в 0,6% растворе КОН, позволяет снизить общий расход деионизованной воды и времени отмывки в 2 раза (10 с вместо 20 с) по сравнению с отмывкой пластины только при струйной подаче воды.

Пример выполнения № 4

Осуществление способа очистки пластин по п.п.1-6, проиллюстрированного на рис. 5, позволяет наиболее полно реализовать эффект торможения потока жидкости инструментом 7, совмещенным с форсункой 6, при подаче струи воды или моющего раствора через отверстие 13 в инструменте 7 для торможения потока жидкости, с применением средств активизации процесса отрыва частиц от поверхности и разрушения загрязнений: применение моющего раствора, например, 1:1:40 (NH ₄OH:H₂О₂:H ₂O) и наложение мегазвуковых колебаний на истекающую из форсунки струю жидкости.

Усиление эффекта торможения потока жидкости для всей поверхности пластины 3 в процессе уноса частиц достигается за счет увеличения турбулентности потока жидкости путем создания дополнительного рельефа 14 на поверхности инструмента торможения 7, обращенной к обрабатываемой поверхности, например, кольцевых канавок, угловых отклонений части поверхности инструмента от плоскости и т.д.

Степень очистки поверхности от частиц для данного примера приближается к ###U155 90-95% (в пределах чувствительности установки SurfScan 4500 для частиц размером от 0,16 мкм и более). Данные приведены для 16 проконтролированных кремниевых пластинах 100 мм (4 партии по 4 шт. каждая). Режим обработки пластин:

- частота вращения пластины 6500 об/мин;

- частота сканирования - 0,4 с^-1;

- расход подаваемой в форсунку воды - 1,3 л/мин;

- время обработки поверхности моющим раствором, например, 1:1:40 (NH₄ OH:H₂O₂:H ₂O) - 12 с;

- время промывки водой - 10 с;

- время сушки - 10 с

- рельеф поверхности инструмента - кольцевые канавки. Время обработки моющим раствором и сушки пластин можно уменьшить до 10 с и 6 с соответственно при нагреве деионизованной воды, подающейся в форсунку, внешним источником тепла, например, термостатом, до температуры 25-40°С.

При использовании приведенного режима обработки достигается высокая эффективность очистки (˜90-95% в пределах чувствительности установки SurfScan 4500 и микроскопа JENATECH) при:

- удалении жировых загрязнений с поверхности пластин (вся поверхность пластины до обработки загрязнялась следами от пальцев рук, затем на ее поверхность наносилось вакуумное масло ВМ-1 и размазывалось по всей ее поверхности);

- удалении так называемых «заборов», образующихся при плазмохимических процессах травления.

Аналогичные результаты были получены при очистке пластин арсенида галлия (GaAs), сапфира и фотошаблонных заготовок.

Использование предлагаемого способа обработки пластин позволяет улучшить качество очистки поверхности от частиц и загрязнений и расширить область его применения.

1. Устройство для очистки поверхности пластины, выполненное в виде форсунки для подачи на поверхность вращающейся пластины струи жидкости, сканирующей по поверхности пластины для охвата всей ее поверхности путем перемещения форсунки, при этом оно снабжено выполненным с возможностью перемещения относительно поверхности пластины инструментом торможения потока неподвижной его поверхностью путем ввода ее в контакт с потоком или инструмент совмещен с форсункой и выполнен с отверстием для подачи струи.

2. Устройство по п.1, в котором поверхность инструмента, обращенная, например, к обрабатываемой пластине, выполнена плоской или с рельефом, в виде кольцевых канавок, угловых отклонений части поверхности инструмента от плоскости.

3. Устройство по п.1, в котором в качестве жидкости выбрана вода или моющий раствор с химическими компонентами.

4. Устройство по любому из пп.1-3, которое снабжено ультразвуковым излучателем, расположенным в форсунке для наложения мегазвуковых колебаний, обеспечивающих кавитационные явления в потоке.

5. Устройство по любому из пп.1-3, которое снабжено источником тепла, например термостатом для нагрева потока до 25-40°С.