Brevet FR2833753A1 — publié le 20030620

Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage de substrats en atmosphère ultra-propre. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un bac permettant d'effectuer successivement les étapes de gravure, de rinçage et de séchage de substrats nécessitant une ultra propreté sans avoir à déplacer les substrats tout au long du déroulement des différentes étapes du procédé ; et de récupérer les fluides utilisés pour chacune des étapes de gravure et de séchage afin de les recycler et de les filtrer en vue de leur réutilisation et ainsi de réduire leur consommation. Etat de la technique Les étapes successives de gravure, de nettoyage, de rinçage et de séchage se font à l'heure actuelle dans des bacs indépendants nécessitant le transfert du panier contenant les substrats d'un appareil à l'autre. Dans certain cas, la sortie des substrats du bain entre les étapes précédant le séchage n'est pas possible, car elle entraîne une destruction des structures. C'est le cas de certaines structures de microsystèmes (MEMS, MEOMS, etc..). Pour ce type de substrat, des solutions alternatives basées sur la dilution successive du liquide de gravure par le liquide de rinçage, puis par un ou plusieurs liquides présentant une tension de surface de plus en plus faible et soluble les uns avec les autres avant de sortir les substrats du bain. Cette méthode présente l'inconvénient de nécessiter un volume important des liquides servant à la gravure, au rinçage et au séchage sans qu'il soit possible de les recycler. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à réaliser un bac permettant d'effectuer successivement ou indépendamment les étapes de gravure, de nettoyage, de rinçage et de séchage en utilisant des fluides ultra propres ; ainsi que de récupérer les fluides servant à la gravure et au séchage afin de les séparer de l'eau de rinçage et de les filtrer en vue de leur recyclage permettant ainsi de réduire leur consommation. Le dispositif de gravure, de rinçage et de séchage pour substrats, comprend selon : - un bac ayant un fond diffuseur à la partie inférieure, et une goulotte de débordement à la partie supérieure, - des buses de projection agencées dans le fond diffuseur, et reliées à des réseaux d'alimentation indépendants pour l'injection d'un liquide de gravure, et d'un liquide de rinçage, - au moins un déflecteur situé au voisinage de la goulotte de débordement pour dévier les flux ascendants de liquide, - des moyens pour la circulation des différents liquides dans le bac, et une rampe d'injection d'un liquide de séchage pour former une couche superficielle d'épaisseur homogène au-dessus de l'eau constituant le liquide de rinçage, ledit liquide de séchage étant non miscible dans l'eau, et présentant une tension de surface et une densité plus faibles que celles de l'eau. Le liquide de séchage peut être constitué par de l'isopropanol accompagné d'adjuvants, ou de l'isopentane, ou toute autre substance liquide non miscible avec l'eau. D'autres caractéristiques peuvent être utilisées isolément ou en combinaison : - la goulotte de débordement est équipée d'un ensemble d'orifices et de vannes de récupération spécifiques à chacun des liquides de gravure, de rinçage et de séchage ; - un circuit de retraitement indépendant pour les liquides de gravure, de rinçage et de séchage est utilisé pour la purification et la filtration des produits en vue de leur recyclage ; - des moyens inversent l'écoulement grâce à l'effet piston hydraulique généré par le réseau d'alimentation du fond relié au système de buses en position centrale, de manière à chasser le liquide dans le sens ascendant vers la goulotte de débordement et d'effectuer le remplacement de celui-ci par un liquide identique dans le cas de plusieurs cycles de lors de l'étape de gravure et de rinçage, ou un liquide différent dans le cas du remplacement du liquide entre les étapes de gravure, de nettoyage et de rinçage ; - l'utilisation de l'effet piston hydraulique permet également la récupération du liquide séchage après la sortie du panier, en l'évacuant du bac par la goulotte de débordement ; le séchage des substrats se fait par le passage du panier contenant les substrats à travers la couche de liquide de séchage suite à la vidange du bain ; selon une variante, le séchage des substrats s'effectue en retirant le panier vers le haut en faisant passer les substrats à travers la couche superficielle du liquide de séchage. Description sommaire des figures - La figure 1 montre une vue en coupe de face du bac contenant un panier de substrats pendant le procédé. - La figure 2 est une vue en coupe de profil du bac de la figure 1, après enlèvement du panier de substrats. - La figure 3 représente une vue de dessus en perspective du bac, illustrant le système d'amenée et de distribution du liquide de séchage, la goulotte de débordement, et l'extrémité des trois . systèmes de récupération avec leurs vannes. - La figure 4 montre une vue de dessous en perspective du bac permettant de visualiser le système de récupération des liquides ainsi que le système d'alimentation des liquides de gravure et de rinçage. - Les figures 6 à 9 illustrent les étapes successives de gravure et de rinçage. - Les figures 10 à 13 montrent les étapes de séchage. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention. En référence aux figures 1 à 4, le bac (5) comporte à la base un dispositif diffuseur (9) de liquide ultra-propre, auquel est raccordé deux réseaux d'alimentations (12 et 13) en partie inférieure permettant d'injecter des liquides de gravure et de rinçage vers les buses centrales (10) et latérales (11). Le réseau d'alimentation central (12) est relié au premier système de buses (10) agencé dans la partie centrale ; le système d'alimentation périphérique (13) est relié au deuxième système de buses latérales (11). Les deux systèmes de buses centrales (10) et latérales (11) sont intégrés au fond diffuseur (9). L'enveloppe du bac (5) est reliée en partie inférieure à la pièce contenant le dispositif diffuseur (9). La partie supérieure de l'enveloppe du bac (5), en position latérale, se compose de déflecteurs (4) permettant de dévier le flux venant des buses latérales (11), créant ainsi la circulation du liquide à l'intérieur du bac (5), et de générer un flux du liquide de haut en bas au voisinage des substrats (7). Deux supports (8) de panier sont solidaires de la pièce (9) constituant le dispositif diffuseur afin de garantir la position centrale et la stabilité du panier (6) contenant les substrats (7). La partie supérieure de l'enveloppe (3) du bac est constituée d'une sur-verse (3) formée de créneaux permettant le débordement du liquide de façon homogène dans une goulotte de débordement (2). La goulotte de débordement (2) permet la récupération du surplus de l'eau pendant la phase de rinçage, ainsi que les liquides de gravure, de rinçage et de séchage pour leur retraitement à la fin de chaque phase de traitement. Au fond de la goulotte de débordement (2) se trouve un orifice d'évacuation (15) permettant de récupérer les différents liquides. Cet orifice d'évacuation (15) est relié à trois systèmes indépendants de récupération pour le liquide servant à la gravure, au rinçage et au séchage. Chaque système de récupération est constitué d'une canalisation (16, 19 et 22), d'une vanne d'ouverture et de fermeture (17,20 et 23) et d'un raccord (18,21, 24) permettant de connecter les systèmes de retraitement des liquides. Les canalisations (16 et 19) pour le liquide de gravure et de séchage présentent une remontée par rapport au niveau le plus bas afin d'éviter les récupérations de liquide indésirable ; c'est à dire la récupération du liquide de gravure par le circuit réservé au liquide de séchage, et inversement. Sur les parois externes de la goulotte de débordement (2) sont fixés deux tubes (1) permettant l'introduction du liquide de séchage à la surface du bain. Ces tubes (1) sont placés parallèlement au-dessus de la sur-verse (3) sur deux côtés opposés. Ils sont constitués d'une pluralité d'orifices (25) répartis régulièrement sur la longueur correspondant à celle du bac (5), permettant ainsi une répartition homogène du liquide de séchage sur toute la surface du bain. Ces deux tubes (1) sont reliés à un système de distribution commun du liquide (14) de séchage. Le positionnement de ces tubes (1) permet à la fois l'introduction du panier (6) contenant les substrats (7), et l'introduction du liquide de séchage uniquement à l'intérieur du bac (5), et non dans la goulotte de débordement (2). Un système de vidange (27) du bac (5) est branché par un raccord en forme de"T"au tuyau d'alimentation du premier système central de buse 10. Une vanne réglable (26) permet de contrôler la vitesse de vidange du bac (5). Lors du fonctionnement en gravure représenté schématiquement à la figure 6, le bac (5) est préalablement rempli d'une solution de gravure, notamment de l'acide fluoridrique, dont la dilution détermine la vitesse de gravure. Le temps de gravure est déterminé par l'épaisseur d'oxyde à graver, ainsi que la dilution de la solution de gravure. Le panier (6) contenant les substrats (7) préalablement préparés pour la gravure, est introduit dans le bac (5) rempli du liquide de gravure LG à l'aide d'un bras robotisé (non représenté sur les figures). Le panier (6) est maintenu en position à l'aide des supports de panier (8) qui se trouvent en appui en fond de bac. Le volume de liquide de gravure LG préalablement introduit dans le bac (5) est contrôlé de telle sorte que l'introduction du panier (8) n'entraîne pas son débordement, ceci afin de minimiser la quantité de liquide à recycler. Les substrats (7) peuvent être en silicium, quartz, céramique, ou métalliques ou à base d'oxydes. A la figure 7, la gravure des substrats (7) s'opère soit avec un bain statique soit avec un bain dynamique présentant une circulation. Dans ce cas, on prévoit un système d'introduction du liquide de gravure LG par les buses latérale (11). Le liquide de gravure LG ainsi injecté peut provenir du système de retraitement du liquide de gravure. A la figure 8, l'arrêt de la gravure se fait par remplacement du liquide de gravure LG par le liquide de rinçage LR, notamment de l'eau déionisée, à l'aide de l'effet piston hydraulique qui s'exerce de bas en haut. Cette circulation est opérée suite à l'envoi du liquide de rinçage LR à l'aide du système central de buses (10 et 12), pouvant être accompagné ou non de la circulation du même liquide par le système de buses latérales (11 et 13). L'effet piston hydraulique permet le remplacement du liquide de gravure LG sans qu'il soit mélangé au liquide de rinçage LR. La récupération du liquide de gravure LG se fait par la goulotte de débordement (2) dans laquelle est aménagé l'orifice (15) d'évacuation relié au système de récupération (15,16, 19 et 22). L'ouverture de la vanne correspondante (17,20 et 23) permet d'envoyer le liquide récupéré vers un système de retraitement du liquide de gravure LG. Le contrôle des flux de liquide à travers les deux systèmes de buses permet un contrôle total des flux de liquide dans le bac (5), et donc le contrôle des contraintes mécaniques appliquées au voisinage de la surface des substrats liées aux flux hydrodynamiques. A cette étape du procédé, les substrats (7) ont étés gravés, et la gravure a été stoppée par l'eau dé-ionisé de rinçage. Les substrats (7) restent immergés dans le bain d'eau dé-ionisée durant toute l'opération de rinçage (figure 9). L'étape de rinçage des substrats (7) s'effectue d'une manière similaire à celle décrite dans le document FR 2 797 405. La circulation de l'eau déionisée permet de générer un flux de bas en haut parallèle à la surface des substrats (7) grâce au système de buses latérales (11). Cette circulation permet d'augmenter l'efficacité du rinçage et donc de diminuer le temps du procédé de rinçage et la quantité d'eau nécessaire. En fin d'opération de rinçage, un remplacement de l'eau de rinçage par de l'eau dé-ionisée propre est réalisé par effet piston hydraulique comme décrit précédemment. Ces deux opérations (circulation de l'eau de rinçage et remplacement de celle-ci par effet piston) sont répétées plusieurs fois jusqu'à obtention du niveau de rinçage optimum. Une quantité équivalente en volume d'eau sale correspondant à celle envoyée par le système latéral de buse (11) est récupérée par la goulotte de débordement (2). La totalité de l'eau circule dans la goulotte de débordement (2), de manière à être récupérée pour un recyclage par le système correspondant (15,22, 23 et 24). Après l'étape de rinçage précédemment décrite vient l'étape de séchage illustrée aux figures 10 à 13. En référence à la figure 10, une faible quantité d'eau est vidangée du bac (5) afin de baisser le niveau en dessous de la goulotte de débordement (3), sans toutefois qu'une partie des substrats (7) n'émerge du niveau supérieur de l'eau. La vidange se fait par les buses centrales (10) et le tuyau central (12) auquel est fixé le raccord en"T"et la vanne (26). Un raccord relie la vanne (26) au circuit de recyclage de l'eau (27). Lorsque le niveau de l'eau est suffisamment bas, on introduit le liquide de séchage LS à la surface du bain à l'aide des buses (25) prévues dans le tube (1). Le liquide de séchage LS présente une densité et une tension de surface plus faibles que celle de l'eau dé-ionisée, et n'est pas miscible avec l'eau. A titre d'exemple, le liquide de séchage. LS constituant la couche superficielle, peut être de l'isopropanol accompagné d'adjuvants, ou de l'isopentane, ou tout autre liquide non miscible avec l'eau. Les valeurs des tensions de surface sont les suivantes : - pour l'eau : 73,05. 10-3 N. m-1 pour une température de 18 C ; - pour l'isopropanol : 21,7. 10-3 N. m-1 pour une température de 20 C ; - pour l'isopentane : 13,72. 10-3 N. m-1 pour une température de 20 C. Le liquide de séchage LS peut également provenir de la condensation d'un gaz à la surface de l'eau. Par conséquent, il se forme à la surface du bain d'eau une couche formée par le liquide de séchage LS. L'épaisseur de cette couche LS est contrôlée par la quantité de liquide introduite. Le séchage des substrats (7) se fait par le passage du panier (6) contenant les substrats à travers cette couche de liquide de séchage. Pour cela on effectue une vidange du bain de façon à ce que la totalité de la surface des substrats (7) passe à travers le liquide de séchage LS (figure 12). La vidange se fait avec une vitesse relativement faible et régulière afin que l'action de remplacement de l'eau par le liquide de séchage puisse se faire complètement sur les éventuelles géométries présentes à la surface des substrats. Une autre possibilité consiste à retirer le panier (6) vers le haut (figure 11) en faisant passer les substrats (7) à travers la couche superficielle du liquide de séchage LS. Le contrôle de la vitesse de vidange se fait à l'aide de la vanne réglable (26, figure 2). Un siphon est placé à la suite de la vanne (26) de vidange afin de garantir la non-remonté de bulles dans le bac (5) lors de la vidange. La vidange est stoppée une fois que la totalité des substrats (7) est sortie du bain, mais avant que la couche formée par le liquide de séchage à la surface du bain d'eau dé-ionisé n'atteigne le fond (9) du bac. Les substrats (7) sont alors secs. Le panier (6) est sorti du bac (5) par un bras robotisé. On peut alors récupérer le liquide de séchage LS. Pour cela (figure 13), on remplit de nouveau le bac (5) avec de l'eau injecté à travers les buses centrales (10) et latérales (11) en utilisant l'effet piston hydraulique, jusqu'à ce que la totalité de la couche de liquide de séchage LS qui se trouvait à la surface du bain, passe dans la goulotte de débordement (2). Le mélange eau et liquide de séchage est alors récupéré par le système de tuyaux correspondants (15,22, 23 et 24), et envoyé vers le circuit de retraitement correspondant afin d'effectuer la séparation du liquide de séchage LS et de l'eau, puis un retraitement en vue de sa réutilisation. Pour retrouver la situation initiale, on effectue une vidange de l'eau par le tuyau (12) avec une récupération de celle-ci (26 et 27), puis un remplissage du bac (5) avec le liquide de gravure. L'invention a pour champ d'application tout type de substrats plans nécessitant des procédés de gravure, de rinçage et de séchage ultra propres. Notamment les substrats qui présentent des structures microniques ou sub-microniques de type "structure flottante" à leur surface. On appelle structure flottante, toute structure dont les dimensions d'attache de celle-ci sur le substrat sont très inférieures aux dimensions de la structure elle-même. Ces structures flottantes sont sensibles aux contraintes mécaniques au cours des procédés humides, ainsi qu'aux contraintes générées par les forces capillaires après leur libération par gravure. Ces contraintes sont notamment la rupture et le collage moléculaire des surfaces des ces structures flottantes. Le champ d'application concerne : - les substrats des microtechnologies : MEMS (micro electronic mechanical system), MEOMS (micro electronic & optical mechanical system) et des micromécanismes ; - les substrats de la microélectronique ; - les substrats utilisés pour la fabrication des biocapteurs ; - les substrats utilisés en optroniques ; - les substrats utilisés pour la fabrication des écrans plats, et des écrans à cristaux liquides. Revendications 1. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage pour substrats (7), comprenant : - un bac (5) ayant un fond diffuseur (9) à la partie inférieure, et une goulotte de débordement (2) à la partie supérieure, - des buses de projection (10,11) agencées dans le fond diffuseur (9), et reliées à des réseaux d'alimentation (12,13) indépendants pour l'injection d'un liquide de gravure LG, et d'un liquide de rinçage LR, - au moins un déflecteur (4) situé au voisinage de la goulotte de débordement (2) pour dévier les flux ascendants de liquide, - et des moyens pour la circulation des différents liquides LG, LR, LS dans le bac (5), caractérisé en ce que le bac (5) est équipé à la partie supérieure d'au moins une rampe (1) d'injection d'un liquide de séchage LS pour former une couche superficielle d'épaisseur homogène au-dessus de l'eau constituant le liquide de rinçage LR, ledit liquide de séchage LS étant non miscible dans l'eau, et présentant une tension de surface et une densité plus faibles que celles de l'eau. 2. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de gravure LG est constitué par de l'acide fluorifrique. 3. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide de séchage LS est constitué par de l'isopentane. 4. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la goulotte de débordement (2) est équipée d'un ensemble d'orifices (15) et de vannes de récupération (17) spécifiques à chacun des liquides de gravure LG, de rinçage LR et de séchage LS. 5. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de retraitement pour les liquides de gravure LG, de rinçage LR et de séchage LS permettant la purification et la filtration des produits en vue de leur recyclage. 6. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour inverser l'écoulement grâce à l'effet piston hydraulique généré par le réseau d'alimentation du fond relié au système de buses (10) en position centrale, de manière à chasser le liquide dans le sens ascendant vers la goulotte de débordement et d'effectuer ainsi le remplacement de celui-ci par un liquide identique dans le cas de plusieurs cycles de lors de l'étape de gravure et de rinçage, ou un liquide différent dans le cas du remplacement du liquide entre les étapes de gravure, de nettoyage et de rinçage. 7. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système commun de purge du liquide contenu dans le bac (5), et des moyens permettant le contrôle de la vitesse de vidange. 8. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce le séchage des substrats (7) se fait par le passage du panier (6) contenant les substrats à travers la couche de liquide de séchage LS suite à la vidange du bain. 9. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce le séchage des substrats (7) s'effectue en retirant le panier (6) vers le haut en faisant passer les substrats (7) à travers la couche superficielle du liquide de séchage LS. 10. Dispositif de gravure, de rinçage et de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce les substrats (7) logés dans le panier (6) demeurent en permanence dans un milieu liquide, étant donné qu'ils sont plongés dans le liquide de gravure LG jusqu'à la fin de l'étape de séchage.