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, 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.
2
2
4
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 - НO и щелочь - NHOH, 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.
д
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, воздействующая на частицу или загрязнение на поверхности пластины, которая является результирующей двух сил:
ц
2
1. центробежной силы от вращения пластины [F=f(ω; R)];
2. силы вязкого трения, возникающей при торможении потока жидкости вследствие наличия градиента скорости по толщине потока жидкости
т
з
[F=f(ω; R; η; S)].
ω - частота вращения пластины;
R - расстояние от центра пластины до точки 2;
η - коэффициент вязкости (вязкость) жидкости;
p
S - 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:
2
2
4
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 - НО и щелочь - NРOH;
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:
д
1. Отрыв частиц от поверхности пластины, обусловленный динамическим воздействием суммарной силы F, дополнительной энергией подведенных мегазвуковых колебаний и химической активностью моющего раствора.
д
2. Удаление частиц, зависящее от суммарной силы F 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 ω=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;
-1
- частота сканирования - 0,4 с;
- расход подаваемой в форсунку воды - 1,3 л/мин;
4
2
2
2
- время обработки поверхности моющим раствором, например 1:1:40 (NHOH:HO:HO) - 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;
-1
- частота сканирования - 0,4 с;
- расход подаваемой в форсунку воды - 1,3 л/мин;
4
2
2
2
- время обработки поверхности моющим раствором, например 1:1:40 (NHOH:HO:HO) - 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
4
2
2
2
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 (NHOH:HО:HO) 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;
-1
- частота сканирования - 0,4 с;
- расход подаваемой в форсунку воды - 1,3 л/мин;
4
2
2
2
- время обработки поверхности моющим раствором, например, 1:1:40 (NHOH:HO:HO) - 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.