СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОТМЫВКИ И СУШКИ ПОДЛОЖЕК
METHOD AND DEVICE FOR WASHING AND DRYING OF SUBSTRATES

Изобретение относится к технике индивидуальной обработки подложек и может быть использовано при производстве изделий электронной техники, в частности при отмывке и сушке стеклянных подложек для жидкокристаллических экранов (ЖКЭ), полупроводниковых пластин и фотошаблонов с использованием «эффекта Марангони».
Известные традиционные способы обработки пластин [1, 2], например, после операции химико-механической планаризации, включающие операции центрифугирования, промывки и сушки, не обеспечивают требуемое качество обработки из-за того, что после первых операций на поверхности пластины остаются частицы суспензии в форме водных знаков, которые являются причиной последующих дефектов, недопустимых при изготовлении изделий микроэлектроники. По мере того как размеры элементов уменьшаются, эти дефекты могут стать разрушающими.
Установка промывки и сушки тонких пластин [3] предназначена для групповой обработки. Пластины укрепляют в сетке носителя на вращающемся элементе и промывают водой, методом пульверизации. Затем производят сушку их при вращении с большой скоростью одновременно с непрерывной обдувкой сухим азотом. Распыляющие форсунки расположены над пластинами, чтобы подавать промывочную жидкость на их поверхность при вращении.
Однако этому способу присущи те же недостатки, что и известным, заключающиеся в наличии водных знаков, являющихся причиной брака при дальнейшем изготовлении приборов. Кроме того, групповая обработка пластин не обеспечивает эффективную обработку пластин, а двойная перегрузка их из кассет в сетчатые носители снижает производительность и не позволяет использовать способ и реализующее его устройство в гибком производстве.
Весьма перспективным может быть способ отмывки и сушки подложек, основанный на «эффекте Марангони».
Согласно способу и устройству для промывки и сушки полупроводниковых пластин, предложенному в патенте США [4], пластины, установленные в кассете, загружают в ванну отмывки, связанную с магистралью подачи и слива деионизованной воды. Подают воду в ванну отмывки снизу таким образом, что она, переливаясь из верхней части ванны отмывки, образует поток сверху. Пластины отмываются погружением их в поток сверху с помощью механизма для поддержания кассеты. После отмывки кассета с подложками удаляется из воды. В месте выхода пластин из воды пластины отмываются раствором из воды и паров органического растворителя, который уменьшает поверхностное натяжение раствора. За счет этого с поверхности пластины убирается вода и загрязнения. Кассета с пластинами выгружается через крышку в камере сушки.
Поскольку пластины отмываются и сушатся вместе с кассетой, то в местах контакта носителя (кассеты) с обрабатываемой пластиной скапливаются капли воды, которые в процессе сушки не удаляются, что является причиной дефектов, образуемых на последующих операциях.
А использование одного и того же механизма загрузки кассеты в камеру обработки и удаления ее снижает качество обработки из-за возможных вносимых загрязнений механизмом загрузки.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ и устройство отмывки и сушки плоских стеклянных подложек [5]. Способ заключается в том, что подложки, установленные в кассете, загружают в ванну отмывки деионизованной водой, отмывают их, после чего медленно перемещают подложки из кассеты в камеру сушки. В процессе выхода подложек из воды отмывают и сушат их в парах органического растворителя. Затем фиксируют обработанные подложки в крайнем верхнем положении. После чего перемещают вверх кассету и аналогичным образом отмывают и сушат, загружают обработанные подложки в кассету, которую затем выгружают из камеры сушки.
Устройство отмывки и сушки стеклянных подложек содержит ванну отмывки подложек, связанную с магистралью подачи и слива деионизованной воды, камеру сушки, связанную с магистралью подачи паров органического растворителя, механизм вертикального перемещения кассеты с платформой. В сквозном отверстии платформы установлен толкатель подложек, жестко закрепленный на механизме вертикального перемещения подложек. Механизмы вертикального перемещения подложек и кассеты установлены в гофрированных трубах. Камера сушки выполнена с возможностью поворота и снабжена держателем для подложек в крайнем верхнем положении и фиксаторами для кассеты.
Недостатки известного способа и устройства заключаются в низкой эффективности отмывки и сушки подложек, а также в низкой производительности, поскольку пары органического растворителя направляют в камеру сушки достаточного большого объема. Применение групповой обработки подложек снижает также качество отмывки и сушки. Наличие механизмов вертикального перемещения платформы и подложек, а также средств крепления их в верхнем положении усложняет конструкцию, требует применения уплотнителей, а выполнение камеры сушки с возможностью поворота нарушает целостность устройства.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение качества отмывки и сушки подложек, увеличение производительности, а также расширение технологических возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе отмывки и сушки подложек, заключающемся в том, что подложки опускают в ванну отмывки деионизованной водой, отмывают их, после чего медленно поднимают из воды в камеру сушки, подают пары органического растворителя и сушат, каждую подложку опускают в ванну отмывки деионизованной водой ступенчато и в процессе периодического останова подложки сканируют ее по всей ширине мегазвуковым излучателем, затем медленно непрерывно поднимают и повторно сканируют всю поверхность подложки мегазвуковым излучателем, при этом в процессе выхода подложки из деионизованной воды подают на обе стороны ее непосредственно в зону выхода пары органического растворителя.
В устройстве отмывки и сушки подложек, содержащем ванну отмывки подложек, связанную с магистралью подачи и слива деионизованной воды, камеру сушки, связанную с магистралью подачи паров органического растворителя, механизм вертикального перемещения подложек, ванна отмывки подложек дополнительно снабжена мегазвуковым излучателем, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения по всей ширине подложки таким образом, что излучающая поверхность его расположена параллельно обрабатываемой поверхности подложки, двумя направляющими с продольными вертикальными пазами. В дне ванны выполнен ряд отверстий, расположенных вдоль оси симметрии торца обрабатываемой подложки и связанных с магистралью подачи деионизованной воды через общий канал. А камера сушки снабжена механизмом загрузки-выгрузки подложек, выполненным в виде двух направляющих планок, снабженных двумя продольными пазами и установленных на одной плите с возможностью горизонтального перемещения от привода, кроме того, в зоне выхода поверхности подложки из деионизованной воды в камеру сушки с двух сторон подложки установлены две трубки, каждая из которых содержит ряд отверстий для подачи паров органического растворителя на границу раздела уровня деионизованной воды ванны отмывки и воздушной среды камеры сушки.
Механизм вертикального перемещения подложек снабжен толкателем, установленным на носителе с возможностью взаимодействия с нижним торцом подложки. Камера сушки снабжена вытяжным устройством и боковой дверью для загрузки-выгрузки подложек.
Сканирование подложки по всей ее ширине мегазвуковым излучателем значительно повышает эффективность процесса отмывки, так как дополнительные мегазвуковые колебания способствуют более быстрому удалению загрязнений малых размеров и более быстрому высыханию подложки. Мегазвук распространяется вглубь подложки и подложка колеблется с определенной частотой, что способствует удалению влаги. Кроме того, мегазвук, проходя сквозь толщину подложки, обрабатывает и обратную сторону подложки.
Подача поверхностно-активного вещества (пары органического растворителя) не в общую полость камеры сушки, а "непосредственно в зону выхода поверхности подложки из деионизованной воды", то есть на границу вода-воздух, с помощью двух трубок с рядом отверстий, расположенных по обе стороны подложки, значительно увеличивает концентрацию поверхностно-активного вещества непосредственно в зоне выхода подложки. Это значительно снижает коэффициент поверхностного натяжения воды вблизи мениска, что позволяет увеличить скорость выталкивания подложки из моющей жидкости, а значит, увеличить и производительность процесса и его эффективность [6]. А благодаря мегазвуковым колебаниям подложки "эффект Марангони" увеличивается.
Наличие ряда отверстий на дне ванны для подачи деионизованной воды точно по симметрии торца обрабатываемой подложки способствуют равномерному обмену деионизованной воды в зоне отмывки и равномерному и быстрому транспортированию из зоны обработки загрязнений, удаленных с обрабатываемой поверхности мегазвуком, что повышает качество двухсторонней обработки.
Наличие мегазвукового излучателя, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения по всей ширине подложки таким образом, что излучающая поверхность его расположена параллельно обрабатываемой поверхности подложки, позволяет индивидуально обрабатывать подложки любых размеров и форм с двух сторон.
Таким образом, указанные в формуле изобретения существенные признаки являются новыми, не вытекающими очевидным образом из поставленной задачи и в совокупности направлены на достижение нового технического результата: повышение качества отмывки и сушки подложек, увеличение производительности, расширение технологических возможностей.
Следовательно, предложенная совокупность признаков является новой и соответствует критериям патентоспособности изобретения: "новизна", "изобретательский уровень", "промышленная применяемость".
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг.1 - общий вид устройства отмывки и сушки подложек;
- на фиг.2 - разрез А-А;
- на фиг.3 - разрез Б-Б;
- на фиг.4 - увеличенный вид I;
- на фиг.5 - мегазвуковой излучатель, вид В;
- на фиг.6 - мегазвуковой излучатель, разрез по Г-Г.
Предлагаемое устройство отмывки и сушки подложек (фиг.1-3) состоит из ванны отмывки 1, связанной с магистралью подачи и слива деионизованной воды, камеры сушки 2, связанной с магистралью подачи паров органического растворителя, и механизма вертикального перемещения 3 подложки 4.
Подачу деионизованной воды в ванну отмывки 1 осуществляют через штуцер 5 и ряд отверстий 6, выполненных в дне ванны вдоль оси симметрии торца подложки 4 и объединенных общим каналом 7.
Камера сушки 2 (фиг.1-2) содержит механизм загрузки-выгрузки подложек, выполненный в виде двух направляющих планок 8, снабженных каждая двумя продольными пазами 9, 10, 11, 12. Планки установлены на одной плите 13 с возможностью горизонтального перемещения от пневмоцилиндра 14. В зоне выхода поверхности подложки из деионизованной воды в камеру сушки 2 (фиг.1, 2) с двух сторон подложки установлены две трубки 15, 16, содержащие ряд отверстий 17, 18 (фиг.4) для подачи паров органического растворителя по магистрали 19 из емкости 20 непосредственно на границу раздела уровня деионизованной воды ванны 1 и воздушной среды камеры сушки 2.
Ванна отмывки 1 дополнительно снабжена мегазвуковым излучателем 21, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль всей ширины подложки 4. Механизм возвратно-поступательного перемещения 22 излучателя 21 состоит из каретки 23, привода 24, держателя 25, установленных в ванне отмывки 1 (фиг.1, 2). В целях большего захвата обрабатываемой поверхности подложки мегазвуковой излучатель выполнен из четырех круглых пьезокерамических элементов 26. Это обеспечивает также удобство монтажа элементов и подвода высокочастотного питания. С электродом 27 пьезокерамического элемента (фиг.6) контактирует кольцо 28, прижимаемое гайкой 29. Второй электрод 30 контактирует с контактами 31. Выводы с электродов 27, 30 выводятся на планки с контактами 32. Все пьезоэлементы расположены в корпусе 33 и герметизируются крышкой 34, через которую подводится контактный кабель питания (на фиг. не показан) пьезоэлементов 26.
Обрабатываемая подложка 4 устанавливается в ванне отмывки 1 в направляющие 35, 36 (фиг.1, 3), снабженные продольными вертикальными пазами 37. Механизм вертикального перемещения подложек 3 (фиг.1-4) содержит направляющую 38, привод 39, каретку 40, стойку 41, носитель 42, на котором установлен толкатель 43, взаимодействующий с нижним торцом подложки 4. Камера сушки 2 снабжена также вытяжным устройством 44 и боковой дверью 45.
Работа устройства, реализующего предложенный способ, происходит следующим образом.
Включают подачу деионизованной воды в ванну 1 через штуцер 5 и ряд отверстий 6. Деионизованная вода поступает в ванну равномерно по всему объему и достигает уровня 46 (фиг.4) карманов 47, сливается в них и удаляется затем из ванны через отверстия 48.
Механизм вертикального перемещения подложек 3 от привода 39 с помощью каретки 40, перемещающейся по направляющей 39, стойки 41, носителя 42 поднимает толкатель 43 в исходное положение.
Механизм возвратно-поступательного перемещения 22 с помощью привода 24, каретки 23, держателя 25 (фиг.2) перемещает мегазвуковой излучатель 21 в исходное крайне правое положение. Открывают дверь 46 камеры сушки 2. Обрабатываемую подложку 4 устанавливают в передние пазы 10, 11 планок 8, 9 до соприкосновения с толкателем 44, установленным на носителе 43 (фиг.1, 2).
Механизм вертикального перемещения 3 с помощью привода 39, каретки 40, перемещающейся по направляющей 38, стойки 41, носителя 42 и толкателя 43 опускает подложку 4 вниз. Подложка 4 опускается вниз, опираясь на толкатель 43 и находясь в пазах 10, 11 планок 8, 9.
Как только подложка 4 опускается в деионизованную воду ванны 1, включают мегазвуковой генератор (на фиг. не показан), который заставляет работать четыре пьезокерамических элемента 26 мегазвукового излучателя 21. Одновременно с этим включается механизм возвратно-поступательного перемещения 22 мегазвукового излучателя 21, который с помощью привода 24, каретки 23, держателя 25 перемещает излучающую поверхность 27 излучателя 21 вдоль обрабатываемой поверхности подложки по всей ее ширине, осуществляется процесс очистки. А поскольку мегазвуковое излучение способно проходить через толщину подложки, то противоположная сторона подложки 4 также подвергаются очистке. Таким образом, осуществляется двухсторонняя очистка подложки 4.
При движении вниз подложка 4 совершает ступенчатое перемещение, так как механизм вертикального перемещения 38 периодически останавливается на время, достаточное для того, чтобы мегазвуковой излучатель 21 смог пройти участок обрабатываемой пластины, равный ширине захвата ее. После прохода излучателя 21 всей ширины подложки 4 она снова перемещается вниз на ширину захвата излучателя, а излучатель 21 совершает движение в обратную сторону. Так обрабатывается вся поверхность подложки независимо от ее размеров и формы. После обработки всей поверхности подложки 4 механизм вертикального перемещения подложек 3 останавливается и начинает подниматься вверх с заданной скоростью, перемещая своим толкателем 43 подложку 4. Удержание подложки 4 в ванне отмывки 1 осуществляется за счет продольных вертикальных пазов 37, выполненных в направляющих 35, 36.
Перемещение подложки 4 вверх происходит непрерывно. Так как скорость перемещения достаточно мала, то мегазвуковой излучатель 21 успевает обрабатывать всю поверхность подложки без останова ее.
В начале движения подложки 4 вверх включают подачу смеси паров органического растворителя по трубкам 15, 16 непосредственно в зону выхода поверхности обрабатываемой подложки из деионизованной воды. Смесь паров подают из емкости 20 по магистрали 19 с помощью азота, подаваемого по трубке 49 (фиг.1). Наличие ряда отверстий 17, 18 в трубках 15, 16 обеспечивает подачу смеси паров органического растворителя на границу раздела уровня деионизованной воды и воздушной среды. В этой области происходит значительное снижение коэффициента поверхностного натяжения жидкости по сравнению с жидкостью, находящейся в ванне. Поэтому подложка 4 выходит из воды абсолютно сухой. Благодаря наличию мегазвуковой обработки эффект отмывки и сушки возрастает.
При выходе подложки 4 из воды планки 8, 9 перемещаются в сторону мегазвукового излучателя 21 с помощью пневмоцилиндра 14 и сухая чистая подложка 4 загружается в чистые пазы 12, 13 планок 8, 9.
После полного выхода обработанной подложки 4 из воды и загрузки ее в планки 8, 9 механизм вертикального перемещения подложек 3 останавливается. Подачу смеси паров органического растворителя прекращают, мегазвук отключают. Оставшиеся пары смеси органического растворителя в камере сушки 2 удаляются через вытяжную систему 44. Дверь камеры 2 открывают и готовую подложку выгружают.
Источники информации
1. Post - СМР Marangoni drying eliminates defects, журнал European Semicon ductor, appril 2004, с.51-54.
2. Патент США №4519984, кл. В08В 3/02, публикация 1986 г. «Способ обработки пластин».
3. Патент США №3727620, кл. В08В 3/02, публикация 1973 г. «Установка и промывки и сушки пластин».
4. Патент США №5520744, кл. H01L 21/00, публикация 1996 г. «Способ и устройство для промывки и сушки полупроводниковых пластин».
5. Патент РФ №2309481, кл. H01L 21/306, публикация 2006 г. «Способ и устройство отмывки и сушки плоских стеклянных подложек» (прототип).
6. А.Тесc и В.Бус. Модель сушки по типу Марангони, Phys Fluids 11 (1999), 3852-3855.