СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОТМЫВКИ И СУШКИ ПОДЛОЖЕК
METHOD AND DEVICE TO WASH AND DRY 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 [1-3], включающие операции: центрифугирование, промывку и сушку, не обеспечивают необходимое качество отмывки периферийных участков пластины, а также эффективную отмывку поверхности, из-за наличия водных знаков, которые являются причиной последующих дефектов, недопустимых при изготовлении изделий микроэлектроники. По мере уменьшения размеров элементов эти дефекты могут стать разрушающими, что ограничивает эксплуатационные возможности известных технических решений.
Наиболее перспективным является способ отмывки и сушки пластин, основанный на использовании «Эффекта Марангони», и устройство для его реализации [4, 5, 6].
Согласно способу и устройству для промывки и сушки полупроводниковых пластин [4], установленные в кассете пластины загружают в ванну отмывки, связанную с магистралью подачи и слива деионизованной воды. Подают воду в ванну 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 пластины из воды пластины отмываются раствором, состоящим из воды и паров органического растворителя, который уменьшает поверхностное натяжение раствора. За счет этого с поверхности убирается вода и загрязнения. Кассета с пластинами выгружается через крышку в камере сушки.
Однако, 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.
Предложенный способ и устройство отмывки и сушки стеклянных пластин [5] исключает скапливание воды в местах контакта подложек и носителя.
Способ заключается в том, что подложки, установленные в кассете, загружают в ванну отмывки деионизованной водой, отмывают их, после чего медленно перемещают их из кассеты с помощью толкателя 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 аналогичным способом отмывают и сушат кассету, загружают обработанные подложки в кассету, которую затем выгружают.
Недостатки указанного способа и устройства заключаются в низкой эффективности отмывки и сушки подложек, а также в низкой производительности, поскольку пары органического растворителя направляют в камеру сушки очень большого объема. Применение групповой обработки подложек снижает качество отмывки и сушки. А наличие механизмов вертикального перемещения платформы и подложек, а также средств крепления их в верхнем положении, уплотнительных устройств усложняет конструкцию устройства, а также аппаратурную реализацию техпроцесса.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ и устройство отмывки и сушки подложек [7].
Способ отмывки и сушки подложек заключается в том, что каждую подложку опускают в ванну отмывки деионизованной водой ступенчато и в процессе периодического останова подложки сканируют по всей ее ширине мегазвуковым излучателем. Затем медленно и непрерывно подложку поднимают и повторно сканируют всю поверхность мегазвуковым излучателем. При этом в процессе выхода подложки из деионизованной воды на обе стороны ее подают пары органического растворителя непосредственно в зону выхода подложки с помощью двух трубок, имеющих ряд отверстий.
Устройство для реализации способа содержит ванну отмывки, снабженную мегазвуковым излучателем, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль всей ширины подложки, а также двумя направляющими с продольными вертикальными пазами. Камера сушки снабжена механизмом загрузки подложек, выполненным в виде двух направляющих планок, снабженных двумя продольными пазами и установленных на одной плите с возможностью горизонтального перемещения. Механизм вертикального перемещения подложек снабжен также толкателем, установленным с возможностью взаимодействия с нижним торцом подложки.
Известному техническому решению также присущи существенные недостатки. Так наличие двух планок с продольными и вертикальными пазами ограничивает размеры обрабатываемых подложек. Для обработки подложек другого типоразмера необходима перестройка всего оборудования. Выполнение сканирующего механизма для мегазвукового излучателя значительно усложняет аппаратурную реализацию техпроцесса. Кроме того, контакт нижнего торца подложки осуществляется по линии, а не в точке, и это способствует появлению большого количества воды в месте контакта, что влияет на качество очистки подложек и в последствии на качество изготавливаемых приборов, например ЖКЭ.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение качества отмывки и сушки подложек, расширение технологических возможностей устройства, упрощение аппаратурной реализации процесса обработки, а также повышение надежности и производительности обработки за счет устранения необходимости сканирования мегазвукового излучателя.
°
°
Указанный технический результат достигается тем что, в способе отмывки и сушки подложек, заключающемся в том, что каждую подложку устанавливают на носитель, отпускают в ванну отмывки деионизованной водой до полного погружения подложки, затем медленно поднимают подложку из воды в камеру сушки, отмывая ее с помощью мегазвукового излучения, а в момент выхода подложки из воды подают пары органического растворителя на границу раздела уровня деионизованной воды ванны и воздушной среды камеры, и сушат, на носителе подложек создают зоны точечных контактов двух торцов подложки с носителем, устанавливают подложку на носитель таким образом, что нижний торец подложки расположен под углом 5÷10 к горизонтали, отпускают подложку в ванну отмывки непрерывно, а мегазвуковое излучение при подъеме направляют на всю ее ширину, при этом в процессе выхода подложки из воды за счет создания разряжения в каждой точке контакта подложки с носителем удаляют остатки воды из зон контактов.
°
°
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, мегазвуковой излучатель, механизм вертикального перемещения подложек с носителем подложек, две трубки, установленные по обе стороны обрабатываемой подложки в зоне выхода ее из деионизованной воды в камеру сушки, каждая из которых содержит ряд отверстий для подачи органического растворителя на границу раздела уровня деионизованной воды ванны отмывки и воздушной среды камеры сушки, мегазвуковой излучатель установлен неподвижно на стенке ванны отмывки таким образом, что излучающая поверхность его расположена параллельно обрабатываемой поверхности подложки и охватывает всю ширину ее, а носитель подложек выполнен в виде двух планок, закрепленных на держателе и образующих угольник, повернутый на 5÷10 относительно горизонтали с направлением угла в сторону дна ванны, при этом одна из поверхностей каждой планки содержит остроугольные выступы, в вершинах каждого из которых выполнены цилиндрические отверстия, образующие при пересечении наклонных поверхностей выступов выемки, профиль которых обеспечивает контакт торцов подложки и планок носителя, при этом диаметр отверстий выбирают больше толщины обрабатываемой подложки, но меньше основания выступов, причем каждое отверстие выступов соединено с соответствующей полостью планок, выходящей в сторону дна ванны.
Поскольку «…подложку опускают в ванну отмывки непрерывно, а мегазвуковое излучение при подъеме направляют на всю ее ширину…», то это обеспечивает эффективную отмывку всей поверхности подложки. При этом нет необходимости в сканировании ее мегазвуковым излучателем, что упрощает процесс обработки и увеличивает производительность.
°
°
Выполнение носителя подложек «…в виде двух планок, закрепленных на держателе в форме угольника…» позволяет обрабатывать подложки разных размеров. При этом «угольник повернут на 5÷10 относительно горизонтали с направлением угла в сторону дна ванны». Это позволяет, с одной стороны, надежно фиксировать подложки во время обработки, а с другой стороны, удалять воду с торцов подложки за счет скатывания частиц жидкости на краю нижнего торца во время выхода подложки из воды.
А выполнение «на одной из поверхностей каждой планки остроугольных выступов, в вершинах каждого из которых выполнены цилиндрические отверстия, образующие при пересечении наклонных поверхностей выемки…» обеспечивает точечный контакт торцов подложки и носителя (планок) за счет полученного профиля выемки.
Это улучшает качество отмывки торцов подложки по сравнению с известными техническими решениями.
Кроме того, цилиндрические отверстия выступов, соединенные соответственно с полостями планок, создают разряжение в зоне контактов подложки и носителя за счет перепада давления в них при подъеме подложки (носителя), способствующее удалению оставшейся воды из зон контактов, повышая эффективность и качество отмывки.
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.
Следовательно, предложенная новая совокупность признаков соответствует критериям патентоспособности изобретения: «новизна», «изобретательский уровень», «промышленная применимость».
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где изображены:
На фиг.1 - общий вид устройства отмывки и сушки подложек;
На фиг.2 - разрез устройства по А-А;
На фиг.3 - разрез устройства по Б-Б;
На фиг.4 - остроугольный выступ в разрезе, I;
На фиг.5 - вид В на планки с остроугольными выступами, в выемки которых установлена подложка;
На фиг.6 - вид Г сбоку на планки с остроугольными выступами, на которые установлена подложка;
На фиг.7 - вид Д на профиль выемки на остроугольном выступе, на котором лежит нижний торец подложки;
На фиг. 8 - вид Е на профиль выемки на остроконечном выступе, на котором лежит боковой торец подложки, и вид на планку, на которую опирается нижний торец подложки;
На фиг.9а-9г - стадии удаления воды из отверстий выступа и полости планки при выходе ее из ванны отмывки.
Предложенное 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. В зоне выхода подложки из деионизованной воды в камеру сушки 2 с двух сторон подложки установлены две трубки 6, 7 (фиг.2, 3), содержащие ряд отверстий 8, 9 (фиг.2) для подачи паров органического растворителя непосредственно на границу раздела уровня деионизованной воды ванны 1 и воздушной среды камеры сушки 2. На одной из стенок ванны отмывки 1 установлен неподвижный мегазвуковой излучатель 10, зона действия которого по длине охватывает всю ширину подложки 4.
°
°
подл.
подл.
Обрабатываемую подложку 4 устанавливают нижним торцом 11 на выемки 12 в каждом остроугольном выступе 13 планки 14 (фиг.5, 6) и одним боковым торцом 15 на выемки 16 в каждом остроугольном выступе 17 планки 18. Планки 14 и 18 установлены на держателе 19 в форме угольника, повернутого на угол X=5-10 относительно горизонтали. Профиль выемки 12 (фиг.4, 6, 7, 8) образован за счет пересечения отверстия 20, выполненного в вершине каждого выступа 13 и 17, с наклонными поверхностями 21 этих выступов. Диаметр отверстия 20 выбирают в зависимости от толщины обрабатываемой подложки 4 и размера основания каждого выступа 13, 17, т.е. L>D>d, где L - размер основания каждого выступа, d  - толщина подложки, Д - диаметр отверстия. Это обеспечивает свободную установку подложки в выемке 12 и обеспечивает необходимый профиль выемки 12 (фиг.2, 4, 6, 8), при котором торцы подложки 11, 15 контактируют с выемками 12 только в соответствующих точках 22, 23 (фиг.4). Оси симметрии выемок 12 на выступах 13, 17, на планках 14, 18 расположены в одной плоскости.
Благодаря наличию выемок 12 и наклону носителя подложек, выполненного в виде двух планок, закрепленных на держателе в форме угольника, на угол X, подложки 4 не только надежно фиксируются во время обработки, но при этом создается минимальный контакт подложки с опорной частью. Кроме того, конструкция носителя позволяет загружать подложки на обработку независимо от их геометрических размеров, так как два торца подложки ничем не ограничены. Глубину всех отверстий 20 выбирают не более высоты Н выступов 13, 17 (фиг.7). Продолжением отверстия 20 является соответствующее отверстие 24 меньшего диаметра, соединяющее полости каждого отверстия 20 выступов 13, 17 с соответствующими полостями 25, 26, 27, 28, 29, 30 (фиг.1), расположенных на планках, выходящими в сторону дна ванны.
Камера сушки 2 снабжена крышкой 31 (фиг.1) для создания над ванной замкнутого пространства, заполняемого в процессе обработки парами органического вещества, поступающими из трубок 6, 7 через штуцера 32, 33 (фиг.3).
Механизм вертикального перемещения 3 подложки 4 содержит направляющую 34, привод 35, каретку 36, стойку 37, зажим 38, на котором установлена штанга 39 с держателем 19 (фиг.1, 2).
Камера сушки снабжена вытяжным устройством 40. Вытяжка осуществляется через отверстие 41. Работа устройства, реализующего предложенный способ, происходит следующим образом.
Включают подачу деионизованной воды в ванну 1 через штуцер 5. Деионизованная вода 42 поступает в ванну равномерно по всему объему и достигает уровня 43 (фиг.1, 3) карманов 44, сливается в них. После заполнения карманов 44 вода попадает в отстойник 45 и удаляется затем через отверстия 46.
Механизм вертикального перемещения 3 подложек 4 от привода 35 с помощью каретки 36, перемещающейся по направляющим 34, стойки 37, зажима 38 (фиг.2) опускает медленно и непрерывно подложку вниз в ванну 1. Во время движения держателя 19 с планками 14, 18 вниз происходит заполнение деионизованной водой полостей 25, 26, 27, 28, 29, 30 планок 14, 18 (фиг.1, 9а), а также отверстий 20, 24, на каждом из выступов 13, 17 (фиг.4, 7, 9а). Вначале перемещения подложки 4 вверх, включают смеси паров органического растворителя по трубкам 6 и 7 непосредственно в зону выхода обрабатываемой подложки 4 из деионизованной воды.
Наличие ряда отверстий 8, 9 на каждой трубке 6, 7 обеспечивает равномерную подачу 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 сухой.
Во время движения подложки вверх включают мегазвуковой излучатель 10 (фиг.2), который усиливает эффект очистки и сушки подложки 4. Кроме того, за счет наличия наклона держателя 19 планок 14, 18, а значит подложки 4 во время вертикального перемещения ее, подложка надежно удерживается между рядами выемок в процессе обработки, а также появляется эффект скатывания частиц жидкости на краю нижнего торца подложки во время выхода подложки из воды.
При выходе из деионизованной воды планок 14 и 18 происходит удаление воды из полостей 25, 26, 27, 28, 29, 30 (фиг.1, 4, 7, 9б, 9в, 9г) и отверстий 20, 24 на каждом из выступов 13, 17 за счет гравитационных сил.
За счет наличия в каждом выступе 13, 17 малых отверстий 24 вода, удаляясь из полостей 25, 26, 27, 28, 29, 30 (фиг.9б, 9в, 9г), создает в каждой полости разряжение. Это способствует удалению остатков деионизованной воды из зоны контакта торцов подложки с выемками 12. Наличие точечного контакта и наличие разряжения в зоне контакта способствует полному удалению остатков жидкости с торцов пластины и подложка выходит из ванны полностью сухой, даже в месте контакта (9г).
После полного выхода обработанной подложки 4 из воды механизм вертикального перемещения 3 останавливается. Подачу смеси паров органического растворителя прекращают, мегазвуковое излучение отключают. Крышку 30 камеры сушки 2 открывают и пары органического растворителя удаляются через отверстия 41 вытяжной системы 40. Подложку 4 снимают и на ее место устанавливают следующую.
На предприятии разработан опытный образец устройства отмывки и сушки подложек.
Устройство передано в промышленную эксплуатацию.
Источники информации, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство №1763055, кл. В08В 3/02, публ. 1992 г.
2. Патент США 451984, кл. В08В 3/02, публ. 1986 г.
3. Патент США 3727620, кл. В08В 3/02, публ. 1973 г.
4. Патент США 5520744, кл. H01L 21/00, публ. 1996 г.
5. Патент РФ 2309461, кл. H01L 21/306, публ. 2006 г.
6. А.Тесс и В.Бус. Модель сушки по типу Марангони, phys Fluids 11 (1999), 3852-3855.
7. Патент РФ 2386187, кл. H01L 21/306, публ. 2008 г.(прототип).