基片毛细干燥法 相关发明申请的参照
要求2002年2月6日提交的临时专利申请No.60/354,812的权益。
本发明的技术领域
本发明涉及干燥物体的装置及方法，尤其是干燥硅晶片、平面板显示基片以及其它类型的在设备生产过程中必须清洁、淌洗及干燥的基材的方法。本发明特别涉及在集成电路的生产过程中除去硅晶片上的液体。
背景技术
半导体生产过程中，半导体器件是在薄盘状基片上生产的。通常而言，每个基片含有许多半导体器件。单个基片上能生产的半导体器件的确切数目取决于基片的尺寸及在基片上生产的半导体器件的尺寸。然而，半导体器件越来越小型化。小型化的结果就是给定面积的基片能生产更多地半导体器件，因此，每个基片的表面积就越来越有价值。
生产半导体器件的过程中，基片在生产出可行的最终产品之前要经过许多加工过程。这些加工过程包括：化学蚀刻、研磨、光致抗蚀剥离及施加掩模。这些步骤一般在一个加工槽中进行，并且经常要求每个基片在加工过程中经历许多清洁、淌洗及干燥循环，以便除去基片上可能会污染设备并导致设备失败的颗粒。然而，这些淌洗及干燥步骤自身会引来另一些问题。
一个主要的问题就是淌洗(或者是基材要与液体接触的任何步骤)之后，干燥步骤不能完全除去基片上的液体。本技术领域的技术人员都知道，由残留液滴的基片区域生产的半导体器件失败的可能性更大。因此，为了增加每个基片生产正常工作的设备的产率，必须尽可能的除去基片上的所有液体。
设计了非常精致的系统及方法来尽可能快速、完整地干燥基片。然而，由于先有技术系统及干燥方法的缺陷，不可能采用有效并廉价的方法完全除去基片上的所有液体。将基片放在槽中加工时，一般采用支撑装置支撑基片在垂直位置，支撑装置可以是造在加工槽内的托架或物体支撑部件。本技术领域中，人们充分认识到的一个问题就是除去基片与支撑装置接触区域上的微量水。因此基片会浪费某些很有价值的区域，这在本技术领域就称作“边缘排除”，这一术语是指由于边缘附近的基片部分无法完全干燥而必须舍弃。因为半导体器件越来越小型化，“边缘排除”区域也变得越来越有价值，因为这些区域如果不是由于残留的液体而导致的水污染，本就能在其上面制得更多的正常工作的设备。
在为了彻底干燥硅晶片而改善干燥系统及干燥方法，以便除去边缘排除的必要性反面已经做了许多努力。然而，没有一个能有效而经济的彻底解决这一问题。
例如，Mohindra等人的美国专利No.5,571,337说明了在部分完成的半导体器件边缘采用脉冲调制干燥流体如氮气来除去边缘的液体。采用Mohindra过程会导致接触点液体蒸发。我们不希望产生蒸发，因为水中存在的颗粒或杂质会留下来，两者都会降低半导体器件产率。而且，Mohindra过程要求使用的设备既昂贵又繁琐。
McConnell等人的美国专利No.4,984,597中说明了使用大量IPA代替水并加速干燥。然而，这种过程要求特殊的槽及精细的支撑设备来安全地处理IPA。另外，McConnell方法由于需要使用大量IPA而十分昂贵。
Munakata在美国专利No.6,125,554中说明了第三种干燥系统。Munakata说明的基片干燥系统含有一个带一些凹槽的架子用来支撑基片在垂直位置。每个凹槽附近含有能将粘着在凹槽接触点附近基片上的水吸入其中的小孔。这种系统要求添加设备在架子内的每个凹槽、敞开小孔以及空隙中产生真空力，由于这样会产生空气泡及截留的颗粒，因此会给装有液体的加工槽带来问题。另外，Munakata中采用的架子既昂贵又难以生产。
提出了许多其它系统及方法，试图来解决由于不能采用清洁、低成本而省时的方法充分除去基片边缘与干燥设备支撑装置接触点处的残余水份而导致的边缘排除问题，但没有一个方法能彻底解决这个问题。
本发明概述
因此，本发明的一个目标在于提供一种干燥高价值物体如基片的方法。
本发明的另一个目标在于提供一种成本更为低廉的干燥高价值物体的方法。
本发明的另一个目标在于减少或除去存在于干燥设备与被干燥物体之间接触点上的边缘排除问题。
另一个目标就是提高硅晶片制备高价值集成电路的产率。
本发明的另一个目标是减少需要使用的大量昂贵干燥化学物质。
本发明的其它目标及优势将在下列说明中阐述，本发明的技术人员通过了解下列说明或者实施本发明后就能很容易地理解本发明。通过权利要求书中具体指出的方法及组合可以实现并获得本发明的目标及优势。
一方面，本发明提供了用来干燥至少一种基片的方法，该方法包括：在加工槽中用来在加工槽中支撑至少一个基片的物体支撑部件，该支撑部件有一个或多个含有毛细材料的支撑部分。此一个或多个支撑部分较好都含有毛细材料。
一个实例中，物体支撑部件完全由毛细材料制造。然而，物体支撑部件较好含有由毛细材料制造的芯子以及由非毛细材料制造的外套。本实例中，支撑部分含有一些凹槽，这些凹槽延伸通过外套并暴露芯子。基片在凹槽中，被基本垂直地支撑着。更为优选的是，一个或多个凹槽含有向下倾斜的壁。当物体支撑部件支撑基片时，本实例可以将基片与物体支撑部件之间的接触面积降至最低，从而减少液体流动遇到的阻力。外套的非毛细材料优选为非多孔氟聚合物，如PP或PTFE。
物体支撑部件的支撑部分较好要使得当基片由物体支撑部件支撑时，基片只与毛细材料接触。
装置可以进一步包括与毛细材料连接的排放口。当流体吸入毛细材料后，流体会从毛细材料的另一个部分排出流入排放口，从而为将另外的液体吸入毛细材料留出空间。排放口可以维持常压，这样就不需要使用真空或其它昂贵的装置。另一个实例中，排放口可以与真空源连接，真空源是用来将液体吸入毛细材料或者强迫液体穿过毛细材料进入加工室。在向加工槽加入去离子水之前或在这一过程中，较好采用真空源来迫使去离子淌洗水穿过毛细材料进入加工槽，基片将被浸渍在去离子水中。这样就可以重新润湿毛细材料，从而除去毛细材料中的任何气泡。
对于将装置用于除了清洗并干燥基片以外，还要对基片进行化学处理的加工槽中的情况，当加工槽中充有化学物质，并且去离子水开始引入加工槽时，可以进一步采用真空源从加工槽中将液体吸入毛细材料。通过在这时将液体吸入毛细材料，可以将可能截留在毛细材料中的化学物质进一步拉入毛细材料并被流入的去离子清洗水代替。这可以阻止截留的化学物质流回加工槽，蚀刻与毛细材料接触的基片部分。
毛细材料可以是利用毛细力吸引液体的任何材料，优选的毛细材料是多孔氟聚合物，例如多孔聚丙烯(“PP”)或者多孔聚四氟乙烯(“PTFE”)。
一个实例中，物体支撑部件含有两个外升降台、一个中心升降台以及底板。本实例中，外升降台及中性升降台从底板向上延伸，中心升降台比两个外升降台短。外升降台及中心升降台必须放置在底板上，这样外升降台及较短的中心升降台能在沉入加工槽后支撑基片。
在干燥过程中，可以将物体支撑部件接触并支撑许多物体。物体支撑部件的位置较好固定在加工槽底部或者固定在底部附近。
另一方面，本发明提供了一种在加工槽中除去湿基片上液体的方法，该方法包括将湿基片与毛细材料接触。
另一方面，本发明提供了在加工槽中干燥至少一个具有表面的基片的方法，该方法包括：将基片浸入在具有液面的液体中；在加工槽中支撑该浸没的基片；在液面上方提供一种干燥气体；降低液面或者提升基片使得液面低于基片，从而除去基片表面的大部分液体；用毛细材料除去基片表面剩余的液体。
本发明方法的一个实例中，利用毛细作用除去液体的步骤包括在降低液面或提升基片之后，使基片与毛细材料接触。然而，毛细材料优选是支撑基片的物体支撑部件的一部分。
本发明方法进一步包括将吸入毛细材料的液体通过排放口排出的步骤，排放口与毛细材料之间连接。这一排放步骤优选可在大气压下进行。
优选密闭加工槽，在封闭气氛中进行上述步骤。封闭的气氛优选是惰性气体。加工槽被密闭后，当至少一种基片浸渍在液体中时，在液面上方对加工槽提供干燥气体。液体可以是去离子水，干燥蒸气可以包括异丙醇。异丙醇会扩散到去离子水的液体表面。当液体从加工槽中排出时，液面下降通过基片，Marangoni干燥效应会除去基片表面大部分液体。然而，Marangoni干燥方式不能完全干燥基片。基片上残余的液体通常通过将基片与毛细材料接触(或者被毛细材料接触)，使基片上的液体通过毛细力吸入毛细材料而除去。
在基片上实施本发明的干燥方法之前，优选要除去毛细材料中可能截留的气泡。较好通过毛细材料强制将一种液体，是去离子水通入加工槽，从而除去毛细材料中的气泡。这一再润湿过程要在基片装入加工槽之前进行。
本发明的方法可以与各种半导体加工步骤一起使用，这些步骤包括蚀刻、淌洗及剥离。许多情况下，所有这些步骤可以在一个单一的加工槽中进行，此时，基片整个时间内都在加工现场。
附图简述
图1是一个基片载体的透视图，有个基片正在下降。
图2是图1中基片载体的顶视图。
图3是根据本发明的物体支撑部件的一个实例的透视图。
图4是图3所示的放置在加工槽中并支撑着一个基片的物体支撑部件的侧视截面图。
图5是图4的IV-IV区域的放大图。
图6是根据本发明基片干燥方法的流程图。
本发明详述
附图及下面的说明描绘了本发明的一些实例，这些说明仅仅是为了说明本发明。本领域的技术人员可以明白，根据下列说明，可以在不背离本发明原则的基础上，采用其它可用的结构及方法。
试看图1，图1显示了基片载体1的一个实例，也称作基片吊篮。基片载体常用于半导体工业，在生产过程中在机器与机器之间运输基片。使用基片载体减少或消除了操作者直接处理基片的必要性，从而减少了物理破坏或污染的可能性。基片载体1具有前面板2、后面板3、两个侧面板4、两个底部支撑面板5、由两个侧面板4与两个底部支撑面板与凸起的许多基片分离引导装置6。两个基片分离引导装置6的排列使得平面基片7可以可滑动地放在所述基片分离引导装置6之间并由引导装置6所支撑。
试看图2，基片载体1也具有两个侧面开口8以及一个底部开口9。尽管基片载体1是作为具有上述设计特征的基片吊篮来描绘的，本领域的技术人员可以理解，本发明不受该实例的限制。基片载体可以采用任何形状，只要载体能承载至少一种基片，并且可以实现权利要求书中说明的功能。另一些实例包括用来握住并运输基片的机器手、线框基片载体以及吸引棒。
图3显示了根据本发明的物体支撑部件10的一个实例。物体支撑部件10含有两个外升降台11、较短的中心升降台12以及底板14。底板14上含有许多孔15，孔15分布于整个底板14上以便从物体支撑部件10中排出液体。当进入的液体源位于底板14下方时，这些孔15还能使进入的液体在加工槽20(图4)中均匀分布。外升降台11及中心升降台12的制造，使得沿每个外升降台11及中心升降台12的顶部都具有许多锯齿形基片把持梳13。基片把持梳13形成连续的倒三角形凹槽16(图4)，这些凹槽可以充当物体支撑部件10的支撑部分。尽管物体支撑部件10的支撑部分是以凹槽16来显示的，物体支撑部件的支撑部分也不会受此限制，并且可以采用任何只要能支撑基片的形状。
试看图3及图4，凹槽16的形成要使得能接受及支撑基片7，凹槽起物体支撑部件10支撑部分的作用。凹槽16在外升降台11及中心升降台12上的排列，应使平面基片7能插入外升降台11及中心升降台12上相应的凹槽16中。基片7应以基本垂直的位置支撑，使物体支撑部件10及基片7尽可能少的接触。尽管物体支撑部件10是设计成用来支撑许多基材而显示的，本发明不限于此，只要满足权利要求书中的限制，支撑部件可以设计用来只支撑单个基片。
试看图4，优选将物体支撑部件10放置在加工槽20的底部或者在底部附近放置。如图所示，物体支撑部件10含有芯子18以及外套19。芯子18是用毛细材料做的(阴影区)，而外套19由非毛细材料做的。具体的，芯子由多孔聚丙烯(“PP”)制造，外套19由非多孔聚偏二氟乙烯(“PVDF”)制造。这里使用的“毛细材料”是任何能利用毛细管力抽吸液体的材料，这些材料既包括带有孔隙/空穴的封闭材料，也包括其间带有间隔/空隙的敞开材料。材料可以天生就是毛细材料，或者可以加工为毛细材料使其具有毛细能力，例如使材料多孔化可以使其成为毛细材料。这里使用的术语“非毛细材料”是指任何不具有能利用毛细力抽吸液体能力的材料。
实施本发明能采用的优选毛细材料是多孔氟聚合物，例如PP，聚四氟乙烯(“PTFE”)以及PVDF。多孔PP的可接受孔径在125至170微米之间。多孔PP的可接受孔隙体积在35-50％之间。这就是说，多孔PP中有35-50％体积是敞开的空气。尽管本发明优选多孔PP及多孔PTFE，本领域的技术人员可以理解，毛细材料这一术语包括更宽范围的材料，这些材料还包括未知的或者没有发现的材料，前提是只要这些材料具有利用毛细力抽吸液体的能力。用于形成物体支撑部件时，毛细材料必须具有足够刚度能够支撑基片。
合适的非毛细材料的例子包括非多孔氟聚合物，例如PP，PTFE以及PVDF。
尽管图4中显示了外升降台11的一个截面，应当理解，中心升降台12及其它外升降台11(图3)是以与芯子18及外套19类似方式制成的。凹槽16通过外套19延伸进入芯子18，露出毛细材料即芯子18。当基片7支撑在物体支撑部件10中时，基片7是可滑动地向下插入凹槽16直到基片7接触芯子18的毛细材料而不与外套19的非毛细材料接触。因此，通过物体支撑部件10使基片7受到支撑，此时基片7仅仅与物体支撑部件10的毛细材料接触。
芯子18的毛细材料与排出管24之间是流体连接的。这就使得吸入芯子18的毛细材料的液体能从基片7中排出离开加工槽20。排出管24与流体管40通过真空源/喷射器45相连。流体管40的一端与去离子水供应管之间相连，另一端与排水槽42连接。流体管40具有位于去离子水供应管41及真空源/喷射器45之间的第一阀门43。排出管40还带有位于真空源/喷射器45以及排水槽42之间的第二阀门44。
在利用毛细作用除去液体的过程中，在常压下排出毛细材料中的水。不要求采用真空源/喷射器45。尽管本发明没有必要使用真空源/喷射器45，我们发现在系统中加入真空源/喷射器45是有利的。通过正确的调节真空源/喷射器45，可以确保在加工过程中毛细材料吸收液体完全饱和，同时截留的化学物质不会在不合适的时候接触基片7。截留的空气是不好的，因为这种空气会导致毛细材料产生气泡，并且与加工槽20中的基片接触。这些气泡可能携带污染物，例如颗粒，这些污染物会在气泡与基片接触时沉积到基片上。充分的使毛细材料饱和能除去截留在毛细材料中的空气。
加工槽20包括盖子30、溢流堰31、液体供应管32、室排放阀33以及干燥蒸气源34。盖子30以常规方式与加工槽20连接，盖子30依靠O-环能够在加工室内形成密闭气氛，O-环位于盖子30与加工槽20接触的顶部。液体供应管32可以加工槽20提供任何加工液体，包括去离子水、化学物质、混合物以及溶液。加工槽的所有部件都可以通过人工控制或者采用正确编程的处理器自动控制。
试看图5，图5所示是根据本发明的基片7与外升降台11的凹槽16接触区域的特写示意图。当基片7插入凹槽16后，基片7与凹槽16的侧壁20、21接触，形成接触点22，23。
接触点22，23位于侧壁20，21上，并且在外套19的下方，外套19由非毛细材料例如非多孔PP或PTFE制备。接触点22，23位于侧壁20，21中由毛细材料即芯子18制成的区域。通过确保基片7仅与由毛细材料制成的物体支撑部件10的这些点/区域接触，利用毛细力将基片7上在接触点22，23处或附近截留的液体吸入毛细材料。尽管图中所示的凹槽以倒三角形状的空穴，凹槽16可以设计成任何能支撑基片7的形状，例如矩形或半圆形。然而，凹槽采用倒三角形，可以将物体支撑部件10与基片7接触的区域降至最少。
尽管图5具体显示了基片7与外升降台11的接触，当基片7支撑在物体支撑部件10上时，基片7还要与中心升降台10以及其它外升降台11以类似方式接触(图3)。因此，如图5所示，当基片7由物体支撑部件10支撑时，两个外升降台11中每个升降台以及中心升降台12接触并支撑着基片7。虽然所示实例显示的物体支撑部件10含有由毛细材料如多孔PP或PTFE制备的芯子18以及由非毛细材料制备的外套19，也有可能采用毛细材料制造整个物体支撑部件，或者设计物体支撑部件使得只有支撑区域由毛细材料制造。
而且，虽然所示的基片7具体矩形形状，致使基片7与外升降台11只形成两个接触点22，23，但是基片7可以采用任何形状，尤其是在基片边缘可以采用任何形状。改变基片的边缘形状能改变基片7与物体支撑部件10之间的接触点数量，从而形成接触区域。
图6总结了所述干燥方法的实施步骤。图6的步骤将结合图1-5中的设备说明。
在干燥过程开始时，加工槽20是空的，盖子30打开。第二个阀门44关闭，防止液体流入。开启第一个阀门43，从而使去离子(“DI”)水从DI水供应管41流入流体管40并进入真空源/喷射器45。真空源/喷射器45充满，强制使DI水通过芯子18的毛细材料流入排水管24，进入加工槽20，因而完成步骤610。再润湿毛细材料能在基片7引入加工槽20之前消除毛细材料中可能截留的气泡。
在强制DI水流过芯子18的毛细材料的同时，由DI水供应管41通过液体供应管32为加工槽20提供DI水。一旦DI水的液位高于露出的毛细材料时，通过使真空源/喷射器45停止工作，可以停止强制DI水通过芯子18的毛细材料。第二个阀门44开启，第一个阀门43可以关闭。继续通过液体供应管32对加工槽20提供DI水，直到DI水充满加工槽20并呈瀑布状流入溢流堰31，完成步骤620。
继续向加工槽20供应DI水，使DI水溢流预定的一段时间，以便确保充分除去加工槽20中可能存在的任何颗粒或污染物。一旦加工槽20被认为是充分清洁后，将装有至少一个基片7的基片载体1下降至充满的加工槽20中，完成步骤630。这时候DI水可能会或者不会在加工槽20的壁流入溢流堰31。
继续将基片吊篮1降入加工槽20中，直到物体支撑部件10外升降台11及中心升降台12分别延伸至基片载体1的两个侧面开放洞口8以及底部开放洞口9。随着外升降台11及中心升降台12通过两个侧面开放洞口8以及底部开放洞口9延伸，外升降台11及中心升降台12与载体1中的基片接触并支撑着基片。随着基片载体1继续下降，移去基片7，基片7不再与基片载体1的任何部分接触。基片7被截留在外升降台11及中心升降台12相应的凹槽中(如图5所示)。这时，基片仅通过物体支撑部件10支撑，并仅与芯子18的毛细材料接触，因而完成步骤640。
接着关闭槽盖子30，密闭加工槽20完成步骤650。
在步骤660中，继续通过加工液体供应管32向加工槽20提供DI水。连续供应的DI水流过被支撑基片7的表面。
一旦基片7充分清洗后，停止供应DI水。这时，基片7完全浸没在DI水液位以下并且完全润湿，而且在进一步加工之前要进行干燥。
对密闭的加工槽20的剩余体积充满干燥蒸气，优选干燥气体由异丙醇(“IPA”)及氮气组成，完成步骤660。通过位于DI水液面上方的干燥蒸气源34将干燥蒸气引入加工槽20。干燥蒸气源34可以是本技术领域已知的能产生干燥蒸气的任何类型的装置或系统，例如喷嘴、鼓泡器、蒸发器等。随着向加工槽20提供干燥蒸气，IPA扩散到DI水面的顶部。
接着打开室阀排放阀33，使得DI水以及扩散进入其中的IPA从加工槽20中排出。随着DI水从加工槽20中排出，DI水的液位逐渐低于基片7，通过Marangoni干燥效应除去基片表面大部分DI水，因而完成步骤670。室排放阀33与一合适的槽之间连接，有可能是通过流体管40连接。DI水包括扩散IPA的排出流量取决于待加工基片的具体设计要求以及使用的加工槽。然而，我们发现滴速在0.5mm至5.0mm每秒之间是合适的。控制液滴的速率以便恰当的促进Marangoni干燥是本领域熟知的技术，本领域的技术人员可以很容易的确定。一旦DI水以及扩散IPA的液位低于受支撑的基片7，从基片表面就可以除去大部分DI水。然而，这种类型的Marangoni干燥本身并不能充分干燥基片，并且会在基片7与物体支撑部件10的接触点/区域或者这些接触点/区域附近的基片表面留下DI水。也可以维持DI水的液位，将基片抬高至DI水液面以上。
因为物体支撑部件10的支撑部分(即凹槽16)由毛细材料制造，通过毛细力将剩余液体与毛细材料部件如灯芯型结构体接触，可以使在接触点22，23处或者附近留在基片7表面上的DI水吸离基片7，进入毛细材料，完成步骤680。
基片也可以在处理槽中由在支撑部位的非毛细材料制成的支撑装置所支撑。此时，留在基片表面上的DI水通过与一毛细材料部件如芯吸型结构接触而被吸离基片7。该芯吸型结构通过毛累力将留下的DI水吸入毛细材料。
当芯子18的毛细材料通过毛细力吸引DI水时，已经截留在毛细材料中的DI水就排到排放管24中，从而为吸引额外的DI水提供空间。这时排放管24维持在常压，从而使吸收的DI水无需利用负压就可以排出毛细材料。
如上所述，当要干燥除去的DI水从基片7中排出时，停止IPA供应，对加工槽20完全充满热氮气。在密封的加工槽20中形成惰性气氛，完成步骤690。热的氮气有助于基片载体1及加工槽20其它部分的干燥。然而，这种热氮气不会干燥基片，因为所有液体或者几乎所有液体在这时都已从基片中除去。接着将基片取出加工槽20。
也可以进一步改进加工槽20，以便通过液体供应管32提供化学物质，从而在现场淌洗、蚀刻或者在基片7上去除挥发成分。改进加工槽20后，毛细材料有可能会吸收这些化学物质的一部分。为了避免这些化学物质从毛细材料中扩散开来以及随后与基片7接触，在DI清洗水开始代替化学物质时，可以采用真空源/喷射器45来将液体吸入毛细材料一段时间。也可以通过开启第一阀门43和第二阀门44来得到真空力。
尽管详细显示并说明了本发明，在不背离本发明主旨及范围的条件下，本领域的技术人员可以对本发明作出各种修改和变动。特别是，本发明的装置及方法不限于在清洗步骤后除去DI水，而是可以从基片中除去任何液体。而且，本发明同样可适用于单独水加工系统及装置，如同适用于批量加工系统及装置一样。