ES2208635T3 - Aparato de limpieza de superficies solidas mediante aerosol criogenico. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN APARATO PARA LIMPIAR LAS SUPERFICIES SOLIDAS DE SEMICONDUCTORES MEDIANTE LA PULVERIZACION DE UN CRIOGENO CONGELADO, TAL COMO ARGON, PARA QUE CHOQUE CON LA SUPERFICIE SOLIDA Y ASI QUITAR LA PARTICULAS CONTAMINANTES. EL APARATO INCLUYE UNA BOQUILLA APROPIADA COLOCADA EN UN RECEPTACULO DISEÑADO PARA CONDICIONES ULTRALIMPIAS QUE INCLUYE UNA FUENTE DE SUMINISTRO DE GAS DE BARRIDO Y CONDUCTOS DE EVACUACION Y UNA MESA DE SOPORTE COLOCADA DE MANERA MOVIL DENTRO DEL RECEPTACULO PARA TRANSPORTAR LA SUPERFICIE SOLIDA DE SEMICONDUCTOR SOBRE UNA PISTA BAJO LA PULVERIZACION DE CRIOGENO CONGELADO QUE EMANA DE LA BOQUILLA.

Description

Aparato de limpieza de superficies sólidas mediante aerosol criogénico.

La presente invención se refiere a un aparato para limpiar superficies sólidas sensibles de la contaminación de partículas utilizando una pulverización de partículas congeladas para desplazar las partículas de contaminación y, donde, después de esto las partículas congeladas se funden o, preferentemente, se subliman. Más específicamente, la presente invención es un aparato para pulverizar partículas de argón congeladas en un substrato semi-conductor para eliminar las partículas de contaminación donde el argón se sublima después de chocar contra la superficie del semi-conductor.

Actualmente, se utilizan varios métodos para limpiar superficies para la industria de la electrónica. Se utiliza la limpieza con disolvente o producto químico para eliminar las películas contaminantes de las superficies. Puesto que los disolventes son seleccionados por los materiales que pueden disolver, puede elegirse un disolvente adecuado para eliminar la contaminación. Las soluciones químicas pueden estar combinadas con limpiadores megasónicos o ultrasónicos. Estos dispositivos imparten ondas sónicas de alta energía a la superficie que pueden eliminar las películas orgánicas, impurezas iónicas y partículas tan pequeñas como de aproximadamente 3.000 angstroms. No obstante, la limpieza con disolvente o producto químico requiere agentes extremadamente puros y limpios. La limpieza y alta pureza es difícil y/o costoso de conseguir en los agentes líquidos. Adicionalmente, el agente es progresivamente más contaminado a medida que es utilizado y debe ser desechado periódicamente. El no cambiar el agente periódicamente provoca la redeposición de contaminantes, lo que reduce la efectividad del proceso de limpieza. El desecho de tales agentes da lugar frecuentemente a daño para el medioambiente. Además, tales agentes requieren procedimientos de seguridad durante la manipulación, con el fin de reducir al mínimo las exposiciones a los operadores.

Se utilizan actualmente chorro de gas y limpieza con pulverización líquida para limpiar partículas relativamente grandes de obleas de silicio. Los chorros de gas, tales como nitrógeno filtrado, son efectivos para la eliminación de partículas más pequeñas de aproximadamente 50.000 angstroms. Las partículas más pequeñas son más difíciles de eliminar. Esto es debido a que la fuerza adhesiva que tiende a sujetar la partícula a la superficie es aproximadamente proporcional al diámetro de partícula, mientras que la fuerza de resistencia aerodinámica por el gas que tiende a eliminar la partícula es aproximadamente proporcional al diámetro al cuadrado. Por tanto, la relación de estas fuerzas tiende a favorecer la adhesión a medida que la partícula se contrae. Además, las partículas más pequeñas no están expuestas a fuerzas de resistencia fuertes en el chorro puesto que pueden colocarse dentro de la capa de límite superficial donde la velocidad del gas es baja. Los chorros de líquido proporcionan fuerzas de cizallamiento más fuertes para eliminar las partículas, pero son costosos y/o difíciles de obtener alta pureza y pueden dejar residuos contaminantes después del secado. Además, un disolvente de pulverización de líquido común que comprende un carbono de clorofluoro, FREON TF, está dañando el medio ambiente. Alternativamente, la técnica ha utilizado la exposición al ozono combinado con luz ultravioleta para descomponer los hidrocarburos contaminantes de las superficies de semiconductores. No obstante, esta técnica no ha mostrado todavía que elimine las partículas contaminantes con eficacia.

Una técnica de limpieza desarrollada recientemente implica el uso de un aerosol de dióxido de carbono para el chorreo con arena de superficies contaminadas. El dióxido de carbono presurizado es expandido en una tobera. La expansión hace caer la presión del dióxido de carbono a presión atmosférica. La refrigeración de Joule-Thompson forma partículas de dióxido de carbono sólido que atraviesan la capa límite superficial y chocan en la superficie contaminada. En muchos casos, el dióxido de carbono forma un material blando que puede fluir sobre la superficie, desplazando las partículas sin dejar un residuo. La técnica requiere dióxido de carbono extremamente puro y limpio. Los contaminantes moleculares en traza, tales como los hidrocarburos, en el gas de alimentación, pueden condensarse en partículas sólidas o líquidas en la superficie. El dióxido de carbono es difícil y/o costoso para alcanzar una pureza ultra-alta, tal como menos niveles de partes por millón de purezas de traza. Debido a este problema, no se ha mostrado todavía la técnica de limpieza de dióxido de carbono para que sea efectiva en las aplicaciones de oblea de silicio ultra limpias.

La Patente de los Estados Unidos 3.545.996 describe un dispositivo para colocar un patrón sobre la superficie de acero inoxidable por el impacto de un material de tratamiento de partículas duras desde una tobera contenida en una carcasa y que tiene una funda 42 que enfoca el material de tratamiento de choque. La patente no es referida para la limpieza superficial.

La Patente de los Estados Unidos 4.084.357 describe una cámara de limpieza de válvula que tiene una ventana 18 para observar la operación de limpieza. Las toberas dentro de la carcasa del aparato son dirigidas a las válvulas y proporcionan un chorro de aire comprimido que contiene material abrasivo para la limpieza de las superficies de la válvula.

La Patente de los Estados Unidos 4.631.250 describe un aparato para la limpieza de película fotoresistiva de un semiconductor utilizando una pulverización de hielo fino y partículas de dióxido de carbono. El aparato particular se describe adicionalmente en la Patente de los Estados Unidos 4.747.421.

La Patente de los Estados Unidos 4.793.103 describe un aparato de desbarbado criogénico que utiliza condiciones criogénicas para fragilizar materiales que deben limpiarse y desbarbarse y entonces chorrear los gránulos de plástico en la pieza fragilizada que debe ser desbarbada para eliminar los componentes de rebabas.

La Patente de los Estados Unidos 4.817.652 describe un aparato de limpieza que puede utilizar líquidos y gases que incluyen argón. Los agentes de limpieza líquidos son utilizados para hacer flotar los contaminantes fuera de la superficie que debe limpiarse o el fluido que debe congelarse y después, se funde parcialmente para eliminar los contaminantes bloqueados en los medios de limpieza residuales congelados.

La Patente de los Estados Unidos 4.832.753 y 4.936.922 describe los sistemas de limpieza utilizando las gotas de disolvente. El aparato incluye una bandeja que se desliza a lo largo de los tubos accionados que llevan gas.

La patente de los Estados Unidos 5.009.240 describe un aparato para limpiar las obleas semiconductoras por la pulverización de un chorreado de partículas de hielo contra la oblea en la que se elimina el hielo residual por evaporación.

La Patente de los Estados Unidos 1.899.626 describe un aparato quemador que tiene una configuración de tobera con múltiples aberturas.

Las características estructurales de un aparato de limpieza de acuerdo con el preámbulo de reivindicación 1, podrían derivarse a partir de la descripción del documento EP-A-0 461 476. Este documento describe un método para la limpieza de superficies microelectrónicas utilizando un aerosol de al menos partículas de argón substancialmente sólidas que inciden en la superficie que debe limpiarse. Puesto que las características técnicas de la descripción de este documento se refieren principalmente a su propio proceso de limpieza, no puede proporcionar una solución a los problemas del transporte de las superficies sólidas en un aparato de limpieza de este tipo, para el control de la atmósfera y para la conducción de las partículas congeladas en vista de la limpieza óptima de material no deseado desde dicha superficie sólida.

El documento US-A-4.962.891 describe una configuración de tobera particular pero no muestra de forma ventajosa una configuración general para un aparato de limpieza.

A partir del documento US-A-4.974.375 se conoce un dispositivo de formación y chorreado de partículas. Se propone pulverizar las partículas de hielo sólidas sobre una superficie que debe limpiarse. La cámara en la que la superficie sólida se limpia por partículas de agua-hielo se llena con aire, que se escapa por un dispositivo de soplado.

El documento DE 41 04 543 A1 describe un aparato de limpieza que trabaja con partículas congeladas finas. La velocidad, dirección y divergencia de la corriente de dichas partículas congeladas se controla por medios electrostáticos. Este control implica un aparato complicado, mientras que no puede contribuir en el mantenimiento de la superficie que debe limpiarse fuera del alcance de una atmósfera de contaminación de alrededor.

Es objeto de la presente invención es proporcionar un aparato para limpiar el material no deseado de las superficies sólidas que soluciona los problemas referenciados anteriormente de la técnica anterior. En particular, la presente invención intenta proponer un aparato de limpieza para superficies sólidas que proporciona un movimiento cuidadoso y calibrado de las superficies sólidas que deben limpiarse, así como, una atmósfera controlada en la porción del aparato, donde tiene lugar la limpieza.

Este objeto se consigue por un aparato que muestra las características en la porción de caracterización de la reivindicación 1.

Las formas de realización ventajosas de la presente invención se definen por las subreivindicaciones.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en alzado lateral en sección que muestra el aparato de acuerdo con una forma de realización preferida de la presente invención.

La figura 2 es una vista en perspectiva detallada en sección parcial de la forma de realización preferida ilustrada en la figura 1.

La figura 3A es una vista ampliada en sección parcial del conjunto de tobera de la figura 1.

La figura 3B es una vista despiezada ordenada ampliada en perspectiva del subconjunto de la figura 3A.

La figura 3C es una vista en perspectiva ampliada en sección parcial de la tobera utilizada en la forma de realización preferida ilustrada en la figura 3A.

La figura 4 es una ilustración esquemática del aparato general de la presente invención.

El aparato de la presente invención puede utilizar un proceso de limpieza con un aerosol de argón criogénico como se describe en la Patente de los Estados Unidos 5.062.898, que se incorpora aquí en su totalidad por referencia. El proceso, que es accionable en el aparato de la presente invención, comprende los siguientes parámetros.

La presente invención utiliza al menos un aerosol que contiene partículas de argón substancialmente sólidas para "chorrear con arena" las superficies contaminadas. El argón es una substancia inerte que no es perjudicial para las obleas de silicio o microcircuitos. El argón puede producirse en pureza ultra alta económicamente. El argón puede utilizarse solo o en mezcla con nitrógeno ultrapuro en la presente invención. El nitrógeno permanece en la fase gaseosa y sirve como un medio de soporte para impartir velocidades altas a partículas de argón. La adición de nitrógeno al argón permite también mayores relaciones de expansión, lo que mejora el efecto Joule-Thompson y permite la refrigeración incrementada. La relación de mezcla de argón respecto a nitrógeno puede oscilar de aproximadamente 10% a 100% en volumen de argón.

La mezcla de argón previamente purificado o de argón/nitrógeno es filtrada en primer lugar libre de cualquiera de las partículas de contaminación restantes y pre-refrigeradas preferentemente, por ejemplo, en un intercambiador térmico. Ambos componentes pueden permanecer en la fase gaseosa siguiendo la operación de pre-refrigeración. La pre-refrigeración permite también la condensación parcial y la retirada de algunas impurezas de traza restantes sobre las paredes del intercambiador térmico. Puede combinarse la pre-refrigeración con eliminación simultánea de impurezas de traza utilizando un tamiz molecular o dispositivo de eliminación de impurezas catalíticas o un absorbedor de impurezas situado aguas arriba del intercambiador térmico. Tales métodos son bien conocidos en el campo para eliminar las impurezas moleculares de traza de gases inertes. La presión de la mezcla pre-refrigerada se mantiene típicamente en el intervalo de 2,4 bar a 48,6 bar (20 psig a 690 psig), preferentemente, 2,4 bar a 7,9 bar (20 psig a 100 psig). La temperatura de la mezcla pre-refrigerada está típicamente en el intervalo de -123ºC (-190ºF) a -184ºC (-300ºF) para el primer intervalo de presión por encima de -157ºC (-250ºC) a -184ºC
(-300ºF) para el segundo intervalo de presión anterior.

La mezcla pre-refrigerada es entonces expandida en una tobera o válvula de expansión a una presión inferior. La presión de la mezcla expandida puede oscilar desde vacío alto hasta mayor de la presión atmosférica. La refrigeración de Joule-Thompson resultante sirve para condensar y licuar o solidificar partículas de argón. Para el fin de esta invención, el argón puede formar partículas sólidas así como partículas sólidas y es todavía eficaz para limpieza. Es preferible formar partículas sólidas, pero si al menos una porción substancial de las partículas de argón es sólida, el proceso de limpieza es mejorado de forma significativa sobre las técnicas anteriores. Las partículas de argón pueden condensarse a través de un proceso de nucleación homogénea. El aerosol criogénico resultante es entonces dirigido en un ángulo inclinado (típicamente 45º) hacia una superficie contaminada que debe limpiarse. El chorro está típicamente a una distancia vertical de aproximadamente 0,16 cm (1/16'') hasta varios cms (pulgadas) por encima de la superficie contaminada. La mezcla de gases es expandida a través de una tobera. La geometría de la tobera puede variar. La presente invención se ha mostrado por ser efectiva para toberas circulares y toberas divididas. Las toberas divididas están bien adaptadas para superficies anchas, tales como obleas de silicio. Las toberas circulares están bien adaptadas para aplicaciones de limpieza más localizadas. La eliminación completa de contaminantes superficiales alcanza típicamente dentro de varios segundos de exposición al aerosol.

La técnica de limpieza con argón se ha mostrado por proporcionar limpieza efectiva con obleas de silicio. Los ejemplos de chorros de limpieza gaseosa demuestran que las partículas de 0,624 micrómetros (6240 angstrom) no son eliminadas utilizando técnicas de limpieza con chorro de gas de nitrógeno convencionales. No obstante, las mismas partículas son eliminadas completamente utilizando la técnica de limpieza de aerosol de argón (aproximadamente 100% de efectividad). El limpiador de argón se ha mostrado también por ser efectivo en la eliminación de partículas de tamaño de 1000 angstroms desde las obleas de silicio puro y películas gruesas que llevan grasa de las superficies de vidrio. En el contexto de la presente invención, el término partículas incluye partículas en el nivel de tamaño molecular.

La limpieza de las superficies contaminadas es alcanzada en esta invención a través de un proceso de choque de partículas de argón a alta velocidad contra la superficie que debe limpiarse. Las partículas de argón inciden en las partículas contaminantes, películas y moléculas situadas sobre la superficie. La colisión imparte suficiente energía a la contaminación para liberarla de la superficie. La contaminación liberada es arrastrada en el flujo de gas y es ventilada. La fase gaseosa del aerosol incide contra la superficie y fluye a través de ella formando una capa límite fina. Las dimensiones dl material contaminante (partículas, películas, etc.) son típicamente tan pequeñas que existen completamente dentro de la capa limite a baja velocidad. Por tanto, la fase de gas sola no puede eliminar la contaminación pequeña debido a una fuerza de cizallamiento insuficiente. No obstante, las partículas de argón tienen inercia significativa y son capaces, por tanto, de pasar a través de la capa límite hasta la superficie.

Las partículas de argón tienden a decelerarse a medida que pasan a través de la capa límite hacia la superficie. Con el fin de que se produzca la limpieza, las partículas de argón pueden atravesar la capa límite e incidir en la superficie. Un modelo simple supone que el flujo de gas crea una capa límite de espesor "h" que tiene un componente normal despreciable de velocidad. Con el fin de incidir en la superficie, las partículas de argón solidificadas deben entrar en la capa límite con un componente normal de velocidad igual al menos a "h/t". El tiempo de relajación de la partícula "t" se da por:

(1)t = 2 \ a^{2} \ \rho_{p} \ C/9\mu

donde "a" es el radio de la partícula de argón, "\rho_{p}" es la densidad de la partícula, "\mu" es la viscosidad dinámica del gas y "C" es el factor de corrección de deslizamiento Stokes-Cunningham que se da por:

(2)C = 1 + 1,246 \ (\lambda/a) + 0,42 \ (\lambda/a) \ expo[-0,87 \ (a/\lambda)]

"\lambda" es la trayectoria media libre de las moléculas de gas que es inversamente proporcional a la presión del gas.

El análisis anterior demuestra que el proceso de limpieza es más efectivo para las partículas de argón que tienen masa más grade o velocidad inicial alta. El proceso de limpieza es mejorado también a presiones más bajas debido al deslizamiento de partícula incrementado y a viscosidades de gas inferiores debido a la fuerza de resistencia de deceleración reducida sobre las partículas de argón.

Las partículas de argón son formadas durante el proceso de expansión. La caída de la temperatura asociada con la expansión provoca que el argón gaseoso sea nucleado y se condense al menos en partículas substancialmente sólidas. Las partículas de argón se formarán directamente del argón de gas si la presión de la mezcla está por debajo del punto triple del argón. Si la presión de la mezcla es mayor que el punto triple, el argón gaseoso se condensará en primer lugar en las gotas liquidas antes de liofilizarse en partículas sólidas. El punto triple del argón está a 0,68 atm., (9,99 psia), 84ºK (-308,9ºF).

El aparato de la presente invención se indicará a continuación más detalladamente con referencia a una forma de realización preferida ilustrada en la figura 1. El aparato de limpieza superficial sólido 10 es utilizado para eliminar las partículas de contaminación adheridas o el material no deseado de una superficie sólida, tal como una oblea semiconductora de silicio 56, utilizando una pulverización proyectada de partículas discretas de limpieza substancialmente congeladas. La pulverización es preferentemente una mezcla de nitrógeno y argón a temperaturas adecuadas y bajada de presión, de forma que el argón que emana de la pulverización se congela en partículas discretas, pequeñas que impactan en la oblea semiconductora para desalojar las partículas contaminantes. Las partículas son entonces arrastradas en un gas de soporte o retiradas por vacío junto con las partículas de argón que pueden haberse purificado a un estado gaseoso. El aparato 10 comprende una carcasa que tienen una pared superior 20, paredes extremas 24 y 28 y una pared inferior 26. Las paredes laterales 25 y 27 no se ilustran en esta figura sino que se ilustran en la figura 2.

La oblea de silicio semiconductora 56 es introducida dentro del aparato 10 a través de una puerta de entrada 30 que comprende una abertura que puede estar abierta al entorno exterior o puede comunicarse con otras estaciones de trabajo o aparatos para procesamiento diverso de materiales semiconductores. La oblea 56 se asienta sobre medios de soporte que comprenden una mesa 44. La mesa 44 se apoya en parte sobre un elemento de lecho 32 y una pista 40 que comprende dos varillas paralelas que pueden pasar a través de un bloque extremo 42 de la mesa 44 para guiar y controlar el movimiento de la mesa 44 a lo largo de la longitud de la pista 40 en la carcasa 10. La mesa 44 es accionada por movimiento longitudinalmente en la carcasa 10 y a lo largo de la pista 40 mediante varilla de accionamiento 38 que se mueve de forma alternativa hacia detrás y hacia delante a través de la pared extrema 24 por medios manuales o automáticos. La oblea 56 es fijada de forma separable en la mesa 44 por un conjunto de sujeción que es ilustrado como un sumidero de vacío 46 en la mesa 44 que aspira el vacío a través de la línea 48 que continua a través de la varilla de accionamiento 38 hasta la fuente de vacío exterior. Esto establece un vacío bajo la oblea 56 que lo adhiere efectivamente a la mesa 44. Pueden utilizarse otros medios de sujeción que incluyen un sujetador mecánico, un portaherramientas electrostático o un dispositivo electromagnético, ninguno de los cuales son ilustrados, pero son bien conocidos en las técnicas de sujeción.

Las paredes 20, 26, 24, 28, 25 y 27 constituyen una cámara inferior del aparato 10 a la que se conecta una cámara superior 12 que aloja una tobera 18. La cámara superior 12 está yuxtapuesta a la cámara inferior y está abierta a la cámara inferior. La cámara superior 12 tiene también una ventana de observación 16, de forma que puede observarse el funcionamiento de la tobera y el aparato de limpieza. Se introduce un suministro de medio de limpieza en la línea 54 a través de un acoplamiento y la línea 14 en la cabeza de la tobera 18 que debe pulverizarse preferentemente como un medio de fluido de expansión y refrigeración rápida en el que las partículas de argón se congelan durante la expansión a través de la tobera 18 para producir una pulverización de partículas atomizadas con contacto en la oblea 56 a medida que son aspiradas pasada la cámara superior 12 en la mesa 44, por medio de la varilla de accionamiento 38.

Con el fin de limitar la exposición de la oblea 56 solamente al choque en línea recta de las partículas congeladas para los fines de limpieza, y evitar las corrientes parásitas y las partículas de velocidad más lenta que no imparten una suficiente acción de limpieza, la cámara superior 12 y la cámara inferior están ajustadas con placas desviadoras 34 y 36. La placa desviadora 36 comprende una placa de ángulo que tiene un ángulo obtuso entre sus porciones superior e inferior. El desviador 34, sujetado la parte inferior de la pared superior 20, tiene una configuración plana. Estos desviadores 34 y 36 pueden ajustarse para abrir y cerrar la apertura efectiva a través de la cual pasa la pulverización desde la tobera 18 para ponerse en contacto y chocar sobre la oblea 56 que debe limpiarse. Los desviadores son importantes para evitar la recontaminación de la oblea 56 que debe limpiarse, y aislar efectivamente las corrientes en la cámara superior 12 de la participación en la dinámica del fluido de la cámara inferior.

Cuando se utiliza una mezcla de argón y nitrógeno a presión elevada y temperaturas bajas por debajo de la ambiente como el medio de limpieza, se forma el argón en gotitas por la tobera 18 que efectúa una expansión del efecto de Joule-Thompson del fluido para crear las partículas congeladas que se subliman entonces preferentemente después del contacto con la superficie sólida que debe limpiarse. Este medio de limpieza gaseoso utilizado resultante, así como las partículas de contaminación desalojadas y el material no deseado, después del desalojamiento en el procesamiento de limpieza, pueden ser eliminados por vacío a través de medios de eliminación u orificio de salida 52 conectado a una bomba de vacío. Esta acción de vacío puede ser suplementada o suplantada por el uso de un gas de barrido, preferentemente, de nitrógeno inerte, introducido a través del orificio de entrada 50 que comprende medios adecuados para suministrar un gas de inundación, tal como un nitrógeno inerte, que sirve para proporcionar una atmósfera controlada dentro del aparato 10, así como forzar a las partículas de contaminación que se han limpiado de la superficie sólida para que salgan a través del orificio de salida 52.

El aparato 10 es observado en vista en perspectiva en la figura 2 en la que se toma una sección parcial de la cámara inferior y la cámara superior 12 que muestra la varilla de accionamiento 38, las varillas de pista 40, la tobera 18 y la oblea 56 que comprende la superficie sólida que debe limpiarse y soportarse sobre la mesa 44. Se ilustran también las paredes laterales 25 y 27 del aparato 10.

Se ilustran también los desviadores 34 y 36, la puerta de entrada 30, la ventana 16, el bloque extremo 42 y las paredes extremas 24 y 28.

La figura 3A muestra una sección transversal parcial de la tobera 18, el compartimento 12, y los medios para fijar de forma móvil la tobera y su conducto de alimentación 14 al compartimento 12. El conducto de la tobera 14 está acoplado de forma deslizable en un manguito de junta de bolas 402 que tiene una junta de bolas 401 retenida en el amarre adecuado en la pared del compartimento 12 para permitir un intervalo extenso de movimiento articulado dentro del compartimento 12. La junta de bolas 401 está sellada por el amarre con un manguito o junta de sellado plegable 403. El manguito 402 está acoplado preferentemente por una conexión roscada con una mordaza 405 que proporciona una junta de sellado hermética al gas 407 del manguito y el conducto 14, así como proporciona una retención axial del conducto 14 por medio de un collar 409 y una división 411 en la mordaza del manguito 405, que fija de forma ajustable el conducto 14 con respecto a la pared del compartimento 12 por la acción de un perno o sujetador 413 que se mueve a través del collar 409. Aflojando el perno 413, el conducto 14 y, por tanto, la tobera 18 pueden ajustarse dentro del manguito 402 para cargar la distancia de la tobera desde la superficie que debe limpiarse. Después de que se realiza el ajuste, el perno 413 es fijado y el collar 409 retiene el conducto 14, y por tanto, la tobera 18 en la posición deseada, proporcionando una distancia específica desde la descarga de tobera de la superficie que debe limpiarse.

La figura 3B muestra el manguito 402 con una junta de extremo de bolas 401 en una forma mostrada junto con la mordaza 405 que muestra la división 411 y el collar 409 que es accionado por el perno 413.

Con referencia a la figura 3C, la tobera 18 es ilustrada en una vista en perspectiva con la línea de suministro 14. La tobera comprende una placa superior 181 y una placa inferior 183, cada una de las cuales tiene una cámara de sobrepresión 184 y 187, respectivamente, en la que se suministra el medio de limpieza que emana del conducto 14.

Una placa intermedia 182 está intercalada entre las placas superior e inferior 181 y 183 que tiene un espacio anular 186 que coincide con las cámaras de sobrepresión en las placas superior e inferior 181 y 183. La placa intermedia 182 tiene una serie de pequeñas aberturas alineadas 185 a lo largo de su borde delantero a través del cual se descarga el medio de limpieza desde la cámara de sobrepresión como una pulverización proyectada con la reducción rápida en la presión para formar gotitas discretas atomizadas que se congelan antes del choque sobre la superficie sólida que debe limpiarse. Se proporciona velocidad y caída de presión resultante adicionales por el gas de soporte inerte en el medio de limpieza, tal como un nitrógeno mezclado en el medio de limpieza de argón. El conducto 14 entra en el compartimento de tobera 18 a través de un primer orificio 188 que conecta con la cámara de sobrepresión, y el medio de limpieza sale o es descargado desde la tobera 18 a través de un segundo orificio que comprende una serie de aberturas 185. Aunque se ilustra una forma de realización preferida de la configuración de la tobera en la figura 3, se entiende que podrían utilizarse otras placas intermedias 182 con una dimensión o patrón diferente de segundos orificios que comprenden aberturas alineadas 185. Esto daría lugar a patrones de pulverización diferentes e intervalos de tamaño diferentes de partículas que deben utilizarse como una pulverización de limpieza. Aunque la acción de limpieza es alcanza más preferentemente con partículas congeladas que se purifican después del choque, se contempla que al menos una porción del medio de limpieza puede permanecer como gotitas líquidas que chocan con la superficie sólida que debe limpiarse y desplazar las partículas contaminantes y otro material no deseado antes de cambiar las gotitas líquidas a un estado gaseoso.

El aparato de la presente invención debería utilizarse típicamente en una combinación con aparatos de soporte adicionales como se indica en la figura 4. En la figura 4, se ilustran fuentes separadas de argón 200 y nitrógeno 202. El nitrógeno no puede en muchos casos ser necesario para inclusión en el medio de limpieza del gas de alimentación. Una mezcla típica para la limpieza de una oblea de silicio de 20,3 cm (8 pulgadas) puede consistir, por ejemplo, en 90% aproximadamente de argón y 10% de nitrógeno a una presión de aproximadamente 6 atmósferas y que fluye a aproximadamente 450 litros por minuto estándar. Estos gases después de la mezcla son controlados a través de una válvula separada 203 y un filtro 204 para eliminar los contaminantes de partículas del medio de limpieza. El medio de limpieza de gas de alimentación mezclado y filtrado es entonces introducido dentro de un intercambiador térmico de refrigeración 205 que enfría el gas. Esto puede comprender un entubado en bobina sumergido en un baño llenado completamente de nitrógeno líquido u otro refrigerante a baja temperatura adecuada. Alternativamente, el gas de alimentación puede ser pre-refrigerado haciendo pasar la mezcla a través de un intercambiador térmico en contacto térmico directo con una unidad de refrigeración criogénica. El intercambiador de calor de pre-refrigeración 205 reduce la temperatura de la mezcla de gas de alimentación a casi el punto de argón de licuefacción. Pero retiene la mezcla en un estado gaseosos en la preparación para la entrada dentro del aparato de limpieza. El intercambiador térmico pre-refrigerador 205 sirve también como un colector criogénico para eliminar las cantidades de traza de impurezas condensables desde la mezcla del gas de alimentación. Tales impurezas, si no son eliminadas, podrían condensarse posteriormente en las partículas provocando nueva contaminación sobre la superficie sólida que debe limpiarse. Un segundo filtro 206, localizado después del intercambiador térmico de refrigeración 205, pero antes de la cámara de limpieza, sirve para eliminar las partículas de impureza condensadas que se forman durante la operación de pre-refrigeración, pero que no se depositan fuera de las superficies del intercambiador térmico. Los medios de limpieza enriados entran entonces en el aparato de limpieza 210 que se muestra en un mecanismo separado 211 para mover la mesa de la superficie sólida en un modo lineal bajo la tobera dentro del aparato de limpieza sobre la pista identificada con respecto ala figura 1. Preferentemente, el mecanismo de movimiento separado 211 estaría localizado fuera de la cámara de limpieza 210 y estaría conectado a través de una alimentación de conexión y obturación hasta la mesa. Alternativamente, este mecanismo podría manipular el funcionamiento manual por un operador. La figura 4 ilustra también un sistema de ventilación capturado separado o sistema de vacío 212 para eliminar continuamente el gas y las partículas contaminantes liberadas del aparato de limpieza 210. Este sistema 212 debería incluir la provisión de recalentar la mezcla de gas expandido antes de enviarlo a la bomba de vacío o ventilador de emisión. Además, este sistema puede incluir un dispositivo de regulación de contra presión adecuada para controlar la presión aguas arriba en el aparato de limpieza y un colector del sistema de vacío para prevenir que la contaminación de corriente trasera entre en el aparato de limpieza. Las partículas contaminantes eliminadas o limpiadas o los materiales no deseados son entonces ventilados en la línea 214 como sea adecuado. Esta operación de vacío puede mejorarse o suplantarse con una fuente de gas de inundación que comprende nitrógeno inerte, preferentemente se administra a través de la entrada 208.

Finalmente, un sistema de entrada-salida adecuado para el aparato de limpieza para la superficie sólida que debe limpiarse es ilustrado en 207. Un sistema de este tipo puede constar, por ejemplo, de una o dos válvulas de tipo compuerta colocadas en la zona de hendiduras accionadas manualmente indicado en la figura 1. El sistema de entrada-salida puede ponerse en servicio, adicionalmente, por un robot de manipulación del substrato diseñado para resistir las condiciones medioambientales de la cámara de limpieza y contribuir a un mínimo de nueva contaminación a la superficie sólida que debe limpiarse. El robot, en una forma de realización de la invención, puede estar colocado en una cámara de aislamiento separada externa al aparato de limpieza, pero en combinación con el aparato de limpieza a través de una válvula de tipo compuerta o dispositivo similar. Por ejemplo, el aparato de limpieza puede consistir, en una forma de realización de la invención de un módulo de procesamiento de un sistema de procesamiento de substrato agrupado. En una aplicación de este tipo, el dispositivo de manipulación del substrato primario constituiría de un robot que está situado en la plataforma central del sistema de grupo y que sirve a otros módulos de procesamiento. En otra forma de realización de la invención, el aparato de limpieza puede ponerse en servicio desde un sistema de entrada-salida considerado. En una forma de realización de este tipo, el aparato de limpieza y el sistema de entrada y salida funcionaría como un sistema autónomo, no integrado directamente con otro equipo de procesamiento del substrato.

Las características adicionales podrían estar incluidas, las cuales no están ilustradas en la figura 4. Esto incluye la provisión para calentar la superficie sólida que debe limpiarse antes de y/o después de la operación de limpieza. Puede proporcionarse un calentamiento de este tipo, por ejemplo, mediante calentadores de resistencia eléctrica incrustados en la mesa que lleva la superficie sólida y en el contacto térmico directo con la superficie sólida o por una fuente de luz infrarroja en vista directa de la superficie sólida que debe limpiarse. Esto evita la recondensación o condensación de las partículas, lo que puede comprender la contaminación, así como contribuir en la sublimación del argón después de que choca contra la superficie durante la operación de limpieza.

Adicionalmente, puede proporcionarse instrumentación para supervisar la condición de funcionamiento del aparato de limpieza. Tal instrumentación es bien conocida en la técnica, pero puede incluir, por ejemplo, sensores de presión, temperatura y flujo situados en varios puntos a lo largo del colector de gas de alimentación, el intercambiador térmico de refrigeración del gas de alimentación, el vacío o sistema de ventilación, los medios de sujeción que comprenden un portaherramientas de vacío, un sistema de gas de inundación inerte y control de accionamiento. Es completamente posible que pueda proporcionarse un sistema de control accionado manual o automáticamente diseñado para funcionar en un sistema de limpieza completo de una manera sincronizada, particularmente con operación por ordenador. Este sistema funcionaría, por ejemplo, y/o coordinaría las actividades de las válvulas de compuerta de entrada-salida, el manipulador del substrato robótico, el calentador de la superficie sólida, el mecanismo de la mesa de soporte de la superficie sólida, la válvula de conexión/desconexión del medio de limpieza del gas de alimentación y el sistema de control para el sujetador o soporte superficial sólido.

El aparato de limpieza con el movimiento lineal puede utilizarse en una inclinación vertical para disminuir adicionalmente la oportunidad de contaminar las partículas para readherirse a la superficie sólida que debe limpiarse. El aparato puede utilizare también en combinación con una envolvente de aislamiento externo par permitir una máxima flexibilidad en el mantenimiento de las condiciones de temperatura dentro de la carcasa por encima o por debajo de las condiciones ambiente, dependiendo de la capacidad de deseo. La presente invención soluciona los inconvenientes de los sistemas de la técnica anterior proporcionando una instalación de limpieza controlada para generar el argón libre de contaminación u otros aerosoles criogénicos para la limpieza de las superficies sólidas de las partículas contaminantes u otros materiales no deseados, tales como películas y capas. La cámara de limpieza de la presente invención proporciona aislamiento térmico opcionalmente, permitiendo así el aerosol frío o la formación de partículas congeladas. La cámara de limpieza proporciona también un recinto para una atmósfera inerte de limpieza, previniendo así la recontaminación del substrato con impurezas de partículas o moleculares después de la limpieza. Las bajas temperaturas asociadas con la limpieza superficial con aerosol criogénico impiden la limpieza en un entorno abierto donde las impurezas condensables pueden recontaminar el substrato frío.

La cámara proporciona también medios para contaminar un vacío parcial. En muchas aplicaciones, es deseable una expansión del gas pre-refrigerado a un vacío parcial de aproximadamente 1/3 de atmósfera. El punto triple del argón está a 0,68 atmósferas y 84ºK. Por tanto, una expansión del aerosol a una presión de menos de 0,68 atmósferas asegura que solamente estará presente argón sólido y gaseoso en el aerosol. Las partículas de argón sólidas son capaces de completar, de forma más eficiente, el proceso de limpieza de chorreado con arena que las gotitas de argón líquido. Además, un entorno de presión más baja tiende a reducir la fuerza de resistencia de deceleración sobre las partículas de argón permitiendo así que las partículas incidan en el substrato con mayor energía. La invención proporciona también medidos para exponer la superficie sólida contaminada para que sea limpiada con un aerosol de una manera controlada, efectuando así la eliminación de la contaminación sin la sobreexposición de la superficie sólida delicada potencialmente. Una sobreexposición de este tipo podría conducir a daños al substrato. La invención alcanza esta exposición controlada proporcionando medios para colocar de forma segura la tobera a una distancia predeterminada y ángulo con respecto al substrato y proporcionando medios para mover la superficie sólida a una velocidad y dirección predeterminadas bajo la tobera de accionamiento. Esta invención está diseñada para proporcionar una eficiencia de limpieza tan uniforme como sea posible a través de una superficie sólida que debe limpiarse, utilizando una geometría de tobera lineal y movimiento línea de la superficie sólida. La presente invención está diseñada con una geometría interna que está destinada a dirigir la pulverización del aerosol y la contaminación liberada de manera uniforme fuera desde el substrato y hacia el orificio de ventilación o salida, reduciendo al mínimo así la recontaminación del substrato. Se reduce al mínimo la recirculación de la pulverización de aerosol y cualquiera de los contaminantes suspendidos a través de la geometría interna adecuada. Además, la corriente hacia atrás del aerosol y de los contaminantes suspendidos en el área con hendiduras se reduce al mínimo a través de la geometría interna adecuada, y, en muchos casos, a través del purgado continuo del área de hendiduras con nitrógeno gaseoso.

Se realizó un ejemplo del grado de efectividad en la limpieza proporcionado por el proceso de aerosol criogénico y utilizando el aparato descrito aquí. Se realizó un ensayo en el que se examinó en primer lugar una oblea de silicio de 12,7 cm (5-pulgadas) de diámetro para una limpieza superficial total utilizando un instrumento de exploración superficial con láser disponible de PMS Incorporated of Boulder Colorado. El escáner proporcionó un histograma que indicó el número y los tamaños de todas las partículas presentes inicialmente en la oblea. Se encontraron inicialmente un total de nueve objetos sobre la oblea en el intervalo de tamaño de 0,3 a 10 micrómetros. La oblea de silicio fue entonces contaminada intencionalmente con microesferas de vidrio que tienen un diámetro conocido de 1,6 micrómetros. Estas microesferas fueron depositadas sobre la oblea en una condición seca. Una posterior exploración de la misma oblea de silicio reveló un alto grado de contaminación. Se encontraron ahora un total de 350 objetos sobre la oblea. La aglomeración de las microesferas de vidrio provocó que el explorador superficial midiera algunos objetos más grandes en tamaño de 1,6 micrómetros. Después de la limpieza en el aparato del aerosol criogénico de la presente invención, se exploró de nuevo la misma oblea para la contaminación de partículas. Los resultados indicaron un total de ocho objetos sobre la oblea de limpieza. Este resultado demostró que la oblea contaminada puede restablecerse a su nueva condición inicial utilizando el proceso de aerosol criogénico en el aparato de limpieza de la presente invención. Este grado de efectividad de limpieza no puede alcanzarse fácilmente utilizando los procesos y aparatos de limpieza convencionales de la técnica anterior.

Claims (15)

1. Un aparato (10) para limpiar material no deseado procedente una superficie sólida utilizando un pulverizador proyectado de partículas de limpieza discretas substancialmente congeladas que pueden vaporizar después del choque sobre la superficie sólida, que comprende:

a) una carcasa generalmente cerrada (20, 24-28) en la que está adaptada una superficie que debe limpiarse y que tiene medios de entrada (30) para introducir una superficie sólida en dicha carcasa (20, 24-28);

b) una tobera (18) situada en dicha carcasa (20, 24-28) para proyectar una pulverización de partículas de limpieza discretas substancialmente congeladas en dicha superficie sólida que debe limpiarse;

c) medios (54, 14) para suministrar un medio de limpieza de fluido a dicha tobera (18) para la generación de partículas de limpieza substancialmente congeladas;

d) medios (52) para eliminar de dicha carcasa (20, 24-28) de dicho material no deseado limpio de dicha superficie sólida; caracterizado por

e) dicha carcasa que comprende una primera cámara (12) y una segunda cámara;

f) medios de soporte móvil (32, 44) en dicha segunda cámara para soportar dicha superficie sólida que debe limpiarse y teniendo medios (38, 40) para mover de forma controlada dicha superficie sólida desde dichos medios de entrada (30) hasta una posición yuxtapuesta con respecto a dicha pulverización proyectada de dicha tobera (18); y

g) medios (50) para suministrar un gas de inundación a dicha segunda cámara para controlar la atmósfera en dicha segunda cámara y para contribuir en la eliminación de dicho material no deseado limpio de dicha superficie sólida, donde

h) dicha carcasa (20, 24-28) tiene dicha primera cámara (12) adaptada en dicha tobera (18) con una abertura yuxtapuesta con respecto a dicha segunda cámara que aloja dichos medios de soporte, y

i) dicha primera cámara que aloja dicha tobera (18) incluye desviadores de flujo (34, 36) en dicha abertura para controlar dicha pulverización de dichas partículas de limpieza, y para aislar las corrientes en dicha primera cámara (12) de la separación en la dinámica de fluido de la segunda cámara.

2. El aparato de la reivindicación 1, donde dicha tobera (18) comprende un compartimiento de tobera que tiene una cámara de sobrepresión (184, 187) para recibir el medio de limpieza fluido, un primer orificio (188) conectado a un suministro de un medio de fluido y dicha cámara de sobrepresión (184, 187), un segundo orificio que comprende una pluralidad de aberturas alineadas (185) para descargar dicho medio de limpieza desde dicha cámara de sobrepresión (184, 187) y proyectar dicha pulverización de partículas de limpieza discretas substancialmente congeladas en dicha superficie sólida.

3. El aparato de la reivindicación 1, donde dicha carcasa tiene una ventana de observación (16) para que el operador observe la operación de limpieza.

4. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios de soporte comprenden una mesa substancialmente plana (44) que tiene medios de sujeción para fijar dicha superficie sólida a dicha mesa (44), medios de pista (40) para mover de forma controlada dicha mesa (44) bajo dicha pulverización proyectada de dicha tobera (18) y medios de accionamiento (38) para mover dicha mesa (44) sobre dichos medios de pista (40).

5. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios de suministro (54, 14) tienen un filtro (204) para eliminación de contaminantes de dicho medio de limpieza de fluido.

6. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios de suministro tienen medios de refrigeración (205) para refrigerar inicialmente dicho medio de limpieza de fluido antes de entrar en dicha tobera (18).

7. El aparato de la reivindicación 4, donde dicha mesa (44) está montada de forma móvil sobre medios de pista lineales (40) para movimiento lineal bajo la pulverización proyectada de dicha tobera (18).

8. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios de suministro (54, 14) incluyen un suministro separado (200) de gas argón y un suministro separado (202) de gas nitrógeno y medios para mezclar juntos los gases.

9. El aparato de la reivindicación 1, donde dicha tobera (18) está colocada en un ángulo de 0 - 90º con respecto al plano de dicha superficie sólida.

10. El aparato de la reivindicación 1, donde dicha tobera (18) está colocada a un ángulo de 45º, con respecto al plano de dicha superficie sólida.

11. El aparato de la reivindicación 4, donde dichos medios de sujeción son un sujetador mecánico de un dispositivo de aspiración o un portaherramientas electrostático o un dispositivo electromagnético.

12. El aparato de la reivindicación 1, donde dicha carcasa (20, 24-28) incluye una barrera aislante para permitir que el aparato funcione por debajo de las condiciones de temperatura ambiente.

13. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios para introducir un substrato sólido son una abertura que comunica con otro aparato para procesamiento diverso de los materiales semiconductores.

14. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios de eliminación comprenden un conducto adecuado (52) y una bomba (212) para eliminar dicho material no deseado y medio de limpieza utilizado de dicha carcasa.

15. El aparato de la reivindicación 1, donde dichos medios para suministrar un gas de inundación incluyen medios (208) para suministrar un gas de barrido inerte a dicha segunda cámara.