TWI515159B - 用於微環境之可供滌洗氣穿透之多孔壁 - Google Patents

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Description

用於微環境之可供滌洗氣穿透之多孔壁 【相關申請案】
本申請案主張基於2009年12月10日提出申請之美國臨時專利申請案第61/285,218號之優先權，該美國臨時專利申請案以引用方式全文併入本文中。
本發明係關於涉及一種在特定乾淨環境中之可運輸之基材容器，其基材係為一種可儲存或運輸物體，諸如半導體晶圓(semiconductor wafer)等物體，更具體而言，係關於一種將該容器內之環境洗滌至所需之相對濕度水準、氧氣含量及氣載微粒(airborne particulate)含量之系統及方法。
在基板之運輸或儲存過程中，若周圍空氣中所存在之微量灰塵或氣態雜質附著至半導體晶圓或其他物體上，便會降低後續由受影響之晶圓製成產品之產率(yield)。隨著積體度之增加，此種趨勢變得愈發顯著。因此，該運輸容器內之環境之要求更嚴格，不僅在灰塵粒子數且在氣態懸浮粒子數方面皆要求高度之潔淨度。
目前，製造運輸或儲存基板時用於容納基板之一潔淨空間之方法為使用一惰性氣體洗滌微環境，該惰性氣體經由一惰性氣體埠被噴射於容器內而使容器內之原本空氣經一出口埠排出。該洗滌氣入口及出口埠一般位於容器殼體之底面上，並自容器之內部延伸突出於殼體底部表面，然後在底部表面處介接洗滌氣遞送系統。該方法使用一止回閥(check valve)以及在洗滌入口埠設置一圓形聚四氟乙稀(PTFE)微粒過濾器來控制及過濾所進入之洗滌氣。惰性洗滌氣接著置換容器內之空氣及污染物，並迫使受污染之空氣經洗滌出口埠或門孔(若門被移除)而排出容器。
為於容器內提供改良較佳之環境，已設計出其他諸多用於遞送洗滌氣至容器內之方法之先前技術依然存在著，此等先前技術不少具有顯著之缺點，該等缺點促使作出生了本發明。舉例而言，頒予Roberson等人之美國專利第6,221,163號揭露一種用於洗滌容器的進行分子污染物控制之系統及方法，其能夠將一容器洗滌至所需之相對濕度水準、氧氣含量或微粒含量。該容器包含一入口埠及一出口埠，該入口埠與該出口埠分別包含一止回閥(check valve)與過濾器總成(check valve and(filter assembly))，用於供應一潔淨、乾燥之氣態工作流體以維持低之水分含量濕度、氧氣含量或微粒含量。該入口埠連接一氣態工作流體源，該出口埠則連接一抽空系統(evacuation system)。該整合式定向性流量(integral directional flow)止回閥在極低之壓力差(例如小於10毫巴)下運作。在一個實施例中，可藉由一或多個噴嘴塔(nozzle tower)而使容器內之洗滌氣引導至複數個基板之上，以促進傳送盒(pod)內之層流(laminar flow)效應。一或多個與入口塔亦可提供類似出口塔之功能，以促進容器內之層流效應。Roberson提出的該方法具有一微粒過濾器，該微粒過濾器位於塔底部之止回閥/過濾器總成中。該方法之缺點在於，當洗滌氣流過塔之孔口時，氣體之均佈的程度自塔之頂部孔口至塔之底部孔口減小。此使得自微環境中抽空水及氧氣之時間延長。
洗滌之一目標係降低微環境之內部體積中之濕度及氧氣含量。進行洗滌時所面臨之一挑戰係為如何在容器內之基板上方快速且有效地均勻分配洗滌氣。當前洗滌方法為在容器之底部使用入口埠及出口埠，該方法並不能滿足快速地或有效地進行洗滌中之任一要求，乃因對於洗滌氣流而言，最小阻力路徑係自入口直接至出口。且在晶圓之間流動之氣體非常少，且晶圓間之空間係為一死區(dead zone)，該死區無法受到洗滌氣直接影響。此使得微環境內之濕度及氧氣含量不均勻。利用洗滌塔(purge tower)能提高洗滌之速度及效能，但甚至在建置有漸變之孔口(graduated orifice)時，塔中之孔口仍無法使洗滌氣均勻地分佈於晶圓之間。實際上，當洗滌氣流經塔之孔口時，氣體之均佈程度自頂部孔口至底部孔口減小。此使得無法有效地抽空微環境中之水及氧氣。
洗滌之另一目標係自容器內之環境中移除懸浮污染物。該等污染物主要阻塞於洗滌埠中之過濾結構之中，並在洗滌容器時可被有效地移除。然而，容器係為可重複使用的，且在重新使用之前必須予以清潔。作為清潔製程之一部分，操作人員必須移除洗滌塔以及洗滌埠/過濾機構，以防止水積聚於該等裝置中。在移除/重新安裝洗滌塔以及洗滌埠/過濾器之過程中，操作人員會引入污染物於微環境中。
因此，亟需提供一種改良之洗滌方法，該方式係可快速且高效之方式解決抽空晶圓容器之問題。具體而言，亟需提供一種洗滌方法及裝置，該洗滌方法及裝置可使洗滌氣積聚於塔中，進而當氣體積聚而使塔中之壓力升高時，氣體經塔流入微環境中並均勻地分佈於晶圓之間。另一需要係最小化或消除操作人員伸入容器內之情形。目前，當清潔容器及使容器重新投入使用時，操作人員必須伸入容器內方能移除及重新安裝洗滌塔以及洗滌埠/過濾器。
有鑒於上述問題，本發明提供一種藉由一種洗滌氣遞送裝置及方法而將一微環境洗滌至所需之相對濕度水準、氧氣含量或微粒含量之改良系統及方法，該洗滌氣遞送裝置及方法提供洗滌氣在微環境內之均勻分佈。
本發明之另一優點在於，洗滌塔多孔壁可由疏水性材料(hydrophobic material)構成，疏水性材料可防止在清潔過程中水進入洗滌塔之中，進而無需在清潔過程中移除洗滌氣遞送裝置，藉此避免因移除洗滌氣遞送裝置以及在清潔後重新安裝洗滌氣遞送裝置而引入微粒於微環境內。
本發明之其他優點在於，多孔壁可形成為與洗滌塔之非平坦幾何形狀相匹配之形狀，並且藉由阻擋氣體流，多孔壁使洗滌氣能夠積聚於塔中。隨著氣體之積聚，塔內之壓力升高，且當壓力足以克服壁材料時，氣體便經壁材料而流入晶圓容器內並均勻地分佈於容器中所安裝之晶圓之間。
本發明之又一優點在於，在晶圓取放門(wafer access door)已被移除之情形中，洗滌塔會大幅降低微環境內之相對濕度水準。
本發明之再一優點在於，洗滌塔多孔壁會提高自微環境之頂部至底部之洗滌效率。
在一較佳實施例中，微環境包括一入口埠及一出口埠，入口埠及出口埠分別包含一止回閥總成及連接至該入口埠及該出口埠之一止回閥總成及一洗滌塔，以使所用此設計係可提供之潔淨、乾燥之氣態工作流體用以控制在微環境內所容納之材料周圍提供受控之維持低水分含量、氧氣含量及微粒含量水準。該微環境容器入口埠連接一氣態工作流體源，且該出口埠連接一抽空系統。在操作中施行時，根據一較佳實施例，該塔在塔之基座部包含一密封墊圈(sealing grommet)，以維持與容器殼體間之密封，藉以防止非所欲之化學品物質或微粒進入晶圓容器內。藉此，限制晶圓容器之內部與外部之間的任何流量體穿過該墊圈所限定之通道。流體流之類型包括引入洗滌氣諸如氮氣等洗滌氣至晶圓容器之內部。流體流可受到多孔壁元件之進一步限制。多孔壁提供可過濾對洗滌氣之過濾，以於氣體被引入晶圓容器內之前移除洗滌氣中之微粒與、氧氣及濕氣。整合式定向性流量(integral directional flow)止回閥在極低之壓力差(pressure differential)下作動。在本實施例中，一多孔薄膜壁置於在入口塔之中且在塔孔口之正後方。該薄膜壁以二種方式提高塔之效能。第一種改良方式，該薄膜壁使洗滌氣能夠在塔內均勻地加壓。加壓之氣體然後經薄膜及塔之孔口而均勻地流入容器內部。塔中之孔口可係為任何形狀，包括自塔之頂部至底部連續之垂直開口，使得當自頂部向下看時，塔具有一「C」形狀。此使得洗滌氣均勻分佈於微環境中之基板之間及塔中，藉此增加微環境中相對濕度及氧氣之減少量。而第二種改良方式則為，本發明中之壁可由一具有疏水特性之材料製成，疏水特性在清潔微環境過程中起到一阻水壁之作用。該疏水性阻水壁使水在清潔過程中無法進入洗滌塔並因而無法進入洗滌埠。該多孔薄膜壁可為一微粒過濾器，用於移除氣體流中之顆粒，進而避免需在塔之基座部處之洗滌埠中增加一微粒過濾器之需求。
在另一實施例中，薄膜壁係由一多孔聚合物製成，該多孔聚合物可形成為與塔之幾何形狀相匹配之幾何形狀。使用匹配形狀之薄膜壁之優點在於，其亦可用於密封構成洗滌塔的後部與開槽之前部之接合面。另外，該壁可形成為一平的機織物(woven)形狀，並用於覆蓋塔之前部之孔口。
在另一實施例中，洗滌塔自身可由與用於薄膜壁之材料相同之多孔聚合物材料製成，進而無需使用孔口、徑向狹槽或分離之塔部來形成塔。該塔可被製造成一帶帽之多孔管(capped porous tube)，並直接附裝至容器底面上之入口埠/出口埠。該塔可被製作成一「C」形套管(sleeve)，可直接地藉由該套管在微環境中之不同放置方向而使流量朝向基板或朝向容器壁、抑或任何其他所需之方向上。
在又一實施例中，多孔薄膜過濾器可被製作成一安裝於塔內之囊(bladder)。在本實施例中，多孔材料不僅覆蓋洗滌塔噴嘴，且亦覆蓋洗滌塔之前部與後部間之開口側(reveal)。此能夠阻止任何經過該開口側之滲漏情形並阻擋任何水體經該開口側進入塔內。洗滌氣注入於塔之基座部之過濾囊中並接著經囊壁及塔之狹槽而擴散至容器內。該囊可被製造成一安裝於塔之前部與後部間的完整之管、或者一安裝於塔之前部與後部間的完整之管。
第1A圖顯示一被稱為FOUP或FOSB之晶圓容器總成1之構造，晶圓容器總成1包含一正面開口2、一前門3以及一殼體部4。晶圓W經正面開口而水平地移入及移出。形成於內側之狹槽用於容納晶圓。具有密封件(seal)之前門3密封地嚙合殼體部4，以形成與周圍大氣隔離之一內部空間。洗滌塔6之接收結構(receiving structure)5可位於殼體部4之底壁中。參見第1B圖，圖中顯示一洗滌塔6，洗滌塔6係為本較佳實施例之一部分，藉由利用一或多個具有獨特構造之塔6，能使一基板容器內之氣態工作流體或洗滌氣射向及遠離容納於容器中之基板，該一或多個塔6係由一基座部7連接至入口埠或出口埠。在每一個塔中皆設置有孔口，較佳係為一系列相間隔之噴嘴孔口8形式。氣態洗滌流體將洗滌該容器及其內含物，以帶走殘留之水分、氧氣及AMC並促進微粒朝出口埠或門孔移動。本發明之所有者所擁有之美國專利第6,221,163號以及亦由本申請案之所有者所擁有之國際公開案第WO2009/114798 A2號揭露了可適用於本文所揭露發明之實施例的結構構造、組裝細節以及材料，該等專利及公開案以引用方式併入本文中。
在第5圖所示之一替代實施例中，塔構造可係為一由多孔聚合物材料製成之塔17之形式，塔17係利用摩擦卡合(friction fitted)至基座部7上。一或多個排氣塔(vent tower)亦較佳連接至該(該等)出口埠，或該一或多個排氣連結至塔中具有類似於入口塔之結構及功能，用以將流量引導至出口閥以供排出至儀器套件(instrument suite)。
第3圖及第4圖顯示安裝有多孔材料過濾器之塔之內部。第3圖係為整個塔之分解圖。該圖顯示塔後部9係與塔前部11連接，且塔後部9係為一分離之模製部件，其中位於塔後部9上之一系列突耳(tab)12係卡合於塔前部11上之複數個凹槽13內。第3圖係為靠近基座部7的塔6之內部之剖視圖，其顯示塔墊圈16、洗滌氣入口14及洗滌氣流動路徑，該洗滌氣流動路徑經由墊圈進入塔流動管道或流體流動通道15並穿出噴嘴孔口8。洗滌氣經洗滌氣入口14進入塔6並穿過氣體管道，一多孔材料條10之壁過濾器係可使洗滌氣之氣體壓力累積於塔內，直至其壓力足以克服過濾器薄膜後再經過噴嘴孔口8自頂部至底部以均勻之壓力及分佈而擴散至容器內。換言之，過濾材料壓力降使得沿塔之整個長度具有一均勻之壓力，該壓力大於容器內部中塔外部之壓力。沿塔長度的較高之壓力能使均勻之氣流流出每一孔口或每一出口區域，或沿一出口狹槽之長度達成均等地將氣流排出。加壓使得洗滌氣能夠藉由層流流過安裝於容器內之所有基板而清潔容器內部。
本發明之系統及方法擬在容器等待進入製造製程中之下一生產站台或步驟時使用。據估計，此等時間段長約六分鐘至一個多小時。在理想情況下，可在約6分鐘或更短之時間段內將容器完全洗滌至所需之相對濕度水準、氧氣含量或微粒含量。在約5分鐘內達成約0.1%或以下之相對濕度水準。通常氣態工作流體或洗滌氣流量之壓力約0磅/平方英吋(pounds per square inch，psi)至約5 psi之間，容積最高可達20標準立方英尺/每小時(standard cubic foot per hour，SCFH)。而加壓之氮氣或其他惰性氣體通常介於約65 psi至約125 psi之壓力，且通常利用一使用點調節器(point-of-use regulator)來控制系統內工作流體之壓力，以將進入容器入口之饋送壓力限制至最大約10 psi。容器內之工作壓力通常為約1 psi。氣態工作流體或洗滌氣係經過濾，以便以約99.999%之效率移除小至0.10-2.0微米之微粒。
第5圖顯示被構造成一管狀結構之塔之替代實施例，該管狀結構係完整地或實質上完整地由多孔材料形成，因而不再需要各個塔部。塔部管狀結構17係由多孔壁材料模製而成，並被形成為塔部之形狀，其中在前部中無噴嘴狹槽。然後，將所模製之洗滌塔藉摩擦卡合而附裝至基座7上。洗滌氣之表現係與在較佳實施例中相同，即氣體被保持於塔中，直至壓力升高至足以滲透過壁材料並進入容器內之程度。模製壁(molded barrier)之一替代實施例係為一如下實施例：其中塔係由壁材料製成，但附加一可調整之套管，在俯視時，該可調整之套管係為「C」形。此使洗滌氣能夠穿過塔材料而經由開口狹槽到達基板上，該開口狹槽自上至下延伸過套管之整個長度。透過可藉由在塔上旋轉而調整的相對大之單一洗滌狹槽，此種塔構造能夠提高洗滌氣之定向性(directionality)。
第6圖顯示囊19，囊19係由多孔壁聚合物材料模製而成，以使其配合於塔6中並且該囊19藉由覆蓋孔口噴嘴8、且該二分別模製之塔半部9及11相結合之處密封該開口側20而達成洗滌氣過濾及加壓。圖中所示之囊係為模製而成，其不存在背面以利於模製製程。因此，為恰當地發揮作用，囊19必須使開孔遠離孔口8地***於塔中。各該囊具有一內部流體流動通道23，其內部流體流動通道23延伸過囊之長度以及塔之長度或實質長度。
第7圖顯示囊19之一替代又一構造。該視圖係為囊之剖視圖，其顯示囊之壁之不同厚度。前囊壁22薄於後囊壁21。此種不同之厚度有利於洗滌氣遞送，乃因氣體經由面向塔之孔口之薄壁22之滲透速度將快於且易於經較由厚之的後壁21之滲透。此種因壁厚之差異的不同因此該囊19被要求正確地安裝於其上該囊。多孔材料較佳係為多孔聚合物，例如聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)或全氟烷氧基(perfluoroalkoxy；PFA)。多孔材料之多孔性(porosity)可例如係為一泡沫材料(foamed material)、一纖維材料(fibrous material)或一燒結材料(sintered material)之形式。纖維材料可係為編織、或隨機填充或纏結(intertwined)的。本文之特定形狀可藉由熱模製(thermal molding)或者在某些情形中藉由加工多孔材料之剛性塊或預成型坯(preform)而形成。
第8圖顯示多孔薄膜過濾材料對於空氣流量及水流量之流量特性。薄膜在該洗滌塔中用於藉由容許氣體在滲透過壁薄膜過濾材料之前在塔內建立壓力而提高洗滌氣進入容器之流量，藉此提供一在容器內以及在所有基板上擴散之一均勻之壓力。同時，該材料具有疏水特性，以使其在循環利用程序(recycling procedure)之沖洗循環過程中防止水進入洗滌塔。藉由阻止水進入洗滌塔以及洗滌入口及洗滌出口，會使清潔製程所需之時間最小化並使容器保持更加清潔。
第9圖顯示在根據使用本發明且在門被移除之情況下微環境內相對濕度之水準洗滌前與後之差異。在洗滌之前在晶圓狹槽#13處所作之量測表明，相對濕度水準23介於40%與45%之間。在洗滌之前在晶圓狹槽#1處所作之另一量測表明，相對濕度水準24介於35%與40%之間。在洗滌後，在晶圓狹槽#25處所作之相對濕度量測表明，相對濕度水準26介於20%與25%之間。在洗滌後，在晶圓狹槽#13處所作之另一量測亦表明，相對濕度水準25介於20%與25%之間。
1．．．晶圓容器總成
2．．．正面開口
3．．．前門
4．．．殼體部
5．．．接收結構
6．．．洗滌塔
7．．．基座部
8．．．噴嘴孔口
9．．．塔之後部
10．．．多孔材料
11．．．塔之前部
12．．．突耳
13．．．凹槽
14．．．洗滌氣入口
15．．．塔流動管道或流體流動通道
16．．．塔墊圈
17．．．塔/塔部管狀結構
19．．．囊
20．．．開口側
21．．．後囊壁
22．．．前囊壁
第1A圖顯示一前開式晶圓容器；
第1B圖顯示一安裝有一個洗滌塔之前開式晶圓容器；
第2圖係為塔之正視圖，其顯示氣體擴散狹槽。
第3圖係為塔之背部、多孔薄膜壁前部及塔之開槽前部之分解圖；
第4圖顯示洗滌氣流進入塔內並沿壁薄膜及塔狹槽而進入容器內；
第5圖係為洗滌塔之分解圖，該洗滌塔係由一多孔聚合物材料製成並被壓置於所模製之基座部內；
第6圖係為塔及多孔薄膜囊之分解圖；
第7圖係為呈完整管形狀之囊之剖視圖，其顯示氣體入口及不同壁段之厚度，該厚度使洗滌氣流朝塔之前部中之擴散狹槽流動；
第8圖顯示在空氣壓力及水壓力之存在下，多孔聚乙烯及多孔聚丙烯各自之流量資料；以及
第9圖顯示在根據本發明進行洗滌之前與之後，在門被移除之情況下在晶圓狹槽#1、晶圓狹槽#13及晶圓狹槽#25處所量測之相對濕度降低量。
1．．．晶圓容器總成
2．．．開口之正面
3．．．前門
4．．．殼體部

Claims (5)

  1. 一種用於運輸基板之系統，包含：一基板容器，具有一容器部，該容器部具有一開口及一門，該開口用於加載/卸載基板，該門係密封地封蓋該開口；一基板載送部，設置於該運輸容器之中；一裝置，包括一入口塔(inlet tower)，該入口塔係安裝於該基板容器部，以接納一氣態工作流體進入該容器內，進以利用該氣態工作流體洗滌該基板容器本體；該入口塔，具有一長度及包含一多孔管狀部，該多孔管狀部位在具有一偏移部(offset portion)之一非多孔聚合物管件(non porous polymer fitting)之中，全部之該氣態工作流體通過該管件之一面朝上開口，一內部流動通道係為該塔之延伸；及一止回閥，設置於該管件中。
  2. 如請求項1所述之系統，其中該入口塔包含一多孔聚合材料，該多孔聚合材料係阻擋水體進入該塔之內部。
  3. 一種在一基板容器中提供一氣態流體沿著一洗滌塔之長度均勻流動洗滌之方法，該方法包含：提供一多孔管道之該洗滌塔；該管道閉合於一頂端；連接一底端至一洗滌口，該洗滌口包含具有一偏移部之一管件；連接該洗滌口至該容器之一洗滌氣體源外部；將全部之該氣態流體通過該管件之一面朝上開口進入該 多孔管道中；以及提供該洗滌塔之一加壓(pressurization)，使得該塔頂部附近的流動速度與體積相等於或大致等於該塔底部附近的流動速度與體積。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該方法更提供利用具有一縱向凹槽之一細長型套管調整該洗滌氣流量之方向。
  5. 一基板容器，包含：該基板容器具有一容器部，該容器部具有一開口及一門，該開口用於加載/卸載基板，該門係密封地封蓋該開口；一基板載送區域部，設置於該基板容器之中；及更具有一入口塔，該入口塔係安裝於該容器部，以接納一氣態工作流體進入該容器部內，進以利用該氣態工作流體洗滌該容器部；該入口塔，具有一長度及一管道部，該管道部具有一對端部，該對端部是由多孔材料所構成，該管道部全部固定至位於該容器部之一底部之一非多孔聚合物管件，該管件具有一面朝上開口，從而使全部之該氣態流體通過該管件之該面朝上開口進入至該管道部中；該管件，具有一偏移部及提供一洗滌入口端口；該管道部，具有一軸向流體流動通道，連接至該容器部之一底部之該洗滌入口端口，用以使該洗滌氣體向該管道部上方流動沿著往該管件上方之該管道部之長度流出。
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