TWI593037B - 用於工件之液體處理的設備及用於該設備中之流動控制系統 - Google Patents

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TWI593037B
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艾洛伊斯 勾勒
克里斯多夫 米基斯區
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Description

用於工件之液體處理的設備及用於該設備中之流動控制系統
本發明關於一種用於工件之液體處理的設備，及用於該設備中之流動控制系統。
在半導體產業中，半導體晶圓接受可包括濕式蝕刻及濕式清洗兩者之液體處理，其中待處理之旋轉晶圓的表面區域係以處理液體潤濕，且該晶圓之一層係從而被移除或雜質係從而被帶走。用於進行液體處理之裝置係描述於美國專利第4,903,717號中。在此裝置中在晶圓表面上的液體分配可由施加至該晶圓的旋轉運動所協助。
以半導體產業目前的技術節點而言，吾人已廣泛接受在安裝/設置時間時以手動方式調節既定處理液體之流動一次，並在其後於處理晶圓期間使該流動維持恆定。改變流率需要停止機器並進行針閥或類似組件之手動調整。
然而，未來的技術節點將可能需要更靈活的流動設定能力。理想的情形為在處理一晶圓時，允許二或更多不同但恆定之流動，每一流率對應於一特定的處理步驟。同樣理想的是允許從初始值穩定地改變至最終值的流率，此等值係根據用於晶圓處理之特定配方預先被選定。
用於液體之體積流動的閉迴路控制之習知流動控制模組50係示意性地顯示於圖1。超音波流量計52經由輸出接口54提供一信號至控制器56，控制器進而輸出一信號至電控針閥58以根據接收自流量計52之輸入調節流率。
然而，這樣的流動控制模組不適用於處理半導體晶圓和其它用以處理對微粒污染高度敏感之工件的處理，因為針閥58之機械移動部件為此污染的來源。此外，針閥58的反應時間對於一些處理而言可能比所期望的更慢，且在單一模組50中提供組件使這些組件無法獨立地被維護、修理或更換。
用於液體的體積流動之閉迴路控制的另一習知流動控制系統係示意性地顯示於圖2。第一模組60包括如上述之超音波流量計62及輸出接口64，而一信號處理器72係提供於一獨立模組70中。信號處理器72提供其輸出至包含在一模組80中的控制器82，且此控制器80提供一輸出信號至一電氣動轉換器84，此電氣動轉換器從而控制壓力調節器86。壓力調節器86為具有由一對相互連接的隔膜之內側所界定之閥門腔室的類型，在其外側上為其壓力係受氣動控制之上部及下部腔室。
雖然此系統沒有與第一習知示例相關的微粒污染，但可用之液體流率的範圍過於有限而難以滿足各種工件處理，包括半導體產業中即將到來的技術節點之預期需求。此外，在相同模組80中提供電子控制器、壓力調節器和液體導管亦限制該系統可受維護和修理之方式。
因此，在一實施態樣中，本發明關於一種用於處理工件之設備，包括一支架，用以將一工件固持在一預定方向；一液體分配器，其設置相對於該支架以分配一處理液體至當置於在該支架上之工件的一表面上；以及一流動控制系統，其控制分配自該液體分配器之處理液體的流率。流動控制系統包括一流量計，該流量計測量供應至該液體分配器之液體的流率；一控制器，其接收顯示由該流量計所測量之流率的信號；一壓力調節器，其根據來自該控制器之控制信號調節位於該流量計下游之液體供應的壓力；以及至少二替代液體供應路徑，該等路徑位於該壓力調節器之下游及該液體分配器之出口的上游。該至少二替代供應路徑之每一者係配有對應截流閥並當液體通過該至少二替代供應路徑之對應一者時，提供各自不同的壓降至液體。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該流量計為一超音波流量計。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該壓力調節器包括一由一對隔膜之內表面所界定的閥門腔室，以及由該一對隔膜之對應的外表面所界定的上部及氣動控制之壓力腔室。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該流動控制系統更包括一電氣動轉換器，該電氣動轉換器根據流量計之讀數接收來自轉換器之控制信號，並根據接收自該控制器之控制信號氣動地控制該壓力調節器。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該等截流閥之每一者為由該控制器所發出之信號所控制的螺線管致動隔膜閥。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，流動控制系統包括替代液體供應路徑之至少三者。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該至少二替代液體供應路徑包括相同直徑的複數導管，該等導管之每一者與各自不同直徑之相對應孔口連接。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該至少二替代液體供應路徑包括各自不同直徑之複數導管。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該支架為用於半導體晶圓之單一晶圓濕式處理的處理模組中之旋轉夾盤。
在根據本發明之設備的較佳實施例中，該流量計係包含在一安裝於該設備之濕式化學處理區域內的第一模組中，該控制器係包含在一安裝於該設備之電子機櫃內的第二模組中，且該壓力調節器及該等截流閥係包含在一安裝於該設備之濕式化學處理區域內的第三模組中。
在另一實施態樣中，本發明關於一種流動控制系統，用以控制用於處理工件之設備中的液體分配器所分配之處理液體的流率。該流動控制系統包括一流量計，該流量計測量通過導管所供應之液體的流率；一控制器，其接收顯示由該流量計所測量之流率的信號；一壓力調節器，其根據來自該控制器之控制信號調節位於該流量計下游之液體供應的壓力；以及至少二替代液體供應路徑，該至少二替代供應路徑之每一者係配有對 應之截流閥並當液體通過該至少二替代供應路徑之一者時，提供各自不同的壓降至液體。
在根據本發明之流動控制系統的較佳實施例中，該流量計為一超音波流量計，且該壓力調節器包括一由一對隔膜之內表面所界定的閥門腔室，以及由該一對隔膜之對應的外表面所界定的上部及氣動控制之壓力腔室。
在根據本發明之流動控制系統的較佳實施例中，該流動控制系統更包括一電氣動轉換器，該電氣動轉換器根據流量計之讀數接收來自轉換器之控制信號，並根據接收自該控制器之控制信號氣動地控制該壓力調節器。
在根據本發明之流動控制系統的較佳實施例中，該等截流閥之每一者為受該控制器所發出之信號所控制的螺線管致動隔膜閥。
在根據本發明的流動控制系統的較佳實施例中，該流量計係包含在一第一模組中，該控制器係包含在一第二模組中，且該壓力調節器及截流閥皆包含在一第三模組中。
w‧‧‧半導體晶圓
1‧‧‧外殼
2‧‧‧旋轉夾盤
3‧‧‧液體分配器
4‧‧‧電子機櫃
5‧‧‧主控制器
6‧‧‧馬達
10‧‧‧模組
12‧‧‧超音波流量計
14‧‧‧輸出接口
16‧‧‧導管
16-1‧‧‧分支導管
16-2‧‧‧分支導管
16-3‧‧‧分支導管
16-n‧‧‧分支導管
20‧‧‧模組
21‧‧‧信號線路
22‧‧‧信號轉換器
23‧‧‧控制器
24‧‧‧線路
25‧‧‧電氣動轉換器
26-1‧‧‧信號轉換器
26-2‧‧‧信號轉換器
26-3‧‧‧信號轉換器
26-n‧‧‧信號轉換器
30‧‧‧模組
32‧‧‧閥
34-1‧‧‧孔口通道
34-2‧‧‧孔口通道
34-3‧‧‧孔口通道
34-n‧‧‧孔口通道
36-1‧‧‧截流閥
36-2‧‧‧截流閥
36-3‧‧‧截流閥
36-n‧‧‧截流閥
50‧‧‧流動控制模組
52‧‧‧流量計
54‧‧‧輸出接口
56‧‧‧控制器
58‧‧‧針閥
60‧‧‧第一模組
62‧‧‧超音波流量計
64‧‧‧輸出接口
70‧‧‧模組
72‧‧‧信號處理器
80‧‧‧模組
82‧‧‧控制器
84‧‧‧電氣動轉換器
86‧‧‧壓力調節器
本發明之其它目標、特徵及優點將於閱讀以下關於本發明之較佳實施例的詳細描述、參照隨附圖式後變得更加明顯，其中：圖1為習知的流動控制模組之第一示例的示意圖；圖2為習知的流動控制模組之第二示例的示意圖；圖3為根據本發明之流動控制系統的實施例之示意圖；以及圖4為根據本發明之用以處理工件的設備之一實施例的示意圖。
圖3所示之改良的流動控制系統具有其組件分佈於三個模組10、20、和30中。模組10和30係安裝於該處理設備之濕式化學區域中，且因此係設計為可承受普遍存在於該處之條件，這些條件不僅包括水分 且，取決於特定之處理，亦包括極端的溫度和高度腐蝕性的化學配方。因此，此等模組之本體係由溫度合宜且耐化學腐蝕之材料所製成，諸如聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、全氟烷氧基(PFA)及其相似物。
模組10包含超音波流量計12及與其相連之輸出接口14。處理液體經由合適的導管16流入並流出模組10。超音波流量計係較佳地為其中之感測元件係設置於液體通道外，即，與液體為非接觸關係，之類型。這種感應器實際上通常包括與入口和出口液體導管相連之一U型或Z型內部流體通道。流動感應操作係較佳地根據內部流體通道之量測區之外面向彼此安裝的一對壓電式換能器。這些換能器交替地產生並接收超音波，俾使與流體移動的波被加速且相對於流體移動的波被減緩，波信號之傳輸時間的差異係正比於流體之速度，且因而正比於其通過已知尺寸的通道之流率。
流量計12之輸出接口14經由信號線路21提供信號至模組20中之信號轉換器22，信號轉換器進而提供信號輸出至控制器23。根據待執行之處理，控制器23進一步在線路24上接收來自設備之主控制器的信號輸入。模組20亦包含一電氣動轉換器25，其設計本身已知為接收來自控制器23之類比輸出信號，該類比輸出信號係根據由流量計12所測量之流率所產生，且該電氣動轉換器之氣動輸出係用於控制在模組30中之閥32，如在以下所更詳細地討論。
控制器23亦具有提供指令至信號轉換器26-1、26-2、26-3、...26-n的數位輸出，該等信號轉換器從而輸出控制信號至位於模組30中之對應的截流閥，如亦將於以下所更詳細地討論者。
由於模組20將安裝於該設備之電子機櫃中，其僅需要承受此一機櫃之環境條件，但無需承受濕式化學工具環境中常見之更極端的條件。例如，模組20之組件可在具有或不具有其自身外殼的情況下，安裝至印刷電路板上或結合至一共同的晶片上。可替代地，若期望，這些部件可被結合至該設備的整體控制器之電子控制設備中。
在本實施例中的模組30包括閥32，閥32在其液體入口處 連接導管16，導管16係運送已由流量計12測量的處理液體，閥32係由連接至電氣動轉換器25之輸出端的適當軟管氣動地致動。尤其地，閥32係較佳地為其中處理液體經過之閥門腔室係由一對上和下隔膜的內表面所界定之類型。這些隔膜的外表面從而界定分別位於該閥門腔室上方和下方之上部和下部壓力腔室。在這些上部和下部腔室中之壓力係經由電氣動轉換器25氣動式地受控制，電氣動轉換器25進而控制閥32之閥門腔室內的壓力及因此通過閥32的處理液體之流率。例如，閥32可以例如美國專利第6,199,582號中所描述的方式加以建構。
位於閥32之下游的導管16係細分為n個複數替代液體供應路徑，該等替代液體供應路徑係以16-1、16-2、16-3、...16-n標示於圖3。儘管在圖3中此等路徑之數目為至少4個，但根據本發明此等路徑的數目可少如2且多如任何期望的數目，而3為目前較佳之配置方式。每一流動路徑16-1、16-2、16-3、...16-n包括一對應的孔口通道34-1、34-2、34-3、...34-n，且這些孔口通道具有不同於彼此之直徑。孔口直徑係較佳地在0.3mm~2.5mm之範圍內，因此，例如，對於具有3流動路徑和孔口之配置而言，直徑可為0.3mm、1mm、及2mm。這些孔口的上游和下游之導管16的典型直徑為3/8”。
然而，吾人將理解，可採用在替代流體供應路徑中提供一系列不同壓降之任何其它合適的技術，例如透過為分支導管16-1、16-2、16-3、...16-n利用分別不同直徑之配管，在這種情況下孔口通道34-1、34-2、34-3、...34-n可被省略。在該情況下，較佳的是沒有分支導管16-1、16-2、16-3、...16-n具有大於主導管16之直徑的直徑，以保持至流量計12之足夠的背壓。
每一分支導管16-1、16-2、16-3、...16-n係配有對應的自動截流閥36-1、36-2、36-3、...36-n，這些閥係由來自模組20中之信號轉換器26-1、26-2、26-3、...26-n所輸出的信號而致動。在此實施例中該等截流閥為一具有整合式螺線管致動器之隔膜式開閉閥，該螺線管致動器係由在模組20中之信號轉換器26-1、26-2，26-3、...26-n所發出的信號所控制。可替代地，該等信號轉換器及螺線管致動器可結合並容納在模組20中，氣 動控制配管係延伸進入模組30以控制截流閥36-1、36-2、36-3、...36-n。
位於截流閥36-1、36-2、36-3、...36-n下游之分支導管道係再次結合以再次形成單一液體供應導管16。
現在參照圖4，圖3之流動控制系統係顯示為安裝在用於半導體晶圓的濕式處理的設備中。此設備包括於其中進行濕式化學處理的外殼1，以及一安裝於該外殼1內之旋轉夾盤2。一半導體晶圓W在處理期間被固持並由旋轉夾盤2所旋轉。液體分配器3經由在其下端之出口將處理液體分配至旋轉之晶圓W的表面上。
液體分配器3係如上所述地安裝至模組30，且模組10如上所述地亦安裝於外殼1中，模組10係被供應來自液體供應源(未示出)之處理液體。獨立於外殼1，提供一其中安裝模組20之電子機櫃4。機櫃4將亦通常包括設備之主控制器5，主控制器5控制各種其它的操作，例如驅動旋轉中之旋轉夾盤2的馬達6之操作。
半導體晶圓之單一晶圓濕式處理通常依照一系列的處理模組進行，其中每一者包括一組旋轉夾盤，如在美國專利第4,903,717號中所描述者。電子機櫃4和主控制器5可控制在一既定處理模組中之複數旋轉夾盤和流動控制系統。
在使用時，流量計12所測得之流率係由控制器23所利用，以透過電氣動轉換器25操作閥32，從而提供流經導管16之液體的體積流量的閉迴路控制。取決於期望之處理液體輸出流率，控制器23亦受主系統控制器5之指示以選擇截流閥36-1、36-2、36-3、...36-n之適當一者打開，而其餘所有的截流閥36-1、36-2、36-3、...36-n則保持關閉。以此方式，可實現在每一截流閥之達n值的恆定流率。然而，可附加地，該流動控制系統可實現四個不同範圍的流率之每一者，此係藉由閥32的閉迴路反饋控制，結合於閥36-1、36-2、36-3、...36-n中之適當的選擇而為之。
因此吾人將理解，藉由提供一流動控制系統，本發明克服了上述習知技術的限制，該系統適合用於其中必須避免微粒污染之處理環境，但該系統可在比過去在此等系統中可操作之流率範圍更廣的流率範圍下操作。
此外，本流動控制系統在為處理周圍所設計以及為電子機櫃所設計的模組中之組件的分佈，進一步限制了不理想的污染之風險，並顯著地促進系統之維護，以及各別組件或模組修理和更換。
雖然本發明已結合其各種較佳實施例進行說明，但吾人應理解提供這些實施例僅為了說明本發明，且不應該被用以作為藉口，以限制由隨附請求項之真實範圍及精神所賦予的保護範圍。例如，儘管在上述實施例中模組10和30為分開之組件，但只要該系統係配置以使超音波流量計12維持足夠的背壓而適當地運作，它們便可被合併為單一模組，如熟習本領域技術者將可理解。
10‧‧‧模組
12‧‧‧超音波流量計
14‧‧‧輸出接口
16‧‧‧導管
16-1‧‧‧分支導管
16-2‧‧‧分支導管
16-3‧‧‧分支導管
16-n‧‧‧分支導管
20‧‧‧模組
21‧‧‧信號線路
22‧‧‧信號轉換器
23‧‧‧控制器
24‧‧‧線路
25‧‧‧電氣動轉換器
26-1‧‧‧信號轉換器
26-2‧‧‧信號轉換器
26-3‧‧‧信號轉換器
26-n‧‧‧信號轉換器
30‧‧‧模組
32‧‧‧閥
34-1‧‧‧孔口通道
34-2‧‧‧孔口通道
34-3‧‧‧孔口通道
34-n‧‧‧孔口通道
36-1‧‧‧截流閥
36-2‧‧‧截流閥
36-3‧‧‧截流閥
36-n‧‧‧截流閥

Claims (15)

  1. 一種用以處理一工件的設備，包括：一支架，用以將一工件固持在一預定方向；一設置相對於該支架之液體分配器，以分配一處理液體至一當放置在該支架上之工件的一表面上；以及一流動控制系統，其控制分配自該液體分配器之處理液體的流率，該流動控制系統包括一流量計，該流量計測量被供應至該液體分配器之液體的流率；一控制器，其接收顯示出由該流量計所測得之流率的信號；一壓力調節器，其根據來自該控制器之控制信號調節該流量計下游之液體供應的壓力；以及至少二替代液體供應路徑，該等路徑位於該壓力調節器之下游及該液體分配器之一出口的上游，該至少二替代液體供應路徑之每一者係配有一對應的截流閥並當液體通過該至少二替代液體供應路徑的各自一者時，提供各自不同的壓降至該液體。
  2. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該流量計為一超音波流量計。
  3. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該壓力調節器包括一由一對隔膜之複數內表面所界定的閥門腔室，以及由該一對隔膜之對應的複數外表面所界定的複數上部及氣動控制之壓力腔室。
  4. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該流動控制系統更包括一電氣動轉換器，該電氣動轉換器根據該流量計之讀數接收來自該控制器之控制信號，並根據接收自該控制器之控制信號氣動地控制該壓力調節器。
  5. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該等截流閥之每一者為由該控制器所發出之信號所控制的螺線管致動隔膜閥。
  6. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該流動控制系統包括該等替代液體供應路徑之至少三者。
  7. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該至少二替代液體供應路徑包括相同直徑之複數導管，該等導管之每一者與各自不同直徑之對應的孔口連接。
  8. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該至少二替代液體供應路徑包括各自不同直徑之複數導管。
  9. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該支架為一用於半導體晶圓之單一晶圓濕式處理的處理模組中之旋轉夾盤。
  10. 如申請專利範圍第1項之用以處理一工件的設備，其中該流量計係包含在一安裝於該設備之濕式化學處理區域內的一第一模組中，該控制器係包含在一安裝於該設備之電子機櫃內的一第二模組中，且該壓力調節器及該等截流閥係包含在一安裝於該設備之該濕式化學處理區域內的一第三模組中。
  11. 一種流動控制系統，用以控制一分配自用於處理一工件之設備中的液體分配器之處理液體的流率，該流動控制系統包括：一流量計，其測量經由一導管所供應之液體的流率；一控制器，其接收顯示由該流量計所測得之流率的信號；一壓力調節器，其根據來自該控制器之控制信號調節位於該流量計下游之液體供應的壓力；以及至少二替代液體供應路徑，該至少二替代液體供應路徑之每一者係配有一對應之截流閥並當液體通過該至少二替代液體供應路徑的各自一者時，提供各自不同的壓降至該液體。
  12. 如申請專利範圍第11項之流動控制系統，其中該流量計為一超音波流量計，且其中該壓力調節器包括一由一對隔膜之複數內表面所界定的閥門腔室，以及由該一對隔膜之對應的複數外表面所界定的複數上部及氣動控制之壓力腔室。
  13. 如申請專利範圍第11項之流動控制系統，其中該流動控制系統更包括一電氣動轉換器，該電氣動轉換器根據該流量計之讀數接收來自該控制器之控制信號，並根據接收自該控制器之控制信號氣動地控制該壓力調節器。
  14. 如申請專利範圍第11項之流動控制系統，其中該等截流閥之每一者為由該控制器所發出之信號所控制的螺線管致動隔膜閥。
  15. 如申請專利範圍第11項之流動控制系統，其中該流量計係包含在一第一模組中，該控制器係包含在一第二模組中，且該壓力調節器及該等截流閥係包含在一第三模組中。
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