專利名稱：用輻照方法清除表面沾污的制作方法
發明的背景本申請要求1993年4月12提交的申請號為NO.08/045,165的美國專利申請的優先權，后者是1992年3月31日提出的申請號為07/865,039的美國專利申請案的部分后繼申請，該申請號為07/865,039的美國專利申請是1990年11月9日提出的申請號為07/611,198而現為美國專利5,099,557的美國專利申請的部分后繼申請，該美國專利5,099,557本身又是1988年7月8日提交的申請號為NO.07/216,903而現為美國專利NO.5,024,968的美國專利申請的分案申請。此處將這些美國申請結合進來作為參考。
本發明涉及到從表面清除沾污。更確切地說是涉及到用輻照的方法來從襯底表面清除沾污而不改變被處理表面的分子晶體結構。
此處所用的術語“沾污”，包括顆粒、薄膜以及不希望有的化學元素或化合物。沾污顆粒可以是尺寸從亞微米到肉眼可見的細粒的分立物質。沾污薄膜可以是有機的或無機的，它包括諸如來自指紋的人體油。沾污化學物包括清洗工序執行時不希望有的各種元素或化合物。例如，羥族(-OH)在某一工序階段可以是一種所需的襯底表面反應助催化劑，而在另一工序階段可能是一種不希望有的沾污物。
沾污物可能借助于弱共價鍵、靜電力、范德瓦爾斯力、氫鍵、庫侖力或耦極子-耦極子相互作用力而粘合到表面上，致使得難以清除。
在某些情況下，表面沾污的出現使被沾污的襯底不好使用或甚至無法使用于襯底的特定目的。例如，在某些精密科學測量器件中，當器件中的光學透鏡或平面鏡被微細的表面沾污物覆蓋時，其精度就受到損失。同樣在半導體中，由少量分子沾污物造成的表面缺陷常常使半導體掩模或芯片變得毫無用處。在石英半導體掩模中即使少許降低分子表面缺陷的數量，也可以大大改善半導體芯片的成品率。同樣，在片子上沉積電路層之前或在各層沉積之間從硅片表面清除掉諸如碳或氧的分子表面沾污物，也可顯著地改善制得的計算機芯片的質量。
而且，在生產過程中最終沾污硅片的大部分殘渣來自于諸如片子所在的工藝室和向工藝室引入工作氣體的管道等生產設備。因此，周期性地清洗這些設備就能夠顯著地降低生產過程中片子所受的沾污水平。
對于即使最細的沾污物也不存在的潔凈表面的需求已導致開發了各種各樣的表面清洗方法。然而正如下面所述，這些已知的方法中的每一種都存在著嚴重的缺點。下列各工序涉及到向襯底表面引入外部試劑。濕法化學清洗工藝-RCA工序RCA工序現用于半導體制造、平板顯示器制造和磁盤介質制造中。RCA工序有二個變種即SC-1和SC-2(其中SC＝標準清洗)。通常，SC-1工序用來清除痕量的有機物和顆粒。它由氫氧化銨(NH4OH)水溶液、過氧化氫(H2O2)和水(H2O)的相繼洗浴構成。SC-2工序用來清除痕量金屬并形成薄的氧化物鈍化膜以使硅或類似的表面親水。它由鹽酸(HCL)水溶液、過氧化氫和水的相繼洗浴組成。在制造實踐中，各液浴連續但緩慢地更新，致使例如相繼的各批片子暴露于前批的顆粒中。這些沾污物就重新沉積在表面上。
為使RCA工序可用來清除小至0.2μm的顆粒，已進行了大量的研究。由于即使是新鮮的化學品也能具有多達每升10000個0.5μm或以下的顆粒(這相當于每125mm/片子具有10個顆粒的幾率)，故這些液體在清除0.3μm以下尺寸的顆粒中已接近它們的物理極限。(見C.M.Osburn，R.P.Donovan，H.Berger，G.Jones，J.Environ.Sci.，1988年3月/4月，p45)。
工業界專家也已指出濕法化學洗浴可在硅上引起氧化物的形成，引起表面的微觀粗糙化，并引起來自有機化合物和金屬元素(如鐵、銅、鋁和鎂)的沾污物且又溶解于浴液中。(見M.Itano，M.Miyas-hita，T.Ohmi，Microcontamination 91論文集，1991年，P521和T.Shinono，M.Tsuji，M.Morita，Y.Muramatu，同上，P544)。稀釋氫氟酸最近已將稀釋的氫氟酸(HF)用于半導體工業來清除有機沾污物、痕量金屬沾污和薄的自然氧化膜。但HF引起襯底表面的微腐蝕，這又引起控制中的困難和關鍵因素。殘留的氟分子還會引起柵結構中的氧化物擊穿并對芯片的其它電學參數起不良作用。Ohmi等人最近報道，為了控制HF的微觀粗糙化，必須嚴格控制液體的PH值、使超純水處于溫度控制中而且須采用超純化學品以防止沉積不希望有的諸如Fe和Cn這樣的金屬。(見M.ItAno，M.Miyashita，T.Ohmi，Microcontamination 91論文集，1991年，P521；和T.Shinono，M.Tsuji，M.Morita，Y.Muramatu，同上，P544)。強聲(megasonic)和超聲清洗1979年由RCA發展了強聲清洗工藝以實現RCA濕法化學工序來清除有機膜和顆粒。在強聲工序中，片子被例如浸入水、酒精或稀釋的SC-1溶液中并暴露于壓電換能器產生的850-900KHz的聲波中。采用2-5W/cm2的輸入功率密度可有效地清除從數μm到0.3μm的顆粒。(見W.Kern，J.Electrochem.Soc.，137(6)，1990年，P1887)。已確認強聲工序能清除小到0.3μm的顆粒，而且已展示過在0.5μm線寬情況下，在獲得可接受的清洗效率所必須的功率電平下，能夠容易地剝離金屬線。(見A.A.Busnania，I.I.Kaskkoush，Microcontamination92，1992年，P563)。這樣，對于更小的幾何尺寸，強聲就會破壞器件。
超聲清洗的工作原理同強聲工序相同，但采用的液體空化頻率的范圍為20-80KHz，而且功率密度比強聲工序大50倍。在清除1μm以下顆粒過程中，超聲方法的效率較差(W.Kern，J.Electrochem.Soc.，137(6)1990年，P1887)。
超聲和強聲清洗二者的工作原理都是在顆粒下面引入空化液體媒質以便流體靜力將顆粒從表面釋放。對0.1μm顆粒的范德瓦爾斯力和二階粘合力估計為108達因。強聲清洗所施加的力為108達因數量級，這就解釋了它為什么不能清除小于0.3μm的顆粒。(見M.Ranada，Aerosol.Sci.and Technol.7，1987年，P161)。紫外和臭氧清洗紫外/臭氧(UV/O3)清洗工序使用能釋放185-254nm范圍的能量的汞燈或汞/氙燈。已證實此法可相當有效地清除諸如光抗腐劑之類的殘余有機膜，但不能清除鹽分、塵埃、指紋和被臭氧劣化了的聚合物。需要注意的是表面上殘留的過氧化物分子和揮發性羥基族可以使表面從疏水性改變為親水性，這可以引起后續粘合工藝問題，而且也會從后續清洗工序中吸引不希望有的沾污物。臭氧根據表面情況可能引起不希望有的氧化物的形成，這又需要另一個清洗工序來清除。最后，為了真正有效，UV/O3要求預清洗工序來清除無機物。(見J.R.Vig，J.Vac.Sci.Technol.A.3(3)，1985年，P1027)。刷掃清洗已發現用去離子水或堿溶液進行刷掃清洗是一種從表面上清除小至1.0μm的顆粒的有效方法，刷掃清洗已在半導體工業中具有具體的適當用途，例如在化學機械拋光之后清除殘渣的最終清洗。為了防止表面損傷和刷掃材料脫落，需要仔細控制刷掃材料和表面上刷子的位置。(見W.Kern，J.Electrochem.Soc.，137(6)，1990年，P1887)。氣相氫氟酸集束設備系統的出現已導致對氣相HF用作清洗劑的研究，這是由于濕法化學機械系統實際上不可能組合到集束設備中。為防止工藝和設備引起的沾污，在各關鍵工藝步驟之前和之后都要求清洗片子。由于現有的各種清洗技術不是化學清洗就是機械清洗，故為了清洗須將片子取出集束環境，這就失去了集束系統的許多優點。
已進行研究來使氣相HF清洗組合到集束設備的部件中去。Genus公司已宣布一種能夠組裝到集束系統中的部件(原由Advant-age Production Technology公司所開發)。SEMATECH的一份報告指出HF蒸汽腐蝕不可控并且引起嚴重的微觀粗糙化。(見B.VanEck，S.Bhat，V.Menon，Microcontamination 92，1992年，P.694)。
HF的控制已成為關鍵問題。Genus已研究過采用下列氣相試劑組合UV/O2；UV/Cl2/H+；UV/Cl2/H2。實驗結果表明當系統像現在這樣組構時，采用這些特定的氣相試劑時，腐蝕速率是不可控的。從這些研究利用氣相HF來提高CMOS柵結構的有限成品率的實驗中還顯現出柵氧化物的劣化。(見J.delarios，W.Krusell，D.Mckean，G.Smolinsky，S.Bhat，B.Doris，M.Gordon，論文集MicrocontaMination 92，1992年，P706)。需要注意的是表面上殘留的氟化物、氯化物和氫化物離子以及這些離子為什么會使參數性能變壞或為什么會引起后續的工序問題。超臨界流體清洗超臨界流體技術由采用懸浮微粒中的凍結氣體(諸如氬)顆粒而組成。(見W.T.McDermott，R.C.Ockovic，J.J.Wu，R.J.Miller，Microcontamination，1991年10月，P33；K.S.Schumacher，SEMI超凈制造會議論文集，1993年，P.53；E.Bok，Solid State Technology，1992年6月，P117)。此工藝的基礎是動量從帶有氬顆粒的高速氣流轉移到表面顆粒。當氣體在0.68大氣壓下被冷卻到84K(-184℃)的溫度時，氬凝固并形成懸浮微粒。氬顆粒對表面的沖擊將能量轉移到表面顆粒，它又在冷卻氣體氣流中被清除。關于此技術的使用包括對片子的熱沖擊、亞表面離子遷移、表面結構損傷和電學參數損傷。至今未見發表有關完整地加工片子以研究超臨界媒質是否會引起電學參數損傷的研究結果。激光增強液體清洗另一個已知的工藝是采用激光超加熱的液體。此技術有二個變種Allen工藝和Tam工藝。
Allen工藝Allen工藝(見美國專利NO.4,987,286和S.Allen，Appl.Phys.Lett.，58(3)，1991年，P203)是一種采用水和波長為1064nm的CO2激光器作為熱源的濕法清洗技術。水必須滲透到顆粒和襯底表面之間的空隙之中，當水被激光脈沖迅速加熱時，水爆炸性地蒸發而使顆粒被推離襯底。
已注意到Allen工藝的一些潛在問題。在圖形化了的片子上，水能夠滲透到金屬線下面，當水蒸發時，水會將金屬線剝離，這不僅損傷電路而且還在表面上產生顆粒。如Allen所述，采用一個能量流為30J/cm2的窄聚焦CO2激光器，由于大多數有機物、聚合物和金屬膜在20J/cm2下很易被燒蝕，從而會引起圖形化表面的燒蝕效應。為了提供一個指向性偏向以便將顆粒帶離表面并避免重新沉積，Allen提議依靠重力而將襯底垂直地安裝或翻轉安裝。作為一種變通，她提議從供氣管將氣流引導橫穿表面以帶走顆粒。
Tam工藝Tam工藝(見W.Zapka，W.Zemlich，A.C.Tam，Appl.Phys.Lett.，58(20)，1 991年，P2217和A.C.Tam等人，J.Appl.Phys.，71(7)1992年，P3515)同Allen工藝很相似。Tam工藝采用乙醇和異丙醇之類的醇類以及水。此工藝不同于Allen工藝之處在于它使用通過工作室的受熱氮氣的爆發來擴展液體媒質；然后緊跟一個IrYAG激光脈沖。此過程重復幾個周期。采用醇類時，為清除顆粒需要5J/cm2的能量密度，但可觀察到表面損傷。Tam曾使用乙醇和能量流大干350mJ/cm2的KrF染料激光器來清除0.35μm的Al2O3小球，但在沒有液體媒質的大氣條件下他未能成功。其它工藝加壓液體射流清洗使顆粒易于清除，但由于清洗液維持的高壓而有損傷被處理表面的危險。而且，由于在清洗液中有離子，此法可能對被處理表面造成靜電損傷。同時，可剝離的聚合物會使聚合物殘渣在被處理的表面上沉積也可能沾污表面。
其它已知的襯底表面清洗方法都避免使用外部試劑。這些工藝包括表面熔化此工藝要求熔化被處理表面以釋放沾污物然后依靠超高真空將它們清除。這法的缺點是被處理的表面必須基本上被熔化。當例如在沉積不同電路層的工序之間清洗半導體表面時，這種熔化可能是不希望有的，而且希望原已沉積層的完整性不被擾亂。而且，諸如在管道和片子加工室中所見到的那種清洗昂貴及不規則表面，這種操作即便不是不可能實現，也是很困難的。最后，此工藝中所用的超高真空設備也是昂貴而操作費時間的。退火退火處理方法也有相似的缺點。當用退火方法清洗表面時，被清洗處理的襯底表面通常被加熱到低于被處理材料的熔點的溫度，但此溫度高得足以引起材料分子晶體結構發生重構。被處理的表面保持在這一高溫下經歷一段時間，此時表面分子晶體結構被重構，沾污物則被超高真空清除。當希望保持襯底表面的分子晶體結構時，不可使用退火清洗方法。燒蝕另一種正被采用的清洗方法稱為燒蝕，它有其自身的特殊缺點。采用燒蝕方法時，表面或表面上的沾污物被加熱到蒸發點。根據被燒蝕材料的不同，此材料可能在蒸發之前熔化或者直接在加熱時升華。采用燒蝕清洗技術時，如果要防止損傷被處理表面，則必須將燒蝕能量準確地只加于沾污物上面不能加到沾污物所在的表面上，當沾污物很小或隨機分布時，或者當被處理表面形狀不規則時，這是一個很困難的任務。即使燒蝕能量能夠成功地只加于沾污物，也難以使沾污物蒸發而不損傷下方的被處理表面。
采用熔化、退火和燒蝕方法的表面清洗可用激光能源來進行。然而，采用激光能源靠熔化、退火或燒蝕來從表面清除沾污物，并不能克服這些工藝的固有缺點。例如，在美國專利NO.4,292,093“用激光輻照生產原子清潔晶體硅和鍺表面的方法”中，所公開的激光退火法要求真空條件以及足以引起被處理表面發生重構和熔化的能量水平。涉及熔化或退火的其它已知的激光表面清洗方法，如同美國專利NO.4,181,538和NO.4,680,616所公開的那樣，都要求與其類似高的能量激射和真空條件。美國專利NO.3,464,534“激光擦除裝置”所公開的激光燒蝕技術也有同其它高能燒蝕方法相類同的缺點。
最后沉積在片子表面上的沾污物的一個來源是用來加工片子的設備。降低加工設備帶來的沾污物的主要方法是執行設備的周期性大清洗，這通常包括將設備拆卸并耗費人工地檢查多個部件。但大清洗工序中的階段性清洗方法可以減少這種大清洗的頻度。
有一種這樣的階段性清洗方法是用惰性氣體沖洗安裝有設備的工作室，以及帶走表面沾污物。在R.P.Donovan主編的《半導體制造中的顆粒控制》(1990年，New York，Marcel Dekker)第24章(W.G.Fisher)中描述了這種方法，指出保持沖洗氣體流速足夠高是可取的，以便通過設備的氣流處于湍流狀態，其目的是使沾污物加快帶入惰性氣體。根據該文，由于湍流邊界層比片流邊界層更薄，而且由于湍流中有瞬時流速高于平均速度的區域，從而湍流更有利于帶走顆粒。
然而，在將這種方法應用于片子本身的清洗過程中，由于湍流具有垂直于片子表面的局部速度分量，湍流的使用可能有問題。這些速度分量可能將帶走的顆粒又帶到它能夠被保留住的片子表面上。對于剛剛從片子表面釋放出來的顆粒來說，這是特別真實的。這種“剛剛被釋放的”顆粒相當靠近片子表面，因而更容易由于垂直于片子表面的局部速度分量而重新沉積到表面上。
本發明借助于從襯底表面清除表面沾污物而不改變分子晶體結構因而也不損傷被處理表面的方法，從而解決了現有技術的問題并避免了現有技術的缺點。使氣體流過襯底被處理的表面，而襯底被連續地輻照，其輻照的能量密度和持續時間大到足以從襯底被處理的表面釋放表面沾污物同時又小到不足以改變襯底被處理表面的分子晶體結構。氣體最好對襯底被處理表面呈惰性。而且，為了最佳地避免被帶在氣流中的沾污物沉積到被處理的表面上的可能性，氣流要處于片流狀態。輻射源可以是技術領域已知的諸如脈沖或連續波激光器或者高能燈之類的任何一種裝置。最好用脈沖紫外激光器來產生輻照。本發明在半導體襯底上沉積電路層之前、之間和之后，都能夠有利地用以從基本上平整的半導體襯底上清除表面沾污物。此法也可用于不規則形狀的表面，或更確切地說，可用于位于彼此非重合平面上的表面上。這些平面包括除了占據相同空間或平面的那些以外的襯底表面之間的全部可能關系。例如，彼此平行或成一定角度的那些表面(諸如管道的相對內壁或方形室的相鄰壁)分別占據著彼此非重合的平面。
圖1是根據本發明的沾污物清除方法和設備的示意圖。
圖2示出了本發明一個實施例中如何使用激光輻照來從相對平整的被處理表面清除沾污物。
圖3示出了本發明另一實施例中如何使用激光輻照來從相對平整的被處理表面清除沾污物。
圖4示出了根據本發明結合輻照和所加氣體使用掩模來從相對平整的被處理表面清除沾污物。
圖5是根據本發明從不規則的被處理表面清除沾污物的設備的示意圖。
圖6-11是根據本發明的原理向不規則形狀的被處理表面輸送氣體和輻照的設備的端視圖。
圖12-13是示出了圖5的發明如何用以從細長的封閉管道內部清除沾污物的側視原理圖。
圖14是根據本發明的原理向不規則形狀的被處理表面輸送氣體和輻照的設備的端視圖。
圖15是圖14所示設備的局部平面圖。
圖16是根據本發明的原理向不規則形狀的被處理表面輸送氣體和輻照的設備的另一種結構的局部平面圖。
圖17和17a是示出了帶有柔性的多孔對中支持結構的圖5的發明的應用的側視圖。
圖18是示出了帶有光漫射器的本發明的應用的側視圖。
圖19和20是示出了圖5的發明如何用來從加工室內部清除沾污物的側視圖。
圖21和22是示出了圖5的發明為如何用來從不規則形狀物體的外部清除沾污物的側視圖。
圖23和24是示出了本發明另一實施例中如何用輻照來從管道內部清除沾污物的側視圖。
圖25和26是分別示出了本發明另一實施例中如何用輻照來從不規則形狀物體外部清除沾污物的端視圖和側視圖。
圖27A和27B是根據本發明原理向被處理表面輸送氣體和輻照的設備的各不同層面的頂視圖。
圖28是圖27的設備沿圖27A的28-28所取的剖面圖。
圖29是圖27設備的部件分解圖。
圖30示出了氣流管道中不同階段的氣體流速分布。
圖31提供了用來選取圖27設備的過濾器的流速和壓力數據。
圖32是用來加工某些襯底的集束設備的示意圖。
圖33-35是根據本發明的沾污物清除方法和設備的示意圖。
圖36示出了蘭金卵形線(Rankine Oval)，它描述了體現本發明原理的加工室的部件形狀。
圖37示出了加工室中氣流的典型速度分布。
圖38和39是本發明方法所用測試單元的平面圖和縱剖圖。
圖40示出了本方法的測試數據。
圖41示出了當引進第二個惰性氣體流時，通過襯底中的空腔的惰性氣體流的流線圖。
圖42示出了采用本發明原理的設備的另一實施例。
現參照附圖所示例子對本發明的最佳實施例進行詳細描述。在所有的附圖中，相似的參考號用來表示相似的元件。1、基本的處理方法和設備圖1示出了一種用來從襯底表面清除表面沾污物而不改變分子晶體結構也不損傷襯底表面的方法和設備。如圖1所示，裝置10中有一其表面沾污物待被清除的襯底12。氣體18自氣源16恒定地流過襯底12。氣體18對襯底12來說是惰性的并且流過襯底12以便在非反應性氣體環境中沖洗襯底12。氣體18最好是諸如氦、氮或氬的化學上惰性的氣體。用來安裝襯底12的機箱15通過一組管道21、閥門22和氣流計20同氣源16連接。
根據圖1所示的本發明實施例，機箱15包含一個分別裝有相對的氣體入口和出品23和25的不銹鋼樣品反應室。機箱15裝有密封的光學級石英窗17，輻照可由此窗通過。入口和出口部分23和25可以包含例如裝有閥門的不銹鋼管道。樣品12放入機箱15之后，機箱15被反復沖洗并用氣體18回填，而且保持在稍高于環境大氣壓力的壓力之下以防止其它氣體流入。盡管機箱15示為定型的盒室，但可預料被清洗處理的表面可以封閉在任何類型的可通過氣體的機箱中。例如，若被處理的表面是一個大的確定的物體，就可以使用諸如塑料袋的手提機箱。
氣體18的流量可用適當的流量計20來調整，可以用Mathe-son 602型流量計。閥門22最好是適用于高溫高壓并可用于有毒、有害、腐蝕性或易膨脹氣體或液體的測量用、調整用閥或波紋管閥，例如俄亥俄州Solon市Swagelok公司制造的Swagelok SS-4HTM系列閥門。閥門22可以打開和關閉以隔離機箱15、或使機箱同氣源16連接，或者使機箱15同諸如來自另一氣源40的用來在襯底12上進行沉積的氣體之類的另一種物質進行連接。
根據本發明的方法，高能輻照照射在襯底被處理的表面上，其能量密度和持續時間處于從襯底被處理表面釋放表面沾污物所需的和改變表面分子晶體結構所需的能量密度和持續時間之間。根據圖1所示的本發明實施例，輻照源14(可以是激光器或高能燈)產生射向襯底12的被處理表面的輻射11。在圖1中，輻射源14示為在機箱15外面并且通過石英窗口17而輻照樣品12。但可預料源14也可以置于機箱15之內。
高能輻照的能量流和波長最好選擇成依賴于被清除的表面沾污物。為此，可在出口25處連接一個氣體分析器27。分析器27對機箱15排出來的氣體的成分進行分析以方便源14的選擇性能量和波長的調整。氣體分析器27可以是一個質譜計，例如麻省Billerica市Bruker儀器公司或明尼蘇達州Eden Prairle市PerkinElmer制造的四極質譜計。
用在本發明中的輻照源的選擇依賴于所需的輻照能量和波長。以電子伏特/光子(Ev/光子)為單位的輻照能量水平最好至少二倍于打破沾污物粘滯于被處理表面的鍵所需的能量。普通沾污物(諸如碳和氧)同普通襯底材料(諸如硅、鈦、鍺、鐵、鉑和鋁)之間的鍵能范圍在2-7Ev/鍵之間(見1987年CRC出版社第68版化學物理手冊PP.F-169-F-177)。因此，發射能量在4-14Ev/光子范圍內的光子的輻射源是可取的。如同參考文獻G.W.Cast-ellan，Physical Chemistry，第二版，458-459(1975年學術出版社)中所述，此波長應低于由熟知的光電子效應損害襯底表面完整性的波長。最佳波長依賴于被清除的分子質點和這種質點的共振態。
任何本領域已知的產生合適能量水平的輻照的裝置都可用于本發明，這包括高能燈和激光器。依照應用的不同，可預料來自這些源的光能的范圍為深紫外--紅外，相應的波長分別為193-3000nm。
表I列出了許多合適的激光器的波長和光子能量表I合適激光器的規格激光器 波長(nm)Ev/光子XeCl，脈沖 3084.04氬離子，連續波 2574.83KrF，脈沖 2485.01ArF，脈沖 1936.44可調染料激光器，脈沖或連續波 200-800 6.22-1.55在下列參考文獻中對這些激光器進行了更詳細得多的描述M.J.Webber編CRC激光科學手冊第1-5卷(1982-1987年)；Mitsuo Maeda，激光染料(1984年，學術出版社)；以及麻省Acton市Lambda Physik、加州Palo Alto市Coherent公司和加州Mountain View市Spectra-Physics的激光器產品文獻。可以預料，高能氙燈或汞燈或者其它類型的激光器，包括可見光、紫外光、紅外光、X射線或自由電子激光器都可以用作輻照的合適光源。
根據本發明，射向要清除沾污物的襯底被處理表面的輻照的功率密度小于改變表面分子晶體結構所需的功率密度。輻照的功率密度和持續時間最好是選擇成給襯底表面的能量大大地低于改變襯底表面結構所需的能量。最佳的能量水平依賴于被處理襯底的組分。例如，對某些諸如塑料的襯底材料，這一能量水平可能大大低于諸如高強度硬質合金鋼的能量水平。各種材料的形成熱是眾所周知的，在化學物理手冊第68版(CRC出版社，1987年)PP.D33-D42中有報導。形成熱通常相當于擊穿各種材料所需的熱量并且可用來指導選擇不致改變被處理表面的分子晶體結構的輻照能量密度和持續時間。
表II總結了許多普通襯底材料的形成熱表II襯底材料的形成熱材料形成熱Al2O316906.7kJ/mol；17.52Ev/分子SiO2840.3kJ/mol；9.11Ev/分子Nb2O51528.2kJ/mol；13.27Ev/分子NiO 230.6kJ/mol；2.50Ev/分子Ti2O3500.2kJ/mol；15.63Ev/分子用在本發明中的輻照能量密度和持續時間使襯底被處理表面上不達到形成熱。然而要找出給定襯底材料上可使用的最高能量，則要求根據材料已知的形成熱進行一些實驗。這種實驗可確保不會發生退火、燒蝕和熔化。
輻照最好是垂于射向被處理的那部分襯底的平面，以便在來自輻射源的給定功率輸出的情況下使表面處的能量流盡可能大。然而，正如為了方便起見或為了完成特殊環境下的加工所必須的那樣，輻照也可以以一定的角度射向襯底。當然，表面處的能量流將隨入射角的正弦而變化，這在選取輻照源的功率輸出和停留時間的過程中是必須考慮進去的。
當襯底如上所述被輻照時，將表面沾污保持在襯底表面上的鍵和/或力被擊破并在輻照期間由惰性載氣將沾污物從襯底表面帶走。只要被清洗的襯底保留在惰性氣體環境中，新的沾污物就不會在襯底表面上形成。如有需要，可在機箱出口25處接一適當的陷阱系統以捕捉并中和被清除的沾污物。
a、工藝的量子動力學理論基礎借助于同情性氣流相配合的輻照來從表面清除沾污物的過程可以用量子力學分支的非線性光學理論來描述。
非線性光學理論的基礎是從非線性媒質中的馬克斯韋爾方程推導出來的，即▿×E=1C(δB/δl)-------(1)]]>▿×E=1C(δE/δl)+4πCJ--------(2)]]>.E＝4πρ (3).B＝0 (4)其中E是電場，B是磁場，J是電流密度，δ是電荷密度。
隨著激光器和其它高能輻射源的出現，自從19世紀80年代就已從理論上假定了的非線性過程變得可以理解了。在N.Bloembergen的《非線性光學》(紐約Benjamin/Cummins出版公司，1965年(1982年第四次印刷))和Y.R.Shen的《非線性光學原理》(紐約John Wiley父子公司，1984年)中描述了非線性光學的理論。
激光器產生相干的具有高方向性的光束。光束的這種性質被定義為輻照力，它具有可被用來從表面上清除附著的沾污物的獨特性質。均勻媒質中的輻照力由方程(5)給出，方程(5)也是從馬克斯韋爾方程導出的∫=▿p+ρ(δ∈/δρ)8π▿E2-(∈-1)(δG/δl)--------(5)]]>其中δ是媒質的密度，ρ是壓力，G是真空中的電磁密度。
Ashkin和Dziedic所進行的實驗(A.Ashkin，J.M.Dziedic，Appl.Phys.Lett.，28(1976)，P333；30(1977)，P202以及(1971)，P729)表明諸如10μm乳膠球那樣的小顆粒在足夠光子流的激光場中可從表面被清除。只要激光束一停止，乳膠球就回到表面。這一非線性過程稱為光學懸浮。Ashkin的實驗表明輻照源的性質可被用來克服局部粘附和重力。在此處所述5μm顆粒處理過程的測試中已觀察到這種現象。采用流動的惰性氣體可防止輻照通過一個位置之后顆粒的重新粘附。
在本工藝和設備的測試中已觀察到的另一個非線性過程是多光子分解(“MPD”)。帶有足夠的、用以同其上有沾污物的表面相互作用的光子流的高能輻照源可借助于MPD來清除沾污物。(見Y.R.Shen的《非線性光學原理》(紐約John Wiley父子公司，1984年，第23章，PP.437-465))。經過這一過程，一些光子可激發振動和旋轉態，這是經典方法所不允許的。沾污物獲得的這些新態可描述為準亞穩態。準亞穩態能夠導致沾污物從表面分離或擊破沾污物。這一分離過程被表面和沾污物提供的非線性敏感度進一步加強。而且，MPD過程理論假設人們借助于將光子流調諧到利用非線性機制的方法、基于對表面和待清除的化學物的認識而選擇性地清除鍵。
上述的非線性過程看來是互補的。依賴于沾污物和表面的不同，某一個非線性過程可能優于另一個，或者它們可協同地進行。
b、基本處理舉例在下列例子中示出了上述基本處理方法和設備用于平面形被處理表面的情況。在例I中，脈沖KrF染料激光器的各種能量密度被用于氧化硅襯底，其成功度不同。在例II中，考察在光學元件領域中對本發明的需求。i、例I為促進半導體表面上的薄膜生長，需要硅的天然氧化物。不幸的是，當氧化硅的半導體表面暴露于環境時，碳沾污物微弱地粘附到半導體表面。這些沾污物的出現大大降低了待要沉積的薄膜的傳導性或絕緣性質。因此在半導體生產中，很大的注意力被用來通過采用完善的真空、化學和機械技術而盡量減少對環境的暴露。真空技術是昂貴的，特別是如果在各工藝步驟之間采用高真空或近于超高真空來保持表面潔凈的時侯更是如此。化學(濕法和干法)和機械技術會損傷襯底的被處理表面，如果被處理的襯底是一種被加工的集成電路，則還會損傷其下面的結構。
為了克服這些問題，基本波長為248nm(紫外范圍)的脈沖KrF染料激光器(Lambda Physik生產的EMG150型)發出來的輻照被加至在有氬氣流通的密封工作室中的硅襯底的表面。為了實現降低表面碳沾污并降低同化學吸附的有機金屬(三乙基鋁)相關的碳的百分比，這一半導體生產中鋁薄膜形成的初始條件，采用KrF染料激光器將6000次激射的35mJ/cm2的輻照以10Hz的重復速率加至氧化硅襯底表面共持續20分鐘。在1.03×10-3乇背景調節器壓力(backing regulatorpressure)下以流速161/小時(4.5ml/秒)而連續流通氬氣的過程中來暴露激光處理的表面。處理之后，X射線光電子譜儀(“XPS”)分析表明襯底的表面碳有顯著的降低，從處理之前的平均表面碳覆蓋30-40％的襯底表面降為處理之后的平均表面碳覆蓋19％的襯底表面。襯底表面本身未顯出損傷或改變。
如前述由激光輻照處理過并隨后暴露于有機金屬氣流的表面，由XPS分析表明20.8％的襯底表面被碳覆蓋，相比之下，在未經激光處理的表面上，暴露于有機金屬氣體之后，40-45％的襯底表面被碳覆蓋。無論是當暴露于有機金屬氣體之前如前所述加上激光和之后再加上激光，都只有8.9％的表面被碳覆蓋。鄰近于激光曝光區的區域也表現出激光清洗處理的某些效果。鄰近于被處理區的區域顯示出降低了的12.7％的碳水平。這一效應可能是所加激光脈沖的高斯性質所造成的。
將片子從樣品室轉移到XPS分析儀是要經由一個充氬的手套箱。硅片通過惰性UHV傳送棒被轉移到XPS。這就使得對環境的暴露保持為最小。
另一種氧化硅片子在如上所述暴露于氬氣的同時被暴露于9mJ/cm2的KrF染料激光器輻照，這是以10Hz的重復速率共作6000次激射。在激光處理之前和之后，XPS分析顯示出表面碳覆蓋率均為40-45％。這說明9mJ/cm2的輻照未曾清除掉吸附的表面碳。
另一種氧化硅片子在如上所述暴露于氬氣的同時被暴露于300mJ/cm2的脈沖KrF染料激光器輻照，這是以10Hz的重復速率共作6000次激射。在處理結束時，襯底表面遭到明顯的損傷，包括有穿過襯底的孔。這表明300mJ/cm2的輻照改變了襯底表面的分子晶體結構。
這些例子表明合適能量流和波長的激光輻照能夠降低表面沾污而不損傷下方的表面或鄰近的結構。
根據SiO2的形成熱，氧化硅襯底表面承受小于100mJ/cm2的脈沖KrF染料激光器輻照6000次(重復速率為10Hz)將不會改變襯底的分子晶體結構。小于75mJ/cm2的脈沖KrF染料激光器以10Hz的重復速率輻照6000次無論如何不致于改變氧化硅襯底的表面。ii，例II用諸如激光熔融、X射線光刻和紫外染料激光鏡片之類的技術難以制造高能光學元件。激光熔融和X射線光刻術只被使用于“潔凈”環境中。由于用現有的市售薄膜沉積技術難以制造能夠經受長時間的高能流的薄膜，故染料激光器鏡片的使用壽命很短。
高能鏡片的一個老問題是光學擊穿。此現象可描述為“在強大的激光場中透明媒質中遭到的損傷突然形成”(Y.R.Shen，《非線性光學原理》第一版，528-540(Wiley Interscience，1984)。此現象發生在固體以及氣體中。對于固體，例如高能鏡片，由于體材料中出現諸如劃痕和空孔之類的表面缺陷而加重了光學擊穿。在大多數情況下，光學擊穿是諸如吸附的塵埃顆粒之類的表面沾污所造成的。這些沾污物的出現降低了擊穿閾值，它反過來又限制了從給定的激光系統所能利用的最大激光功率。這一因素是關于激光媒質(固態或氣態)由外部泵浦源進行泵浦的一個非常重要的限制。這反過來又限制了可用來通過光學窗口、透鏡和其它光學元件而發射能量的激光器功率。
光學擊穿，例如固體上的光學擊穿，由表面粘附的沾污物的出現而引起。具有足夠能量截面的激光脈沖串的相互作用可提供足夠的能量以在固體表面上產生“雪崩”離子化。這能夠形成一個可瓦解固體表面的等離子體。沾污物的出現大大降低了激光器的效率并減少了它的潛在用途。
為了克服上述問題，此處所述的沾污物清除方法可用來清除諸如吸附的塵埃之類的附著的沾污物。例如，為了處理光學元件，該元件被暴露于連續的氬氣流中，與此同時，將脈沖KrF染料激光器對準光學元件的表面。激光器被調諧到明顯低于在高能鏡片中引起高化并隨后引起等離子體的高能脈沖的合適的能量流和波長。以選定的流量和波長照射光學元件的表面，其持續時間要足以清除所吸附的沾污物。iii.例III
采用Potomac Photonics SGX-1000 KrF激光器(由馬里蘭州Lanham市Potomac Photonics出售)進行了定性實驗。激光器運行的平均功率為60mJ/秒，持續時間為0.02秒，束斑為20μm。襯底被裝在速度為1mm/秒的傳送臺上，使用的氮氣流速為140ml/秒。使用俄勒崗州波特蘭市Molectron Detector公司所售的帶有J3-09探針的Molectron JD-1000焦爾計來測量激光功率。清洗結果的1000倍目測表明從鋁上清除了有機油類(指紋)和鋁碎片，從硅上清除了硅碎片和硅霧狀物，而且從3.0μm CMOS圖形化片子上清除了成分不明的外來物質。
c.襯底的選擇性處理根據本發明，被處理平面可以用激光進行選擇性輻照。例如如圖2所示，襯底12固定在XY平臺13上，平臺13相對于由激光器14′產生的固定激光脈沖束11′而選擇性地移動，該固定激光束在接觸到其上部有惰性氣體流18的襯底12表面的選定部位之前射過束分離設備24和聚焦透鏡28。或者如圖3所示，激光脈沖11′可用來分離設備30和32分離成二組脈沖，它們依靠調節平面鏡34-37而在固定于平臺19上的襯底12表面上選擇性移動。用于測量從激光器直接出來的能量的激光功率計26可嚴密地監視加于襯底上的激光功率。從紐約州Oriskany市Digirad和科羅拉多州Boulder市Scientech公司可購到合適的激光功率計。
而且，如同半導體工業中所使用的那樣，通過采用置于輻照源和被處理襯底之間的掩模，也可以獲得平面表面的選擇性輻照。如圖4所示，借助于限制輻照11通過通道a到達襯底12，掩模9方便于固定在不動平臺19的襯底12的選擇性輻照。如圖1所詳述的那樣，機箱15包含一個分別裝有相對的氣體入口和出口23和25以及密封的光學級石英窗口17的不銹鋼樣品反應室，輻照可以通過此窗口17。
可以預料在相似于圖2-4所示結構中也可以用高能燈來輻照平面表面。
圖42示出了另一個可進行平面表面選擇性輻照的實施例。合適激光器110的輸出投向聚焦透鏡112，由中繼平面鏡113和114反射并通過Galilean望運鏡115。激光器出來的輻照然后從另一中繼平面鏡116反射并通過末端可調聚焦透鏡117聚焦再到達安裝在XY傳送平臺上支座118上的襯底。支座118至少排列在惰性氣體流過的工作室(未示出)之中。流量計119安置在工作室的出口處。圖42所示的結構提供了一個極為緊湊的設備。
d、惰性氣體片流為了降低輻照從襯底表面釋放并已被氣流帶去的沾污物在下游重新沉積到襯底表面上去的可能性，最好將氣流控制成不賦予被帶走的沾污物以垂直于襯底表面的速度分量。根據定義，這種垂直于表面的速度分量在氣體湍流中是固有的，而且在湍流或片流的氣流循環區中也是固有的。因此，根據本發明的原理，最好使流過襯底的氣體保持在片流區并且最好避免產生氣流循環區。
眾所周知，對于內部氣流(例如在管道中或此處情況下，在工作室中)，在雷諾數小于約2000的情況下將維持片流。如下面方程式(6)所示，雷諾數(Re)用下式計算Re=ρ▿hμ---(6)]]>其中ρ和μ分別是氣體的密度和絕對粘度，h是界定氣流的各個壁之間距離的半高度，v是氣流的平均速度。
同樣如眾所周知，對氣體中自由粒子(諸如帶入氣流中的被釋放顆粒)的拖動力F同氣體粘度、粒子直徑dp和粒子與氣流之間的相對速度v有下列關系F=3πμdpvc---(9)]]>其中c是滑動修正因子。為使加于粒子的力盡可能大因而使粒盡可能被帶入氣流并保留在氣流中，應使氣流速度盡可能大。然而，這樣就要限制雷諾數保持在低于約2000以維持片流。顯然，對于一個給定的氣體，借助于降低氣流管道的半高度h能夠獲得更高的氣體速度。
氣流管道中的平均速度v同通過此管道的氣體的體流速Q有下列關系Q＝A(11)其中A是氣流管道的截面積。于是，為保持給定的平均速度而必須饋向氣流管道的氣體的體流速對于截面積較小的氣流管道就較小。氣流管道的寬度通常取決于待要處理的襯底的寬度，但控制管道的高度通常可得到更大的靈活性。因此，為了使達到希望的速度所必須的氣量盡可能小，最好是使管道的高度盡可能小。
人們承認沿氣流管道的寬度氣流速度是不均勻的在管壁處速度為0，并單調地上升到管道中線處的最大值。對于充分發展的管道片流，速度分布為u(y)=3▿[yh-y22h2]---(12)]]>其中y是高氣流管壁的距離。如圖30所示，這種速度分布是拋物線型的。在氣流管道的入口區E，亦即在氣流管道的各個相對壁上發展的邊界層尚未會合于管道中心的那個區域中，存在一個靠近于管壁的邊界層區和一個潛在的核。雖然速度沒有嚴格形式的解，但如圖30所示，在靠近管壁的給定距離處的入口區E的氣流速度大于完全發展區F中的氣體速度。
沾污物輸送的其它有關參數是氣體的密度和絕對粘度性質。這些性質都被結合在動力學粘度V中，V是密度和絕對粘度之比v=μρ---(13)]]>如同從雷諾數方程(上述的方程(6))可見，對于一個給定的雷諾數和氣流管道尺寸，用較大的動力學粘度可獲得較高的速度，呈線性關系。與之相競爭的考慮是邊界層厚度通常希望最高的速率盡可能靠近管壁，這反過來意味著邊界層最好較薄。然而，雖然相似條件下湍流邊界層通常比片流邊界層薄，但必須以避免湍流為條件。
邊界層厚度正比于動力學粘度的平方根而反比于氣流管道中平均速度的平方根。于是，對于一個氣流管道中給定的速度，動力學粘度相對高的氣體比之動力學粘度相對低的氣體來說，其邊界層將更厚。但根據雷諾數關系，當保持相同的雷諾數(因而維持片流)時，動力學粘度的增加使速度正比地增加。這樣就能夠用提高平均氣流速度的方法來克服增大了的動力學粘度對邊界層厚度的不希望有的影響。當然，這些考慮只適合于入口區—在完全發展區中邊界層厚度等于氣流管道的半寬且不受氣體性質的影響。
為上述方程(9)所示，粘度是粒子拖動力中的一個重要參數—氣體粘度越高，對粒子的力也越大。于是絕對粘度較高的氣體就更好。
如上所述，任何對襯底呈惰性的氣體都可用來執行處理。稀有氣體實際上對所有的襯底材料都呈惰性，因而是特別適合的。氮對大多數襯底也是合適的。稀有氣體中，氮和氬是最容易獲得的并且在使用上也有經濟吸引力。氦、氬和氮這三種氣體中，氬由于其絕對粘度最高，因而最好。
有關氣流通過氣流管道情況的其它參數是氣體的溫度和壓力。大多數氣體的粘度(絕對粘度以及動力學粘度)隨溫度而稍許增高。但在處理工藝的大多數商業應用中，氣體溫度都大約為室溫。相反，氣體壓力可能顯著變化。氣體的密度正比于其靜壓力。于是，再參照上述方程(6)所示的雷諾數方程，對于一個給定的雷諾數、氣體和氣流管道高度D，通過增高壓力而增大密度就要求降低平均速度。于是在片流區中較低的壓力就可獲得較高的速度。
返回到避免賦予被帶走沾污物以垂直于表面的速度分量的第二種情況、即避免循環區的情況，本技術領域中眾所周知，在諸如有氣體流過的表面的分布中的流向不連續或劇烈變化所產生的氣流中反向壓力梯度，可以引起氣流再循環。因此希望在處理襯底的工作室的表面上(特別是在襯底上游處或靠近襯底上游處)避免形成這種不連續性。而且進入氣流管道的氣流應具有其速度矢量平行于氣流管道軸的均勻的速度分布。
在帶有用來保持片狀無循環氣流的非最佳的結構的反應室中得到的測試結果，表明了這些氣流考慮(避免再循環和湍流)的重要性。這一反應室結構同上述例I和II中所述測試所用的相同。平面圖38和剖面圖39示出了反應室200。此反應室帶有入口202和出口210，它們同反應室的底板201相同，且直徑為0.25英寸(0.6cm)。待處理的襯底也裝在底板201上。反應室的直徑為7.6cm，高度為2.5cm。
使用了一個在200-315nm范圍內輸出能量為40μJ/g的、耦合到康涅狄克州Stamford市Oriel公司所售的84350型電子時間控制器的、帶有一個4英寸直徑透鏡的6288型低壓500W汞/氙燈(Oriel公司所售)，在反應室中對暴露于大氣環境的裸硅樣品進行了清洗。該燈在30分鐘內共釋放8mJ/cm2。用帶有200-315nm范圍的JSEL/240/QnDS2/TD探測器和300-400nm范圍的JXRL140B探測器的JL-1400A光子計作能量測量，這些探測器均由加州Laguna Hills市的Jetlight公司提供。處理前后的樣品分析用現由麻省Danvers市Fisons Instrumnents公司出售的VG Inshtuments 310型俄歇/XPS攝譜儀進行。
通過反應室的氣體流速從9cc/s變到130cc/s，用伊利諾州Niles市Cole-Parmer Instruments公司所售的對氬、氮和氦進行了標定的L-03217系列150mm可變流量計進行控制。測試數據從下表III和圖40可見。
表I測試數據氬氣流速(cc/s)碳清除(％)9 18.99 21.41220.61230.91234.66637.96642.56665.4117 20.6117 19.3130 25.2從數據顯見，處理過程的清除效率依賴于氣流速率(而氣流速率依賴于反應室中的氣流條件)。雖然基于反應室半高度計算得到的雷諾數明確地處于片流范圍，但相信在較高的流速下，氣體從入口202到反應室的不受限制的擴散會在入口的二側產生再循環區，并可能產生下游渦流。這種再循環效應可能引起沾污物的重新沉積。
圖27-29示出了體現上述原理——在襯底的被處理表面上產生非再循環片流—的反應室。實施例還在氣流管道入口處提供了均勻的氣流。這種反應室200于是設計成使沾污物從被處理的表面盡可能多地清除并盡量減少重新沉積。
反應室200包括一個同小型混合室206進行流體連接的入口202，混合室本身又包括一個低壓充氣箱230和一個鄰接的溝槽204。充氣箱230在其端面接有過濾裝置226和垂直柱228。
過濾裝置226位于氣流管道232的入口且用二個可調定位子208限制定位。在過濾裝置各元件周圍裝有諸如聚四氟乙烯墊圈、O形環或橡皮圈之類的密封(未示出)，以防止氣流從混合室206分流到氣流管道232。
氣流管道232延伸到過濾裝置226的下游且包括一個用來安放襯底樣品(未示出)的凹槽214。此凹槽的尺寸定為使樣品被處理的表面同管道表面齊平。為了在處理過程中約束樣品，可通過真空抽氣口216和真空管道218將真空加于樣品背面。
在接受襯底樣品的凹槽214上方排列一個石英片220，輻照則按前述方式通過220。石英片220分別用可移去的平板和適當尺寸的O形環來固定和密封在反應室200中。
凹槽214的下游是出氣管210，它位于帶有“蘭金橢圓”形狀結構的氣流管道部位中。如眾所周知，蘭金橢圓的形狀考慮到了進入沉落點(Sink Point)的均勻氣流的非粘性氣流解。在本文中，蘭金橢圓結構用來將氣流引至出氣管210同時避免在氣流管道232中的氣流再循環。
“蘭金橢圓”用下列方程描述(結合圖36)y=R2-a22a(θ1-θ2)---(14)]]>其中R是蘭金橢圓同X軸正側的截距。
氣流在入口202處開始通過反應室200。此氣體可從裝有控制氣體壓力和流速的合適的壓力調節器(未示出)的壓縮氣瓶饋向入口。氣源用適當的管道連接到入口。氣體從入口202被引導來沖擊溝槽204的平坦表面。當離開溝槽204后，氣流進入充氣箱230，然后向過濾裝置226行進。
很明顯，從充氣箱230出來的氣流是不均勻的，它橫穿充氣箱出口平面時其速度是變化的而且存在著不平行于氣流管道軸的速度分量。如上所述，需要消除這二種情況以便進入氣流管道的氣流具有如圖30所示的平行于氣流管道232的軸的均勻速度分布。這可用過濾裝置226來實現。
過濾裝置226排列在工作室200的氣流管道的入口處。當氣流被強迫通過過濾裝置226時，氣流條件被改變以便產生沿橫越氣流管道232的寬度和高度方向均勻而平行的速度分布。為使氣流損失保持在可接受的限度以內，最好是限制橫跨過濾器的壓力降為1-2psi。過濾裝置最好包括一個諸如Pall UetrafineFiltration公司提供的那樣的多孔燒結金屬過濾器。
所需過濾器的數目和類型由氣流條件確定。例如，對于0-500cc/s范圍內的空氣流，圖31提供了選擇具有1-2psi最大壓降的過濾器的數據。實線1F-4F表示一系列被標記為pssF級的Courser網格Pall過濾器。虛線1H、2H、3H和4H表示一系列被標記為pssH級的細網格Pall過濾器。
對于70cc/s的起始設計條件，圖31指出1H過濾器可能提供所需的1-2psi的壓降。圖30得到的這一指示已被實驗證實。
圖31提供的信息是關于空氣的，由于空氣主要由氮組成，因此上述信息對氮也適合。對于氬和氮之類的其它惰性氣體，這些數據需要調整。
對于用來處理直徑約為6英寸的襯底樣品的工作室200，氣流管道232的寬度約為6.5英寸(16.51cm)面高度約為0.125英寸(0.31cm)，這就導致截面積約為0.8125平方英寸(5.24cm2)的氣流管道。工作室總體尺寸為10英寸×20英寸(25.4cm×50.8cm)。此工作室在入口202和出口210處都裝有直徑為0.25英寸(0.6cm)的管道接頭，這對于直至500cc/s的流速是合適的。對于更高的流速可能需要更大的接頭。
采用氬時，維持片流所能達到的最大速度用解v的雷諾數方程的辦法來確定。對于氬即為V-=2000·(0.134cm2/s)0.16cm---(16)]]>或1.675cm/s。達到這一速度所需的流量用方程(11)確定Q＝(1，675cm/s)(5.24cm2)(17)或8.777cm3/s。
工作室中的氣流可用熟知的液體動力學原理(包括Navier-Stokes方法、連續方程和邊界層方程)來模型化，工作室中的氣流模型可用公式來表示。依賴于諸如氣體類型和體積流率之類的輸入，可以計算雷諾數。人們也能夠確定離氣流管道入口距離選定處的速度分布。
例如，若采用流率為1000cc/s的氬，其平均流率將為191cm/s而雷諾數為233。入口長度將為30mm。對于某些ζ=XE---(18)]]>的值，圖37示出了得到的氣體速度分布(其中x為軸向距離，E為氣流的入口長度)。此例中，入口長度約為30mm。圖37中的速度分布示出了局部速度對平均速度之比(U/U-m)與到氣流管道表面距離y之間的關系。
根據本發明的方法和設備，惰性氣體以基本上如前所述的方式饋至工作室200。氣體由氣源供給并連續地于片流區流過襯底表面上方。可用合適的閥門調節器和流量計對氣流進行調節和監視。
顯然，為在商業環境下實現本處理設備和方法，可以對本實施進行多種修改，特別是有關本處理方法在圖32所示的常用的集束加工裝置中的使用更是如此。
典型的集束裝置包括一個中央襯底安裝室320，其中在各加工步驟之間安置有襯底321。安裝室周圍有各種加工裝置機箱302、304、306和308，而且襯底321按預先編定的加工步驟被引入各個機箱。
清洗工藝單元可方便地置于裝料單元312中或卸料單元310中或者置于二者之中，而且可以用片流來實施本處理設備和方法。在將襯底321放入加工室320之前，可在裝料單元312中進行清洗處理。同樣，在加工室320中完成加工之后也可在卸料單元310中進行清洗處理。
集束裝置中的加工室320一般被裝配來作低真空條件下的運行(從亞大氣壓至1×10-3乇)。盡量減少中央加工室320和清洗加工單元之間的氣流是可取的，這種氣流可能擾亂它們之間交界周圍各工作室側壁上的潛在沾污物，引進另一個沾污源。因此，商業上可能最好在與加工室320相同的壓力下運行清洗單元。如上所述，在這種壓力下可滿意地運行此處所述的工藝。
同樣顯見，在各種應用中引入氣流輔助裝置(fluid flowaids)控制工作室中的氣流條件(壓力和流量)同時在襯底表面上保持片流可能是可取的。通常，氣體通過工作室的流率和氣體在工作室中的靜壓力將由饋向入口的氣體壓力和流量以及由出口處的壓力所支配。
例如可設想在氣體入口區使用氣體壓縮機來增加從高壓氣瓶(如上所述)引入到工作室入口202的氣體。這一增加比之不提供這種增加的情況下，可使氣體或者在較高的靜壓力下以相同的相對速度通過工作室、或者以較高的速率在相同的靜壓力下通過工作室。同樣，可設想用一個連接于氣體出口區的真空泵來增加通過排氣口210排出的氣流。如果工作室要保持在亞大氣壓的壓力下，這將是必須的。出口和入口控制也可以組合起來。2、不規則形狀表面的處理圖2-4和27-29所提出的實施例主要用于硅片之類的平面狀即平坦襯底的處理。因而，其應用局限于可方便地固定在加工室之中并具有可適當地暴露于從通常固定位置發射的輻照的配置的那些襯底表面。
圖5-26則提出了可從具有不規則形狀的內外襯底表面的、或更具體地說具有處于非重合地相關的各平面的表面的物體清除表面沾污物的實施例。這種平面包含除了那些占據相同空間或平面的以外的全部襯底表面之間的可能關系。例如平行或成角度的各表面，諸如管道相對的內壁或方形工作室中的相鄰側壁都分別占據非重合地相關的平面。
重要的是圖2-4和27-29所指出的設備不能夠處理這種襯底表面。這些設備嚴格局限于單一平面狀襯底。相反，圖5-26的設備可有效地處理相繼地或同時地占據非重合地相關的平面的表面，下面進行更全面的討論。
雖然在這些圖中未曾示出，如上所述，可以把諸如上述的氣體分析器2 7和粒子探測器結合到這些實施例中以方便源14選擇能量和波長的調節。從科羅拉多州Boulder市Particle MeasuringSystem公司和加州Mountainview市Tencor Instruments可獲得合適的粒子探測器。
圖5示意地示出了從諸如管道71的細長封閉管道清除沾污物的設備80。輻照源14出來的輻照被引導通過輻照管道50，它是諸如一束光纖之類的光波導，同時襯底處理表面的氣體入口從氣源16經由氣體路線51通向被處理的表面。輻照管道50和氣路51在纜道接頭53處或其前會合，可合并成一個單一的纜道52。連接于纜道52的端點的纜道接頭53包括輻照管道54(它可以是一個或多個光纖)和氣體管道55。圖6-11剖面圖示出了纜道接頭53的各種結構。
纜道接頭53端頭處的輻照管道54和氣體管道55的幾何形狀和結構可根據具體應用所要求的輻照和氣體湍流的強度和分布來選取(亦即細長的封閉管道或更擴展的平面表面)。例如，圖6和7分別示出了偏向于增強輻照暴露和氣體湍流的結構。而且，圖6-9提供了傳送不均勻氣量和/或輻照(當它們反復地正常通過表面上方時)的幾何結構。這些同圖10和11所提供的正常地射向表面時的氣體和輻照的均勻分布相反。作為變通，圖8和9提供了一種通常平行于纜道接頭53軸線饋向表面時相對均勻的分布，下面將更具體地討論。雖然通過采用纜道接頭53而增強了對氣體和輻照的控制，仍可預料在某些應用中完全可以不要這個元件，而使氣體和輻照簡單地直接從氣體管道51和輻照管道50的端頭發出。
纜道接頭53除了使多路輻照管道54和氣體管道55變得更方便之外，還提供了將輻照和氣體重新引向襯底被處理表面70的裝置。當設備80被用來清洗諸如圖12和13所示的管道71的窄管道的內壁時，這種重新引導是必須的，其中的纜道接頭53的軸線一般須平行于被處理表面70。
如圖15所示，輻照管道54和氣體管道55從纜道接頭53的中線向外張開，從而將輻照和氣流引向待清洗的管道的內壁。如圖15和16分別所示，從纜道接頭53的中線向外翻的角度可在幾度至90°以上的范圍。纜道接頭53的結構根據清除沾污所要求的氣流流率和光子能量而專用。更具體地說，對于特定的沾污物和襯底，纜道接頭53以合適的密度和入射角度而引導輻照，同時在被輻射的襯底部位上維持連續的惰性氣體流。
在操作中，設備80(更具體地說是纜道52和纜道接頭53)可分別如圖12和13所示沿正向或反向地橫穿一個細長的封閉管道71。當如圖12中箭頭60所示正向移動時，纜道接頭53可如圖15所示地構造。輻照管道54和氣體管道55可分別排列在纜道接頭53的內管道和外管道之中。這樣，從通過輻照管道54傳送的能量對襯底表面70的輻照將出現在氣體管道55排放端發出的氣流的下游，因而所有取出的沾污物在纜道接頭向前移動時會被排放的氣體連續地推向纜道接頭53的前方。
作為變通，纜道接頭53也可沿圖13中箭頭61所示的反方向移動。當反向移動時，纜道接頭53′可如圖16所示構造。輻照管道54和氣體管道55可分別排列在纜道接頭53′的外管道和內管道中。從氣體管道55排放的氣體沿纜道和管道71之間的環狀空間中的纜道52流回。這樣，被通過輻照管道54的能量所輻照的襯底表面70的部位將被氣體蓋滿，因而所有被取出的沾污物在纜道接頭沿管道反向移動時會被氣體連續地沿纜道接頭53′的運動方向推動。為了防止載滿沾污物的氣體進入已經處理過的管道部位，在最靠近先被處理過的部位的管端處可安置一個管帽。或者如圖16所示在纜道接頭53′的端上安裝一個帽53a′。此帽的外徑稍小于管道71的內徑，使帽和管之間的環流區大大小于管道71和纜道52或纜道接頭53′之間的環流區。因此，氣體將從帽53a′向纜道52流走。
在正向和反向移動結構中，從氣體管道55排放的惰性氣體的恒定流率都足以從被處理區域移走沾污物。此氣流也可用來在待清洗的細長的封閉管道之中使纜道接頭53對中。如圖14-16所示，氣體管道55可構造成從纜道52的中心線向外的環形。只要加上足夠的氣體壓力，氣體管道55出來的均勻的向外的氣體就可使纜道接頭53在細長的封閉管道中對中。
作為變通，如圖17和17a所示，可在纜道接頭53周圍放置由穩定的不脫落顆粒的材料組成的柔性多孔支持結構56用來對中。為避免沾污已清洗過的表面，無論纜道接頭53向前(箭頭60)或向后(箭頭61)移動，支持結構56決不能接觸被處理過的表面。這樣，支持結構56就必須在輻照處理之前通過襯底表面。在這種應用中，此結構的多孔性必須足以在纜道接頭53橫穿封閉的管道時允許氣體和被取出的沾污物能夠流過它。在圖17所示的正向移動實施例中，氣體管道55和輻照管道54(未示出)可從纜道接頭53的側面引出而不像圖14和15那樣從表面引出，以便將支持結構57安裝在氣體和沾污物氣流的下游。
當細長的封閉管道的內部由反射性足夠的材料如正常退火的316不銹鋼構成時，高能燈或帶有安裝在其端點的光擴散器57的輻照管道50可簡單地在管道入口處發射輻照11并可使輻照11如圖18所示地反射通過內部70′。細長管道71′的內部70′的反射性足以使輻照11橫穿內部而不需移動輻照源。以本領域眾所周知的方式傳送到管道71′入口的惰性氣體18確保顆粒一經從襯底表面70′脫落就被移到下游。此外，也可由316不銹鋼構成的反射器58被固定在管道71′入口附近以防止輻射和氣體倒流。
可以預料，也可以用液體而不是氣體作為惰性媒質來帶走通過輻照從狹窄的細長管道取下的沾污物。在從血管內壁清除瘢粒的過程中，這種修改是特別有用的。在這種應用中所加輻照的特征是其能量和持續時間應處在從被處理表面釋放表面沾污物所需的量和可能損傷或從外部損傷脈管結構的量之間。
與細長的封閉管道相似，設備80，或更確切地說是纜道52和纜道接頭53也可用來清洗諸如工作室內壁那樣的更大的內壁。此時，纜道接頭53可做成不帶外翻，以便輻照和惰性氣體沿纜道軸線從纜端直射出來。當橫掃過這種表面時，可用手工或機械控制來引導該裝置。
例如在圖19中，工作室15″包括一個與纜道53的氣體管道55連在一起的氣體入口和氣體出口25。在工作室中，裝在基底83上的機械臂81提供了圍繞被當作襯底被處理表面70的工作室內壁移動纜道接頭53的裝置。機械臂可作360°旋轉，基底則可如箭頭62所示上下移動，從而可處置工作室的整個內壁。當用纜道接頭53的管道54和55將輻照和氣體傳送到襯底被處理的表面70時，沾污物被從表面取下并由重力和氣流拉向出口25。
作為變通，圖20示出了一個工作室清洗裝置，其中的氣體出口位于工作室的頂部。如圖19中那樣，裝在基底83上的機械臂81提供了繞工作室內壁移動纜道接頭53的裝置。但此時重力不能使脫落的沾污物移向氣體出口25。因此，如箭頭55′所示提供了一個第二氣流來維持工作室15″底部的恒定湍流。這一第二氣流產生延伸于整個工作室深度的向出口25的氣體恒定運動。因而，當襯底表面70從底部到頂部被清洗時，沾污物被第二氣流55′產生的向上流動的氣流攜帶并從出口25排出。可以預料，工作室15″可加上一個或多個第二氣源以適應不同的工作室形狀和氣體出口位置(亦即側面安裝)。
除內壁外，纜道52和纜道接頭53也可用來從不規則形狀物體的外壁清除沾污物。例如在圖21中，工作室15′裝有氣體入口23和出口25以便大量氣流18橫穿工作室。在工作室中，裝在基底82上的機械臂81提供了繞含有襯底被處理表面70的物體72移動纜道接頭53的裝置。轉盤84使對物體72的整個表面70的接近簡易化了。纜道接頭53中的管道54和55將輻照和足量的氣流傳送到被處理的指定區域以便從襯底表面70取下沾污物。沾污物一經從被處理區取下，即進入大的氣流18并經由出口25從工作室15′被清除。如上所述，此排出的氣體可用氣體分析器和粒子探測器加以監視以方便輻照源14(未示出)選擇能量和波長的調整。
圖21的原理同樣用到了圖22，其中的物體73包括一個諸如繪畫上所見的更為平整的襯底處理表面70。
可以預料不規則形狀物體的外壁可用前述工藝成功地處理而不需使用工作室，這僅要靠管道51提供的氣體。這種設備可做成手提式，其中用目測來度量去沾污是否足夠而不用氣體分析器和/或粒子探測器。
在有些不規則形狀表面應用中，借助于將氣體整個從輻照傳輸裝置分開而改變設備80可能是有利的。例如，當從工作室內部清除沾污物時，可經由圖23所示通過支架85在工作室中放置一個或多個諸如紫外燈之類的輻照源。當紫外燈照射工作室內部70(襯底被處理表面)時，可從一個或多個入口23提供氣體18以便經由出口25將取下的沾污物從工作室15排出。氣流18可如前所述用閥門22控制。或者，也可如圖24所示經由管道50和機械臂81將輻照傳送到工作室15的內部。
最后，如圖25和26所示，可采用一排高能燈59來產生輻照，它們以足以剝落沾污物的輻照量基本籠罩著物體74的襯底被處理表面70。物體74可以是一輛裝甲車，它被暴露于“活動房”屋85中的燈59的照射下，同時用風扇86加速的惰性氣體18流過襯底表面70的上方。從空間位置上屏蔽的區域可逸出由風扇86或排燈59的輻照所產生的氣體湍流，可使用一個或多個設備80(未示出)來接近這些區域。3、用重力實現的附加處理在本發明設備和方法的另一實施例中，用提供一種在處理過程中可使襯底處于倒裝位置的方法試圖增加某些優點。通常，當沾污物從襯底表面剝落時，惰性氣流傾向于帶走沾污物，因而，避免可能賦予沾污物垂直于襯底表面的速度分量的氣流條件，可以減少沾污物重新沉積在襯底上的機會。然而，若襯底安排成使被處理的表面位于最上方時，重力施加在被剝落的沾污物上的力將指向襯底表面，這傾向于加快重新沉積。于是，通常最好是將襯底安裝成使被剝落的沾污物傾向于從襯底落開而不要落向襯底。但顯然，當考慮另一些工藝因素時，倒裝襯底可能是不可取的。
參照圖33，通常認為襯底301常可包括大量的阱或空腔305，其中可能帶有沾污物303。這種襯底特別適合于安裝成倒裝位置以便使重力起避免重新沉積的作用。以同前述相同的方式，與來自輻照源313的輻照309一起，向被處理表面提供了一個惰性氣流307。輻照從石英窗口311通過。當然，必須提供某些諸如圖27所示的真空管道216的裝置以便將襯底保持在倒裝位置。
顯然，當腔305的外形尺寸比(深度比寬度)增加時，滲透到腔底部協助清除沾污物的惰性氣流更少。為此也試圖在襯底301如圖34和35所示那樣倒裝的情況下的處理過程中引入一個第二惰性氣流315到主惰性氣流307中。第二惰性氣流315可大致垂直于襯底301平面而引進以便使額外的氣流有助于輻照效應和主氣流307從阱或空腔305剝離沾污物303。氣流速度不要達到會干擾主氣流307以致產生非片流(即湍流)條件的程度。如圖41所示，可預料第二氣流315會引入一個通常沿腔壁流經空腔305的氣流325。雖然這可以認為牽涉到了氣流再循環，而且氣流有了垂直于總體表面的平面的速度分量，但局部看來，實際上它應該具有一個相當小的垂直于空腔壁和底的分量。這樣，氣流應當有助于沾污物的清除而不會加快重新沉積。
第二氣流315可以以任一確定為最有助于剝落沾污物303的角度引入。同樣，如上所述，可能最好是將入射輻照309定向為同襯底平面成一定角度以便以盡可能垂直的角度照射空腔的各個側壁，從而增強沾污物從壁上的清除。當然，入射角將受腔的形狀比的支配。
權利要求
1.一種從襯底被處理表面清除表面沾污物同時保持被處理表面的晶體結構的方法，它包含下列步驟在橫跨上述被處理表面上引入一個氣體片流，上述氣體對被處理表面來說是惰性的；以及用高能輻照照射上述被處理表面，上述輻照的能量密度和持續時間足以從被處理表面釋放表面沾污物而不足以改變被處理表面的晶體結構。
2.根據權利要求1的方法，其中所述的氣體片流起源于被強迫通過位于上述被處理表面上游的過濾器的氣流。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于，其中所述的氣體片流起源于被引入到設置在上述過濾器上游的混合室的氣流。
4.根據權利要求1的方法，其特征在于，其中在上述的引入片流步驟之前，上述被處理表面與被配置成用來提供上述片流的氣流管道的表面齊平。
5.根據權利要求4的方法，其特征在于，其中所述的襯底表面借助于真空限固在氣流管道的上述表面上。
6.根據權利要求1的方法，其中在引進上述片流之前，上述被處理表面以上述被處理的表面相對于重力以面朝下的方式安置在氣流管道中。
7.根據權利要求6的方法，其特征在于，其中相對于上述片流以一定的角度向上述被處理表面引入一個第二惰性氣流。
8.根據權利要求1的方法，其特征在于，其中所述的片流起源于位于上述被處理表面上游的壓縮機的作用而增加的氣流。
9.根據權利要求1的方法，其特征在于，其中所述的片流起源于借助位于上述被處理表面上游的泵的作用而增加的氣流。
10.根據權利要求1的方法，其特征在于，其中所述的片流被位于上述被處理表面下游的抽氣泵抽至出口。
11.根據權利要求1的方法，其特征在于，其中所述的氣體片流是一個氬氣片流。
12.根據權利要求1的方法，其特征在于，其中所示的片流以基本均勻且基本平行于被處理表面的速度分布橫穿被處理的表面。
13.一種從襯底被處理表面清除沾污物同時保持被處理表面的晶體結構的設備，它包含一個對被處理襯底來說是惰性的氣體的儲存罐；一個用來支持上述襯底的上述被處理表面并用來從上述儲存罐將上述惰性氣體的片流引到上述被處理表面上方的機箱；以及一個用具有足以從被處理表面釋放表面沾污物而不足以改變被處理表面晶體結構的能量密度和持續時間的高能輻照照射上述被處理表面的輻照裝置。
14.根據權利要求13的設備，其特征在于，其中所述的機箱包括一個帶有用來容納上述被處理襯底的凹槽的氣流管道。
15.根據權利要求13的設備，其特征在于，其中在上述氣流管道的入口區處安置了一個過濾裝置，用來在上述片流中產生一個大體均勻且大體平行于上述被處理表面的速度分布。
16.根據權利要求14的設備，其特征在于，其中所述的機箱包括一個用來混合來自上述氣體儲存罐的氣流的混合室，上述混合室安置在上述過濾裝置的上游。
17.根據權利要求13的設備，其特征在于，其中所述的機箱包括一個用來將上述被處理表面限固在上述凹槽中的真空機構。
18.根據權利要求13的設備，其特征在于，其中所述的機箱包括一個用來使上述被處理表面相對于重力面朝下地固定的凹槽。
19.根據權利要求17的設備，其特征在于，其中所述的機箱包括用來將第二惰性氣流引至上述被處理表面的裝置，上述第二惰性氣流相對于上述被處理表面以一定的角度指向上述被處理表面。
20.一種從襯底被處理表面清除表面沾污物同時保持被處理表面晶體結構的設備，它包含一個對被處理表面來說是惰性的氣體的儲存罐；一個用來相對于重力面朝下地支持上述被處理表面并用來將來自上述氣體儲存罐中的上述惰性氣體流引到上述被處理表面上方的機箱；以及一個用具有足以從被處理表面釋放表面沾污物而不足以改變被處理表面晶體結構的能量密度和持續時間的高能輻照來照射上述被處理表面的輻照裝置。
全文摘要
一種從襯底表面清除表面沾污物的設備和方法，其在襯底表面(12)上方提供一個惰性氣體(18)的片流，同時對襯底進行輻照。本發明使得能夠清除表面沾污物而不改變下方襯底的分子晶體結構。高能輻射源包括脈沖或連續波激光器或者高能燈。
文檔編號B08B7/00GK1125917SQ94192170
公開日1996年7月3日 申請日期1994年4月11日 優先權日1993年4月12日
發明者A·C·恩格斯堡 申請人:大鍋有限合伙人公司