用於盤狀襯底除氣的裝置的製作方法

2023-07-07 19:31:11

專利名稱：用於盤狀襯底除氣的裝置的製作方法
用於盤狀襯底除氣的裝置 本發明涉及一種根據權利要求1的用於盤狀襯底除氣的裝置以及一
種根據權利要求13的用於盤狀襯底除氣的方法。
就當代真空處理設備而言，在這種全自動的真空處理系統中對圓形 的扁平襯底或工件(也稱為晶圓)進行表面處理，例如塗層、蝕刻、清 潔、熱處理等。為了使得這種過程自動化和為了能夠在不同的設備區域 中進行多階段的過程，在此使用自動的輸送系統——種操作機器人。特 別地，在這種過程中，對半導體晶圓的處理要求很高的處理質量，特別 是例如高純度、高精度和對襯底的謹慎處理。由於上述高的要求，這種 設備優選具有閘門室，其中晶圓從大氣環境進入到真空室中，然後進入 到處理站中，或者通常相繼地進入多個處理站中，以便可以進行所要求 的表面處理。在此，晶圓藉助輸送裝置優選在水平的輸送平面中從閘門 室進入到處理室中，其中在晶圓置於處理室中之後通常將處理室封閉， 以便在那裡在所要求的真空處理環境下進行處理。當需要多個處理步驟 時，晶圓通過同樣的方式再次從純淨的處理室中被輸送出來，並且為了 後續的處理步驟而輸送到其它處理室中。其中一種特別有益的設備是所 謂的集群系統。在這種系統中，圍繞基本處於中央的輸送室的周圍設有 閘門室和處理室或多個室。在多於一個的閘門室的情況下，特別是在多 個處理室的情況下，這些室以星形方式圍繞處於中央的輸送室設置。於 是輸送裝置位於該處於中央的輸送室中，並且一方面可夠到至少一個閘 門室，另一方面可夠到處理室。在輸送室和餘下的室之間通常且優選設 有所謂的閘i' :i閥，以便能夠在過閘過程中或者在處理步驟期間使得這些 室相互隔離。於是在輸送晶圓的過程中，輸送裝置相應地經過打開的閘 門，以便將晶圓放置在所希望的位置。閘門室和可分離的處理室一方面 用於使得不同的氣體相互隔離，特別是用於阻止不希望的汙染物，這些 汙染物可能會導致處理過程中的汙染。
在這些真空過程中，例如特別是為了沉積薄層，襯底表面的清潔度 和質量很重要，並非常明顯地影響著例如所沉積的層的質量。在真空環 境下，可以在襯底上找到的主要物質是水或水蒸氣和有機物質。這些汙 染物質在襯底表面上被吸收，且通常通過提高所述汙染物質的蒸汽壓
力，例如通過提高溫度被去除。這種溫度提高例如通過對村底的紅外輻 射，或者通過對襯底的加熱，通過傳導即熱傳導來產生。當襯底上達到 所提高的溫度時，需要一種附加的有效的抽氣機構，以便能夠將從襯底 表面流出的、現在以氣態存在的汙染物抽出。此點通常通過在低的真空 壓力下抽出來實現。
在

圖1中示出飽和有水蒸氣的金屬表面的除氣特性曲線的實例。曲 線1為金屬表面上的水蒸汽的停留時間t。關於襯底的表面溫度Tw的曲
線。停留時間to作為表面上的被吸收物的襯底溫度Tw的函數符合如下 公式
其中NA是阿伏加德羅常數，kb是玻爾茲曼常數，To是固體材料的特徵 振動周期(約為10"3秒)，Eads是金屬上的水的吸收能量(約為105焦 耳)。相似的曲線適於真空系統中的襯底特性。圖2中示出一種具有兩
個平行的板的裝置，其中一個板是襯底2，另一個板是外圍3。可以設 有朝向襯底的氣流4和離開襯底的氣流5。當系統在經過一定的停留時 間後達到平衡時，可以基於襯底2和外圍3之間的溫度差達到最大的除 氣效率。在這種情況下，除氣不再獨立於過程持續多久而改變。為了使 得平衡朝向襯底上的最低被吸收物濃度移動，如前所述，以公知的方式 通過一種抽氣裝置來抽出，其中該抽氣裝置在圖3中以抽氣孔6示意性 地示出。在這種情況下，被吸收物濃度與溫度平衡和從系統中實際去除 的被吸收物成比例。此點最好取決於抽吸功率、抽氣孔6和時間。因此 較大的抽吸功率或較長的抽吸時間會導致改善的結果。但如前所述，此 點會導致必需大功率的抽吸、長的抽吸時間或高的溫度。在這種系統中， 超高真空和400攝氏度的溫度並非不常用，以便針對除氣周期實現足夠 短的例如30s的處理時間。
在基於輻射加熱的系統中，在系統中必須使用高的能量值，以便補 償這種系統的較低的熱效率。作為單個的除氣單元，這種系統尚可工 作。作為嵌入在較大系統中的除氣部件或模塊，這種系統的冷卻要求非 常昂貴和複雜。另外在很多情況下，襯底是其周圍中最冷的部件之一，因此不會表現出良好的除氣特性。
傳導的加熱裝置或帶有熱傳導機構的加熱裝置本已是一種改進的 方案。在這種情況下，襯底通常粘接到被加熱的體上，其中在體和襯底 之間導入氣體，以便產生從體到襯底的熱傳導。抽氣系統用於去除汙染 物，這些汙染物來自於未遭受接觸氣體的一側。
這兩種技術都是高真空方法。系統的效率主要由抽氣系統的效率決 定。環境中的真空度越高，系統的除氣效果就越好。但這導致抽氣系統 很大且很昂貴。另外，需要較長的處理時間來去除被吸收物。這又導致 很長的不希望的處理時間，其降低了生產系統的經濟性。在使用較高的 溫度時，處理時間會縮短，但這在很多情況下由於這種襯底的敏感性是 不希望的或者甚至根本不可能。
本發明的目的在於，克服現有技術的所述缺點。該目的特別是在於， 實現用於為盤狀的襯底、特別是半導體晶圓除氣的一種裝置和一種方 法，該裝置具有高的效率，且在小心謹慎地處理襯底時可以縮短處理時 間，由此可以在生產過程中實現高的經濟性。根據本發明，所述目的通過根據權利要求1的用於為盤狀的襯底除
氣的裝置和根據權利要求13的方法得以實現。從屬權利要求限定了其
它有益的實施方式。
根據本發明，本發明的解決方案在於用於為在真空的環境2中的 盤狀的襯底、特別是半導體晶圓除氣的裝置包括基本扁平的平行的體， 所述體間隔設置，且間隔小於所述體的縱向長度或直徑；和由此形成一 個中間腔，在該中間腔中，襯底設置在所述體之間，所述體中的至少一 個體在邊緣區域中突出，其中在至少一個體中設有氣體供應機構，用於 在中間腔中產生沿著所述體和沿著襯底在徑向方向朝向所述體的外圍 的層流的氣流；和在那裡設有抽氣孔，用於將氣流抽出。
其中對裝置進行幾何結構設計和對氣流狀況進行調節，從而在板狀 的體之間沿著襯底表面實現處於層流區域中的氣流，和所述體之間的氣
體在處理期間多次更替。層流的氣流在如下情況下產生，即平行於襯底 表面的氣體運動受氣流驅動，和垂直於襯底的各種物質移動受擴散驅 動。這種狀況可以通過如下方式來產生，即在預先給定襯底尺寸並由此 預先給定所述體的尺寸的情況下，對所述體的間隔或所形成的中間腔的 間隙寬度進行選擇，從而在設計有氣體供應機構和形成壓力狀況(它們
決定了氣體量連同抽吸功率)的情況下，會出現所希望的層流。針對除 氣過程還設有加熱機構，該加熱才幾構例如設置在一個或兩個+反內，並對 襯底進行加熱，以便附加地加速除氣過程。採用這種除氣裝置可以明顯
地提高除氣效率和/或明顯縮短除氣時間，例如提高了大於係數2。在通 常的用於半導體晶圓的處理設備中，各個處理步驟的處理時間決定性地 決定了設備的產能，並由此決定了設備的經濟性。其中特別是持續時間 最長的處理步驟具有決定意義。迄今為止，持續時間最長的步驟通常是 對於為襯底除氣來說必需的處理步驟。簡單的例如在原理上說明除氣的 過程對於設備產能來說沒有決定的意義，而是具有局限的意義。在實際 設計這種半導體系統時，這種除氣步驟例如在大約30s內就應結束，從 而可以為餘下的處理步驟或處理時序實現約50s的時間。這20s的時間 差對於抽吸過程和襯底的輸送和把持來說是必需的。
下面舉例地對照附圖詳細i:兌明本發明。圖中示出
圖4為平行設置的扁平的襯底和間隔設置的扁平的體的局部橫剖視 圖，根據本發明在它們之間存在層流的氣流；
圖5為本發明的裝置的示意性的橫剖視圖6示出氣體供應機構的實例；
圖7為根據圖6的氣體供應機構的氣體供應孔的詳細橫剖視圖； 圖8為具有設置在兩個體中的加熱部件的除氣裝置的示意性的橫剖 視圖9為具有設置在一個體中的加熱部件的除氣裝置的示意性的^f黃剖 視圖，襯底平放在該體上；
圖10為具有設置在一個體中的加熱部件的除氣裝置的示意性的橫 剖視圖，襯底表面與該體相對；
圖11為襯底上的殘留水關於溫度的根據本發明設有層流的氣流時 和根據現有技術沒有氣流時的曲線圖，
根據改進的方法，可以有效地排出被吸收物，根據本發明，通過如 下方式來影響襯底表面區域中的被吸收物濃度，即儘可能地消除或避免 如圖2所示朝向襯底2的被吸收物流4，由此使得所述平衡移動。
如果在襯底2的表面區域中產生未被吸收的氣體7的層流的或紊流 的氣流，則事先預調節的考慮到平衡的模型顯著地變化。這種設置示意 性地在圖4的剖視圖中示出。如果兩個盤之間的氣流是層流或紊流的，
那麼氣體中的氣體微粒的自由路徑長度明顯短於系統的標誌性尺寸，即
村底2和相對設置的盤3之間距離8。此點也適於從襯底表面蒸發的被 吸收物的短的自由路徑長度，由此從襯底2蒸發的各種物質9都是氣流 7的一部分， 一旦該物質已離開襯底表面。於是一旦襯底溫度達到一定 的值，此時被吸收物的停留時間相比於通常的處理時間非常短，那麼可 以認為，被吸收物與襯底表面彈性地碰撞，由此形成惰性的氣流的圍繞 襯底的組成部分。在例如對於30s的處理步驟來說停留時間達到百分之 一s時便為此種情況。當達到如下溫度值時會達到這些停留時間，即例 如根據圖l的曲線l,溫度從430至480開氏度，其約等於160至200 攝氏度。當達到這些溫度時，釋出物將是氣流7的組成部分，這種釋出 物的運動路徑尚僅取決於氣流速度。出於這個原因，必須產生一種氣流， 這種氣流在所選擇的處理時間內在襯底的區域中產生完全的氣體更替。 有益的是，進行多次氣體更替，優選多於五次，以確保完全消除被吸收 物。為了產生氣流，優選使用惰性氣體，其中氬氣是特別有益的。
本發明的一種有益的設計在於，應被除氣的襯底IO設置在長度為1 的兩個體11,12之間，這兩個體以距離d相間隔，並在那裡形成中間腔 28，如圖5的剖視圖所示。其中襯底10通過加熱裝置被加熱到較高的 溫度，例如20(TC。在至少一個體11,12和襯底IO之間將產生氣流13, 該氣流13形成沿著襯底10的整個表面的層流的氣流。在襯底10的或 至少一個體11,12的邊緣區域中設有最好環繞村底10的抽氣孔14，氣 體連同汙染氣體一起經由該抽氣孔被抽出，由此從系統中被去除。對於 圓形的襯底IO(其例如用於優選的半導體晶圓或存儲盤)來說，用於氣 體供應機構13的氣體可以被噴射經過帶有孔18的體15,這些孔18以 如下方式設置，即徑向流16從中央朝向外圍調節。這種設置可以結合 以環形地設置在外圍的抽氣孔17或者多個環形設置的孔。利用這些環 形設置的抽氣孔17,以如下方式確定或限定抽氣裝置的抽氣速度，即主 要通過氣流而非通過泵尺寸(Pumpabmessungen)來確定氣流形成，如 根據圖6的三維視圖所示。
襯底10和體11, 12之間的氣流應是儘可能不受幹擾的層流，以便 減小返回至襯底IO的汙染氣流。由此對在襯底IO上方的區域中設計氣 體噴射點產生特殊的要求。在圖7的橫截面中示出具有氣體供應點的一 種優選的進入裝置的一個實例。這些氣體噴射點應產生預定的限定的氣
體流，因此對這些氣體噴射點進行如下設計，即每個噴射點的所述限定 的氣體流受噴射點的設計自身決定。為了能夠滿足該要求，為這些氣體 噴射點設有很小的孔18,以便在該區域中能夠實現高的氣體速度。由此
同樣在所述區域中層流的氣體流結構或分布19受到顯著的幹擾。如前 所述，此點應予以避免，且必需減小噴射的氣體經過孔18的速度，其 方式為，具有4艮小直徑的孔18通入到具有明顯大的直徑的區域中，該 區域形成噴嘴的出口，噴嘴通入到層流的氣流16的區域中。採取該措 施可以將噴射的氣體減速至如下速度水平，即該速度水平不會顯著幹擾 襯底10的區域中的層流的氣流。
根據本發明的另一種設計，包圍襯底10的兩個體11、 12設有加熱 部件23,以便對體ll、 12進行加熱，由此加熱襯底10,此點如在圖8 的橫剖視圖中示意性地示出。在根據圖9的另一種變型方案中，只加熱 一個體12，襯底10位於該體之上，由此襯底與該體接觸。在根據圖10 的另一種優選的變型方案中，優選對與襯底IO相對的體11、 12進4亍加 熱，其中襯底10本身熱浮地、即基本絕緣地設置在位置較低的體11的 上方。通過這種設置可以實現特別簡單地設計除氣站。
本方法的有益的產品的特性曲線在圖11中示出。在除氣之後襯底 10上的殘留水R W (也可以是殘留氣體)表示成單位為攝氏度的襯底溫 度T的函數，其中殘留水RW被標準化地示出(任意單位U.A.)。曲線 26示出根據現有技術無氣體時的效果，曲線27示出根據本發明在使用 具有層流的氣流16的裝置的情況下的效果。作為用於層流的氣流的運 載氣體，使用氬氣。可清楚地看到，通過本發明的裝置，從150攝氏度 的溫度起，襯底的殘留氣體明顯有效地被排出，因此在同樣的裝置和同 樣的時間內在襯底10上殘留明顯少的氣體。
除氣裝置或襯底10的工作溫度可以通過水在晶圓表面上的停留時 間和所希望實現的處理時間來確定。從IOO攝氏度起將達到有益的除氣 值，此時襯底上的所吸收的物質可以在層流的氣流中足夠塊地被排出， 以便能夠通過該氣流將該物質去除。較高的工作溫度一方面通過實際設 計的方案來確定，另一方面通過對敏感的襯底的允許並由此進一步通過 對該襯底的使用來達到。在此將看到，合適的較高的極限溫度為400攝 氏度。在該溫度以上，利用除氣裝置將不會實現明顯改善的作用。如前 所述，對於調節氣流的工作範圍來說重要的是，加熱器的平行板裝置與
襯底10 —起實現層流的氣流。為此還要考慮，在處理期間實現在4反狀 的體ll、 12的中間腔28中的一定的氣體更替速度。其中氣體更替速度 是中間腔28的氣體被完全更換的次數。因此，最佳的氣流範圍在4艮大 程度上取決於對裝置的結構設計。在如下情況下可以實現有利的裝置， 即全部氣流在從300sccm至1000sccm的範圍內，且氣體更換速度在5 至15倍的範圍內，此時處理時間至多為30s。為了保持層流的氣流，在 所述範圍內需要10至50mbar的工作壓力。其中下限由克努森/分子流區 域確定。上限由該裝置的幾何尺寸的雷諾數限定。當壓力進一步提高時， 會出現紊流區域。如前所述，層流區域對於最佳的作用來說是非常優選 的。該裝置特別適於半導體晶圓的除氣，但也適於直徑大於150mm的 存儲盤的除氣，其中這些襯底呈盤狀且厚度為O.lmm至mm。該裝置特 別適於盤直徑在150至300mm的範圍內。但也可以處理大於300mm的 盤，在這種情況下成本迅速上升，產品也不經濟。板狀的體11、 12之 間的體距離d在5至30mm的範圍內，但優選從8至15mm選擇，以便 產生合適的層流。為了把持，該裝置最好水平，並將襯底10置於下面 的板11上，且上面的板12含有氣體淋浴機構(Gasdusche)，其具有加 熱裝置，加熱裝置的熱功率至多約為1200瓦特。
當能夠在晶圓兩側進行除氣時將實現特別好的除氣效果。為此將晶 圓10放置在至少三個針腳28上，所述針腳是帶有尖的銷釘，從而晶圓 10與位於其下方的板狀的體11相間隔，類似於針對晶圓上表面的前述 內容，此點例如在圖11和12中示出。由此可以使得晶圓10無論在上 側還是在下側都被有效地去除釋出氣體或除氣。因此這種裝置是特別優 選的。另一種改進在於，如前面針對表面除氣所述，在晶圓10和下方 的體11之間的間隙中產生類似的層流的下面的氣流29,此點例如在圖 13中示出。在這種情況下，如前面針對上側處理所述，同樣通過在下面 的體11上的小的分布的孔18進行氣體供應。於是這種組合的裝置可以 實現對整個晶圓IO的有效的徹底的除氣。
通過本發明可以實現全自動的半導體處理工藝設備，該設備可以在 使用有效的運輸機器人系統的情況下實現在各個處理步驟之間的有效 的除氣，同時相應地實現經濟的產能。
權利要求
1.用於對真空環境中的板狀的襯底(10)除氣的裝置，具有兩個基本扁平的平行的體(11，12)，所述體具有小於其縱向長度(l)的間隔(d)而形成一個中間腔(28)，所述襯底(10)設置在所述體(11，12)之間並且所述體在邊緣區域中至少突出於所述襯底，其特徵在於，在至少一個體(11，12)中設有氣體供應機構(13)，用於在所述中間腔(28)中產生沿著所述體(11，12)和所述襯底(10)在徑向方向朝向所述體(11，12)的外圍的層流的氣流；和在那裡設有抽氣孔(14)，用於將所述氣流抽出。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，設有用於加熱所述襯底 (10)的加熱裝置(23)。
3. 如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述加熱裝置(23)是 電加熱部件，優選是電阻加熱部件，該電加熱部件優選集成在所述體(11, 12)之一中或該兩個體(11, 12)中。
4. 如權利要求2或3中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述加熱 裝置(23 )在襯底(10 )上產生100至400攝氏度的溫度。
5. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，體間隔(d) 4立於5mm至30mm的範圍內， <尤選為8mm至15mm。
6. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，襯底直徑大 於150mm,優選為150mm至300mm。
7. 如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述襯底(10)為盤狀， 優選為存儲盤，特別是半導體晶圓。
8. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述扁平的 體(ll, 12)基本水平設置，所述襯底(10)優選置於下方的板狀的體(11 )上。
9. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述扁平的 體(ll， 12)基本水平設置，所述襯底(10)優選置於至少三個針腳(28) 上，所述針腳安裝在下方的板狀的體(11)上並確定了間隙狀的間隔。
10. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，在所述襯 底(10)的兩側設有提供層流的徑向的氣流的氣體供應機構(13)。
11. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述氣體 供應機構(13)布置成基本上在所述體(11， 12)中至少之一的中央引向所述中間腔(28)。
12. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述氣體 供應機構至少在所述體(11, 12)之一上，優選在位於上方的體(12) 上設有多個用於形成氣體淋浴的孔(18)。
13. 如權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述孔(18)在體(11, 12)的表面上分布地設置，並在面向所述中間腔(28)的一側優選具有 不同的孔徑。
14. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，氣體供應 機構(13)的設置、中間腔(28)的尺寸設計，連同所述抽氣孔(14) 一起，在所述中間腔(28)中產生層流的氣流，其中優選在30秒的處 理時間內保持5至15次的氣體更換。
15. 用於對真空環境中的板狀的襯底(10)除氣的方法，具有兩個 基本扁平的平行的體(11, 12),所述體具有小於其縱向長度(1)的間 隔(d)而形成一個中間腔(28),和一個扁平的襯底(10)設置在所 述體(ll， 12)之間，其特徵在於，在在所述體(ll, 12)的至少一個 中設有氣體供應機構(13)，其用於在所述中間腔(28)中產生沿著所 述體(ll, 12)和所述襯底(10)在徑向方向朝向所述體(11, 12)的 外圍的層流的氣流；和在那裡通過抽氣孔(14)將所述氣流抽出。
16. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於，通過加熱裝置(23) 加熱所述4十底(10)。
17. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述加熱裝置(23) 作為電加熱部件、優選作為電阻加熱部件來工作，該電加熱部件優選集 成在所述體(ll, 12)之一中或該兩個體(11, 12)中。
18. 如權利要求15或16中任一項所述的方法，其特徵在於，將所 述襯底(10)加熱到100至400攝氏度的溫度。
19. 如前述權利要求15至18中任一項所述的方法，其特徵在於， 將體間隔(d )保持在5mm至30mm的範圍內，優選保持在8mm至15mm 的範圍內。
20. 如前述權利要求15至19中任一項所述的方法，其特徵在於， 對直徑大於150mm,優選在150mm至300mm範圍內的襯底(IO)除氣。
21. 如前述權利要求15至20中任一項所述的方法，其特徵在於， 所述扁平的體(ll, 12)基本水平設置，所述襯底(10)優選置於至少 三個針腳(28)上，這些針腳安裝在位於下方的板狀的體(11)上並確 定一個間隙狀的間隔。
22.如前述權利要求15至21中任一項所述的方法，其特徵在於， 在所述襯底(10)的兩側設有用於形成層流的徑向的氣流的氣體供應機 構(13)。
全文摘要
本發明涉及一種裝置，用於為在真空的環境中的板狀的襯底(10)除氣，具有兩個基本扁平的平行的體(11，12)，所述體具有小於其縱向長度(1)的間隔(d)，並形成一個中間腔(28)，和所述襯底(10)設置在所述體(11，12)之間，所述體中的至少一個體在邊緣區域中突出，其中在至少一個體(11，12)中設有氣體供應機構(13)，用於在所述中間腔(28)中產生沿著所述體(11，12)和所述襯底(10)在徑向方向朝向所述體(11，12)的外圍的層流的氣流；和在那裡設有抽氣孔(14)，用於將所述氣流抽出。
文檔編號C23C14/02GK101361164SQ200680051253
公開日2009年2月4日 申請日期2006年12月4日 優先權日2006年1月18日
發明者B·肖爾特範馬斯特 申請人:Oc歐瑞康巴爾斯公司