CN101361164B - 用于盘状衬底除气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，用于为在真空的环境中的板状的衬底(10)除气，具有两个基本扁平的平行的体(11，12)，所述体具有小于其纵向长度(l)的间隔(d)，并形成一个中间腔(28)，和所述衬底(10)设置在所述体(11，12)之间，所述体中的至少一个体在边缘区域中突出，其中在至少一个体(11，12)中设有气体供应机构(13)，用于在所述中间腔(28)中产生沿着所述体(11，12)和所述衬底(10)在径向方向朝向所述体(11，12)的外围的层流的气流；和在那里设有抽气孔(14)，用于将所述气流抽出。

Description

用于盘状衬底除气的装置

本发明涉及一种根据权利要求1的用于盘状衬底除气的装置以及一种根据权利要求13的用于盘状衬底除气的方法。

就当代真空处理设备而言，在这种全自动的真空处理系统中对圆形的扁平衬底或工件(也称为晶圆)进行表面处理，例如涂层、蚀刻、清洁、热处理等。为了使得这种过程自动化和为了能够在不同的设备区域中进行多阶段的过程，在此使用自动的输送系统—一种操作机器人。特别地，在这种过程中，对半导体晶圆的处理要求很高的处理质量，特别是例如高纯度、高精度和对衬底的谨慎处理。由于上述高的要求，这种设备优选具有闸门室，其中晶圆从大气环境进入到真空室中，然后进入到处理站中，或者通常相继地进入多个处理站中，以便可以进行所要求的表面处理。在此，晶圆借助输送装置优选在水平的输送平面中从闸门室进入到处理室中，其中在晶圆置于处理室中之后通常将处理室封闭，以便在那里在所要求的真空处理环境下进行处理。当需要多个处理步骤时，晶圆通过同样的方式再次从纯净的处理室中被输送出来，并且为了后续的处理步骤而输送到其它处理室中。其中一种特别有益的设备是所谓的集群系统。在这种系统中，围绕基本处于中央的输送室的周围设有闸门室和处理室或多个室。在多于一个的闸门室的情况下，特别是在多个处理室的情况下，这些室以星形方式围绕处于中央的输送室设置。于是输送装置位于该处于中央的输送室中，并且一方面可够到至少一个闸门室，另一方面可够到处理室。在输送室和余下的室之间通常且优选设有所谓的闸门阀，以便能够在过闸过程中或者在处理步骤期间使得这些室相互隔离。于是在输送晶圆的过程中，输送装置相应地经过打开的闸门，以便将晶圆放置在所希望的位置。闸门室和可分离的处理室一方面用于使得不同的气体相互隔离，特别是用于阻止不希望的污染物，这些污染物可能会导致处理过程中的污染。

在这些真空过程中，例如特别是为了沉积薄层，衬底表面的清洁度和质量很重要，并非常明显地影响着例如所沉积的层的质量。在真空环境下，可以在衬底上找到的主要物质是水或水蒸气和有机物质。这些污染物质在衬底表面上被吸收，且通常通过提高所述污染物质的蒸汽压力，例如通过提高温度被去除。这种温度提高例如通过对衬底的红外辐射，或者通过对衬底的加热，通过传导即热传导来产生。当衬底上达到所提高的温度时，需要一种附加的有效的抽气机构，以便能够将从衬底表面流出的、现在以气态存在的污染物抽出。此点通常通过在低的真空压力下抽出来实现。

在图1中示出饱和有水蒸气的金属表面的除气特性曲线的实例。曲线1为金属表面上的水蒸汽的停留时间t₀关于衬底的表面温度Tw的曲线。停留时间t₀作为表面上的被吸收物的衬底温度Tw的函数符合如下公式：

$\mathrm{\τ}\left(T_W\right)={\mathrm{\τ}}_0\·e^{\frac{E_{\mathrm{ads}}}{N_A\·k_b\·T}}$

其中N_A是阿伏加德罗常数，k_b是玻尔兹曼常数，τ₀是固体材料的特征振动周期(约为10^-13秒)，E_ads是金属上的水的吸收能量(约为10⁵焦耳)。相似的曲线适于真空系统中的衬底特性。图2中示出一种具有两个平行的板的装置，其中一个板是衬底2，另一个板是外围3。可以设有朝向衬底的气流4和离开衬底的气流5。当系统在经过一定的停留时间后达到平衡时，可以基于衬底2和外围3之间的温度差达到最大的除气效率。在这种情况下，除气不再独立于过程持续多久而改变。为了使得平衡朝向衬底上的最低被吸收物浓度移动，如前所述，以公知的方式通过一种抽气装置来抽出，其中该抽气装置在图3中以抽气孔6示意性地示出。在这种情况下，被吸收物浓度与温度平衡和从系统中实际去除的被吸收物成比例。此点最好取决于抽吸功率、抽气孔6和时间。因此较大的抽吸功率或较长的抽吸时间会导致改善的结果。但如前所述，此点会导致必需大功率的抽吸、长的抽吸时间或高的温度。在这种系统中，超高真空和400摄氏度的温度并非不常用，以便针对除气周期实现足够短的例如30s的处理时间。

在基于辐射加热的系统中，在系统中必须使用高的能量值，以便补偿这种系统的较低的热效率。作为单个的除气单元，这种系统尚可工作。作为嵌入在较大系统中的除气部件或模块，这种系统的冷却要求非常昂贵和复杂。另外在很多情况下，衬底是其周围中最冷的部件之一，因此不会表现出良好的除气特性。

传导的加热装置或带有热传导机构的加热装置本已是一种改进的方案。在这种情况下，衬底通常粘接到被加热的体上，其中在体和衬底之间导入气体，以便产生从体到衬底的热传导。抽气系统用于去除污染物，这些污染物来自于未遭受接触气体的一侧。

这两种技术都是高真空方法。系统的效率主要由抽气系统的效率决定。环境中的真空度越高，系统的除气效果就越好。但这导致抽气系统很大且很昂贵。另外，需要较长的处理时间来去除被吸收物。这又导致很长的不希望的处理时间，其降低了生产系统的经济性。在使用较高的温度时，处理时间会缩短，但这在很多情况下由于这种衬底的敏感性是不希望的或者甚至根本不可能。

本发明的目的在于，克服现有技术的所述缺点。该目的特别是在于，实现用于为盘状的衬底、特别是半导体晶圆除气的一种装置和一种方法，该装置具有高的效率，且在小心谨慎地处理衬底时可以缩短处理时间，由此可以在生产过程中实现高的经济性。

根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的用于为盘状的衬底除气的装置和根据权利要求13的方法得以实现。从属权利要求限定了其它有益的实施方式。

根据本发明，本发明的解决方案在于：用于为在真空的环境2中的盘状的衬底、特别是半导体晶圆除气的装置包括基本扁平的平行的体，所述体间隔设置，且间隔小于所述体的纵向长度或直径；和由此形成一个中间腔，在该中间腔中，衬底设置在所述体之间，所述体中的至少一个体在边缘区域中突出，其中在至少一个体中设有气体供应机构，用于在中间腔中产生沿着所述体和沿着衬底在径向方向朝向所述体的外围的层流的气流；和在那里设有抽气孔，用于将气流抽出。

其中对装置进行几何结构设计和对气流状况进行调节，从而在板状的体之间沿着衬底表面实现处于层流区域中的气流，和所述体之间的气体在处理期间多次更替。层流的气流在如下情况下产生，即平行于衬底表面的气体运动受气流驱动，和垂直于衬底的各种物质移动受扩散驱动。这种状况可以通过如下方式来产生，即在预先给定衬底尺寸并由此预先给定所述体的尺寸的情况下，对所述体的间隔或所形成的中间腔的间隙宽度进行选择，从而在设计有气体供应机构和形成压力状况(它们决定了气体量连同抽吸功率)的情况下，会出现所希望的层流。针对除气过程还设有加热机构，该加热机构例如设置在一个或两个板内，并对衬底进行加热，以便附加地加速除气过程。采用这种除气装置可以明显地提高除气效率和/或明显缩短除气时间，例如提高了大于系数2。在通常的用于半导体晶圆的处理设备中，各个处理步骤的处理时间决定性地决定了设备的产能，并由此决定了设备的经济性。其中特别是持续时间最长的处理步骤具有决定意义。迄今为止，持续时间最长的步骤通常是对于为衬底除气来说必需的处理步骤。简单的例如在原理上说明除气的过程对于设备产能来说没有决定的意义，而是具有局限的意义。在实际设计这种半导体系统时，这种除气步骤例如在大约30s内就应结束，从而可以为余下的处理步骤或处理时序实现约50s的时间。这20s的时间差对于抽吸过程和衬底的输送和把持来说是必需的。

下面举例地对照附图详细说明本发明。图中示出：

图4为平行设置的扁平的衬底和间隔设置的扁平的体的局部横剖视图，根据本发明在它们之间存在层流的气流；

图5为本发明的装置的示意性的横剖视图；

图6示出气体供应机构的实例；

图7为根据图6的气体供应机构的气体供应孔的详细横剖视图；

图8为具有设置在两个体中的加热部件的除气装置的示意性的横剖视图；

图9为具有设置在一个体中的加热部件的除气装置的示意性的横剖视图，衬底平放在该体上；

图10为具有设置在一个体中的加热部件的除气装置的示意性的横剖视图，衬底表面与该体相对；

图11为衬底上的残留水关于温度的根据本发明设有层流的气流时和根据现有技术没有气流时的曲线图，

根据改进的方法，可以有效地排出被吸收物，根据本发明，通过如下方式来影响衬底表面区域中的被吸收物浓度，即尽可能地消除或避免如图2所示朝向衬底2的被吸收物流4，由此使得所述平衡移动。

如果在衬底2的表面区域中产生未被吸收的气体7的层流的或紊流的气流，则事先预调节的考虑到平衡的模型显著地变化。这种设置示意性地在图4的剖视图中示出。如果两个盘之间的气流是层流或紊流的，那么气体中的气体微粒的自由路径长度明显短于系统的标志性尺寸，即衬底2和相对设置的盘3之间距离8。此点也适于从衬底表面蒸发的被吸收物的短的自由路径长度，由此从衬底2蒸发的各种物质9都是气流7的一部分，一旦该物质已离开衬底表面。于是一旦衬底温度达到一定的值，此时被吸收物的停留时间相比于通常的处理时间非常短，那么可以认为，被吸收物与衬底表面弹性地碰撞，由此形成惰性的气流的围绕衬底的组成部分。在例如对于30s的处理步骤来说停留时间达到百分之一s时便为此种情况。当达到如下温度值时会达到这些停留时间，即例如根据图1的曲线1，温度从430至480开氏度，其约等于160至200摄氏度。当达到这些温度时，释出物将是气流7的组成部分，这种释出物的运动路径尚仅取决于气流速度。出于这个原因，必须产生一种气流，这种气流在所选择的处理时间内在衬底的区域中产生完全的气体更替。有益的是，进行多次气体更替，优选多于五次，以确保完全消除被吸收物。为了产生气流，优选使用惰性气体，其中氩气是特别有益的。

本发明的一种有益的设计在于，应被除气的衬底10设置在长度为l的两个体11，12之间，这两个体以距离d相间隔，并在那里形成中间腔28，如图5的剖视图所示。其中衬底10通过加热装置被加热到较高的温度，例如200℃。在至少一个体11，12和衬底10之间将产生气流13，该气流13形成沿着衬底10的整个表面的层流的气流。在衬底10的或至少一个体11，12的边缘区域中设有最好环绕衬底10的抽气孔14，气体连同污染气体一起经由该抽气孔被抽出，由此从系统中被去除。对于圆形的衬底10(其例如用于优选的半导体晶圆或存储盘)来说，用于气体供应机构13的气体可以被喷射经过带有孔18的体15，这些孔18以如下方式设置，即径向流16从中央朝向外围调节。这种设置可以结合以环形地设置在外围的抽气孔17或者多个环形设置的孔。利用这些环形设置的抽气孔17，以如下方式确定或限定抽气装置的抽气速度，即主要通过气流而非通过泵尺寸(Pumpabmessungen)来确定气流形成，如根据图6的三维视图所示。

衬底10和体11，12之间的气流应是尽可能不受干扰的层流，以便减小返回至衬底10的污染气流。由此对在衬底10上方的区域中设计气体喷射点产生特殊的要求。在图7的横截面中示出具有气体供应点的一种优选的进入装置的一个实例。这些气体喷射点应产生预定的限定的气体流，因此对这些气体喷射点进行如下设计，即每个喷射点的所述限定的气体流受喷射点的设计自身决定。为了能够满足该要求，为这些气体喷射点设有很小的孔18，以便在该区域中能够实现高的气体速度。由此同样在所述区域中层流的气体流结构或分布19受到显著的干扰。如前所述，此点应予以避免，且必需减小喷射的气体经过孔18的速度，其方式为，具有很小直径的孔18通入到具有明显大的直径的区域中，该区域形成喷嘴的出口，喷嘴通入到层流的气流16的区域中。采取该措施可以将喷射的气体减速至如下速度水平，即该速度水平不会显著干扰衬底10的区域中的层流的气流。

根据本发明的另一种设计，包围衬底10的两个体11、12设有加热部件23，以便对体11、12进行加热，由此加热衬底10，此点如在图8的横剖视图中示意性地示出。在根据图9的另一种变型方案中，只加热一个体12，衬底10位于该体之上，由此衬底与该体接触。在根据图10的另一种优选的变型方案中，优选对与衬底10相对的体11、12进行加热，其中衬底10本身热浮地、即基本绝缘地设置在位置较低的体11的上方。通过这种设置可以实现特别简单地设计除气站。

本方法的有益的产品的特性曲线在图11中示出。在除气之后衬底10上的残留水RW(也可以是残留气体)表示成单位为摄氏度的衬底温度T的函数，其中残留水RW被标准化地示出(任意单位U.A.)。曲线26示出根据现有技术无气体时的效果，曲线27示出根据本发明在使用具有层流的气流16的装置的情况下的效果。作为用于层流的气流的运载气体，使用氩气。可清楚地看到，通过本发明的装置，从150摄氏度的温度起，衬底的残留气体明显有效地被排出，因此在同样的装置和同样的时间内在衬底10上残留明显少的气体。

除气装置或衬底10的工作温度可以通过水在晶圆表面上的停留时间和所希望实现的处理时间来确定。从100摄氏度起将达到有益的除气值，此时衬底上的所吸收的物质可以在层流的气流中足够块地被排出，以便能够通过该气流将该物质去除。较高的工作温度一方面通过实际设计的方案来确定，另一方面通过对敏感的衬底的允许并由此进一步通过对该衬底的使用来达到。在此将看到，合适的较高的极限温度为400摄氏度。在该温度以上，利用除气装置将不会实现明显改善的作用。如前所述，对于调节气流的工作范围来说重要的是，加热器的平行板装置与衬底10一起实现层流的气流。为此还要考虑，在处理期间实现在板状的体11、12的中间腔28中的一定的气体更替速度。其中气体更替速度是中间腔28的气体被完全更换的次数。因此，最佳的气流范围在很大程度上取决于对装置的结构设计。在如下情况下可以实现有利的装置，即全部气流在从300sccm至1000sccm的范围内，且气体更换速度在5至15倍的范围内，此时处理时间至多为30s。为了保持层流的气流，在所述范围内需要10至50mbar的工作压力。其中下限由克努森/分子流区域确定。上限由该装置的几何尺寸的雷诺数限定。当压力进一步提高时，会出现紊流区域。如前所述，层流区域对于最佳的作用来说是非常优选的。该装置特别适于半导体晶圆的除气，但也适于直径大于150mm的存储盘的除气，其中这些衬底呈盘状且厚度为0.1mm至mm。该装置特别适于盘直径在150至300mm的范围内。但也可以处理大于300mm的盘，在这种情况下成本迅速上升，产品也不经济。板状的体11、12之间的体距离d在5至30mm的范围内，但优选从8至15mm选择，以便产生合适的层流。为了把持，该装置最好水平，并将衬底10置于下面的板11上，且上面的板12含有气体淋浴机构(Gasdusche)，其具有加热装置，加热装置的热功率至多约为1200瓦特。

当能够在晶圆两侧进行除气时将实现特别好的除气效果。为此将晶圆10放置在至少三个针脚28上，所述针脚是带有尖的销钉，从而晶圆10与位于其下方的板状的体11相间隔，类似于针对晶圆上表面的前述内容，此点例如在图11和12中示出。由此可以使得晶圆10无论在上侧还是在下侧都被有效地去除释出气体或除气。因此这种装置是特别优选的。另一种改进在于，如前面针对表面除气所述，在晶圆10和下方的体11之间的间隙中产生类似的层流的下面的气流29，此点例如在图13中示出。在这种情况下，如前面针对上侧处理所述，同样通过在下面的体11上的小的分布的孔18进行气体供应。于是这种组合的装置可以实现对整个晶圆10的有效的彻底的除气。

通过本发明可以实现全自动的半导体处理工艺设备，该设备可以在使用有效的运输机器人系统的情况下实现在各个处理步骤之间的有效的除气，同时相应地实现经济的产能。

Claims (10)

1.用于对真空环境中的板状的衬底(10)除气的方法，具有基本扁平的平行的两个体(11，12)，所述体具有小于其纵向长度(1)的间隔(d)而形成一个中间腔(28)，和一个扁平的衬底(10)设置在所述体(11，12)之间，在所述体(11，12)的至少一个中设有至少一个气体供应机构(13)，其用于在所述中间腔(28)中产生气流，其特征在于，在所述中间腔(28)中的所述气流是不受干扰的层流的气流，所述气流具有10至50mbar的工作压力并且沿着所述体(11，12)和所述衬底(10)在径向方向朝向所述体(11，12)的外围引导；和在那里通过环绕衬底(10)的至少一个抽气孔(14)将所述气流抽出，并且由此利用它的抽气孔(17)确定或限定抽气速度，并且将体间隔(d)保持在5mm至30mm的范围内，扁平的所述体(11，12)基本水平设置并且衬底(10)置于至少三个针脚(28)上，这些针脚安装在位于下方的板状的体(11)上并由此在衬底(10)和板状的体(11)之间确定间隙状的间隔，其中至少一个气体供应机构构成气体喷射点，气体喷射点的设计产生限定的自身决定的气流，方法是气体喷射点具有孔(18)，该气体喷射点所具有的孔提高速度并且限定气体量并且接着通入到具有明显扩大的直径(20)的孔中，该具有明显扩大直径(20)的孔形成出口，该出口使得气流的层流流动在衬底(10)的区域中实现。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过加热装置(23)加热所述衬底(10)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述加热装置(23)作为电加热部件来工作。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电加热部件是电阻加热部件。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电加热部件集成在所述体(11，12)之一中或该两个体(11，12)中。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述衬底(10)加热到100至400摄氏度的温度。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将体间隔(d)保持在8mm至15mm的范围内。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对直径大于150mm的衬底(10)除气。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，对直径在150mm至300mm范围内的衬底(10)除气。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述衬底(10)的两侧设有用于形成层流的径向的气流的气体供应机构(13)。

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