CN106471614A - 用于操纵衬底的工具、操纵方法及外延反应器 - Google Patents

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Abstract

外延反应器中的用于操纵衬底的工具(1)包括臂(2)、抓取盘(3)和球接头(4)；所述抓取盘(3)具有在其下面上的座(5)，该座用于接纳待操纵的衬底(6)；所述抓取盘(3)通过所述球接头(4)安装在臂(2)上，球接头相对于所述抓取盘(3)居中地放置；所述抓取盘(3)成形为使得仅与待操纵的所述衬底(6)的上边缘接触；所述抓取盘(3)相对于所述臂(1)具有两个旋转运动自由度以允许适合于衬底在外延反应器的基座的袋状部中的位置。

Description

用于操纵衬底的工具、操纵方法及外延反应器
发明领域
本发明涉及一种外延反应器中的用于操纵衬底(substrate)的工具、相关操纵方法以及相关的外延反应器。
本发明发现在外延反应器中的有利的应用，该外延反应器包括具有适合于容纳衬底的一个或多个袋状部(pocket)的基座(susceptor)，特别地包括具有水平袋状部的旋转的盘状基座。
背景技术
有各种类型的外延反应器。
在某些类型的外延反应器中，待处理的衬底在处理前通过操纵工具放置在反应室内部的基座的袋状部中，然后经受处理过程，并且最终在处理后使用相同的操纵工具从基座的袋状部移除。该基座可以设有多个袋状部并且因此对于每个处理过程都需要操纵多个衬底。
在某些类型的外延反应器中，基座且因而其袋状部以及位于袋状部内的衬底的位置不能高精度地(例如，小于一毫米的精度)确定，并且因而操纵工具和该工具的控制系统必须考虑该问题。特别地，在许多情况下，袋状部的安置衬底的平面的角位置不能高精度地(例如，小于一度的精度)确定。
某些类型的外延反应器采用真空操纵工具，其中环形单元放置成与待操纵的衬底的边缘(通常，边缘的上部区域)接触并且真空在环形元件和衬底之间形成；沿着衬底的周边，边缘和元件之间的接触越好，则抓取越有效；理想地，需要足以克服仅衬底的重量的真空。边缘和元件之间的接触必须以柔和且均匀的方式发生以防止损坏衬底边缘，损坏的结果是，衬底边缘可能在衬底的上表面的内部扩展；这对于处理过程前的衬底和处理过程后的衬底来说都是真实的；此外，值得一提的是，处理过程可能恰好在衬底的边缘上引起小的不规则部(所谓的“边缘冠(edge crown)”)；最后，值得一提的是，环形元件通常由非常硬的材料(典型地，石英)制成。与操作工具接触的问题是在处理过程前或处理过程后可能产生材料颗粒(由于衬底和/或沉积层的破碎造成的)；这些颗粒可分散到反应室中并且/或终止于衬底表面上和/或终止于沉积层的表面上以及/或保留在工具上。
操纵外延反应器的反应室中的衬底的问题的解决方案在文件WO00/48234中进行了描述。
申请人已设定了其自身的目标：找到一种可替代的且比公知的方案更简单的解决方案。
概述
此目的通过具有在所附权利要求中陈述的技术特征的工具实现，所附权利要求应被认为是本说明书的组成部分。
从结构角度来看，本发明的基本思路是使用球接头(ball joint)以为待操纵的衬底的抓取盘提供旋转运动的两个自由度。
以这种方式，获得了抓取盘和衬底之间的(任何)不平行度的补偿。
从结构角度来看，根据本发明的另外的思路是使用待操纵的衬底的抓取盘，该抓取盘具有适合于与衬底的边缘接触的弹性材料的环形元件。
以这种方式，获得了抓取盘和衬底之间的(可能的)不平行度和/或(可能的)不一致性的补偿。
“不一致性”是指抓取盘表面可能在接触区域中没有与衬底表面精确地匹配，例如，由于接触区域中的杂散材料。
优选地，接触应是“可控且柔和的”。
“可控且柔和的”是指：
-在(可能的)“补偿”或(可能的)“多个补偿”期间，由工具施加在衬底的各个点上(特别地，在其边缘的点上)的竖直力是小而不均匀的，
-在(可能的)“补偿”或(可能的)“多个补偿”后(或如果大体上无补偿的话)，由工具施加在衬底的各个点上(特别地，在其边缘的点上)的竖直力是甚至更小的并且大体上均匀的；
这尤其通过确保工具头部(其基本上包括抓取盘和球接头)的重量大体上不重压于衬底上来实现。
从方法论角度来看，本发明的基本思路是实现抓取盘和衬底之间的(可能的)不平行度的补偿，特别地并且有利地通过“可控且柔和的”接触来实现。
优选地，从方法论角度来看，本发明提供用于实现抓取盘和衬底之间的(可能的)不平行度和(可能的)不一致性的补偿。
附图列表
本发明根据结合附图考虑的以下详细描述将变得更明显，在附图中：
图1示出了根据本发明的工具的示例性实施方案的三维视图，
图2示出了图1中的工具的剖面图，
图3示出了图1中的工具的俯视图，
图4示出了图2中的截面的局部且很大程度上放大的视图，
图5示出了类似于图2中的工具但还具有弹性材料的环形元件的工具的示例性实施方案的截面的局部且很大程度上放大的视图，以及
图6示出了根据本发明的工具当其操纵衬底时位于外延反应器的反应室内的示意性剖面且不成比例的视图。
该描述和附图都被认为是仅出于说明的目的并且因此是非限制的。
如易于理解的，在实践中有各种方式实施本发明，本发明以其主要有利方面界定于所附权利要求中。
详细描述
所有附图都涉及外延反应器中的用于操纵衬底的工具1的相同的示例性实施方案。
工具1包括臂2、抓取盘3和球接头4；抓取盘3具有在其下侧上的座5，座5用于接纳待操纵的衬底6；抓取盘3经由相对于抓取盘3居中放置的球接头4安装到臂2。
抓取盘3的座5成形为使得仅与待操纵的衬底6的上边缘接触。如在图2中看到的，在有利的示例性实施方案中，座5大体上对应于抓取盘3的整个下侧并且大体上对应于待操纵衬底6的整个上侧。如在图2中看到的，在有利的示例性实施方案中，座5包括具有例如5mm至15mm厚度的中央圆柱状或棱柱状空间(其构成“抽吸腔”并且其用于在待操纵衬底的整个上侧上产生均匀的抽吸力，而不接触)。如在图2中看到的，在有利的示例性实施方案中，座5包括具有例如0.5mm至1.5mm的最大厚度的环形截头圆锥状或截头棱锥状空间(其用于接触待操纵衬底的上边缘)。如在图2中看到的，在有利的示例性实施方案中，当衬底由工具操纵时(即，当所谓的“捕获”后)，座5完全关闭。
在第一近似中，可以假设，大体上为长形的圆柱形元件的臂2在工具1使用期间具有水平布置的其轴线，如在图2和图3中看到的；图4示出了球接头4的因而竖直地布置的轴线。
由于球接头4，抓取盘3相对于臂1设有至少两个旋转运动自由度；在该优选的实施方案中，抓取盘3相对于臂1设有仅两个旋转运动自由度(特别地，盘3不能围绕其对称轴线旋转，该对称轴线在图中是竖直的)。以这种方式，工具1能够适合衬底(在图2和图4中用参考标记6指示)的位置，尤其当定位在外延反应器的基座的袋状部中时；实际上，盘3的旋转导致获得盘和衬底(以及还有基座)之间的共面性；盘3的旋转为“自然”旋转，不是借助于致动器获得的，而是通过降低工具1引起的。
考虑附图，应理解，盘3的旋转自由度受到限制；例如，其沿彼此正交的两个旋转轴线(水平的)可以是+/-1°或+/-2°或+/-3°或+/-4°或+/-5°。
臂2内部具有抽吸管7，并且管7与座5连通；因此，当衬底与盘3接触时(以及当然当抽吸有效时)，工具1适合于保持衬底(在图2和图4中用参考标记6指示)。
联接到球接头4的头部15位于臂2的一端处；当臂2是具有例如圆形横截面(该横截面可以是多边形的或椭圆形的或...)的杆状物时，头部15是薄且大的以允许盘3旋转，而不需要大幅度增大工具1的竖直尺寸(特别地见图2)；当然，管7还延伸到头部15的端部。
盘3具有适合于使管7与座5连通的多个孔8(特别地，具有8个孔)。
而且，臂2(精确地，头部15)具有适合于使管7与座5连通的多个孔9(特别地，具有8个孔)。
因此，在抽吸步骤中，位于座5中的少量的气体首先穿过孔8，然后穿过孔9，并且最后终止于管7中(实际最终目的地是与管7连通并且未在图中示出的抽吸系统)。
球接头4的第一重要方面是，如何使旋转运动是可能的。
球接头4的第二重要方面是，如何使座5和管7之间的流体通路是密封或大体上密封的。
在图的实施方案中，这些方面都呈现。
球接头4包括位于臂2(精确地，头部15)和抓取盘3之间的第一弹性元件10(特别地，唇形密封件—可替代地，环形弹性波纹管或O形圈)；弹性元件10还适合于提供密封。
球接头4包括铰接主体(图4中的一组元件13和14)和放置在铰接主体和抓取盘3之间的第二环形弹性元件12(特别地，O形圈)；同样，弹性元件12还适合于提供密封。
一般地，根据接头的具体实现方式，包含在球形接头中的弹性元件通常是一个或两个或三个并且可以在其中不同地布置。除此以外，这样的弹性元件用于在工具运动期间稳定工具抓取盘(还可能是所运输的衬底)的位置。
弹性元件10和12可以由弹性体材料或金属材料制成；非常适合于在外延反应器中应用的材料是例如一种由杜邦(Dupont)公司生产的合成橡胶。
在图4中的示例性实施方案中，铰接主体包括铰接盘13(特别地，圆形的)和接头杆(joint stem)14(特别地，圆柱形的)，该铰接盘13和接头杆14例如以单件形式制成。杆14具有孔，并且头部15具有孔；螺钉11拧入这两个孔中并且用于使臂2(即，头部15)和铰接主体彼此固定；环形弹性元件12放置在铰接盘13、接头杆14和抓取盘3之间。
在图中的示例性实施方案中，元件2、13、14和15是钢的，并且元件9是石英的(特别适合于与反应室外部和内部的衬底直接接触的材料)。
抓取盘3旋转的可能性是由球接头4给定的，并且是由存在于球接头4中的弹性元件或多个弹性元件的弹性所允许的。
通常，抓取盘简单地通过盘和边缘之间的接触来旋转，即没有致动器来使盘旋转。
工具1和衬底(图2和图4中用参考标记6指示)之间的接触的柔和度由存在于球接头4中的弹性元件或多个弹性元件的材料或多种材料的柔软性来促进。
优选地，工具的重量(完全地)安置在工具自身的运动系统上，即，既不安置在衬底上也不安置在基座上；以这种方式，当抓取盘与衬底的边缘接触时，仅非常小的力将足以使抓取盘旋转；考虑图中的示例性实施方案，该力将只需克服球接头中的弹性元件的反作用力。
有利地，为了使工具的重量不重压在衬底和基座上，可设想，将工具的臂(在图中用参考标记2指示)分成两个半部臂，通过铰链连接两个半部臂并且使弹簧与铰链相关联以与铰链的向下旋转相反。
根据本发明，操纵包括将衬底运送靠近基座并且将衬底放置在基座上(特别地，放置在其座，也称为“袋状部”中)，并且然后从基座(特别地，从其座，也称为“袋状部”)取回衬底(具有沉积层)并且将衬底运送远离基座；具有抓取盘的工具用于操纵。
操纵方法包括以下步骤：
A)水平移动所述工具直到所述抓取盘位于所述座处，
B)降低所述工具直到所述抓取盘触碰到所述衬底的上边缘的至少一个点(见图6)，
C)继续降低所述工具直到所述抓取盘经由相对于水平轴线(考虑垂直于图4中突出显示的竖直对称轴线的任何水平轴线，并且该水平轴线在弹性元件10和12之间的水平面处至少部分地位于抓取盘3中)的旋转运动(具体地，倾斜运动)但不经由相对于所述抓取盘的竖直对称轴线的旋转运动(即，旋转地固定)而触碰到所述衬底的全部上边缘，
D)借助于所述工具的抽吸系统抽吸所述衬底，
E)提升带有所述衬底(通过抽吸保持)的所述工具，以及
F)水平移动带有所述衬底(通过抽吸保持)的所述工具。
步骤A是接近步骤并且通常仅提供水平的运动。
步骤B和步骤C一起执行在抓取盘和衬底之间的自动调平。
步骤D可定义为“捕获”步骤。如果工具设有“抽吸腔”(诸如，图2和图3中的工具)，则在步骤D中，在不接触的情况下，在待操纵衬底的整个上侧上产生均匀的抽吸力。
步骤F是移除步骤并且通常仅提供水平的运动。
在步骤C中，抓取盘触碰到衬底的上边缘；利用良好的近似，其为沿着整个边缘的接触。
通常，抓取盘简单地通过盘和边缘之间的接触来旋转，即没有致动器来使盘旋转。
优选地，至少在步骤A、B、C、E和F期间，工具的重量(完全地)安置在工具自身的运动系统上，即，既不安置在衬底上也不安置在基座上；以这种方式，当抓取盘与衬底的边缘接触时，仅非常小的力将足以使抓取盘旋转；考虑图中的示例性实施方案，该力将只需克服球接头的弹性元件的反作用力。
有别于图2和图3中的示例性实施方案，并且如图5中(部分地)示出的，抓取盘(大体上对应于主体30)还包括适合于仅与待操纵的衬底6的上边缘接触的弹性材料的环形元件31—该环形圈(以及相关安装方式)是与图2和图3中的示例的唯一实质性差异。
环形元件可以以单个件或多个邻近件的形式制成。
弹性材料可以是聚合物材料，特别地，适合于承受在高于200℃(例如在250℃和350℃之间)的温度下连续操作的聚合物材料；特别地，可以有利地使用具有弹性体性能的氟化聚合物或全氟聚合物；特别合适的材料是由杜邦公司生产的“4079”(“4079”是具有肖氏A硬度为75的弹性体)。
可替代地，例如，能够承受高温、化学侵蚀(特别地来自酸类的化学侵蚀)且相当软的(例如，肖氏A硬度在50和80之间)的其它弹性体材料可以被使用。
环形元件的材料的抵抗力允许操纵相对热的衬底；例如，在“4079”的情况中，衬底可以在300℃(以及甚至超过300℃)下操纵。这允许缩短外延反应器的处理循环时间，因为处理过的衬底在其仍然相当热时(即，在不使其完全冷却的情况下)，并且在由于仅在其边缘上的“受控且柔和的”接触而未导致对其损坏的情况下可以离开反应器(即，从其反应室取出)。
环形元件31可以(例如通过螺钉33)被夹紧在抓取盘的主体30(例如布置在下方)和夹持环32(例如布置在上方)之间；这是图5中的示例性实施方案。
环形元件31可以(大体上)成形为圆形冠；环形元件31可以是(大体上)平坦的；这是图5中的示例性实施方案。
抓取盘的主体30和/或夹持环32可以由石英或碳化硅或钛或不锈钢或镀铝合金(优选地，镀有热塑性材料)或FRP(特别地，CFRP)制成。特别地，对于特别轻的主体30，其可以由镀有热塑性材料(诸如PEEK＝聚醚醚酮)的铝合金(诸如，合金7075，商业上称为“Ergal”)制成。
在图5中的示例性实施方案中，由于抓取盘的环形元件和衬底的边缘之间的接触，环形元件弹性地变形；特别地，在任何点处的这样的变形是小的(通常小于1mm或2mm)，并且因而由工具施加在衬底的任何点(特别地在其边缘)上的竖直力是小的。
工具(特别地，图5中的工具1的环形元件31)和衬底(特别地，图5中的衬底6)之间的接触的柔和度由工具的环形元件的材料的柔软性来促进。
优选地，还在图5中的示例性实施方案中，工具的重量(完全)重压在工具自身的运动系统上，即，既不重压在衬底上也不重压在基座上；当抓取盘的环形元件接触衬底边缘时，当工具进一步下降时，仅很小的力就足以使环形元件变形。
稍后，当工具升高时，环形元件由于其材料的弹性而恢复到其自然形状。
图5中的工具与图2和图3和图4中的工具类似地使用，但在步骤C中，环形元件可以轻微且弹性地变形。
在图5中部分示出的解决方案提供了使用球接头(见例如图4)安装到臂的抓取盘。
在所描述的示例性实施方案中，一个或多个或所有的部件2、3、13(如果存在的话)、14(如果存在的话)、15(如果存在的话)、30和32(如果存在的)可以由石英或碳化硅或钛或不锈钢或镀铝合金(优选地镀有热塑性材料)或FRP(特别地，CFRP)制成。
如前所述，根据本发明的工具发现了在外延反应器中特别有利的应用，特别是其中反应室(通常水平地放置)具有减小的高度(特别地为几厘米，例如在2cm至5cm范围内)的腔(通常，这种腔的高度在室的各个部分处是大体上相同的)的那些外延反应器；该应用例如在图6中示出。
根据本发明，操纵包括运送衬底(图6中的6)靠近基座(图6中的120)并且将衬底放置在基座上，特别地放置在其座，一般称为“袋状部”(图6中的130)中，并且然后从基座，特别地从“袋状部”取回衬底(具有沉积层)，以及将衬底运送远离基座。
在图6中，外延反应器的反应室总体上用参考标记100指示，并且石英的下壁101和石英的上壁102是可见的。在室内，具有成形为水平盘(通常为由石墨制成的实心主体)的旋转基座120；基座120具有适合于容纳衬底6的多个水平袋状部130。通常，基座120由室的“涂覆设备”包围，该“涂覆设备”在图6中用参考标记110示意性示出。
袋状部130具有竖直对称轴线131，具有稍微凹的底部132(中心比轮廓深例如1mm至5mm)，并且包括第一较高的圆柱形容积133(具有例如1mm至3mm的厚度)和第二较低的圆柱形容积134(具有例如1mm至3mm的厚度)；容积134的半径比容积133的半径小例如1mm至5mm。
衬底6容纳在袋状部130内；然而，其位置无法完全肯定地获知；衬底6的位置可以由其对称轴线61以及其中平面62界定。在图6的情况中，衬底6的中心相对于袋状部130的中心横向地移动，但由于衬底安置在凹底部132上，衬底6的轴线61相对于袋状部130的轴线131倾斜。
图6还示意性示出了根据本发明的工具，该工具包括臂2和抓取盘3；工具插入到反应室中，以使得抓取盘3与袋状部130对齐；但抓取盘3不与衬底6对齐。
图6中的情形对应于当工具被降低直到抓取盘3触碰到衬底6的上边缘的点的时刻，即，在上面所描述的步骤B结束时；接触可以与主体30发生(如图2中)或与环形元件31发生(如图5中)。
继续使工具降低，抓取盘3倾斜(以与由轴线61和131形成的角度对应的角度倾斜)并且触碰到衬底6的整个上边缘；如果在抓取盘的下边缘处还具有弹性材料的环形元件(例如，图5中的元件31)，则工具和衬底之间的接触更好，即，是沿着闭合线的。

Claims (20)

1.一种外延反应器中的用于操纵衬底的工具(1)，包括臂(2)、抓取盘(3)和球接头(4)；
其中所述抓取盘(3)具有在所述抓取盘的下侧上的座(5)，所述座(5)用于接纳待操纵的衬底(6)；
其中所述抓取盘(3)通过所述球接头(4)安装到所述臂(2)，所述球接头(4)相对于所述抓取盘(3)居中地放置；
其中所述抓取盘(3)成形为使得仅与待操纵的所述衬底(6)的上边缘接触；
其中所述抓取盘(3)相对于所述臂(1)具有两个旋转运动自由度以允许所述抓取盘(3)适合于衬底(6)在外延反应器的基座的袋状部中的位置。
2.根据权利要求1所述的工具(1)，其中所述座(5)包括中央圆柱状或棱柱状空间，所述中央圆柱状或棱柱状空间形成抽吸腔并且用于在待操纵的所述衬底(6)的整个上侧上产生均匀的抽吸力，并且所述座(5)优选地包括环形截头圆锥状或截头棱锥状空间，所述环形截头圆锥状或截头棱锥状空间用于接触待操纵的所述衬底(6)的上边缘。
3.根据权利要求1或2所述的工具(1)，其中所述臂(2)在内部具有抽吸管(7)；其中所述抽吸管(7)与所述座(5)连通；借此所述工具(1)适合于当衬底(6)与所述抓取盘(3)接触时保持衬底(6)。
4.根据权利要求3所述的工具(1)，其中所述抓取盘(3)具有多个孔(8)，所述多个孔(8)适合于使所述抽吸管(7)与所述座(5)连通。
5.根据权利要求2或3或4所述的工具(1)，其中所述臂(2)具有多个孔(9)，所述臂(2)的所述多个孔(9)适合于使所述抽吸管(7)与所述座(5)连通。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的工具(1)，其中所述球接头(4)包括放置在所述臂(2)和所述抓取盘(3)之间的至少一个环形弹性元件(10)。
7.根据权利要求6和3所述的工具(1)，其中所述弹性元件(10)还适合于提供密封。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的工具(1)，其中所述球接头(4)包括铰接主体和放置在所述铰接主体和所述抓取盘(3)之间的另外的环形弹性元件(12)。
9.根据权利要求8和3所述的工具(1)，其中所述另外的弹性元件(12)还适合于提供密封。
10.根据权利要求8或9所述的工具(1)，其中所述铰接主体包括铰接盘(13)和接头杆(14)；其中所述另外的环形弹性元件(12)放置在所述接头杆(14)和所述抓取盘(3)之间。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的工具(1)，其中所述抓取盘(3)包括弹性材料的环形元件(31)，所述环形元件(31)适合于接触待操纵的衬底(6)的边缘。
12.根据权利要求11所述的工具(1)，其中所述弹性材料是特别地适合于在连续工作中承受高于200℃，特别地在250℃和350℃之间的温度的聚合物材料。
13.根据权利要求11或12所述的工具(1)，其中所述环形元件(31)夹紧于所述抓取盘(3)的主体(30)和所述抓取盘(3)的夹持环(32)之间。
14.根据权利要求13所述的工具(1)，其中所述抓取盘(3)的所述主体(30)和/或所述抓取盘(3)的所述夹持环(32)由石英或碳化硅或钛或不锈钢或镀铝合金或FRP制成。
15.根据权利要求11或12或13或14所述的工具(1)，其中所述环形元件(31)是圆形冠的形状并且是平坦的。
16.一种用于通过工具来操纵放置在基座的座中的衬底的方法，所述工具设有抓取盘，所述方法包括以下步骤：
A)水平移动所述工具直到所述抓取盘位于所述座处，
B)降低所述工具直到所述抓取盘触碰到所述衬底的上边缘的至少一个点，
C)继续降低所述工具直到所述抓取盘经由相对于水平轴线但不相对于所述抓取盘的竖直对称轴线的旋转运动而触碰到所述衬底的整个上边缘，
D)借助于所述工具的抽吸系统抽吸所述衬底，
E)提升带有所述衬底的所述工具，以及
F)水平移动带有所述衬底的所述工具。
17.根据权利要求10所述的方法，其中在步骤C期间，所述抓取盘由于所述盘和所述边缘之间的接触而旋转。
18.根据权利要求17所述的方法，其中至少在步骤A、B、C、E和F期间，所述工具的重量安置在所述工具的移动系统上。
19.根据权利要求16或17或18所述的方法，其中所述衬底由根据前述权利要求1至15中的任一项所述的工具来操纵。
20.一种外延反应器，其包括根据前述权利要求1至15中的任一项所述的至少一个工具(1)。
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