DE10032005B4

DE10032005B4 - Waferhalterad mit einer Andrückvorrichtung in einer Waferbeschichtungsanlage

Info

Publication number: DE10032005B4
Application number: DE2000132005
Authority: DE
Inventors: Bernd Scheerer; Johann Reiner; Bernd GRÜNINGER; Andreas LÖFFEL
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: DE10032005A1; EP1294958A1; WO2002002841A1

Abstract

Waferhalterad mit Andrückvorrichtung in einer Waferbeschichtungsanlage, bestehend aus:
– dem Halterad mit einem Zahnkranz und einer v-förmigen Nut um die äußere Mantelfläche,
– einem konzentrisch am Halterad angeschraubten kreisringförmigen Trägerblech, an dessen innerem Kreis gleichverteilt mindestens drei Haltestäbchen montiert sind, die an ihrer freien Stirn eine Nut haben, und mindestens zwei Haltestäbchen oder die Haltestäbchen innerhalb eines Winkels kleiner als 180° starr und die übrigen in der Ebene des Trägerblechs schwenkbar montiert sind, so daß die stirnseitig zu beschichtende, kreisförmige Substratscheibe stets zentriert in die jeweilige Stirnnut der starren Haltestäbchen eingelegt und mit den dann radial ausgerichteten Haltestäbchen vollends in Position gehalten wird,
– einer Andrückvorrichtung aus mindestens drei Rollen, die in der v-förmigen Nut am Umfang des Zahnkranzes abrollen, wovon eine auf einem einarmigen Hebel montiert ist, der an seinem einen Ende am Rahmen der Andrückvorrichtung drehbar gelagert ist, so daß diese Rolle auf das Halterad zu oder von ihm weggeschwenkt werden kann, und diese Rolle den übrigen Rollen, die innerhalb eines Winkels von < 180° vom Mittelpunkt des Halterades aus fest am Rahmen montiert sind, gegenüberliegt,
– einem weiteren, am Rahmen drehbar gelagerten, zweiarmigen Hebel, der mit seinem einen freien Ende unter das freie Ende des einarmigen Hebels greift und an seinem anderen Ende entweder ein Gewicht vorgegebener Gewichtskraft hängen hat oder eine am Rahmen eingehängte Zugfeder vorgegebener Federkonstante ebenfalls eingehängt hat, wodurch die schwenkbare Rolle stets mit vorgegebener, beschränkter Kraft gegen das Waferrad drückt,
– einem Antriebsrad mit kleinem Radius und Zahnkranz auf der Mantelfläche und einem Zahnkranz mit großem Radius am Rande einer Stirnfläche des Antriebsrads, in den ein über eine Welle an deren distalem Ende sitzendes, von außen angetriebenes Kegelzahnrad eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft ein Waferhalterad mit einer Andrückvorrichtung in einer Waferbeschichtungsanlage.

Beschichtung von Substraten mit dünnen, weitgehend homogenen Schichten ist eine Problematik, der große Aufmerksamkeit geschenkt wird und werden muß. Bei Sputterprozessen sind störende Strömungseffekte ein Problem, hinreichende Schichthomogenität zu erzeugen. Abhilfe leistet hier das Rotieren des Substrats während des Sputterprozesses. Hierzu wird dasselbe in einer Ringaufnahme gehalten und gedreht (siehe die nachveröffentlichte DE 199 32 338 C1 ). Diese Ringaufnahme hat aber den Nachteil, daß während der Beschichtung ein erheblicher Flächenanteil am Rand abgedeckt bleibt, also das Substrat nutzlose Fläche hat. Ferner entstehen durch die verhältnismäßig starre Einspannung mechanische Beanspruchungen aufgrund der Temperaturen während des Sputterns, die sich oft durch Zerstörung bemerkbar machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Waferhalterad bereitzustellen, mit dem ein kreisförmiger Wafer oder ein Substrat mit seinen beiden Stirnseiten vollständig exponiert und während des Beschichtungsprozesses gedreht werden kann, ohne daß sich in ihm unzulässige Spannungen aufbauen können. Weiter soll ein Leichtlauf des Waferhalterades bei allen zulässigen Prozeßbedingungen aufrecht erhalten werden.

Die Aufgabe wird durch ein Waferhalterad und eine Andrückvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit einem solchen Halterad und einer solchen Andrückvorrichtung werden alle thermischen Beanspruchungen während des Sputterns beherrscht. Das gleichmäßig leichte und ruckfreie, weil verkantungsfrei, Drehen des Halterades ist so garantiert. Der Wafer ist stets in zentraler Position und mit seinen beiden Stirnsei ten ein- oder beidseitig der Beschichtung hindernisfrei ausgesetzt.

Das Halterad und das an ihm innen befestigte kreisringförmige Trägerblech sind aus wärmebeständigem Nickelstahl (Anspruch 2).

Der Zahnkranz am Halterad und die v-förmige Nut darin sind über eine wärmebeständige Zwischenschicht mit einer Plasmakeramik vorzugsweise mit einer Keramik aus ZrO₂ oder auch Al₂O₃ beschichtet (Anspruch 3). Damit besteht einerseits zum kleinen Zahnkranz des Antriebsrades und zu den in der v-förmigen Nut ablaufenden Rollen ein hervorragend hoher Wärmeübergangswiderstand. Andrerseits wird bei allen Prozeßbedingungen ein Verkanten und damit ein ruckartiges Drehen sicher vermieden, obwohl doch die in der v-förmigen Nut ablaufenden Rollen mit einer Kraft andrücken.

Zum leichten und schnellen Einlegen des zu beschichtenden Wafers in die Halterung und zum sicheren Heben darin wird jedes der schwenkbaren Haltestäbchen über einen an ihm ansetzenden Arm für die Beschichtung in radiale Position geschwenkt und der Arm mit seinem andern Ende am Rande des Trägerblechs in einen zugehörigen Stift eingehängt oder zur Herausnahme des Wafers ausgehängt. Alternativ kann der Arm am Stift drehbar aber nicht lösbar eingehängt sein und wird dafür mit seinem andern Ende an einem Dorn oder Haken am schwenkbaren, zugehörigen Haltestäbchen eingehängt oder für die Herausnahme des Wafers ausgehängt. Es wird von der Hantierungsfreiheit abhängen, welche Lösung bevorzugt wird.

Eine Ausführung des Waferhalterads und seine Andrückvorrichtung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen bestehen aus den 1 bis 4. Sie zeigen:
1 das Waferhalterad und die Andrückvorrichtung im Zusammenbau,
2 die am Trägerblech ansetzenden Haltestäbchen,
3 das Trägerstäbchen in seiner Halterung und
4 einen Beschichtungsvergleich.
Das Waferhalterad, hier beispielhaft mit einem äußeren Durchmesser von 300 mm und einer Zahnkranzdicke von 16 mm, wird von den drei in der v-förmigen Nut am Zahnkranz ablaufenden Rollen in Ruhe oder bei Drehung in Position gehalten. Die beiden oberen Rollen in 1 sind positionsfest mit ihrer Halterung am oberen Rahmen befestigt. Sie sitzen links und rechts der senkrechten Achse durch den Mittelpunkt des Waferhalterads. Von unten drückt die in oder parallel zu der Ebene des Trägerblechs schwenkbare, dritte Rolle das Waferhalterad nach oben gegen die beiden ortsfesten Rollen. Dies geschieht über die Hebelanordnung, die am unteren Teil des Rahmens verankert ist. Der einarmige Hebel ist mit seinem einen Ende am Rahmen drehbar verankert, in oder parallel zu der Ebene des Trägerblechs schwenkbar. An seinem andern, freien Ende ist die dritte Rolle montiert, so daß sie mit ihrem Mittelpunkt bei rechtwinkeliger Lage von senkrechter Achse und einarmigem Hebel etwa oder genau auf der senkrechten Achse sitzt. An diesem Hebelende greift der eine, kürzere Arm des zweiarmigen Hebels unter. Er ist auf der andern Seite der senkrechten Achse am unteren Rahmenteil drehbar gelagert und ist in der selben Ebene wie der einarmige Hebel schwenkbar. Am Ende des zweiten Arms hängt ein Gewicht von hier etwa 5 N, so daß über die Hebelverhältnisse vorgegeben, die dritte Rolle einstellbar stark gegen das Waferhalterad drückt. Statt eines Gewichts kann auch eine Feder vorgegebener Federkonstanten zwischen dem zweiten Armende und dem unteren Rahmenteil eingehängt sein. Die technisch einfachste Lösung ist sicherlich das Gewicht.
Die wirksamen Hebellängen sind beispielhaft und betragen hier etwa:

– einarmiger Hebel: Drehpunkt – Rolle 145 mm, Drehpunkt – Untergriff 220 mm;
– zweiarmiger Hebel: kleiner Hebelarm 28 mm, großer Hebelarm 115 mm.

Die Lage des Antriebsrades ist im Grunde frei und wird so sein, daß Behinderungen auf ein unvermeidliches Minimum beschränkt bleiben. Die Position in 1, oben, ergab sich aus der Geometrie der Gesamtanlage. Das kleine Zahnrad am Antriebsrad greift in den Zahnkranz des Waferhalterads ein. Am äußeren Stirnrand des Antriebsrades befindet sich der stirnseitige Zahnkranz, in den das Kegelzahnrad eingreift. Das Kegelzahnrad sitzt am Ende der Antriebswelle, die von außen durch eine Durchführung hindurch in den Prozeßraum ragt und dort positionsgewünscht drehfähig gelagert ist. Das ist bekannte Technik und deshalb nicht eingezeichnet, lediglich durch das Ende der Antriebswelle angedeutet.
Die vier Haltestäbchen stecken je in einem Reiter. Diese Anordnung, siehe 3, sitzt dann auf dem inneren Ring an dem kreisringförmigen Trägerblech. Die unteren drei Haltestäbchen in 2 sitzen starr radial, das vierte obere in der Trägerblechebene schwenkbar. Der hier am inneren Ring drehbar gelagerte Fixier-Riegel wird bei radial gerichtetem Haltestäbchen mit seinem Loch im freien Endbereich auf den Dorn am Haltestäbchen geschoben und damit schnell fixiert. Die Nut an der freien Stirn des jeweiligen, dort konisch zulaufenden Haltestäbchens verläuft in der Ebene des Trägerblechs. Mit diesem Aufbau kann beispielsweise ein Wafer mit 125 mm Durchmesser eingespannt werden. Die Abschattung ist minimal, wie ersichtlich ist, und bleibt auf hier vier kleine, nahezu punktuelle Bereiche auf dem äußersten Rand des Wafers beschränkt.
4 demonstriert die Qualität der Beschichtung auf einem Wafer mit 125 mm Durchmesser. Angestrebt war eine Schichtdicke von etwa 300 nm. Bei der Ringhalterung nach herkömmlicher Art wurde lediglich eine Kreisfläche mit etwa 40 mm Durchmesser erreicht, dann beginnt die störende Wachstumsänderung. Mit der Waferhalterung mit vier Haltestäbchen dagegen eine Kreisfläche mit eigentlich dem gesamten Waferdurchmesser.

Claims

Waferhalterad mit Andrückvorrichtung in einer Waferbeschichtungsanlage, bestehend aus: – dem Halterad mit einem Zahnkranz und einer v-förmigen Nut um die äußere Mantelfläche, – einem konzentrisch am Halterad angeschraubten kreisringförmigen Trägerblech, an dessen innerem Kreis gleichverteilt mindestens drei Haltestäbchen montiert sind, die an ihrer freien Stirn eine Nut haben, und mindestens zwei Haltestäbchen oder die Haltestäbchen innerhalb eines Winkels kleiner als 180° starr und die übrigen in der Ebene des Trägerblechs schwenkbar montiert sind, so daß die stirnseitig zu beschichtende, kreisförmige Substratscheibe stets zentriert in die jeweilige Stirnnut der starren Haltestäbchen eingelegt und mit den dann radial ausgerichteten Haltestäbchen vollends in Position gehalten wird, – einer Andrückvorrichtung aus mindestens drei Rollen, die in der v-förmigen Nut am Umfang des Zahnkranzes abrollen, wovon eine auf einem einarmigen Hebel montiert ist, der an seinem einen Ende am Rahmen der Andrückvorrichtung drehbar gelagert ist, so daß diese Rolle auf das Halterad zu oder von ihm weggeschwenkt werden kann, und diese Rolle den übrigen Rollen, die innerhalb eines Winkels von < 180° vom Mittelpunkt des Halterades aus fest am Rahmen montiert sind, gegenüberliegt, – einem weiteren, am Rahmen drehbar gelagerten, zweiarmigen Hebel, der mit seinem einen freien Ende unter das freie Ende des einarmigen Hebels greift und an seinem anderen Ende entweder ein Gewicht vorgegebener Gewichtskraft hängen hat oder eine am Rahmen eingehängte Zugfeder vorgegebener Federkonstante ebenfalls eingehängt hat, wodurch die schwenkbare Rolle stets mit vorgegebener, beschränkter Kraft gegen das Waferrad drückt, – einem Antriebsrad mit kleinem Radius und Zahnkranz auf der Mantelfläche und einem Zahnkranz mit großem Radius am Rande einer Stirnfläche des Antriebsrads, in den ein über eine Welle an deren distalem Ende sitzendes, von außen angetriebenes Kegelzahnrad eingreift.
Waferhalterad mit Andrückvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz des Halterades aus wärmebeständigem Nickelstahl ist.
Waferhalterad mit Andrückvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz des Halterades und die v-förmige Nut mit einer Plasma-Keramik-Beschichtung und einer wärmebeständigen Zwischenschicht aus Keramik, wie ZrO₂ oder Al₂O₃ überzogen sind.
Waferhalterad mit Andrückvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den schwenkbaren Stäbchen jeweils ein Haltearm, ein Fixier-Riegel, mit seinem einen Ende drehbar aber nicht lösbar ansetzt der mit einem Loch an seinem freien Endbereich in einem zugehörigen Stift am äußeren Rand des Trägerblechs eingehängt oder aufgeschoben werden kann oder umgekehrt.