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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ablegen einer Halbleiterscheibe auf einem Suszeptor mit einer vorgegebenen Winkelorientierung.
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Während der Gasphasenabscheidung einer epitaktischen Schicht auf der Vorderseite einer Halbleiterscheibe ruht letztere üblicherweise auf einer als Suszeptor bezeichneten Unterlage.
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Es ist erforderlich, die Schicht mit einheitlicher Schichtdicke zu erzeugen und die verwertbare Fläche der Schicht möglichst nahe an den Rand der Halbleiterscheibe heranreichen zu lassen. Beim Versuch, diese Vorgabe umzusetzen, wird man mit dem Problem konfrontiert, dass in Abhängigkeit von der Kristallgitterorientierung der einkristallinen Halbleiterscheibe an bestimmten Bereichen am Rand der Halbleiterscheibe eine erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit auftritt, die zu einer lokal erhöhten Schichtdicke in diesen Bereichen führt. Beispielsweise treten bei Siliciumscheiben der Kristallgitterorientierung (100) an Winkelpositionen von 0°, 90°, 180° und 270° im Randbereich lokal erhöhte Schichtdicken auf. Diese Problematik ist in der Anmeldeschrift US 2009/0 031 954 A1 beschrieben.
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Im genannten Dokument wird vorgeschlagen, die lokal unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeit im Randbereich durch konstruktive Maßnahmen in dem unmittelbar an die Halbleiterscheibe angrenzenden Bereich des Suszeptors zu kompensieren, um so zu einer verbesserten Schichtdickengleichförmigkeit zu gelangen. Gemäß der Anmeldeschrift US 2009/0 031 954 A1 kann kann die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktischen Schicht im Randbereich der Halbleiterscheibe durch das Material an der Oberfläche des Suszeptors in dem unmittelbar an die Halbleiterscheibe angrenzenden Bereich beeinflusst werden. Dementsprechend werden beispielsweise in Positionen, an denen die Wachstumsgeschwindigkeit besonders hoch ist, Materialien für die Oberfläche des Suszeptors verwendet, die die Wachstumsgeschwindigkeit im angrenzenden Bereich der Halbleiterscheibe reduzieren. Auch lokale geometrische Anpassungen des Suszeptors (lokale Erhebungen) zur Beeinflussung der lokalen Wachstumsgeschwindigkeit werden vorgeschlagen.
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Um ihre gewünschte Wirkung entfalten zu können, setzen diese Maßnahmen aber voraus, dass die Halbleiterscheibe während der Abscheidung der epitaktischen Schicht in der richtigen Winkelorientierung auf dem entsprechend ausgestatteten Suszeptor liegt. Die Anmeldeschrift US 2009/0 031 954 A1 gibt nicht an, wie dies sichergestellt werden kann.
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Die Patentschrift
US 5 102 280 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transport einer Halbleiterscheibe zu einer Bearbeitungsstation in einer definierten Orientierung. Dazu wird die Halbleiterscheibe von einem Roboterarm zunächst in eine separate Ausrichtungsstation eingelegt, in der die Orientierung der Halbleiterscheibe ermittelt wird. Wird dabei eine Fehlorientierung festgestellt, so wird die Halbleiterscheibe in einem ersten Fall von dem Roboterarm aufgenommen, in die richtige Orientierung gebracht und wieder in die Ausrichtungsstation eingelegt. Diese Prozedur wird so lange wiederholt, bis die Halbleiterscheibe in der gewünschten Orientierung in der Ausrichtungsstation liegt. Dann wird die Halbleiterscheibe erneut vom Roboterarm aufgenommen und auf einem vorgegebenen Pfad zu einer Bearbeitungsstation transportiert und in diese eingelegt. In einem zweiten Fall wird die Information über die Fehlorientierung unmittelbar dazu verwendet, die Bewegung des Roboterarms beim Transport der Halbleiterscheibe zur Bearbeitungsstation so zu korrigieren, dass die Halbleiterscheibe lagerichtig in die Bearbeitungsstation eingelegt wird. In diesem Fall wird auf das Ausrichten in der Ausrichtstation verzichtet. Die Korrektur der Ausrichtung erfolgt während des Transports zur Bearbeitungsstation.
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Im ersten Fall nimmt das Verfahren für die Lagekorrektur vergleichsweise viel Zeit in Anspruch, sodass aus Wirtschaftlichkeitsgründen der zweite Fall bevorzugt wäre.
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Beim zweiten Fall tritt jedoch das Problem auf, dass die Öffnung, durch die der Roboterarm die Halbleiterscheibe in die Bearbeitungsstation (z. B. in einen Epitaxiereaktor) einführt, nicht wesentlich breiter ist als der Durchmesser der Halbleiterscheibe. Der Roboterarm weist mehrere Gelenke auf. Ist das vorderste Gelenk so nahe am Greifer für die Halbleiterscheibe angeordnet, dass es beim Ablegen der Halbleiterscheibe selbst in die Bearbeitungsstation eintritt, so kann die Ausrichtung der Halbleiterscheibe vor dem Ablegen in einem vergleichsweise großen Winkelbereich korrigiert werden. Andererseits ist aber nicht gewünscht, dass bewegliche Teile beispielsweise in die auf mehrere hundert Grad Celsius vorgeheizte Prozesskammer eines Epitaxiereaktors gelangen, weil durch die beweglichen Teile Partikel erzeugt und in die Prozesskammer eingetragen werden können.
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Tritt das vorderste Gelenk des Roboterarms dagegen nicht in die Prozesskammer des Epitaxiereaktors ein, ist der Winkelbereich, in dem eine Korrektur der Ausrichtung der Halbleiterscheibe erfolgen kann, stark eingeschränkt.
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Der Erfindung lag somit die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Orientierung der Halbleiterscheibe beim Auflegen auf den Suszeptor eines Epitaxiereaktors in einem großen Winkelbereich korrigieren zu können, ohne dass bewegliche Teile eines Roboterarms in die Prozesskammer gelangen müssen und ohne den Transport der Halbleiterscheibe zur Prozesskammer zu stark zu verzögern. Dies soll außerdem mit möglichst geringem apparativem Aufwand bewerkstelligt werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ablegen einer Halbleiterscheibe auf einem Suszeptor mit einer vorgegebenen Winkelorientierung, umfassend folgende Schritte:
- a) Entnahme der Halbleiterscheibe mittels eines Roboterarms aus einer ersten Station,
- b) Ermittlung der aktuellen Winkelorientierung der Halbleiterscheibe, indem die Lage einer Markierung auf der Halbleiterscheibe mittels eines optischen Sensors detektiert wird,
- c) Festlegung, mit welcher Winkelorientierung die Halbleiterscheibe auf einem in einer Prozesskammer befindlichen, um seine Mittelachse drehbar gelagerten Suszeptor abzulegen ist,
- d) Transfer der Halbleiterscheibe mittels des Roboterarms zu der Prozesskammer,
- e) Drehen des Suszeptors um seine Mittelachse in eine Position, die nachfolgend in Schritt f) zum Ablegen der Halbleiterscheibe mit der vorgegebenen Winkelorientierung führt und
- f) Ablegen der Halbleiterscheibe auf dem Suszeptor.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im Gegensatz zum Stand der Technik nicht die Halbleiterscheibe orientiert, sondern der Suszeptor. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt daher kein zusätzliches Modul zum Ausrichten der Halbleiterscheibe (Ausrichtungsstation). Stattdessen wird an einer beliebigen Stelle vor dem Ablegen der Halbleiterscheibe auf dem Suszeptor in Schritt f) die Winkelorientierung der Halbleiterscheibe ermittelt. Aus dieser Information wird anschließend ein Signal für die Steuerung der Suszeptorrotation erzeugt und der Suszeptor so gedreht, dass die Halbleiterscheibe in Schritt f) vom Roboterarm in der gewünschten bzw. erforderlichen Orientierung auf den richtig ausgerichteten Suszeptor gelegt werden kann. Da das erfindungsgemäße Verfahren neben den ohnehin notwendigen Komponenten wie Roboterarm und Prozesskammer mit Suszeptor lediglich eine Vorrichtung zur Ermittlung der Winkelorientierung der Halbleiterscheibe benötigt, ist der technische Aufwand für die Implementierung des Verfahrens gering.
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Außerdem wird kein Roboterarm benötigt, der in der Lage ist, die Halbleiterscheibe in einem großen Winkel um ihre Mittelachse zu drehen. Der Roboterarm muss daher in dem Bereich, der die Halbleiterscheibe trägt und der in die Prozesskammer einfährt, keine beweglichen Teile aufweisen.
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Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für den Transfer einer Halbleiterscheibe in eine mehrere hundert Grad Celsius heiße Prozesskammer und somit für die Beschickung von Epitaxiereaktoren oder Reaktoren für andere Hochtemperaturprozesse geeignet.
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Kurzbeschreibung der Figur
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1 zeigt beispielhaft eine Prinzipskizze einer Vorrichtung mit zwei Prozesskammern gemäß dem Stand der Technik, wie sie üblicherweise zur epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben verwendet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kassette mit Halbleiterscheiben
- 2
- erste Transferkammer
- 3
- Ausrichtungsstation
- 4
- Schleusenkammer
- 5
- zweite Transferkammer
- 6
- Prozesskammer
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Zunächst wird anhand der in 1 dargestellten Prinzipskizze eine typische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik beschrieben, wie sie beispielsweise für die epitaktische Beschichtung von Halbleiterscheiben verwendet wird. Die Vorrichtung umfasst eine oder mehrere Stationen zur Aufnahme jeweils einer Kassette 1 mit Halbleiterscheiben. Dargestellt sind zwei Kassetten 1. In einer ersten Transferkammer 2 befinden sich ein oder mehrere nicht dargestellte Roboter, die die Halbleiterscheiben einzeln aus den Kassetten 1 entnehmen und in eine von ggf. mehreren (dargestellt sind zwei) Schleusenkammern 4 transferieren und sie dort ablegen.
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Falls sichergestellt werden muss, dass die Halbleiterscheiben in einer definierten Orientierung auf den in den Prozesskammern 6 jeweils vorhandenen Suszeptor gelegt werden, ist gemäß dem Stand der Technik eine zusätzliche Ausrichtungsstation 3 notwendig. In diesem Fall transferiert der Roboter in der ersten Transferkammer 2 die Halbleiterscheibe nicht direkt von einer Kassette 1 zu einer Schleusenkammer 4, sondern zunächst von der Kassette 1 zur Ausrichtungsstation 3, wo die Halbleiterscheibe in die erforderliche Orientierung gebracht wird. Anschließend wird die Halbleiterscheibe von dem in der ersten Transferkammer 2 befindlichen Roboter lagerichtig in eine der Schleusenkammern 4 gelegt. (Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt die Ausrichtungsstation 3 nicht.)
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In der zweiten Transferkammer 5 befindet sich ein weiterer Roboter, der die Halbleiterscheibe aus einer der Schleusenkammern 4 entnimmt, sie in eine von ggf. mehreren (dargestellt sind wiederum zwei) Prozesskammern 6 transferiert und sie dort auf einem um seine Mittelachse drehbar gelagerten Suszeptor ablegt.
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In der Prozesskammer erfolgt anschließend beispielsweise eine epitaktische Beschichtung zumindest einer Seite der Halbleiterscheibe.
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Nach der Behandlung in der Prozesskammer erfolgt der Rücktransfer der behandelten Halbleiterscheibe zu einer der Kassetten 1 in umgekehrter Richtung wie soeben beschrieben.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren mit bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben: Die Reihenfolge der Schritte a) bis f) muss nicht unbedingt der oben genannten Reihenfolge entsprechen. Lediglich die Schritte a), d) und f) sind zwangsläufig in dieser Reihenfolge auszuführen.
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In Schritt a) wird eine Halbleiterscheibe mittels eines Roboterarms aus einer ersten Station entnommen. Die erste Station kann beispielsweise eine Kassette 1 zur Aufnahme mehrerer Halbleiterscheiben oder eine Schleusenkammer 4 sein.
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In Schritt b) wird die aktuelle Winkelorientierung der Halbleiterscheibe ermittelt.
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Unter „Winkelorientierung” wird in dieser Beschreibung ein Rotationswinkel um die Mittelachse der Halbleiterscheibe verstanden, den eine ausgezeichnete Richtung der Halbleiterscheibe (die im Fall einer monokristallinen Halbleiterscheibe in der Regel durch die Orientierung des Kristallgitters vorgegeben und durch eine Markierung sichtbar gemacht wird) zu einer definierten Standardrichtung einnimmt.
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Die Winkelorientierung wird durch Detektion der Lage einer Markierung auf der Halbleiterscheibe mittels eines optischen Sensors ermittelt. Die Markierung ist üblicherweise eine Kerbe (engl. „notch”) oder eine abgeflachte Stelle (engl. „flat”) am Umfang einer ansonsten runden Halbleiterscheibe. Auch eine Lasermarkierung auf der Fläche der Halbleiterscheibe kann als Markierung für die Kristallgitterorientierung dienen.
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Unabhängig von der Art der Markierung kann als optischer Sensor eine Kamera eingesetzt werden, die ein Bild der Halbleiterscheibe aufnimmt, wobei die Blickrichtung der Kameraoptik vorzugsweise senkrecht zur ebenen Fläche der Halbleiterscheibe ausgerichtet ist. Vorzugsweise wird eine Digitalkamera eingesetzt, da das Bild in diesem Fall ohne weitere Zwischenschritte elektronisch weiterverarbeitet werden kann. Vorzugsweise wird die Lage der Markierung automatisch mittels eines Bilderkennungsprogramms festgestellt.
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Falls die Markierung eine Kerbe oder eine abgeflachte Stelle am ansonsten kreisrunden Umfang der Halbleiterscheibe ist, kann für die Ermittlung der Winkelorientierung auch eine Lichtschranke eingesetzt werden. Der beispielsweise von einem Laser erzeugte Lichtstrahl wandert dabei auf einer Kreislinie unmittelbar innerhalb des Umfangs der Halbleiterscheibe entlang. Somit trifft der Lichtstrahl ständig auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe, außer im Bereich der Kerbe oder abgeflachten Stelle. Auf diese Weise kann die Lage der Markierung eindeutig festgestellt werden. Die Relativbewegung zwischen Lichtstrahl und Halbleiterscheibe kann durch eine Rotation der Halbleiterscheibe um ihre Mittelachse bei stationärer Lichtquelle oder durch eine kreisförmige Bewegung der Lichtquelle um die Mittelachse der ruhenden Halbleiterscheibe oder mittels einer beweglichen Optik erzielt werden.
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Der optische Sensor zur Ermittlung der Winkelorientierung kann an einer beliebigen Stelle der Vorrichtung angebracht sein, solange sichergestellt ist, dass die Winkelorientierung vor Schritt e) ermittelt wird. Andererseits muss die Winkelorientierung auf dem gesamten Weg von der Ermittlung der Winkelorientierung bis zum Ablegen auf dem Suszeptor erhalten bleiben oder in eindeutiger und bekannter Art und Weise verändert werden. Die Halbleiterscheibe darf also durchaus im Laufe der nachfolgenden Transferschritte um ihre Mittelachse gedreht werden, solange dies reproduzierbar ohne nennenswertes Spiel geschieht und Richtung und Betrag der Rotation genau bekannt sind, sodass eine Korrelation zwischen der in Schritt b) ermittelten Winkelorientierung und der Winkelorientierung beim Auflegen der Halbleiterscheibe auf den Suszeptor in Schritt f) hergestellt werden kann.
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Schritt b) kann vor Schritt a) in der ersten Station (z. B. Schleusenkammer 4 oder während des Schritts a) im Rahmen der Entnahme aus der ersten Station oder während des Schritts d) beim Transfer der Halbleiterscheibe zur Prozesskammer 6 (beispielsweise innerhalb der Transferkammer 5) durchgeführt werden. Schritt b) kann entweder erfolgen, während die Halbleiterscheibe auf einer festen Unterlage ruht (beispielsweise in der ersten Station) oder während sie von einem der Roboterarme (beispielsweise in einer der Transferkammern 2 oder 4 oder während des Transfers in die Prozesskammer 6) gehalten wird.
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In einem weiteren Schritt c) wird festgelegt, mit welcher Winkelorientierung die Halbleiterscheibe später in Schritt f) auf dem in der Prozesskammer 6 befindlichen, um seine Mittelachse drehbar gelagerten Suszeptor abzulegen ist. Diese Soll-Winkelorientierung bezieht sich auf eine bestimmte ausgezeichnete Richtung des Suszeptors, es handelt sich also um eine Winkelorientierung relativ zum Suszeptor.
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Diese Soll-Orientierung auf dem Suszeptor ergibt sich beispielsweise daraus, dass der Suszeptor gewisse richtungsabhängige, an die Kristallgitterorientierung der Halbleiterscheibe angepasste Merkmale zur lokalen Korrektur der Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktischen Schicht aufweist, wie sie beispielsweise in
US2009/0031954A1 beschrieben sind. Die Halbleiterscheibe muss in diesem Fall so auf den Suszeptor gelegt werden, dass die Orientierung ihres Kristallgitters mit der Lage der Korrekturmerkmale am Suszeptor so übereinstimmt, dass letztere ihre Korrekturwirkung auf die lokale Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktischen Schicht optimal entfalten können.
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Vorzugsweise wird für jeden Typ von Halbleiterscheiben die erforderliche Winkelorientierung, die sich beispielsweise aus oben dargestellten Überlegungen ergibt, einmal definiert und beispielsweise in einer Datenbank abgelegt. Um in Schritt c) die erforderliche Winkelorientierung der Halbleiterscheibe in Relation zum Suszeptor festzustellen, werden die entsprechenden Daten aus der Datenbank abgerufen.
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Schritt c) kann an einer beliebigen Stelle des Ablaufs vor Schritt e) erfolgen, d. h. bereits vor Schritt a), gleichzeitig mit einem der Schritte a), b) oder d) oder zwischen zwei der genannten Schritte.
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In Schritt d) wird die Halbleiterscheibe mittels eines Roboterarms (angebracht z. B. in der Transferkammer 5) zu einer Prozesskammer 6 transferiert. Es kann sich dabei um denselben Roboterarm handeln wie in Schritt a). Es können jedoch auch unterschiedliche Roboterarme verwendet werden. Der Transfer der Halbleiterscheibe zur Prozesskammer 6 erfolgt vorzugsweise auf einem vorgegebenen Pfad, d. h. die Bewegung des Roboterarms ist vordefiniert und wird nicht an die in Schritt b) festgestellte Winkelorientierung der Halbleiterscheibe angepasst, um diese zu korrigieren.
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In Schritt e) wird der in der Prozesskammer 6 befindliche Suszeptor nach Maßgabe der in Schritt b) ermittelten Winkelorientierung der Halbleiterscheibe und der in Schritt c) erfolgten Festlegung, mit welcher Winkelorientierung die Halbleiterscheibe auf den Suszeptor gelegt werden muss, um seine Mittelachse in eine Position gedreht, die nachfolgend in Schritt f) zum Ablegen der Halbleiterscheibe mit der erforderlichen Winkelorientierung führt. Für die Drehung des Suszeptors wird vorzugsweise derselbe Antrieb verwendet, der den Suszeptor auch während des nachfolgenden Prozesses (beispielsweise der epitaktischen Beschichtung) in Rotation versetzt. Um den Suszeptor in die gewünschte Position drehen zu können, muss jedoch zu jeder Zeit die aktuelle Position des Suszeptors bekannt sein. Entsprechende Antriebe sind Stand der Technik. Es handelt sich dabei in der Regel um Schrittmotoren, die außerdem mit einem Winkelgeber zur exakten Bestimmung des aktuellen Rotationswinkels ausgestattet sind.
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Schritt e) kann erfolgen, sobald die Schritte b) und c) durchgeführt sind, vorzugsweise während die Halbleiterscheibe in Schritt d) zur Prozesskammer 6 transferiert wird.
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In Schritt f) wird die Halbleiterscheibe vom Roboterarm auf dem Suszeptor in der Prozesskammer 6 abgelegt, wobei vorzugsweise keine weitere Lagekorrektur erfolgt.
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Die Erfindung kann im Rahmen aller Verfahren angewandt werden, bei denen es darauf ankommt, eine Halbleiterscheibe in einer vorbestimmten Winkelorientierung auf eine Unterlage (Suszeptor) aufzulegen. Von besonderer Bedeutung ist dies bei der Abscheidung einer epitaktischen Schicht aus der Gasphase auf einer monokristallinen Halbleiterscheibe (beispielsweise einer Siliciumscheibe) in einem Epitaxiereaktor.
