DE112008002689T5

DE112008002689T5 - Transfer von Hochtemperaturwafern

Info

Publication number: DE112008002689T5
Application number: DE112008002689T
Authority: DE
Inventors: Michael Albert Phoenix Tischler; Ronald Thomas Jr. Mesa Bertram
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-12-23
Also published as: CN101868853A; US20100216316A1; US20120164843A1; WO2009067364A1; US8153536B2; US8455370B2; CN101868853B

Abstract

Halbleiterwafer-Transfervorrichtung, die sich für eine Halbleiterverarbeitungsanlage eignet, die über eine Abscheidungskammer für die Gasphasen-Epitaxie verfügt, wobei die Vorrichtung enthält:
ein Trägerelement;
eine Vielzahl von Gasauslassanschlüssen in dem Trägerelement für die Abgabe des Gases;
wenigstens einen Gaseinlassanschluss in dem Trägerelement für die Aufnahme wenigstens eines Gases von wenigstens einer externen Gasquelle; und
wenigstens einen Leitungsweg von dem Einlassanschluss zu den Auslassanschlüssen, in dem Gas strömt, wobei das Gas ein aktives Gas enthält, das mit wenigstens einem Halbleitermaterial chemisch reaktiv ist, um einen Zerfall oder die Sublimation einer Oberfläche eines Wafers zu begrenzen, der derartige Materialien enthält.

Description

TRANSFER VON HOCHTEMPERATURWAFERN
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Halbleiterbearbeitungsanlagen und gibt insbesondere eine Vorrichtung sowie Verfahren an, die es gestatten, eine Gasphasen-Epitaxiekammer bei hohen Temperaturen zu beschicken und zu entleeren, was bislang nicht möglich war. Insbesondere gibt die Erfindung eine Vorrichtung zum Bewegen von Wafern oder Substraten an, die ein Substrat umspülen kann, das in aktiven Gasen bewegt wird, deren Temperatur wahlweise gesteuert wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Über bekannten, kritischen Temperaturen können Oberflächen von Verbundhableitern beispielsweise durch die Verdampfung eines oder mehrerer der flüchtigeren Elemente aus der Oberfläche beeinträchtigt oder beschädigt werden. Eine Art dieses Verdampfungspunktes ist als ”Sublimation”, insbesondere als ”kongruente Sublimation” bekannt. Für den Fall von Galliumnitrid etwa, beginnt der Einsatz des Oberflächenzerfalls, in erster Linie durch den Verlust von Stickstoff, über einer Temperatur im Bereich von 800°C; siehe Mastro et al., 2005, J. of Crystal Growth 274:38. Ein Verfahren zum Erhalt der Oberfläche und zur Verhinderung des Zerfalls beinhaltet das Erwärmen derartiger Substrate in eine Umgebung, die einen geeigneten Vorrat der Bestandteilselemente enthält, die stärker dazu neigen, aus der Oberfläche des Verbundmaterials verdampft zu werden. Somit sollten GaN-Oberflächen in einer Umgebung aufbewahrt werden, die aktive Stickstoffelemente (z. B. NH₃) bei Temperaturen im Bereich von wenigstens 800°C hat. Zudem beginnt bei Galliumarsenid der Oberflächenzerfall über etwa 640°C (siehe US-Patent 9.659.188 ); somit sollte lange vor dem Erreichen einer derartigen Zerfallstemperatur (normalerweise über 400–450°C) GaAs in einer Umgebung aufbewahrt werden, die Arsin enthält.
Reaktoren mit hohem Durchsatz, wie etwa der ASM Epsilon^®, verwenden einen Bernouille-Stab, um Wafer von einer Transferkammer in einen Hochtemperaturreaktor zu laden und aus diesem zu entnehmen. Der Bernouille-Stab ist in dem US-Patent 5.080.549 beschrieben und eignet sich für den Transfer von Hochtemperaturmaterialien, da die Verwendung derartiger Stäbe den physikalischen Kontakt zwischen diesen an sich und dem Wafer minimiert. Der Bernouille-Stab (benannt nach dem Bernouille-Prinzip) verwendet eine Vielzahl von Gasdüsen, die über dem Wafer angeordnet sind, um einen Druckunterschied zwischen der Oberfläche und der Unterseite des Wafers zu erzeugen. Der Druck unmittelbar über dem Wafer wird im Vergleich zur Unterseite verringert, und der anschließende Druckunterschied erzeugt eine aufwärts gerichtete Kraft an dem Wafer. Vorteilhafterweise erfährt der Wafer, wenn er angehoben wird, ebenfalls eine abwärts gerichtete Kraft von den Gasauslässen des Stabes. Somit wird eine Gleichgewichtsposition erreicht, in der der Wafer weder in Kontakt mit dem Boden noch mit der Oberfläche des Bernouille-Stabes ”schwebt”. (Insgesamt werden diese und andere entsprechenden Kräfte hier als ”aerodynamische Kräfte” bezeichnet.)
Die Verwendung eines Bernouille-Stabes für den Transfer ist bekannt. Bislang wurden jedoch derartige Stäbe meistens und in erster Linie für den Transfer von Siliziumwafern verwendet, die nicht in der Lage sind, einen Zerfall des kongruenten Sublimationstyps zu erfahren und somit Gegenstand weniger strenger Reaktortransferablaufe sind. Im Gegensatz dazu erfordern Verbundhalbleiterwafer, die Gegenstand einer derartigen Beschädigung sind, im allgemeinen präzise gesteuerte Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge, um sicherzustellen, dass sich die Wafertemperatur unter der kongruenten Sublimationstemperatur vor dem Laden in den oder dem Entnehmen aus dem Prozessreaktor befindet. Wenngleich der Kühlvorgang von unschätzbarem Wert für die Erhaltung der qualitativ hochwertigen Oberfläche des Verbundhalbleiters ist, stellt die dafür erforderliche Zeit einen beträchtlichen Verlust bei der Produktion mit anschließenden finanziellen Konsequenzen dar.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst Verfahren und eine Vorrichtung, die den Oberflächenzerfall oder die Sublimation, kongruent oder in anderer Art (insgesamt hier als ”Oberflächenänderungen” oder ”Oberflächenbeschädigung” bezeichnet) planer, Verbundhalbleitermaterialien (hier auch als ”Wafer” bekannt) während ihres Ladens in einen und ihres Entnehmens aus einem Prozessreaktor, wie etwa einer Abscheidekammer, bei Prozesstemperaturen (die bis zu 1.000°C und mehr betragen können) verhindern. Der Zerfall oder die Sublimation einer Waferoberfläche kann die Waferqualität beeinträchtigen oder beschädigen, weshalb eine Begrenzung oder Vermeidung derartiger Änderungen klar erwünscht ist. Das Laden und Entnehmen bei Prozesstemperaturen ist erwünscht, um die Zeiten für einen Temperaturanstieg und einen Temperaturabfall während der Halbleiterverarbeitung zu minimieren. Diese Prozesse können dadurch einen höheren Durchsatz haben, wodurch Verarbeitungsanlagesysteme wirtschaftlicher genutzt werden können.
Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum Transferieren von Wafern, insbesondere Wafern, die Verbundhalbleitermaterialien enthalten, zwischen unterschiedlichen Umgebungen in der Halbleiterverarbeitungsanlage, insbesondere Umgebungen mit unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und unterschiedlichen Umgebungsbeschaffenheiten. Die Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung sehen somit Ströme eines aktiven Gases (oder eine Kombination aktiver/inaktiver Gase) vor, die einen Zerfall oder eine Sublimation der Waferoberfläche während derartiger Transfers oder während eines Herrschens niedriger Temperaturen oder während einer Zeitdauer verhindern, die für den Temperaturanstieg erforderlich ist. Es ist beispielsweise bekannt, dass, wenn Verbundhalbleitermaterialien von einer Umgebung höherer Temperatur, die die Abscheidung unterstützt (es sind beispielsweise Pärkursorgase vorhanden), in eine neutrale Umgebung mit geringerer Temperatur (es sind beispielsweise keine Präkursorgase vorhanden) transferiert werden, die Oberflächen dieser Materialien (in ihre Präkursoren oder andersartig) zerfallen oder (entweder kongruent oder nicht kongruent) sublimieren können. Es ist zudem bekannt, dass dieser Zerfall oder diese Sublimation der Oberflächenmaterialien begrenzt oder verhindert werden kann, indem die Oberflächen von einem Gas oder Gasen umspült werden, die relevante thermodynami sche oder kinetische Bedingungen an der Oberfläche vorteilhaft verändern, um die Materialbildung zu begünstigen und den Materialzerfall zu behindern. Derartige Gase, die hier als ”aktive Gase” bekannt sind, sind im Hinblick auf die einzelnen Verbundmaterialien und die erwarteten Temperaturbereiche gewählt und können beispielsweise Gase umfassen, die sich an sich wie Präkursoren verhalten oder sich in den relevanten Temperaturbereichen zu Materialien zerlegen, die sich wie Präkursoren verhalten. Im allgemeinen sind aktive Gase in der Lage, mit dem Verbundhalbleiter zu interagieren, um Oberflächenveränderungen während des Hochtemperatur-Transfers/-Verbleibs wesentlich zu begrenzen oder zu verhindern. Andererseits sind ”inaktive Gase” jene Gase, die die relevanten thermodynamischen oder kinetischen Bedingungen an der Oberfläche nicht ändern, und können derartige ”traditionelle” Gase, wie etwa N₂, Ar und dergleichen beinhalten. Gase die Gemische derartiger aktiver Gase und derartiger inaktiver Gase enthalten, können hier ebenfalls als ”aktive Gase” erachtet werden. Es wird zudem darauf hingewiesen, dass der Begriff ”Wafer” bei bestimmten Ausführungsformen nicht nur plane Verbundhalbleitermaterialien umfassen kann, sondern auch einen Trägerwafer, der verwendet wird, um eine Vielzahl derartiger Verbundhalbleiterwafer zu halten. Galliumnitrid wird in vielen Fällen auf Saphirsubstraten mit Durchmessern von 2 bis 3 Zoll abgeschieden. Bei einer bestimmten Ausführungsform können eine Vielzahl derartiger Wafer in einen Abscheidungsreaktor gleichzeitig geladen werden, indem derartige Wafer auf einem Trägerwafer mit einem ausreichend bemessenen Durchmesser, wie etwa einem Quartzwafer mit 12 Zoll Durchmesser, plaziert werden. Somit ist der Begriff ”Wafer” nicht auf einen einzelnen Verbundhalbleiter beschränkt, sondern umfasst ebenfalls mehrere Verbundhalbleiterwafer auf einem einzigen Träger.
Kurz gesagt enthält die Vorrichtung der Erfindung mehrere Einrichtungen, die Wafer steuern können, wie etwa einen Wafer steuerbar von einer Oberfläche aufnehmen können, einen Wafer steuerbar schweben lassen können, einen schwebenden Wafer steuerbar bewegen können und einen schwebenden Wafer auf einer Oberfläche steuerbar ablegen können. Eine derartige Einrichtung kann bekannte Kräfte, wie etwa mechanische Kräfte, aerodynamische Kräfte, elektromagnetische Kräfte und dergleichen verwenden, um die Wafer schweben zu lassen, wobei die Vorrichtung durch bekannte manuelle oder robotische Einrichtungen bewegt werden kann. Bau teile einer derartigen Steuerung und Bewegung des Wafers sind nach dem Stand der Technik bekannt und hier nur kurz erläutert.
Die Vorrichtung dieser Erfindung enthält jedoch ebenfalls Bauteile, die eine Waferoberfläche mit aktiven Gasen umspült, wie etwa Verbindungen zu Quellen der aktiven Gase (und wahlweise zu Quellen inaktiver Gase), Leitungen für die Leitung aktiver Gase in die Nähe eines schwebenden Wafers sowie Anschlüsse oder andere Mechanismen zur Abgabe der aktiven Gase, so dass die abgegeben Gase die Waferoberfläche umspülen. Die vorliegende Erfindung gibt zudem Verfahren an, die Oberflächenänderungen infolge eines Hochtemperatur-Wafertransfers begrenzen. Diese Verfahren umfassen das Wählen aktiver Gase (oder Kombinationen aktiver und inaktiver Gase), die sich für ein spezielles Halbleitermaterial (insbesondere ein Verbundhalbleitermaterial) in speziellen Temperaturbereichen eignen, und das Bereitstellen gewählter aktiver Gase während des Hochtemperaturtransfers bei Drücken und Strömungsraten, die eine Oberflächenveränderung begrenzen oder verhindern. Wahlweise können die Verfahren und die Vorrichtung Elemente beinhalten, die die gewählten Gase erwärmen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Vorrichtung in der Lage, die Wafer zu steuern, ohne die gesteuerten Wafer physisch zu berühren. Bei stärker bevorzugten Ausführungsformen enthält die Vorrichtung einen Bernouille-Stab. Derartige Stäbe steuern die Wafer mit Hilfe aerodynamischer Kräfte und enthalten daher bereits wenigstens eine Leitung zum Leiten des Gases und eine Vielzahl von Öffnungen, um das Gas über die Oberfläche eines gesteuerten Wafer auszugeben. Siehe beispielsweise US 5.659.188 . Die Gase, die verwendet werden, um die erforderlichen aerodynamischen Kräfte zu erzeugen, waren bislang inert oder inaktiv, wie etwa N₂ oder H₂.
Um jedoch die Oberflächenänderungen während Hochtemperaturtransfers zu begrenzen oder zu verhindern, verwendet diese Erfindung Gasströme, die aktive Gasbestandteile enthalten, um die aerodynamischen Kräfte für die Steuerung des Wafers zu erzeugen. Die Konzentration der Aktivgastandteile wird im Hinblick auf die Zusammensetzung der Waferoberfläche und die erwarteten Transfertemperaturen gewählt. Die Gasströme können zudem gewählte inerte oder inaktive Bestandteile in Abhängigkeit der festgelegten Abscheidung in dem Reaktor enthalten und können die Hinzugabe von Trägerelementen umfassen, die die Prozessflexibilität verbessert. Demzufolge ermöglicht der Aktivgasausstoß aus der Bernoille-Stab-Vorrichtung der Erfindung das Beschicken und Entnehmen des Wafers ohne Beschädigung der Oberfläche über Temperaturen, bei denen eine Oberflächenbeschädigung (Zerfallstemperaturen oder Temperaturen kongruenter oder nicht kongruenter Sublimation) des speziellen Verbundhalbleiters wahrscheinlich sind.
Weiterhin gibt die Erfindung unterschiedliche Ausführungsformen von Halbleiterwafer-Transfervorrichtungen an, die vorteilhaft in Kombination mit einer Halbleiterbearbeitungsanlage verwendet werden können, die über eine Abscheidungskammer für die Gasphasen-Epitaxie verfügt. Eine Wafertransfervorrichtung dieser Erfindung enthält ein Trägerelement mit wenigstens einem Gaseinlassanschluss für die Aufnahme wenigstens eines Gases von wenigstens einer externen Quelle, eine Vielzahl von Gasauslassanschlüssen für die Abgabe der Gase und wenigstens einen Leitungsweg, um die Gase von dem Einlassanschluss zu den Gasauslassanschlüssen zu leiten. Es ist ein Schlüsselmerkmal dieser Erfindung, dass die Gase, die aus der Transfervorrichtung abgegeben werden, mit wenigstens einem Halbleitermaterial derart chemisch aktiv sind, dass das der Zerfall oder die Sublimation (einschließlich der kongruenten Sublimation) einer Waferoberfläche, die derartige Halbleitermaterialien enthält, insbesondere dann begrenzt ist, wenn der Wafer hohe Temperaturen hat. Wahlweise kann die Transfervorrichtung wenigstens ein Heizelement enthalten, das derart bemessen und eingerichtet ist, dass es Gas erwärmt, das durch die Transfervorrichtung strömt; und das Trägerelement kann derart eingerichtet sein, dass es einen schmale Einschnürung aufweist, die in einem großen, planen Kopf endet und diesen trägt, der über die Vielzahl von Auslassanschlüssen verfügt.
Wird ein derartiger Halbleiterwafer von der Transfervorrichtung dieser Erfindung, die derartige aktive Gase abgibt, transferiert, ist die Waferoberfläche somit selbst bei hohen Temperaturen vor Beschädigungen geschützt. Weiterhin können die aerodynamischen Kräfte, die von den abgegebenen Gasen erzeugt werden, derart wirken, dass sie einen Wafer unter der Transfervorrichtung (insbesondere unter dem Kopf der Transfervorrichtung) schweben lassen. Demzufolge kann diese Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen zudem eine Wafertransfervorrichtung enthal ten, bei der der Halbleiterwafer unter der Vorrichtung schwebt und mit aktiven Gasen umspült wird, die sich so verhalten, dass sie den Wafer vor Beschädigungen selbst bei hohen Temperaturen schützen.
Die Gase, die von dem Wafer abgegeben werden, können einen chemisch aktiven Anteil und wahlweise einen chemisch inaktiven Anteil enthalten. Der aktive Anteil der Gase kann mit dem Oberflächenmaterial des schwebenden Wafers entweder bei dessen Umgebungstemperatur oder lediglich über einer Schwellenwerttemperatur oder in Gegenwart einer Plasmaquelle chemisch reaktiv sein. Enthält die Waferoberfläche Gruppe-III-Nitrid-Halbleitermaterialien, kann der aktive Bestandteil aktive Stickstoffelemente enthalten oder kann in Gegenwart einer Plasmaquelle oder über einer Schwellenwerttemperatur, die geringer ist als etwa 1.000°C, pyrolytisch zerfallen, um aktive Stickstoffelemente zu enthalten. Insbesondere kann der aktive Bestandteil Ammoniak, Hydrazin, Dimethylhydrazin, eine Verbindung, die einen Hydrazinteil enthält, Phosphin oder Arsin enthalten.
Das Stabelement dieser Erfindung kann als Bernouille-Stab ausgeführt sein. Bei diesen Ausführungsformen enthält die Erfindung einen Bernouille-Stab, durch den Gase strömen, von denen wenigstens ein Teil mit wenigstens einem Material derart chemisch reaktiv ist, dass der Zerfall oder die Sublimation einer Oberfläche des Wafers begrenzt wird. Vorzugsweise enthalten derartige Ausführungsformen weiterhin Transfervorrichtungen, die aktive Gase abgeben und Halbleiterwafer schweben lassen, deren Oberflächen durch die aktiven Gase geschützt sind.
Die Erfindung gibt zudem unterschiedliche Ausführungsformen von Halbleiterwafer-Transferverfahren an, die vorteilhaft auf den Transfer von Halbleiterwafern zwischen einer Abscheidungsumgebung, wie etwa einer CVD-Reaktorkammer, in der sich die Wafer während Perioden der Epitaxie befinden, und einer Transferumgebung angewendet werden können, in der sich die Wafer vor, zwischen oder nach Perioden der Epitaxie befinden. Gemäß den angegebenen Verfahren wird während dem Wafertransfer zwischen diesen beiden Umgebungen wenigstens eine Oberfläche des Wafers mit Gasen umspült, die einen aktiven Anteil haben, der mit der Waferoberfläche derart chemisch reaktiv ist, dass deren Zerfall oder die Sublimation begrenzt wird. Wahlweise kann damit fortgefahren werden, den Wafer in der Transfer- zu-Umgebung für eine Zeitdauer zu umspülen, bis das Risiko des Oberflächenzerfalls oder der Sublimation in der neuen Umgebung gering ist, oder der Wafer kann für eine Zeit in der Transfer-von-Umgebung umspült werden, um ihn für den Transfer vorzubereiten. Vorzugsweise schwebt der Wafer während des Transfers infolge aerodynamischer Kräfte, die von den Gasen erzeugt werden, die die Waferoberfläche umspülen.
Die Verfahren umfassen vorzugsweise das Erwärmen der Transfervorrichtung, und somit der Gase, die durch die Vorrichtung strömen und den Wafer umspülen, um wenigstens bis zu einem gewissen Grad die Wafertemperatur zu steuern. Da die Transferumgebung im allgemeinen kühler ist als die Abscheidungsumgebung, ist es vorzuziehen, dass nach dem Transfer von der Abscheidungsumgebung zur Transferumgebung der Wafer von den aktiven Gasen umspült wird, bis seine Temperatur unter jener ist, bei der der Oberflächenzerfall oder die Sublimation in Abwesenheit der aktiven Gas signifikant ist. Zudem ist es vorzuziehen, dass die Temperatur der umspülenden Gase durch Erwärmung derart gesteuert wird, dass die Rate der Temperaturabnahme des Wafers ausreichend niedrig ist, so dass eine signifikante thermische Beschädigung des Wafers unwahrscheinlich ist.
Soll der Wafer weiterhin zurück in die wärmere Abscheidungsumgebung transferiert werden, ist es vorzuziehen, den Wafer für einen derartigen Rückkehrtransfer durch Erwärmung der umspülenden Gase derart vorzubereiten, dass die Wafertemperatur höher beibehalten wird als die Temperatur der Transferumgebung, jedoch ohne Oberflächenzerfall und Sublimation. Vorzugsweise sind die Oberflächentemperaturen des Wafers zum Zeitpunkt des Transfers zurück ausreichend hoch, so dass eine signifikante thermische Beschädigung des Wafers unwahrscheinlich ist. Diese Verfahren können wiederholt werden, um einen Wafer wiederholt zwischen diesen beiden Umgebungen zu transferieren.
Da die Abscheidungsumgebung im allgemeinen wärmer ist als die Transferumgebung, ist es vorzuziehen, dass der Wafer nach dem Transfer von der Transferumgebung in die Abscheidungsumgebung mit dem aktiven Gas umspült wird, bis dessen Temperatur über jener liegt, bei der ein Oberflächenzerfall oder eine Sublimation in der Abscheidungsumgebung ohne aktive Gase signifikant ist. Zudem wird es bevorzugt, dass der Wafer, während er sich in der Transferkammer befindet und bevor er in die Abscheidungsumgebung transferiert wird, mit den aktiven Gasen umspült wird, die erwärmt sind, so dass dessen Temperatur hin zur Temperatur der Abscheidungsumgebung ansteigt.
Die umspülenden Gase werden vorzugsweise in einer Art und Weise erwärmt, dass die Rate des Wafertemperaturanstiegs derart beschaffen ist, dass eine signifikante thermische Beschädigung des Wafers unwahrscheinlich ist, wobei eine weitere Umspülung mit den erwärmten Gasen in der Abscheidungsumgebung vorzugsweise fortgesetzt wird, bis die Wafertemperatur ausreichend hoch ist, so dass eine signifikante thermische Beschädigung des Wafers dadurch, dass er den Temperaturen der Abscheidungsumgebung ausgesetzt wird, unwahrscheinlich ist.
Weitere Aspekte und Details sowie alternative Kombinationen der Elemente dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich und liegen ebenfalls im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, veranschaulichende Beispiele spezieller Ausführungsformen der Erfindung und die beiliegenden Zeichnungen umfassender verständlich.
1A–B zeigen Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
2A–B zeigen bevorzugte Ausführungsformen von Verfahren dieser Erfindung; und
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform von Verfahren dieser Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Es versteht sich, dass die bevorzugte Ausführungsform, bei der Bernouille-Stäbe Verwendung finden, nicht einschränkend ist, und dass bei anderen Ausführungsformen der Erfindung keine Bernouille-Stäbe verwendet werden. Überschriften werden hier nur aus Gründen der Klarheit und ohne beabsichtigte Einschränkung verwendet.
Die Begriffe ”signifikant” und ”wahrscheinlich” (sowie ähnliche Begriffe des Grades) werden hier in der Bedeutung innerhalb annehmbarer und erwarteter Grenzen, normalerweise großtechnischer Grenzen verwendet. Beispielsweise wird in dem Satz ”eine signifikante Beschädigung des Wafers ist bei dem Vorgang unwahrscheinlich” der Begriff ”signifikante Beschädigung des Wafers” verwendet, um einen Schaden zu bezeichnen, der beabsichtigte, normalerweise großtechnische Verwendungen des Wafers einschränkt. Der Begriff ”bei dem Vorgang unwahrscheinlich” wird in der Bedeutung verwendet, dass, wenngleich ein signifikanter Schaden auftreten kann, dieser derart ausreichend selten auftritt, dass eine großtechnische Verwendung des Vorgangs nicht behindert oder verhindert wird. Die Bereiche, die mit diesen Begriffen beschrieben sind, hängen von den großtechnischen Anforderungen (oder Forschungsgegebenheiten oder dergleichen) ab und können variieren, sollen jedoch in sämtlichen Fällen nicht so erachtet werden, als dass sie Anforderungen auferlegen, die über das hinausgehen, was derzeit bei einem gegebene Stand der Technik erreichbar ist. Es versteht sich, dass diese Erfindung nicht auf großtechnische Anwendungen beschränkt ist; beabsichtigte Anwendungen beinhalten Forschungsanwendungen, Anwendungen spezieller Zwecke und dergleichen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung dieser Erfindung verwenden Bernouille-Stäbe, um Wafer gemäß zu beschreibender Transferabläufe zu transferieren. Bekannte Transferabläufe berücksichtigen im allgemeinen lediglich die Möglichkeit mechanischer Schäden infolge thermischer Spannungen und ziehen die Möglichkeit einer Oberflächenbeschädigung infolge eines Zerfalls oder einer Sublimation nicht in Erwägung. Diese Einschränkung entsteht dadurch, dass Bernouille-Stäbe vorwiegend verwendet wurden, um elementare Halbleiterwafer, wie etwa Sili zium-(Si-)Wafer, zu transferieren. Derartige Materialien zerfallen selbstverständlich nicht und sind zudem nicht dafür bekannt, eine signifikante Sublimation bei relevanten Prozesstemperaturen zu erfahren.
Transferabläufe für Verbundhalbleitermaterialien berücksichtigen jedoch vorzugsweise nicht nur die Möglichkeit einer mechanischen Beschädigung, sondern auch die Möglichkeit einer chemischen Oberflächenbeschädigung. Bei höheren Temperaturen können zahlreiche Verbundhalbleiter flüchtige Elemente aus ihren Oberflächen entweder durch Zerfall oder durch kongruente oder nicht kongruente Sublimation (”Oberflächenänderungen”) freisetzen. Es ist von höchster Bedeutung, die Oberflächenqualität des Halbleiters zu erhalten und somit derartige zerstörende Oberflächenveränderungen zu begrenzen oder zu verhindern. Bei dieser Erfindung wird dies durch Bereitstellen einer Umgebung erreicht, die einen geeigneten Vorrat wenigstens eines chemischen Elementes (”aktive Gase”) enthält, das die Reaktionen begrenzen, verhindern oder umkehren kann, die zu Oberflächenveränderungen führen.
Galliumarsenid (GaAs) und Galliumnitrid (GaN) sind zwei großtechnisch wichtige Verbundhalbleiter, von denen bekannt ist, dass sie derartige Oberflächenänderungen erfahren. GaAs beginnt bei etwa 640°C zu zerfallen/sublimieren, und daher sollte sich über derartigen Temperaturbereichen GaAs in einer Umgebung befinden, die ein aktives Gas, wie etwa ein Gas enthält, das über eine aktive As-Verbindung (z. B. Arsin, AsH₃) verfügt. Siehe US 5.659.188 . Für GaN beginnt der Zerfall/die Sublimation bei etwa 800°C, und daher sollte es sich in einer Umgebung befinden, die ein aktives Gas, wie etwa ein Gas enthält, das über eine N-Verbindung (z. B. Ammoniak, NH₃) verfügt. Siehe beispielsweise Mastro et al. 2004, Journal of Crystal Growth 274, 38.
Aktive Verbindung können entweder bei Raumtemperatur aktiv oder bei Raumtemperatur inaktiv sein, aber inaktive Verbindungen können bei relevanten Zerfalls-/Sublimations-Temperaturen in aktive Elemente umgewandelt werden. Mit anderen Worten können aktive Elemente in inaktiven Gasen lediglich in bestimmten Temperaturbereichen enthalten sein, oder über bestimmten Temperaturbereichen und dergleichen. Somit wird ein aktives Gas vorzugsweise nicht nur im Hinblick auf den speziellen zu transferierenden Wafer gewählt, sondern auch im Hinblick auf die erwarteten Temperaturbereiche, die während des Transfers/Verbleibs des Wafers verwendet werden. Im Fall von GaN wird im allgemeinen Ammoniak (NH₃) während der Abscheidung für die N-Quelle verwendet, da die GaN-Abscheidung normalerweise bei Temperaturen über 1.000°C ausgeführt wird und NH₃ bereits bei etwa 950°C zu 15% zerfallen ist. Unter etwa 900°C bis 950°C ist jedoch NH₃ möglicherweise nicht ausreichend zerfallen, um eine geeignete Quelle für aktive N-Elemente zu sein, weshalb alternative aktive Gase, die zu N-Elementen bei geringeren Temperaturen zerfallen, bei derart niedrigeren Temperaturbereichen bevorzugt werden. Beispielsweise beginnt Dimethylhydrazin (DMHy) bei etwa 320°C pyrolytisch zu zerfallen und ist bei 800°C vollständig zerfallen und kann somit ein geeignetes aktives Gas für Temperaturbereiche unter etwa 800 bis 900°C sein. Siehe Takizawa et al., 2007, Journal of Electronic Materials, 36403. Zudem können Hydrazin an sich, oder Verbindungen, die einen pyrolytisch zerfallenden Hydrazinanteil haben, ebenfalls ein geeignetes aktives Gas bei niedrigeren Temperaturbereichen sein.
Bei weiteren Ausführungsformen können Gase durch andere Mittel als Wärme aktiv gemacht werden, wie etwa durch Erzeugung von Plasmen, die in den strömenden Gasen vor dem Eintritt in die Transfervorrichtung, oder in der Transfervorrichtung an sich, oder in der Nähe eines Substrates erzeugt werden können. Plasmen können auf herkömmliche Art und Weise durch HF-Elektromagnetfelder gebildet werden, die durch Spulen und dergleichen erzeugt werden.
Für den Fall von GaN sollte weiter drauf hingewiesen werden, dass, obwohl es häufig in einer hetero-epitaxialen Art und Weise auf Saphirsubstraten abgeschieden wird (m. p. größer als 2.000°C), die bei GaN-Abscheidungstemperaturen stabil sind, es in vielen Fällen auch in einer homo-epitaxialen Art und Weise auf Substraten mit einer GaN-Oberfläche (z. B. freistehende GaN-Substrate oder GaN-”Pseudo-Substrate”) abgeschieden wird. Es ist bekannt, dass die homo-epitaxiale Abscheidung auf freistehenden Substraten oder Pseudo-Substraten zu Materialien höherer Qualität führt, wobei jedoch die GaN-Substratoberfläche während Hochtemperaturtransfers beschädigt werden kann. Somit werden derartige Verbundsubstrate vorzugsweise mit einem Aktivgas-Bernouille-Stab (oder einer anderen Ausführungsform) dieser Erfindung geschützt, um die Oberflächenqualität während des Trans fers zu bewahren. Die Bewahrung der Oberflächenqualität ist von Bedeutung, da Oberflächendefekte auf dem Substrat, die während des Beschickens ausgebildet werden, zu einem Fehler in einer darauf abgeschiedenen Epitaxieschicht führen. Der bevorzugten Ausführungsformen des Aktivgas-Bernouille-Stabes lassen hohe oder niedrige Entnahme-/Austausch-Transfertemperaturen von 250°C bis 900°C zu, wie sie von unterschiedlichen Substraten gefordert oder für diese zulässig sind.
Wendet man sich nun der Vorrichtung dieser Erfindung zu, so zeigen 1A und 1B schematisch eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht einer bevorzugten Bernouille-Stab-Ausführungsform der Vorrichtung dieser Erfindung. Da die Vorrichtung dieser Erfindung ihre gewöhnliche Anwendung als Bestandteil einer Anlage findet, die für die Prozesse der chemischen Dampfphasenabscheidung (”CVD”), insbesondere für die kommerziellen oder großtechnischen CVD-Prozesse bestimmt ist, zeigen diese Zeichnungen eine Vorrichtung dieser Erfindung in einer derartigen Umgebung.
Betrachtet man zunächst die Umgebung der dargestellten Transfervorrichtung dieser Erfindung, enthalten bekannte Einrichtungen der beispielhaften CVD-Anlage eine Transferkammer (oder Ladekammer) 5, die mit einer Abscheidungskammer 17 über ein Absperrventil (oder eine Ladeschleuse) 7 verbunden ist. Das Absperrventil 7 verschließt die Abscheidungskammer 17 beispielsweise, wenn sich ein CVD-Prozess im Vorgang befindet, und öffnet sich, um es der Transfervorrichtung 1 zu gestatten, sich frei in die und aus der Kammer zu bewegen. Das Absperrventil kann automatisch oder manuell betätigt werden. Eine Transferkammer kann einen Substratträger 33, der ein Substrat hält, wenn sich dieses in der Transferkammer befindet, und einen Roboterarm 31 enthalten, der die Substrattransfervorrichtung 1 zwischen der Ladekammer und der Abscheidungskammer bewegt. Bei anderen Ausführungsformen kann die Transfervorrichtung manuell betätigt werden. Andere Bauteile innerhalb der Transferkammer, die sich speziell auf die Transfervorrichtung dieser Erfindung beziehen, werden anschließend erläutert.
Die aktiven Gase können reaktiv und gefährlich sein. Somit bestehen Abschnitte der Anlage, die mit den aktiven Gasen in Kontakt gelangen können, vorzugsweise aus widerstandsfähigen Materialien, wobei Orte, an denen die aktiven Gase freigesetzt werden können, vorzugsweise mit Schutzsystemen ausgestattet sind. Bei den meis ten Ausführungsformen dieser Erfindung setzen die Transfervorrichtungen die aktiven Gase in die Abscheidungskammer frei. Die meisten bekannten Abscheidungskammern bestehen aus ausreichend widerstandsfähigen Materialien und sind mit geeigneten Schutzsystemen ausgestattet. Bei zahlreichen Ausführungsformen dieser Erfindung setzt die Transfervorrichtung zudem wenigstens einige aktive Gase in die Transferkammer frei. Besteht die Transferkammer nicht bereits aus widerstandsfähigen Materialien mit einem Schutzsystem, wird es vorzugsweise mit derartigen Einrichtungen nachgerüstet oder umgestaltet, um in der Lage zu sein, die geplanten aktiven Gase sicher zu handhaben.
Eine Abscheidungskammer 17 enthält normalerweise mit Ventilen versehene Einlässe 37 für frische Prozessgase und einen Auslassanschluss 39 für verbrauchte Prozessgase. Während eines CVD-Prozesses werden die Substrate (oder das Substrat) von einem optionalen Suszeptor 9 gehalten, der eng in eine Öffnung in einer Ablage 11 passt. Diese plane Anordnung dient dazu, den erwünschten Strom der Prozessgase über den Suszeptor zu unterstützten und begrenzt einen unerwünschten Gasstrom unter dem Suszeptor. Bauteile in der Abscheidungskammer und die Abscheidungskammer an sich können mit einer großen Vielfalt von Heizelementen 41 (über dem Suszeptor) und 41' (unter dem Suszeptor) erwärmt werden. Diese Elemente können Widerstandselemente, Lampen, die infrarotes, sichtbares und ultraviolettes Licht abstrahlen, HF-Spulen und dergleichen enthalten. Wenn die Heizelemente beispielsweise Lampen enthalten, enthält die Abscheidungskammer vorzugsweise Materialien, die für die Strahlung, die von den Lampen emittiert wird, wenigstens teilweise transparent sind, wie etwa Quartz, wobei Innenbauteile vorzugsweise Materialien enthalten, die wenigstens teilweise strahlungsabsorbierend sind, wie etwa SiC.
Die dargestellte Ausführungsform basiert auf dem Bernouille-Effekt und enthält möglicherweise (jedoch nicht notwendigerweise) eine bekannte Bernouille-Stab-Vorrichtung oder eine Abänderung derselben. Die Transfervorrichtung 1 enthält einen länglichen Träger, der die Vorrichtung trägt, wenigstens eine Leitung, die wenigstens ein Gas leitet, und eine Vielzahl von Auslässen 2, die die Gase in der Nähe des Substrates 3 abgeben. Die Leitungen sind in 1A nicht gezeigt, wobei jedoch 1 eine einzelne Leitung innerhalb des Trägers zeigt, die zu den Auslässen 2 führt. 1B stellt zudem dar, dass das Substrat 3 unter der Transfervorrichtung über dem Substratträger 33 gehalten und fertig für den Transfer ist. Das Substrat schwebt durch die aerodynamischen Kräfte, die durch die Gase erzeugt werden, die aus den Auslässen 2 strömen. Der Träger ist mit einer manuellen oder automatischen Vorrichtung verbunden, die die Transfervorrichtung 1 zwischen der Ladekammer 5 und der Abscheidungskammer 17 bewegt. 1B zeigt die Bewegungsvorrichtung als einen Roboterarm 31. 1A zeigt in einer vollen Umrisslinie die Transfervorrichtung und das Substrat in Position in der Transferkammer 5 als Vorrichtung 1 und Wafer 3 und stellt zudem in einer gestrichelten Umrisslinie die Transfervorrichtung und das Substrat in Position in der Abscheidungskammer als Transfervorrichtung 13 und Wafer 15 dar.
Die Transfervorrichtung kann ein einziges Gas, wie beispielsweise ein aktives Gas, wie etwa AsH_s oder DMHy, von einer externen Gasquelle aufnehmen; oder sie kann zwei Gase, wie beispielsweise ein aktives Gas, wie etwa AsH₃ oder DMHy, und ein inaktives Gas, wie etwa Ar, N₂, von zwei externen Gasquellen aufnehmen; oder sie kann wenigstens drei Gase, wie beispielsweise ein aktives Gas und zwei inaktive Gase, von wenigstens drei externen Gasquellen aufnehmen, und so weiter. Demzufolge kann ein System mit einer Transfervorrichtung dieser Erfindung Zuführeinrichtungen für ein oder mehrere aktive Gase und kein oder mehrere inaktive Gase enthalten. Die beispielhafte Ausführungsform ist so dargestellt, dass sie zwei Gase aufnimmt: ein erstes Gas wird durch die Ventilverbindung 23 zugeführt; und ein zweites Gas wird durch die Ventilverbindung 25 zugeführt. Enthält eine Transfervorrichtung wenigstens zwei Leitungen, können die unterschiedlichen Gase mit unterschiedlichen Leitungen gekoppelt und zu unterschiedlichen Vielzahlen von Auslässen 2 transportiert werden. Für den Fall, dass die Transfervorrichtung lediglich eine einzige Leitung enthält, werden mehrere Gase vor oder in der Vorrichtung gemischt. Hier sind die unterschiedlichen Gase durch eine Bauteil 21 zu koppeln, das eine plenumsartige Funktion ausführt, bei der das Mischen der unterschiedlichen Gase erfolgt (so dass Gase einer ähnlichen Zusammensetzung aus den unterschiedlichen Auslassanschlüssen strömen). Die unterschiedlichen Kopplungsbauteile, die in 1A und 1B gezeigt sind, können eine Vielfalt von Längen und Formen annehmen.
Vorzugsweise, jedoch wahlweise, kann die Temperatur von Gasen, die durch eine Transfervorrichtung strömen, unabhängig von der Temperatur der Umgebungen, wie etwa der Temperatur der Transferkammer oder der Abscheidungskammer, gesteuert werden. Eine derartige Temperatursteuerung bietet eine zusätzliche Flexibilität um die Integrität des Wafers sicherzustellen. Es kann beispielsweise eine ausreichend hohe Temperatur in einer Transfervorrichtung derart erreicht werden, dass potentielle Gase aktiv gemacht werden können, z. B. kann NH₃ in aktive Stickstoffelemente zerlegt werden. Zudem kann eine derartige Temperatursteuerung wenigstens teilweise die Steuerung der Temperatur eines schwebenden Wafers ermöglichen. Dadurch kann ein Wafer beinahe bei der Prozesstemperatur entnommen werden und innerhalb der Transferkammer bei einer Rate gekühlt werden, die so gewählt ist, dass eine physikalische Beschädigung verhindert wird, während er von aktiven Gasen umspült wird, um Oberflächenänderungen (z. B. den Zerfall oder die Sublimation) zu begrenzen oder zu verhindern.
Gase, die durch eine Transfervorrichtung strömen, könne mit Hilfe von Heizelementen erwärmt werden, die der Transfervorrichtung zugeordnet sind und (ohne darauf beschränkt zu sein) Heizlampen (mit einer Strahlung, die entweder von einem Glühdraht- oder einem Festkörperbauteil emittiert wird), HF-Felder, die etwa durch Induktoren erzeugt werden, Widerstandsheizelemente und dergleichen enthalten. 1A und 1B zeigen schematisch und allgemein ein Heizelement 35, das der Transfervorrichtung 1 zugeordnet ist. Dieses Heizelement 35 ist außerhalb der Transfervorrichtung 1 und über der Ebene der Transfervorrichtung dargestellt. Beispielsweise kann das Heizelement 35 eine Lampe sein, die direkt die Gase erwärmt, die in einer Transfervorrichtung strömen, oder ein Induktor, der indirekt die strömenden Gase durch Erzeugung von Plasmen erwärmt. Für den Fall von Lampen kann ein Teil der oder die gesamte Transfervorrichtung strahlungsabsorbierende Materialien, wie etwa SiC, enthalten. Ein Heizelement ist in der Transferkammer 5 dargestellt, da in den meisten Fällen Gase, die in einer Transfervorrichtung strömen, wenn sich die Vorrichtung in der Abscheidungskammer 17 befindet, in geeigneter Weise durch die Umgebungstemperaturen der Abscheidungskammer erwärmt werden.
Bei anderen Ausführungsformen können Heizelemente, die einer Transfervorrichtung zugeordnet sind, physikalisch mit der Vorrichtung verbunden sein, wie etwa extern, jedoch an der Transfervorrichtung angebracht, oder teilweise oder vollständig in der Transfervorrichtung eingeschlossen sein oder dergleichen. Beispielsweise können sich Heizdrähte in der Transfervorrichtung befinden oder an dieser angebracht sein. Strom für das Erwärmen der Heizdrähte kann durch externe Verbindungen zugeführt oder durch sich ändernde Magnetfelder induziert werden (d. h. die Heizdrähte verhalten sich als transformierte Sekundärseite). Derartige Elemente sind vorzugsweise dazu eingerichtet, den Großteil ihrer Wärme an die Transfervorrichtung abzugeben und die Erwärmung ihrer Umgebung zu vermeiden.
Transfervorrichtungen können aus ausreichend widerstandsfähigen Materialien, wie etwa Quartz, SiN, BN und dergleichen, gemäß hinreichend bekannten Verfahren zum spanabhebenden Bearbeiten, Ätzen, Bonden und dergleichen hergestellt sein.
Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin Verfahren und Abläufe an, die die Transfervorrichtungen dieser Erfindung einsetzen, um Wafer in die und aus den Abscheidungskammern bei höheren Temperaturen, bei einigen Ausführungsformen sogar bis hin zur Abscheidungstemperatur, zu transferieren. Im allgemeinen können Substrate zwischen Umgebungen unterschiedlicher Temperaturen, entweder von einer Umgebung mit höherer Temperatur zu einer Umgebung mit niedrigerer Temperatur oder von einer Umgebung mit niedrigerer Temperatur zu einer Umgebung mit höherer Temperatur, transferiert werden. Beispielsweise können Substrate und Wafer aus einer Abscheidungskammer (Reaktorkammer) bei Temperaturen von mehr als etwa 600°C oder mehr als etwa 700°C oder mehr als etwa 850°C (jedoch geringer als die Abscheidungstemperaturen) entnommen oder in diesen ausgetauscht werden. Mit den erwärmten Transfervorrichtungen können die Temperaturen von Substrat und Wafer in einer Transferkammer (im allgemeinen die Umgebung mit der geringeren Temperatur) und nicht in der Abscheidungskammer (im allgemeinen die Umgebung mit der hohen Temperatur) angehoben und abgesenkt werden. Somit können längere Zeiten, die von den Temperaturanstiegen der Abscheidungskammer einer größeren thermischen Masse in Anspruch genommen werden durch kürzere Zeiten für Temperaturanstiege der Transfervorrichtung einer geringeren thermischen Masse ersetzt werden. Dadurch können die Abscheidungskammer und die gesamte Prozessanlage höhere Durchsätze von Wafern und einen höheren Wirkungsgrad des Systems erzielen.
2A und 2B zeigen beispielhaft grundlegende Verfahren und Abläufe für das Plazieren eines Wafers (oder eines Substrates) in einer Abscheidungskammer höherer Temperatur bzw. für das Entnehmen eines Wafers (oder eines Substrates) aus einer Abscheidungskammer höherer Temperatur. Aus Gründen der Klarheit jedoch ohne Einschränkung zeigen diese Zeichnungen (und 3) Transfers zwischen Abscheidungs- und Transferkammern unter Verwendung bevorzugter Transfervorrichtungen, bei denen ein Gasstrom Verwendung findet, um aerodynamische Kräfte zu erzeugen, die Wafer schweben lassen. Es versteht sich, dass ähnliche Verfahren für den Transfer zwischen Abscheidungskammern und anderen als Transferkammern geeignet sind, bei denen andere Ausführungsformen von Transfervorrichtungen dieser Erfindung Verwendung finden, die andere Kräfte zu Steuerung von Substraten verwenden.
Unter Bezugnahme auf 2A werden, um einen Wafer (oder ein Substrat), der sich im Moment in einer Transferkammer (einer normalerweise niedrigeren Temperatur) befindet 101, zunächst die Auslassanschlüsse der Transfervorrichtung über einem Wafer positioniert und die Gasströme in der Transfervorrichtung aktiviert 103, um den Wafer aufzunehmen und unter den Auslassanschlüssen der Transfervorrichtung schweben zu lassen. Wahlweise, jedoch vorzugsweise, wird die Temperatur des Wafers auf Temperaturbereiche gesteuert (normalerweise angehoben), die ausreichend nahe (normalerweise eine höhere Temperatur) an der Temperatur der Abscheidungskammer liegen, so dass er sicher in die Abscheidungskammer bewegt werden kann, ohne dass eine Beschädigung infolge thermischer Spannung wahrscheinlich ist. Die Temperatur des Wafers wird mit Hilfe von Heizelementen gesteuert, die der Transfervorrichtung zugeordnet sind und die Transfervorrichtung erwärmen und dadurch die Gase erwärmen, die in der Vorrichtung strömen 105. Der Strom der aktiven Gase kann während Schritt 103 beginnen, oder er kann während Schritt 105 beginnen, wenn die Temperatur des Wafers eine Temperatur erreicht, die sich in der Nähe jener befindet, bei der die Oberflächenänderungen auftreten. In jedem Fall beginnt der Strom der aktiven Gase, bevor die Transfervorrichtung in die Abscheidungskammer (in der normalerweise eine höhere Temperatur herrscht) bewegt wird.
Als nächstes wird die Transfervorrichtung mit dem schwebenden Wafer in die Abscheidungskammer (nach dem Öffnen des Absperrventils) bewegt 107 und derart positioniert, dass sich der Wafer über dem Suszeptor befindet. Die Gasströme werden anschließend deaktiviert 109, so dass der Wafer auf einen Suszeptor in der Kammer fällt. Vor dem Schritt des Deaktivierens der Gasströme, die die Ströme des aktiven Gases enthalten, kann wahlweise eine Ausgleichszeit für den Wafer zu bevorzugen sein, damit er eine Temperatur erreicht, die dicht an jener des Suszeptors liegt (und damit die chemische Umgebung der Abscheidungskammer Abscheidungsbedingungen erreicht, die keine Oberflächenveränderungen an Substraten oder Wafern höherer Temperatur verursachen).
Schließlich wird die Transfervorrichtung aus der Abscheidungskammer entnommen und erneut in die Transferkammer gebracht 111 (und das Absperrventil geschlossen). Der Wafer oder das Substrat befindet sich nun in der Abscheidungskammer 113 und ist für die Bearbeitung bereit.
Unter Bezugnahme auf 2B sind das Verfahren und die Abläufe zum Entnehmen eines Wafers oder eines Substrates, das sich derzeit in einer Abscheidungskammer befindet 131, und zum Plazieren in eine Transferkammer (d. h. von einer Umgebung einer normalerweise höheren Temperatur in eine Umgebung einer normalerweise niedrigeren Temperatur) wenigstens bei den anfänglichen Schritten im Großen und Ganzen die Umkehrung des zuvor erwähnten Verfahrens und der zuvor erwähnten Abläufe. Die Transfervorrichtung wird von der Transferkammer in die Abscheidungskammer (nach dem Öffnen des Absperrventils) bewegt 133 und deren Auslassanschlüsse über dem Wafer angeordnet; als nächstes werden die Gasströme, die die aktiven Gase enthalten, aktiviert 135, um den Wafer aufzunehmen und schweben zu lassen; und anschließend wird die Transfervorrichtung mit dem schwebenden Wafer aus der Abscheidungskammer entnommen 137 (und das Absperrventil geschlossen). Die Gasströme bleiben aktiviert 139, so dass der Hochtemperaturwafer ohne physikalischen Kontakt mit den Bestandteilen der Transferkammer, die eine geringere Temperatur haben, weiter schwebt, wobei die Ströme des aktiven Gases (wahlweise mit inertem Gas gemischt) ebenfalls aktiviert bleiben, so dass Oberflächenänderungen infolge der hohen Temperatur des Wafers begrenzt oder verhindert werden. Verfügt die Transfervorrichtung über zugeordnete Heizelemente, erwärmen diese die Transfervorrichtung und die Gase, die in der Vorrichtung strömen, so dass die Temperatur des Wafers nahe der Temperatur der Abscheidungskammer bleibt, um einen Temperaturschock und eine Beschädigung zu verhindern.
Weitere Ablaufsschritte hängen davon ab, ob der Wafer in Kürze in der Abscheidungskammer für die weitere Bearbeitung ersetzt werden soll, oder der Wafer in der Transferkammer bleiben soll (beispielsweise ist die Bearbeitung abgeschlossen und der Wafer soll aus der Anlage entnommen werden). Im ersten Fall bleiben die Transfervorrichtung und die Gasströme unverändert 153 und werden weiter erwärmt, so dass die Temperatur des Wafers in der Nähe jener der Abscheidungskammer gehalten wird. Alternativ kann der Wafer auf derartig niedrige Temperaturen erwärmt werden, dass bei einem Transfer zurück in die Abscheidungskammer höherer Temperatur eine signifikante thermische Beschädigung unwahrscheinlich ist. Anschließend kann der Wafer gemäß dem Vorgang von 2A zurück in die Abscheidungskammer bewegt werden.
Im zweiten Fall werden die Temperaturen der Gasströme und die Temperatur des Wafers verringert. Sobald die Temperatur des Wafers unter der Temperatur einer Sublimation (kongruent oder nicht kongruent) und eines Zerfalls liegt 145, kann der Strom der aktiven Gase wahlweise deaktiviert werden. Die Rate der Temperaturabnahme wird ebenfalls gesteuert 147, um so dem Wafer keinen Temperaturschock zu versetzen, da dies zu einem Reißen oder sogar Brechen des Wafers insbesondere dann führen könnte, wenn das Substrat und das Abscheidungsmaterial signifikant unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Ist die Temperatur des Wafers ausreichend gering, können sämtliche Gasströme 149 deaktiviert werden und kann der Wafer auf einem Träger in der Transferkammer abgelegt werden. Der Wafer befindet sich nun in der Transferkammer 151 bei der normalerweise geringeren Temperatur der Transferkammer.
Es ist zu erkennen, dass es diese Erfindung gestattet, Wafer und Substrate in die und aus der Transferkammer bei höheren Temperaturen (in Umgebungen einer geringeren Temperatur) zu bewegen, während die Oberflächenqualität beibehalten und eine thermische Beschädigung vermieden wird. Diese Erfindung ist daher insbesondere bei Abläufen vorteilhaft, während derer ein Wafer in der Abscheidungskammer mehrere Male entnommen und ersetzt wird. Während eines langen Epitaxievorgangs kann es beispielsweise erforderlich sein, einen Wafer aus der Abscheidungskammer zu entnehmen, so dass die Abscheidungskammer gewartet (wie etwa gereinigt) werden kann und die Präkursorquellen aufgefüllt und weitere Tätigkeiten ausgeführt werden können. 3 zeigt detaillierter diese vorteilhafte Anwendung.
Unter Bezugnahme auf 3 beginnen der Mehrfachtransferablauf und das Verfahren mit einem Wafer oder einem Substrat in einer Transferkammer 171 einer Halbleiterbearbeitungsanlage, der möglicherweise gerade in der Verarbeitungsanlage plaziert wurde. Als nächstes wird der Wafer in die Abscheidungskammer vorzugsweise mit Hilfe einer Transfervorrichtung dieser Erfindung und vorzugsweise gemäß dem Ablauf und dem Verfahren von 2A oder ähnlich transferiert 173. Wie es erläutert wurde, gestattet es die Erfindung, den Wafer von der Transferkammer mit niedrigerer Temperatur in die Abscheidungskammer zu bewegen, wenn in der Kammer die oder beinahe die Verarbeitungstemperatur herrscht (bis zu maximalen Temperaturen von etwa 850 bis 1.100°C), ohne dass sich die Oberfläche ändert oder thermische Beschädigungen erfährt.
Als nächstes wird die beabsichtigte Bearbeitung an dem Wafer in der Abscheidungskammer ausgeführt 175. Dies ist normalerweise die Epitaxie aus Gasphasen-Präkursoren eines Materials, das sich für die Halbleiterherstellung eignet. Es sind zahlreiche derartige Prozesse nach dem Stand der Technik bekannt, auf die diese Erfindung anwendbar ist. Während der Verarbeitung kann das Entnehmen des Wafers aus der Abscheidungskammer nützlich oder notwendig sein. Ein derartiges Entnehmen kann aus den Prozessanforderungen, wie etwa den Vorbereitungen eines nächsten Bearbeitungsschrittes; dem Zustand des Wafers, um etwa eine Stabilisierung bei der niedrigeren Temperatur zuzulassen; und dem Zustand der Abscheidungskammer und der Verarbeitungsanlage an sich resultieren, um etwa eine Reinigung oder Wartung zuzulassen. Demzufolge kann die Entscheidung, den Wafer zu entnehmen oder nicht, bei 177 getroffen werden. Ist eine Entnahme nicht erforderlich oder bevorzugt, kann die Bearbeitung fortschreiten.
Ist eine Entnahme erforderlich oder bevorzugt, kann der Wafer aus der Abscheidungskammer in die Transferkammer vorzugsweise mit Hilfe einer Transfervorrichtung dieser Erfindung und gemäß einem Ablauf und einem Verfahren von 2B oder ähnlich transferiert werden 179. Die vorliegende Erfindung erlaubt das Bewegen des Wafers in die Transferkammer mit niedrigerer Temperatur, wenn die Abscheidungskammer und der Wafer oder das Substrat Prozesstemperaturen oder beinahe Prozesstemperaturen (bis zu Maximaltemperaturen von etwa 850 bis 1.100°C) haben, ohne dass die Oberfläche verändert wird oder thermische Beschädigungen erfährt. Dadurch kann eine Temperaturabsenkung der Abscheidungskammer begrenzt oder vermieden werden.
Wie es im Bezug auf 2B beschrieben wurde, hängen anschließende Schritte des Entnahmeablaufs davon ab, ob der Wafer in der Abscheidungskammer bald ersetzt werden soll oder nicht. Demzufolge werden der Zustand des Wafers und der Ablauf überprüft, und es wird entschieden, ob die Bearbeitung des Wafers abgeschlossen ist oder nicht 183.
Ist die Bearbeitung abgeschlossen, gleicht die Transfervorrichtung den Wafer 185 an die Bedingungen in der Transferkammer an, indem sie steuerbar die Temperatur der Gasströme innerhalb der Transfervorrichtung absenkt und so steuerbar die Temperatur des Wafers absenkt und zudem die die Ströme des aktiven Gases aufrechterhält, bis die Temperatur des Wafers im Hinblick auf die Umgebungsbedingungen in der Transferkammer ausreichend niedrig ist. Ist die Verarbeitung nicht abgeschlossen, steuert die Transfervorrichtung die Gasstromtemperaturen derart, dass der Wafer 181 die Prozesstemperatur oder beinahe die Prozesstemperatur beibehält, und hält die Ströme des aktiven Gases aufrecht, um die Oberfläche des Wafers bei diesen hohen Temperaturen zu schützen. (Der Wafer kann alternativ auf derartig niedrigere Temperaturen erwärmt werden, dass bei einem Transfer zurück in die Abscheidungskammer, in der eine höhere Temperatur herrscht, eine signifikante thermische Beschädigung unwahrscheinlich ist). Wenn die Verarbeitung wie der aufgenommen werden kann, wird der Wafer in die Abscheidungskammer vorzugsweise mit Hilfe einer Transfervorrichtung dieser Erfindung und in Übereinstimmung mit dem Verfahren und Abläufen von 2 oder ähnlich transferiert. Die Verarbeitung beginnt erneut bei 175, wenn beispielsweise die Anlagenwartung oder die Reinigung abgeschlossen sind.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die zuvor beschrieben wurden, schränken den Geltungsbereich der Erfindung nicht ein, da diese Ausführungsformen Darstellungen zahlreicher bevorzugter Aspekte der Erfindung sind. Beliebige äquivalente Ausführungsformen sollen im Geltungsbereich der Erfindung liegen. Tatsächlich werden unterschiedliche Abänderungen der Erfindung zusätzlich zu jenen, die hier dargestellt und beschrieben sind, wie etwa alternative geeignete Kombinationen der beschriebenen Elemente, dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich. Derartige Abänderungen sollen ebenfalls im Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Im folgenden (und in der Anmeldung als Ganzes) werden Überschriften und Beschriftungen lediglich aus Gründen der Klarheit und Dienlichkeit verwendet.
Es sind hier zahlreiche Verweise zitiert, deren gesamte Offenbarung hier in deren Gesamtheit durch Bezugnahme für sämtliche Zwecke enthalten ist. Weiterhin ist keiner der zitierten Verweise, ohne Rücksicht auf die oben beschriebene Kennzeichnung, als der Erfindung des darin beanspruchten Gegenstands vorveröffentlicht zugelassen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung gibt eine Vorrichtung, Abläufe und Verfahren an, die es gestatten, Wafer bei hohen Temperaturen in eine Gasphasen-Epitaxiekammer zu laden und aus dieser zu entnehmen. Insbesondere gibt die Erfindung eine Vorrichtung zum Bewegen von Wafern oder Substraten an, die ein Substrat umspülen kann, das in aktiven Gasen bewegt wird, deren Temperatur wahlweise gesteuert wird. Die aktiven Gase können dazu dienen, eine Sublimation oder einen Zerfall der Waferoberfläche zu begrenzen oder zu verhindern, wobei deren Temperatur gesteuert werden kann, um eine thermische Beschädigung zu begrenzen oder zu vermeiden. Dadurch kann eine zuvor erforderliche Temperaturänderung der Abscheidungskammern verringert oder beseitigt werden, was zu einer Verbesserung des Waferdurchsatzes und der Effizienz des Systems führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 9659188 [0002]
- US 5080549 [0003]
- US 5659188 [0009, 0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Mastro et al., 2005, J. of Crystal Growth 274:38 [0002]
- Mastro et al. 2004, Journal of Crystal Growth 274, 38 [0029]
- Takizawa et al., 2007, Journal of Electronic Materials, 36403 [0030]

Claims

Halbleiterwafer-Transfervorrichtung, die sich für eine Halbleiterverarbeitungsanlage eignet, die über eine Abscheidungskammer für die Gasphasen-Epitaxie verfügt, wobei die Vorrichtung enthält: ein Trägerelement; eine Vielzahl von Gasauslassanschlüssen in dem Trägerelement für die Abgabe des Gases; wenigstens einen Gaseinlassanschluss in dem Trägerelement für die Aufnahme wenigstens eines Gases von wenigstens einer externen Gasquelle; und wenigstens einen Leitungsweg von dem Einlassanschluss zu den Auslassanschlüssen, in dem Gas strömt, wobei das Gas ein aktives Gas enthält, das mit wenigstens einem Halbleitermaterial chemisch reaktiv ist, um einen Zerfall oder die Sublimation einer Oberfläche eines Wafers zu begrenzen, der derartige Materialien enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen Halbleiterwafer, der unter der Transfervorrichtung infolge aerodynamischer Kräfte schwebt, die durch Gas erzeugt werden, das aus den Auslassanschlüssen auf den Wafer abgegeben wird, und derart positioniert ist, dass das Gas, das aus den Auslassanschlüssen abgegeben wird, wenigstens eine Oberfläche des Wafers umspült, wobei das aktive Gas über einer Schwellenwerttemperatur oder in der Gegenwart einer Plasmaquelle chemisch reaktiv wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der aktive Teil des Gases mit dem Oberflächenmaterial des umspülten Wafers chemisch reaktiv ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das strömende Gas wenigstens eines der Elemente Ammoniak, Hydrazin, Dimethyl-Hydrazin, eine Verbindung, die einen Hydrazinanteil enthält, Phosphin und Arsin enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Waferoberfläche eine Gruppe-III-Nitridverbindung enthält und das Gas einen aktiven Anteil enthält, der über einer Schwellenwerttemperatur, die geringer ist als etwa 1.000°C ist, oder in Gegenwart einer Plasmaquelle pyrolytisch zu aktiven Stickstoffelementen zerfällt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das strömende Gas weiterhin ein chemisch inaktives Trägergas enthält; und weiterhin enthaltend wenigstens ein Heizelement, dass so bemessen und angeordnet ist, dass es das strömende Gas erwärmt.
Verbesserung in einem Bernouille-Stab, die enthält: strömendes Gas in dem Stab, das ein aktives Gas enthält, das mit wenigstens einem Halbleitermaterial chemisch reaktiv ist, um so den Zerfall oder die Sublimation einer Oberfläche eines Wafers zu begrenzen, der derartige Materialien enthält.
Verfahren zum Transferieren eines Halbleiterwafers zwischen einer ersten Epitaxieumgebung, in der sich der Wafer während der Epitaxie befindet, und einer zweiten Transferumgebung, in der sich der Wafer während anderer Perioden befindet, wobei das Verfahren umfasst: Umspülen einer Oberfläche eines Wafers mit wenigstens einem Gas für eine gewählte Zeitperiode, wobei die Gase ein aktives Gas enthalten, das mit der Waferoberfläche chemisch reaktiv ist, um so den Zerfall oder die Sublimation der Oberfläche zu begrenzen, und anschließendes Transferieren des Wafers entweder von der ersten oder der zweiten zur jeweils anderen Umgebung; wobei sich der Wafer zu Beginn in der ersten Umgebung befindet und anschließend von der ersten Umgebung in die zweite Umgebung transferiert wird; oder der Wafer zu Beginn von der ersten Umgebung in die zweite Umgebung transferiert wird und anschließend mit dem wenigstens einen Gas umspült wird.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend, das Schwebenlassen des Wafers durch aerodynamische Kräfte, die durch die Gase erzeugt werden, die die Waferoberfläche umspülen, wobei die Umspül- und Transferschritte wenigstens einmal wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Wafer in der zweiten Umgebung umspült wird und die Temperatur der zweiten Umgebung niedriger ist als die Temperatur der ersten Umgebung; und weiterhin umfassend das Fortfahren mit dem Umspülen der Waferoberfläche mit dem Gas, bis die Temperatur der Waferoberfläche unter Temperaturen abfällt, bei denen der Zerfall oder die Sublimation der Waferoberfläche in Abwesenheit des Gases signifikant ist.
Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend, nach dem Umspülen, Transferieren des Wafers von der zweiten Umgebung zurück in die erste Umgebung, wobei das Gas derart erwärmt wird, dass die Temperaturen der Waferoberfläche derart beschaffen sind, dass eine signifikante thermische Beschädigung bei einem Transfer des Wafers zurück in die erste Umgebung unwahrscheinlich ist.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend das Erwärmen des Gases, das die Waferoberfläche umspült, so dass die Rate der Temperaturabnahme der Waferoberfläche derart beschaffen ist, dass die signifikante thermische Beschädigung an dem Wafer unwahrscheinlich ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Wafer in der ersten Umgebung umspült wird und die Temperatur der ersten Umgebung geringer ist als die Temperatur der zweiten Umgebung; und weiterhin umfassend das Erwärmen des Gases, das die Waferoberfläche umspült, um so die Oberflächentemperatur auf die Temperaturen der zweiten Umgebung abzusenken, während ein signifikanter Zerfall oder eine Sublimation der Waferoberfläche verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend das Fortfahren mit dem Umspülen der Waferoberfläche mit dem Gas, bis die Temperaturen der Wafer Oberfläche derart beschaffen sind, dass eine signifikante thermische Beschädigung des Wafers in der zweiten Umgebung unwahrscheinlich ist.