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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
von Halbleitersubstraten nach den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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Halbleitersubstrate,
auch als Wafer (engl. "Scheibe") bezeichnet, sind üblicherweise
kreisrunde, wenige 100 μm dicke, vorzugsweise aus monokristallinem
Silizium bestehende Scheiben, auf denen elektronische Bauelemente,
vor allem integrierte Schaltkreise (IC, "Chip") oder mikromechanische Bauelemente
durch verschiedene technische Verfahren hergestellt werden.
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Zur
Herstellung dünner Halbleiterchips in einer Größenordnung
von weniger als 100 μm werden dickere Wafer in einem vorzugsweise
zweistufigen Schleifprozess zunächst in einem Grobschliff
und anschließend in einem Feinschliff auf die gewünschte Materialstärke
reduziert. Da trotz des Feinschliffs störende Schleifspuren
auf der Oberfläche und oberflächennahe Schädigungen
im Silizium zurückbleiben, muss die Oberfläche
der Wafer entsprechend nachbehandelt werden, weshalb erst danach
die weiteren Prozessschritte zur Herstellung der integrierten Schaltkreise
eingeleitet werden können. Bekannte Verfahren zur Oberflächenbehandlung
verwenden z. B. aus einer Schwefelfluorverbindung und Sauerstoff mittels
Plasma generierte Fluor- und Sauerstoffradikale, mit denen sich
auf Grund einer chemischer Reaktion mit dem Silizium des Wafers
eine weitgehende „Glättung" der Substratoberfläche
und ein sanftes Entfernen der oberflächennahen Materialschädigung erreichen
lässt. Auch der spontane Zerfall von fluorhaltigen Substanzen
wie z, B, XeF kann zur Oberflächenbehandlung von Wafern
genutzt werden. Als Abfallprodukt dieser chemischen Reaktionen entsteht ein
Abgas in Form von z. B. Siliziumtetrafluorid und HF, SO2 und weiteren
Zwischenprodukten, das aus Umweltgründen neutralisiert
und sorgfältig abgesaugt werden muss. Insgesamt nimmt dieser
Prozess mit den seriell ablaufenden Verfahrensschritten – Bereitstellung
von Radikalen, Einleitung des Prozessgases in eine Prozesskammer,
Ablauf des Reaktionsprozesses, Abpumpen des Abgases, Reinigung der
Prozesskammer und Waferwechsel zwecks Einleitung eines neuen Ätzprozesses – relativ
viel Zeit in Anspruch. Dies verzögert letztlich den gesamten Herstellungsprozess,
weil vor- und nachfolgende Verfahrensschritte meist viel weniger
Zeit beanspruchen.
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Bei
den bekannten Vorrichtungen wird diesem Problem mit Hilfe von wenigstens
zwei innerhalb einer Transport bzw. Schleusenkammer mittels einer Hub-/Schwenkvorrichtung
abwechselnd zwischen einer Arbeitsstation und einer Lade-/Entnahmestation bewegbaren
Substrat-Trägerplatten begegnet. Mit Hilfe einer derart
ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich, dass während
eines in der Prozesskammer ablaufenden Oberflächenbehandlungsprozesses gleichzeitig
ein bereits behandeltes Substrat, das sich inzwischen an einer außerhalb
der Prozesskammer in einer Lade-/Entnahmestation befindet, gegen ein
noch zu behandelndes Substrat ausgetauscht werden kann. Auf diese
Weise wird für den Substratwechsel praktisch keine Zeit
benötigt, weil der Wechsel während einer Zeitphase
erledigt werden kann, in der gerade ein Oberflächenbehandlungsprozess
für ein anderes Substrat durchgeführt wird.
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Die
Belüftung der Prozesskammer erfolgt bei den bekannten Vorrichtungen
vorzugsweise über die Transportkammer mittels einer dort
angeschlossenen Vakuumpumpe, weshalb für den nach jeder
Belüftung notwendigen Wiederaufbau eines Vakuums in der
Transportkammer ein hoher Energieaufwand für den Betrieb
der Vakuumpumpe erforderlich ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art in
der Weise auszubilden, dass sowohl die Belüftung der Prozesskammer
als auch der Substratwechsel in der Lade-/Entnahmestation mit einem
möglichst geringen Aufwand an Zeit, Energie und Gasverbrauch
durchgeführt werden können.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß durch
eine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgebildete
Vorrichtung. Der Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht vor allem darin, dass das in der Schleusenkammer
vorhandene Vakuum unbeeinflusst von laufenden Prozessen unverändert
bestehen bleibt und nicht immer wieder neu aufgebaut werden muss,
so dass sowohl die Belüftung der Prozesskammer als auch
der Austausch der Substrate einfach und insbesondere energiesparend,
unter starker Reduktion des Spülgas-Verbrauches, durchgeführt
werden können. Die Vorrichtung eignet sich in vorteilhafter
Weise auch für große Substrate von 300 mm–450
mm Wafern, Solar-Wafern, bzw auch für die gleichzeitige
Behandlung mehrere kleinere Substrate (Mini-Batch) in einer Prozesskammer,
wobei in einer Prozesskammer bzw. in mehreren nacheinander zu durchlaufenden Prozesskammern
ein oder mehrere Prozesse unter kontrollierten Druck-, Temperatur-
und Gas-Bedingungen durchgeführt werden können,
ohne dass die Substrate dabei Kontakt mit der Umgebung haben.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
Unteransprüche.
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Einzelheiten
der Erfindung werden im Folgenden an Hand der Zeichnung näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1–4:
die prinzipielle Funktionsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung in der Arbeitposition im Bereich der Prozesskammer an Hand
mehrerer aufeinander folgender Betriebszustände.
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5–9:
die prinzipielle Funktionsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung in der Lade-/Entnahmestation an Hand mehrerer aufeinander
folgender Betriebszustände.
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10:
eine Anordnung mit hier beispielhaft vier Haltekörpern
in perspektivischer Darstellung in einer Vorrichtung gemäß der
Erfindung
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Die 1–4 zeigen
jeweils den gleichen Ausschnitt aus einer Schleusenkammer 1 mit
kontrolliertem Druck z. B. einem Vakuum von 300 Pa im Bereich einer
Arbeitsposition bzw. einer dort vorhandenen Prozesskammer 2.
Sowohl in der Schleusenkammer 1 als auch in der Prozesskammer 2 herrscht ein
Vakuum mit einem Druck von beispielsweise 300 Pa. Im Bodenbereich
der Schleusenkammer ist eine Hubvorrichtung 3 vorgesehen,
deren Hubplatte 4 in einer oder mehreren Führungen,
z. B. einer oder mehreren Nuten 5, geführt und
innerhalb des durch die Breite der Nuten 5 vorgegebenen
Hubbereichs gegenüber der Schleusenkammer 1 abgedichtet
ist. An der Oberseite der Hubplatte 4 ist eine Halteplatte 6 befestigt,
die einen im Vergleich zur Hubplatte 4 etwas geringeren
Querschnitt aufweist. Hubplatte 4 und Halteplatte können
auch als einstückiges Bauteil ausgebildet sein. Der Antrieb
der Hubvorrichtung 3 erfolgt über einen zentral
geführten Hubkolben 7.
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Die 2 zeigt
den Betriebszustand bei in die Arbeitsposition seitlich eingeführtem
Haltekörper 8, dessen Deckfläche als
Auflagefläche 9 für ein dort lösbar
befestigtes Halbleitersubstrat dient. Das auch als Wafer bezeichnete
Halbleitersubstrat ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Haltekörper 8 ist
zusammen mit wenigstens einem weiteren Haltekörper an einem
gemeinsamen Trägerkörper, der um eine vertikale
Achse drehbar gelagert ist, vertikal verschiebbar gehalten, wobei
die einzelnen Haltekörper mit Hilfe ihnen jeweils zugeordneter
Hubvorrichtungen individuell bewegbar sind, aber auch gemeinsam angesteuert
synchron sich bewegen lassen. Je nach Größe und
Umfang der Vorrichtung sind zwei oder mehr Haltekörper
vorgesehen, die in jeweils äquidistanten Abständen
zueinander angeordnet sind. Die jeweiligen Haltekörper 8 haben
in etwa die Form eines vertikal ausgerichteten Hohlzylinders, dessen oberes
Ende durch die bereits erwähnte Auflagefläche 9 abgedeckt
ist. In der Zylinderwand 10 sind mehrere, über
den gesamten Umfang gleichmäßig verteilte Absaugkanäle 11 vorgesehen,
auf die im Zusammenhang mit 4 noch näher
eingegangen wird. Diese Absaugkanäle 11 schließen
an deckungsgleich verlaufende Absaugkanäle 12 innerhalb
der Hubvorrichtung 3 an, die wiederum in einen mit einer
Absaugpumpe 13 verbundenen Endkanal 14 münden.
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Die 3 zeigt
den Zustand, bei dem der Haltekörper 8 durch die
inzwischen aktivierte Hubvorrichtung 3 gegen die der Prozesskammer 2 zugewandte Öffnung 15 in
der Schleusenkammer 1 gedrückt wird. Dichtungselemente,
insbesondere Dichtungsringe 28, an den Berührungsstellen
zwischen Haltekörper 8 und Öffnung 15 einerseits
bzw. zwischen Haltekörper 8 und Hubvorrichtung 3 andererseits
sorgen für eine ausreichende Abdichtung. In der Schleusenkammer
bleibt weiterhin der unveränderte Druck von z. B. ca. 300
Pa erhalten, während in der Prozesskammer 2 und
in den Absaugkanälen 11, 12 auf Grund
der nun einsetzenden Absaugvorgangs nur noch ein Druck von z. B.
ca. 250 Pa herrscht.
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Die 4 zeigt
den durch eine Vielzahl von Pfeilen symbolisierten Absaugvorgang
aus der Prozesskammer 2 über die Absaugkanäle 11 innerhalb des
Haltekörpers 8 und die Absaugkanäle 12 in
der Hubvorrichtung 3 bis in den gemeinsamen Endkanal 14 bzw.
zur Absaugpumpe 13.
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Nach
Beendigung des Absaugvorgangs wird die Hubvorrichtung 3 abgesenkt,
wobei der Haltekörper 8 in die Position gemäß 2 zurückkehrt
und anschließend mit Hilfe eines sich drehenden Trägerkörpers
(siehe 10) gegen einen anderen Haltekörper
ausgetauscht wird. Diese Drehung kann stets in der gleichen Richtung
erfolgen oder auch im links-rechts Wechsel (Pendelmodus).
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Vorzugsweise
gelangt der Haltekörper 8 aus der Position gemäß 4 in
eine Lade-/Entnahmeposition, wobei die 5 bis 9 jeweils
den gleichen Ausschnitt der Schleusenkammer 1 in mehreren
Betriebzuständen zeigen.
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Die 5 zeigt
zunächst den Betriebszustand innerhalb der Lade-/Entnahmestation
bei noch nicht eingetroffenem Haltekörper. Die dort vorge sehene Öffnung 16 in
der Schleusenkammer 1 ist mit einem vorzugsweise schwenkbar
befestigen, vertikal abnehmbaren oder horizontal verschiebbaren
Deckel 17 verschlossen. In der Schleusenkammer 1 herrscht der
unverändert beibehaltene Druck von z. B. 300 Pa, während
außerhalb der normale Atmosphärendruck von 1 bar
vorhanden ist. Die in der Lade-/Entnahmestation vorgesehene Hubvorrichtung 18 besteht
ebenfalls aus einer in einer Nut 19 geführten Hubplatte 20 und
einer darüber befestigten Halteplatte 21. Der
Durchmesser der Hubplatte 20 ist etwas größer
als der Durchmesser der Öffnung 16. Analog zur
Hubvorrichtung 3 (siehe die 1 bis 4)
ist auch hier die Hubplatte 20 innerhalb des durch die Breite
der Nut 19 vorgegebenen Hubbereichs gegenüber
der Schleusenkammer abgedichtet.
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Die 6 zeigt
den Zustand bei inzwischen eingetroffenem Haltekörper 8.
Es herrschen weiterhin die bereits aus 5 bekannten
Druckwerte.
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Die 7 zeigt
den Zustand bei inzwischen aktivierter Hubvorrichtung 18.
Die Hubbewegung wird hier dadurch ausgelöst, dass über
ein steuerbares Ventil V2 Luft aus einer Druckleitung 22 mit
einem Atmosphärendruck von 1 bar in einen unterhalb der Hubplatte 20 gegenüber
der Schleusenkammer 1 durch einen Dichtungsring 29 abgedichteten
Raum einströmt. Dies führt dazu, dass der Haltekörper 8 an die Öffnung 16 gedrückt
wird.
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Anschließend
wird, wie in 8 dargestellt, das Ventil V1
einer zweiten Druckleitung 23 geöffnet, die ebenfalls
Luft mit dem Atmsphärendruck von 1 bar in den zwischen
Deckel 17 und Haltekörper 8 vorhandenen
Raum einströmen lässt.. Auf Grund des geringen
Druckunterschieds, der sich durch die verschieden großen
Durchmesser zwischen der Hubplatte 20 einerseits und der Öffnung 16 andererseits einstellt,
wird der Haltekörper 8 weiterhin gegen die Öffnung 16 gedrückt.
In diesem Zustand herrscht aber auch nur noch ein geringer auf den
Deckel 17 einwirkender Druck, so dass, wie in 9 gezeigt, der
Deckel 17 mit geringem Kraftaufwand geöffnet und
das auf dem Haltekörper 8 haftend gehaltene Substrat
entnommen und ein neues Substrat eingelegt werden kann.
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Die 10 zeigt
einen beispielhaften Aufbau mit vier Haltekörpern 8,
deren jeweilige Funktion sich aus der Beschreibung zu den 1 bis 9 ergibt. Diese
vier Haltekörper sind an einem gemeinsamen, um eine zentrale
Achse 24 drehbar gelagerten Trägerkörper 25 in äquidistanten
Abständen gehalten und jeweils in klammerartigen Haltegriffen 26 des Trägerkörpers 25 vertikal
bewegbar geführt. Vorzugsweise ist ein derartiger Aufbau
für eine Vorrichtung vorgesehen, bei der jeweils zwei benachbarte Haltekörper
je einer Prozesskammer und die beiden anderen je einer Lade-/Entnahmestation
zugeordnet sind. Nach Abschluss eines Behandlungsprozesses wird
der Trägerkörper 25 um 180 Grad gedreht,
so dass die zuvor im Bereich einer Prozesskammer vorhandenen Haltekörper
nun in einer Lade-/Entnahmestation sind und umgekehrt. Es ist aber
auch im beispielhaft dargestellten Vier-Kammer-System eine Anordnung
möglich mit insgesamt drei Prozesskammern, in denen seriell
verschiedene Prozesse ablaufen, und nur einer einzigen Lade-/Entnahmestation. Eine
Erweiterung auf fünf oder mehr Kammern oder auch eine Reduktion
auf nur zwei Kammern ist möglich. An den Randbereichen
der Haltekörper 8 sind mehrere, in jeweils gleichen
Abständen angeordnete und zu Absaugkanälen 11 (siehe 2 bis 4) führende
Absaugöffnungen 27 vorgesehen. Die Haltekörper
können wahlweise kühl- und/oder heizbar sein,
wobei die jeweilige Betriebstemperatur gegebenenfalls individuell
regelbar ist.
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Alternativ
bzw in Ergänzung zu der im Zusammenhang mit den 2 bis 4 erläuterten Entlüftung
der Prozesskammer ist auch eine direkte Entlüftung über
einen unmittelbar aus der Prozesskammer abgehenden Absaugkanal möglich.
Zu diesem Zweck weist das vorzugsweise haubenartige Gehäuse
der Prozesskammer einen beispielsweise trichterförmigen
Kammereinsatz auf, dessen verjüngtes Endstück
zur Deckfläche des Gehäuses weist, aus der Radikale
in die Prozesskammer eingebracht werden. Eine möglicht
optimale und homogene Entlüftung lässt sich dadurch
erreichen, dass. der Kammereinsatz mehrere kaskadenartig angeordnete
Entlüftungsöffnungen aufweist, wobei sich die
Zahl der Entlüftungsöffnungen in Richtung des
verjüngten Trichterendbereichs stufenartig verringert und
die Entlüftungsöffnungen pro Stufe in jeweils
z. B. äquidistanten Abständen angeordnet sind.
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- 1
- Schleusenkammer
- 2
- Prozesskammer
- 3
- Hubvorrichtung
- 4
- Hubplatte
- 5
- Nut
- 6
- Druckplatte
- 7
- Hubkolben
- 8
- Haltekörper
- 9
- Auflagefläche
- 10
- Zylinderwand
- 11
- Absaugkanäle
- 12
- Absaugkanäle
- 13
- Absaugpumpe
- 14
- Endkanal
- 15
- Öffnung
- 16
- Öffnung
- 17
- Deckel
- 18
- Hubvorrichtung
- 19
- Nut
- 20
- Hubplatte
- 21
- Druckplatte
- 22
- Druckleitung
- 23
- Druckleitung
- V1
- Ventil
- V2
- Ventil
- 24
- Achse
- 25
- Trägerkörper
- 26
- Haltegriffe
- 27
- Absaugöffnungen
- 28
- Dichtungsringe
- 29
- Dichtungsring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19806282
C1 [0002]
- - DE 10355678 A1 [0002]
- - EP 0905275 B1 [0002]