DE2047749A1

DE2047749A1 - Zirkuläres System zur kontinuierlichen Verrichtung verschiedener im Vakuum durch zuführender Prozesse

Info

Publication number: DE2047749A1
Application number: DE19702047749
Authority: DE
Inventors: William Carl Hopewell Junction Nuzzio Carlo Poughkeepsie Ward Ernest Spencer Fishkill NY Lester (V St A)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-10-24
Filing date: 1970-09-29
Publication date: 1971-05-06
Also published as: FR2065495A1; GB1309650A; FR2065495B1; US3652444A; JPS495675B1

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, den 27. August 1970 si-rz

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 968 066

Zirkuläres System zur kontinuierlichen Verrichtung verschiedener im Vakuum durchzuführender Prozesse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zirkuläres System zur kontinuierlichen Verrichtung von verschiedenen im Vakuum durchzuführenden Prozessen wie sie insbesondere in der Halbleitertechnik erforderlich sind. Die anfallenden Prozesse bestehen zunächst aus Oberflächenbehandlungen im Vakuum wie Ausheizen, Reinigen durch Kathodenzerstäubung usw., fernerhin im Niederschlagen von Materialien durch Verdampfung oder durch Kathodenzerstäubung, weiterhin kann auch die Behandlung eines Substrates, beispielsweise eines Siliziumplättchens mittels eines Elektronenstrahles erwünscht sein.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung handelt es sich somit um ein Vielfachbehandlungssystem für Substrate oder Halbleiterplättchen, welches verschiedene unterschiedliche Vakuumdrücke erfordernde Behandlungsverfahren in kontinuierlicher Folge hintereinander durchzuführen gestattet. In derartigen Systemen wird das zu behandelnde Prozeßgut nacheinander durch verschiedene Vakuumkammern hindurchgeführt. In einigen dieser Kammern sollen gewöhnlich Schichten aufgedampft oder aufgestäubt werden, die in der Regel aus verschiedenen Substanzen je Kammer bestehen. Derartige Prozeßfolgen erfordern gewöhnlich eine geeignete Anordnung zur Plazierung der Substrate zum sukzessiven Transport durch die den verschiedenen Verfahrensstufen zugeordneten Vakuumzonen. Zu diesem Zweck wird das z. B. aus Halbleiterplätt-

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chen bestehende Prozeßgut sukzessiv durch eine Reihe von evakuierten Kammern hindurchgeführt, so daß mit der Bewegung von einer zur nächsten Kammer z. B. eine Kathodenzerstäubungsbehandlung und/oder eine Aufdampfung oder ein anderer im Vakuum durchzuführender Prozeß abgeschlossen bzw. begonnen wird. Während aller Verfahrensschritte befindet sich das Substrat im Vakuum, wobei entsprechend den jeweiligen Prozeßerfordernissen, die in den einzelnen Kammern benötigten Vakuumdrücke beträchtlich voneinander abweichen können.

Bisher war es gebräuchlich zur Durchführung einer Reihe derartiger Prozesse das Substrat auf einem geeigneten Träger zu plazieren und diesen zusammen mit dem Substrat von einer Anfangszone zu einer Endzone zu befördern, wobei beim Durchlaufen der verschiedenen Zonen die entsprechenden Prozeßschritte durchgeführt wurden. Bei dieser Art des Vorgehens werden die Substrate oder Halbleiterplättchen durch eine Reihe von gesteuerten Umgebungsbedingungen hindurchgeführt> wie sie z. B. für eine Vakuumaufdampfung oder eine Kathodenaufstäubung oder andere Vakuumprozesse erforderlich sind. Derartige Systeme benötigen nicht nur einen beträchtlichen Raum für die getrennten Vakuumsysteme jeder einzelnen Behandlungszone, sie erfordern auch getrennte Ein- und Ausgabevorrichtungen um das Substrat oder die Plättchen auf den Träger aufzubringen bzw. von diesem herunterzunehmen, wodurch sich eine Komplizierung der Gesamtanordnung ergibt. Die Einhaltung der Erfordernisse eines derartigen sogenannten In-Line-Systerns wachsen mit der Anzahl der erforderlichen Pumpsysteme stark an. Sowohl die Größe und die Platzerfordernisse des Gesamtsystems als auch die Betriebsschwierigkeiten sind daher beträchtlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Durchführen verschiedener im Vakuum durchzuführender Prozesse bereitzustellen, wie sie insbesondere in der Halbleitertechnik benötigt werden. Nach Möglichkeit sollen das Aus- und Eingeben der Halbleiterplättchen sowie die eigentlichen Prozeßfolgen automatisch Docket FI 968 066 10 9 8 19/1711

durchgeführt werden können. Fernerhin soll bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ein einziges zentrales Vakuumsystem zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Unterdrücke in den verschiedenen Prozeßkammern ausreichen, wobei jedoch in den verschiedenen Prozeßkammern die Einzeldrucke unterschiedlich wählbar und dem jeweilig durchzuführenden Prozeßschritt anpaßbar sein sollen.

Die genannten Aufgaben können mit dem Vakuumsystem nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gelöst werden. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Raum zwischen zwei zueinander konzentrischen zylindrischen Wänden, die an beiden Stirnseiten mittels der Platten vakuumdicht abgeschlossen sind, durch eine Vielzahl von in radialer Richtung verlaufenden Wänden in mehrere, sich in radialer und azimutaler Richtung erstreckende Prozeßkammern unterteilt ist, daß der Abstand zwischen je zwei benachbarter, zwei verschiedenen, aufeinanderfolgenden Prozeßkammern angehörenden Wänden so gewählt ist, daß sich zwischen je zwei Prozeßkammern eine Trennkammer ergibt, deren Volumen kleiner als das der Prozeßkammern ist, daß zum Zwecke des Transports des zu behandelnden Prozeßgutes ein ringförmiger Träger konzentrisch zu den Zylindern um deren gemeinsame Achse drehbar so angeordnet ist, daß er die Trennwände etwa zentral durchsetzt, daß an diesen Durchsetzungsstellen durch an den Träger möglichst dicht herangeführte, an den Trennwänden befestigte Winkelbleche der Strömungswiderstand zwischen Trenn*- und Prozeßkammern zu den benachbarten bzw. zwischen je zwei benachbarten Prozeßkammern möglichst groß gehalten ist, und daß sämtliche Radialkammern über Öffnungen mit konstantem oder variablem Strömungswiderstand mit der Zentralkammer in Verbindung stehen, in welcher mittels einer Diffusions- oder Molekularpumpe hoher Saugleistung ein Vakuum erzeugt und aufrechterhalten wird.

Das Vakuumsystem nach der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In

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diesen bedeuten:

Fig, I eine Draufsicht auf das System nach der Lehre der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht, die im wesentlichen einen Steuermechanismus für die verschiedenen Drosselventile zeigt, welche zur Einstellung und Aufrechterhaltung der unterschiedlichen Vakuumdrücke innerhalb der verschiedenen Prozeßkammern dienen;

Fig. 3 einen Seitenschnitt, genommen entlang der Linie 3-3 der Fig. 1 zur Verdeutlichung des Transportsystems zur Beförderung des Prozeßgutes durch die verschiedenen Radialkammern sowie der Drosselventile zur Kontrolle der in den verschiedenen Zonen herzustellenden Einzeldrücke;

Fig. 4 eine Teilansicht des Inneren in Schnittdarstellung zur Verdeutlichung der Bewegung des Prozeßgutes durch die Prozeßkammern unter der Wirkung eines rotierenden ringförmigen Trägers;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung, genommen entlang der Linie 5-5 der Fig. 3 zur Erläuterung der Durchführung des ringförmigen Trägers durch die radialen Trennwände zwischen den einzelnen Kammern, wobei für einen hohen Strömungswiderstand von Kammer zu Kammer zu sorgen ist;

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Steuerung des Drosselventils.

Das Vakuumsystem besteht im wesentlichen aus zwei zueinander Docket FI 968 066 10 9 919/1711

konzentrisch verlaufenden Zylinderstutzen 11 und 12, die an ihrer oberen und unteren Stirnseite durch die Platten 15 und 16 abgeschlossen sind. Der innere Zylinder 12 dient zum Anschluß der verschiedenen Vakuurazonen an eine gemeinsame zentrale Vakuumpumpe 13A.

Das Gebiet zwischen den äußeren und inneren Zylindern 11 und 12, von denen ein Teilabschnitt besonders deutlich aus der Fig. 4 hervorgeht, ist durch radial verlaufende Wände 20, 21 in eine Mehrzahl von radialen Kammern eingeteilt. Diese teilen den ringförmigen Raum zwischen dem äußeren und inneren Zylinder in eine gegebene Anzahl von verschiedenen Vakuurazonen oder Kammern ein, die mit 22 bis 26 bezeichnet sind und die in ihrer Gesamtheit aus der Fig. 1 hervorgehen. Diese verschiedenen Kammern sind so eingerichtet, daß der ringförmige Träger 29, welcher im einzelnen in den Fign. 3, 4 und 5 nochmals ersichtlich ist, in geeigneter Weise eine Drehbewegung ausführen kann, durch welche die zu behandelnden Substrate durch die verschiedenen Vakuumzonen hindurchgeführt werden. Zu diesem Zwecke sind die zu behandelnden Plättchen 31 in der Halterungsvorrichtung 30 befestigt.

Eine konventionelle Luftschleuse 35 führt in die Prozeßkammer 22 und gestattet die Ein- bzw. Ausgabe der zu behandelnden Halbleiterplättchen oder Substrate 31, die unter Mitwirkung der Halterungsvorrichtung 30 wiederum von dem rotierenden ringförmigen Träger 29 getragen werden. Die Steuerung erstreckt sich hier im wesentlichen auf die Vakuumschleuse^vorrichtung* welche eine Trennung zwischen den beschickten und unbeschlckten Prozeßkammern von allen anderen Teilen der Einheit sichersten Die '"rennung der Vakuumprozeßzonen 22 bis 26 in der Ges^atr ^di'iung wird dadurch erreicht, daß man eine extrem enge ν,; I .er an ζ zwischen dem ringförmigen Träger 29 und eine ' ;j^sov^:-;rt evakuierten Trer.nkammer 22a vorsieht: die ihrerseits ο:·-^:· ^V, ^urch radial verl:ia*^nde Seitenwände 20 uno -i ι (Fi..;.;, 4; ir ■ . ■■ \-/·λ

Wie besonders aus eier Fig. 5 ciraxchtiich, .;.■■:■ .^i-. t · u^^i^L·^ Docket FI 968 066 ,,...,,... ι

Träger 29 mit den darin eingepaßten, in der Halterungsvorrichtung 20 ruhenden Plättchen 31 so ausgebildet, daß er von einer Prozeßzone beispielsweise von der Zone 23 in die benachbarte Prozeßzone 24 durch Öffnungen innerhalb sich in radialer Richtung erstreckender Wände hindurchbewegt, wobei diese Wände 22 und 21 ihrerseits die Trennkanuner 23A bilden. Diese Öffnungen sind von rechteckiger Gestalt, wobei diese mit einem Rahmen aus rechtwinklig abgebogenen Blechen umgeben sind, die mit 39, 40 und 42 bezeichnet sind. Von diesen rechtwinkligen Blechen ist jeweils der eine Schenkel auf den Seitenwänden rings um die Öffnung herum befestigt und der andere Schenkel des rechten Winkels erstreckt sich parallel zu dem ringförmigen Träger 29, wobei ein sehr geringer Abstand zwischen diesen parallel zum Träger verlaufenden Flächen und dem Träger 29 angestrebt ist, um durch einen maximalen Strömungswiderstand eine möglichst gute Trennung des Vakuums der Kammern zu gewährleisten, die auf beiden Seiten der Trennkammern 23A liegen.

Wie speziell aus den Fign. 3 und 4 hervorgeht, wird der ringförmige Träger 29 mit Hilfe eines geeigneten Antriebes in Rotation versetzt, beispielsweise durch den schematisch dargestellten Motor 48, dessen Achse 49 sich durch die untere Abschlußplatte 16 hindurch erstreckt und das Antriebsritzel 50 trägt. Dieses steht in Kraftschluß mit dem ringförmigen Träger 29, dessen äußere Kante als Zahnrad mit den Zähnen 51 ausgebildet ist. Natürlich sind auch andere Antriebsformen denkbar, beispielsweise ein Friktionsantrieb oder dergl. Der ringförmige Träger 29 ist an verschiedenen Stellen der Peripherie mit Hilfe von Führungsrollen 54 gehaltert, welche selbst auf Spindeln 55 rotieren. Wird nun der ringförmige Träger 29 in Rotation versetzt, so läuft dessen alt Zähnen versehene Kante in der Aussparung der Leitrollen 54 ab.

Wie aus der Fig. 1 zu entnehmen ist, erfolgt die Evakuierung sämtlicher Radialkammern, d.h. sowohl der Prozeijkammern als auch der dazwischengeschaltctten Trennkammexn über die Zentralkammer

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Die Verbindung jeder diese:! K;:^:;!vav^vio τ: ν je ein Drosselventil 6.1, w^^a^ i..v. ail ^cneiner; ν-:-.,;; S oh ir. ritte rlingstyp ist. Durch eine geeignete i-instellung des Drosselventils kann die wirksame Öffnung, ^:vD-"?r Valens jeweils die. I-vakui erun« erfolgt, vergrößert oder verkleinert weiden. Hierdurch ίεί: es möglich/ eine einzige Vakuumpumpe hoher Saugleistung 13A beispielsweise eine Diffusions- oder Molekularpumpe, welche in geeigneter Weise an der Zentralkammern angebracht ist, zur Evakuierung sämtlicher Radialkammern zu benutzen. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, kann das Pumpsystem mit verschiedenen mechanischen Pumpen zusamraengeschaltet werden, um das erforderliche Vorvakuumniveau sicherzustellen.

Jedes Drosselventil stellt ein Element zum Steuern des Strömungswiderstandes zwischen der mit der Vakuumpumpe in Verbindung stehenden Zentralkammer 13 und den zugehörigen Radialkammern dar. Es kann somit ein für die jeweiligen Erfordernisse abgestuftes Vakuum in den verschiedenen radialen Prozeßkammern realisiert werden, da durch die ebenfalls radial verlaufenden Trennkammern ein Druckausgleich der Prozeßkammern untereinander verhindert wird. Jedes Drosselventil ist mittels eines Antriebselementes 68 bekannter Bauart steuerbar. Die jeweilige Einstellung kann mit Hilfe des Manipulators 70, der insbesondere aus der Fig. 3 zu ersehen ist, vorgenommen werden.

Die Verbindung der Zentralkammer mit den Trennkammern, z.B. 24 und 25 ist durch öffnungen 75 sichergestellt, welche entweder konstante Größe besitzen oder ebenfalls veränderbar eingerichtet sind. Hierbei ist die Größe so zu wählen, daß der Druck in den Trennkammern fast demjenigen innerhalb der Zentralkammer 13 gleicht. Infolge der Leckwirkungen der Durchführung des ringförmigen Trägers 29 in radialer Richtung und ähnlicher Effekte werden die Trennkammern im allgemeinen einen Druck aufweisen, der geringfügig kleiner ist als derjenige der Zentralkammer. Naturgemäß findet sich der höchste Druck innerhalb der Prozeßkammern 22, 23, 24, 25 usw., da in diesen die verschie-

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denen Verfahrensschritte der kontinuierlichen Vakuumbehandlung der Halbleiterplättchen abgewickelt werden.

Die Halterungen 30 für diese Plättchen auf der Oberfläche des ringförmigen Trägers 29 bewegen sich sukzessive durch die verschiedenen Prozeßkammern hindurch und die so transportierten Halb, eiterplättchen können nacheinander in an sich bekannter Weise den verschiedensten Verfahrensschritten unterworfen werden, wobei gegebenenfalls auch geeignete Zusatzatmosphären in bestimmte Prozeßkammern eingegeben werden können, um so z.B. eine Oberflächenbehandlung durch Kathodenzerstäubung mittels einer mit Hochfrequenz angeregten Gasentladung unter Benutzung der Zerstäubungskathode 75a innerhalb einer oder mehrerer der Prozeßkammern durchzuführen. Es leuchtet ein, daß falls gewünscht, die Einstellung der einzelnen Drosselventile auch automatisch vorgenommen werden kann. Ein übertreten von Verunreinigungsstoffen von einer Prozeßkammer zur anderen wird durch die zwischengeschalteten Trennkammern unterbunden, da durch die engen Schlitze zwischen dem ringförmigen Träger 29 und den Seitenwänden 21 und 20 hindurchtretende Verunreinigungsstoffe direkt durch die öffnung 75 aus der Trennkammer 23A abgepumpt werden und nicht in die Nachbarkammer einzutreten vermögen. Beim Betrieb verbleibt der ringförmige Träger 29 stets im Vakuum, wodurch Vakuumschwierigkeiten durch Ausgasen aus dem Metall stark herabgesetzt werden, da ein Wiedereintritt des ringförmigen Trägers 29 in die Normalatmosphäre und die hierdurch bedingte Gasabsorptionen vermieden werden.

Eb hat sich gezeigt, daß das Vakuumsystem nach der vorliegenden Erfindung mit einem Durchmesser von etwa 1,30 m ein Äquivalent darstellt zu einem etwa 4 m langen "In Line"-System. Außerdem läßt sich den Fign. 1 und 2 entnehmen, daß das zirkuläre Vakuumsystem die Möglichkeit bietet, Substrate oder Behandlungsmaterialien in benachbarten Kammern ein- bzw. auszugeben. Dies steht völlig im Gegensatz zu den Möglichkeiten, welche ein lineares sogenanntes "In Line"-System bietet, bei welchem zur Ein- oder Ausgabe zwei Druckschleusen an den einander gegenüber-

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liegenden Enden des Systems erforderlich sind. Die Halterung des oben beschriebenen zirkulären Vakuumsystems kann in irgendeiner gewünschten Weise vorgenommen werden, beispielsweise kann eine Anzahl von Haltestäben 77 beliebiger Anzahl hierzu benutzt werden.

Heiterhin erfordert das oben beschriebene zirkuläre Vakuumsystem, in dessen Zentralbereich die Vakuumpumpe angebracht ist, unterhalb der Prozeßkammern nur ein einziges Evakuierungssystem, wodurch sich gegenüber den konventionellen Systemen eine beträchtliche Platzersparnis ergibt.

Das beschriebene System besitzt weiter den Vorteil, daß das einzige erforderliche Evakuierungssystem normalerweise nur etwa den halben Preis von fünf kleineren Evakuierungssystemen erfordert, welche zur Ausrüstung eines normalen konventionellen linearen Prozeßsystems gleicher Kapazität erforderlich wären. Weiterhin ergeben sich beim Vorhandensein nur eines einzigen Vakuumsystems Vorteile bei der Instandhaltung und Überholung.

Das beschriebene zirkuläre Vakuumsystem gestattet auch die Eingabe bzw. Ausgabe der behandelnden Halbleiterplättchen in jeder gewünschten Form mittels einfacher automatischer Methoden und gestattet eine kontinuierliche Durchführung der Prozesse, ohne daß hierbei die allgemeinen Vakuumbedingungen geändert werden müßten. Weiterhin ist auch eine Steuerung in irgendeiner gewünschten Form unter der Mitwirkung einer Datenverarbeitungsanlage denkbar und zwar für die verschiedensten Arten von Prozeßvorgängen und auch ein vollautomatischer Betrieb ist unschwer durchzuführen.

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Claims

- 10 PATENTANSPRÜCHE

1. Zirkuläres System zur kontinuierlichen Verrichtung verschiedener, in Vakuum durchzuführender Prozesse, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Raum zwischen zwei zueinander konzentrischen zylindrischen Wänden (11, 12), die an beiden Stirnseiten mittels der Platten (15, 16) vakuumdicht abgeschlossen sind, durch eine Vielzahl von in radialer Richtung verlaufenden Wänden (20, 21 usw.) in mehrere, sich in radialer und azimutaler Richtung erstreckende Prozeßkammern (22, 23) unterteilt ist, daß der Abstand zwischen je zwei benach-

barter, zwei verschiedenen, aufeinanderfolgenden Prozeßkanunern angehörenden Wänden (22, 23; 23, 24; 24, 25 usw.) so gewählt ist, daß sich zwischen je zwei Prozeßkammern eine Trennkammer (22A, 23A usw.) ergibt, deren Volumen kleiner als das der Prozeßkammern ist, daß zum Zwecke des Transports des zu behandelnden Prozeßgutes ein ringförmiger Träger (29) konzentrisch zu den Zylindern (11, 12) um deren gemeinsame Achse drehbar so angeordnet ist, daß er die Trennwände (20, 21 usw.) etwa zentral durchsetzt, daß an diesen Durchsetzungsstellen durch an den Träger (29) möglichst dicht herangeführte, an den Trennwänden (20, 21) befestigte Winkelbleche (39, 40, 41, 42 usw.) der Strömungswiderstand zwischen

fc Trenn- und Prozeßkammern bzw. zwischen je zwei benachbarten Prozeßkammern möglichst groß gehalten ist, und daß sämtliche Radialkammern über öffnungen mit konstantem oder variablem Strömungswiderstand mit der Zentralkammer (13) in Verbindung stehen, in welcher mittels einer Diffusionsoder Molekularpumpe hoher Saugleistung ein Vakuum erzeugt und aufrechterhalten wird.

2. Vakuumsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines für den jeweils durchzuführenden Prozeß geeigneten, von den übrigen Kammern unabhängigen Druckes jede Prozeßkammer über je ein Drosselventil (61) mit der Radialkammer (13) in Verbindung steht.

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3. Vakuumsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkammern über eine öffnung mit konstantem Strömungswiderstand oder über ein Drosselventil mit der Radialkaimaer

(13) in Verbindung steht,

4. Vakuumsystem nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadui'^h ^-kennzeichnet, daß die S troi-unyswi Verstände zwischen den Trennuisd dor Zentralkammer wesGPt3.ich kleiner *j^wi;hlt ist- als diejenigen zwischen. Prozeß- und üentralkaiaruern, ;];-\rart_f daß die Trennkammern einen niedrigeren Druck eufweisen als die benachbarten Prozeßkammern.

5. Vakuumsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Träger 29 mit dem auf ihm befindlichem Prozeßgut (31) mittels einer Antriebsvorrichtung {48, 50, 51) von einer Prozeßkammer zur nächsten transportierbar ist.

6. Vakuumsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Prozeßkammer mit einer in bekannter Weise als Druckschleuse ausgebildeten Ein- bzw. Ausgabevorrichtung (35) für das Prozeßgut versehen ist.

7. Vakuumsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch die vollautomatische Durchführung aller für einen speziellen Prozeß/ z.B. für die Herstellung eines Halbleiterbauelementes erforderlichen Verfahrensschritte.

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