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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln eines aus Halbleitermaterial
hergestellten Wafers, wobei die Vorrichtung aufweist: ein erstes
und ein zweites Gehäuseteil,
die voneinander weg und zueinander hin bewegbar angeordnet sind,
wobei die beiden Gehäuseteile
in einer geschlossenen Position, in der sie zusammenbewegt sind,
eine Behandlungskammer begrenzen, und mindestens einen in dem ersten und/oder
dem zweiten Gehäuseteil
vorgesehenen Gaszuführkanal,
der in die Behandlungskammer mündet, wobei
der erste und der zweite Gehäuseteil
um die Behandlungskammer herum eine erste bzw. eine zweite Begrenzungsfläche aufweisen,
wobei in der geschlossenen Position zwischen der ersten und der
zweiten Begrenzungsfläche
ein Spalt vorhanden ist, um das in die Behandlungskammer eingeführte Gas
radial nach außen
auszugeben.
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Eine
derartige Vorrichtung ist z.B. aus WO 9801890 und der Niederländischen
Patentanmeldung 103538 bekannt, die auf den Namen des Anmelders
der vorliegenden Anmeldung eingetragen sind. Die beschriebene Vorrichtung
ist zur Durchführung
einer Temperaturbehandlung an einem Wafer vorgesehen, der aus Halbleitermaterial
hergestellt ist. Die Temperaturbehandlung enthält z.B. die Schritte, in denen
der Wafer während
einer kurzen Zeit erwärmt
wird, wobei der Wafer anschließend
während
einer Behandlungsperiode auf einer gewünschten Behandlungstemperatur
gehalten wird, z.B. um eine Dotierung zu tempern. Während dieser
Behandlungsperiode kann dem Wafer auch ein Behandlungsgas zugeführt werden,
z.B. um Material auf den Wafer aufzutragen oder Material von dem
Wafer wegzuätzen.
Die Bemessungen der auf oder in dem Wafer erzeugten Strukturen und
die Schärfe
der Grenzflächen
zwischen den Strukturen und dem Großteil des Halbleitermaterials
erfordern eine Präzision
im Nanometer-Bereich. Größere Abweichungen
können
bereits die gewünschte
Arbeitsweise der durch die Behandlung gebildeten Strukturen beeinträchtigten
oder sogar verhindern.
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Vorrichtungen
zum Durchführen
einer derartigen Temperaturbehandlung an einem Wafer sind bereits in
verschiedenen anderen Versionen bekannt, beispielsweise Vorrichtungen,
bei denen der Wafer durch UV-Lampen bestrahlt wird, oder Vorrichtungen,
bei denen der Wafer direkt auf einer Temperaturbehandlungsfläche wie
z.B. eine Heizplatte platziert wird. Der Nachteil dieser Vorrichtungen
besteht darin, dass die Wärmeübertragung
zwischen dem Wafer und der Temperaturbehandlungsvorrichtung nicht
gleichförmig
ist. Dies kann unerwünschte
Auswirkungen haben. Beispielsweise kann eine ungleichförmige Wärmeübertragung
eine lokale Überhitzung
und/oder Unterhitzung in dem Wafer verursachen, die Spannungen in
dem Wafer verursacht. Eine Relaxation dieser Spannungen führt zu Verlagerungen
und anderen Defekten in dem kristallinen Halbleitermaterial des
Wafers. Diese Defekte können
die elektrischen Eigenschaften des Materials derart verschlechtern,
dass es die gewünschten
Spezifizierungen nicht mehr erfüllt
und für
den beabsichtigten Anwendungszweck unbrauchbar wird. Zweitens beeinflusst
die Wärmeübertragung
den Verlauf der Schritte der Behandlung des temperaturempfindlichen
Wafers, wie z.B. das Auftragen des Materials oder das Tempern einer
eingeführten
Dotierung. Aufgrund der ungleichförmigen Wärmeübertragung ist die Temperatur
des zu behandelnden Wafers nicht gleichförmig. Folglich ist während der
Behandlung die Behandlungsperiode an einigen Bereichen des Wafers
zu kurz oder zu lang, so dass das Material an diesen Stellen unterbehandelt
oder überbehandelt wird.
Somit führt
an diesen Stellen des Wafers die Behandlung aufgrund der ungleichförmigen Temperatur
des Wafers nicht zu den gewünschten
elektrischen Eigenschaften und/oder Materialeigenschaften, so dass
der Wafer auch in dieser Weise unbrauchbar zur weiteren Verwendung
werden kann.
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Bei
der Vorrichtung gemäß dem Niederländischen
Patent 103538 werden die Probleme einer ungleichförmigen Wärmeübertragung
vermieden. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung einen ersten und
einen zweiten Gehäuseteil
auf, die derart angeordnet sind, dass sie zueinander hin und voneinander
weg bewegbar sind. Die beiden Gehäuseteile werden auf eine bestimmte
Behandlungstemperatur gebracht. In der Tat kann die Tempera tur der
beiden Gehäuseteile
verschieden sein. Der zu behandelnde Wafer wird zwischen den beiden
Gehäuseteilen
in einer Behandlungskammer eingeschlossen. Dabei ist ein Ausbleiben
eines mechanischen Kontakts zwischen den beiden Gehäuseteilen
relativ zueinander erforderlich. Ein Spalt zwischen den beiden Grenzflächen der
Gehäuseteile
wird mittels eines Gases abgedichtet, das über den gesamten Umfang radial
nach außen
strömt
und aus der Behandlungskammer kommt. Das Volumen der Behandlungskammer umschließt den Wafer
sehr eng, so dass die Wärmeübertragung
zwischen dem Wafer und den beiden Gehäuseteilen im Wesentlichen durch
gleichförmige
Wärmeleitung
und nur zu einem geringen Anteil durch Strahlung erfolgt. Folglich
nimmt der Wafer schnell die Temperatur der beiden Gehäuseteile
an. Die Gehäuseteile
haben relativ zu dem Wafer eine sehr große Wärmekapazität, so dass sich die Temperatur
der Gehäuseteile
aufgrund des durch die Wärmeübertragung
zum Wafer verursachten Temperaturverlustes kaum verändert. In
der geschlossenen Position der beiden Gehäuseteile, in denen diese zueinander
hin bewegt sind, sollte die Behandlungskammer gegenüber der
Umgebung der Vorrichtung abgeschlossen sein, so dass keine Kontamination aus
der Umgebungsluft der Vorrichtung in die Behandlungskammer gelangen
kann. In der Tat ist es wichtig, dass die Wafer-Oberfläche während der
Behandlung in der Behandlungskammer nicht in Kontakt mit derartigen
Kontaminationen treten kann. Während
der Behandlung kann die Kontamination in Anhaftung an der Wafer-Oberfläche gelangen
oder in einer durch die Behandlung aufgetragenen Schicht eingeschlossen
werden, so dass der Wafer für
die nachfolgenden Behandlungsschritte und die gewünschten
Verwendungszwecke unbrauchbar wird.
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Bei
der oben beschriebenen Vorrichtung wird Gas aus der Behandlungskammer
verwendet, um den Spalt zwischen den beiden Gehäuseteilen abzudichten. Eine
derartige berührungslose
Dichtung wird gegenüber
einer mechanischen Dichtung bevorzugt, bei der eine Kontaktfläche zwischen
den beiden Gehäuseteilen gebildet
würde.
Zudem muss eine mechanische Dichtung typischerweise komplex ausgestaltet
sein, um eine korrekte Schließung
der Behandlungskammer zu erzielen. In diesem Fall sollte z.B. ein
O- Ring verwendet
werden, der innerhalb der Kontaktfläche zusammengedrückt wird,
wenn die Gehäuseteile
zueinander bewegt werden. Ferner ist eine derartige Dichtung anfällig gegenüber Verschleiß, der durch
den mechanischen Kontakt an der Kontaktfläche verursacht wird. Aufgrund
dieses Verschleißes
verschlechtert sich bei wiederholter Benutzung die Qualität der Dichtung
zwischen den beiden Gehäuseteilen.
Durch den Verschleiß lösen sich
zudem Partikel von den Gehäuseteilen.
Diese Partikel können
schließlich
bis in die Behandlungskammer vordringen und somit die Wafer-Oberfläche kontaminieren.
Eine derartige mechanische Dichtung wird noch komplizierter, falls
für die
Behandlung die Gehäuseteile
jeweils in die Behandlungskammer gebracht werden. Eine Ausdehnung
der heißen
Gehäuseteile
kann Spalte in der Kontaktfläche
verursachen, so dass die Dichtung bricht. Zudem ist ein korrektes
Abdichten der Gehäuseteile
umständlich,
wenn ein O-Ring verwendet wird.
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In
der Praxis ist die kontaktlose Schließung der beiden Gehäuseteile,
wobei der Spalt zwischen den Gehäuseteilen
durch Gas aus der Behandlungskammer abgedichtet wird, nicht ausreichend,
um die Kontamination in der Behandlungskammer auf das gewünschte niedrige
Maß zu
bringen. In der Tat besteht die Möglichkeit, dass Kontamination
aus der Umgebung in die Behandlungskammer hinein diffundiert. Ein
zweiter Nachteil der beschriebenen Abdichtung des Spalts zwischen
den beiden Gehäuseteilen
besteht darin, dass ein zur Verwendung im Behandlungsraum vorgesehenes
Behandlungsgas über
den Spalt in die Umgebung der Vorrichtung abströmt. Zahlreiche Gase, die zur
Durchführung
einer Wafer-Behandlung dienen, sind toxisch und/oder sind bei Kontakt
mit Luft hochentzündlich,
z.B. Silan, Disilan und Phosphin. In diesem Fall ist es wichtig,
die Möglichkeit
eines Kontakts eines derartigen Behandlungsgases mit der Umgebungsluft
zu vermeiden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für diese Probleme zu schaffen.
Gemäß der Erfindung
ist eine Vorrichtung des im Oberbegriff beschriebenen Typs dadurch
gekennzeichnet, dass in mindestens einer der beiden Begrenzungsflächen eine
erste Nut angeordnet ist, die mit einer Gasausgabevorrichtung verbunden
ist, und in mindestens einer der beiden Begrenzungsflächen eine
zweite Nut angeordnet ist, die mit Gaszuführvorrichtungen verbunden ist,
wobei sowohl die erste als auch die zweite Nut im Wesentlichen entlang des
Umfangs der Behandlungskammer verlaufen, wobei die erste Nut radial
innerhalb der zweiten Nut angeordnet ist und bei Betrieb der mittels
der Gaszuführvorrichtungen
erzeugte Druck derart bemessen ist, dass aus der zweiten Nut heraus
Gas in dem zwischen der ersten und der zweiten Begrenzungsfläche gelegenen Spalt
sowohl radial nach innen als auch radial nach außen strömt.
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Bei
Betrieb wird ein Wafer in die Behandlungskammer zwischen den beiden
Gehäuseteilen
eingeführt. Durch
den Spalt strömendes
Gas wird mittels der Gasausgabevorrichtung über die erste Nut ausgeben,
während
mittels der Gaszuführvorrichtung
Gas über
die zweite Nut dem Spalt zugeführt
wird. Das über
die erste Nut ausgegebene Gas kommt aus dem mindestens einen Gaszuführkanal,
der in die Behandlungskammer mündet,
und es kann ferner einen Teil des Gases aus der zweiten Nut enthalten.
Somit wird der Spalt mittels der Gasströme derart abgedichtet, dass
Kontamination aus der Umgebung kaum in die Behandlungskammer diffundieren
kann.
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Das
Gas, das der zweiten Nut mittels der Gaszuführvorrichtung zugeführt wird,
strömt
aus der zweiten Nut durch den zwischen den beiden Gehäuseteilen
gebildeten Spalt in einer radial nach innen verlaufenden Richtung
sowie in einer radial nach außen
verlaufenden Richtung. In dieser Weise wird Gas aus der Behandlungskammer
direkt über
die mit der ersten Nut verbundene Gasausgabevorrichtung ausgegeben.
Das der zweiten Nut durch die Gaszuführvorrichtung zugeführte Gas
bewirkt die gewünschte
Abdichtung des Spalts außerhalb
des Umfangs der ersten Nut. Der dadurch erzielte Effekt besteht
darin, dass die Behandlungskammer mittels des aus der Gaszuführvorrichtung
strömenden
Gases korrekt von der Umgebung getrennt wird. Es hat sich erwiesen,
dass die ersten und zweiten Grenzflächen nicht notwendigerweise
parallel zu der Behandlungskammer zu verlaufen brauchen. Die beiden
Gehäuseteile
können
z.B. einander angepasste zylindrische Formen haben, wobei die beiden
Grenzflächen
entlang der Außenwand
der inneren zylindrischen Form und der Innenwand der äußeren zylindrischen
Form verlaufen. Ferner können
die Grenzflächen
beispielsweise entlang eines Abschnitts einer Kegelfläche verlaufen.
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Bei
Betrieb der Vorrichtung ist die Péclet-Zahl in dem radial außerhalb
der zweiten Nut gelegenen Spalt größer als 10, wobei die Péclet-Zahl
Pe durch die folgende Formel definiert ist:
wobei v die Gasströmungsrate
in dem Spalt ist, L die Länge
des Spalts bei Betrachtung in Strömungsrichtung ist, und D der
Diffusionskoeffizient einer durch den Spalt radial nach außen strömenden Kontamination
ist. Bei dieser Péclet-Zahl
in dem Spalt ist die über
den Spalt erfolgende Diffusion einer Kontamination aus der Umgebung
in die Behandlungskammer sehr gering, so dass ein wie gewünscht niedriges
Maß an
Kontamination in der Behandlungskammer erreicht wird. Diese Péclet-Zahl
kann in den meisten Fällen
erzielt werden, indem man für
das in dem Spalt radial nach außen
strömende
Gas eine Gasströmungsrate
von mindestens 1 Zentimeter pro Sekunde wählt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist bei Betrieb der mittels der Gasausgabevorrichtung erzeugte Druck
derart bemessen, dass im Wesentlichen das gesamte in die Behandlungskammer
eingeführte Gas über die
erste Nut ausgegeben wird. Somit wird ein Kontakt zwischen der Umgebungsluft
und dem in die Behandlungskammer eingeführten Gas vermieden, was bei
manchen Behandlungsgasen erforderlich ist.
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Vorzugsweise
belassen in der offenen, auseinanderbewegten Position die beiden
Gehäuseteile
einen Zwischenraum zwischen den ersten und zweiten Grenzflächen, damit
der Wafer mittels der Wafertransportvorrich tung geladen und entladen
werden kann. In dieser Weise kann der zu behandelnde Wafer zwischen
den beiden Gehäuseteilen
bewegt werden und nach der Behandlung wieder entladen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der bevorzugten Ausführungsform sind in dem ersten
und/oder dem zweiten Gehäuseteil
in die Behandlungskammer mündende
Gaszuführkanäle ausgebildet,
um ein Gas-Auflager zum kontaktlosen Halten des Wafers in der Behandlungskammer
zu bilden. Im Betrieb hält
das Gas-Auflager den Wafer an seiner gesamten Wafer-Oberfläche im gleichen
Abstand zwischen den Gehäuseteilen
und kann somit Abweichungen in der Flachheit des Wafers kompensieren.
Dies macht die Wärmeübertragung
von den Gehäuseteilen
zu dem berührungslos
gehaltenen Wafer höchst
gleichförmig.
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Während des
Ladens des Wafers ist die Position der Wafertransportvorrichtung
relativ zu mindestens einem der Gehäuseteile derart ausgebildet,
dass das Gas-Auflager den Wafer der Wafertransportvorrichtung in
der Behandlungskammer entnimmt, wenn sich die beiden Gehäuseteile
aus der offenen Position zueinander hin bewegen. Somit kann der
in der Behandlungskammer befindliche Wafer in das Gas-Auflager gebracht
werden, so dass kein mechanischer Kontakt zwischen dem Wafer und
den Gehäuseteilen
erfolgt. Dadurch wird das Auftreten einer nicht gleichförmigen Wärmeübertragung
vermieden, bevor sich die beiden Gehäuseteile in ihrer geschlossenen
Position befinden. Ferner kann an mindestens einer der beiden Begrenzungsflächen eines
der beiden Gehäuseteile
eine Anzahl von Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten vorgesehen
sein, welche die Wafertransportvorrichtung aufnehmen, wenn sich
die beiden Gehäuseteile
in der geschlossenen Position befinden. Auf diese Weise kann die
Wafertransportvorrichtung in einer nahe hinter dem Wafer gelegenen
Position verbleiben, nachdem der Wafer mittels des Gas-Auflagers
in die Behandlungskammer hineingebracht worden ist. Dadurch kann
der Wafer nach der Behandlung schnell von der Transportvorrichtung
aufgenommen werden, um aus der Behandlungskammer z.B. in eine nachfolgende
Behandlungsvorrichtung transportiert zu werden. Dies bietet zudem
die Möglichkeit,
den nächsten
zu behandelnden Wafer schnell in die Behandlungskammer einzuführen, so
dass die Produktivität
der Vorrichtung verbessert wird.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
verlaufen die Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten in Radialrichtung,
wobei die zweite Nut an der Position jeder Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut
unterbrochen ist. Trotz der Tatsache, dass die zweite Nut unterbrochen
ist, kann dennoch eine Gas-Barriere an der Stelle der Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut
erzeugt werden, indem gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Gaszuführvorrichtungen in die Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten
münden, wobei
sich die Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten an einem radial
innen gelegenen Teil in Fluidverbindung mit den ersten Nuten befinden.
Somit werden die Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten auch mittels
eines Gases abgedichtet, das bei Betrieb von der Gaszuführvorrichtung
her strömt.
Dieses Gas kann über
die erste Nut und, indem es radial nach außen in die Umgebung strömt, über die
Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten selbst ausgegeben werden.
Somit kann während
des Betriebs der Vorrichtung keine Kontamination über die
Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten in die Behandlungskammer
hinein diffundieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weist die Wafertransportvorrichtung im Wesentlichen einen Transportring
auf, der mit einer Anzahl von Haltefingern versehen ist, wobei der
Durchmesser des Transportrings größer als der Außenumfang
der beiden Gehäuseteile
ist, wobei die Haltefinger mit dem Transportring verbunden sind
und radial in Richtung des Mittelpunkts des Transportrings derart
abstehen, dass die Enden der Haltefinger zusammen einen Umfangsrandbereich
des Wafers halten. Bei Betrieb können
sich, wenn der Wafer von dem Transportring abgenommen ist, die beiden
Gehäuseteile
innerhalb des Transportrings zueinander hin bewegen, um die Behandlung
des Wafers zu starten. Nach der Behandlung können die Gehäuseteile
dann voneinander weg bewegt werden, wobei der Wafer an dem Transportring
platziert ist. Danach kann ein Roboterarm den Transportring mit
dem Wafer in seitlicher Richtung von der Vorrichtung entfernen und ihn
z.B. zu einer nachfolgenden Behandlungsvorrichtung bewegen.
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Der
erste und der zweite Gehäuseteil
haben bei Betrieb eine im Wesentlichen konstante Temperatur, wobei
in der geschlossenen Position der beiden Gehäuseteile der Abstand zwischen
dem in dem Behandlungsraum eingeschlossenen Wafer und den beiden
Gehäuseteilen
derart klein ist, dass die Wärmeübertragung
zwischen den beiden Gehäuseteilen
und dem Wafer im Wesentlichen durch Wärmeableitung bewirkt wird.
Somit kann der Wafer die Temperatur der Gehäuseteile schnell übernehmen,
so dass die Wärmeübertragung
gleichförmig
ist.
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Die
Gaszuführvorrichtungen
können
eine inerte Gasquelle wie z.B. eine Stickstoffquelle aufweisen. Ein
inertes Gas ist unschädlich,
wenn es über
den Spalt zwischen den ersten und zweiten Grenzflächen in
die Umgebung ausgelassen wird.
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Die
Gaszuführkanäle für das Gas-Auflager
können
auch mit einer inerten Gasquelle verbunden sein. Während der
Behandlung wird dadurch verhindert, dass der Wafer unerwünschte chemische
oder physikalische Reaktionen mit dem für das Gas-Auflager zugeführten Gas
eingeht.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit den beigefügten
Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei das erste Gehäuseteil
nicht gezeigt ist;
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2 zeigt
eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie A'-C der in 1 gezeigten
Draufsicht des Ausführungsbeispiels
angesetzt ist;
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3 zeigt
eine Schnittansicht, die entlang der Linie B-B der in 1 gezeigten
Draufsicht des Ausführungsbeispiels
angesetzt ist;
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4 zeigt
ein Detail Q des in 1 in Draufsicht gezeigten Ausführungsbeispiels;
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie A-A der
in 1 gezeigten Draufsicht des Ausführungsbeispiels
angesetzt ist, wobei das Ausführungsbeispiel
in der geöffneten
Position gezeigt ist;
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6 zeigt
eine Schnittansicht ähnlich
derjenigen gemäß 5,
wobei das Ausführungsbeispiel
in der teilweise geschlossenen Position gezeigt ist;
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7 zeigt
eine Schnittansicht ähnlich
derjenigen gemäß 5,
wobei das Ausführungsbeispiel
in der geschlossenen Position gezeigt ist;
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8 zeigt
eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie A'-C der in 1 gezeigten
Draufsicht des Ausführungsbeispiels
angesetzt ist, wobei das Ausführungsbeispiel
in der geöffneten
Position gezeigt ist;
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9 zeigt
eine Schnittansicht ähnlich
derjenigen gemäß 8,
wobei das Ausführungsbeispiel
in der teilweise geschlossenen Position gezeigt ist;
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10 zeigt
eine Schnittansicht ähnlich
derjenigen gemäß 8,
wobei das Ausführungsbeispiel
in der geschlossenen Position gezeigt ist;
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11 zeigt
ein Schaubild des molaren Anteils der diffundierenden Komponente
gegenüber
der dimensionslosen Position in dem Spalt; und
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12 zeigt
eine 11 ähnliche
Ansicht, bei der die Skalierung an der vertikalen Achse logarithmisch
ist.
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Das
in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel
weist ein erstes und ein zweites Gehäuseteil 1 bzw. 2 auf,
die derart angeordnet sind, dass sie zueinander hin und voneinander
weg bewegbar sind. In der geschlossenen Position, in der sie zueinander
bewegt worden sind, begrenzen die beiden Gehäuseteile 1, 2 eine Behandlungskammer 3,
wobei die ersten und zweiten Gehäuseteile 1, 2 erste
und zweite Grenzflächen 4, 5 aufweisen,
die jeweils um die Behandlungskammer 3 herum verlaufen.
Zwischen den beiden Grenzflächen 4, 5 erstreckt
sich ein Spalt 14. Die beiden Gehäuseteile 1, 2 präsentieren
jeweils eine Behandlungsfläche 6 an einer
zu der Behandlungskammer 3 gerichteten Fläche. Durch
die Gehäuseteile 1, 2 verlaufen
Gaszuführkanäle 7,
die durch die Behandlungsflächen 6 in
die Behandlungskammer 3 münden. Bei Betrieb sind diese
Gaszuführkanäle 7 außerhalb
der Gehäuseteile 1, 2 mit
nicht gezeigten Gasquellen verbunden, um der Behandlungskammer 3 Gas
zuzuführen,
damit ein Gas-Auflager zwischen den Behandlungsflächen 6 und
der Behandlungskammer 3 gebildet werden kann. In den Grenzflächen 4, 5 ist
eine erste Nut 8 ausgebildet, die bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
vollständig
um die Behandlungsflächen 6 herum
verläuft.
Diese erste Nut 8 ist mit Gasausgabekanälen 10 verbunden,
die durch die Gehäuseteile 1, 2 nach
außen
verlaufen. Bei Betrieb sind die Gasausgabekanälen 10 mit nicht gezeigten
Gasausgabevorrichtungen verbunden, die in den Gasausgabekanälen 10 einen
derartigen Niedrigdruck erzeugen, dass das durch die Gaszuführkanäle 7 zugeführte Gas über die
erste Nut 8 ausgegeben wird. Um die erste Nut 8 herum
ist eine zweite Nut 12 in den beiden Gehäuseteilen 1, 2 vorgesehen.
Diese zweite Nut 12 ist mit Gaszuführkanälen 13 verbunden,
die aus den Gehäuseteilen 1, 2 heraus
ver laufen. Bei Betrieb wird diesen Gaszuführkanälen 13 Gas aus nicht
gezeigten Gasquellen zugeführt.
Dieses Gas strömt
aus der zweiten Nut 12 durch den zwischen den beiden Grenzflächen 4, 5 existierenden
Spalt 14 radial nach innen zu der Gasauslassnut 8 und
radial nach außen
in die Umgebung, wie 2 zeigt.
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In
den Figuren ist ein Transportring 17 gezeigt, der zum Laden
und Entfernen des Wafers 9 in die Vorrichtung bzw. aus
der Vorrichtung heraus vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann der
Transportring 17 z.B. mittels eines Roboterarms bewegt
werden. Der Durchmesser des Transportrings 17 ist größer als
der Durchmesser der Gehäuseteile 1, 2.
Der Transportring 17 weist drei Haltefinger 18 mit
gleicher Länge
auf, wobei die Mittellinien der Haltefinger 18 relativ
zueinander Winkel von 120° einschließen. Diese
Haltefinger 18 erstrecken sich radial derart in Richtung
auf die Mitte des Transportrings 17 hin, dass die Enden
der Haltefinger 18 den Umfangsrand des Wafers 9 halten.
Zu diesem Zweck ist jedes Ende jedes Haltefingers 18 mit
einer Haltelippe 21 versehen.
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Die
beiden Grenzflächen 4, 5 der
beiden Gehäuseteile 1, 2 weisen
jeweils drei Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22 bzw. 23 auf,
die von der Behandlungskammer 3 her radial nach außen durch
die Grenzflächen 4, 5 verlaufen.
Gegenüber
jeder Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut 22 in der
ersten Grenzfläche 4 liegt
eine Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut 23 in
der zweiten Grenzfläche 5.
Die Mittellinien der drei Paare von Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 schließen einen
Winkel von 120° relativ
zueinander ein. Am Umfangfsbereich der Behandlungskammer 3 stehen
die Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 mit
der ersten Nut 8 in Verbindung. Ferner münden beiden
Gaszuführkanäle 13 in
einem Abstand radial außerhalb
der Verbindung der Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut 22 mit
der ersten Nut 8 in jede Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut 22.
Jedes Paar der einander gegenüberliegenden
Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 hat
eine derartige Verbindungshöhe
und -breite, dass es einen der drei Haltefinger 18 mit
einem gewissen Abstand aufnehmen kann, wenn sich die beiden Gehäuseteile 1, 2 in
der geschlossenen Position befinden, wobei der Transportring 17 in
einer um die beiden Gehäuseteile 1, 2 verlaufenden
Position angeordnet sind, wie in den Figuren gezeigt ist. Bei Betrieb
wird den Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 Gas über die
Gaszuführkanäle 13 zugeführt. Das
Gas verlässt die
Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 sowohl
nach innen hin über
die erste Nut 8 und die Gasausgabekanäle 10 als auch nach
außen
hin in die Umgebung.
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5–10 zeigen
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Wafer 9 auf den drei Haltelippen 21 der Haltefinger 18 des
Transportrings 17 sitzt. Die Figur zeigt drei Schritte
während
der Operation des Zueinanderbringens der beiden Gehäuseteile 1, 2.
Die in 5–7 gezeigten
Abschnitte schneiden einen Haltefinger 18 in einem Paar
von Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23.
Die in 8–10 gezeigten
Abschnitte schneiden das Paar von Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 nur
entlang des gleichen Haltefingers 18. Um den Wafer 9 ist
ein Zentrierungsring 19 an den Haltelippen 21 angeordnet,
so dass während
einer Bewegung des Transportrings 17 oder während einer
in der Behandlungskammer 3 erfolgenden Behandlung der Wafer 9 nicht
von den Haltelippen 21 herunterfallen kann. Ferner sollte
der Zentrierungsring 19 einen aufgrund radialer Wärmeübertragung
während
des Transports entstehenden Radial-Temperaturgradienten in dem Wafer 9 verhindern,
falls der Wafer 9 eine andere Temperatur als die Umgebung
hat.
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5 und 8 zeigen
das Ausführungsbeispiel
in einer offenen Startposition, wobei der Transportring 17 zwischen
den Gehäuseteilen 1, 2 parallel
zu den Behandlungsflächen 6 gehalten
ist, z.B. durch einen nicht gezeigten Roboterarm. Die Mitte des
Transportrings 17 ist zwischen den Mitten der beiden Gehäuseteile 1, 2 zentriert,
so dass der Wafer 9 exakt zwischen den beiden Behandlungsflächen 6 gehalten
ist. Die Position des Transportrings 17 ist derart vorgesehen,
dass die Haltefinger 18 exakt zwischen den Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenuten 22, 23 der
ersten und zweiten Grenzflächen 4 bzw. 5 angeordnet
sind. Somit können
die beiden Gehäuseteile 1, 2 zueinander
hin bewegt werden, um zur Temperaturbehandlung den Wafer 9 in
der Behandlungskammer 3 aufzunehmen. Zu diesem Zweck sind
die beiden Gehäuseteile 1, 2 mittels
einer nicht gezeigten Wärmesteuerung
jeweils auf eine bestimmte Behandlungstemperatur gebracht worden.
Ferner wird für
die gewünschte
gleichförmige
Temperaturbehandlung Gas in die Gaszuführkanäle 7 und 13 eingeführt und über die
Gasausgabekanäle 10 derart
ausgegeben, dass ein Gas-Auflager gebildet wird und eine Kontamination
der Behandlungskammer 3 vermieden werden kann.
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In 6 und 9 ist
der zweite Gehäuseteil 2 zu
dem ersten Gehäuseteil 1 bewegt
worden, so dass der Wafer 9 das Gas-Auflager kontaktiert,
das von dem aus den Gaszuführkanälen 7 vom
zweiten Gehäuseteil 2 her
strömende
Gas gebildet wird. Dabei strömt
das Gas radial nach außen
unter dem Wafer 9 zu der ersten Nut 8, wobei das
Gas gleichzeitig über
die Gasausgabekanäle 10 ausgegeben
wird. Die Gasströme
sind derart ausgebildet, dass sie den Wafer an dem zweiten Gehäuseteil 2 innerhalb
der zweiten Grenzfläche 5 zentrieren. Der
Zentrierungsring 19 kontaktiert drei Haltevorsprünge 20,
die an dem zweiten Gehäuseteil 2 zwischen
der Behandlungsfläche 6 und
der ersten Nut 8 diametral gegenüber jeder Wafertransportvorrichtungs-Aufnahmenut 23 vorgesehen
sind.
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In 7 und 10 befinden
sich die beiden Gehäuseteile 1, 2 in
ihrer geschlossenen Position, wobei der Zentrierungsring 19 auf
den drei Haltevorsprüngen 20 sitzt.
Der Wafer 9 ist mittels des Gas-Auflagers, das den Wafer 9 berührungslos
zwischen den beiden Behandlungsflächen 6 in der Behandlungskammer 3 zentriert,
von den Haltelippen 21 wegbewegt worden. In diesem Fall
wird das Gas-Auflager durch das Gas gebildet, das der Behandlungskammer 3 aus
den Gaszuführkanälen 7 der
beiden Gehäuseteile 1, 2 zugeführt wird und
radial entlang dem Wafer 9 zu der ersten Nut 8 strömt. Der
Abstand zwischen den oberen und unteren Seiten des Wafers 9 und
den beiden Behandlungsflächen 6 ist
relativ klein. Somit ist die Wärmeübertragung durch
Leitung zwischen dem Wafer 9 und den beiden Gehäuse teilen 1, 2 relativ
hoch, so dass der Wafer 9 die Behandlungstemperatur der
beiden Gehäuseteile 1, 2 relativ
schnell übernimmt.
Diese Behandlungstemperatur ist über
die beiden Behandlungsflächen 6 der
beiden Gehäuseteile 1, 2 gleichförmig, so
dass in dem Wafer 9 kaum Temperaturgradienten in radialer
Richtung erzeugt werden.
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Die
durch Leitung erfolgende Wärmeübertragung
zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 2 und
dem Wafer 9 ist sehr gering, wenn sich die beiden Gehäuseteile 1, 2 in
der offenen Position befinden. Indem der zweite Gehäuseteil 2 relativ
schnell aus dieser Position zu dem ersten Gehäuseteil 1 bewegt wird,
kann die Wärmebehandlung
an einem Punkt gestartet werden, der präzise bestimmbar ist. Indem
anschließend
das zweite Gehäuseteil 2 wiederum
relativ schnell von dem ersten Gehäuseteil 1 weg bewegt
wird, kann die Wärmebehandlung
auch an einem Punkt gestoppt werden, der präzise bestimmbar ist. In dieser
Weise kann der Wafer 9 einer hoch gleichförmigen Wärmebehandlung
innerhalb einer Behandlungsperiode unterzogen werden, die präzise bestimmbar
ist, wobei der Wafer 9 kaum einem Temperaturgradienten
in radialer Richtung ausgesetzt ist.
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Während der
in der oben beschriebenen Weise durchgeführten Wärmebehandlung strömt Gas aus den
Gaszuführkanälen 13 in
die zweite Nut und in die Spalte 14. Dieser Gasstrom erfolgt
derart, dass er der Möglichkeit
entgegenwirkt, dass Gas aus der außerhalb der beiden Gehäuseteile 1, 2 gelegenen
Umgebung über
die Spalte 14 in die Behandlungskammer 3 diffundiert.
Das von den Gaszuführkanälen 13 her
strömende Gas
wird teilweise durch die Gasausgabekanäle 10 über die
erste Nut 8 ausgegeben und strömt teilweise durch die Spalte 14 nach
außen.
Vorzugsweise beträgt
die Gasströmungsrate
mindestens einen Zentimeter pro Sekunde. Vorzugsweise herrscht in
dem radial außerhalb
der zweiten Nut 12 angeordneten Spalt 14 eine Péclet-Zahl,
die größer als 10 ist.
Die dimensionslose Péclet-Zahl
gibt das Verhältnis
zwischen konvektivem und diffusem Transport an und ist nützlich beim
analytischen Schätzen
des Konzentrationsprofils der Diffusionskomponente. Der konvektive
Transport ist der Transport des Gases, das aus der zweiten Nut 12 durch
den Spalt 14 strömt.
Ein diffusiver Transport ist der Transport von Gas, das sich außerhalb
des Reaktors befindet und dazu tendiert, den Spalt 14 durch
Diffusion zu durchdringen. Im Fall kleiner Péclet-Zahlen dominiert der diffusive
Transport, während
bei hohen Péclet-Zahlen der konvektive
Transport dominiert. Es ist zu beachten, dass bei diesem eindimensionalen
Modell keine Geschwindigkeitsdifferenz existiert. Anders ausgedrückt ist die
Geschwindigkeit des Gases in dem Spalt 14 in dem interessierenden
Bereich konstant, und es treten beispielsweise keine Rezirkulationen
auf.
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In 11 und 12 ist
für verschiedene
Positionen der molare Anteil der "Diffundierungs"-Komponente, z.B. der Außenluft,
gegenüber
der dimensionslosen Position gezeigt. An der dimensionslosen Position 1,
die an dem radial äußeren Ende
des Spalts 14 angeordnet ist, beträgt der molare Anteil der dimensionslosen Position
Eins. An der dimensionslosen Position 0, die der Position der zweiten
Nut 12 in dem Spalt 14 entspricht, ist die Strömungskomponente
hinzugefügt.
Dazwischen ist die Konzentration durch das Verhältnis zwischen Konvektion und
Diffusion bestimmt. Bei kleinen Péclet-Zahlen ist es offensichtlich, dass die
Diffundierungskomponente in der gesamten Domäne vorhanden ist, während bei
hohen Péclet-Zahlen
die Diffundierungskomponente nur nahe dem Auslass vorhanden ist
(dimensionslose Position 1).
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Die
einzige Differenz zwischen 11 und 12 besteht
in der Skalierung der Y-Achse, die in 12 logarithmisch
ist. Diese Figur zeigt deutlich, dass die Péclet-Zahl größer als
10 sein sollte, um die Konzentration der Diffundierungskomponente
unter den PPM-Pegel zu reduzieren.
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Die
Péclet-Zahl
ist definiert als:
wobei v die Gasgeschwindigkeit
der "strömenden" Komponente in [m·s
–1],
D der Diffusionskoeffizient des Gas-Paars aus "strömender" und "diffundierender" Komponente in [m
2·s
–1]
und L der charakteristische Abstand in [m] ist, d.h. die Radiallänge des
Spalts
14. Der charakteristische Abstand ist typischerweise
der Abstand zwischen dem Einlass und dem Auslass der "strömenden" Komponente.
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Zum
Schätzen
der minimalen erforderlichen Geschwindigkeit der "strömenden" Komponente können die
folgenden Variablen verwendet werden:
Reduzierung der "diffundierenden" Komponente auf 1
ppm, Pe = 14
Reduzierung der "diffundierenden" Komponente auf 10 ppm, Pe = 11,5
Diffusionskoeffizient
für N2/H2 bei 1000°C und 1 atm:
D = 8,5·10–4 m2·s–1
Diffusionskoeffizient
für N2/H2 bei 27°C und 1 atm:
D = 7,7·10–5 m2·s–1
Diffusionskoeffizient
für N2/H2 bei 1000°C und 1 atm:
D = 2,3·10–4 m2·s–1
Diffusionskoeffizient
für N2/H2 bei 27°C und 1 atm:
D = 2,0·10–5 m2·s–1
Charakteristischer
Abstand: L ist problemabhängig.
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Beispielsweise
kann, wenn der charakteristische Abstand 0,02 m beträgt, die
Temperatur 1000°C
beträgt,
der Druck 1 atm beträgt,
Stickstoff als "strömende" Komponente verwendet
wird, um eine Kontamination von Sauerstoff durch Diffusion unterhalb
10 ppm zu vermeiden, die minimale Stickstoffgeschwindigkeit berechnet
werden gemäß:
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In ähnlicher
Weise kann die minimale Geschwindigkeit für andere Situationen berechnet
werden.
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Bei
dem Gas, das der Behandlungskammer 3 über die Gaszuführkanäle 7 zugeführt wird,
kann es sich um ein Prozessgas handeln, das mittels eines physikalischen
oder chemischen Vorgangs eine Behandlung, z.B. ein Auftragen oder Ätzen, an
den Flächen
des Wafers 9 bei der Behandlungstemperatur durchführt. Das Gas
kann ferner ein Inertgas sein, das ausschließlich dazu vorgesehen ist,
ein Gas-Auflager zwischen den Gehäuseteilen 1, 2 und
dem Wafer 9 zu erzeugen.
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In 1–10 ist
nicht gezeigt, wie die verschiedenen Gaszuführ- und -ausgabekanäle mit den Gasquellen bzw.
Ausgabevorrichtungen verbunden sind. Aus Gründen der Übersicht sind Vorkehrungen
wie z.B. die Wärmesteuerung
der beiden Gehäuseteile 1, 2,
die erforderlichen Sensoren und Steuervorrichtungen für die Temperaturen,
die Gasströmungsraten
und die Positionen der Gehäuseteile 1, 2,
und eine Steuerung für
die Mess- und Regelvorrichtungen ebenfalls nicht gezeigt.
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Somit
können
die beiden Gehäuseteile 1, 2 verschiedene
Formen haben, z.B. rund oder winklig vorgesehen sein, und sie können aus
verschiedenen Materialien wie z.B. einem Metall oder einer Legierung
bestehen.
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Ferner
können
die Formen und Positionen der ersten und zweiten Nuten 8 bzw. 12 an
der ersten und/oder zweiten Grenzfläche auf zahlreiche Arten variiert
werden. Ferner können
die Gehäuseteile 1, 2 mit zwei
oder mehr ersten konzentrischen Nuten 8 und zwei oder mehr
zweiten konzentrischen Nuten 12 versehen sein, die radial
außerhalb
der ersten Nut(en) 8 um die Behandlungskammer 3 herum
verlaufen.
