DE60132110T2 - Durchsatzverbesserung für einzel-wafer-reaktor - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiter-Herstellungsverfahren-Systeme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Halbleiterscheiben in einem Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor mit verbessertem Durchsatz.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Bei der Herstellung von Halbleiter-Materialien und Bauteil-Strukturen durch die Abscheidung von Dünnfilm-Materialien werden üblicherweise eine Vielzahl von Abscheidungs-Systemen verwendet. Diese Abscheidungs-Systeme schließen eine Reaktionskammer ein, in der das Halbleiterscheiben-Substrat auf eine hohe Temperatur in der Anwesenheit von Quellen-Material in der Dampfphase erhitzt wird, um den gewünschten Dünnfilm auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe abzuscheiden.
  • Epitaxiale Silizium-Filme werden typischerweise in zwei allgemeinen Arten von Reaktoren abgeschieden. Der ältere Typ ist ein Chargen-Reaktor, der viele Halbleiterscheiben gleichzeitig aufnimmt. Chargen-Reaktoren sind in ihrer Größe laufend gewachsen, angetrieben von dem Wunsch nach einem vergrößerten Durchsatz. Ein Chargen-Reaktor nach dem heutigen Stand der Technik kann 34 Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 100 mm und 18 Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 150 mm aufnehmen. Eine typische Verarbeitungszeit für einen Chargen-Reaktor umfasst mehrere Stunden; daher können Durchsätze von einigen zehn Halbleiterscheiben pro Stunde erzielt werden. Dennoch führt die große Fläche, die zur Aufnahme einer derartigen Anzahl von mehreren Halbleiterscheiben erforderlich ist (der Halbleiterscheiben-Träger oder Suszeptor hat bei einem derartig großen System einen Durchmesser in der Größenordnung von 76 cm (30 Zoll)) zu einer Gleichförmigkeit über alle Halbleiterscheiben hinweg, die zu wünschen lässt. Die Suszeptoren bei derartigen großen Systemen weisen typischerweise zwei oder mehr konzentrische Reihen von Halbleiterscheiben auf, und die Charakteristiken in jeder Reihe können erhebliche Unterschiede aufweisen. Um eine verbesserte Gleichförmigkeit zu erzielen, insbesondere bei Halbleiterscheiben mit großem Durchmesser (150 mm und mehr) wurden Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktoren entwickelt.
  • Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktoren haben eine Prozesskammer, die lediglich geringfügig größer als der Halbleiterscheiben-Durchmesser ist. Dies führt zu einer verbesserten Kontrolle der Verarbeitungsbedingungen und ergibt somit eine verbesserte Gleichförmigkeit der Dünnfilme des Produktes. Die Charakteristiken, die eine Haupt-Bedeutung bei dem hergestellten Dünnfilm haben, sind die Gleichförmigkeit der Film-Dicke und die Gleichförmigkeit des spezifischen Film-Widerstandes des epitaxialen Silizium-Dünnfilms. Die typische Verarbeitungszeit für einen Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor liegt in der Größenordnung von 10 bis 20 Minuten bei relativ dünnen Epitaxialfilmen (Dicke < 30 Mikrometer), was zu einem Durchsatz von 3 bis 6 Halbleiterscheiben pro Stunde führt.
  • Für Substrate mit großer Fläche ergeben Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktionskammern eine sehr hohe Gleichförmigkeit, Reproduzierbarkeit und Ausbeute. Mehrfach-Halbleiterscheiben-Reaktionskammern sind typischerweise nicht in der Lage, den gleichen Grad an Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit zu erzielen, und die Betriebsleistung von Mehrfach-Halbleiterscheiben-Reaktionskammern verschlechtert sich erheblich, wenn der Substrat-Durchmesser ansteigt.
  • Bei Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungs-Systemen ändert sich der Durchsatz, ausgedrückt als die Anzahl von Substraten, die pro Zeiteinheit verarbeitet werden, nicht dramatisch mit der Substrat-Fläche. Somit erfordert ein Substrat mit einem Durchmesser von 100 mm nahezu die gleiche Verarbeitungszeit, wie ein Substrat mit einem Durchmesser von 200 mm. Die verringerte Verarbeitungszeit für das kleinere Substrat in einem Einzel-Substrat-Reaktor liegt in der Größenordnung von 5 bis 15%. Im Gegensatz hierzu sind Mehrfach-Substrat-Reaktoren in der Lage, einen großen Anstieg des Durchsatzes mit abnehmender Substrat-Fläche zu erzielen. Als Erläuterung kann ein typischer Trommel-Reaktor (siehe beispielsweise US-Patent 4,099,041 vom 04. Juli 1978 auf den Namen von Berkman et al. mit dem Titel „Susceptor for Heating Semiconductor Substrates") 15 Substrate mit einem Durchmesser von 150 mm, 18 Substrate mit einem Durchmesser von 125 mm und 28 Substrate mit einem Durchmesser von 100 mm aufnehmen. Damit ergibt sich eine dramatische Verbesserung des Durchsatzes für Substrate mit kleinerem Durchmesser.
  • Als Ergebnis dieses höheren Durchsatz-Wirkungsgrades sind Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungs-Werkzeuge mit Mehrfach-Substrat-Reaktoren für Substrate mit kleinem Durchmesser kostenmäßig nicht wettbewerbsfähig. Diesem Nachteil muss jedoch die größere Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit gegenüber gestellt werden, die bei der Verarbeitung von Substraten mit kleinerem Durchmesser in Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungs-Kammern erzielbar ist. Weiterhin gibt es eine große Anzahl von installierten Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungs-Systemen.
  • Das US-Patent 5,855,681 , das am 5. Januar 1999 für Mayden et al. mit dem Titel „Ultra High Throughput Wafer Vacuum Processing System" erteilt wurde, beschreibt eine Lösung für das Problem des Erzielens eines hohen Durchsatzes an Halbleiterscheiben. Mayden beschreibt eine komplizierte Vorrichtung, die eine Vielzahl von Zweifach-Halbleiterscheiben-Verarbeitungskammern verwendet, die um ein gemeinsames Halbleiterscheiben-Handhabungssystem (Roboter) herum zusammen mit einer Ladeschleusen-Kammer zur Einführung und Entnahme von Halbleiterscheiben aus dem System angeordnet sind. Das Mayden-System ist ein integriertes selbstständiges Halbleiterscheiben-Verarbeitungssystem, das mehrfache komplexe Teilfunktionen umfasst und somit zu einer komplizierten und aufwändigen Vorrichtung wird, die entsprechend komplizierte und aufwändige Unterstützungssysteme erfordert.
  • Es besteht entsprechend ein Bedarf in der Technik an der Bereitstellung eines Dünnfilm-Abscheidungssystems für Substrate mit kleinerem Durchmesser, bei dem die Betriebs-Effizienz dadurch vergrößert wird, dass eine beträchtlich größere Anzahl von Halbleiterscheiben pro Zeiteinheit verarbeitet wird, während die wesentlichen Vorteile der Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit beibehalten werden, die für eine Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungskammer charakteristisch sind, und dies in einer relativ einfachen und wirtschaftlichen Vorrichtungs-Konfiguration.
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Reaktor-System für die epitaxiale Dünnfilm-Bildung zu schaffen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung des Durchsatzes und des Betriebs-Wirkungsgrades eines Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktors zu schaffen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einen vergrößerten Durchsatz aufweisendes Dünnfilm-Abscheidungs-Verarbeitungssystem für Halbleiterscheiben mit kleinerem Durchmesser unter Verwendung vorhandener Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktionskammern und deren zugehöriger (vorhandener) Halbleiterscheiben-Handhabungs- und Verarbeitungssysteme zu schaffen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ein einen vergrößerten Durchsatz aufweisendes Dünnfilm-Abscheidungs-Verarbeitungssystem für Halbleiterscheiben mit kleinerem Durchmesser zu schaffen, das vorhandene Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktionskammern und deren zugehörige (vorhandene) Halbleiterscheiben-Handhabungs- und Verarbeitungssysteme in einer Weise verwendet, die die Anforderungen an neue Aufwändungen zu einem Minimum macht und die Verwendung vorhandener Investitionen in Halbleiter-Verarbeitungs-Ausrüstungen zu einem Maximum macht.
  • Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vollständig aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung mehrerer Halbleiterscheiben in einem Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor mit verbessertem Durchsatz.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind daher für die Implementierung einer nachträglichen Modifikation eines vorhandenen Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktors geeignet, um dessen Durchsatz-Kapazität zu verbessern.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Halbleiter-Substrat-Verarbeitungssystem, das Folgendes umfasst:
    einen Reaktor, der eine Einzel-Substrat-Abscheidungskammer umfasst;
    einen Halbleiterscheiben-Halter, der in der Abscheidungskammer anzuordnen ist, wobei der Halbleiterscheiben-Halter eine Plattenform und n darin ausgebildete Ausnehmungen aufweist, worin n eine ganze Zahl ist, um n Halbleiterscheiben koplanar zu halten, wobei ein Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben durch den Abstand von Mitte zu Mitte zwischen Ausnehmungen bestimmt ist, die die benachbarten Halbleiterscheiben halten;
    eine Substrat-Kassette, die n Gruppen von Halbleiterscheiben darin in einer derartigen Weise hält, dass n Halbleiterscheiben, eine von jeder Gruppe, koplanar benachbart zueinander durch die Substrat-Kassette gehalten werden und einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist; und
    eine automatisierte Substrat-Transport-Anordnung, die n koplanare Transport-Stäbe aufweist, wobei koplanar zueinander benachbarte Stäbe einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist;
    wobei der Halbleiterscheiben-Halter, die Substrat-Kassette und die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung für ein gleichzeitiges koplanares Laden von n Halb-leiterscheiben von der Substrat-Kassette in die n Ausnehmungen in dem Halbleiterscheiben-Halter, für eine gleichzeitige Verarbeitung der n Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter in der Einzel-Substrat-Abscheidungskammer, und einen gleichzeitigen koplanaren Transport der n Halbleiterscheiben von dem Halbleiterscheiben-Halter konstruiert und angeordnet sind.
  • In einem weiteren Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Vergrößerung des Durchsatzes eines Halbleiter-Verarbeitungssystems, das einen Reaktor einschließt, der eine Einzel-Substrat-Abscheidungskammer umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Anordnen eines Halbleiterscheiben-Halters mit plattenförmiger Form in der Abscheidungskammer, wobei der Halbleiterscheiben-Halter n darin ausgebildete Ausnehmungen aufweist, wobei n eine ganze Zahl ist, um koplanar n Halbleiterscheiben mit einem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben zu halten, der durch den Abstand von Mitte zu Mitte zwischen Ausnehmungen bestimmt ist, die die benachbarten Halbleiterscheiben halten;
    Bereitstellen einer Substrat-Kassette, die darin angeordnete n Gruppen von Halbleiterscheiben in einer derartigen Weise aufweist, dass n Halbleiterscheiben, eine von jeder Gruppe, koplanar zueinander durch die Substrat-Kassette gehalten werden und einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist;
    Bereitstellen einer automatisierten Substrat-Transport-Anordnung, die n koplanare Transport-Stäbe aufweist, wobei koplanar zueinander benachbarte Transport-Stäbe einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist;
    Betreiben des Halbleiterscheiben-Halters, der Substrat-Kassette und der automatisierten Transport-Anordnung zum gleichzeitigen koplanaren Laden der n Halbleiterscheiben von der Substrat-Kassette in die n Ausnehmungen in dem Halbleiterscheiben-Halter, zum gleichzeitigen Verarbeiten der n Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter in der Einzel-Substrat-Abscheidungskammer, und zum gleichzeitigen koplanaren Transport der n Halbleiterscheiben von dem Halbleiterscheiben-Halter.
  • Weitere Gesichtspunkte, Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden weiter aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A (STAND DER TECHNIK) ist eine schematische Draufsicht auf einen Substrat-Halter nach dem Stand der Technik.
  • 1B ist eine schematische Draufsicht eines Substrat-Halters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1C ist eine schematische Draufsicht eines Substrat-Halters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2A (STAND DER TECHNIK) ist eine schematische Draufsicht auf eine Substrat-Kassette nach dem Stand der Technik.
  • 2B ist eine schematische Draufsicht auf eine Substrat-Kassette gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine schematische Draufsicht einer Transport-Anordnungs-Einheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN HIERVON
  • Die vorliegende Erfindung ergibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verarbeitung von zwei oder mehr Halbleiterscheiben zu einer Zeit in einem System, das ursprünglich ein Einzel-Halbleiterscheiben-Verarbeitungssystem war. Die Erfindung verwendet bei einer Ausführungsform einen Halbleiterscheiben-Träger (beispielsweise einen Suszeptor) zur Aufnahme mehrerer Substrate, eine Substrat-Kassette zur Aufbewahrung und zum Massen-Transport mehrerer Gruppen von Substraten und einen automatisierten Überführungs-Mechanismus zur Überführung von Substraten von der Substrat-Kassette zu dem Reaktor und nachfolgend (nachdem die Dünnfilm-Abscheidung in dem Reaktor abgeschlossen wurde) von dem Reaktor zu der gleichen oder einer anderen Substrat-Kassette.
  • Ein derartiger automatisierter Überführungs-Mechanismus steht vorzugsweise unter einer Computer-Steuerung und arbeitet ohne Eingriff eines Menschen.
  • Die Substrat-Kassette kann in irgendeiner geeigneten Weise konfiguriert sein, um eine Quelle für Substrate an den Reaktor bereit zu stellen, wobei sie vorzugsweise so konfiguriert ist, wie dies nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, um mehrere Gruppen der Substrate als eine Quelle für Halbleiterscheiben aufzunehmen, die aufgenommen, zu der Abscheidungskammer des Reaktors transportiert, in der Abscheidungskammer beschichtet und dann aus der Kammer des Reaktors heraus bewegt und zu der gleichen Kassette oder einer anderen Kassette oder einer anderen Aufbewahrungseinrichtung für die beschichteten Substrat-Gegenstände transportiert werden.
  • 1A zeigt eine Draufsicht eines bekannten Substrat-Halters 10, der in einem typischen Einzel-Substrat-Reaktor eingesetzt wird. Der bekannte Substrat-Halter 10 ist ein rundes, plattenförmiges Element, das aus einem geeigneten Material, wie z. B. Graphit, hergestellt ist, das geeignete Wärmebeständigkeits-Eigenschaften aufweist. Der Halter 10, wie er dargestellt ist, weist eine darin ausgebildete Ausnehmung 18 auf, die durch die Ausnehmungs-Seitenwand 20 und den Boden 22 der Ausnehmung begrenzt ist. Die Ausnehmung weist eine entsprechende Größe auf, um in dieser ein großes Substrat aufzunehmen, beispielsweise eine Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 200 mm.
  • 1B ist eine schematische Draufsicht auf einen Substrat-Halter 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Substrat-Halter 30 hat eine runde, plattenförmige Form mit einer äußeren Abmessung (Außendurchmesser), die mit einem Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor kompatibel ist und der Außenabmessung des bekannten Halters für einen derartigen Reaktor entspricht, wie er in 1A gezeigt ist.
  • Der in 1B gezeigte Halbleiterscheiben-Halter 30 weist darin ausgebildete Ausnehmungen 40, 42 auf, wobei jede der Ausnehmungen so bemessen ist, dass sie kleinere Substrate als der entsprechende Einzel-Halbleiterscheiben-Halter nach 1A aufnimmt. Beispielsweise kann der Mehrfach-Ausnehmungs-Halbleiterscheiben-Halter darin ausgebildete Ausnehmungen zur Aufnahme von Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 100 mm aufweisen.
  • 1C ist eine schematische Draufsicht auf einen Substrat-Halter 60 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der gezeigte Substrat-Halter 60 weist vier darin ausgebildete Ausnehmungen 62 auf, die jeweils einen geeigneten Durchmesser, beispielsweise 100 mm aufweisen, um eine eine entsprechende Größe aufweisende Halbleiterscheibe darin aufzunehmen. Es ist selbstverständlich zu erkennen, dass die Ausnehmung typischerweise eine geringfügig größere Abmessungs-Eigenschaft hat, als die darin aufzunehmende Halbleiterscheibe, damit sich ein geeigneter Sitz und eine einfache Einsetzbarkeit der Halbleiterscheiben in die Ausnehmung und eine Entnahme aus dieser ohne ein Klemmen ermöglicht wird.
  • Bei einer Ausführungsform ergibt die vorliegende Erfindung eine neuartige Substrat-Kassette und einen Überführungs-Mechanismus, der die gleichzeitige automatische Überführung einer Vielzahl von Substraten in eine Abscheidungskammer und aus dieser heraus ermöglicht.
  • 2A zeigt eine Kassette 100 nach dem Stand der Technik, die zur Verwendung in einem Einzel-Kammer-Reaktor geeignet ist.
  • Die Kassette 100 ist so konfiguriert, dass sie eine Vielzahl von Substraten, typischerweise 25, in Schlitzen 102 der jeweiligen einander gegenüber liegenden Seitenwände 104 und 106 aufnimmt. Die Seitenwände 104 und 106 sind an ihren jeweiligen Enden mit Endwänden 108 und 110 verbunden, um einen einen offenen Boden aufweisenden kastenförmigen Behälter zu bilden, in dem die Substrate aufbewahrt und transportiert werden.
  • 2B ist eine schematische Draufsicht einer Substrat-Kassette 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kassette 120 weist Schlitze 122 in Seitenwänden 124 und 128 und einer dazwischen liegenden Wand 126 auf, wobei alle diese Wände zueinander parallel sind und diese Wände in der gezeigten Weise durch Endwände 130, 132, 134 und 136 miteinander verbunden sind.
  • Die Kassette bildet auf diese Weise eine Struktur mit zwei Räumen, die einen ersten Raum 138 und einen zweiten Raum 140 einschließen, um die Substrate in den Schlitzen 122 aufzunehmen. Auf diese Weise wird eine erste Gruppe von Substraten in dem linken Teil der Kassette (Raum 138 gemäß der Draufsicht nach 2B) gehalten, und eine zweite Gruppe von Substraten wird in dem rechten Teil der Kassette (Raum 140) gehalten (die Substrate sind in 2B aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt).
  • 3 ist eine schematische Draufsicht einer Transport-Anordnungs-Einheit 144 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Transport-Anordnungs-Einheit 144 bei der gezeigten Ausführungsform umfasst zwei Transport-Stab-Teilbaugruppen 148 und 150, die auf einem Roboter-Arm 152 eingesetzt und mithilfe eines Prozessors (CPU) 156 automatisiert sind, der über eine Signalübertragungsleitung 154 mit dem Roboter-Arm verbunden ist.
  • Der Prozessor 156 kann durch ein Programm so angeordnet sein, dass er eine Translationsbewegung der Transport-Anordnungs-Einheit und Greif- und Freigabe-Aktionen der Stab-Teilbaugruppen 148 und 150 gemäß einem Zyklus-Zeitprogramm oder einer anderen vorgegebenen und betätigten Folge von Betriebsschritten bewirkt. Der Prozessor kann von irgendeiner geeigneten Art sein, beispielsweise ein Mikroprozessor oder eine Mikrocontroller-Einheit, oder ein Computer-Endgerät.
  • Im Betrieb wird die Substrat-Kassette in eine Ladeschleusen-Station geladen, und der Überführungs-Mechanismus (Roboter) wird durch ein Programm so angeordnet, dass er Substrate aus der Kassette entnimmt und sie in die Abscheidungskammer überführt, wobei die Substrate in den Ausnehmungen des Halbleiterscheiben-Halters abgelegt werden. Nach der Filmabscheidung innerhalb der Kammer werden die Substrate von dem Überführungs-Mechanismus zurückgeholt und entweder in die gleiche Kassette oder eine andere Kassette überführt.
  • Bei der Ausführungsform mit einer Doppel-Substrat-Anordnung gemäß 2B ist der Abstand von Mitte zu Mitte entsprechender Substrate in den jeweiligen Schalen-Abschnitten der Kassette (beispielsweise zwischen der Mitte einer Halbleiterscheibe in einem ersten Schlitz des linken Schalen-Abschnittes und der Mitte einer Halbleiterscheibe in einem ersten Schlitz in dem rechten Schalen-Abschnitt) der gleiche wie der Abstand von Mitte zu Mitte der Aufnahme-Ausnehmungen für derartige Substrate in den Substrat-Halter, und ein derartiger Abstand von Mitte zu Mitte ist ebenfalls gleich dem Abstand von Mitte zu Mitte der Transport-Stab-Elemente der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung.
  • Die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung wird in nützlicher Weise als ein Roboter-Mechanismus mit daran befestigten mehrfachen „Transport-Stab"- oder Halbleiterscheiben-Halter-Elementen verwendet. Die Halbleiterscheiben können an einem entsprechenden Transport-Stab während des Halbleiterscheiben-Transports, beispielsweise durch Vakuum, festgelegt werden, wie dies in dem US-Patent 4,775,281 mit dem Titel „Apparatus and Method for Loading and Unloading Wafers", beschrieben ist, das am 4. Oktober 1988 auf den Namen von Prentakis erteilt wurde. Alternativ können andere geeignete Befestigungseinrichtungen und/oder Verfahren für den Halbleiterscheiben-Transport verwendet werden.
  • Wenn der Mehrfach-Halbleiterscheiben-Halter, die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung, die mehrere Transport-Stäbe einschließt, und die Mehrfach-Halbleiterscheiben-Kassette der vorliegenden Erfindung betriebsmäßig miteinander verbunden sind und gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so werden kleinere Halbleiterscheiben (beispielsweise mit 100 mm) in dem Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor mit beträchtlich größerem Durchsatz verarbeitet, als dies möglich ist, wenn größere Halbleiterscheiben (beispielsweise 200 mm) in dem gleichen Reaktor verarbeitet werden. Die beträchtlichen Vorteile der Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit der Abscheidung, die sich von Haus aus in einer Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktionskammer ergeben, werden jedoch beibehalten.
  • Wie dies für den Fachmann klar ist, sind Abänderungen innerhalb des allgemeinen Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung möglich. Beispielsweise könnten zwei Halbleiterscheiben gleichzeitig in Ausnehmungen des Mehrfach-Substrat-Halters verarbeitet werden, wobei der Transport der Halbleiterscheiben in die Abscheidungskammer und aus dieser heraus durch ein bekanntes Einzel-Transport-Stab-Überführungssystem bewirkt wird, beispielsweise durch die Ausführung von zwei Bewegungsvorgängen. Bei einer derartigen Anordnung könnten die Halbleiterscheiben aus entweder einer Einzel-Halbleiterscheiben-Aufnahme-Kassette oder aus einer Doppel-Kassette der zu Erläuterungszwecken in 2B gezeigten Art entnommen und in diese abgelegt werden, indem der Transport-Mechanismus (Roboter) in geeigneter Weise programmiert wird.
  • Alternativ kann der Substrat-Halter mit drei oder mehr darin ausgebildeten Ausnehmungen für die gleichzeitige Verarbeitung von mehr als zwei Substraten konfiguriert sein. Der größte Durchsatz wird durch die Verwendung einer Mehrfach-Halbleiterscheiben-Kassette ähnlich dem in 2B gezeigten Typ und einem Mehrfach-Transport-Stab-Überführungs-Mechanismus ähnlich dem in 3 gezeigten Typ erreicht.
  • Die Verwendung eines bekannten Einzel-Transport-Stab-Überführungs-Mechanismus mit entweder einer Doppel-Kassette der in 2B gezeigten Art oder einer Einzel-Kassette nach dem Stand der Technik, wie sie in 2A gezeigt ist, liegt innerhalb des allgemeinen Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung und könnte von einem Fachmann ohne unnötige Versuche praktisch ausgeführt werden. In ähnlicher Weise könnten ein Einzel- oder Doppel-Transport-Stab-Überführungs-Mechanismus und eine Einzel- oder Doppel-Kassette für das Einsetzen und Entnehmen einer ungeradzahligen Anzahl von Substraten, die gleichzeitig verarbeitet werden, bei der allgemeinen praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Als eine weitere Variante einer Ausführungsform kann das gleiche System auf mehr als zwei Halbleiterscheiben erweitert werden, die gleichzeitig transportiert und/oder verarbeitet werden.
  • Ein doppelseitiger Transport-Stab wird bei einer Ausführungsform der Erfindung zum Laden und Entladen von Halbleiterscheiben verwendet, wobei eine Halbleiterscheibe umgekehrt auf dem Transport-Stab angeordnet ist, d. h. auf einer oberen Fläche hiervon, während eine zweite Halbleiterscheibe normal auf dem Transport-Stab auf der unteren Fläche des Stabes angeordnet ist. Der Transport-Stab ist in Axialrichtung drehbar, um eine vorher unten liegende Fläche des Stabes auf eine oben liegende Flächen-Position umzusetzen und um gleichzeitig die vorher oben liegende Fläche des Stabes umzusetzen. Eine mehrteilige Kassette könnte in einer weiteren Ausführungsform verwendet werden, um einen Stab vollständig zu ersetzen. Die Kassetten-Teile würden wie ein Stab zum Laden und Entladen von Halbleiterscheiben wirken, und ein gabelförmiges Ansatzteil auf dem Arm (der anderenfalls eine darauf befestigte Stab-Anordnung haben würde) würde die Teile der Kassette aufnehmen. Die Kassette würde sich im Ergebnis selbst in einer Ladeschleuse des Systems zerlegen und sich in der anderen Ladeschleuse wieder neu zusammenfügen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform könnte der Suszeptor oder Träger selbst in einer zyklischen Weise geladen und entladen werden. Die Verwendung von zwei oder mehr Suszeptoren, die sich durch die Abscheidungskammer drehen, würde die Anzahl von Ätz-Zeiten verringern, so dass, während ein Suszeptor geätzt wird, ein weiterer im laufenden Prozess sein könnte.
  • Die Erfindung sieht bei einer anderen Ausführungsform einen Einzel-Halbleiterscheiben-Transport in die Abscheidungskammer und aus dieser heraus vor, wobei der Wachstums-Prozess mit einem Träger oder Suszeptor durchgeführt wird, der eine Mehrzahl von Halbleiterscheiben trägt. Beispielsweise kann ein Suszeptor so konstruiert sein, dass er zwei Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 125 mm auf einem einzigen Suszeptor aufnimmt, wobei die Halbleiterscheiben jedoch in einer Serien-(Einzel-)Weise geladen und entladen werden.
  • Als ein spezielles Beispiel kann ein Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor mit einem Suszeptor modifiziert werden, der so konstruiert ist, dass er zwei Halbleiterscheiben mit 4 Zoll auf einem Suszeptor hält, der nominell ein Suszeptor für eine einzige 8-Zoll-Halbleiterscheibe ist.
  • In einem weiteren Beispiel kann ein Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor-System dadurch modifiziert werden, dass es mit einem Suszeptor versehen wird, der zur Aufnahme von fünf Halbleiterscheiben mit 10 cm (4 Zoll) konstruiert ist.
  • Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen kann das System selektiv so angeordnet werden, dass es lediglich einen Einzel-Substrat-Halter in der Ladeschleuse verwendet, um das Laden und Entladen von Halbleiterscheiben zu erleichtern.
  • Der Suszeptor-Ring kann außerdem in der praktischen Ausführung der Erfindung geändert und modifiziert werden.
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ausführlicher in dem folgenden nicht beschränkenden Beispiel gezeigt.
  • Beispiel 1
  • Eine einen vergrößerten Durchsatz aufweisende Dünnfilm-Abscheidungs-Verarbeitungs-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auf einem chemischen Silizium-Dampfabscheidungs-(CVD-)System vom Typ ASM Epsilon One, Model 2, implementiert. Ohne Modifikation kann dieser Einzel-Halbleiterscheiben-Reaktor ein Substrat zu einer Zeit verarbeiten, wobei der Durchmesser des Substrats von 100 bis 200 mm reicht.
  • Nach der Modifikation des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung wurde das System zur gleichzeitigen Verarbeitung von zwei 100 mm-Halbleiterscheiben mit einer vollständig automatisierten Substrat-Überführung betrieben.
  • Das System wurde modifiziert, um die folgenden Komponenten zu umfassen:
    • – Eine Doppel-Kassette wurde konstruiert, um doppelte Gruppen von 100 mm-Halbleiterscheiben Seite an Seite zu halten und um in eine vorhandene Ladeschleuse zu passen. • Ein Überführungs-Mechanismus wurde angepasst, um zwei Transport-Stäbe auf den Halbleiterscheiben-Überführungsarm aufzunehmen. • Ein Halbleiterscheiben-Halter wurde mit zwei darin ausgebildeten Ausnehmungen versehen, die so geformt und angeordnet sind, dass sie zwei Substrate mit 100 mm halten.
    • – Entsprechende Modifikationen wurden in den Werkzeugen und der Steuerlogik des vorhandenen Dreh- und Halbleiterscheiben-Überführungs-Teilsystems vorgenommen.
  • Es wurden mehr als 200 Doppel-Halbleiterscheiben-Überführungen ohne Betriebsprobleme durchgeführt. Die Fähigkeit, Dünnfilme auf zwei Substraten gleichzeitig in einem Einzel-Substrat-Reaktor abzuscheiden, hat effektiv den Durchsatz gegenüber der aufeinanderfolgenden Verarbeitung von Einzel-Halbleiterscheiben verdoppelt. Dies führte zu einer dramatischen Verringerung der Herstellungskosten, während die erheblichen Vorteile der Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit der Dünnfilm-Abscheidung beibehalten wurden.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf weitere Merkmale, Modifikationen und alternative Ausführungsformen und umfasst diese, wie dies für den Fachmann ohne weiteres auf der Grundlage der Beschreibung und der Erläuterungen zu erkennen ist. Die folgenden Ansprüche sollten daher so ausgelegt und interpretiert werden, dass sie alle diese Merkmale, Modifikationen und alternative Ausführungsformen in ihren Schutzumfang einschließen.

Claims (30)

  1. Verarbeitungssystem für Halbleitersubstrate, das Folgendes umfasst: einen Reaktor, der eine Einzel-Substrat-Abscheidungskammer umfasst; einen Halbleiterscheiben-Halter (30; 60), der in der Abscheidungskammer anzuordnen ist, wobei der Halbleiterscheiben-Halter eine plattenähnliche Form besitzt und n darin ausgebildete Ausnehmungen (40, 42; 62) aufweist, wobei n eine ganze Zahl ist, um n Halbleiterscheiben koplanar zu halten, mit einem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben, die durch einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den Ausnehmungen bestimmt wird, die die benachbarten Halbleiterscheiben halten; eine Substrat-Kassette (120), die darin n Gruppen von Halbleiterscheiben auf eine derartige Weise hält, dass n Halbleiterscheiben, eine von jeder Gruppe, von dieser Substrat-Kassette koplanar nebeneinander gehalten werden und einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem genannten Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist; und eine automatisierte Substrat-Transport-Anordnung (144), die n koplanare Transport-Stäbe (148, 150) umfasst, wobei koplanar nebeneinander liegende Transport-Stäbe einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem genannten Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist; wobei der Halbleiterscheiben-Halter, die Substrat-Kassette und die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung für ein gleichzeitiges koplanares Laden von n Halbleiterscheiben von der Substrat-Kassette in die n Ausnehmungen in dem Halbleiterscheiben-Halter, eine gleichzeitige Verarbeitung der n Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter in der Einzel-Substrat-Abscheidungskammer und einen gleichzeitigen koplanaren Transport der n Halbleiterscheiben aus dem Halbleiterscheiben-Halter konstruiert und angeordnet sind.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung (144) und die Substrat-Kassette (120) derart konstruiert und angeordnet sind, dass, wenn die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung in eine Aufnahme-Position gegenüber der Substrat-Kassette überführt wird, die n koplanaren Transport-Stäbe (148, 150) der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung n Halbleiterscheiben aus der Substrat-Kassette erfassen und herausziehen, wobei jeder Transport-Stab eine entsprechende Halbleiterscheibe aus einer der n Gruppen von Halbleiterscheiben in der Substrat-Kassette erfasst und herauszieht, und so dass, wenn die automatisierte Substrat-Transport-Anordnung in eine Ablageposition gegenüber der Substrat-Kassette überführt wird, die n koplanaren Transport-Stäbe n Halbleiterscheiben auf die Substrat-Kassette freigeben und ablegen, wobei jeder Transport-Stab eine entsprechende Halbleiterscheibe auf einer der n Gruppen der Halbleiterscheiben in der Substrat-Kassette freigibt und ablegt.
  3. System nach Anspruch 1, bei dem die koplanaren Transport-Stäbe (148, 150) in der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung doppelseitige koplanare Transport-Stäbe umfassen.
  4. System nach Anspruch 1, das ferner eine Ladeschleusenkammer zur Aufnahme der Substrat-Kassette umfasst.
  5. System nach Anspruch 1, bei dem n gleich 2 ist.
  6. System nach Anspruch 1, bei dem n gleich 4 ist.
  7. System nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterscheiben-Halter (30; 60) einen Durchmesser im Bereich von ca. 200 mm bis ca. 350 mm aufweist.
  8. System nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterscheiben-Halter (30; 60) einen Durchmesser im Bereich von ca. 200 mm bis ca. 300 mm aufweist.
  9. System nach Anspruch 1, bei dem jede der Ausnehmungen (40, 42; 62) des Halbleiterscheiben-Halters einen Durchmesser im Bereich von ca. 100 mm bis ca. 150 mm aufweist.
  10. System nach Anspruch 1, bei dem jede der Einbuchtungen (40, 42; 62) des Halbleiterscheibe-Halters einen Durchmesser im Bereich von ca. 100 mm bis ca. 125 mm aufweist.
  11. System nach Anspruch 1, bei dem die Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungskammer zur Verarbeitung von Einzel-Substraten mit einem Durchmesser von 200 mm bemessen ist.
  12. System nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterscheiben-Halter (30; 60) Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 100 mm hält.
  13. System nach Anspruch 1, bei dem jede der in dem Halbleiterscheiben-Halter (30; 60) gebildeten Ausnehmungen (40, 42; 62) kreisförmig ist.
  14. System nach Anspruch 1, das ferner einen Prozessor (156) für den programmierbaren Betrieb der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung nach einem Taktzeitprogramm umfasst.
  15. Verfahren zur Erhöhung des Durchsatzes eines Verarbeitungssystems für Halbleiter, das einen Reaktor einschließt, der eine Einzel-Substrat-Abscheidungskammer umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: die Positionierung eines Halbleiterscheiben-Halters mit einer plattenähnlichen Form, der n darin ausgebildete Ausnehmungen aufweist, in der Abscheidungskammer, wobei n eine ganze Zahl ist, um n Halbleiterscheiben mit einem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben koplanar zu halten, der durch einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den Ausnehmungen bestimmt ist, die die benachbarten Halbleiterscheiben halten; das Bereitstellen einer Substrat-Kassette, die darin n Gruppen von Halbleiterscheiben umfasst, derart, dass n Halbleiterscheiben, eine von jeder Gruppe, von dieser Substrat-Kassette koplanar benachbart zueinander gehalten werden und einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem genannten Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist; das Bereitstellen einer automatisierten Substrat-Transport-Anordnung, die n koplanare Transport-Stäbe umfasst, wobei koplanar zueinander benachbarte Transport-Stäbe einen Abstand von Mitte zu Mitte zwischen sich aufweisen, der gleich dem genannten Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter ist; Betreiben des Halbleiterscheiben-Halters, der Substrat-Kassette und der automatisierten Transport-Anordnung für ein gleichzeitiges koplanares Laden der n Halbleiterscheiben von der Substrat-Kassette in die n Ausnehmungen in dem Halbleiterscheiben-Halter, eine gleichzeitige Verarbeitung der n Halbleiterscheiben in dem Halbleiterscheiben-Halter in der Einzel-Substrat-Abscheidungskammer und einen gleichzeitigen koplanaren Transport der n Halbleiterscheiben aus dem Halbleiterscheiben-Halter.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner die Positionierung der Substrat-Kassette in einer Halbleiterscheiben-Aufnahme- und Halbleiterscheiben-Zuführungsbeziehung zu der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, das ferner Folgendes umfasst: die Überführung der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung in eine Aufnahme-Position gegenüber der Substrat-Kassette, so dass die n koplanaren Transport-Stäbe der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung n koplanare Halbleiterscheiben aus der Substrat-Kassette erfassen und herausziehen, wobei jeder Transport-Stab eine entsprechende Halbleiterscheibe aus einer Gruppe der Halbleiterscheiben in der Substrat-Kassette erfasst und herauszieht; die Überführung der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung in eine Ablageposition gegenüber der Abscheidungskammer; die Freigabe der n koplanaren Halbleiterscheiben von den n koplanaren Transport-Stäben der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung in entsprechende Ausnehmungen des Halbleiterscheiben-Halters in der Abscheidungskammer; die Abscheidung eines dünnen Filmmaterials auf den n Halbleiterscheiben in der Abscheidungskammer, um n beschichtete Halbleiterscheiben zu erzeugen; die Überführung der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung in eine Aufnahme-Position gegenüber der Abscheidungskammer nach dem Abschluss des Abscheidungsschritts, und das Herausziehen der n beschichteten Halbleiterscheiben aus den entsprechenden Ausnehmungen des Halbleiterscheiben-Halters; die Überführung der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung, die die n beschichteten Halbleiterscheiben trägt, in eine Ablageposition gegenüber der Substrat-Kassette oder einer zweiten Substrat-Kassette; und die Freigabe der n beschichteten Halbleiterscheibe an die Substrat-Kassette oder eine zweite Substrat-Kassette.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die koplanaren Transport-Stäbe in der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung doppelseitige koplanare Transport-Stäbe umfassen.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, das die aufeinanderfolgende Verwendung von Mehrfach-Halbleiterscheiben-Haltern unter Einschluss der Positionierung eines der Mehrfach-Halbleiterscheiben-Halter in der Abscheidungskammer zur Verarbeitung von Halbleiterscheiben auf diesem sowie der gleichzeitigen Regeneration eines anderen der Halbleiterscheiben-Halter umfasst, nachdem sich dieser in der Abscheidungskammer befunden hat.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Regeneration eine Ätzbearbeitung des anderen der Halbleiterscheiben-Halter umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem n gleich 2 ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem n gleich 4 ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Halbleiterscheiben-Halter einen Durchmesser im Bereich von ca. 200 mm bis ca. 350 mm aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Halbleiterscheiben-Halter einen Durchmesser im Bereich von ca. 200 mm bis ca. 300 mm aufweist.
  25. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem jede der Ausnehmungen des Halbleiterscheiben-Halters einen Durchmesser im Bereich von ca. 100 mm bis ca. 150 mm aufweist.
  26. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem jede der Ausnehmungen des Halbleiterscheiben-Halters einen Durchmesser im Bereich von ca. 100 mm bis ca. 125 mm aufweist.
  27. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Einzel-Halbleiterscheiben-Abscheidungskammer zur Verarbeitung von Einzel-Substraten mit einem Durchmesser von 200 mm bemessen ist.
  28. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Halbleiterscheiben-Halter Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 100 mm hält.
  29. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem jede der in dem Halbleiterscheiben-Halter gebildeten Ausnehmungen kreisförmig ist.
  30. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner einen Prozessor für den programmierbaren Betrieb der automatisierten Substrat-Transport-Anordnung nach einem Taktzeitprogramm umfasst.
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