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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Behandlung von Substraten
bei Flüssiggastemperatur, wobei die Vorrichtung mit einer Prozeßkammer versehen ist,
in der ein Halter angeordnet ist, der mit einer Trägerplatte versehen ist, die eine
Oberseite hat, auf der ein Substrat plaziert werden kann, und eine Unterseite, die eine Wand
einer Kühlkammer bildet, wobei die Wand zwei Teile umfaßt, wobei der erste Teil
zentral in der Kühlkammer liegt und weiter in die Kühlkammer ragt als der zweite Teil,
wobei die Kühlkammer weiterhin mit einem Einlaß versehen ist, der eine Zufuhröffnung
umfaßt, und einem Auslaß mit einer Abfuhröffnung, durch die ein Flüssiggas in die
Kühlkammer hinein und aus ihr heraus geleitet werden kann.
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Eine Substanz, wie beispielsweise flüssige Luft oder Stickstoff, kann
durch die Kühlkammer geleitet werden, so daß ein auf dem Halter plaziertes Substrat,
beispielsweise eine Glasplatte oder eine Scheibe aus Halbleitermaterial, stark abgekühlt
wird. Das Substrat kann bei sehr niedriger Temperatur behandelt werden. Während
einer solchen Behandlung wird beispielsweise eine Materialschicht auf dem Substrat in
einem Sputterabscheidungsprozeß aufgebracht oder mit Hilfe eines Plasmaätzprozesses
eine Struktur in eine auf der Scheibe abgeschiedene Schicht geätzt. Wenn ein Substrat
sich während dieser Prozesse auf einer solchen niedriger Temperatur befindet, weisen
Sputterabscheidungsprozesse eine relativ gute Kantenbedeckung auf, und
Plasmaätzprozesse einen relativ hohen Grad an Anisotropie und Selektivität.
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Das US-Patent Nr.4.956.043 beschreibt eine Vorrichtung der eingangs
erwähnten Art, bei der die von der Unterseite der Trägerplatte gebildete Wand der
Kühlkammer gestuft ist. Ein ebener zentral horizontal gelegener Teil bildet den ersten
Teil der Wand, und ein höherer horizontaler ebener Rand bildet den zweiten Teil, der
weniger weit in die Kühlkammer hineinragt. Im Betrieb wird flüssiger Stickstoff in der
Kühlkammer auf einen solchen Pegel eingestellt, daß der erste Teil der Wand sich
ständig in dem Stickstoff befindet.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß Substrate in der bekannten
Vorrichtung nicht optimal gekühlt werden können. Wenn flüssiger Stickstoff als
Kühlflüssigkeit verwendet wird, erreichen die Substrate die Temperatur des flüssigen Stickstoffs
nicht. Dies gilt insbesondere, wenn die Substrate während der Ätz- oder
Abscheidungsprozesse von einfallenden Ionen oder anderen Teilchen erwärmt werden.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zu verschaffen, in der die Scheiben besser gekühlt werden, so daß, wenn flüssige
Luft oder Stickstoff durch die Kühlkammer geleitet werden, die Scheiben tatsächlich die
Temperatur von flüssiger Luft oder Stickstoff erreichen.
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Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung hierzu dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Teile der Wand, ohne daß es einen Schnittwinkel zwischen ihnen gibt,
fließend ineinander übergehen, wobei sich die Abfuhröffnung des Auslasses über den
gesamten zweiten Teil der Wand erstreckt, der einen um den ersten Teil verlaufenden
Rand bildet. Wenn jetzt eine Kühlflüssigkeit durch die Kühlkammer geleitet wird, kann
sie entlang der Unterseite der Trägerplatte fließen und anschließend abgeführt werden.
Die Unterseite der Trägerplatte steht dann über nahezu die gesamte Oberfläche mit der
Kühlflüssigkeit in Kontakt, so daß eine optimale Wärmeübertragung zwischen
Kühlflüssigkeit und Trägerplatte sichergestellt ist. Dies ist in der bekannten Vorrichtung, in
der die Unterseite der Trägerplatte horizontal verläuft, während der flüssige Stickstoff
zudem nicht entlang der Trägerplatte fließt, nicht immer der Fall. Daher wird häufig
eine Schicht aus gasförmigem Stickstoff zwischen dem ebenen ersten Teil der Wand und
dem flüssigen Stickstoff entwickelt, was die Kühlung behindert. Wenn in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung flüssiger Stickstoff durch die Kühlkammer geleitet
wird, erreicht die auf der Trägerplatte ruhende Scheibe nahezu die Temperatur von
flüssigem Stickstoff, auch wenn sie während der Ätz- oder Abscheidungsprozesse von
einfallenden Ionen oder anderen Teilchen erwärmt wird.
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Vorzugsweise ist die von der Unterseite der Trägerplatte gebildete
Kühlkammerwand ein Kegel mit einer Spitze, die den zentral in der Kühlkammer gelegenen
ersten Teil bildet. Eine so gebildete Wand stellt sicher, daß eine gute und homogene
Strömung der Kühlflüssigkeit entlang dieser Wand realisiert wird, und auf diese Weise
eine gute und homogene Kühlung der Trägerplatte, umso mehr, wenn die
Abfuhröffnung
des Ausasses sich über den gesamten Rand des zweiten Teils dieser Wand
erstreckt.
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Eine noch effizientere Kühlung wird erhalten, wenn die Trägerplatte mit
Kühlrippen versehen ist, die in die Kühlkammer ragen, wobei die Rippen
erfindungsgemäß mit Durchgangsöffnungen für die Kühlflüssigkeit versehen sind oder in der
Richtung vom zweiten zum ersten Teil der von der Unterseite der Trägerplatte
gebildeten Kühlkammerwand verlaufen. Auf diese Weise wird eine noch effizientere Kühlung
erhalten, während die Strömung der Kühlflüssigkeit und somit ihr Kontakt mit der
Unterseite der Trägerplatte möglichst wenig behindert wird.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Halter weiterhin mit einer
Gasleitung versehen, die zentral durch die Kühlkammer und die Trägerplatte verläuft
und die in eine Auslauföffnung an der Oberseite der Trägerplatte mündet. Ein Gas, das
für einen guten Wärmekontakt zwischen der Scheibe und der Trägerplatte sorgt, kann
durch diese Gasleitung in den zwischen einer auf der Trägerplatte plazierten Scheibe
und der Trägerplatte eingeschlossenen Raum geleitet werden. In der Praxis hat sich
gezeigt, daß ein solcher guter Wärmekontakt erhalten wird, wenn in den genannten
Raum Helium bei einem Druck von 1 bis 10 Torr geleitet wird.
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Vorzugsweise ist der Halter weiterhin mit einer doppelten Wand
ausgeführt, die einen mit einer Abpumpleitung verbundenen Raum einschließt, und ist er
weiterhin mit einer an der Oberseite in der Trägerplatte angebrachten ringförmigen Rille
versehen. Das zwischen der Scheibe und der Trägerplatte vorhandene Gas kann durch
diese doppelte Wand wieder entfernt werden. Da in dem von der doppelten Wand
umschlossenen Raum ein relativ niedriger Gasdruck herrscht, wird eine zusätzliche
Wärmeisolierung der Kühlkammer erhalten. Die Substrate können daher mit relativ wenig
Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert.
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Die einzige Figur dieser Zeichnung ist ein schematischer Querschnitt einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die einzige Figur zeigt schematisch und im Querschnitt eine Vorrichtung
für die Behandlung von Substraten, in diesem Beispiel eine Halbleiterscheibe, bei
niedrigen
Temperaturen. Diese Vorrichtung ist mit einer Prozeßkammer 1 versehen, in der
ein Halter 2 angeordnet ist. Dieser Halter 2 ist mit einer Trägerplatte 3 versehen, mit
einer Oberseite 4, auf der eine Halbleiterscheibe 5 plaziert werden kann. Die
Trägerplatte 3 hat eine Unterseite 6, die eine Wand 7 einer Kühlkammer 8 formt. Der Halter 2
ist weiterhin mit einem Einlaß 9 versehen, der eine Zufuhröffnung 10 umfaßt, und
einem Auslaß 11, 12 mit einer Abfuhröffnung 13, durch die eine Kühlflüssigkeit in die
und aus der Kühlkammer 8 gebracht werden kann.
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Es ist möglich, zum Beispiel flüssigen Stickstoff durch die Kühlkammer 8
zu leiten, wodurch eine auf dem Halter plazierte Halbleiterscheibe 5 stark abgekühlt
wird. Die Scheibe 5 kann dann bei einer sehr niedrigen Temperatur behandelt werden.
Die Figur zeigt eine Plasmaätzanlage, in der eine auf der Scheibe 5 abgeschiedene
Schicht mittels eines Plasmaätzprozesses zu einer Struktur geätzt werden kann. Die
Anlage besteht zusätzlich zu dem Halter 2 aus einer parallel zur Scheibe 5 angeordneten
ebenen Elektrode 14. Diese Elektrode 14 ist über ein Kabel 15 geerdet, während der
Halter 2 mit einer hochfrequenten Versorgungsquelle 17 durch ein Kabel 16 verbunden
ist. Mittels dieser Versorgungsquelle 17 wird zwischen der Elektrode 14 und dem
Halter 2 in einer Gasmischung ein Plasma erzeugt, wobei die Gasmischung durch eine
Gasversorgungsleitung 18 in die Reaktionskammer 1 eingebracht wird. Restgase und
gasförmige Reaktionsprodukte werden durch eine Pumpleitung 19 abgeführt.
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Der Halter 2 kann auch in einer Sputterabscheidungsanlage verwendet
werden. Eine solche Anlage ist ähnlich der gezeigten Ätzanlage, aber statt der Elektrode
14 ist in einer Sputterabscheidungsanlage ein Zerstäubungstarget gegenüber der
Trägerplatte 3 angeordnet. Auch in einer Sputterabscheidungsanlage wird zwischen der
Trägerplatte und dem Zerstäubungstarget ein Plasma erzeugt, in der Praxis normalerweise in
Argon oder einer argonhaltigen Gasmischung. In solch einer Anlage wird beispielsweise
eine Schicht des Materials wie Aluminium auf der Scheibe abgeschieden.
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Wenn eine Halbleiterscheibe sich während eines Plasmaätzprozesses oder
eines Sputterabscheidungsprozesses auf niedriger Temperatur nahe bei der des flüssigen
Stickstoffs befindet, wird der Sputterabscheidungsprozeß eine relativ gute
Kantenbedeckung aufweisen, und der Plasmaätzprozeß wird einen relativ hohen Grad an
Anisotropie und Selektivität haben.
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Ein erster Teil 23 der Wand 7 der Kühlkammer 8 ragt weiter in die
Kühlkammer
8 hinein als ein zweiter Teil 20. Erfindungsgemäß gehen der erste Teil 23 und
der zweite Teil 20 fließend ineinander über, während die Abfuhröffnung 13 des
Auslasses 11, 12 nahe dem höchstgelegenen zweiten Teil 20 liegt. Wenn eine
Kühlflüssigkeit jetzt durch die Kühlkammer 8 geleitet wird, fließt diese Flüssigkeit entlang der
Wand 7 zu dem höchsten zweiten Teil 20 davon und wird anschließend entfernt. Die
Wand 7 der Kühlkammer 8 steht daher über nahezu ihre gesamte Oberfläche ständig mit
der Kühlflüssigkeit in Kontakt, so daß eine optimale Wärmeübertragung zwischen
Kühlflüssigkeit und Trägerplatte 3 sichergestellt ist. Wenn flüssiger Stickstoff durch die
Kühlkammer geleitet wird, nimmt die auf der Trägerplatte 3 ruhende Scheibe 5 nahezu
die Temperatur von flüssigem Stickstoff an, selbst wenn diese Scheibe während der
Ätz- oder Abscheidungsprozesse von einfallenden Ionen oder anderen Teilchen stark erwärmt
wird.
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Die von der Unterseite 6 der Trägerplatte 3 gebildete Wand 7 der
Kühlkammer 8 kann verschiedene Formen haben, wobei der Teil 23 dieser Wand, der
weniger weit in die Kühlkammer hineinragt, zudem an einer beliebigen Stelle auf dieser
Wand 7 liegen kann. Es ist günstig, wenn der erste Teil 23 der Wand 7 zentral in der
Kühlkammer liegt, während der zweite Teil einen Rand 20 der Wand formt, der um den
ersten Teil herum verläuft. Die Wand kann dann aus einer Anzahl von ebenen Teilen
bestehen, die in einem abgewinkelten Rand enden, wie zum Beispiel einer Wand, die
die Form einer umgekehrten Pyramide hat. Vorzugsweise ist die Wand 7 ein Kegel mit
einer Spitze, der den zentral in der Kühlkammer gelegenen ersten Teil 23 bildet. Eine
Wand dieser Form stellt sicher, daß eine gute und homogene Strömung der
Kühlflüssigkeit entlang dieser Wand realisiert wird, und auf diese Art eine gute und homogene
Kühlung der Trägerplatte.
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Die Abfuhröffnung 13 des Auslasses 11, 12 erstreckt sich entlang des
gesamten Randes 20. Der Halter 2 ist mit einer doppelten Wand 24, 25 versehen, die
aus einer zylindrischen inneren Wand 24 und einer zylindrischen äußeren Wand 25
besteht. Der nahe der Abfuhröffnung 13 gelegene Teil des Auslasses 11, 12 wird von
einem Raum 12 gebildet, der zwischen der Wand 21 der Kühlkammer 8 und der inneren
Wand 24 des Halters 2 eingeschlossen ist.
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Die Trägerplatte 3 ist mit Kührippen 26 versehen, die in die Kühlkammer
ragen und die erfindungsgemäß mit Durchgangsöffnungen (nicht abgebildet) für die
Kühlflüssigkeit versehen sind, oder die in der Richtung vom zweiten 20 zum ersten Teil
23 der von der Unterseite 6 der Trägerplatte 3 gebildeten Kühlkammerwand 7
verlaufen. Auf diese Weise wird eine effizientere Kühlung erhalten, während die Strömung
der Kühlflüssigkeit, und damit ihr Kontakt mit der Unterseite 6 der Trägerplatte 3 so
wenig wie möglich behindert werden.
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Der erfindungsgemäße Halter 2 ist weiterhin mit einer Gasleitung 27
versehen, die zentral durch die Kühlkammer 8 und die Trägerplatte 3 verläuft und die in
eine Auslauföffnung 28 an der Oberseite 4 der Trägerplatte 3 mündet. Durch diese
Gasleitung 27 kann in den zwischen einer auf der Trägerplatte 3 plazierten Scheibe 5
und der Oberseite 4 der Trägerplatte 3 eingeschlossenen Raum ein Gas geleitet werden,
das für einen guten Wärmekontakt zwischen der Scheibe 5 und der Trägerplatte 3 sorgt.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß ein solcher guter Wärmekontakt erhalten wird, wenn
in den genannten Raum 29 Helium bei einem Druck von 1 bis 10 Torr geleitet wird.
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Die doppelte Wand 24, 25 des Halters 2 schließt einen Raum 30 ein, der
über eine Anzahl Löcher 31 mit einer an der Oberseite 4 in der Trägerplatte 3
vorhandenen ringförmigen Rille 32 verbunden ist. Der Halter ist weiterhin mit einem
doppelten Boden 33, 34 versehen, der einen Raum 35 einschließt. Der Boden 33 ist mit der
inneren Wand 24 und der Boden 34 mit der äußeren Wand 25 verbunden. Das zwischen
der Scheibe 5 und der Trägerplatte 3 eingebrachte Gas kann wieder durch den Raum 30
zwischen den doppelten Wänden 24, 25 und den Raum 35 in dem doppelten Boden 33,
34 entfernt werden, wobei diese Räume mit einer Abpumpleitung 36 in Verbindung
stehen. Da in den Räumen 30 und 35 dann ein relativ niedriger Gasdruck herrscht, wird
eine zusätzliche Wärmeisolierung der Kühlkammer 8 erhalten. Die Substrate können
daher mit relativ wenig Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
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Die Scheibe 5 wird mit einem Ring 37, der fest in der Kammer 1
angebracht ist, gegen die Oberseite 4 der Trägerplatte 3 gedrückt. Der Boden 34 des Halters
2 ist gasdicht mittels eines O-Ringes 38 mit einem an der Kammer 1 befestigten Flansch
39 verbunden. Die Gasleitungen 37 und 36 und der Ein- und Auslaß 9 und 11 für die
Kühlflüssigkeit werden gasdicht durch einen oder mehrere der Böden 22, 33 und 34
geleitet. Weiterhin können ein Heizelement und ein Thermoelement in bekannter Weise
in der Trägerplatte 3 angebracht werden, um die Scheibe kontrolliert auf eine
Temperatur oberhalb der von flüssigem Stickstoff zu bringen. Die Trägerplatte 3 ist aus einem
Material hergestellt, das Wärme gut leitet, wie beispielsweise Kupfer, während die
anderen Teile des Halters 2 beispielsweise aus Edelstahl hergestellt sind.