DE69321954T2

DE69321954T2 - Methode zur behandlung von halbleiter-wafern und apparat mit kontolle des waerme- und des gasflusses

Info

Publication number: DE69321954T2
Application number: DE69321954T
Authority: DE
Inventors: Rikhit Arora; Robert Foster; Rene Leblanc; Helen Rebenne; Carl White
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1993-06-11
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2013-06-12
Also published as: CA2136863A1; US5356476A; EP0646285A1; WO1993026038A1; KR100277807B1; JP3051941B2; AU4535393A; EP0646285B1; DE69321954D1; JPH07508132A; TW310447B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft chemische Dampfbeschichtungs (CVD)-Reaktoren für die Bearbeitung von Halbleiter-Wafern und insbesondere CVD-Reaktor-Module oder zusammengesetzte Halbleiter-Wafer-Bearbeitungs-Vorrichtungen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung anwendbar auf die chemische Dampfbeschichtung zum Beschichten von Materialen wie Wolfram, Titaniumnitrid und andere Metalle und dielektrische Substanzen auf Silizium-Halbleiter-Wafer und auf andere Silizium- Verfahren, bei denen Stofftransport ein vorhandenes, aber nicht bestimmendes Charakteristikum des Verfahrens ist.
Bei der Herstellung von Halbleiter-Wafern und von anderen ähnlich hergestellten Artikeln werden Abfolgen von Verfahren, die Beschichten, Ätzen, Wärmebehandlung und Musterung einschließen, nacheinander angewandt. Die meisten dieser Verfahren beinhalten die chemische oder physikalische Addition oder Entfernung von Material, das üblicherweise als Dampf transportiert wird, zu oder von einer Oberfläche eines Substrats.
Bestimmte Beschichtungsverfahren bei solchen Abfolgen werden durch chemische Dampfbeschichtung (CVD) ausgeführt. Chemische Dampfbeschichtung (Chemical vapor deposition) wird beispielsweise bevorzugt beim Auftragen von Filmen auf unterschiedlich ausgerichtete Oberflächen von Löchern durch aufgebrachte Schichten, um beispielsweise leitende Filme zum Zwecke des Herstellens von Verbindungen durch Isolier-Schichten und dergleichen.
Das wichtigste Ergebnis von chemischen Dampfbeschichtungsverfahren zum Ausfüllen von Öffnungen oder Vertiefungen oder zum Herstellen von Verbindungen zwischen Schichten auf Halbleiter-Wafern ist regelmäßig die selektive Beschichtung oder Ablagerung des Films, d. h. die Ausbildung eines pernamenten Films nur auf ausgewählten Abschnitten der Wafer-Oberflächen. Eine direkte selektive Aufbringung solcher Beschichtungen durch chemische Dampfbeschichtung ist häufig nicht verläßlich, nicht erfolgreich oder langsam und somit nicht wünschenswert in einem kommerziellen Maßstab, wo schneller Durchsatz und ein effizienter Einsatz von teuren Maschinen bedeutsam ist. Demnach werden selektive Endprodukt-Filme häufig in einer vollständig flächendeckenden Weise aufgebracht und dann an den Bereichen, wo ein pernamenter Film unerwünscht ist, abgeätzt.
Flächendeckende, chemische Dampfbeschichtung von Materialen wie etwa Wolfram gefolgt von einem Abätzen des aufgetragenen Materials erfordert ein hohes Ausmaß an Gleichmäßigkeit in dem flächendeckenden Film, insbesondere in Bereichen des Substrats, von denen das Material geätzt werden soll. Wenn die Beschichtung ungleichmäßig in den Abätz-Bereichen ist, kann das Ätzverfahren die untenliegenden, aufgetragenen Schichten in Bereichen des Wafers beschädigen, in denen der zu ätzende, flächendeckende Film dünn ist, oder kann zu Bereichen führen, in denen ein Restfilm verbleibt. Chemische Dampfbeschichtungs (CVD)- Reaktoren aus dem Stand der Technik haben Substrate mit begrenzter Gleichmäßigkeit oder mit begrenzter Geschwindigkeit beschichtet. Dementsprechend werden gleichmäßigere Auftragungen der Filme und schnellere chemische Dampfbeschichtungs-Reaktoren insbesondere für flächendeckende Beschichtungsanwendungen von Materialen wie Wolfram benötigt.
Um Filme wie etwa Wolfram durch chemische Dampfbeschichtung auf Halbleiter- Wafer gleichmäßig aufzutragen, ist es wünschenswert, eine gleichmäßige Zufuhr von reaktiven Gasen über die Oberflächen des Wafers zu gewährleisten und verbrauchte Gase und Reaktions-Nebenprodukte von den beschichteten Oberflächen zu entfernen. In dieser Hinsicht arbeiten bekannte chemische Dampfbeschichtungs-Reaktoren mit beschränktem Erfolg. In ähnlicher Weise sind bekannte Systeme bei anderen Verfahren wie etwa physikalische und chemische Ätz- und Wärmebehandlungsverfahren einschließlich Vorheizung sowie Glühverfahren unzureichend gewesen beim gleichmäßigen in Kontakt bringen von Dämpfen mit der zu bearbeitenden Oberfläche sowie beim Entfernen derselben von dieser.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer wirksameren und gleichmäßigeren Zufuhr und Entfernung von Reaktions- und anderen Gasen zu und von den Oberflächen des zu bearbeitenden Wafers, insbesondere bei solchen, die durch chemische Dampfbeschichtungsverfahren beschichtet werden.
Eine effiziente, kommerzielle Produktion von Halbleiter-Wafern erfordert, daß die Bearbeitungsausrüstung so kontinuierlich wie möglich eingesetzt wird. Wenn sich Ablagerungen auf inneren Komponenten von Bearbeitungs-Kammern bilden, wie etwa solchen in chemischen Dampfbeschichtungs-Reaktoren, werden diese ineffizient und ihre Benutzung muß zum Reinigen unterbrochen werden. Viele bekannte Reaktoren erfordern ein Reinigen in unerwünschter Häufigkeit oder sind zu schwierig oder langsam zu reinigen, was zu langen Stillstandzeiten des Reaktors führt. Dementsprechend besteht ein anhaltender Bedarf an Bearbeitungs-Kammern, wie etwa von chemischen Dampfbeschichtungs-Reaktoren, die ein weniger häufiges Reinigen von Komponenten erfordern, die eine unerwünschte Ablagerung auf Komponenten reduzieren und die schneller gereinigt werden können.
In den Kammern von chemischen Dampfbeschichtungsreaktoren und anderen Wafer-Bearbeitungseinrichtungen des Standes der Technik hat die Turbulenz der Strömung von Reaktionsgasen die Effizienz und Gleichmäßigkeit des Beschichtungsverfahrens verringert und die Ablagerung und Wanderung von Verunreinigungen innerhalb der Reaktions-Kammer verschlimmert. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer verbesserten Gasströmung und verringerten Turbulenz bei der Gasströmung innerhalb solcher Kammern.
Chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahren, wie etwa solchen zur Auftragung von Wolfram-Beschichtungen auf Halbleiter-Wafer, werden üblicherweise in Reaktoren mit kalten Wänden ausgeführt, in denen die zu beschichtenden Wafer auf einer Aufnahme auf eine Reaktionstemperatur erwärmt werden, während andere Oberflächen des Reaktors auf Temperaturen unterhalb der Reaktionstemperatur gehalten werden, um die Ablagerung von Filmen auf diesen zu verhindern. Bei der chemischen Dampfbeschichtung von Wolfram werden beispielsweise die Reaktorwände häufig gekühlt, oft auf etwa Raumtemperatur. Alternativ können bei der chemischen Dampfbeschichtung von Titaniumnitrid (TiN) die Wände erwärmt werden auf eine Temperatur, die über der Raumtemperatur, aber die unterhalb der Temperatur des zu behandelnden Substrates liegt. In solchen Fällen steht ein Bedarf an der Ausgestaltung derartiger Wafer-Bearbeitungs-Vorrichtungen, die Komponenten aufweisen, die auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, um zu verhindern, daß Wärme zwischen dem Wafer oder der Aufnahme und anderen Komponenten der Vorrichtung strömt.
Bei chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahren mit Wolfram wird üblicherweise ein Wolfram-Hexafluorid-Gas (WF&sub6;) verwendet. Dieses WF&sub6;-Gas ist teuer, ebenso wie die bei vielen anderen Wafer-Behandlungsverfahren verwendeten Gase. Wenn der Gas-Ausnutzungsgrad gering ist, wie es bei vielen bekannten Reaktoren der Fall ist, können die Kosten für das Gas hoch sein. Bei vielen chemischen Dampfbeschichtungs-Reaktoren liegt der Ausnutzungsgrad für WF&sub6; unterhalb von 20%, und die Kosten des WF&sub6; übersteigen oft 30% der gesamten Kosten für die Ausführung des Verfahrens zum Auftragen des Wolfram-Films. Dementsprechend sind chemi sche Dampfbeschichtungs-Reaktoren, die effizienter hinsichtlich des Verbrauchs von Reaktions-Gasen wie WF&sub6; sind, erforderlich.
Chemische Dampfbeschichtungs-Verfahren können in zwei Kategorien geteilt werden, nämlich die über den Stoff- oder Massentransport gesteuert werden, und solche, die oberflächenzustands- oder temperaturgesteuert werden. Stofftransportgesteuerte Verfahren sind üblicherweise solche, die die chemische Dampfbeschichtung von Stoffen der Gruppen III-V auf Substrate beinhalten, wie beispielsweise Gallium-Arsenid-Wafer oder beim Kristallwachstum von Silizium. Derartige Verfahren werden gesteuert durch den Transport von Gasen zu und von den Wafer-Oberflächen und sind angewendet worden durch Bewegen der Wafer, die typischerweise in einer Mehrzahl an rotierenden oder auf andere Weise bewegten Aufnehmern befestigt sind, die die Substrate dazu veranlassen, um eine Achse in einem strömenden Gas zu kreisen, oder durch Anwendung anderer Techniken, um den Gasstrom über den Wafer zu verbessern und zu steuern. Typischerweise werden in einem Arrhenius-Diagramm, das ist ein Diagramm, in dem der Logarithmus der Auftrags-Rate über dem Kehrwert der Temperatur aufgetragen ist, die über den Stofftransport gesteuerten chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahren oberhalb des Knicks in der Kurve gefunden.
Über die Wafer-Temperatur oder Oberflächenzustand gesteuerten chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahren werden üblicherweise unterhalb des Knicks in der Kurve des Arrhenius-Diagramms gefunden. Diese werden bei geringeren Temperaturen und üblicherweise bei geringerem Drücken etwa zwischen 130 bis 1300 N/m² (1 bis 100 Torr) ausgeführt. Im allgemeinen werden diese bekannten Verfahren nicht als geeignet zur Verbesserung durch eine Wafer-Bewegung angesehen, es sei denn, um eine Gleichmäßigkeit bei der Temperatur oder Reaktion zu erzielen, was bei einer Bewegung mitgeringen Geschwindigkeiten unterstützt wird.
Das U. S. -Patent 4,649,859 beschreibt einen Reaktor für CVD-Prozesse ohne Substratrotation, bei denen das reaktive Gas tangential zu den Wänden der zylindrischen Kammer eingeleitet wird, um einen spiralförmigen Gasstrom zu bilden. Der Substratträger ist ein Trennpunkt für die spiralförmige Strömung, der einen Teil dieser über dem Substrat in einen nach innen gerichteten spiralförmigen Wirbel trennt. Der Träger ist ein ebener zylindrischer Block, der anscheinend nicht beheizt ist.
Es ist in erster Linie die Aufgabe der Erfindung, eine effiziente und produktive Vorrichtung für die Dünnschicht-Bearbeitung von Produkten wie Halbleiter-Wafern bereitzustellen. Es ist eine spezieller Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Vorrichtung bereitzustellen, die in erster Linie nützlich ist bei der chemischen Dampfbeschichtung von Filmen auf Halbleiter-Wafer, beispielsweise die flächendeckende oder selektive Beschichtung von beispielsweise Wolfram-Titaniumnitrid oder ähnliche Materialen, die durch chemische Dampfbeschichtungs- Verfahren auf Silizium-Halbleiter-Wafer aufgetragen werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Bearbeitungs-Vorrichtung bereitzustellen, beispielsweise eine chemische Dampfbeschichtungs-Vorrichtung zum gleichmäßigen Auftragen eines Films auf Halbleiter-Wafer, beispielsweise zum Aufbringen flächendeckender Filme aus Wolfram, anderem Metall und dielektrischem Material durch chemische Dampfbeschichtungs-Verfahren und andere Silizium-Verfahren, die in erster Linie oberflächentemperaturgesteuert und -abhängig sind, d. h. wirksam sind beim Verbessern der Mengenrate und Qualität der Wafer-Beschichtung oder einer sonstigen zu bearbeiteten Oberfläche, die entweder eben, oder was bedeutsamer ist, uneben ist oder mit einem Muster versehen sein kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bearbeitungs-Vorrichtung mit einer abgedichteten Kammer bereitzustellen, wie etwa einen chemischen Kaltwand-Dampfbeschichtungs-Reaktor, der einen minimalen Wärmestrom von dem beheizten Wafer oder einer Aufnahme zu anderen Komponenten der Vorrichtung, die kälter bleiben sollten, aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bearbeitungs-Vorrichtung bereitzustellen, die eine geringere Stillstandszeit für eine Reinigung erfordert einen Widerstand gegen einen Aufbau von unerwünschten Ablagerungen im Innern und gegen eine dort auftretende Ausbreitung von Verunreinigungen aufweist und die effizient gereinigt werden kann.
Es ist eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gleichmäßigkeit des Auftrags der Beschichtung mit einer chemischen Dampfbeschichtungs-Bearbeitungs-Vorrichtung zu verbessern, um saubere, innere Oberflächen aufrechtzuerhalten und um den beheizten Wafer oder die Aufnahme thermisch zu isolieren durch Verringerung der turbulenten Strömung von Gasen innerhalb des Reaktors.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung beinhalten die Bereitstellung einer Inertgas-Strömung innerhalb des Reaktors, um das Halten des Wafers an der Aufnahme zu vereinfachen, um die Wärmeleitung zwischen dem Wafer und der Aufnahme zu verbessern, um innere Komponenten des Reaktors vor unerwünschten Ablagerungen und Verunreinigungen zu schützen und um die nicht-turbulente Strömung von Reaktions-Gasen durch den Reaktor zu unterstützen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen chemischen Dampfbeschichtungsreaktor bereitzustellen, derWaferverschiedener Größen auf einfache Weise für eine Beschichtung aufnimmt und in dem verschiedene Beschichtungsverfahren ausgeführt werden können.
Es ist eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bearbeitungseinheit und ein Modul für eine zusammengesetzte Wafer-Bearbeitungseinrichtung oder eine alleinstehenden Bearbeitungseinheit bereitzustellen, die eine einzelne Wafer-Dreh- Aufnahme verwendet, insbesondere eine solche für die chemische Dampfbeschichtung von Filmen wie etwa flächendeckende Filme aus Materialen wie Wolfram, Titaniumnitrid oder anderen derartigen Filmen, die für derartige Verfahren geeignet sind, und alternativ für die selektive Beschichtung derartiger Materialen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten von Halbleiter-Wafern ist versehen mit einem abgedichteten Behälter, der einen Innenraum einschließt und Absaug-Mittel aufweist, die mit einem Ende des Innenraums zum Aufrechterhalten eines Vakuum-Druckniveaus in dem Innenraum verbunden sind, einer Aufnahme, die an einer Achse in einem Bearbeitungs-Raum in dem Innenraum des Behälters gehalten ist und eine Wafer-Halte-Fläche aufweist, die senkrecht zu der Achse angeordnet ist, Gas-Einleitungs-Mitteln, die an einem Ende des Innenraums gegenüber der Aufnahme und den Absaug-Mitteln angeordnet sind, Mitteln zum Zuführen mindestens eines Prozeß-Gases zu den Gas-Einleitungs-Mitteln, wobei die Einleitungs-Mittel beabstandet von der Wafer-Halte-Fläche und im wesentlichen zentriert zu der Achse angeordnet sind zum Leiten eines Stroms von Prozeß-Gas in den Bearbeitungs-Raum parallel zu der Achse in Richtung auf und senkrecht zu der Wafer-Halte-Fläche der Aufnahme, und mit von der Aufnahme getragenen Mitteln zum Halten des Wafers zur Bearbeitung an der Bearbeitungs-Fläche, wobei eine zu beschichtende Oberfläche desselben an dieser zentriert ist und den Einleitungs- Mitteln gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die gleichmäßig um die Achse verteilt sind zum Leiten des Gases in einer gleichmäßigen, nicht turbulenten Strömung von den Einleitungs-Mitteln über den Wafer und der Aufnahme zu den Absaug-Mitteln, wobei die Leit-Mittel eine ringförmige Lippe an der Aufnahme aufweisen, die die Wafer-Halte-Fläche umgibt und eine innere Öffnung aufweist, die so bemessen ist, daß sie dicht beabstandet zu einem kreisförmigen äußeren Rand eines an der Wafer-Halte-Fläche gehaltenen Wafers ist, wobei die Lippe äußere Oberflächen-Mittel aufweist, die fluchtend zu der Oberfläche des Wafers angeordnet sind zum Reduzieren der Turbulenz und von radialen thermischen Gradienten an dem Wafer nahe dessen Rand.
Entsprechend den Prinzipien der Erfindung ist ein chemische Dampfbeschichtungs- Bearbeitungs-Vorrichtung bereitgestellt mit einem Reaktor, der eine einzige Wafer- Dreh-Aufnahme aufweist, an der ein Wafer mit einer Bearbeitungs- oder Prozeßtemperatur gehalten wird, und der eine Reaktor-Wand aufweist, die auf einer unterschiedlichen Temperatur gehalten wird. In Reaktoren für die Auftragung von Filmen aus etwa Wolfram werden die Wände auf etwa Raumtemperatur gekühlt, während in den Reaktoren zur Auftragung von Titaniumnitrid-Filmen die Wände über Raumtemperatur erwärmt werden, aber unterhalb der opitmalen Bearbeitungstemperatur der Aufnahme.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein chemisches Dampfbeschichtungs-Modul für eine zusammengesetzte Wafer-Bearbeitungs- Einrichtung bereit mit einer rotierenden Wafer-Halte-Aufnahme, die um eine vertikale Achse rotiert, vorzugsweise nach oben weist und eine Strömung von Reaktionsgas aufweist, die von einem Duschkopf vorzugsweise nach unten in Richtung auf den und rechtwinklig zu dem Wafer gerichtet ist, wobei die Aufnahme ausreichend schnell rotiert, um eine dünne Grenzschicht oberhalb der Wafer-Oberfläche auszubilden, durch die Gase, die mit der Wafer-Oberfläche zusammenwirken, diffundieren. In dem chemischen Dampfbeschichtungs-Reaktor fließen die Reaktions-Gase von einem Staupunkt im Zentrum des Wafers an der Drehachse radial nach außen.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Gase veranlaßt, mit minimaler Turbulenz von einem nach unten weisenden Duschkopf im Kopf der Kammer nach unten gegen die nach oben weisende Wafer-Oberfläche, nach außen über die Wafer-Oberfläche, über einen den Wafer umschließenden Ring oder Lippe, nach unten entlang der Seitenwand der Aufnahme, durch ringförmige Öffnungen, die durch Leitelemente gebildet sind, und dann heraus durch einen einzelnen Vakuum-Ablaß-Anschluß in dem Ende oder im unteren Bereich der Kammer gegenüber den Duschkopf zu strömen. Bei chemischen Dampfbeschichtungs-Anwendungen sind Plasma-Reinigungs-Elektroden vorgesehen und kombiniert mit einer Struktur, die geformt ist, um eine nicht-turbulente Gasströmung zu erleichtern. Die Wände der Aufnahme weisen eine Oberflächenbeschaffenheit und Querschnitte auf, die die Strömung von Wärme von den erwärmten Komponenten zu gekühlten Komponenten des Reaktors verringern.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein Inertgas an Orten um den Wafer, den Wafer-Halter und die Aufnahme und rotierende Struktur eingeführt, um eine Verunreinigung durch Partikel und Reaktionsgas zu vermeiden und eine gleichmäßige Strömung der Gase durch die Kammer über Verbindungselemente der Aufnahme-Komponenten zu erleichtern. In anderen Ausführungsformen wird Inertgas zum Halten des Wafers durch ein relatives Vakuum zu der Aufnahme verwendet, und um eine Wärmeleitung zwischen der Aufnahme und dem Wafer zu verbessern. In Ausführungsformen, in denen Inertgas an dem Rand des Wafers eingeführt wird zum Vakuum-Klemmen des Wafers an die Aufnahme, werden die Inertgase durch separate Zuführungen eingeführt, wobei das Rand-Gas auf dem Druck der Bearbeitungs-Kammer oder etwas darüber liegt, und das Vakuum-Klemm- Gas mit einem geringeren Druck eingeführt wird.
Gemäß der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein chemischer Dampfbeschichtungs-Reaktor bereitgestellt mit einer nach oben weisenden Dreh-Aufnahme, die unterhalb eines horizontal angeordneten, nach unten gerichteten Reaktionsgas-Verteilungs-Duschkopfes beabstandet ist, der eine Gas-Misch-Kammer von einer Reaktions-Kammer trennt, die die Aufnahme umschließt. Die Misch-Kammer, die am Kopf der Reaktions-Kammer angeordnet ist, wird zusammen mit den Wänden der Reaktions-Kammer auf einer verhältnismäßig geringen Temperatur unterhalb der Reaktionstemperatur gehalten. Bei Wolfram- Beschichtungs-Anwendungen werden die Misch-Kammer und die Reaktions-Kammer-Wände entweder mit Ethylen-Glykol, Wasser oder einigen anderen geeigneten Fluiden auf etwa Raumtemperatur gekühlt, während bei Titaniumnitrid-Beschichtungs-Anwendungen diese auf eine Temperatur zwischen Raumtemperatur und der Reaktionstemperatur der Aufnahme erwärmt werden.
Während einer Beschichtungs-Reaktion wird die Aufnahme rotiert. Bei 150 mm Wafern in einem Wolfram-Beschichtungsverfahren mit Reaktionsdrücken von etwa 6.5 KN/m² (50 Torr) wird die Aufnahme mit mindestens 200 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise mit nicht mehr als 2000 Umdrehungen pro Minute und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 500 bis 1.500 Umdrehungen pro Minute rotiert. Die Rotation führt zu einem Staupunkt im Zentrum des Wafers und minimiert die Dicke der Grenzschicht unmittelbar über der Oberfläche des Wafers und ermöglicht dem Prozeßgas, den Wafer schneller zu erreichen und den Nebenprodukten des Verfahrens von der oberen Oberfläche des Wafers zu entweichen. Diese Merkmale bringen Vorteile nicht nur für Beschichtungsverfahren wie die chemische Dampfbeschichtung, sondern auch in Ätzverfahren und anderen Verfahren, in denen Gase wirksam in Kontakt mit der Wafer-Oberfläche gebracht werden oder wirksam von der Oberfläche entfernt werden wie beispielsweise bei Glüh- und Entgasungsverfahren oder anderen Behandlungsverfahren.
In der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform wird die Aufnahme auf etwa 400-550ºCelsius bevorzugt auf 450ºCelsius beheizt, und Wärme von der beheizten Aufnahme wird daran gehindert, die rotierbare Welle wesentlich zu erwärmen, an der die Aufnahme mittels ihrer Befestigung und ihre Konstruktion gehalten wird. Hoch reflektierende Oberflächen an allen Elementen im Innern der drehbaren Aufnahme minimieren eine Wärmeübertragung zwischen dem beheizten Wafer-Halter der Aufnahme und der Antriebsanordnung. Zusätzlich ist eine matte Oberflächenbeschaffenheit außen an der rotierenden Aufnahme vorgesehen, um eine Abstrahlung von Wärme von der Aufnahme in Richtung auf die Kammer- Wände, in Bereichen, wo diese gekühlt sind, zu maximieren, und um eine Absorbtion von Wärme von den Kammer-Wänden, in Bereichen, in denen die Kammer- Wände erwärmt werden, zu minimieren. Extrem dünne Aufnahme-Wände minimieren weiter eine Wärmeübertragung zwischen dem beheizten Wafer-Halter und der Antriebsanordnung.
Die Kammer-Wände sind ferner thermisch von der Antriebsanordnung isoliert. Eine Aufnahme-Montierscheibe verbindet einen ringförmigen Flansch an der Aufnahme- Basis mit der Oberseite der Antriebswelle der Aufnahme und ist mit einer vorstehenden Halte-Struktur vorgesehen, um eine minimale Kontaktfläche aufzuweisen, die als thermische Barriere wirkt, um eine Wärmeübertragung zwischen dem beheizten Wafer-Hatter und der Antriebsanordnung weiter zu reduzieren.
Das Reaktions-Gas wird dazu gebracht, von dem Duschkopf mit minimaler Turbulenz nach unten in Richtung auf einen einzigen Vakuum-Auslaß im Boden der Reaktions-Kammer zu strömen. Mehrere Leitelemente im Bodenbereich der Kammer umschließen die Aufnahme-Welle und stellen ringförmige Gasströmungs-Öffnungen um die Achse bereit, um eine zunehmend sich verringernde Querschnittsfläche für die Gasströmung bereitzustellen und somit einen Druckgradienten bereitzustellen, der ein gleichmäßiges Absaugen von Gas durch einen einzigen Anschluß in den Kammer-Boden erleichtert, ohne Turbulenz in der Kammer zu erzeugen. Die äußere Form oder Umhüllung der rotierenden Aufnahme ist leicht konturiert, um zusätzliche Turbulenz zu minimieren. Eine ringförmige Lippe ist um den Wafer an der oberen Oberfläche des beheizten Wafer-Halters angeordnet und ist dicht beabstandet an dem kreisförmigen Rand des Wafers und fluchtet mit dessen oberer Oberfläche, um Turbulenz weiter zu minimieren und um auch radiale thermische Gradienten in dem Randbereich des Wafers zu eleminieren. Die den Wafer umschließende Lippe ist ein separates, ringförmiges Element, das einfach entfernt und ersetzt werden kann durch ein anderes, das einen unterschiedlichen inneren Durchmesser aufweist, um mit Wafern unterschiedlicher Größen zusammenzupassen. Abgerundete Ecken an dem oberen, ringförmigen Rand des ringförmigen Lippenelements minimieren weiter Turbulenz. Dieses Lippenelement hat eine im wesentlichen nach oben weisende, ringförmige Oberfläche, um als ein Reinigungsmittel für nicht genutztes Wolfram-Hexaflorid-Gas oder anderes Reaktions-Gas zu dienen, wodurch die Menge von Reaktionsgas minimiert wird, die von der Absaugung entfernt werden muß.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Paar von ringförmigen Elektroden vorgesehen zum Plasma-Reinigen des Reaktors, wobei eine am Kopf der Kammer und eine am Boden der Kammer angeordnet ist. Jede dieser Elektroden ist mit Öffnungen versehen zum Einbringen von NF&sub3;-Gas in die Kammer im Fall der Wolfram-Beschichtung oder von anderen Reinigungsgasen, die für das Verfahren geeignet sind. Die Öffnungen sind in kreisförmigen Feldern auf den oberen und unteren Elektroden angeordnet, um ein Plasma-Reinigen der inneren Komponenten der Kammer zu erleichtern. Die obere Elektrode hat eine konische innere Oberfläche mit einer Anwinklung von dem Durchmesser des Duschkopfes in Richtung auf die Reaktions-Kammer-Wand, die ihrerseits zu der Minimierung der Turbulenz beiträgt. Die untere Elektrode ist in das oberste Leitelement eingearbeitet.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind Stickstoff-Gas-Durchlässe oder Kanäle über und unter einem Vakuum-Kanal angeordnet, wobei alle Durchlässe die Antriebswelle im Boden der Kammer umgeben, eine Reaktions-Gas- und Partikel-Verunreinigung der Lager und sonstiger Struktur und zum Halten und Bewegen der Welle reduzieren. Dieses Merkmal ist bevorzugt, wo es wünschenswert ist, die wartungsfreie Zeit der Lager auszudehnen und die Zeit zwischen Wartungen zu erhöhen.
In Ausführungsformen, bei denen ein Vakuum-Halten des Wafers an der Aufnahme eingesetzt wird, sind Helium-Leckage-Pfade um die Wafer-Hebe-Stifte auf der Oberfläche der Aufnahme vorgesehen, was einen Vakuum-Griff des Wafers erleichtert, wenn der Druck in dem Innenraum der rotierenden Aufnahme unterhalb des Drucks der chemischen Dampfbeschichtungs-Kammer gehalten wird. Außerdem sorgt gasförmiges Helium unter dem Wafer zwischen der Rückseite des Wafers und der oberen Oberfläche des beheizten Wafer-Halters für eine Wärmeübertragung zwischen der Rückseite des Wafers und dem Wafer-Halter mittels Wärmeleitung in der Gasphase, es sei denn, dessen Druck ist zu gering.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist höchst vorteilhaft für flächendeckende chemische Dampfbeschichtung von Wolfram bei Drücken von 1.3 - 130 KN/m² (10-100 Torr) und bei Wafer-Temperaturen von 425º-525ºCelsius. Das Verfahren wird vorzugsweise ausgeführt mit dem Verfahrensschritt der Kristallisationskeimbildung, bei dem WF&sub6; mit Silan reduziert wird, gefolgt durch den Beschichtungs-Verfahrensschritt, bei dem WF&sub6; mit Wasserstoff reduziert wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Reaktor in vorteilhafterweise für die selektive Beschichtung von Wolfram verwendet werden in der Absicht, Kontaktstellen zu beschichten und Vertiefungen zu füllen. Bei dieser Ausführungsform sind die den Wafer berührenden Oberflächen der Aufnahme, insbesondere die den Rand des Wafers umgebende Lippe und die obere Halte-Fläche, auf der der Wafer ruht, sowie die freiliegenden Schrauben und diese befestigenden Einrichtungen und die diese berührenden Ringdichtungen aus einem Material ausgebildet, auf dem Wolfram entweder nicht kristallisiert oder nur in einer unakzeptabel langen Kristallisationszeit kristallisiert. Derartige Materialen enthalten Aluminiumoxid, Boronnitrid, Polymid und andere Quarzformen. Darüber hinaus sind der Lippenring und die obere Halte-Fläche der Aufnahme abnehmbar und austauschbar, und die Aufnahme kann zwischen nicht-selektiven Anwendungen umgesetzt werden.
Bei diesen selektiven Wolfram-Beschichtungs-Anwendungen wird das Verfahren vorzugsweise bei Drücken zwischen 13-1300 N/m² (0.1-10.0 Torr) und bei Temperaturen zwischen 250º-400ºCelsius ausgeführt. Bei diesem geringen Drücken kann der Wafer an der Aufnahme durch elektrostatisches Klemmen besser gehalten werden als mittels eines Vakuums hinter dem Wafer.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung löst die oben ausgeführten Aufgaben und die Probleme des Standes der Technik. Bei flächendeckenden Wolfram-Beschichtungs-Verfahren kann ein Verbrauch von 50% WF&sub6; verwirklicht werden, und es können Beschichtungsraten erzielt werden, die um ein Vielfaches höher sind, als auf herkömmliche Weise erzielt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist insbesonders vorteilhaft beim Verbessern der Geschwindigkeit der Auftragung, der Qualität und Gleichmäßigkeit von durch chemische Dampfbeschichtung aufgebrachte Filme auf Silizium-Wafer bei Wafer-Temperatur-gesteuerten Verfahren und bei anderen Temperatur-gesteuerten Silizium- Bearbeitungs-Verfahren wie beim Glühen. Viele Merkmale der vorliegenden Erfindung sind vorteilhaft bei der chemischen Dampfbeschichtung von flächendeckendem Wolfram, selektivem Wolfram und Titaniumnitrid auf Silizium-Halbleiter-Wafer und bei chemischen Dampfbeschichtungen von anderen Materialen wie etwa Wolfram-Silizid, Tantal-Oxid Aluminium und Kupfer sowie Oxide wie SiO&sub2;.
Viele Merkmale der vorliegenden Erfindung sind nützlich bei Bearbeitungs-Vorrichtungen, die keine rotierende Aufnahme enthalten. Die Merkmale der Plasma- Reinigung der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile, wenn sie verwendet wird bei diskutierten Anwendungen der Halbleiter-Wafer-Bearbeitung und bei anderen Anwendungen, bei denen sich Ablagerungen und Verunreinigungen tendenziell bilden. Zusätzlich haben die Merkmaie, die die Wärme an der Aufnahme halten und die die Strömung von Gasen in dem Reaktor auf eine gleichmäßige und nichtturbulente Weise fördern, einen breiten Nutzen bei der Bearbeitung von Halbleiter- Wafern.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnugen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines chemischen Dampfbeschichtungs (CVD)- Moduls für eine zusammengesetzte Einrichtung zur Wafer-Bearbeitung, die die erfindungsgemäßen Prinzipien verkörpert;
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines chemischen Dampfbeschichtungs-Reaktors des Moduls aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung eines unteren Teils des Reaktors aus Fig. 2, der die Aufnahme-Rotation und den Wafer-Hebe- Abschnitt zeigt;
Fig. 3A eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 3A-3A aus Fig. 3;
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung eines unteren Teils des Reaktors aus Fig. 2, der den Bearbeitungs-Kammer-Abschnitt zeigt;
Fig. 4A eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 4A-4A aus Fig. 4;
Fig. 4B eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 4B-4B aus Fig. 4;
Fig. 4C eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 4C-4C aus Fig. 4;
Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eine Teils der Kammer aus Fig. 4, die die Struktur im Zusammenhang mit der Aufnahme-Antriebswelle in der Nähe der Basis des Gehäuses der Reaktions-Kammer in einer alternativen Ausführungsform zeigt;
Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung der Aufnahme innerhalb der Reaktions-Kammer aus Fig. 4;
Fig. 6A eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 6A-6A aus Fig. 6;
Fig. 6B eine vergrößerte, der Fig. 6 ähnliche Querschnittsdarstellung der Aufnahme einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere geeignet ist für flächendeckende Wolfram-Beschichtungs-Verfahren;
Fig. 6C eine vergrößerte, der Fig. 6 ähnliche Querschnittsdarstellung der Aufnahme einer alternativen Ausführungsform aus Fig. 68;
Fig. 7 eine Draufsicht auf die Aufnahme aus Fig. 6B mit entferntem Wafer;
Fig. 8 eine Draufsicht auf die Aufnahme aus Fig. 6C mit entferntem Wafer.
Fig. 1 zeigt ein chemisches Dampfbeschichtungs-Modul 10 für eine zusammengesetzte Wafer-Bearbeitungs-Einrichtung, in der die Merkmaie der vorliegenden Erfindung verkörpert sind. Das Modul 10 enthält einen Rahmen 11 auf einer mit Rollen versehenen Basis 12, die einen an dieser angebrachten Satz von einstellbaren Füßen 13 zum Ausrichten des Moduls 10 und Verankern des Moduls 10 an einem Boden aufweist. Das Modul 10 enthält einen Schaltschrank 14, der an dem Rahmen 11 befestigt ist und Strömungsregler aufweist mit Anschlüssen für Eingangsleitungen zum Zuführen von Reaktions-Gasen zu einem chemischen Dampfbeschichtungs (CVD)-Reaktor 15, der auch an dem Rahmen 11 befestigt ist. Der Schaltschrank 14 weist weitere, zu ihm gehörende Teile des Reaktorversorgungssystems auf, die nicht dargestellt sind, einschließlich Fluidleitungen, Ventile, Pumpen, Regler, zugehörige Hardware für den Betrieb des Reaktors 15 einschließlich Zuführeinrichtungen und Anschlüsse für Zuführeinrichtungen der verschiedenen Reaktions-Gase, Inertgase, Spül- und Reinigungsgase und Kühlfluide für den Reaktor 15.
Die Reaktions-Gase für das chemischen Dampfbeschichtungs-Haupt-Verfahren, welches in dem Reaktor 15 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden soll, sind Gase, die für ein flächendeckendes Wolfram-Beschichtungs-Verfahren für Silizium-Halbleiter-Wafer verwendet werden und über Leitungen 16, von denen vier gezeigt sind, zugeführt werden, die zwischen den Schaltschrank 14 und den Reaktor 15 geschaltet sind. Diese Gase enthalten beispielsweise Wolfram-Hexafluorid (WF&sub6;), Wasserstoff (H&sub2;), und Silan (SiH&sub4;). Der Reaktor ist außerdem verwendbar für Titaniumnitrid-Filme und für viele andere Filme, die mittels eines chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahrens aufgebracht werden können. Außerdem kann durch eine der Leitungen 16 Inertgas wie Argon zugeführt werden. Zusätzlich wird Reaktions-Gas zum Plasma-Reinigen der Kammer 15 wie etwa Stickstoff-Trifiuorid (NF3)-Gas durch eine Gaseinlaßleitung 17 zugeführt, die zwischen den Schaltschrank 14 und den Reaktor geschaltet ist. Das Modul 10 weist ferner eine oder mehrere Vakuum-Pumpen 18 und überlicherweise eine Niedrig-Vakuumpumpe für große Volumina und Hoch-Vakuumpumpe für geringe Volumina zum Evakurieren des Reaktors 15, zum Aufrechterhalten eines Vakuums innerhalb des Reaktors 15 auf ein an erforderlichen Betriebsdruckniveau und zum Absaugen ungenutzter Reaktions-Gase, Reaktions-Nebenprodukte, Reinigungs-Gase und Inertgase, die durch den Reaktor strömen, auf. Ein Restgas-Analyseanschluß 19 zum Überwachen der Bestandteile des Gases ist vorgesehen.
Der Reaktor 15 weist eine rotierbare Aufnahme und einen Wafer-Hebe-Mechanismus 20 auf, der sich vom Boden des Reaktors erstreckt. Die Haupt-Evakuierung des Reaktors 15 wird durch eine Absaug-Ausgangsleitung 21 vorgenommen, die den Reaktor 15 und die Vakuumpumpen oder Pumpenanordnung 18 verbindet, während eine oder mehrere Absaug-Ausgangsleitungen 22 vorgesehen sind, die den Mechanismus 20 und die Pumpenanordnung 18 verbinden. Ein kombinierter, oberer, elektrischer Elektroden-Anschluß bzw. ein Kühlfluid-Verteilungs-Verbindungselement 23 sowie ein kombinierter unterer, elektrischer Elektroden-Anschluß bzw. Reinigungsgas-Verbindungselement 24 sind zwischen den Reaktor 15 und die Unterstützungssysteme in der Nähe des Schaltschranks 14 geschaltet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist der CVD-Reaktor 15 eine in diesem abgedichtete Reaktions-Kammer 25 auf, die in einem Gehäuse 26 eingeschlossen ist, mittels dessen der Reaktor 15 über Gummivibrationsabsorbtions-Puffer 29 an dem Rahmen 1 l befestigt ist und von dessen Boden der Mechanismus 20 getragen wird. Das Gehäuse 26 ist vorzugsweise aus Aluminium mit einem hochpolierten Innern hergestellt und ist mit einer unabhängigen Temperaturregelung zum Beheizen und Kühlen der Reaktorwand versehen, um bereitzustellen, was manchmal allgemein als Kaltwand-Reaktor bezeichnet wird und unterscheidbar ist von einem ofenartigen Reaktor, in dem die Aufnahme beheizt wird durch Strahlungswärme von einer beheizten Reaktorwand. Das Gehäuse 26 ist vorzugsweise fluidgekühlt mittels eines geeigneten Fluids wie etwa Ethylen-Glykol oder Wasser. Zusätzlich sind Widerstands-Heizelemente (nicht dargestellt) in dem Gehäuse 26 vorgesehen, so daß das Gehäuse beheizt werden kann, oder alternativ oder zusätzlich können stabartige Heizelemente in der Kammer an verschiedenen Orten vorgesehen sein. Ein oder mehrere der Heiz- oder Kühlmerkmale können in der gleichen Struktur verwendet werden in Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendungen. Das Beheizen und Kühlen der Reaktorwand kann zonenkontrolliert sein, und es kann gleichzeitig die Heiz- und Kühlfunktion aktiviert sein für eine unmittelbarere Temperaturregelung und Gleichmäßigkeit.
Das Gehäuse 26 hat an dessen Kopf eine Kammer-Abdeckung 27, vorzugsweise aus Aluminium, die die Reaktions-Kammer umschließt. Die Abdeckung 27 ist pneumatisch gegenüber dem Kopf des Gehäuses 26 oder gegebenenfalls gegenüber Abstandshalter 199 abgedichtet, und kann pneumatisch an diesem gehalten sein oder kann mechanisch durch Schrauben 28 oder Klemmen an diesem befestigt sein. In Fig. 2 sind die Schrauben 28 gezeigt, die die Abstandshalter 199 an dem Kopf des Gehäuses 26 befestigen. Die Abdeckung 27 weist eine Reaktionsgas- Mischkammer 30 auf, die von einer ringförmigen Mischkammer-Wand 31 umgeben ist, die einstückig mit der Kammer-Abdeckung 27 aus Aluminium oder aus einem separaten Material wie bearbeitbarer Keramik oder separatem Aluminium oder einem anderen Metallstück ausgebildet sein kann und an der Unterseite der Kammer-Abdeckung 27 befestigt ist. Die Mischkammer-Wand 31 ist dazu geeignet, aktiv gekühlt zu werden, wenn es das Verfahren, beispielsweise ein Wolfram- Beschichtungs-Verfahren so erfordert, durch ein Kühlfluid, das zugeführt wird, um durch einen ringförmigen Kanal 32, der in der Wand 31 ausgebildet ist, zu strömen, um sie auf einer Temperatur zu halten, die niedriger ist als die Reaktions-Temperatur, die unabhängig ist von der des Gehäuses 26 und der der Kammer-Abdeckung 27. Wie das Gehäuse 26 ist auch die Mischkammer-Wand 31 mit Widerstandsheizelementen (nicht dargestellt) versehen, um die Wand und die Mischkammer 30 zu beheizen, wenn das Verfahren es so erfordert, wie etwa bei der Titaniumnitrid- Beschichtung. Diese ringförmige Wand 31 kann aus einem thermisch nicht leitenden Material oder einem leitenden Material hergestellt sein, das thermisch von dem Aluminium-Material der Abdeckung 27 isoliert ist, um eine größere Flexibilität bei der Regelung dessen Temperatur herzustellen. Der obere Abschnitt der Mischkammer 30 ist durch eine abnehmbare Abdeckung oder obere Platte 33 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl abgeschlossen, die abdichtbar mit der Kammer-Abdeckung 27 durch Bolzen 34 (Fig. 4) verbunden ist. Das Kammer-Gehäuse 26, die Kammer-Abdeckung 27 und die obere Platte 33 bilden einen abgedichteten Behälter, der einen Innenraum oder inneres Volumen einschließt, das auf einem Vakuum- Druckniveau während des Betriebs des Moduls 10 gehalten wird.
Der Boden der Gasmisch-Kammer 30 ist durch einen kreisförmigen Duschkopf 35 verschlossen, der mit dem Boden der Mischkammer-Wand 31 verbunden ist. Der Duschkopf 35 kann aus Aluminium oder aus einem bearbeitbaren keramischen Material hergestellt sein und weist eine hochpolierte, untere Oberfläche auf, um die Absorbtion von Strahlungswärme von einer höheren Reaktionstemperatur aus einem Bereich eines Wafers, der innerhalb der Kammer 25 bearbeitet wird, zu verringern. Der Duschkopf 35 hat, gemäß einer Ausführungsform, ein gleichmäßiges Muster von Löchern 36 (Fig. 4), die vorzugsweise in einer Matrix oder einem Feld in mehreren konzentrischen Kreisen um das Zentrum angeordnet sind, das auf einer vertikalen Achse 37 durch den Reaktor 15 liegt. Alternativ kann der Duschkopf 35 aus einem porösen Metall oder einer keramischen Platte gebildet sein.
Eine Mehrzahl von Gaseinlaß-Anschlüssen 38 (Fig. 4) sind in der oberen Platte 33 vorgesehen, an der die Gasleitungen 16 angeschlossen sind. Eine rotierbare Wafer- Halte-Aufnahme 40 ist innerhalb der Kammer 35 vorgesehen. Die Aufnahme 40 liegt auf der Achse 37 direkt neben dem Duschkopf 35 und ist in axialer Ausrichtung zu diesem. Ein Reinigungsgas-Einlaß-Anschluß 41 ist an der Kammer- Abdeckung 27 befestigt und mit der Reinigungsgas-Eingangsleitung 17 verbunden. Der obere Hochfrequenz (RF)-Elektroden-Anschluß bzw. das Kühlwasser-Verbindungselement 23 ist auch an der Kammer-Abdeckung 27 angebracht. Der untere Elektroden-Hochfrequenz (RF)-Anschluß bzw. das Reinigungsgas-Verbindungselement 24 ist an der Seitenwand des Gehäuses 26 befestigt. Ein einzelner Absaug-Ausgangs-Anschluß 42 ist in dem Boden des Kammer-Gehäuses 26 vorgesehen, mit dem die Vakuum-Ausgangs-Leitung 21 mit der Pumpe 18 verbunden ist, die mit einer Pumprate von 400-500 Liter pro Sekunde arbeitet, um die Wafer- Bearbeitungs-Drücke zwischen 1.30-13000 N/m² (1-100 Torr), Reaktor-Reinigungs-Drücken von 13 · 10&supmin;³ bis 13 N/m² (0.1-100 mTorr) und Wafer-Übertragungs-Drücke von 13 · 10&supmin;³ N/m² (10&supmin;&sup4; Torr) innerhalb der Kammer 25 zu erzielen. Ein Eingangs-Anschluß 43 ist in der vorderen Wand des Gehäuses 26 vorgesehen zum Anschluß an ein Transport-Modul oder Wafer-Handhabungs-Modul einer zusammengesetzten Einrichtung, zu dem und von dem Wafer zur Bearbeitung eingebracht und aus den Kammern 25 ausgebracht werden. Der Eingang 43 ist ungefähr in horizontaler Ausrichtung mit einer nach oben weisenden Wafer-Halte- Fläche 44 der Aufnahme 40, auf der ein Wafer zur Bearbeitung gehalten wird mit einer nach oben weisenden Seite, die horizontal, parallel und in vertikaler Ausrichtung zu dem Duschkopf 35 angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Anschlüssen 45 ist in horizontaler Ausrichtung mit der Wafer-Halte-Fläche 44 oder dem Gehäuse 26 an gegenüberliegenden Seiten der Reaktions-Kammer 25 zum Einführen diagnostischer oder sonstiger Instrumente angeordnet.
Ein Aufnahme-Antriebs-Stütz-Rahmen 47 ist an dem Boden des Gehäuses 26 befestigt und zu der Reaktor-Achse 37 ausgerichtet. Eine hohle Aufnahme-Antriebswelle 50 ist drehbar innerhalb des Antriebs-Stütz-Rahmens 47 befestigt. Die Antriebs-Welle 50 ist gelagert, um um ihre Achse zu rotieren, die auf der Reaktor- Achse 37 liegt, erstreckt sich durch eine Öffnung 51 in den Boden des Reaktor- Gehäuses 26 und ist starr mit dem Boden der Aufnahme 40 verbunden. An der Öffnung 51 ist die Welle 50 drehbar an einem Haupt-Lager 52 gelagert, wobei dessen innerer Ring, die Welle 50 in festem Kontakt umgibt und dessen äußerer Ring mit dem Rahmen 57 an dem Boden des Gehäuses 26 befestigt ist. Ein zweites Lager 53, das mit dem unteren Ende des Rahmens 47 verbunden ist, umgibt fest und stützt das untere Ende der Antriebswelle 50. Unmittelbar unter dem Lager 52 ist eine ferrofluide Dichtung 54 an dem Stütz-Rahmen 47 befestigt und umgibt die Welle 50 fest. Die ferrofluide Dichtung 54 weist ein Fluid auf, das durch sie zirkuliert mit einer Temperatur von weniger als 70ºCelsius, um das Ferrofluid daran zu hindern, sich zu zersetzen und seine magnetischen Eigenschaften aufgrund von Wärme von der Welle 50 zu verlieren. Über dem zweiten Lager 53 innerhalb des Rahmens 47 und ebenso die Welle 50 umgebend ist ein elektrischer Gleitring- Anschluß 55. Der Gleitring 55 sorgt für eine elektrische Verbindung mit der rotier baren Welle 50, um elektrische Energie zu der rotierenden Aufnahme zu liefern, und empfängt aufgenommene Temperatursignale von dieser. An der Welle 50 ist zwischen der Dichtung 54 und dem Gleitring 55 eine Antriebstrommel 56 befestigt, die mittels eines Antriebsriemens 57 antreibbar mit dem Ausgang eines rotierbaren Aufnahme-Antriebsmotor 58 verbunden ist.
An dem unteren Ende des Rotier- und Hebe-Mechanismus 20 ist an dem Boden des Rahmens 47 ein Wafer-Hebe-Mechanismus 60 befestigt, der im Detail in Fig. 3 dargestellt ist. Der Hebe-Mechanismus 60 enthält eine äußere, fluid-dichte Hülle 61 mit einem hohlen Innenraum, der das untere Ende eines hohlen und vertikalen Hebe-Rohrs 62 umschließt. Das Rohr 62 erstreckt sich vertikal von dem Hebe- Mechanismus 60 nach oben durch den Rahmen 47 und durch den hohlen Innenraum der Antriebswelle 50 entlang der Achse 37 des Reaktors und in die Kammer 25 und endet in dem Innenraum der Aufnahme 40. Das Rohr 62 rotiert mit der Antriebswelle 50 und gleitet axial in dieser um eine Strecke von ungefähr 9 mm, um den Wafer auf der Wafer-Halte-Fläche 44 der Aufnahme 40 in der Reaktions- Kammer 25 zu heben und zu senken. Das untere Ende des Rohrs 62 ist an einem Naben-Stück 63 befestigt und drehbar in einer ferrofluiden Dichtung 64 gelagert, wobei deren äußere Oberfläche in einer Hülse 65 befestigt ist, die vertikal in der Hülle 61 gleitet. Das untere Ende der Hülse 65 ist mit einem vertikalen Betätigungselement 66 verbunden, das sich durch eine Öffnung 67 in dem Boden der Hülle 61 eine lineare Bewegung ausführenden, pneumatischen Hubelements 66a erstreckt. Eine weitere ferrofluide Dichtung 68 ist in der Nähe des oberen Abschnitts des Innenraums der Hülle 61 vorgesehen und umgibt das Rohr 62 an der Achse 37 benachbart zu dem Boden des Rahmens 47 des Rotier- und Hebe-Mechanismus 20. Wie die ferrofluide Dichtung 54 werden auch die Dichtungen 64 und 68 mit Fluid versorgt, das auf einer Temperatur von 70ºCelsius oder weniger gehalten wird. Eine Quelle von gasförmigem Helium (nicht dargestellt) ist mit einem Heliumgas- Einlaß-Anschluß 70 an dem Boden der Hülle 61 des Hebe-Mechanismus 60 verbunden. Der Einlaß-Anschluß 70 ist in Verbindung mit einem Helium-Einlaß-Kanal 71 an der Basis des Naben-Stücks 63, der über dessen hohlen Innenraum mit einer axialen Bohrung 72 des Rohrs 62 kommuniziert und sich über dessen Länge erstreckt, um mit dem Kanal 176 zu kommunizieren (Fig. 61.
Ein Vakuum-Ausgangs-Anschluß 74 ist in der Hülle 61 vorgesehen und verbunden mit einem länglichen hohlen Rohr 73, um ein Vakuum in dem hohlen Raum 75 innerhalb der Antriebswelle 50 an dessen oberen Ende, das das Rohr 72 umgibt, zu erzeugen, wie in Fig. 3A dargestellt ist. Der hohle Raum 75 erstreckt sich über die Länge der Antriebswelle 50 und kommuniziert mit dem Innenraum der Aufnahme 40 innerhalb der Reaktions-Kammer 25. In einer Ausführungsform, die detaillierter in Verbindung mit Fig. 6B unten beschrieben ist, wird der Vakuum- Druck an dem Anschluß 74 auf einem Druck gehalten, der ausreichend geringer ist als der der Kammer 25, um ein Vakuum in der Aufnahme 40 zu entwickeln, um als eine Vakuum-Einspanneinrichtung zu wirken, um einen Wafer während des Bearbeitens an der Aufnahme-Oberfläche 44 zu halten. Dieser Vakuum-Klemm-Druck wird zwischen dem Absaug-Anschluß 74 und dem Raum 75 an der Oberseite der Antriebswelle 50 über eine ringförmige Säule 79 gehalten, die das Rohr 62 umgibt und innerhalb des Rohrs 73 liegt. Bei anderen Ausführungsformen, die keine Vakuum-Einspannung verwenden, wird das Vakuum am Anschluß 74 aufrechterhalten mit einem Druck, der ein Vakuum in der Aufnahme 40 entstehen läßt, der gleich groß oder etwas größer ist als der Druck in der Kammer 25. Auf diese Weise wird der Eintritt von Reaktions-Gasen in die Aufnahme vermieden, wie bei der Ausführungsform aus Fig. 6, die unten detaillierter beschrieben ist.
Details des Reaktions-Kammer-Abschnitts des chemischen Dampfbeschichtungs- Reaktors sind in Fig. 4 dargestellt. Die Gasmisch-Kammer 30 ist mit vier konzentrischen, hohlen rohrartigen Ringen 77 versehen, von denen einer mit jedem der Einlaß-Anschluß 38 verbunden ist, wie in den Fig. 4 und 4A gezeigt ist. Jeder der Ringe 77 hat eine Mehrzahl von Öffnungen 76, die an ihnen entlang beabstandet und um eine Achse 37 angeordnet sind, um einen gleichmäßig verteilten Strom von allen Gasen aus den Einlaß-Anschlüssen 38 in die Gasmisch-Kammer 30 zu ermöglichen, wo sie gleichmäßig gemischt werden, üblicherweise bei einer Temperatur unterhalb der Reaktionstemperatur. Aus der Gasmisch-Kammer 30 strömt das gleichmäßig gemischte Gas von den verschiedenen Einlaß-Anschlüssen 38 nach unten durch die Mehrzahl von Öffnungen 36 in der Duschkopf-Platte 35 parallel zu der Achse 37 und rechtwinklig zu der Wafer-Halte-Fläche 44 der Aufnahme 40, wie durch die Pfeile 78 dargestellt ist.
Eine ringförmige, Plasma-Reinigungs-Elektrode 80 umgibt den Duschkopf 35 und · ist an einem Isolator 81 aus Teflon® oder einem anderen geeigneten Isolationsmaterial befestigt, der an der Kammer-Abdeckung 27 am Aluminium befestigt ist. Diese Elektrode wird unter Strom gesetzt, um ein Plasma zum Plasma-Reinigen der Kammer zu erzeugen. Die Elektrode 80 hat eine innere Oberfläche 82, die eine Kegelstumpfform hat und angewinkelt ist, um einen sanften Übergang vom Durchmesser des Duschkopfes 35 zu dem größeren Durchmesser des Kammer-Gehäuses 26 herzustellen, um Turbulenz in den nach unten strömenden Reaktions-Gasen zu verhindern. Eine Mehrzahl von Gas-Einlaß-Öffnungen 83 sind um die Oberfläche 82 vorgesehen und stehen in Verbindung mit einem Reinigungs-Gas-Kanal 84, der innerhalb der Elektrode 80 eine Ringform hat. Der Kanal 84 kommuniziert mit einem Zuführ-Rohr 85, das mit dem Gas-Einlaß 41 verbunden ist, an dem die Reinigungsgas-Einlaß-Leitung 17 angeschlossen ist.
Ein ringförmiger Kühl-Kanal 87 steht über ein Rohr 88 mit einer Kühlflüssigkeit und dem oberen Elektroden-Anschluß 23 in Verbindung (der sowohl Zuführ- und Rücklaufleitungen für die Kühlflüssigkeit enthält, die nicht dargestellt sind). Hochfrequenzenergie (RF) wird durch das Rohr 88 von dem Anschluß 23 zu der Elektrode 80 geführt. Kühlflüssigkeit wie Ethylen-Glykol oder Wasser wird separat über Kühlflüssigkeits-Einlässe und Rücklauf-Anschlüsse 89 zu dem Kühl-Kanal 32 in der Misch-Kammer-Wand 31 gespeist.
Eine untere Plasma-Reinigungs-Elektrode 90 ist an der Basis der Kammer 25 vorgesehen und an dem Kammer-Gehäuse 26 auf einem elektrischen Isolator 91 befestigt, der ebenfalls aus einem geeigneten Isolationsmaterial besteht. Die Elektrode 90 hat die Form eines Kreisrings, der als Gasströmungs-Leitelement zwischen dem Bearbeitungs-Abschnitt der Kammer 25 und einem Absaug-Auslaß- Anschluß 42 dient, wie in den Fig. 4, 4B und 4C gezeigt ist. Die Elektrode 90 definiert eine ringförmige Gasströmungs-Öffnung 92 zwischen der Elektrode 90 und einer Hülse 93, die an der Basis des Gehäuses 26 befestigt ist und die Aufnahme-Antriebswelle 50 umgibt, durch die das Reinigungsgas und Reinigungs- Nebenprodukte nach unten strömen, wenn sie aus der Kammer 25 abgesaugt werden. Öffnungen 94, die an der Oberseite der Elektrode 90 vorgesehen sind, stehen in Verbindung mit einem ringförmigen Kanal 95 in der Elektrode 90, die ihrerseits in Verbindung steht mit einem weiteren Reinigungsgas-Zuführ-Rohr 96, das seinerseits in Verbindung steht mit einem Reinigungsgas-Einlaß-Abschnitt 97 an dem unteren Elektroden-Anschluß bzw. Reinigungsgas-Verbindungselement 24. Die Elektrode 90 ist elektrisch mit einer Leistungsversorgung (nicht dargestellt) verbunden, die Hochfrequenz-Energie durch das Rohr 96 zu der unteren Elektrode 90 von dem unteren Elektroden-Anschluß und Verbindungs-Element 24 liefert. Reinigungsgas zum Plasma-Reinigen des Innenraums der internen Komponenten der Kammer 25 wie etwa NF&sub3;-Gas kommt hinein durch die Öffnungen 83 und 94 in den jeweiligen Elektroden 80 und 90 und wird abgesaugt durch den Anschluß 42.
Zwei zusätzliche Aluminium-Leitelemente 101 und 102 sind zwischen der Elektrode 90 und der Basis des Gehäuses 26 vorgesehen. Die Leitelemente 101 und 102 sind vertikal gestapelt auf Abstandshaltern 104 an der Basis des Gehäuses 26 und an diesem befestigt durch eine Mehrzahl von Bolzen 105. Das obere dieser Leitelemente 101 ist scheibenförmig und erstreckt sich von der Hülse 93 nach außen und bildet einen Raum 106, der ringförmig um die Seitenwand des Gehäuses 26 verläuft. Das untere dieser Leitelemente 102 ist ebenso scheibenförmig und erstreckt sich von der Seitenwand des Gehäuses 26 nach innen, um einen Raum 107 zu bilden, der ringförmig um die Hülse 93 verläuft.
Die Aufnahme 40 hat eine äußere Seitenfläche 110, die eine flache Kontur aufweist, um Turbulenz in der Strömung von Reaktions-Gasen innerhalb der Kammer 25 zu minimieren. Die Fläche 110 definiert an ihrer breitesten Stelle einen Raum oder eine Öffnung zwischen der Aufnahme 40 und der Seitenwand des Kammer- Gehäuses 26. Die horizontale Querschnittsfläche der Öffnung 111 ist größer als die der Öffnung oder des Raums 92, der durch die Elektrode 90 gebildet ist, die ihrerseits größer ist als die horizontale Fläche des Raums 106, der durch das Leitelement 101 gebildet ist, das seinerseits größer ist als die horizontale Querschnittsfläche der Öffnung 107, die durch das Leitelement 102 gebildet ist. Die Werte dieser Flächen sorgen für einen Druckgradienten, wenn das Reaktions-Gas durch die Kammer 25 strömt, welcher Turbulenz minimiert und für eine Gleichmäßigkeit der Gasströmung um die Aufnahme 40 durch die Kammer 25 zu dem einzigen Vakuum-Ausgangs-Anschluß 42 sorgt. Diese Strömung ist durch die Pfeile 112, 113, 114 und 115 dargestellt.
In bestimmten Situationen kann es wünschenswert sein, eine alternative Struktur auszubilden, um die Verläßlichkeit zu verbessern und die Lebensdauer des Haupt- Lagers 52 zu verlängern, beispielsweise, wenn die Lebensdauer der Dichtung die Zeit zwischen den geplanten Reaktor-Wartungen verringert. Eine solche alternative Struktur an dem Ort, wo die Welle 50 durch die Basis des Gehäuses 26 geführt ist, ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Alternative ist die Basis des Gehäuses 26 mit einem Stickstoff-Gas-Einlaß-Anschluß 117 und einem Stickstoff-Gas-Vakuum-Auslaß- Anschluß 118 (unterbrochene Linie) versehen, durch die gasförmiges Stickstoff dazu gebracht wird, in einen Raum 120 zwischen der Aufnahme-Antriebswelle 50 und der Hülse 93 zu strömen, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Stickstoff-Gas, das durch den Anschluß 117 strömt, wird in einen ringförmigen Kanal 121 geleitet, der die Weile 50 an der Basis der Hülse 93 umgibt, strömt in Richtung des Pfeils 122 in einen ringförmigen Kanal 123 über dem Kanal 121 in der Hülse 93 und dann heraus durch den Anschluß 118. Auf ähnliche Weise strömt Stickstoff-Gas von dem Anschluß 117 in den dritten ringförmigen Raum 124 über dem Kanal 123. Ein Teil des Gases aus dem Kanal 124 strömt in die Richtung des Pfeils 125 zu dem Kanal 123 und heraus durch den Anschluß 118, während ein Teil des Gases von dem Kanal 124 in Richtung des Pfeils 126 in den Raum 120 und dann in Richtung des Pfeils 127 in die Reaktions-Kammer strömt ungefähr in die Nähe des Raums oder der Öffnung 92 um den äußeren Rand der unteren Reinigungs-Elektrode 90. Diese nach außen gerichtete Strömung von Stickstoff-Gas in der Nähe des Pfeils 127 verhindert den Eintritt von Reaktions-Gasen in den Raum 120 während des Reaktions-Prozesses. Sie verhindert ferner, daß Partikel oder sonstige Verunreinigungen den Raum 127 erreichen.
Die Aufnahme 40 ist in zwei Ausführungsräumen in den Fig. 6 und 6B dargestellt. Beide Ausführungsformen enthalten einige alternative Merkmale, die in Abhängigkeit von der Anwendung wünschenswert sind. Fig. 6A ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Anordnung von Merkmalen zeigt, die in einer oder beiden Ausführungsformen der Fig. 6 oder 6B erscheint. Die Aufnahme 40 der Ausführungsform gemäß Fig. 6 verwendet eine elektrostatische Wafer-Einspannung, eine elektrischisolierende Wafer-Halte-Fläche, einen isolierenden Ring um den äußeren Rand der Wafer-Halte-Fläche, Widerstandstemperatur-Detektoren zum Aufnehmen der Temperatur in dem Wafer-Halter, ein inertes Spülgas um den Rand des Wafers sowie ein Inertgas innerhalb der Aufnahme mit einem Druck, der gleich oder etwas größer ist als der Druck in der Kammer 25. Viele der Merkmale der Ausführungsform aus Fig. 6 sind geeignet für eine selektive Beschichtung oder Ablagerung von bestimmten Materialen wie etwa Wolfram, wie unten beschrieben ist.
Die Aufnahme 40 der Ausführungsform aus Fig. 6D verwendet eine Vakuum- Wafer-Einspannung, einen metallischen Wafer-Halter und einen metallischen Reinigungsring um die Außenseite des Wafer-Halters, eine Thermoelement-Temperatur-Aufnahmeeinrichtung in dem Wafer-Halter und ein Inertgas in der Aufnahme mit einem Druck, der geringer ist als der der Kammer 25.
Viele der Merkmale der Ausführungsform aus Fig. 6B sind geeignet für eine flächendeckende Beschichtung von Materialen wie Titaniumnitrid und Wolfram, wie ebenfalls unten beschrieben ist.
Die Aufnahme 40 der Fig. 6, 6A und 6B ist mit einer dünnen, äußeren Metall-Wand 130 versehen, die mittels Bolzen 130 an der Oberseite der Antriebswelle 50 befestigt ist, wie besser in Fig. 6 gezeigt ist, die eine Aufnahme-Struktur einer Aus führungsform zeigt. Die Wand 130 ist aus einem hoch-wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Metall wie Aluminium, und hat einen dünnen Querschnitt, um den Wärmestrom von dem oberen Abschitt der Aufnahme zu der Welle 50 zu minimieren. Die Wand 130, die als äußere Fläche die Fläche 110 der Aufnahme 40 hat, weist eine hochpolierte, reflektierende innere Oberfläche 132 auf, um Wärme von der nach unten weisenden Oberfläche 129 des beheizten, oberen Abschnitts der Aufnahme 40 durch den hohlen, inneren Raum 135 der Aufnahme 40 zu reflektieren und somit die Absorbtion zu minimieren. Die äußere Oberfläche 110 ist mit einer matten Oberfläche versehen, um eine Wärmestrahlung von der Wand 130 zu maximieren.
An der Basis der Aufnahme-Wand 130 ist einstückig mit dieser ausgebildet ein sich nach unten erstreckender Kragen 136, der die Welle 50 umgibt und von dieser beabstandet ist, um einen schmalen, zylindrischen Spalt 137 zwischen dem Kragen 136 und der Welle 50 zu belassen, um eine direkte Wärmeleitung von der Wand 130 zu der Welle 50 zu reduzieren. Ein Aufnahme-Befestigungs-Flansch 138 steht nach innen von dem Kragen 136 ab und ist einstückig mit der Wand 130 ausgebildet. An dem oberen Ende der Welle 50 ist eine ringförmige, nach oben abstehende Schulter 140 vorgesehen, an der der Flansch 138 und somit die Wand 130 gehalten wird, um dadurch die Aufnahme 140 für eine Rotation mit der Welle 50 zu halten. Die Schulter 140 weist einen schmalen Kontaktbereich mit dem Flansch 138 auf, um einen thermischen Kontakt zwischen beiden zu minimieren und eine Wärmeübertragung von der Aufnahme-Wand 130 zu der Welle 50 zu minimieren. Die sich nach oben erstreckende Schulter 140 definiert einen schmalen Spalt 141 zwischen der Oberseite der Welle 50 und dem Flansch 138, um weiter eine direkte Wärmeleitung zwischen dem inneren Abschitt des Flansches 138 und der Oberseite der Welle 50 zu reduzieren.
Durch die Scheibe 142 erstrecken sich Bolzen 131, die in die Oberseite der Welle 50 geschraubt sind. In der Ausführungsform aus Fig. 6 weist der Flansch 138 sich nach oben erstreckende Schultern 143 auf, die an diesem ausgebildet sind, um die Scheibe 142 von dem Flansch 138 zu beabstanden, um eine minimale Kontakfläche zwischen beiden aufzuweisen, um eine Wärmeleitung zu reduzieren und um einen weiteren Spalt 144 zwischen dem Flansch 138 und der Wand 130 und der Scheibe 142 zu bilden. Diese Schultern 143 sind in dem alternativen Ausführungsbeispiel aus Fig. 6B weggelassen. Zusätzliche thermische Isolation zwischen der Aufnahme 40 und der Welle 50 kann erreicht werden, falls erforderlich, durch Bereitstellen einer Schicht aus Isoliermaterial wie etwa Isolier-Scheiben oder Abstandshalter zwischen dem Flansch 138 und der Welle 50. Eine Dichtung 145, (als ein O-Ring in Fig. 6 und als eine weiche Metalldichtung in Fig. 6A gezeigt) ist in dem ringförmigen Raum 146 vorgesehen, der um die Außenseite des oberen Endes der Welle 50 zwischen der Welle 50 und dem Kragen 136 und dem Flansch 138 der Aufnahme-Wand 130 ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von Löchern 147 ist in der Scheibe 142 ausgebildet, um eine Verbindung zwischen dem Hohl-Raum 75 innerhalb der Welle 50 und dem Raum 135 innerhalb der Aufnahme 40 herzustellen, um ein Vakuum innerhalb des Raums 135 von ungefähr 1.3 KN/m² (10 Torr) herzustellen.
Ein vertikaler Naben-Abschnitt 149 steht noch oben von der Oberseite der Scheibe 142 an der Achse 37 ab und hat eine Bohrung, durch die das obere Ende des hohlen Hub-Stabs 62 sich erstreckt.
Der obere Abschnitt der Aufnahme 40 weist eine Wafer-Halte-Struktur 150 auf, die aus einem Paar von Scheiben einschließlich einer oberen Scheibe 151 und einer unteren Scheibe 152 gebildet ist. In dieser Ausführungsform aus Fig. 6 wird die untere Scheibe 152 an ihrem äußeren Rand an einem sich nach innen erstreckenden Halte-Flansch 153 gehalten, der einstückig mit der Aufnahme-Wand 130 ausgebildet ist und einen ringförmigen Kanal 154 an der oberen Oberfläche aufweist, der eine Dichtung 155 enthält, um einen ringförmigen Raum 156 zu isolieren, der zwischen dem äußeren Rand der Scheibe 152 und der Wand 130 und dem Raum 135 ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist der Raum 156 ein Helium- Verteilungs-Kanal, der über einen in Umfangsrichtung beabstandeten Satz von Kanälen 157 mit Helium-Zuführ-Rohren 158 kommuniziert, die sich radial von diesen erstrecken und mechanisch mit dem oberen Ende des Rohrs 62 über der oberen Fläche der Nabe 149 verbunden sind. Bei dieser Anordnung wird gasförmiges Helium dazu veranlaßt, nach oben durch das Rohr 62 nach außen durch die Rohre 158 und nach oben durch die Kanäle 157 und in den Kanal 156 zu strömen. Die Rohre 158 haben flexible Mittelabschnitte 159, um eine vertikale Bewegung des Hub-Stabs 62 in bezug auf die Wand 130 zu ermöglichen, während die äußeren Enden der Rohre 158 stationär angeordnet sind in bezug auf den Flansch 153. Dieses Helium-Gas wird auf einem separat geregelten Druck gehalten, um einen Druck herzustellen, der in dem Spalt 166 gleich oder sehr wenig größer ist, als der Druck der Reaktions-Gase, die unmittelbar über den Spalt 166 strömen.
Ebenso wird in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 die obere Scheibe 151 an der Oberseite der unteren Scheibe 152 gehalten und weist eine obere Wafer-Halte- Fläche 160 auf, die Teil der oberen Aufnahme-Oberfläche 44 ist, während dessen Rest durch eine obere Oberfläche 161 eines ringförmigen Aufnahme-Lippen-Stücks 162 gebildet ist. Wie in den Fig. 4B und 6 gezeigt ist, ist das Lippen-Stück 162 mittels Bolzen 163 an die Oberseite der Aufnahmewand 130 geschraubt. Die Lippe 162 ist so geformt, daß ihre obere Fläche 161 in der gleichen horizontalen Ebene liegt, wie die obere Oberfläche 164 des Wafers 165, wenn der Wafer 165 an der Fläche 160 gehalten wird. Ein schmaler, ringförmiger Spalt 166 um den Umfang des Wafers 165 stellt einen ausreichenden Spielraum zwischen der Lippe 162 und dem Wafer 165 her, um eine thermische Ausdehnung des Wafers zu ermöglichen und Toleranzen im Durchmesser des Wafers auszugleichen. Die Beziehung zwischen der Lippe 162 und dem Wafer 165 vermeidet ferner Turbulenz in der Gasströmung über der Oberfläche des Wafers 165 und der oberen Fläche 44 der Aufnahme 40.
In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ruht die Scheibe 151 auf einer Dichtung 171 in einem Kanal 172 in der Oberseite der unteren Scheibe 152, und eine weitere Dichtung 173 ist in einem Kanal 174 an dem oberen Ende der Aufnahme-Wand 130 zwischen der Lippe 162 und der Aufnahme-Wand 130 vorgesehen.
In der Aufnahme der Ausführungsform aus Fig. 6 befindet sich über dem oberen Abschnitt der Aufnahme-Wand 130 und der Lippe 162 ein kreisförmiges Feld von Kanälen 175, die mit dem Helium-Kanal 156 und einem Umfangs-Kanal 176 kommunizieren, der die obere Scheibe 151 neben der Lippe 162 umgibt. Dies stellt einen Pfad für gasförmiges Helium bereit, um von dem ringförmigen Raum oder Kanal 156, den Kanälen 175 und dem Kanal 176 nach außen durch den Spalt 166 um den Umfang des Wafers 165 zu strömen, um einen Strom von Reaktions-Gasen nach unten in den Spalt 166 um den Umfang des Wafers 165 zu vermeiden und um für eine gleichmäßige Strömung von Reaktions-Gasen nach außen über die Oberfläche 164 des Wafers 165 und die Oberfläche 161 der Lippe 162 zu sorgen. Der äußere Rand 178 der Lippe 162 ist abgerundet, um zusätzlich Turbulenz in den Gasströmungen um den Rand der Aufnahme zu vermeiden.
Bei Anwendungen wie der flächendeckenden Beschichtung von Wolfram sind die Halte-Struktur 150 und die Lippe 162 vorzugsweise aus Monel, das einem Sputtern während dem Plasma-Reinigen mit NF3 besser widersteht, als andere Metalle dies tun. Bei solchen Verfahren dient die Lippe 162 als Reinigungsmittel für ungenutzte Reaktions-Gase. Bei selektiven Beschichtungsverfahren sind die Scheibe 151 und die Lippe 162 aus einem Material hergestellt, auf dem Wolfram, das abzulagern ist, nicht kristallisiert, da eine Kristallisation des Materials auf den Aufnahme-Oberflächen benachbart zum Wafer dazu führt, daß ein Film auf dem Wafer in flächendeckender Weise nahe derartiger Oberflächen sich ablagert.
Die Aufnahme des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6 enthält Merkmale, die geeignet sind für selektive Wolfram-Beschichtungsverfahren. Die Scheiben 151 und 152 dieses Ausführungsbeispiels sind aus einem isolierenden Material wie Graphit hergestellt, um sowohl eine Kristallisation auf dem Halter zu vermeiden und eine Aufladung für eine elektrostatische Einspannung des Wafers an der Aufnahme zu unterstützen. Bei selektiver Beschichtung wird, weil es regelmäßig wünschenswert ist, das Verfahren bei Drücken von 1.30 N/m³ (1 Torr) oder weniger zu betreiben, eine Vakuum-Einspannung nicht wirksam sein. Das Nicht-Vorhandensein einer Vakuum-Einspannung macht das Merkmal der Rand-Spülung, das durch Einleitung von Helium in den Hohlraum 176 bereitgestellt wird, wirksamer, da dieses Merkmal ohne ausgefeilte Abdichtungstechniken das Heliumgas dazu bringt, unterhalb des Wafers zu strömen und das Druckdifferential, das für eine Vakuum-Einspannung des Wafers erforderlich ist, zu zerstören, oder es kann die kontra-produktive Wirkung haben, daß eine Strömung von Reaktions-Gas neben dem Wafer in den Raum 135 innerhalb der Aufnahme erleichtert wird.
In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 sind eine Mehrzahl von vorzugsweise drei Hub-Stiften 184 vorgesehen, von denen jeder in einer Bohrung 181 durch die Scheibe 151 und 152 der Aufnahme 40 gleitend angeordnet ist. Die Bohrungen 181 sind nicht größer als erforderlich, um es den Stiften 184 zu erlauben, zu gleiten, und um andererseits eine Gasströmung durch die Bohrungen 181 zwischen der Rückseite des Wafers und dem Raum 135 in der Aufnahme zu minimieren.
Die Merkmale der Aufnahme der Ausführungsform aus Fig. 6B sind geeignet für die flächendeckende Beschichtung von Wolfram, und demgemäß wird der Rest der Struktur der Aufnahme 40 im Zusammenhang mit der Ausführungsform in dieser Figur beschrieben.
Wie aus Fig. 6B ersichtlich ist, können die Scheiben 151 und 152 aus einem Material wie Monel hergestellt sein. Innerhalb der Scheibe 151 können alternativ Kanäle 180 (durch angedeutete Linien dargestellt) vorgesehen sein, wenn erwünscht, um gasförmiges Helium über die Rückseite des Wafers 165 zu verteilen für eine thermische Gasleitung zwischen der Scheibe 151 und dem Wafer 165.
Diese Kanäle 180 sind entfernt von dem Rand-Raum 166 an dem Rand des Wafers 165, so daß der Strom von Reaktions-Gas in den Raum hinter dem Wafer dadurch nicht begünstigt wird.
Die Kanäle 180 haben die Form von Nuten in der oberen Oberfläche der Scheibe 150, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Sie enthalten drei konzentrische, kreisförmige Nuten 180a, 180b und 180c, die miteinander mittels dreier Sätze von jeweils um 120º zueinander beabstandeter, radialer Nuten verbunden sind, und sie enthalten Nuten 181a, die miteinander verbunden sind an der Achse der Aufnahme 37 und sich zu der innersten, kreisförmigen Nut 180a erstrecken, radiale Nuten 181b, die mit der kreisförmigen Nut 180a verbunden sind, die mittlere der kreisförmigen Nuten 180b und eine entsprechende der Öffnungen 182 und radiale Nuten 181c, die die kreisförmige Nut 180b mit der äußersten kreisförmigen Nut 180c verbindet. Gas an der Rückseite des Wafers 165 wird auf einem Druck gehalten, der geringer ist, als der in der Reaktions-Kammer 25, mit Hilfe von übergroßen, vertikalen Öffnungen 182, die, anders als bei der Ausführungsform aus Fig. 6, sich lose um die Hub-Stifte 184 anpassen und somit eine Verbindung herstellen zwischen der Rückseite des Wafers 165 und dem Raum 135 innerhalb der Aufnahme 40, um eine Vakuum-Einspannung des Wafers 165 an der Oberfläche 160 bereitzustellen. Das Helium-Gas, das den Raum 135 füllt, ist Helium, das auf einem separat geregelten Druck gehalten wird über die Öffnungen 147 in der Scheibe 142, die mit dem Raum 135 und dem Raum 175 an der Oberseite der Antriebswelle 50 kommunizieren. Helium wird in den Raum 135 gefördert, in der Ausführungsform aus Fig. 6B über das kurze Rohr 158a. Der Vakuum-Einspann-Druck kann in dem Raum 135 auf ungefähr 1.3 KN/m² (10 Torr) gehalten werden, während der Reaktions- Druck in dem Reaktions-Raum der Kammer 25 über dem Wafer 165 bei flächendeckenden, chemischen Wolfram-Beschichtungs-Verfahren etwa 6.5-7.8 KN/m² (30-60 Torr) beträgt.
Bei Verfahren wie der selektiven, chemischen Wolfram-Beschichtung, die bei 13 bis 650 N/m² (0.1-5.0 Torr) ausgeführt werden, sind gegenüber einer Vakuum- Einspannung des Wafers andere Einspann-Mittel wie das elektrostatische Einspannen, das in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 gezeigt ist, bevorzugt, aber einiges Helium sollte dennoch hinter dem Wafer vorgesehen sein auf oder etwas über dem Reaktions-Kammer-Druck, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Wafer und der Scheibe 151 zu verbessern.
In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6B erstreckt sich die obere Scheibe 151 über die Oberseite der Aufnahme-Wand 130 und ist durch eingelassene Bolzen 158 direkt an diese angeschraubt, wobei eine flache Weichmetall-Dichtung 169 zwischen der Scheibe 151 und der Aufnahme-Wand 130 komprimiert wird. Eine alternative Form 170 der Lippe 162 ist mittels Senk-Schrauben an der Oberseite der Scheibe 151 befestigt, wobei die Schrauben 168 verdeckt und fluchtend befestigt sind, um eine kontinuierliche Oberfläche mit der oberen Oberfläche 164 des Wafers 44 und der äußeren Oberfläche 110 der Aufnahme-Wand 130 zu bilden. Diese Form der Lippe 170 ist sehr gut geeignet, wenn sie aus einem metallischen Material wie Monel hergestellt ist.
Bei der Aufnahme beider Ausführungsformen der Fig. 6 und 6b ist ein horizontaler Tisch 183 an der Oberseite des Hub-Stabs 62 über den Rohren 158 und direkt über der Nabe oder der Buchse 149 der Scheibe 142 vorgesehen, der sich nach oben und unten mit dem Hub-Stab 62 bewegt. Eine Mehrzahl von vorzugsweise drei Hub-Stiften 184 erstrecken sich nach oben von dem Umfang des Tisches 183 durch die Öffnungen 181 (Fig. 6) oder 182 (Fig. 6B), die, wenn angehoben, die Unterseite des Wafers 165 berühren, um ihn von der Fläche 160 anzuheben, oder sich absenken in die Öffnungen 181 oder 182 (in die in den Fig. 6 und 6B dargestellte Position), um den Wafer 165 auf die Fläche 160 abzusenken. In der oberen Position des Tisches 183 wird der Wafer 165 in einer Position sein für einen Transport in die und aus der Kammer durch den Eingangs-Anschluß 43 (Fig. 4), und in der unteren Position des Tisches 183, in der der Wafer 165 auf die Fläche 160 abgesenkt ist, ist der Wafer in einer Position zur Bearbeitung.
Ebenso ist bei der Aufnahme der beiden Ausführungsformen aus Fig. 6 und 6B zwischen den Scheiben 151 und 152 eine Widerstands-Heizung 185 befestigt, die ein zentrales, kreisförmiges Element 186, ein ringförmiges Zwischen-Element 187 und ein äußeres ringförmiges Element 188 aufweist, welche jeweils eine Mehrzahl von separat regelbaren Heiz-Zonen mit verschiedenen Radien an dem Wafer-Halter 150 bereitstellen. In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist jede der Zonen mit einem Temperatur-Aufnahme-Element 191, 192 und 193 nach Art eines Widerstands-Temperaturaufnehmers oder eines Thermoelements versehen, das jeweils zu den durch die Elemente 186, 187 und 188 beheizten Bereichen gehört. Jedes der Elemente ist mit einer federbelasteten, elektrischen Kontaktanordnung 195 (von denen nur eine in Fig. 6 in bezug auf das Zwischen-Element 187 dargestellt ist) versehen. Zwei Kontakte sind für jedes der Heiz-Elemente 186, 187 und 188 vorgesehen. Elektrische Leiter 198 für diese Elemente und für die Aufnehmer 191, 192 und 193 erstrecken sich nach unten durch die Welle 50, um eine elektrische Verbindung mittels des Gleitrings 55 (Fig. 2) mit Leistungsversorgungen und Steuerschaltungen herzustellen.
In der Ausführungsform aus Fig. 6B erstrecken sich drei Temperatur-Aufnahme- Elemente 189 nach Art eines Thermoelements (von denen nur eins in Fig. 6B gezeigt ist) durch Öffnungen in den Heiz-Elementen 186, 187 und 188 zu Ausnehmungen in der Rückseite der Scheibe 151, von denen eine direkt über jeder der Heiz-Zonen liegt. Aufnahmewerte dieser Thermoelemente werden zurückgeführt zu einem Beheizungs-Regler (nicht dargestellt), um eine gleichmäßige Temperatur auf der Scheibe 151 aufrechtzuerhalten. Jedes der Thermoelemente 189 ist mit dem Regler verbunden mittels eines Drahts in der Welle 50 und einem Verbindungselement 190, das mit einem Befestigungselement an der Wand 130 und in dem Raum 135 angebracht ist. Die elektrischen Verbindungselemente für die Heiz- Anschlüsse sind in dem in Fig. 6B dargestellten Ausführungsbeispiel in ihrer bevorzugten Form 196 dargestellt und eingelassen in die untere Oberfläche 129 der unteren Platte 152 und mittels keramischer Schrauben 194 mit den Leitern 198 verbunden.
Die gesamte in den Fig. 6 und 6B dargestellte Anordnung rotiert mit Ausnahme der Hülse 93 im Bereich zwischen 500 bis 1500 Umdrehungen pro Minute, um die Dicke der Grenzschicht über der Oberfläche 164 zu minimieren und es dem Prozeß- Gas zu ermöglichen, den Wafer schneller zu erreichen, und um es den Nebenprodukten des chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahrens zu ermöglichen, sich einfacher von der Wafer-Oberfläche 164 zu entfernen. Die Strömung ist in Fig. 4 durch die Pfeile 78 und 197 dargestellt. Eine solche Strömung bildet einen Staupunkt im Zentrum 198 auf der Achse 37, wenn sie auf die Oberfläche 164 auf dem Wafer 165 trifft. Die Lippe 162 ist mit der Oberfläche 161 einer im wesentlichen nach oben weisenden Fläche versehen, um als ein Spülungselement für unbenutzte Reaktions-Gase wie Wolfram-Hexafluorid zu dienen, wenn sie aus einem Material hergestellt ist, auf dem Wolfram kristallisiert und in einem flächendeckenden Beschichtungsverfahren eingesetzt wird, wodurch die Menge des aus der Kammer 25 abgesaugten Wolfram-Hexafluorids minimiert wird. Diese Lippe 162 ist abnehmbar und austauschbar mit einer Lippe, die einen sich nach innen erstreckenden Abschnitt 167 hat, der einen unterschiedlichen Innendurchmesser aufweist, um dadurch mit Wafern 165 unterschiedlicher Größer zusammenzupassen.
Fig. 6C zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Aufnahme der Fig. 6, 6A und 6B. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 6C ist in den meisten Aspekten ähnlich zu dem der Fig. 6B, wobei einige Modifikationen bestehen, und es weist eine modifizierte Form des Wafer-Rand-Spül-Merkmals der Ausführungsform aus Fig. 6 auf. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, enthält die Ausführungsform gemäß Fig. 6C Nuten 180a, 180b, 181a und 181b aus Fig. 6B. Jedoch sind die Nuten 181c eleminiert, und die Nut 180c ersetzt funktionell die ringförmige Nut oder den Kanal 176 aus Fig. 6, aber in einer Position innerhalb des Randes oder der Kante des Wafers 165. Diese Nut 181c des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6C ist mit einer separat regelbaren Quelle von Gas aus der Bohrung 72 des Rohrs 62 über die Rohre 158 verbunden, die jeweils mittels eines Paars von starren Rohren 158a mit einem entsprechenden Paar von Anschlüssen 158b verbunden sind, die durch mit Öffnungen versehenen Steckern getragen sind und ein entsprechendes Paar von radial ausgerichteten Anschlüssen 158c aufweisen. Dieses Gas wird mit einem Druck, der etwas größer ist, als der Druck in der Kammer 25, beispielsweise zwischen etwa 65 bis 130 N/m² (0.5 - 1.0 Torr) gefördert, welcher geringer ist, als der Druck in den Nuten 180a, 180b, 181a und 181b von etwa 1.3 kN/m² (10 Torr). Das Gas kann ein Inertgas wie Helium oder ein reaktives Gas sein, das Ablagerungen des chemischen Dampfbeschichtungs-Verfahrens reinigt, die sich in dem Raum 166 zwischen dem Wafer 165 und der Lippe 162 oder 170 bilden können, wie etwa NF&sub3; in dem Fall, daß Wolfram aufgetragen wird.
Zusätzlich wird eine optimale Reaktions-Gas-Strömung auf der Oberfläche des Wafers erzielt durch Variation des Abstands zwischen dem Gas-Duschkopf 35 und der Aufnahme 40. Hierzu wird ein oder mehrere Abstands-Ringe wie etwa der Abstands-Ring 199 zwischen dem oberen Rand des Reaktor-Gehäuses 26 und der Kammer-Abdeckung 27 hinzugefügt (Fig. 2).
Der Betrieb des oben beschriebenen Moduls 10 für die flächendeckende und selektive Beschichtung von Wolfram auf Halbleiter-Silizium-Wafer ist detailliert in der internationalen Patentanmeldung WO93/25722 mit dem Titel METHODS OF CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) OF FILMS ON PATTERNED WAFER SUB- STRATES beschrieben.
Während die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung auf Reaktoren vom CVD-Typ bezogen sind, sind die rotierende Scheiben-Aufnahme, die Gasströmung, die Temperatursteuerung und andere Merkmale der Erfindung nützlich in Verbindung mit anderen Arten von Verfahren, insbesondere wo ein schneller und gleichmäßiger Transport von dampfförmigen Substanzen zu und von der Wafer-Oberfläche erwünscht ist. Beispielsweise wird in Verbindung mit der Beschichtung von Titaniumnitrid-Filmen ein Entgasungs-Verfahren vorzugsweise in einem separaten Modul vor der TiN-Beschichtung ausgeführt. Bei einem derartigen Verfahren könnte Wasser, das in den Wafer absorbiert beispielsweise in ein Phosphor-Silicat-Glas-(PSG) oder Bor-Phosphor-Silicat-Glas (BPSG)-Film, der auf den Wafer vor dem TiN-Verfahren abgelagert wurde, absorbiert wurde, durch Beheizen des Wafers entfernt werden. Ebenso kann nach einer TiN-Film-Beschichtung Chlorin durch ein Glüh-Verfahren in einem separaten Modul entfernt werden. Bei solchen Verfahren kann ein separates, speziell vorgesehenes Bearbeitungs-Modul, wie es oben beschrieben ist, beispielsweise mit Argon oder Stickstoff-Gas zur Ausführung eines Vorheiz- oder Entgasungs-Verfahrens verwendet werden, während ein weiteres, speziell vorgesehenes, ähnliches Modul verwendet werden kann, beispielsweise mit Ammonium, zur Ausführung eines Glüh-Verfahrens. Bei beiden Anwendungen arbeitet ein solches Modul auf die gleiche Weise wie das oben beschriebene CVD-Modul, abgesehen davon, daß anstatt daß Material zu dem Substrat hinzugefügt wird, wie bei einem CVD-Verfahren, Material von dem Substrat entfernt wird. Die Vorteile der rotierenden Scheibe und anderer erfindungsgemäßer Merkmale lassen sich dennoch auf solche Verfahren anwenden. Diese Vorteile beinhalten eine gleichmäßige Grenzschicht, die durch Rotation der Aufnahme dünner wird, was seinerseits zu einer schnelleren Wasser- oder Chiorin- Entfernungs-Rate und einer gleichmäßigeren Entfernungs-Rate über die Oberfläche des Wafers führt. Weiterhin trägt die radial nach außen gerichtete Strömung des Gases zu einem Spülen von Wasser, Chlorin oder anderen Substanzen fort von der Oberfläche des Wafers bei, was die Effizienz der Entfernung verbessert. Dies hindert das desorbierte Material daran, erneut auf der Oberfläche des Wafers abgelagert zu werden.
Beim Anwenden der erfindungsgemäßen Prinzipien auf Entgasungs- und Glüh- Module ist nicht die gesamte für CVD Anwendungen wünschenswerte Struktur der oben beschriebenen Ausführungsformen erforderlich. Beispielsweise können die Hochfrequenz-Reinigungs-Elektroden 80 und 90 sowie die diese speisenden Leistungsanschlüsse und Zuführ-Einrichtungen weggelassen werden. Ferner ist üblicherweiser ein Leitelement am Boden der Kammer 25 ausreichend. Die Anzahl der Gas-Zuführ-Einrichtungen und zugehörige Ausrüstung kann natürlich begrenzt werden auf das, was für die Anwendung gebraucht wird. Ferner ist das Kammer- Gehäuse 26 vorzugsweise außen isoliert, da solche Verfahren im wesentlichen Wärmebehandlungsverfahren sind.
Um eine optimale Bearbeitungs-Gleichmäßigkeit mit der rotierenden, in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Aufnahme zu erreichen, sollte das Verfahren betrieben werden unter Bedingungen, die durch die Rotationsrate bestimmt werden. Bei CVD-Anwendungen wird diese Optimierung die höchste Beschichtungsrate und Reaktions-Umsetzung erzielen, ohne die Gleichmäßigkeit oder Eigenschaften des Films zu mindern. Um diese Bedingungen herzustellen, entspricht dem Gesamt- Massenstrom des auf der Aufnahme-Oberfläche radial nach außen strömenden Gases ein gleicher Massenstrom des Gases, das entlang der Achse von dem Duschkopf in Richtung auf und gegen die Aufnahme-Oberfläche strömt. Die nach unten gerichtete Strömungsrate wird eingestellt und geregelt durch die Zuführrate des einströmenden Gases. Wenn die zugeführte Gas-Strömungsrate zu gering ist, wird die Aufnahme arm an Fluid, während sich das Fluid in der Nähe der Aufnahme-Oberfläche aufbaut, wenn die Gaszufuhr-Strömungsrate zu hoch ist. In beiden Fällen ist das Geschwindigkeitsprofil nicht von der exakten Form, um eine gleichmäßige Grenzschichtdicke in der Nähe der Aufnahme-Oberfläche herzustellen, und folglich werden die Vorteile der Rotation nicht vollständig verwirklicht. Bei einer gegebenen Temperatur, Druck und Zuführgas-Zusammensetzung sowie Aufnahme-Rotationsrate bietet eine Zuführgas-Strömungsrate oder ein schmaler Bereich von Zuführgas-Strömungsraten einen optimalen Betrieb. Diese Strömungsrate wird üblicherweise bezeichnet als die "passende Strömungsrate" für einen gegebenen Satz von Bedingungen. Diese kann theoretisch oder experimentell bestimmt werden für jedes Verfahren und jeden Reaktor und wird vorzugsweise zunächst theoretisch bestimmt und dann experimentell überprüft oder fein eingestellt. Für flächendeckende und selektive chemische Dampfbeschichtung von Wolfram liegt eine Zuführgas-Strömungsrate im allgemeinen im Bereich von etwa 0.5 Norm- Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) bis 5.0 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) für die oben diskutierten Temperaturen, Drükke, Gaszusammensetzung und Drehgeschwindigkeiten. Beispielsweise ist für eine flächendeckende Wolfram-Beschichtung 0.1 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) von WF&sub6; und 2.0 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = s)pm) für HZ bei einem Gesamtstrom von 2.1 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) als bevorzugt gefunden worden für 425ºCelsius, 10.4 kN/m² (80 Torr) und 750 Umdrehungen pro Minute. Bei selektiver chemischer Damfbeschichtung von Wolfram-D sind 0.1 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) für SiH&sub4;, 0.15 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) für WF&sub6; und 2.75 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) für H&sub2; bei einem Gesamtstrom von 3.0 Norm-Liter pro Minute (standard litres per minute = slpm) für 280ºCelsius, 0.65 kN/m² (5 Torr) und 250 Umdrehungen pro Minute gefunden worden. Im allgemeinen muß die Strömungsrate erhöht werden, wenn Temperatur, Drehgeschwindigkeit und Viskosität erhöht werden oder wenn der Druck abnimmt, wenn die anderen Parameter konstant gehalten werden.
Während die obige, detaillierte Beschreibung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, ist für Fachleute ersichtlich, daß Variationen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von den erfindungsgemäßen Prinzipien abzuweichen. Diese erfindungsgemäßen Prinzipien beinhalten mehrere für die chemische Dampfbeschichtung besonders nützliche Konzepte, die auch nützlich für andere Wafer-Bearbeitungs-Anwendungen, insbesondere solchen sind, bei denen Material von einem Gas zu einem Wafer oder von einem Wafer zu einem Gas transportiert wird. Verschiedene Details des Reaktors und der beschriebenen Ausführungsformen können in ihrer Gestaltung modifiziert und mit der gleichen Struktur kombiniert werden. Beispielsweise ist die untere Plasma-Elektrode beschrieben worden und kombiniert worden mit einer Struktur, die ein Leitelement bildet. Auf ähnliche Weise kann die obere Plasma-Elektrode, während sie in einer separaten Struktur in den bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, mit einem Duschkopf kombiniert oder in diesem aufgenommen werden.

Claims

1. Vorrichtung (10) zum Bearbeiten von Halbleiter-Wafern mit einem abgedichteten Behälter (26), der einen Innenraum einschließt und Absaug-Mittel (18, 42) aufweist, die mit einem Ende des Innenraums zum Aufrechterhalten eines Vakuum-Druckniveaus in dem Innenraum verbunden sind, einer Aufnahme (40), die an einer Achse (37) in einem Bearbeitungs-Raum (25) in dem Innenraum des Behälters (26) gehalten ist und eine Wafer-Halte-Fläche (44) aufweist, die senkrecht zu der Achse (37) angeordnet ist, Gas-Einleitungs-Mitteln (35), die an einem Ende des Innenraums gegenüber der Aufnahme (40) und den Absaug-Mitteln (18, 42) angeordnet sind, Mitteln (30) zum Zuführen mindestens eines Prozeß-Gases zu den Gas-Einleitungs-Mitteln (35), wobei die Einleitungs-Mittel (35) beabstandet von der Wafer-Halte-Fläche (44) und im wesentlichen zentriert zu der Achse (37) angeordnet sind zum Leiten eines Stroms von Prozeß-Gas in den Bearbeitungs- Raum parallel zu der Achse (37) in Richtung auf und senkrecht zu der Wafer-Halte- Fläche (44) der Aufnahme (40), und mit von der Aufnahme (40) getragenen Mitteln zum Halten des Wafers zur Bearbeitung an der Bearbeitungs-Fläche, wobei eine zu beschichtende Oberfläche desselben an dieser zentriert ist und den Einleitungs- Mitteln (35) gegenüberliegt,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die gleichmäßig um die Achse verteilt sind zum Leiten des Gases in einer gleichmäßigen, nicht turbulenten Strömung von den Einleitungs-Mitteln (35) über den Wafer (165) und vorbei an der Aufnahme (40) zu den Absaug-Mitteln (18, 42), wobei die Leit-Mittel eine ringförmige Lippe (162, 170) an der Aufnahme (40) aufweisen, die die Wafer-Halte- Fläche (44) umgibt und eine innere Öffnung aufweist, die so bemessen ist, daß sie dicht beabstandet zu einem kreisförmigen äußeren Rand eines an der Wafer-Halte- Fläche (44) gehaltenen Wafers (165) ist, wobei die Lippe (162, 170) äußere Oberflächen-Mittel (161) aufweist, die fluchtend zu der Oberfläche (164) des Wafers (165) angeordnet sind zum Reduzieren der Turbulenz und von radialen thermischen Gradienten an dem Wafer (165) nahe dessen Rand.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei denen die Absaug-Mittel einen Absaug-Anschluß (42) aufweisen und die Vorrichtung ferner Leit-Mittel (90, 101, 102) aufweist, die die Achse (37) umgeben und axial zwischen der Wafer-Halte-Fläche (44) der Aufnahme und den Absaug- Mitteln (18, 42) angeordnet sind zum Erleichtern des Absaugens von Gas durch den Absaug-Anschluß (42), ohne Turbulenzen in dem Bearbeitungs-Raum (25) zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Leit-Mittel (90, 101, 102) eine Mehrzahl von axial beabstandeten Leitelementen aufweisen, die jeweils einen ringförmigen Kanal (92, 106, 107) um die Achse (37) definieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Kanäle (42, 106, 107) Querschnittsflächen aufweisen, die mit ihrer Nähe zu dem Absaug-Anschluß (42) abnehmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Bearbeitungs-Raum durch ein Behälter-Gehäuse (26) begrenzt ist und die Aufnahme (40) äußere Wand-Mittel (110) aufweist, die eine glatte äußere Form aufweisen, die so konturiert ist, daß turbulente Strömung des Gases in dem Bearbeitungs-Raum reduziert wird, wobei die Wand-Mittel von der Aufnahme von dem Gehäuse beabstandet sind, um einen Kanal (111) dazwischen zu bilden, der eine Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als die der Kanäle (92, 106, 107).

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung (10) ein CVD-Reaktor ist und das Prozeß-Gas mindestens ein Reaktions-Gas enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Oberflächen-Mittel (161) der Lippe (162, 170) eine Fläche aufweisen, die ausreichend ist, um als Spülmittel für nicht benutztes Reaktions-Gas zu dienen und aus einem Material besteht, auf dem das Reaktions-Gas kristallisiert, um eine Beschichtung hierauf zu bilden, wodurch die Menge von Reaktions-Gas, das über die Lippe (162, 170) hinaus in den Reaktions-Raum strömt, reduziert wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der die Vorrichtung ferner Mittel (156-158, 175, 176) zum Einleiten eines nicht reaktiven Gases zwischen der Lippe (162, 170) und dem Rand des Wafers (165) aufweist, um eine Strömung von reaktivem Gas von dem Wafer (165) zwischen der Lippe (162, 170) und dem Rand des Wafers zu verhindern, um dadurch die Ablagerung im Randbereich und unteren Bereich auf dem Wafer (165) zu reduzieren.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Wafer-Halte-Mittel (70-74, 117-121, 123) zum Einleiten einer Strömung von nicht reaktivem Gas zwischen dem Wafer (165) und der Wafer-Halte-Fläche (44) und zum Aufrechterhalten eines Vakuum-Drucks zwischen dem Wafer (165) und der Wafer-Halte-Fläche (44) aufweisen, um das Halten des Wafers an der Aufnahme (40) zu erleichtern.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das nicht reaktive Gas zwischen dem Wafer (165) und der Wafer-Halte- Fläche (44) auf einem Druck gehalten wird, der ausreichend ist, um eine Wärmeübertragung durch Gasleitung zwischen dem Wafer (165) und der Wafer-Halte- Fläche (44) bereitzustellen.

1 l. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit Mitteln (70, 74, 117, 121, 123) zum Einleiten eines nichtreaktiven Gases zwischen dem Wafer und der Wafer-Halte-Fläche mit einem Druck, der ausreichend ist, um eine Wärmeübertragung durch Gasleitung zwischen dem Wafer (165) und der Wafer-Halte-Fläche (44) bereitzustellen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der das nichtreaktive Gas zwischen dem Wafer (165) und der Wafer-Halte- Fläche (44) auf einem Druck zwischen 130 n/m² ein Tor und nicht mehr als erforderlich ist, gehalten wird, um eine Wärmeleitung zwischen dem Wafer (165) und der Halte-Fläche (44) durch Gasleitung zu bewirken.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Einleitungs-Mittel (170-74, 117-121, 123, 147, 156-158, 158a, 175, 176) für nicht reaktives Gas eine Zufuhr von Heliumgas aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Aufnahme-Lippe (162, 170) abgerundete kreisförmige äußere Rand-Mittel (178) zum Reduzieren von Turbulenz in dem Bearbeitungs-Raum (25) auf weist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Lippe (162, 170) lösbar an der Aufnahme (40) befestigt ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Lippe eine innere Öffnung aufweist, die so bemessen ist, daß sie dicht beabstandet zu einem kreisförmigen äußeren Rand des Wafers einer ersten Größe ist, der an der Wafer-Halte-Fläche gehalten wird, und die Vorrichtung ferner eine zweite, alternative Lippe (162, 170) aufweist, die eine innere Öffnung aufweist, die so bemessen ist, daß sie dicht beabstandet zu einem kreisförmigen äußeren Rand eines Wafers einer zweiten Größe ist, die sich von der ersten Größe unterscheidet, so daß die Aufnahme (40) zu Wafern unterschiedlicher Größen paßt, wobei die Lippen (162, 170) lösbar und austauschbar an der Aufnahme (140) befestigbar sind.

17. Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der abgedichtete Behälter ein abgedichtetes Gehäuse (26) aufweist, das einen Aufnahme-Befestiger (50) zum Halten der Aufnahme (40) aufweist, und die Vorrichtung Mittel (185) zum Heizen eines an der Halte-Fläche (44) gehaltenen Wafers (165) auf eine Bearbeitungs-Temperatur und Mittel (110, 130, 132, 136, 138, 140, 142, 143) zum Hemmen des Wärmestroms zwischen der Aufnahme (40) und dem Befestiger (50) und/ oder dem Gehäuse (26) aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei dem die Aufnahme (40) einen durch die Aufnahme-Wand (130) begrenzten Innenraum aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei dem die Aufnahme ein hohles Inneres aufweist und die Innenseite (132) der Aufnahme-Wand (130) hochreflektierende Oberflächenmittel zum Reduzieren der Wärmeübertragung zu der Wafer-Halte-Fläche (44) der Aufnahme und zu dem Aufnahme-Befestiger (50) aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die Außenseite (110) der Aufnahme-Wand (130) gering reflektierende Oberflächenmittel aufweist, um die Strahlung von Wärme fort von der Aufnahme (40) zu erhöhen, wodurch die Wärmeübertragung zwischen der Wafer-Halte-Fläche (44) und dem Befestiger (50) reduziert wird.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei der die Aufnahme-Wand (130) dünn ist, um eine Wärmeübertragung zwischen der Wafer-Halte-Fläche (44) und dem Befestiger (50) zu reduzieren.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei der der Befestiger (50) eine erste Montierstruktur (136, 138, 143) an der Aufnahme-Wand (130) und eine zweite an dem Befestiger (50) befestigte Montierstruktur (140, 142) aufweist, wobei die erste und zweite Montierstruktur in Kontakt miteinander sind und die zweite Montierstruktur eine reduzierte Querschnittsfläche aufweist, die eine geringe thermische Kontaktfläche an der Grenzfläche der ersten und zweiten Montierstruktur aufweist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, mit eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Montier-Mitteln (136, 138, 140, 142, 143) zwischen der Aufnahme (40) und dem Befestiger (50) zum Befestigen der Aufnahme (40) an dem Befestiger (50) und zum Bereitstellen einer thermischen Barriere, um eine Wärmeübertragung zwischen der Wafer-Halte-Fläche (44) und dem Befestiger (50) zu reduzieren.