DE69625615T2

DE69625615T2 - METHOD AND DEVICE FOR DEPOSITING PARYLENE AF4 ON SEMICONDUCTOR WAFERS

Info

Publication number: DE69625615T2
Application number: DE69625615T
Authority: DE
Inventors: F. Beach; Kermit Crain; A. Olson; John Wary
Original assignee: Specialty Coating Systems Inc
Current assignee: Specialty Coating Systems Inc
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2016-10-26
Also published as: DE69625615D1

Description

Background and summary of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht im Allgemeinen auf Beschichtungsvorrichtungen und -verfahren und insbesondere auf ihre Verwendung bei der Herstellung von Beschichtungen aus Parylen-Polymer.The present invention relates generally to coating apparatus and methods and more particularly to their use in the manufacture of parylene polymer coatings.

Parylen ist eine allgemeine Bezeichnung und ein eingetragenes Warenzeichen, das benutzt wird, um eine Kategorie von Poly-p-xylylenen zu beschreiben, die von einem Dimer abgeleitet werden, das die Struktur besitzt: Parylene is a generic name and registered trademark used to describe a category of poly-p-xylylenes derived from a dimer having the structure:

wobei X üblicherweise für Wasserstoff oder ein Halogen steht. Die am häufigsten verwendeten Formen von Parylen-Dimeren umfassen die folgenden: where X is usually hydrogen or a halogen. The most commonly used forms of parylene dimers include the following:

Parylen-Beschichtungen werden aus ihren zugehörigen Dimeren mittels eines weithin bekannten Aufdampfprozesses hergestellt, bei dem das Dimer verdampft, pyrolisiert, d. h. in ein dampfförmiges Monomer gespalten, und einem Beschichtungsraum zugeführt wird, in dem Monomermoleküle auf einem Substrat, das innerhalb des Beschichtungsraumes angeordnet ist, abgeschieden werden und polymerisieren. Der Prozeß läuft nach der folgenden Reaktion ab: Parylene coatings are produced from their corresponding dimers by a well-known vapor deposition process in which the dimer is evaporated, pyrolyzed, i.e. converted into a vaporous Monomer is split and fed into a coating chamber in which monomer molecules are deposited and polymerized on a substrate arranged within the coating chamber. The process proceeds according to the following reaction:

Wegen ihrer Fähigkeit, dünne Filme zu bilden und sich Substraten mit den unterschiedlichsten geometrischen Formen anzupassen, sind Parylen-Polymere ideal für eine Verwendung als konforme externe Beschichtung in einer großen Anzahl von Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel in der Elektronik, im Automobilbau und in der medizinischen Technik, geeignet.Because of their ability to form thin films and conform to substrates with a wide variety of geometric shapes, parylene polymers are ideal for use as conformal external coatings in a wide range of applications, such as electronics, automotive, and medical devices.

Octafluoro-[2,2] paracyclophan (Parylen-Dimer AF4) ist eine Fluor-substituierte Version des oben erwähnten Parylen-Dimers und besitzt die Struktur: Octafluoro-[2,2] paracyclophane (parylene dimer AF4) is a fluorine-substituted version of the above-mentioned parylene dimer and has the structure:

Es ist bekannt, daß Parylen-Beschichtungen, die mittels Aufdampfprozeß aus dem Dimer AF4 erzeugt werden, eine sehr hohe Schmelztemperatur (über 500ºC) und eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen (ungefähr 2,3). Diese Eigenschaften machen Parylen AF4 ideal geeignet für viele Hochtemperaturanwendungen einschließlich elektronischer Anwendungen und als mögliches dielektrisches Material für Zwischenlagen bei der Produktion von Halbleiterchips. Für die bekannten Parylen- Beschichtungssysteme, die für Parylen C, D und N verwendet werden, wird üblicherweise ein Kammersystem benutzt, das einen Verdampfungsraum, einen Pyrolyseraum, der mit dem Verdampfungsraum verbunden ist, und einen Beschichtungsraum umfaßt, der mit dem Pyrolyseraum verbunden ist, in dem der Monomerdampf auf einem Substrat abgeschieden und polymerisiert wird. Die bekannten Beschichtungssysteme umfassen ferner ein Vakuumsystem, das mit diesen Räumen zur Erzeugung subatmosphärischer Druckbedingungen innerhalb des Raumsystems verbunden ist.It is known that parylene coatings produced by vapor deposition from the dimer AF4 have a very high melting temperature (over 500ºC) and a very low dielectric constant (approximately 2.3). These properties make Parylene AF4 is ideally suited for many high temperature applications including electronic applications and as a possible dielectric material for interlayers in semiconductor chip production. The known parylene coating systems used for parylene C, D and N typically use a chamber system comprising an evaporation chamber, a pyrolysis chamber connected to the evaporation chamber and a coating chamber connected to the pyrolysis chamber in which the monomer vapor is deposited on a substrate and polymerized. The known coating systems further comprise a vacuum system connected to these chambers for generating subatmospheric pressure conditions within the chamber system.

Während die bekannten Parylen- Aufdampfvorrichtungen und die bekannten Beschichtungsparameter sehr effektiv sind, um Parylen C, D und N aufzudampfen, weist das AF4-Molekül derart spezielle Prozeßeigenschaften auf, daß die bekannten Parylen-Beschichtungssysteme nicht in der Lage sind, eine hinreichende Kontrolle des Aufdampfvorganges, gleichförmige Schichtdicken, eine optimale Materialausnutzung und Beschichtungs-Geschwindigkeiten zu gewährleisten, die den Anforderungen bei der Halbleiterchip-Herstellung, den Kostenstrukturen bei Halbleiterchips und den zeitlichen Rahmenbedingungen bei der Halbleiterchip-Herstellung gerecht werden. Daher besteht derzeit Bedarf an einem Parylen- Beschichtungssystem, das besonders für die Beschichtung mit Parylen-Polymeren, insbesondere mit Parylen AF4, geeignet ist, und an einem Verfahren zum Aufdampfen des Parylen-Polymers AF4 auf Halbleiterwafer.While the known parylene vapor deposition devices and the known coating parameters are very effective for vapor deposition of parylene C, D and N, the AF4 molecule has such special process properties that the known parylene coating systems are not able to ensure sufficient control of the vapor deposition process, uniform layer thicknesses, optimal material utilization and coating speeds that meet the requirements of semiconductor chip production, the cost structures of semiconductor chips and the time constraints of semiconductor chip production. Therefore, there is currently a need for a parylene coating system that is particularly suitable for coating with parylene polymers, in particular with parylene AF4, and for a method for vapor deposition of the parylene polymer AF4 onto semiconductor wafers.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Parylen- Beschichtungssystem zur Verfügung, das einen Verdampfungsraum, einen Pyrolyseraum, einen Post- Pyrolyseraum zum Auffangen von unpyrolysiertem Dimer vor dem Eintrag in den Beschichtungsraum, eine Beschichtungsglocke, die eine frusto-konische Form aufweist, eine Filterstruktur, die am Einlaß des Beschichtungsraumes angeordnet ist, eine geheizte und gekühlte Vorlagenträgeranordnung zur Aufnahme eines Halbleiterwafers im Beschichtungsraum, eine elektrostatische Klemm- oder Haltevorrichtung zum Haltern des Wafers in engem thermischen Kontakt mit dem Vorlagenträger, eine Quarzkristall- Aufdampfratenkontrollvorrichtung und eine Vakuum- Bypassanordnung umfaßt, bei der ein Vakuumventil mit hoher Durchlaßrate verwendet wird, um den Druck im Raumsystem schnell zu verringern, und ein Vakuumventil mit geringer Durchlaßrate verwendet wird, um während des Beschichtungsverfahrens das Vakuum im Beschichtungsraum aufrechtzuerhalten. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine atmosphärische Abschirmung, die die Vorrichtung vollständig umgibt, sowie eine Edelgasquelle, über die die atmosphärische Abschirmung mit einem Edelgas geflutet werden kann.The present invention provides a parylene coating system comprising an evaporation chamber, a pyrolysis chamber, a post-pyrolysis chamber for collecting unpyrolyzed dimer prior to entry into the coating chamber, a coating bell having a frusto-conical shape, a filter structure disposed at the inlet of the coating chamber, a heated and cooled template carrier assembly for receiving a semiconductor wafer in the coating chamber, an electrostatic clamp or holding device for holding the wafer in close thermal contact with the template carrier, a quartz crystal deposition rate control device, and a vacuum bypass assembly in which a high pass rate vacuum valve is used to rapidly reduce the pressure in the chamber system and a low pass rate vacuum valve is used to maintain the vacuum in the coating chamber during the coating process. The device further comprises an atmospheric shield that completely surrounds the device and a noble gas source through which the atmospheric shield can be flooded with a noble gas.

Der Verdampfungsraum, der Pyrolyseraum, der Post- Pyrolyseraum und das Vakuumsystem befinden sich in einer rechteckigen Gehäusestruktur. Der Vorlagenträger ist vorzugsweise auf einer Oberfläche des Gehäuses angeordnet, um die Plazierung und den Abbau der Wafer auf dem Vorlagenträger zu erleichtern. Die Beschichtungsglocke ist über dem Vorlagenträger gehaltert und gesichert, um den Beschichtungsraum abzuschließen.The evaporation chamber, pyrolysis chamber, post-pyrolysis chamber and vacuum system are located in a rectangular enclosure structure. The master carrier is preferably located on a surface of the enclosure to facilitate placement and removal of wafers on the master carrier. The coating bell is supported and secured above the master carrier to enclose the coating chamber.

Die Vorlagenträgeranordnung enthält einen thermisch leitenden Vorlagenträger, eine Anzahl elektrischer Heizelemente zum Aufheizen des Vorlagenträgers auf eine vorgegebene Temperatur und eine Kühl-Baugruppe zum Abkühlen des Vorlagenträgers auf eine vorgegebene Temperatur. Das Heizen und das Abkühlen eines auf dem Vorlagenträger angeordneten Wafers wird mittels Wärmeübertragung durch Kontakt mit dem Vorlagenträger realisiert. Die Kühl-Baugruppe enthält eine Wärmeaustauschspule, die in engem thermischen Kontakt mit dem Vorlagenträger angeordnet ist, und sie enthält ferner eine Wärmeaustauschpumpe, um eine Kühlflüssigkeit in der Wärmeaustauschspule umzuwälzen. Bei Betrieb wird die Kühlflüssigkeit so in der Wärmeaustauschspule verteilt, daß die Temperatur des auf der Oberfläche des Vorlagenträgers befindlichen Wafers auf eine gewünschte Temperatur abgesenkt werden kann. Die Heizelemente dienen dazu, den Wafer rasch aufzuheizen, d. h., die Temperatur des Vorlagenträgers vor dem Ausbau des Wafers aus dem Beschichtungsraum zurück auf Raumtemperatur zu bringen.The template carrier assembly includes a thermally conductive template carrier, a number electrical heating elements for heating the template carrier to a predetermined temperature and a cooling assembly for cooling the template carrier to a predetermined temperature. The heating and cooling of a wafer arranged on the template carrier is achieved by means of heat transfer through contact with the template carrier. The cooling assembly contains a heat exchange coil which is arranged in close thermal contact with the template carrier and it further contains a heat exchange pump for circulating a cooling liquid in the heat exchange coil. In operation, the cooling liquid is distributed in the heat exchange coil so that the temperature of the wafer on the surface of the template carrier can be reduced to a desired temperature. The heating elements serve to heat the wafer quickly, ie to bring the temperature of the template carrier back to room temperature before the wafer is removed from the coating room.

Die elektrostatische Spannvorrichtung für das elektrostatische Spannen des Halbleiterwafers ist auf der Oberfläche des Vorlagenträgers angeordnet, um den Wafer in engem thermischen Kontakt mit dem Vorlagenträger zu halten. Da die Wafertemperatur hauptsächlich mittels Wärmeübertragung vom Vorlagenträger gesteuert wird, ist es wichtig, einen engen thermischen Kontakt der Wafer mit der Vorlagenträgeroberfläche aufrechtzuerhalten.The electrostatic chuck for electrostatically chucking the semiconductor wafer is arranged on the surface of the template carrier to keep the wafer in close thermal contact with the template carrier. Since the wafer temperature is mainly controlled by heat transfer from the template carrier, it is important to maintain close thermal contact of the wafer with the template carrier surface.

Im Betrieb wird der Wafer auf den Vorlagenträger aufgelegt und in seiner Position durch die elektrostatische Spann- oder Klemmvorrichtung festgeklemmt, die an der Oberfläche des Vorlagenträgers angeordnet ist. Die Beschichtungsglocke wird über den vorlagenträger gesetzt, um den Beschichtungsraum abzuschließen, und danach wird der atmosphärische Abschirmrahmen mit einem Edelgas geflutet, um um die Vorrichtung herum eine inerte Atmosphäre zu erzeugen. Dann wird im gesamten System ein Vakuum erzeugt, wobei gleichzeitig der Wafer auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Das Parylen-Polymer wird dann in herkömmlichen Verfahrensschritten, d. h. durch Verdampfen des Dimers, Aufspalten des gasförmigen Dimers in die monomere Form und Leiten des reaktiven Monomers über die Oberfläche des Wafers, auf dem Wafer abgeschieden. Vor der Entnahme des Wafers aus dem Beschichtungsraum wird der Wafer wieder auf Raumtemperatur aufgeheizt, um Kondensation auf dem Wafer zu vermeiden. Falls gewünscht, kann der Wafer weiter auf eine vorgegebene Temper-Temperatur aufgeheizt werden, um das abgeschiedene Parylen-Polymer zu tempern. Der Wafer wird danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt und aus dem Beschichtungsraum entnommen.In operation, the wafer is placed on the template carrier and clamped in position by the electrostatic chuck or clamping device arranged on the surface of the template carrier. The coating bell is placed over the template carrier to close the coating space and then the atmospheric Shield frame is flooded with an inert gas to create an inert atmosphere around the device. A vacuum is then created throughout the system while simultaneously cooling the wafer to the desired temperature. The parylene polymer is then deposited on the wafer in conventional process steps, i.e. by evaporating the dimer, splitting the gaseous dimer into the monomeric form and passing the reactive monomer over the surface of the wafer. Before removing the wafer from the coating chamber, the wafer is heated back to room temperature to avoid condensation on the wafer. If desired, the wafer can be heated further to a predetermined annealing temperature to anneal the deposited parylene polymer. The wafer is then cooled back to room temperature and removed from the coating chamber.

Demgemäß gehören zu den Aufgaben der vorliegenden Erfindung: die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Beschichtung mit Parylen, die für eine schnelle und leistungsfähige Beschichtung von Parylen AF4 auf Siliziumwafern bei der Herstellung von Halbleitern geeignet ist; die Bereitstellung einer Beschichtungsvorrichtung für Parylen einschließlich eines atmosphärischen Abschirmrahmens, der die Vorrichtung umgibt, und einer Edelgasquelle zum Fluten des Abschirmrahmens während des Evakuierens und des eigentlichen Beschichtungprozesses; die Bereitstellung einer Beschichtungsvorrichtung für Parylen einschließlich eines beheizten und gekühlten Vorlagenträgers für die Aufnahme der Wafer im Beschichtungsraum und für das Steuern der Temperatur der Wafer während des Beschichtungverfahrens und die weitere Bereitstellung eines Verfahrens für eine schnelle, leistungsfähige und kosteneffektive Aufbringung von Parylen AF4 auf die Oberfläche von Siliziumwafern.Accordingly, the objects of the present invention include: providing a device and a method for coating with parylene, which is suitable for a rapid and efficient coating of parylene AF4 on silicon wafers in the manufacture of semiconductors; providing a coating device for parylene including an atmospheric shielding frame surrounding the device and a noble gas source for flooding the shielding frame during the evacuation and the actual coating process; providing a coating device for parylene including a heated and cooled template carrier for receiving the wafers in the coating room and for controlling the temperature of the wafers during the coating process and further providing a method for a Fast, efficient and cost-effective deposition of Parylene AF4 onto the surface of silicon wafers.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Beschichtungsvorrichtung für Parylen bereit gestellt, die folgendes umfaßt: einen Verdampfungsraum; einen Pyrolyseraum, der in flüssigkeitsleitender Verbindung mit dem besagten Verdampfungsraum steht; einen Beschichtungsraum, der in flüssigkeitsleitender Verbindung mit dem besagten Pyrolyseraum steht; einen in dem besagten Beschichtungsraum angeordneten thermisch leitenden Vorlagenträger zum Haltern eines zu beschichtenden Gegenstandes; eine Vorrichtung zum Verringern der Temperatur des thermisch leitenden Vorlagenträgers derart, daß der Gegenstand, der darauf gehaltert ist, auf eine Temperatur unterhalb von 15ºC abgekühlt werden kann; wobei die Vorrichtung weiterhin eine Heizung zum Aufheizen des thermisch leitenden Vorlagenträgers auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 400ºC vor der Entnahme des Gegenstandes aus dem Beschichtungsraum umfaßt.According to a first aspect of the present invention, there is provided a parylene coating apparatus comprising: an evaporation chamber; a pyrolysis chamber in fluid communication with said evaporation chamber; a coating chamber in fluid communication with said pyrolysis chamber; a thermally conductive template carrier arranged in said coating chamber for holding an object to be coated; a device for reducing the temperature of the thermally conductive template carrier such that the object held thereon can be cooled to a temperature below 15°C; the device further comprising a heater for heating the thermally conductive template carrier to a temperature between 100°C and 400°C before removing the object from the coating chamber.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Beschichtungsraum für Parylen zur Verfügung gestellt, der folgendes umfaßt: einen Körper mit einer Einlaßöffnung mit einem ersten Durchmesser und wenigstens einer Auslaßöffnung mit einem zweiten Durchmesser, wobei der Durchmesser der Einlaßöffnung größer ist als der Durchmesser der wenigstens einen Auslaßöffnung; ein Einlaßrohr, das in flüssigkeitsleitender Verbindung mit der Einlaßöffnung steht; ein Auslaßrohr, das in flüssigkeitsleitender Verbindung mit der wenigstens einen Auslaßöffnung steht; ein Ventil, das an einer Verzweigung zwischen dem Einlaßrohr und dem Auslaßrohr angeordnet ist;According to a second aspect of the invention, there is provided a parylene coating chamber comprising: a body having an inlet opening having a first diameter and at least one outlet opening having a second diameter, the diameter of the inlet opening being larger than the diameter of the at least one outlet opening; an inlet tube in fluid communication with the inlet opening; an outlet tube in fluid communication with the at least one outlet opening; a valve arranged at a junction between the inlet tube and the outlet tube;

einen thermisch leitenden Vorlagenträger für das Haltern eines zu beschichtenden Gegenstandes; eine Vorrichtung zur Verringerung der Temperatur des thermisch leitenden Vorlagenträgers derart, daß der Gegenstand, der darauf gehaltert wird, auf eine Temperatur unter 15ºC abgekühlt werden kann; und der weiterhin eine Heizung für das Aufheizen des thermisch leitenden Vorlagenträgers auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 400ºC vor der Entnahme des Gegenstandes aus dem Beschichtungsraum umfaßt.a thermally conductive template carrier for holding an object to be coated; a device for reducing the temperature of the thermally conductive template carrier such that the object held thereon can be cooled to a temperature below 15ºC; and which further comprises a heater for heating the thermally conductive template carrier to a temperature between 100ºC and 400ºC before removing the object from the coating chamber.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Vakuumsystem zur Verfügung gestellt, das folgendes umfaßt: einen Verdampfungsraum mit einem Auslaß; einen Pyrolyseraum mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der Einlaß des Pyrolyseraumes in flüssigkeitsleitender Verbindung mit dem Auslaß des Verdampfungsraumes steht; und einen Parylen- Beschichtungsraum, der folgendes umfaßt: einen Körper mit einer Einlaßöffnung mit einem ersten Durchmesser und wenigstens einer Auslaßöffnung mit einem zweiten Durchmesser, wobei der Durchmesser der Einlaßöffnung größer ist als der Durchmesser der wenigstens einen Auslaßöffnung; wobei die Einlaßöffnung in flüssigkeitsleitender Verbindung mit dem Auslaß des Pyrolyseraumes steht; ein Einlaßrohr, das in flüssigkeitsleitender Verbindung mit der Einlaßöffnung steht; ein Auslaßrohr, das in flüssigkeitsleitender Verbindung mit der Auslaßöffnung steht; ein Ventil, das an einer Verzweigung zwischen dem Einlaßrohr und dem Auslaßrohr angeordnet ist; einen thermisch leitenden Vorlagenträger für das Haltern eines zu beschichtenden Gegenstandes; eine Vorrichtung zur Verringerung der Temperatur des thermisch leitenden Vorlagenträgers derart, daß der Gegenstand, der darauf gehaltert wird, auf eine Temperatur unter 15ºC abgekühlt werden kann; und der weiterhin eine Heizung für das Aufheizen des thermisch leitenden Vorlagenträgers auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 400ºC vor der Entnahme des Gegenstandes aus dem Beschichtungsraum umfaßt.According to a third aspect of the present invention there is provided a vacuum system comprising: an evaporation chamber having an outlet; a pyrolysis chamber having an inlet and an outlet, the inlet of the pyrolysis chamber being in fluid communication with the outlet of the evaporation chamber; and a parylene coating chamber comprising: a body having an inlet opening having a first diameter and at least one outlet opening having a second diameter, the diameter of the inlet opening being larger than the diameter of the at least one outlet opening; the inlet opening being in fluid communication with the outlet of the pyrolysis chamber; an inlet tube being in fluid communication with the inlet opening; an outlet tube being in fluid communication with the outlet opening; a valve arranged at a junction between the inlet tube and the outlet tube; a thermally conductive template carrier for holding an object to be coated; means for reducing the temperature of the thermally conductive substrate so that the article supported thereon can be cooled to a temperature below 15ºC; and further comprising a heater for heating the thermally conductive template carrier to a temperature between 100ºC and 400ºC prior to removal of the article from the coating chamber.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird einer Verfahren zur Herstellung einer Parylen-Beschichtung auf einem Substrat in einem Beschichtungsraum bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: das Verdampfen des Parylen-Dimers; das Pyrolysieren des Parylen-Dimers, um Parylen-Monomere zu bilden; das Abkühlen des Substrates auf eine Temperatur unterhalb von 15ºC; das Abscheiden der Parylen-Monomere auf dem Substrat und das Aufheizen des Substrates auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 400ºC vor seiner Entnahme aus dem Beschichtungsraum.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of producing a parylene coating on a substrate in a coating chamber, the method comprising the steps of: evaporating the parylene dimer; pyrolyzing the parylene dimer to form parylene monomers; cooling the substrate to a temperature below 15°C; depositing the parylene monomers on the substrate and heating the substrate to a temperature between 100°C and 400°C prior to removing it from the coating chamber.

Andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich werden.Other objects, features and advantages of the invention will become apparent from the following description.

Description of the preferred embodiment

Es folgt ein nicht-einschränkendes Beispiel einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.The following is a non-limiting example of a possible embodiment of the invention.

Wie im folgenden ausführlich beschrieben wird, dient die vorliegende Parylen-Beschichtungsvorrichtung der schnellen und leistungsfähigen Abscheidung von Parylen-AF4-Material auf der Oberfläche eines Siliziumwafers. Die Parylen-Beschichtungsvorrichtung weist insgesamt einen Vorlagenträger für das Haltern eines Halbleiterwafers, einen Verdampfungsraum, einen Pyrolyseraum, einen Post-Pyrolyseraum, eine Beschichtungsglocke, eine Vakuumpumpe und eine Kühlfalle auf. Der Verdampfungsraum, der Pyrolyseraum, der Post-Pyrolyseraum, die Vakuumpumpe und die Kühlfalle befinden sich in einer rechteckigen Gehäusestruktur.As described in detail below, the present parylene coating device serves for the rapid and efficient deposition of parylene AF4 material on the surface of a silicon wafer. The parylene coating device comprises a template carrier for holding a semiconductor wafer, an evaporation chamber, a pyrolysis chamber, a post-pyrolysis chamber, a coating bell, a vacuum pump and a cold trap. The evaporation chamber, the pyrolysis chamber, the post-pyrolysis chamber, the vacuum pump and the Cold traps are located in a rectangular housing structure.

Die Vorrichtung enthält weiterhin einen atmosphärischen Abschirmrahmen, der die gesamte Vorrichtung vollständig umgibt, und eine Quelle für Stickstoffgas, das in den Abschirmrahmen durch ein geeignetes Rohr eingeleitet wird. Der vorlagenträger ist vorzugsweise auf einer oberen Wand des Gehäuses angeordnet, um die Plazierung der Wafer auf und deren Entnahme vom Vorlagenträger zu erleichtern. Die Beschichtungsglocke wird über den Vorlagenträger gestülpt und gesichert, um so einen Beschichtungsraum zu bilden. Die Beschichtungsglocke und die dazugehörigen Einlaß- und Auslaßrohre sind vorzugsweise als eine einzelne abnehmbare Einheit ausgebildet und sind derart angeordnet, daß eine Passung zwischen der Beschichtungsglocke und der Oberfläche des Vorlagenträgers sowie zwischen den Einlaß- und Auslaßrohren und entsprechenden Befestigungen an der oberen Wand des Gehäuses gebildet wird. Die abnehmbare Beschichtungsglocke erleichtert weiterhin den Zugang zum Vorlagenträger für die Plazierung und die Entnahme der Wafer.The apparatus further includes an atmospheric shield frame completely surrounding the entire apparatus and a source of nitrogen gas introduced into the shield frame through a suitable tube. The template carrier is preferably located on a top wall of the housing to facilitate the placement of wafers on and removal from the template carrier. The coating bell is fitted over the template carrier and secured to form a coating chamber. The coating bell and associated inlet and outlet tubes are preferably formed as a single removable unit and are arranged to form a fit between the coating bell and the surface of the template carrier and between the inlet and outlet tubes and corresponding attachments on the top wall of the housing. The removable coating bell further facilitates access to the template carrier for placement and removal of wafers.

Die Vorlagenanordnung umfaßt einen thermisch leitenden Vorlagenträger, der eine Stützfläche für die Halterung der zu beschichtenden Wafer, eine Anzahl elektrischer Heizelemente für das Aufheizen des Vorlagenträgers auf eine vorgegebene Temperatur und eine Kühl-Baugruppe für das Abkühlen des Vorlagenträgers auf eine vorgegebene Temperatur aufweist. Es hat sich gezeigt, daß Parylen-AF4-Dampf am effektivsten auf Oberflächen kondensiert oder polymerisiert, die auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur abgekühlt worden sind, vorzugsweise unter ungefähr 0ºC, bevorzugt unter ungefähr -45ºC und insbesondere unter ungefähr -80ºC. Der Vorlagenträger der vorliegenden Erfindung bildet eine wirkungsvolle Oberfläche für das Haltern eines Halbleiterwafers in der Beschichtungsglocke, außerdem stellt er wirkungsvolle Mittel zum Aufheizen und Abkühlen der Wafer auf die gewünschten Temperaturen während des Beschichtungsprozesses zur Verfügung. Insbesondere wird das Aufheizen und das Abkühlen eines Wafers mittels Wärmeübertragung durch Kontakt mit dem Vorlagenträger erreicht. Der Vorlagenträger besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material, das sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweist. In dieser Hinsicht sind Messing und Kupfer geeignete metallische Materialien für den Aufbau des Vorlagenträgers. Die Heizelemente für das Aufheizen des Vorlagenträgers enthalten elektrische Patronenheizelemente, die in radial sich erstreckende Öffnungen eingesetzt sind, die in einem Teil des Vorlagenträgers angebracht sind. Die Kühl-Baugruppe enthält eine Wärmeaustauschspule, die in engem thermischen Kontakt mit dem Teil des Vorlagenträgers angeordnet ist, und enthält weiterhin eine Wärmeaustauschpumpe, die zum Umwälzen einer Kühlflüssigkeit in der Wärmeaustauschspule dient. Die Besonderheiten des Aufbaus von Wärmeaustauschspulen und Wärmeaustauschpumpen sind im Bereich der Wärmeübertragungstechnik bereits allgemein bekannt und sollen demzufolge hier nicht weiter beschrieben werden. Im Betrieb wird die Kühlflüssigkeit durch die Wärmeaustauschspule gefördert, um die Temperatur der Wafer auf der Oberfläche des Vorlagenträgers auf eine gewünschte Temperatur zu senken. Sobald der Wafer die gewünschte Temperatur angenommen hat, kann der Beschichtungsprozeß durchgeführt werden. Da jedoch der wafer jetzt gekühlt ist, d. h. kälter als die Raumtemperatur ist, kann der Wafer anschließend nicht sofort aus dem Beschichtungsraum entnommen werden, weil die Luftfeuchtigkeit auf dem gekühlten Wafer kondensieren würde. In diesem Zusammenhang sind die Heizelemente besonders wirkungsvoll, da sie den Wafer schnell aufheizen, d. h., die Temperatur des Vorlagenträgers vor der Entnahme des Wafers aus dem Beschichtungsraum wieder auf Raumtemperatur bringen. Dieses Verfahren beseitigt effektiv jede Möglichkeit einer auf den Wafern sich bildenden Kondensation. Es wird auch erwogen, daß es wirkungsvoll sein kann, wenn die Heizelemente die Temperatur der Wafer bis auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, vorzugsweise über ungefähr 100ºC und insbesondere zwischen ungefähr 100ºC und ungefähr 470ºC, zum Tempern der Parylen- Beschichtung nach erfolgter Beschichtung weiter anheben.The template assembly includes a thermally conductive template carrier having a support surface for supporting the wafers to be coated, a number of electrical heating elements for heating the template carrier to a predetermined temperature, and a cooling assembly for cooling the template carrier to a predetermined temperature. It has been found that parylene AF4 vapor condenses or polymerizes most effectively on surfaces that have been cooled to a temperature below room temperature, preferably below about 0°C, more preferably below about -45°C and particularly below about -80°C. The master carrier of the present invention provides an effective surface for supporting a semiconductor wafer in the coating bell, and also provides an effective means for heating and cooling the wafers to the desired temperatures during the coating process. In particular, heating and cooling of a wafer is achieved by heat transfer through contact with the master carrier. The master carrier is preferably made of a metallic material having very good heat transfer properties. In this regard, brass and copper are suitable metallic materials for the construction of the master carrier. The heating elements for heating the master carrier include electrical cartridge heaters inserted into radially extending openings formed in a portion of the master carrier. The cooling assembly includes a heat exchange coil disposed in close thermal contact with the portion of the master carrier, and further includes a heat exchange pump for circulating a cooling fluid in the heat exchange coil. The special features of the construction of heat exchange coils and heat exchange pumps are already generally known in the field of heat transfer technology and will therefore not be described further here. During operation, the cooling liquid is pumped through the heat exchange coil in order to reduce the temperature of the wafer on the surface of the template carrier to a desired temperature. As soon as the wafer has reached the desired temperature, the coating process can be carried out. However, since the wafer is now cooled, ie colder than the room temperature, the wafer cannot then be immediately removed from the coating chamber because the atmospheric moisture would condense on the cooled wafer. In this connection, the heating elements are particularly effective because they heat the wafer quickly, i.e., bring the temperature of the master carrier back to room temperature before the wafer is removed from the coating chamber. This method effectively eliminates any possibility of condensation forming on the wafers. It is also contemplated that it may be effective if the heating elements further raise the temperature of the wafers to a temperature above room temperature, preferably above about 100ºC, and more preferably between about 100ºC and about 470ºC, for annealing the parylene coating after coating has taken place.

Die Vorlagenträgeranordnung enthält weiterhin eine elektrostatische Spannvorrichtung, um den Halbleiterwafer in engem thermischen Kontakt mit der Oberfläche des Vorlagenträgers elektrostatisch festzuklemmen. Da die Wafertemperatur hauptsächlich mittels Wärmeübertragung vom Vorlagenträger gesteuert wird, ist es wichtig, einen engen thermischen Kontakt des Wafers mit der Vorlagenträgeroberfläche sicherzustellen. Die elektrostatische Spannvorrichtung stellt eine extrem einfache Möglichkeit dar, einen engen thermischen Kontakt ohne lästige mechanische Spannvorrichtungen zu gewährleisten. Die elektrostatische Spannvorrichtung ist auf der Oberfläche des Vorlagenträgers angeordnet und enthält einen digital aufgedruckten Kondensator, der zwischen zwei Beschichtungen aus einem thermisch leitenden dielektrischen Material angeordnet ist. Der Kondensator wird durch eine herkömmliche Stromquelle mit isolierten Leitungen geladen, die durch den Vorlagenträger hindurchtreten und die an den Kondensator angeschossen sind. Die speziellen Merkmale einer elektrostatischen Spannvorrichtung der hier verwendeten Art sind im U. S. Patent Nr. 4,184,188 beschrieben.The master carrier assembly further includes an electrostatic chuck to electrostatically clamp the semiconductor wafer in close thermal contact with the surface of the master carrier. Since the wafer temperature is controlled primarily by heat transfer from the master carrier, it is important to ensure close thermal contact of the wafer with the master carrier surface. The electrostatic chuck provides an extremely simple way to ensure close thermal contact without cumbersome mechanical chucks. The electrostatic chuck is disposed on the surface of the master carrier and includes a digitally printed capacitor sandwiched between two coatings of a thermally conductive dielectric material. The capacitor is powered by a conventional power source with isolated leads which pass through the document carrier and which are connected to the capacitor. The specific features of an electrostatic chuck of the type used here are described in US Patent No. 4,184,188.

Der Verdampfungsraum umfaßt ein zylinderförmiges Gehäuse mit einem Einlaßende und einem Auslaßende. Das Einlaßende des Gehäuses ist mit einer schwenkbar gehalterten Tür versehen, die an einem Flansch des Gehäuses angebracht ist. Die schwenkbare Tür ist zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position bewegbar, um einen wählbaren Zugang zum Inneren des Gehäuses für eine Plazierung von Parylen- AF4-Dimer im Verdampfungsraum zu ermöglichen. Um eine Vakuumdichtung an der Türöffnung zu erreichen, ist die Tür mit einer elastomeren Dichtung versehen. Innerhalb des Verdampfungsraumes ist eine Dimer- Aufheizvorrichtung angeordnet, die für die Verdampfung des Dimers vorgesehen ist.The vaporization chamber comprises a cylindrical housing having an inlet end and an outlet end. The inlet end of the housing is provided with a pivotally mounted door attached to a flange of the housing. The pivotally mounted door is movable between an open and a closed position to allow selective access to the interior of the housing for placement of parylene AF4 dimer in the vaporization chamber. To achieve a vacuum seal at the door opening, the door is provided with an elastomeric seal. A dimer heater is arranged within the vaporization chamber and is provided for vaporizing the dimer.

Das pulverförmige AF4-Dimer wird in einen entfernbaren Dimertiegel eingebracht, der seinerseits in einer Wärmeübertragungsaufnahmewanne angeordnet ist. Alternativ dazu kann das Dimer direkt in der Aufnahmewanne angeordnet werden. Der Dimertiegel und die Aufnahmewanne bestehen vorzugsweise aus einem thermisch leitenden Metall, und der Dimertiegel ist vorzugsweise so bemessen, daß er in die Aufnahmewanne in engem thermischen Kontakt mit der Aufnahmewanne paßt, so daß die Wärme durch Kontakt von der Aufnahmewanne ohne Probleme auf den Dimertiegel übergeht. Die Wärmeübertragungsaufnahmewanne wird vorzugsweise durch eine Anzahl elektrischer Heizelemente aufgeheizt, die an der Aufnahmewanne in engem thermischen Kontakt mit der Aufnahmewanne angeordnet sind. Die elektrischen Heizelemente enthalten eine Chromnickeldrahtanordnung, die geeignet isoliert und um die Aufnahmewanne herum gewickelt ist. Die elektrischen Heizelemente ermöglichen es, die Aufnahmewanne schnell auf eine Temperatur aufzuheizen, die für die Verdampfung des Dimers geeignet ist, wobei die Temperatur zwischen ungefähr 70ºC und über 100ºC liegt. Daraus ergibt sich, daß die Dimeraufheizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine schnelle und leistungsfähige Aufheizung des Dimers auf die erforderliche Verdampfungstemperatur ermöglicht.The powdered AF4 dimer is placed in a removable dimer crucible which is itself placed in a heat transfer receptacle. Alternatively, the dimer can be placed directly in the receptacle. The dimer crucible and receptacle are preferably made of a thermally conductive metal and the dimer crucible is preferably sized to fit in the receptacle in close thermal contact with the receptacle so that heat is readily transferred by contact from the receptacle to the dimer crucible. The heat transfer receptacle is preferably heated by a number of electrical heating elements which are arranged on the receptacle in close thermal contact with the receptacle. The electrical heating elements comprise a chromium nickel wire arrangement suitably insulated and wound around the receiving pan. The electrical heating elements enable the receiving pan to be heated rapidly to a temperature suitable for vaporization of the dimer, the temperature being between about 70°C and over 100°C. It can be seen that the dimer heating device according to the present invention enables rapid and efficient heating of the dimer to the required vaporization temperature.

Die Dimeraufheizvorrichtung umfaßt weiterhin eine Abkühlvorrichtung für ein schnelles Abkühlen der Wärmeübertragungsaufnahmewanne auf eine Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur des Dimers. Die Abkühlvorrichtung umfaßt eine Wärmeaustauschspule, die in engem thermischen Kontakt mit der Wärmeübertragungsaufnahmewanne angeordnet ist, und eine Wärmeaustauschpumpe für das Umwälzen einer Kühlflüssigkeit in der Wärmeaustauschspule. Die Einzelheiten des Aufbaus von Wärmeaustauschspulen und Wärmeaustauschpumpen sind im Bereich der Wärmeübertragungstechnik allgemein bekannt und sollen deshalb hier nicht weiter beschrieben werden. Um die Aufdampfrate des Parylen AF4 auf den Wafer effektiv zu kontrollieren, muß die Verdampfungsrate des Dimers in das Beschichtungssystem hinein kontrolliert werden. In diesem Zusammenhang kann die Abkühlvorrichtung verwendet werden, um das Dimer schnell abzukühlen und um die Verdampfung zu beenden, d. h., die Verdampfungsrate zu verringern. Idealerweise würde die umgewälzte Flüssigkeit bei einer Temperatur nur geringfügig unterhalb der Verdampfungstemperatur gehalten werden, so daß die Temperatur der Wärmeübertragungsaufnahmewanne nur auf einen Wert abfallen würde, der ausreicht, um die Verdampfung zu beenden. Der daraus resultierende Temperaturabfall kann nur wenige Grad betragen. Dementsprechend ist ersichtlich, daß die Aufheiz- und die Abkühlvorrichtung es ermöglichen, die Temperatur der Wärmeübertragungsaufnahmewanne ober- und unterhalb der Verdampfungstemperatur rasch zu zyklieren, um die Verdampfungsrate des Dimers effektiv zu steuern.The dimer heating device further comprises a cooling device for rapidly cooling the heat transfer receiving pan to a temperature below the evaporation temperature of the dimer. The cooling device comprises a heat exchange coil arranged in close thermal contact with the heat transfer receiving pan and a heat exchange pump for circulating a cooling liquid in the heat exchange coil. The details of the construction of heat exchange coils and heat exchange pumps are well known in the field of heat transfer technology and will therefore not be described further here. In order to effectively control the rate of deposition of the parylene AF4 onto the wafer, the evaporation rate of the dimer into the coating system must be controlled. In this connection, the cooling device can be used to rapidly cool the dimer and to stop the evaporation, i.e., to reduce the evaporation rate. Ideally, the circulating liquid would be maintained at a temperature only slightly below the evaporation temperature so that the temperature of the heat transfer receiving pan only drops to a value sufficient to complete evaporation. The resulting temperature drop may be only a few degrees. Accordingly, it can be seen that the heating and cooling devices enable the temperature of the heat transfer receiving pan to be rapidly cycled above and below the evaporation temperature to effectively control the evaporation rate of the dimer.

Das Auslaßende des Verdampfungsraumes ist mit einer Einlaßöffnung des Pyrolyseraumes über ein Rohr verbunden. Das Rohr, das sich zwischen dem Verdampfungsraum und dem Pyrolyseraum erstreckt, weist vorzugsweise ein Drosselventil zum Steuern des Flusses des verdampften Dimers in den Pyrolyseraum auf. Beim Beschichten hat es sich als nützlich erwiesen, ein Drosselventil vorzusehen, um den Fluß des verdampften Dimers in den Pyrolyseraum sofort zu unterbrechen und um so den Beschichtungsprozeß zu beenden. Wenn es im Betrieb gewünscht wird, den Beschichtungsprozeß zu beenden, d. h., wenn die gewünschte Beschichtungsstärke erreicht worden ist, wird das Drosselventil geschlossen, um weiteren Dampf daran zu hindern, durch das System zu strömen. Der beschichtete Gegenstand kann dann aus dem Beschichtungsraum entnommen werden und durch einen anderen zu beschichtenden Gegenstand ersetzt werden. In diesem Zusammenhang ist es, wenn das Drosselventil geschlossen wird, um den Fluß zu stoppen, wünschenswert, eine weitere Verdampfung von Dimer innerhalb des Verdampfungsraumes zu verhindern, da eine weitere Verdampfung den Druck innerhalb des Verdampfungsraumes erhöhen und einen Schwall vonn Dampf in das System hinein verursachen würde, sobald das Drosselventil wieder geöffnet würde. Dementsprechend wird die Abkühlvorrichtung benutzt, um das Dimer schnell abzukühlen und um die Verdampfung zu unterdrücken.The outlet end of the vaporization chamber is connected to an inlet port of the pyrolysis chamber via a pipe. The pipe extending between the vaporization chamber and the pyrolysis chamber preferably includes a throttle valve for controlling the flow of vaporized dimer into the pyrolysis chamber. During coating, it has been found useful to provide a throttle valve to immediately interrupt the flow of vaporized dimer into the pyrolysis chamber and thus terminate the coating process. In operation, when it is desired to terminate the coating process, ie, when the desired coating thickness has been achieved, the throttle valve is closed to prevent further vapor from flowing through the system. The coated article can then be removed from the coating chamber and replaced by another article to be coated. In this connection, when the throttle valve is closed to stop the flow, it is desirable to prevent further evaporation of dimer within the evaporation space, since further evaporation would increase the pressure within the evaporation space and cause a surge of vapor into the system once the throttle valve is opened again. Accordingly, the cooling device is used to cool the dimer to cool quickly and to suppress evaporation.

Der Pyrolyseraum nimmt das im Verdampfungsraum verdampfte Dimer auf und bewirkt ein weiteres Aufheizen des verdampften Dimers auf eine vorgegebene Pyrolysetemperatur, bei der das Dimer in die Monomerform aufgespaltet wird. Der Aufbau des Pyrolyseraumes ist herkömmlicher Stand der Technik, mit einem Rohr, dessen Wände durch eine elektrische Heizung geheizt werden. Die Rohrheizung dient dazu, den Pyrolyseraum auf einer Temperatur von ungefähr 650ºC und ungefähr 720ºC zu halten, vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 690ºC.The pyrolysis chamber receives the dimer evaporated in the evaporation chamber and causes further heating of the evaporated dimer to a predetermined pyrolysis temperature at which the dimer is split into the monomer form. The structure of the pyrolysis chamber is conventional, with a tube whose walls are heated by an electric heater. The tube heater serves to keep the pyrolysis chamber at a temperature of approximately 650ºC and approximately 720ºC, preferably at a temperature of approximately 690ºC.

Der Auslaß des Pyrolyseraumes ist mit einem Einlaß des Post-Pyrolyseraumes verbunden. Der Post- Pyrolyseraum umfaßt ein zylinderförmiges Gehäuse, in dessen Inneren eine Anzahl von Leitblechelementen angeordnet ist. Die aus dem Pyrolyseraum ankommenden Monomere passieren auf ihrem Weg zum Beschichtungsraum den Post-Pyrolyseraum, wobei der Post-Pyrolyseraum irgendwelche unpyrolysiert gebliebenen Dimere, die durch den Pyrolyseraum gelangt sind, wirkungsvoll zurückhält. Insbesondere wird der Post-Pyrolyseraum bei einer Temperatur von zwischen ungefähr 22ºC und über 28ºC und vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 25ºC gehalten (oberhalb der Raumtemperatur). Der Post-Pyrolyseraum wird mittels eines externen Ventilators auf der gewünschten Temperatur gehalten. Hinsichtlich des Abfangens von unpyrolysiertem Dimer hat es sich gezeigt, daß das unpyrolysierte Dimer, da es zweimal so schwer wie das reagierende Monomer ist, vorzugsweise im Post-Pyrolyseraum kondensiert oder sich ablagert, wenn der Post-Pyrolyseraum bei den angegebenen Temperaturen gehalten wird. Das Entfernen von unpyrolysiertem Dimer vor der Beschichtung ist bei der Beschichtung der Halbleiterwafer wichtig, da die unpyrolysierten Dimere eine Verunreinigung in der Polymer- Kette darstellen, die örtlich die Dielektrizitätskonstante und die Polymer- Oberflächeneigenschaften beeinträchtigen kann.The outlet of the pyrolysis chamber is connected to an inlet of the post-pyrolysis chamber. The post-pyrolysis chamber comprises a cylindrical housing inside which a number of baffle elements are arranged. The monomers arriving from the pyrolysis chamber pass through the post-pyrolysis chamber on their way to the coating chamber, the post-pyrolysis chamber effectively retaining any unpyrolyzed dimers which have passed through the pyrolysis chamber. In particular, the post-pyrolysis chamber is maintained at a temperature of between about 22ºC and above 28ºC, and preferably at a temperature of about 25ºC (above room temperature). The post-pyrolysis chamber is maintained at the desired temperature by means of an external fan. With regard to the capture of unpyrolyzed dimer, it has been found that the unpyrolyzed dimer, being twice as heavy as the reacting monomer, preferentially condenses or deposits in the post-pyrolysis chamber when the post-pyrolysis chamber is maintained at the specified temperatures. Removal of unpyrolyzed dimer prior to coating is the coating of semiconductor wafers, since the unpyrolyzed dimers represent an impurity in the polymer chain, which can locally impair the dielectric constant and the polymer surface properties.

Der Auslaß des Post-Pyrolyseraumes endet in einer Befestigung, die an der oberen Wand des Gehäuses angeordnet ist, und ist mit dem Einlaßrohr der Beschichtungsglocke verbunden. In dieser Hinsicht umfaßt das Einlaßrohr einen angepaßten Anschluß, der mit einer Paßverbindung an der Befestigung des Post- Pyrolyseauslasses in Eingriff gelangt, wenn die Beschichtungsglocke auf der Platte abgesetzt wird. Die Anschlüsse sind mit einer elastomeren Dichtung versehen, um eine vakuumdichte Verbindung herzustellen. Die Beschichtungsglocke besitzt eine frusto-konische Form mit einem kleineren Durchmesser am Einlaßende und einem größeren Durchmesser am Auslaßende. Das Auslaßende der Beschichtungsglocke wird von einer Kante gebildet, die mit einer entsprechenden Aufnahme an der stützenden Oberfläche des vorlagenträgers zusammenwirkt, um einen frusto-konisch geformten Beschichtungsraum zu bilden. Die spezielle Form der Beschichtungsglocke minimiert das Volumen des Beschichtungsraumes und maximiert den Dampffluß über die Oberfläche des Wafers, der auf dem Vorlagenträger nahe dem Auslaßende des Raumes gehaltert ist. Während die Glocke im vorliegenden Fall frusto-konisch ausgebildet ist, soll darauf hingewiesen werden, daß praktisch jede mögliche sich verjüngende Formgebung für die Glocke, wie eine pyramidale Form, die gewünschte Minimierung des Volumens und Maximierung des Dampfflusses liefern würde. Die Beschichtungsglocke umfaßt weiterhin eine Filteranordnung, die neben ihrem Einlaßende angeordnet ist, um Verunreinigungen im Dampf herauszufiltern. Die Filteranordnung ist innerhalb der Glocke positioniert und enthält ein Filterelement, das zwischen zwei sich gegenüberliegenden Ringen gehaltert ist, und ist an der Innenwand der Glocke mit passenden lösbaren Befestigungselementen, wie Schrauben, befestigt. Das Filterelement enthält vorzugsweise ein mikroskopisches Filtermaterial wie PTFE, das genügenden Gasfluß zuläßt und das geeignet ist, praktisch alle in der Luft vorhandenen Verunreinigungen, die eine Größe von mehr als 0,1 Mikrometer haben, herauszufiltern. Es sei angemerkt, daß der untere Ring für ein regelmäßiges Auswechseln des Filterelementes leicht entfernbar ist.The outlet of the post-pyrolysis chamber terminates in a fitting located on the top wall of the housing and is connected to the inlet pipe of the coating bell. In this regard, the inlet pipe includes a mating connector which engages a mating connection on the post-pyrolysis outlet fitting when the coating bell is deposited on the plate. The connectors are provided with an elastomeric seal to provide a vacuum-tight connection. The coating bell has a frusto-conical shape with a smaller diameter at the inlet end and a larger diameter at the outlet end. The outlet end of the coating bell is formed by an edge which cooperates with a corresponding receptacle on the supporting surface of the template carrier to form a frusto-conical shaped coating chamber. The special shape of the coating bell minimizes the volume of the coating chamber and maximizes the vapor flow over the surface of the wafer supported on the master carrier near the outlet end of the chamber. While the bell in the present case is frusto-conical, it should be noted that virtually any tapered shape for the bell, such as a pyramidal shape, would provide the desired minimization of volume and maximization of vapor flow. The coating bell further includes a filter assembly disposed adjacent its inlet end to filter impurities in the vapor. The filter assembly is positioned within the bowl and includes a filter element held between two opposing rings and secured to the inner wall of the bowl by suitable removable fasteners such as screws. The filter element preferably includes a microscopic filter material such as PTFE which allows sufficient gas flow and is capable of filtering out virtually all airborne contaminants larger than 0.1 microns. It should be noted that the lower ring is easily removable for periodic replacement of the filter element.

Um einen Vakuumstrom durch die Beschichtungsglocke vom Einlaßende zum Auslaßende zu erzeugen, wird die Vakuumpumpe mittels eines Verteilerrohres mit einer Anzahl von Auslaßöffnungen in der Kante verbunden. Das Verteilerrohr enthält einen ringförmigen Kanal, der an der Außenseite der Kante befestigt ist. Die Auslaßöffnungen sind mit einem inneren Kanal des Verteilerrohres verbunden. Ein erstes Auslaßrohr mit kleinerem Durchmesser ist an das Verteilerrohr in einer vorgegebenen Position angeschlossen, und die Anzahl der Auslaßöffnungen ist derart um die Peripherie der Kante herum in einem Verteilungsmuster verteilt, daß der Vakuumstrom innerhalb des Raumes gleichmäßig erfolgt. Es können mehr Auslaßöffnungen weiter entfernt vom Auslaßpunkt des Auslaßrohres als direkt neben dem Auslaßrohr vorgesehen werden. Das heißt, daß die Querschnittsfläche und damit der Durchflußbereich in weiterem Abstand von der Vakuumquelle zunimmt.To create a vacuum flow through the coating bell from the inlet end to the outlet end, the vacuum pump is connected by means of a manifold tube to a number of outlet openings in the edge. The manifold tube contains an annular channel attached to the outside of the edge. The outlet openings are connected to an inner channel of the manifold tube. A first outlet tube of smaller diameter is connected to the manifold tube at a predetermined position and the number of outlet openings are distributed around the periphery of the edge in a distribution pattern such that the vacuum flow is uniform within the space. More outlet openings can be provided further away from the outlet point of the outlet tube than directly next to the outlet tube. This means that the cross-sectional area and hence the flow area increases the further away from the vacuum source.

Während die beschriebene Vakuumfluß- und Verteileranordnung für das Erzeugen eines konstanten Dampfstromes über der Oberfläche des Wafers während des Beschichtungprozesses ideal ist, d. h., einen konstanten Betriebs-Vakuumdruck innerhalb des Raumsystems beizubehalten ermöglicht, ist der Querschnittsbereich des ersten Auslaßrohres nicht ausreichend, um eine schnelle Evakuierung des Raumsystems herunter auf den Betriebsdruck zu gewährleisten. Das heißt, daß ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich wäre, um das Raumsystem unter Verwendung des ersten Auslaßrohres auf den Betriebsdruck abzupumpen. Deshalb ist, um die Vakuumzykluszeit zu verringern, die Beschichtungsglocke mit einer Vakuum-Bypassanordnung versehen, in diesem Zusammenhang ist der Einlaß der Beschichtungsglocke an ein zweites Auslaßrohr angeschlossen, das mit einem größeren Durchmesser versehen ist und das mit einem Sicherheitsventil in der Nähe des Einlasses der Beschichtungsglocke versehen ist. Das erste, mit kleinerem Durchmesser versehene Auslaßrohr ist mit dem zweiten Auslaßrohr mit größerem Durchmesser an einer Befestigung zusammengeführt, und das zweite Auslaßrohr ist mit der Vakuumpumpe verbunden.While the vacuum flow and manifold arrangement described is ideal for generating a constant vapor flow over the surface of the wafer during the coating process, i.e., a constant operating vacuum pressure within the room system to maintain, the cross-sectional area of the first outlet pipe is not sufficient to ensure rapid evacuation of the space system down to the operating pressure. This means that a considerable amount of time would be required to pump the space system down to the operating pressure using the first outlet pipe. Therefore, in order to reduce the vacuum cycle time, the coating bell is provided with a vacuum bypass arrangement, in this connection the inlet of the coating bell is connected to a second outlet pipe which is provided with a larger diameter and which is provided with a safety valve near the inlet of the coating bell. The first outlet pipe of smaller diameter is joined to the second outlet pipe of larger diameter at a fitting, and the second outlet pipe is connected to the vacuum pump.

Insbesondere endet das zweite Auslaßrohr in einem Auslaßrohranschluß, der mit einem Vakuumanschluß an der oberen Wand des Gehäuses verbunden ist. Eine Gehäusebefestigung ist mit der Vakuumpumpe über einen anderen Rohrabschnitt verbunden. Der Auslaßrohranschluß ist mit der Gehäusebefestigung verbunden, wenn die Beschichtungsglocke auf dem Vorlagenträger angeordnet wird. Die Auslaßrohr- und - gehäusebefestigungen sind jeweils mit einer elastomeren Dichtung versehen, um eine vakuumdichte Verbindung herzustellen. Im Betrieb würde das Sicherheitsventil geöffnet bleiben, wodurch ein anfängliches Evakuieren des Raumsystems durch die ersten und zweiten Auslaßrohre erfolgen würde.In particular, the second outlet tube terminates in an outlet tube port that is connected to a vacuum port on the top wall of the housing. A housing mount is connected to the vacuum pump via another section of tube. The outlet tube port is connected to the housing mount when the coating bell is placed on the template carrier. The outlet tube and housing mounts are each provided with an elastomeric seal to provide a vacuum-tight connection. In operation, the safety valve would remain open, thereby providing an initial evacuation of the room system through the first and second outlet tubes.

Sobald ein gewünschter Betriebsruck erreicht ist, wird das Sicherheitsventil geschlossen und der gewünschte Druck wird nur durch das erste Auslaßrohr aufrechterhalten, das an das Verteilerrohr angeschlossen ist.As soon as a desired operating pressure is reached, the safety valve is closed and the desired pressure is only released through the first outlet pipe which is connected to the distribution pipe.

Ein Rohrabschnitt ist mit dem Einlaß der Vakuumpumpe verbunden und ist vorzugsweise mit einem Ventil versehen, um selektiv Vakuum im Raumsystem zu erzeugen. Das Ventil ist stromabwärts von der Gehäusebefestigung angeordnet, so daß die Beschichtungsglocke von der Oberseite des Gehäuses entfernt werden kann, wenn das Ventil geschlossen ist. Die Vakuumpumpe besteht aus einer ölfreien oder trockenen Vakuumpumpe, wie die DRYTEL-REIHE Trockenpumpen, die von ALCATEL, Inc. hergestellt werden. Der Auslaß der Vakuumpumpe ist mit einem Einlaß der Kühlfalle verbunden, die einen zylinderförmigen Schlauch mit einem offenen oberen Ende enthält. Der Schlauch ist an der Oberseite des Gehäuses angebracht und umfaßt eine Befestigung an seiner offenen Oberseite. Ein zylinderförmiges Fingerelement, das auf seiner Oberseite einen passenden Flansch aufweist, ist verschiebbar im Schlauch angeordnet, wobei sich die Befestigungen an der Oberseite in Eingriff befinden. Die Befestigungen sind mit einer elastomeren Dichtung zur Erzielung einer vakuumdichten Verbindung versehen. Das Fingerelement wird vorzugsweise mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt, der in eine zylinderförmige Öffnung an der Oberseite des Fingerelements eingefüllt wird. Der Auslaß der Kühlfalle öffnet sich zur umgebenden Atmosphäre über ein Rohr. Im Betrieb wird sich jegliches freie Monomer, das nicht im Beschichtungsraum abgeschieden wurde, auf der Oberfläche des Kühlfingers abscheiden, der in der Kühlfallenkammer angeordnet ist. Die Verwendung einer ölfreien, trockenen Pumpe ist besonders wichtig im Hinblick auf ihre Verwendung in einer Vorrichtung zur Parylen- AF4-Beschichtung. Die Parylen-Beschichtungvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik verwenden üblicherweise eine Kühlfalle, die direkt an den Beschichtungsraumauslaß angeschlossen ist, sowie eine herkömmliche Vakuumpumpe hinter der Kühlfalle. Der primäre Zweck der Plazierung der Kühlfalle zwischen dem Beschichtungsraum und der Vakuumpumpe war es, jegliche überschüssigen Monomere aufzufangen und zu verhindern, daß die Monomere die Pumpe durchströmen, in der sie sich abscheiden und den Betrieb der Pumpe behindern und/oder das Öl verschmutzen könnten. Die bisherigen Parylen- Materialien (Parylen C, D, und N) haben sich effektiv auf Oberflächen angelagert, die eine Temperatur von ungefähr 15-40ºC aufwiesen, was zufällig den normalen Betriebstemperaturen solcher Pumpen entspricht. Die Kühlfalle war weiterhin wirksam, um das Zurückströmen der Öldämpfe in den Beschichtungsraum zu verhindern. Folglich war die Kühlfalle notwendig, um überschüssige Monomere daran zu hindern, sich auf den inneren Oberflächen der Vakuumpumpe abzuscheiden und um zu verhindern, daß Öldampf in den Beschichtungsraum zurückströmt.A section of pipe is connected to the inlet of the vacuum pump and is preferably provided with a valve for selectively creating vacuum in the room system. The valve is located downstream of the housing mount so that the coating bell can be removed from the top of the housing when the valve is closed. The vacuum pump consists of an oil-free or dry vacuum pump such as the DRYTEL SERIES dry pumps manufactured by ALCATEL, Inc. The outlet of the vacuum pump is connected to an inlet of the cold trap which includes a cylindrical tube with an open top end. The tube is attached to the top of the housing and includes a mount at its open top. A cylindrical finger member having a mating flange on its top is slidably disposed in the tube with the mounts engaging at the top. The mounts are provided with an elastomeric seal to achieve a vacuum tight connection. The finger element is preferably cooled by means of liquid nitrogen which is filled into a cylindrical opening at the top of the finger element. The outlet of the cold trap opens to the surrounding atmosphere via a pipe. In operation, any free monomer not deposited in the coating space will deposit on the surface of the cold finger which is located in the cold trap chamber. The use of an oil-free, dry pump is particularly important in view of its use in a parylene AF4 coating apparatus. The Prior art parylene coating devices typically utilize a cold trap connected directly to the coating chamber outlet and a conventional vacuum pump behind the cold trap. The primary purpose of placing the cold trap between the coating chamber and the vacuum pump was to capture any excess monomers and prevent the monomers from passing through the pump where they could precipitate and interfere with pump operation and/or contaminate the oil. The previous parylene materials (parylene C, D, and N) have effectively deposited on surfaces that were at a temperature of approximately 15-40°C, which happens to be the normal operating temperatures of such pumps. The cold trap was also effective in preventing oil vapors from flowing back into the coating chamber. Consequently, the cold trap was necessary to prevent excess monomers from precipitating on the internal surfaces of the vacuum pump and to prevent oil vapor from flowing back into the coating chamber.

Jedoch ist bekannt, daß die Plazierung der Kühlfalle in direkter Verbindung mit dem Beschichtungsraum mindestens eine Beeinträchtigung mit sich bringt. Es wurde gefunden, daß die Kühlfalle zu einer Kryo-Pumpen-Anordnung führt, von der sich gezeigt hat, daß sie Monomere schneller durch das System abpumpt als die Hintergrundatmosphäre durch die Vakuumpumpe abgepumpt wird. Das Ergebnis ist, daß die Monomere sehr schnell durch den Beschichtungsraum gefördert werden und daß damit nicht genügend Zeit zum Polymerisieren verbleibt. Das Problem ist dadurch gelöst worden, daß man überschüssiges Dimer verwendete und die Zeit für den Beschichtungszyklus erhöhte.However, it is known that placing the cold trap in direct connection with the coating chamber causes at least one disadvantage. The cold trap has been found to result in a cryogenic pumping arrangement which has been shown to pump monomers through the system faster than the background atmosphere is pumped out by the vacuum pump. The result is that the monomers are conveyed through the coating chamber very quickly and there is not enough time for polymerization. The problem has been solved by using excess dimer and increasing the coating cycle time.

Dieses wurde vorher nicht als Nachteil empfunden, da die Kosten von Parylen C, von D und von N nicht erheblich sind.This was not previously perceived as a disadvantage, since the costs of parylene C, D and N are not significant.

Es wurde gefunden, daß das neue Parylen-AF4 nicht auf geheizte Substrate im Bereich von 15 bis 40ºC abgeschieden werden kann, und folglich ist damit das bisher existierende Problem der Pumpenbeschichtung gelöst worden. Jedoch verbleibt bei der Verwendung einer Ölpumpe noch das Problem, daß Öldampf zurück in den Beschichtungsraum strömt. Da eine der vorgesehenen Verwendungen der Vorrichtung in der Beschichtung von in hohem Maße empfindlichen Halbleiterwafern besteht, ist das Vorhandensein irgendwelcher fremden Dämpfe unerwünscht. Die vorliegende Anordnung für eine ölfreie Vakuumpumpe beseitigt effektiv die Notwendigkeit einer stromaufwärts gelegenen Kühlfalle und beseitigt die angegebenen Beeinträchtigungen der Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik. Da außerdem die Vakuumpumpe direkt an den Auslaß des Beschichtungsraumes angeschlossen ist, werden sowohl das Hintergrundgas als auch der Monomerdampf mit gleicher Rate durch den Beschichtungsraum gefördert und es wird so die Menge an Dimer verringert, die benötigt wird, um die gewünschte Beschichtungsstärke zu erzielen. Dieses ist besonders wichtig, wenn es in Verbindung mit den hohen Kosten des Parylen-AF4-Dimers betrachtet wird mit dem Wunsch, die Menge zu reduzieren, die für jeden Beschichtungzyklus benötigt wird.It has been found that the new parylene AF4 cannot be deposited on heated substrates in the range of 15 to 40°C and thus the previously existing problem of pump coating has been solved. However, the use of an oil pump still leaves the problem of oil vapor flowing back into the coating chamber. Since one of the intended uses of the device is to coat highly sensitive semiconductor wafers, the presence of any extraneous vapors is undesirable. The present arrangement for an oil-free vacuum pump effectively eliminates the need for an upstream cold trap and eliminates the noted drawbacks of the prior art devices. In addition, since the vacuum pump is connected directly to the coating chamber outlet, both the background gas and the monomer vapor are drawn through the coating chamber at the same rate, thus reducing the amount of dimer required to achieve the desired coating thickness. This is particularly important when considered in conjunction with the high cost of the parylene AF4 dimer and the desire to reduce the amount required for each coating cycle.

Die Parylen-Beschichtungsvorrichtung enthält weiterhin eine elektronische Kontrollvorrichtung für alle Aspekte des Beschichtungprozesses, einschließlich der, die Temperatur und die Druckregelung elektronisch zu steuern. Die Kontrollvorrichtung enthält einen herkömmlichen Mikroprozessor, der entsprechend den herkömmlichen Programmierungstechniken programmiert wird, die in der Elektronik weithin bekannt sind. Hinsichtlich der Temperaturregelung werden die Heizung und die Kühlvorrichtungen des Verdampfungsraumes, des Pyrolyseraumes, des Post-Pyrolyseraumes und des Vorlagenträgers jeweils durch geeignete elektrische Anschlüsse an die Kontrollvorrichtung angeschlossen. Außerdem werden der Verdampfungsraum, der Pyrolyseraum, der Post-Pyrolyseraum und der Vorlagenträger jeweils mit Thermoelementen oder anderen geeigneten Vorrichtungen zum Messen der Temperatur versehen. Die Thermoelemente sind an die Kontrollvorrichtung über passende elektrische Anschlüsse angeschlossen; wobei die gewünschten Temperaturen der verschiedenen Räume durch verschiedene Einstellpunktkomparatoren überwacht werden und wobei die Heizung und die Kühlvorrichtungen durch die Kontrollvorrichtung gesteuert werden, die, um die gewünschten Einstellpunkttemperaturen beizubehalten, auf die gemessenen Temperaturen reagieren. Hinsichtlich der Druckregelung sind die Vakuumpumpe und die dazugehörigen Ventile zur automatisierten Steuerung des Vakuumsystems an die Kontrollvorrichtung angeschlossen. Die Beschichtungsglocke ist mit einer Thermistormeßzelle zur Messung des Drucks innerhalb des Beschichtungsraumes versehen, und die Thermistormeßzelle ist an die Kontrollvorrichtung angeschlossen, wobei die Vakuumpumpe und die Vakuumpumpenventile entsprechend dem gemessenem Druck angesteuert werden. Außerdem ist auch das an den Verdampfungsraum angrenzende Drosselventil zur automatisierten Steuerung des Ventils an die Kontrollvorrichtung angeschlossen, und auch die elektrostatische Spannvorrichtung ist zur automatisierten Steuerung der Spannvorrichtung an die Kontrollvorrichtung angeschlossen.The parylene coating apparatus further includes an electronic controller for all aspects of the coating process, including electronic control of temperature and pressure regulation. The controller includes a conventional microprocessor that is configured to conventional programming techniques well known in the electronics art. With regard to temperature control, the heating and cooling devices of the evaporation chamber, the pyrolysis chamber, the post-pyrolysis chamber and the template carrier are each connected to the control device by suitable electrical connections. In addition, the evaporation chamber, the pyrolysis chamber, the post-pyrolysis chamber and the template carrier are each provided with thermocouples or other suitable devices for measuring temperature. The thermocouples are connected to the control device by suitable electrical connections; the desired temperatures of the various chambers are monitored by various set point comparators and the heating and cooling devices are controlled by the control device which respond to the measured temperatures to maintain the desired set point temperatures. With regard to pressure control, the vacuum pump and associated valves are connected to the control device for automated control of the vacuum system. The coating bell is equipped with a thermistor measuring cell for measuring the pressure inside the coating chamber, and the thermistor measuring cell is connected to the control device, whereby the vacuum pump and the vacuum pump valves are controlled according to the measured pressure. In addition, the throttle valve adjacent to the evaporation chamber is also connected to the control device for automated control of the valve, and the electrostatic clamping device is also connected to the control device for automated control of the clamping device connected to the control device.

Die vorliegende Parylen-Beschichtungsvorrichtung umfaßt weiterhin ein Quarzkristall- Schichtdickenmeßsystem zur Steuerung der Aufdampfraten mit einem Quarzkristall, der innerhalb des Beschichtungsraumes angeordnet ist. Insbesondere ist der Quarzkristall in einer Aussparung angeordnet, die sich auf dem Rand des vorlagenträgers befindet. Die Kristallanordnung umfaßt einen scheibenförmigen Kristall und zwei elektrische Leitungen, die an entgegensetzenden Seiten des Kristalls angebracht sind. Im Betrieb verändern die Parylen- Monomerdampfablagerungen auf der Oberfläche des Kristalls die Schwingungsfrequenz des Kristalls.The present parylene coating apparatus further includes a quartz crystal coating thickness measuring system for controlling deposition rates with a quartz crystal disposed within the coating chamber. In particular, the quartz crystal is disposed in a recess located on the edge of the template carrier. The crystal assembly includes a disk-shaped crystal and two electrical leads disposed on opposite sides of the crystal. In operation, parylene monomer vapor deposits on the surface of the crystal alter the vibration frequency of the crystal.

Die Geschwindigkeit der Änderung der Frequenz kann direkt mit der Aufdampfrate der Beschichtung der Parylen-Monomere auf den Kristall und damit folglich auch auf das zu beschichtende Substrat korreliert werden. Der Kristall ist elektrisch an einen Oszillator zum Messen der Frequenz des Kristalls angeschlossen, die mit der Stärke der Beschichtung auf dem Kristall variiert. Der Oszillator ist an den Mikroprozessor angeschlossen, der die Frequenzänderungen des Kristalls mißt und ununterbrochen die Rate der Beschichtung mit dem Parylen-Monomerdampf errechnet. Außerdem ist der Mikroprozessor an einen Einstellpunktkomparator angeschlossen, der die errechnete Beschichtungsrate mit einer voreingestellten oder einer gewünschten Beschichtungsrate vergleicht. Der Mikroprozessor reagiert dann, um die Temperatur des Verdampfungsraumes zu erhöhen oder zu verringern oder das Drosselventil zu öffnen oder zu schließen, um dem System mehr oder weniger Parylen-Dimer zur Verfügung zu stellen. Das heißt, die Kontrollvorrichtung überwacht die Änderungen in der Frequenz des Kristalls, während Parylen auf dem Kristall abgeschieden wird, und steuert die Menge des in das System abgegeben Parylen-Dimers durch die Einstellung der Temperatur des Verdampfungsraumes und durch Ansteuern des Drosselventils. Der Oszillator und der Einstellpunktkomparator sind in der Elektronik weithin bekannte Elemente und werden deshalb hier nicht weiter beschrieben.The rate of change in frequency can be directly correlated to the rate of deposition of the parylene monomer coating onto the crystal and, consequently, onto the substrate being coated. The crystal is electrically connected to an oscillator for measuring the frequency of the crystal, which varies with the thickness of the coating on the crystal. The oscillator is connected to the microprocessor, which measures the frequency changes of the crystal and continuously calculates the rate of deposition of the parylene monomer vapor. In addition, the microprocessor is connected to a set point comparator, which compares the calculated deposition rate to a preset or desired deposition rate. The microprocessor then responds to increase or decrease the temperature of the evaporation chamber or to open or close the throttle valve to provide more or less parylene dimer to the system. The That is, the controller monitors the changes in the frequency of the crystal as parylene is deposited on the crystal and controls the amount of parylene dimer released into the system by adjusting the temperature of the evaporation chamber and by controlling the throttle valve. The oscillator and set point comparator are well known elements in electronics and are therefore not described further here.

Ein erster Anlaß für die Entwicklung der vorliegenden Vorrichtung waren die extrem hohen Kosten des Parylen-AF4-Materials. Um die Parylen-AF4- Beschichtung kostengünstig zu gestalten, ist es wichtig, daß die Effektivität der Beschichtung verhältnismäßig hoch ist. Da Parylen AF4 eine Affinität hat, sich nur auf kühlen Substraten abzuscheiden, ist es wünschenswert, die inneren Wände mehrerer Bereiche der Vorrichtung zu heizen, um zu verhindern, daß das Dimer und die Monomere sich auf den inneren Wänden der Vorrichtung abscheiden. Insbesondere sind die inneren Wände des Verdampfungsraumes mit unabhängigen Heizelementen versehen, um zu verhindern, daß sich das verdampfte Dimer nach seiner Verdampfung auf den Wänden dieses Raumes niederschlägt. Außerdem ist die Tür des Verdampfungsraumes mit einem Heizelement versehen, um eine Beschichtung auf der Innenfläche der Tür zu verhindern. Die Wände der Beschichtungsglocke sind ebenfalls mit Heizelementen versehen, um zu verhindern, daß die Monomere sich auf den inneren Wänden des Beschichtungsraumes niederschlagen. In diesem Zusammenhang sollten die Wände der Beschichtungsglocke auf eine Temperatur zwischen ungefähr 30 und über 50ºC geheizt werden, um eine Beschichtung effektiv zu verhindern. Weiterhin ist das an den Einlaß der Beschichtungsglocke angrenzende Sicherheitsventil mit einem Heizelement versehen, um zu verhindern, daß sich die Monomere auf der Ventiloberfläche niederschlagen, bevor sie den Beschichtungsraum erreichen.A first reason for the development of the present device was the extremely high cost of the parylene AF4 material. In order to make the parylene AF4 coating cost-effective, it is important that the effectiveness of the coating is relatively high. Since parylene AF4 has an affinity to deposit only on cool substrates, it is desirable to heat the inner walls of several areas of the device to prevent the dimer and the monomers from depositing on the inner walls of the device. In particular, the inner walls of the evaporation chamber are provided with independent heating elements to prevent the evaporated dimer from depositing on the walls of this chamber after it has evaporated. In addition, the door of the evaporation chamber is provided with a heating element to prevent a coating on the inner surface of the door. The walls of the coating bell are also provided with heating elements to prevent the monomers from depositing on the inner walls of the coating chamber. In this context, the walls of the coating bell should be heated to a temperature between approximately 30 and over 50ºC in order to effectively prevent coating. Furthermore, the The safety valve adjacent to the coating bell is provided with a heating element to prevent the monomers from precipitating on the valve surface before they reach the coating chamber.

Wie vorstehend beschrieben, befindet sich die gesamte Vorrichtung in einem atmosphärischen Abschirmrahmen und ist von einer inerten Stickstoffatmosphäre umgeben. Zweck des Abschirmrahmens und der Stickstoffatmosphäre ist es, Sauerstoff vom Beschichtungsraum während der Evakuierung und des nachfolgenden Beschichtungszyklus fernzuhalten und so zu ermöglichen, daß der Beschichtungsprozeß in einer sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt wird. Derzeit werden die Parylen-Beschichtungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik in normalen atmosphärischen Bedingungen betrieben. Dieses führt dazu, daß Sauerstoff als Hintergrundgas vorhanden ist und damit Bestandteil jedes während des Beschichtungszyklus in den Raum eindiffundierenden Umgebungsgases ist. Es wurde gefunden, daß sich Sauerstoff mit den Parylenreaktiven Monomeren in der Pyrolyse- und Post- Pyrolysezone chemisch verbinden kann und dadurch eine schwache Polymer-Bindung verursacht. Dementsprechend ist der Abschirmrahmen wirkungsvoll, um die Vorrichtung vor dem Evakuieren und während des Beschichtungszyklus in einer inerten Stickstoffatmosphäre zu isolieren. Erste Testergebnisse haben gezeigt, daß die inerte Atmosphäre eine reinere, dichtere und beständigere Beschichtung ergibt. Während Stickstoff im Fall der hier beschriebenen Ausführungsform als bevorzugtes atmosphärisches Element beschrieben wird, ist es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung auch möglich, andere Inertgase, wie Argon, für den beabsichtigten Zweck einzusetzen.As described above, the entire device is housed in an atmospheric shielding frame and surrounded by an inert nitrogen atmosphere. The purpose of the shielding frame and nitrogen atmosphere is to keep oxygen out of the coating chamber during evacuation and the subsequent coating cycle, thus allowing the coating process to be carried out in an oxygen-free atmosphere. Currently, the state of the art parylene coating devices are operated in normal atmospheric conditions. This results in oxygen being present as a background gas and thus being part of any ambient gas diffusing into the chamber during the coating cycle. It has been found that oxygen can chemically combine with the parylene-reactive monomers in the pyrolysis and post-pyrolysis zones, thereby causing weak polymer bonding. Accordingly, the shield frame is effective to isolate the device in an inert nitrogen atmosphere prior to evacuation and during the coating cycle. Initial test results have shown that the inert atmosphere produces a cleaner, denser and more durable coating. While nitrogen is described as the preferred atmospheric element in the case of the embodiment described here, it is of course possible within the scope of the invention to use other inert gases, such as argon, for the intended purpose.

Eine beispielhafte Verwendung der Vorrichtung soll in folgendem Beispiel beschrieben werden, in dem ein 200 Millimeter (8 Zoll)-Siliziumwafer mit einer Beschichtung von 1 Mikrometer Parylen beschichtet wird. Wenn das Vakuumsteuerventil geschlossen ist, wird die Beschichtungsglocke entfernt und der wafer wird in die Mitte des Vorlagenträgers gelegt. Die elektrostatische Klemmplatte wird aktiviert, um den Wafer in seiner Position zu halten, und die Beschichtungsglocke wird wieder aufgesetzt. Vor dem Evakuieren der Räume wird ungefähr 1 Gramm des Parylen-Dimers AF4 in den Dimertiegel gelegt und der Tiegel wird in die Wärmeübertragungsaufnahmewanne im Verdampfungsraum gelegt. Der Abschirmrahmen wird dann mit Stickstoff geflutet, um eine inerte Atmosphäre um die Vorrichtung herum zu erzeugen. Das Vakuumsteuerventil und das Vakuum-Bypassventil sind beide geöffnet, um die Evakuierung der Raumsysteme einzuleiten. Der Druck im Raum wird vorzugsweise auf ungefähr 0,67 Pa (5 Mikrometer Quecksilber (Hg)) verringert und anschließend wird das Sicherheitsventil geschlossen. Der Druck wird danach nur durch die kleineren Vakuumverteilerrohrauslässe auf 0,67 Pa gehalten (5 Mikrometer Quecksilber (Hg)). Die Wärmeübertragungsaufnahmewanne wird dann auf eine Temperatur von ungefähr 90ºC aufgeheizt, um die Verdampfung des Dimers zu starten. Der Pyrolyseraum wird auf ungefähr 600ºC vorgewärmt, und wenn das verdampfte Dimer durch den Pyrolyseraum strömt, wird im wesentlichen das gesamte Dimer in die Monomerform pyrolysiert und strömt weiter in den Post-Pyrolyseraum. Der Post-Pyrolyseraum, der auf einer Temperatur von ungefähr 25ºC (oberhalb der Raumtemperatur) gehalten wird, fängt jegliches unpyrolysiert gebliebenes Dimer ab, das aus dem Pyrolyseraum gelangt ist. Der Dampf des Monomers AF4 wird in den Beschichtungsraum, dort über die Oberfläche des Wafers und nach außen durch das Verteilerrohr geleitet, wodurch sich der Monomerdampf auf dem gekühlten Wafer abscheidet. Wie bereits angegeben, werden die Wände der Beschichtungsglocke geheizt, um eine Beschichtung der Raumwände zu verhindern. Die Verdampfung des gesamten Gramms des Dimers sollte eine Beschichtung von ungefähr 1 Mikrometer Parylen-AF4 auf dem Wafer ergeben. Jedoch überwacht die Quarzsteuerung des Quarzes die Beschichtungsstärke und steuert die Verdampfung des Dimers, um die gewünschte Beschichtungsstärke von 1 Mikrometer zu erzielen. Jegliche überschüssigen, nicht-abgeschiedenen Monomere, die durch den Verteilerrohrauslaß abgesaugt werden, werden in der Kühlfalle aufgefangen. Nachdem die gewünschte Stärke der Beschichtung erzielt worden ist, wird das Drosselventil geschlossen, um jede weitere Beschichtung zu verhindern. Bei aufrechterhaltenem Vakuum wird die Temperatur des Wafers dann bis auf Raumtemperatur aufgeheizt, indem die Plattenheizelemente aktiviert werden. Sobald der Wafer bei der gewünschten Raumtemperatur angelangt ist; wird das Vakuumventil geschlossen, die Beschichtungsglocke wird entfernt, die elektrostatische Klemmplatte wird deaktiviert und der Wafer wird aus dem Vorlagenträger entnommen.An exemplary use of the apparatus will be described in the following example in which a 200 millimeter (8 inch) silicon wafer is coated with a coating of 1 micrometer of parylene. With the vacuum control valve closed, the coating bell is removed and the wafer is placed in the center of the master carrier. The electrostatic clamp plate is activated to hold the wafer in position and the coating bell is replaced. Before evacuating the compartments, approximately 1 gram of the parylene dimer AF4 is placed in the dimer crucible and the crucible is placed in the heat transfer receptacle in the evaporation compartment. The shield frame is then flushed with nitrogen to create an inert atmosphere around the apparatus. The vacuum control valve and the vacuum bypass valve are both opened to initiate evacuation of the compartment systems. The pressure in the compartment is preferably reduced to approximately 0.67 Pa (5 micrometers of mercury (Hg)) and then the safety valve is closed. The pressure is then maintained at 0.67 Pa (5 microns of mercury (Hg)) only by the smaller vacuum manifold outlets. The heat transfer receiver pan is then heated to a temperature of about 90ºC to start the vaporization of the dimer. The pyrolysis chamber is preheated to about 600ºC and as the vaporized dimer passes through the pyrolysis chamber, essentially all of the dimer is pyrolyzed to monomer form and flows on to the post-pyrolysis chamber. The post-pyrolysis chamber, which is maintained at a temperature of about 25ºC (above room temperature), captures any unpyrolyzed dimer that has passed from the pyrolysis chamber. The vapor of the monomer AF4 is passed into the coating chamber, over the surface of the wafer, and out through the manifold, causing the monomer vapor to deposit on the cooled wafer. As previously stated, the walls of the coating bell are heated to prevent coating of the chamber walls. Evaporation of the entire gram of dimer should result in a coating of approximately 1 micron of parylene AF4 on the wafer. However, the quartz control of the quartz monitors the coating thickness and controls the evaporation of the dimer to achieve the desired coating thickness of 1 micron. Any excess, undeposited monomers that are exhausted through the manifold outlet are captured in the cold trap. After the desired coating thickness is achieved, the throttle valve is closed to prevent any further coating. With the vacuum maintained, the temperature of the wafer is then heated to room temperature by activating the plate heaters. Once the wafer has reached the desired room temperature, the vacuum valve is closed, the coating bell is removed, the electrostatic clamp is deactivated and the wafer is removed from the template carrier.

Daraus ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine einzigartige und wirkungsvolle Parylen- Beschichtungsvorrichtung bereitstellt, die hervorragend für die Beschichtung mit Parylen-AF4 geeignet ist. Der beheizte und gekühlte Vorlagenträger stellt ein wirkungsvolles Mittel für das Haltern eines Wafers zur Beschichtung und für das Steuern der Temperatur des Siliziumwafers während der Verarbeitung zur Verfügung. Die elektrostatische Spannvorrichtung bietet ein wirkungsvolles Mittel für das Festklemmen des Wafers in engem thermischen Kontakt mit dem Vorlagenträger, ohne die empfindliche Waferstruktur physisch festzuklemmen. Der Verdampfungsraum ist für das schnelle und leistungsfähige Aufheizen und Abkühlen des Dimers geeignet, um die Dimer-Verdampfungsrate effektiv zu steuern, und das zugehörige Drosselventil kontrolliert wirkungsvoll die Abgabe von verdampftem Dimer in das Beschichtungssystem. Der mit Ablenkblechen versehene Post-Pyrolyseraum vermag Dimer, das aus dem Pyrolyseraum gelangt, wirkungsvoll abzufangen. Die kuppelförmige Beschichtungsglocke ist einzigartig vermag wirkungsvoll das Volumen des Beschichtungsraumes zu minimieren bei einer gleichzeitigen Maximierung des Dampfflusses über die Oberfläche des Vorlagenträgers. Die Vakuumverteilerrohranordnung, die an der Beschichtungsglocke angebracht ist, erhöht den Dampffluß direkt über die Oberfläche des Vorlagenträgers, und die Vakuum-Bypassanordnung erleichtert das schnelle und leistungsfähige Evakuieren des Raumsystems bei der Vorbereitung für eine Beschichtung. Die Quarzkristall-Aufdampfraten- Kontrollvorrichtung stellt ebenfalls ein wirkungsvolles Mittel dar, um die Beschichtungsrate auf den Wafern genau zu steuern. Aus diesen Gründen wird davon ausgegangen, daß die vorliegende Erfindung eine bedeutenden Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik darstellt.It can be seen that the present invention provides a unique and effective parylene coating apparatus that is ideally suited for coating with parylene-AF4. The heated and cooled template carrier provides an effective means for holding a wafer for coating and for controlling the temperature of the silicon wafer during processing. The electrostatic chuck provides a effective means of clamping the wafer in close thermal contact with the master carrier without physically clamping the delicate wafer structure. The evaporation chamber is adapted for rapid and efficient heating and cooling of the dimer to effectively control the dimer evaporation rate, and the associated throttle valve effectively controls the release of vaporized dimer into the coating system. The baffled post-pyrolysis chamber is able to effectively capture dimer escaping from the pyrolysis chamber. The dome-shaped coating bell is uniquely able to effectively minimize the volume of the coating chamber while maximizing the vapor flow over the master carrier surface. The vacuum manifold assembly attached to the coating bell increases the vapor flow directly over the master carrier surface, and the vacuum bypass assembly facilitates the rapid and efficient evacuation of the chamber system in preparation for coating. The quartz crystal deposition rate controller also provides an effective means of accurately controlling the deposition rate on the wafers. For these reasons, the present invention is believed to represent a significant advance over the prior art.

Claims

1. Device for the deposition of parylene, comprising: an evaporation chamber; a pyrolysis chamber which is in fluid communication with said evaporation chamber; a coating chamber which is in fluid communication with said pyrolysis chamber, a thermally conductive template carrier which is arranged in said coating chamber for receiving an object to be coated; a device for reducing the temperature of the thermally conductive template carrier in such a way that the object to be arranged thereon can be cooled to a temperature below 15ºC, characterized in that it further comprises a heating device for heating said thermally conductive template carrier to a temperature of 100ºC to 400ºC before removing the object from the coating room.

2. Apparatus according to claim 1, further comprising: the coating chamber for receiving the gaseous parylene monomers from the pyrolysis chamber is connected to said pyrolysis chamber; vacuum means for generating a negative pressure within said coating chamber, said pyrolysis chamber and said evaporation chamber; a pressure-tight envelope surrounding said evaporation chamber, said pyrolysis chamber and said coating chamber; and means for generating an inert gas atmosphere within said pressure-tight envelope during the evacuation of said coating chamber, said pyrolysis chamber and said evaporation chamber and further during the subsequent coating of a substrate placed in said coating chamber, wherein the coating of said substrate is carried out in a substantially oxygen-free atmosphere.

3. Apparatus according to claim 1, further comprising: a vacuum system including the evaporation chamber, the pyrolysis chamber connected to said evaporation chamber and the coating chamber connected to said pyrolysis chamber for receiving the gaseous parylene monomers from the pyrolysis chamber; an oil-free dry vacuum pump having an inlet connected to said vacuum system for generating a negative pressure within said vacuum system and a trap connected to an outlet of said vacuum pump for collecting excess unpolymerized monomers passing through the vacuum pump.

4. Apparatus according to claim 1, further comprising: a receiving trough arranged in the evaporation chamber for receiving a predetermined amount of parylene dimer; means for heating said parylene dimer to a predetermined temperature, whereby said parylene dimer is evaporated as a gaseous dimer; temperature sensors for measuring a temperature within said evaporation chamber; that the pyrolysis chamber is connected to the evaporation chamber for pyrolyzing said gaseous parylene dimer into gaseous parylene monomers; that the coating chamber is connected to said pyrolysis chamber for receiving a substrate to be coated with said parylene monomers; means for generating a negative pressure in said coating chamber, in said pyrolysis chamber and in said evaporation chamber; a quartz crystal arranged within said coating chamber for receiving a layer consisting of said parylene, said crystal providing an output signal proportional to the thickness of the layer deposited on said quartz crystal; and control means connected to said quartz crystal, said heating device and said means for adjusting the temperature, said control means controlling the operation of said heating device in dependence on said output signal, whereby the amount of parylene dimer evaporated, the corresponding deposition rate of said parylene monomer on said substrate and the final thickness of the parylene layer are detected.

5. Apparatus according to claim 1, further comprising: the coating chamber being connected to the pyrolysis chamber for receiving gaseous parylene monomers; filter means being arranged in the flow path of said gaseous parylene monomers between said pyrolysis chamber and a substrate to be coated in said coating chamber, said filter serving to filter out impurities in said parylene monomers prior to their deposition on said substrate; and vacuum means for generating a negative pressure within said coating chamber, said pyrolysis chamber and the evaporation chamber.

6. Apparatus according to claim 1, further comprising: a vacuum system including the evaporation chamber, the pyrolysis chamber connected to said evaporation chamber and the coating chamber connected to said pyrolysis chamber for receiving the gaseous parylene monomers; means for selectively cooling the master carrier, whereby heat is removed from said article by contact with said cooled master carrier; and vacuum means for generating a negative pressure within said coating chamber, the said pyrolysis chamber and said evaporation chamber.

7. Apparatus according to claim 1, further comprising: a thermally conductive heat transfer unit arranged in the evaporation space, a first heater adapted to heat said heat transfer unit to a predetermined temperature; a second heater adapted to heat the inner walls of said evaporation space, and a device for heating and cooling the template carrier arranged within the coating space.

8. Apparatus according to claim 1, further comprising: a vacuum system including the evaporation chamber, the pyrolysis chamber connected to said evaporation chamber, the coating chamber having an inlet end with an inlet opening in said inlet end, said inlet opening being connected to said pyrolysis chamber for receiving gaseous parylene monomers from said pyrolysis chamber, said coating chamber having a tapered configuration with an end of a smaller dimension forming said inlet end of said coating chamber and an end of a larger dimension forming an outlet end of said coating chamber; a receiving device arranged adjacent the outlet end of the coating chamber for holding the article to be coated; and vacuum means connected to an outlet opening on the said outlet end of said coating chamber for creating a negative pressure within said coating chamber, said pyrolysis chamber and said evaporation chamber and capable of creating a gas flow from said inlet opening through said coating chamber to said outlet opening, said tapered configuration of said coating chamber minimizing the volume of the coating chamber and maximizing the flow of monomer vapor across a surface of the article supported on said support device.

9. Parylene coating chamber comprising: a body having an inlet opening with a diameter and at least one outlet opening with a diameter, the diameter of the inlet opening being larger than the diameter of the at least one outlet opening; an inlet pipe in fluid communication with the inlet opening; an outlet pipe in fluid communication with the at least one outlet opening; a valve arranged at a junction between the inlet pipe and the outlet pipe; a thermally conductive template carrier for receiving an object to be coated; a device for lowering the temperature of the thermally conductive template carrier such that the object placed thereon can be cooled to a temperature below 15°C, and characterized in that there is also a heater for heating the thermally conductive template carrier to a temperature between 100ºC and 400ºC before removing the object from the coating room.

10. Vacuum system comprising: an evaporation chamber with an outlet; a pyrolysis chamber with an inlet and an outlet, the inlet of the pyrolysis chamber being in fluid communication with the outlet of the evaporation chamber; and a parylene coating chamber comprising: a body with an inlet opening with a diameter and with at least one outlet opening with a diameter, the diameter of the inlet opening being larger than the diameter of the at least one outlet opening, the inlet opening being in fluid communication with the outlet of the pyrolysis chamber; an inlet pipe in fluid communication with the inlet opening; an outlet pipe in fluid communication with the at least one outlet opening; a valve arranged at a junction between the inlet pipe and the outlet pipe; a thermally conductive template carrier for receiving an object to be coated; a device for lowering the temperature of the thermally conductive template carrier such that the object placed thereon can be cooled to a temperature below 15ºC, and characterized in that a heater is also provided for heating the thermally conductive template carrier to a temperature between 100ºC and 400ºC before removing the object from the coating chamber.

11. A method for producing a parylene coating on a substrate in a coating chamber, which comprises the following steps: evaporating parylene dimer; pyrolyzing the parylene dimer to produce parylene monomers; cooling the substrate to a temperature below 15°C; depositing parylene monomers on the substrate; characterized by heating the substrate to a temperature of 100°C to 400°C before removing it from the coating chamber.

12. A method according to claim 11, comprising: cooling the substrate to a temperature below 0°C; creating vacuum conditions in the region of said substrate; depositing a layer of predetermined thickness of said parylene polymer on said substrate; and heating said substrate prior to its removal from said vacuum region.