EP1294958A1 - Waferhalterad mit einer andrückvorrichtung - Google Patents

Waferhalterad mit einer andrückvorrichtung

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Publication number
EP1294958A1
EP1294958A1 EP01951616A EP01951616A EP1294958A1 EP 1294958 A1 EP1294958 A1 EP 1294958A1 EP 01951616 A EP01951616 A EP 01951616A EP 01951616 A EP01951616 A EP 01951616A EP 1294958 A1 EP1294958 A1 EP 1294958A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wheel
holding
wafer
holder
pressing device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01951616A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Scheerer
Johann Reiner
Bernd GRÜNINGER
Andreas LÖFFEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP1294958A1 publication Critical patent/EP1294958A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/70—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping
    • H10P72/76—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using mechanical means, e.g. clamps or pinches
    • H10P72/7604—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using mechanical means, e.g. clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support
    • H10P72/7608—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using mechanical means, e.g. clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support characterised by a plurality of separate clamping members, e.g. clamping fingers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50—Substrate holders
    • C23C14/505—Substrate holders for rotation of the substrates

Definitions

  • the invention relates to a wafer holding wheel with a pressing device in a wafer coating system.
  • Coating substrates with thin, largely homogeneous layers is a problem that needs to be paid close attention.
  • disruptive flow effects are a problem in producing sufficient layer homogeneity. This is remedied by rotating the substrate during the sputtering process.
  • the same is held in a ring holder and rotated.
  • this ring holder has the disadvantage that a considerable proportion of the area remains covered at the edge during the coating, that is to say the substrate has useless area.
  • the relatively rigid clamping creates mechanical stress due to the temperatures during sputtering, which are often noticeable through destruction.
  • the invention has for its object to provide a wafer holding wheel with which a circular wafer or a substrate with its two end faces can be fully exposed and rotated during the coating process, without impermissible stresses being able to build up in it. Furthermore, the wafer holding wheel should run smoothly in all permissible process conditions.
  • the invention is achieved by a wafer holding wheel and a pressing device according to the features of claim 1.
  • the holding wheel and the circular support plate attached to it on the inside are made of heat-resistant nickel steel (claim 2).
  • the ring gear on the holding wheel and the v-shaped groove therein are coated with a plasma ceramic, preferably with a ceramic made of Zr0 2 or also A1 2 0 3, via a heat-resistant intermediate layer (claim 3).
  • a plasma ceramic preferably with a ceramic made of Zr0 2 or also A1 2 0 3
  • a heat-resistant intermediate layer (claim 3).
  • each of the swiveling holding rods is pivoted into a radial position via an arm for coating, and the arm with its other end on the edge of the carrier plate in an associated pin hung in or hung out to take out the wafer.
  • the arm can be rotatably but not releasably attached to the pin and is therefore hung at its other end on a mandrel or hook on the pivotable, associated holding rod or is unhooked for the removal of the wafer. Which solution is preferred will depend on the freedom of handling.
  • FIGS. 1 to 3 show: FIG. 1 the wafer holding wheel and the pressing device in the assembly, 2 shows the holding rods attached to the carrier plate, FIG. 3 shows the carrier rods in its holder and FIG. 4 shows a coating.
  • the wafer holder wheel here, for example with an outer diameter of 300 mm and a ring gear thickness of 16 mm, is held in position by the three rollers running in the v-shaped groove on the ring gear at rest or during rotation.
  • the two upper rollers in Figure 1 are fixed in position with their bracket on the upper frame. You sit left and right of the vertical axis through the center of the wafer holder wheel. From below, the third roller, which is pivotable in or parallel to the plane of the carrier plate, presses the wafer holding wheel upward against the two stationary rollers. This is done via the lever arrangement, which is anchored to the lower part of the frame.
  • the one-armed lever is rotatably anchored at one end to the frame, pivotable in or parallel to the plane of the carrier plate.
  • the third roller is mounted so that " it sits with its center at a right-angled position of the vertical axis and one-armed lever approximately or exactly on the vertical axis.
  • one, shorter arm of the two-armed lever engages It is rotatably mounted on the other side of the vertical axis on the lower part of the frame and can be pivoted in the same plane as the one-armed lever.
  • a weight of about 5 N hangs here, so that the third is determined by the lever ratios
  • a spring of predetermined spring constants can be hung between the second arm end and the lower frame part. The technically simplest solution is certainly the weight.
  • the effective lever lengths are exemplary and are about: - one-armed lever: pivot point - roller 145 mm,
  • the position of the drive wheel is basically free and will be such that disabilities are kept to an inevitable minimum.
  • the position in Figure 1, above resulted from the geometry of the overall system.
  • the small gear on the drive wheel engages in the ring gear of the wafer holder wheel.
  • On the outer front edge of the drive wheel is the front sprocket in which the bevel gear engages.
  • the bevel gear sits at the end of the drive shaft, which protrudes from the outside through a bushing into the process space and is rotatably supported there in the desired position. This is known technology and is therefore not shown, only indicated by the end of the drive shaft.
  • the four sticks are each in a tab.
  • This arrangement see Figure 3, then sits on the inner ring on the annular support plate.
  • the lower three holding rods in Figure 2 are rigidly radially, the fourth upper in the support plate plane pivoted.
  • the fixing bolt which is rotatably mounted here on the inner ring, is pushed with its hole in the free end region onto the mandrel on the holding rod in the case of a radially oriented holding rod, and is thus quickly fixed.
  • the groove on the free forehead of the respective tapered holding rod runs in the plane of the carrier plate.
  • Figure 4 demonstrates the quality of the coating on a 5 wafer.
  • the aim was to achieve a layer thickness of approximately 300 nm.
  • the ring holder in the conventional manner, only a circular area with a diameter of approximately 40 mm was reached, then the disruptive change in growth begins.
  • the wafer holder with four holding rods on the other hand, a circular area with actually the entire wafer diameter.

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Abstract

Ein Waferhalterad ist so aufgebaut, dass es zur beidseitigen, vollständigen und homogenen Beschichtung eines Wafers ohne Abschatung durch die Waferhalterung geeignet ist. Das Halterad hat einen Zahnkranz um seine Mantelfläche und mittig verläuft eine v-förmige Nut. Das Halterad hat konzentrisch zu sich ein kreisringförmiges Trägerblech mit am inneren Kreis gleichverteilten Haltestäbchen, die den eingelegten Wafer konzentrisch in Position halten. Das Waferhalterad rollt mit seiner v-förmigen Nut auf mehreren, mindestens jedoch drei Rollen ab. Eine davon ist nachgiebig gelagert, drückt aber mit vorgegebener Kraft das Halterad stets gegen die andern, festmontierten. Über ein Antriebsrad mit zwei Zahnkränzen, das mit einem in den Zahnkranz des Waferhalterads eingreift, kann über ein Gestänge mit Kegelzahnkranz am distalen Ende angetrieben werden.

Description

WAFERHALTERAD MIT EINER ANDRÜCKVORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Waferhalterad mit einer Andrückvorrichtung in einer Waferbeschichtungsanlage.
Beschichtung von Substraten mit dünnen, weitgehend homogenen Schichten ist eine Problematik, der große Aufmerksamkeit geschenkt wird und werden muß. Bei Sputterprozessen sind störende Strömungseffekte ein Problem, hinreichende Schichthomogenität zu erzeugen. Abhilfe leistet hier das Rotieren des Substrats während des Sputterprozesses. Hierzu wird dasselbe in einer Ringaufnahme gehalten und gedreht. Diese Ringaufnahme hat aber den Nachteil, daß während der Beschichtung ein erheblicher Flächenanteil am Rand abgedeckt bleibt, also das Substrat nutzlose Fläche hat. Ferner entstehen durch die verhältnismäßig starre Ein- spannung mechanische Beanspruchung aufgrund der Temperaturen während des Sputterns, die sich oft durch Zerstörung bemerkbar machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Waferhalterad bereitzustellen, mit dem ein kreisförmiger Wafer oder ein Substrat mit seinen beiden Stirnseiten vollständig exponiert und während des Beschichtungsprozesses gedreht werden kann, ohne daß sich in ihm unzulässige Spannungen aufbauen können. Weiter soll ein Leichtlauf des Waferhalterades bei allen zulässigen Prozeßbedingungen aufrecht erhalten werden.
Die Erfindung wird durch ein Waferhalterad und eine Andrückvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit einem solchen Halterad und einer solchen Andrückvorrichtung werden alle thermischen Beanspruchungen während des Sputterns beherrscht. Das gleichmäßig leichte und ruckfreie, weil verkantungsfrei, Drehen des Halterades ist so garantiert. Der Wafer ist stets in zentraler Position und mit seinen beiden Stirnseiten ein- oder beidseitig der Beschichtung hinternisfrei ausgesetzt.
Das Halterad und das an ihm innen befestigte kreisringförmige Trägerblech sind aus wärmebeständigem Nickelstahl (Anspruch 2) .
Der Zahnkranz am Halterad und die v-förmige Nut darin sind mit über eine wärmebeständige Zwischenschicht mit einer Plasmakeramik vorzugsweise mit einer Keramik aus Zr02 oder auch A1203 beschichtet (Anspruch 3) . Damit besteht einerseits zum kleinen Zahnkranz des Antriebsrades und zu den in der v-förmigen Nut ablaufenden Rollen ein hervorragend hoher Wärmeübergangswiderstand. Andrerseits wird bei allen Prozeßbedingungen ein Verkanten und damit ein ruckartiges Drehen sicher vermieden, obwohl doch die in der v-förmigen Nut ablaufenden Rollen mit einer Kraft andrücken.
Zum leichten und schnellen Einlegen des zu beschichtenden Wafers in die Halterung und zum sicheren Heben darin wird jedes der schwenkbaren Haltestäbchen über einen an ihm ansetzenden Arm für die Beschichtung in radiale Position geschwenkt und der Arm mit seinem andern Ende am Rande des Trägerblechs in einen zugehörigen Stift eingehängt oder zur Herausnahme des Wafers ausgehängt. Alternativ kann der Arm am Stift drehbar aber nicht lösbar eingehängt sein und wird dafür mit seinem andern Ende an einem Dorn oder Haken am schwenkbaren, zugehörigen Haltestäbchen eingehängt oder für die Herausnahme des Wafers ausgehängt. Es wird von der Hantierungsfreiheit abhängen, welche Lösung bevorzugt wird.
Eine Ausführung des Waferhalterads und seine Andrückvorrichtung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 3. Sie zeigen: Figur 1 das Waferhalterad und die Andrückvorrichtung im Zusammenbau, Figur 2 die am Trägerblech ansetzenden Haltestäbchen, Figur 3 das Trägerstäbchen in seiner Halterung und Figur 4 einen Beschichtungs ergleich.
Das Waferhalterad hier beispielshaft mit einem äußeren Durchmesser von 300 mm und einer Zahnkranzdicke von 16 mm wird von den drei in der v-förmigen Nut am Zahnkranz ablaufenden Rollen in Ruhe oder bei Drehung in Position gehalten. Die beiden oberen Rollen in Figur 1 sind positionsfest mit ihrer Halterung am obern Rahmen befestigt. Sie sitzen links und rechts der senkrechten Achse durch den Mittelpunkt des Waferhalterads. Von unten drückt die in oder parallel zu der Ebene des Trägerblechs schwenkbare, dritte Rolle das Waferhalterad nach oben gegen die beiden ortsfesten Rollen. Dies geschieht über die Hebelanordnung, die am unteren Teil des Rahmens verankert ist. Der einarmige Hebel ist mit seinem einen Ende am Rahmen drehbar verankert, in oder parallel zu der Ebene des Trägerblechs schwenkbar. An seinem andern, freien Ende ist die dritte Rolle montiert, so daß "sie mit ihrem Mittelpunkt bei rechtwinkeliger Lage von senkrechter Achse und einarmigem Hebel etwa oder genau auf der senkrechten Achse sitzt. An diesem Hebelende greift der eine, kürzere Arm des zweiarmigen Hebels unter. Er ist auf der andern Seite der senkrechten Achse am unteren Rahmenteil drehbar gelagert und ist in der selben Ebene wie der einarmige Hebel schwenkbar. Am Ende des zweiten Arms hängt ein Gewicht von hier etwa 5 N, so daß über die Hebelverhältnisse vorgegeben, die dritte Rolle vorgegeben stark gegen das Waferhalterad drückt. Statt eines Gewichts kann auch eine Feder vorgegebener Federkonstanten zwischen dem zweiten Armende und dem unteren Rahmenteil eingehängt sein. Die technisch einfachste Lösung ist sicherlich das Gewicht.
Die wirksamen Hebellängen sind beispielhaft und betragen hier etwa: - einarmiger Hebel: Drehpunkt - Rolle 145 mm,
Drehpunkt - Untergriff 220 mm;
- zweiarmiger Hebel: kleiner Hebelarm 28 mm, großer Hebelarm 115 m.
Die Lage des Antriebsrades ist im Grunde frei und wird so sein, daß Behinderungen auf ein unvermeidliches Minimum beschränkt bleiben. Die Position in Figur 1, oben, ergab sich aus der Geometrie der Gesamtanlage. Das kleine Zahnrad am Antriebsrad greift in den Zahnkranz des Waferhalterads ein. Am äußeren Stirnrand des Antriebsrades befindet sich der stirnseitige Zahnkranz, in den das Kegelzahnrad eingreift. Das Kegelzahnrad sitzt am Ende der Antriebswelle, die von außen durch eine Durchführung hindurch in den Prozeßraum ragt und dort postionsgewünscht drehfähig gelagert ist. Das ist bekannte Technik und deshalb nicht eingezeichnet, lediglich durch das Ende der Antriebswelle angedeutet.
Die vier Haltestäbchen stecken je in einem Reiter. Diese Anordnung, siehe Figur 3, sitzt dann auf dem inneren Ring an dem kreisringförmigen Trägerblech. Die unteren drei Haltestäbchen in Figur 2 sitzen starr radial, das vierte obere in der Trägerblechebene schwenkbar. Der hier am inneren Ring drehbar gelagerte Fixier-Riegel wird bei radial gerichtetem Haltestäbchen mit seinem Loch im freien Endbereich auf den Dorn am Haltestäbchen geschoben und damit schnell fixiert. Die Nut an der freien Stirn des jeweiligen, dort konisch zulaufenden Haltestäbchens verläuft in der Ebene des Trägerblechs. Mit diesem Aufbau kann rr beispielsweise ein 5 -Wafer eingespannt werden. Die Abschattung ist minimal, wie ersichtlich ist, und bleibt auf hier vier kleine, nahezu punktuelle Bereiche auf den äußersten Rand des Wafers beschränkt. ιr
Figur 4 demonstriert die Qualität der Beschichtung auf einem 5 - Wafer. Angestrebt war eine Schichtdicke von etwa 300 nm. Bei der Ringhalterung nach herkömmlicher Art wurde lediglich eine Kreisfläche mit etwa 40 mm Durchmesser erreicht, dann beginnt die störende Wachstumsänderung. Mit der Waferhalterung mit vier Haltestäbchen dagegen eine Kreisfläche mit eigentlich dem gesamten Waferdurchmesser .

Claims

Patentansprüche:
1. Waferhalterad mit Andrückvorrichtung in einer Waferbe- schichtungsanlage, bestehend aus:
— dem Halterad mit einem Zahnkranz und einer v-förmigen Nut um die äußere Mantelfläche,
~ einem konzentrisch am Halterad angeschraubten kreisringförmigen Trägerblech, an dessen inneren Kreis gleichverteilt mindestens drei Haltestäbchen montiert sind, die an ihrer freien Stirn eine Nut haben, und mindestens zwei Haltestäbchen oder die Haltestäbchen innerhalb eines Winkels kleiner als 180° starr und die übrigen in der Ebene des Trägerblechs schwenkbar montiert sind, so daß die stirnseitig zu beschichtende, kreisförmige Substratscheibe stets zentriert in die jeweilige Stirnnut der starren Haltestäbchen eingelegt und mit den dann radial ausgerichteten Haltestäbchen vollends in Position gehalten wird,
~ einer Andrückvorrichtung aus mindestens drei Rollen, die in der v-förmigen Nut am Umfang des Zahnkranzes abrollen, wovon eine auf einem einarmigen Hebel montiert ist, der an seinem einen Ende am Rahmen der Andrückvorrichtung drehbar gelagert ist, so daß diese Rolle auf das Halterad zu oder von ihm weggeschwenkt werden kann, und diese Rolle den übrigen Rollen, die innerhalb eines Winkels von < 180° vom Mittelpunkt des Halterades aus fest am Rahmen montiert sind, gegenüberliegt,
~ einem weiteren, am Rahmen drehbar gelagerten, zweiarmigen Hebel, der mit seinem einen freien Ende unter das freie des einarmigen Hebels greift und an seinem andern Ende ein Gewicht vorgegebener Gewichtskraft hängen hat oder eine am Rahmen eingehängte Zugfeder vorgegebener Federkonstanten ebenfalls eingehängt hat, wodurch die schwenkbare Rolle stets mit vorgegeben beschränkter Kraft gegen das Waferrad drückt, _ einem Antriebsrad mit kleinem Radius und Zahnkranz auf der Mantelfläche und einem Zahnkranz mit großem Radius am Rande einer Stirnfläche des Antriebsrads, in den ein über eine Welle an deren distalem Ende sitzendes, von außen angetriebenes Kegelzahnrad eingreift.
2. Waferhalterad mit Andrückvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz des Halterades aus wärmebeständigem Nickelstahl ist.
3. Waferhalterad mit Andrückvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz des Halterades und die v-förmige Nut mit einer Plasma-Keramik-Beschichtung und einer wärmebeständigen Zwischenschicht aus Keramik, wie Zr02 oder A1203 überzogen sind.
4. Waferhalterad mit Andrückvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den schwenkbaren Stäbchen jeweils ein Haltearm, ein Fixier-Riegel, mit seinem einen Ende drehbar aber nicht lösbar ansetzt der mit einem Loch an seinem freien Endbereich in einem zugehörigen Stift am äußeren Rand des Trägerblechs eingehängt oder aufgeschoben werden kann oder umgekehrt.
EP01951616A 2000-06-30 2001-06-21 Waferhalterad mit einer andrückvorrichtung Withdrawn EP1294958A1 (de)

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DE10032005A DE10032005B4 (de) 2000-06-30 2000-06-30 Waferhalterad mit einer Andrückvorrichtung in einer Waferbeschichtungsanlage
DE10032005 2000-06-30
PCT/EP2001/006995 WO2002002841A1 (de) 2000-06-30 2001-06-21 Waferhalterad mit einer andrückvorrichtung

Publications (1)

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EP1294958A1 true EP1294958A1 (de) 2003-03-26

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EP01951616A Withdrawn EP1294958A1 (de) 2000-06-30 2001-06-21 Waferhalterad mit einer andrückvorrichtung

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DE (1) DE10032005B4 (de)
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Inventor name: LOEFFEL, ANDREAS

Inventor name: SCHEERER, BERND

Inventor name: REINER, JOHANN

Inventor name: GRUENINGER, BERND

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