TWI238552B - Heat management in wafer processing equipment using thermoelectric device - Google Patents

Description

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A7 B7 五、發明說明（1 ) 本發明概有關於半導體製造設備，尤有關於熱電裝置 對一半導體處理系統之應用。 半導體製造設備係被用來將半導體晶圓加工成電子裝 置者。典型地為接受熱處理，晶圓會被使用晶圓載具送入 該處理系統中。通常，一移轉機構會個別地由該截具移走 該等阳圓，並將個別的晶圓移送通過閥閘，而送入不同的 處理至中。該移轉機構亦可將個別的晶圓移送於各處理室 之間，來進行不同的處理步驟。在許多處理步驟中，該等 晶圓會被加熱。故，一最後的處理步驟乃可包含一晶圓的 冷卻步驟。為進行該晶圓冷卻步驟，該等晶圓會被置入一 冷卻室中，直至其溫度降得夠低而可再被放回該载具為止。 在大部份的處理系統中，供進行該等處理步驟的處理 至乃具有不同的需求，俾能加熱及/或冷卻各種構件或結構 物，包括該等晶圓。由於需求的變化，故在一處理循環中， 該等處理室會被重複地加熱及/或冷卻，此將會導致有大量 的熱能被浪費掉。 本發明係將一習知的熱電裝置操作原理應用於一半導 體處理系統中，以提供一方便的電力供應，來減少冷卻水 的需求，並降低能量消耗者。本發明乃提供一種半導體之 處理系統及方法，其係利用在大部份一般熱處理系統中典 型會被耗失或浪費掉的熱能者。 如下之更詳細的說明，本發明乃包括一熱配置系統， 其係利用一熱處理室或其它熱源所產生之熱、廢棄熱，及/ 或過多的熱等，而由一第一熱電裝置（發電器）來產生電

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 1238552 A7 B7 Φ 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（2 ) 力。該等電力係藉保持通過一半導體熱電元件總成中之加 熱邊與冷卻邊的溫差而來產生者。 依據本發明’由該第一熱電裝置所產生之電力可被送 至一第二熱電裝置（冷卻器）。該被第一熱電裝置之電力所 驅動的第二熱電裝置，乃可被用來將一冷卻室的熱排除。 在該冷卻邊，電子在由一低能階元件移動至一較高能階元 件時，將會吸收能量。故由該第一熱電裝置所供應的電力 可供應能量來供電子移動通過該系統。在該加熱邊，當電 力由一高能階元件移至一低能階元件時，能量會被排除至 一散熱器。 在一態樣中，本發明乃提供一種半導體晶圓處理系 統。δ亥糸統包含一第一處理室及一第二處理室。該第一處 理室含有一第一熱電模組可操作而產生一電流。該第二處 理室含有一第二熱電模組，其會接收該電流而可操作來降 低第二處理室的溫度。 在本發明之另一態樣中，乃提供一半導體晶圓處理系 統，其包含一第一腔室係可提供熱能的第一來源，及一第 二腔室具有一第一溫度。該系統亦包含一第一熱電模組， 了回應接收ό玄熱此來操作而產生一第一電流，及一第一熱 電模組乃可接收該第一電流，而操作來將該第一溫度改變 成一第二溫度。 在本發明之又一態樣中，乃提供一種處理半導體晶圓 的方法’纟包括以一第一熱電模組使用一熱源來產生一電 流’及使用-可由該第-熱電模組所產生的電流操作之一 --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1238552 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 五、發明說明（ 第二熱電模組來將一處理室之熱去除。 藉著使用已被該熱處理室所造成之熱來產生電力，則 冷卻該冷卻室所需之能量乃可大大地減少。而且，不須在 本發明的系統中安裝管道，因為本發明的系統並不須要移 動液體或氣體。其它使用本發明之熱配置线中的熱電裝 置所能提供之優點係，沒有移動構件，操件無聲，及不必 壓力合器等。由於本發明使用比習知的熱配置系統更少的 構件，故本發明之系統乃可被製得更為可靠及更精簡，而 月匕減少單位成本，並僅須較少的地板空間。 本發明之其它用途、優點與變化等，將可由專業人士 在閱完本說明書及所附圖式之後更為清楚明瞭。 圖式之簡單說明： 第1圖係為一典型的熱電偶裝置之簡化示意圖； 第2圖係為一含有本發明之熱配置系統的半導體晶圓 處理系統之簡化示意圖； 第3圖係為本發明之熱配置系統的簡示圖；及 第4與4A圖為本發明一變化實施例的簡化示意圖。 服差（熱電）發電的概念係為習知者。溫差發電以往係 使用典型的熱電偶5，如第1圖所示之例。該熱電偶5的運作 性能係有賴於習知的溫差發電原理，一般稱為塞貝克效應 (Seebeck effect)及帕耳帖效應（peitier effect)。該塞貝克效 應係在二不同材料6的封閉迴路中產生一電流，並形成兩個 接頭，其中之一接頭（熱接頭）7係比另一接頭（冷接頭）9保持 在更南的溫度。該帕耳帖效應則相反於塞貝克效應。帕耳 -----------裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂*---------線f- 五 經濟部-智慧財產局員工消費合作社印製 Ϊ238552 A7 -------____ 發明說明（4 ) 帖效應係將一電流通過該等接頭而來加熱或冷卻該等接 頭。通<，熱電偶會被組合於一模組中（第3圖），而該等熱 電偶係形成電的串聯及熱的並聯來連接。在將該等熱電偶 組合成模組時，乃可得到尺寸、形狀、操作電流、操作電 壓、及泵熱能力範圍等之較大變化。 第2圖係為一半導體晶圓處理系統1〇的簡化示意圖，其 可容裝本發明的熱配置系統。在該實施例中，晶圓處理系 統10包含一裝載站12，一定位部26，一移轉室14, 一移轉 機構16,至少一個或多個處理室18及2〇，及一冷卻室22。 裝載站12具有平台可撐持及移動晶圓載具，例如24，進入 該定位部26中。該載具24係為一可動式的晶圓載具，能一 次帶送25個晶圓28。其它形式的晶圓載具，包括固定式晶 圓載具，亦可被使用。晶圓載具可被以人力或自動導車 (“AGV”）來置放在平台上。 在一實施例中，處理室18與20乃可為快速熱處理 (“RTP”）反應器。但，本發明並不限於使用特定的反應器， 而可使用任何半導體處理反應器，例如使用於物理氣相沉 積，蝕刻，化學氣相沉積，及灰化處理者。反應器18與2〇 亦可為被揭露於共同受讓的第〇9/451494號美國專利申請 案，名稱為“電阻加熱式單晶圓爐，，中之形式，該案内容併 此附送以供參考。 在一實施例中，當在處理加工時，各晶圓載具24中之 晶圓28會被由定位部26，經過移轉室14，而傳送至處理室 18或2 0中各b曰圓2 8的移動係可利用晶圓移轉機構16來完 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 1238552

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成’其可將晶圓28由載具24取出，並經由一直線及旋轉組 合的傳送操作，而將晶圓28送經真空室間（即間門），並置 放在該晶圓處理室18或2〇中的適當位置。同樣地，該晶圓 移轉機構16亦能將晶圓28由—處理室18或2()傳送至另一處 理至’及由一處理室送回至冷卻室22。 有一泵32乃可供在處理時所需的真空使用。假使該等 處理室18及20的組合容積係小於定位部％、冷卻室^、及 移轉室i4的組合容積，則一單獨的泵32即足以將該系㈣ 的整體容積泵降至。_，可能需要額相加的果來 分別泵降反應器18與20至真空。 在晶圓28於處理室18或20内被以習知方法處理過後， 該移轉機構16會將晶圓28移入冷卻室22中。因為剛處理過 的晶圓可能有200°C或更高的溫度，而可能會融化或損壞一 般的晶圓載具，故該冷卻室22乃設來供該等晶圓被放回載 具24之前先將其冷卻。 然後，晶圓28會被由冷卻室22中取出，並利用移轉機 構將之放回載具24之原來槽隙中。當該載具24已被裝滿處 理過的晶圓時’該載具24會由定位部26下降，並轉出該位 置（請見箭號34，乃示出旋轉方向），以容另一平台將下一 個晶圓載具移入該定位部26中。 凊參閱第2及3圖，本發明之熱配置系統4〇將被說明。 違熱配置系統40乃包含至少一熱源被熱連接於至少一第一 熱電模組42。該系統40亦包含一要被冷卻的物體連接於至 > 一第二熱電模組44。或者，如後所述，附加的熱源及附 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 1238552 經濟部-智慧財產局員工消費合作社印製 Λ7 Β7 五、發明說明（6 ) 加的要被冷卻之物體亦可各被熱連接於附加的熱電模組， 此亦包含在本發明的範圍内。 於本發明中，供溫差（熱電）發電的熱源係可為任何熱 源’包括任何產生的、過多的、廢棄的、及/或可回收的熱 源，其典型係可在一半導體製造工場中被找到的。在第3 圖所示之實施例中，該熱源可包括至少-處理室。最好是， 該熱源可為兩個或更多的處理室，如先前示於第2圖中之處 理室18及2G。在該較佳實施例巾，處理室職綱卩為熱源， 而可被成分別緊密接觸熱電模組42與42八。或者，該等 熱電模組42與42A係設在遠離處理室18與2〇處，而可由一 不同來源接收熱。 在第3圖所示之實施例中，第一熱電模組“與^八係為 (熱電）溫差發電器，而能直接將熱轉化為電能（塞貝克效應） 來產生電力，尤其是一 DC電流。在一實施例中，第一熱電 模組42乃包§ %量轉化材料46及一散熱器48。添加的熱電 > 模組42A亦包含能量轉化材料46A及一吸熱器48八。利用塞 貝克效應的原理，藉著保持通過該等能量轉化材料牝及 46A中之熱接頭與冷接頭的溫差，即可維持一穩定的電力 水準。 能量轉化材料46及46A主要係由多數p&n型對件或電 偶所組成。該等電偶係呈串聯電連接，並可在電絕緣體/ 導熱板50與52之間被啟閉開關。該能量轉化材料係被選為 具有尚Z( C )值的指標特徵，其定義為：

Z = S2/pK 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 9 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1238552

-1238552 五、發明說明（8 器48與48A可包含任何習知的散熱材料，例如黃銅或不銷 銅’最好為銘。該等散熱器48與48A的構造乃可為任何習 知構k，例如葉片散熱器，液體熱交換器，冷卻板，及類 似者等等。 在本發明中，由於熱係移動於該熱接頭（熱源）與冷接 頭（散熱)之間，故會產生一 DC電壓。在一實施例中，轉 化材料46與46A各可產生約IV至150V之間的直流電壓，並 能產生約0.1至100安培之間的電流。若有必要，則一個以 上的熱電模組乃彳串聯接合在一^，來產生更大的單位電 壓。 訂 再印參閱第3圖，第二熱電模組44亦包含與前述熱電模 組42與42A之形式及功能相同的構件。故，應可瞭解其能 量轉化材料54與散熱器56等，在形式、功能及操作上，皆 與前述者相同。 ▲ 在此實施例中，該模組44係電連接於模組42及42八， 而使在模組42與42A中所產生的電力可供該模組44所使 用。將電力輸入模組44,會使該模組44形成一熱電冷卻器。 熱電冷卻器係利用帕耳帖效應，當有一電流被送經由二不 同材料所組成的封閉迴路之二接頭時，將會使熱由其一接 頭被移轉或泵吸至另一接頭上。 如前述，該等能量轉化材料56主要係由多數的_型 對件或電偶（第1圖）所組成。該等電偶係以串聯來電連接， 並可被中夾於電絕緣體及熱導體的板50與52之間。該模組 44之板50係緊貼於-要被冷卻之物體的外表面上。在此實 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格$21〇 X 297公爱丁

1238552 在如上述方法中，其散熱器56亦經由該板52而被熱連 接於該等轉化材料54。熱會由該冷卻室22 ,經過轉化材料 54而被移轉或泵吸至該散熱器56。在冷接頭處的操作，當 電子由該p型元件之低能量水準通過至一11型元件的高能量 水準時，冷卻室22的能量（熱）會被電子所吸收。來自第一 熱電模組42與42A的電力會提供能量來供在熱接頭之電子 移經各模組，若在n型元件中，能量會被排至散熱器％，若 在Ρ型το件中，電子會由一較高能量水準移至一較低能量水 準。於一實施例中，在加熱邊與冷卻邊之間的溫差Dt乃約 為5至1〇〇 C，最好該溫差Dt的範圍係在5至5〇艺之間。散熱 器56可包括任何適當的散熱材料，例如黃銅、不銹鋼；最 好為鋁。該散熱器56的構造亦可為任何習知的構造，例如 葉片散熱器，液體熱交換器，冷卻板等等。 如上所述，在轉化材料46與46A中所產生的電力會被 运至轉化材料54處，因此熱會被泵吸於該熱接頭（冷卻室“) 與冷接頭（散熱器56)之間。在一實施例中，轉化材料54乃 可利用約1至150V之間的直流電壓。若有須要，一個以上 的模組44亦可被串聯接合在—起，例如第㈣中所示的模組 44A，來由該冷卻室22除去更多的熱。 在-可擇實施例中，各熱電裝置亦可由一外部電源來

本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x 297公爱I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----—訂'·--------線』 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12 1238552 經濟部'智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（10 ) 獨立驅動運作。 第4及4A圖為本發明之一變化實施例的簡化示意圖。 由第4圖中可知，處理室18與20可各具有至少一熱電裝置6〇 與62,設在處理室18與2〇與移轉室14之間。在此實施例中， 移轉至14會形成一相對較大的散熱器以供熱電裝置6〇與62 來操作。或者，如第4A圖所示，有多數的熱電裝置60、62、 64、68、70、72、74等亦可被設在移轉室14與處理室18及 20之間。該等熱電裝置可被設置環繞孔口 80，而使該等裝 置緊密觸接腔室18及20與移轉室14的配接部份。產生於該 等熱電裝置中的電流，將可被用來供應任何電氣器材，例 如燈、電腦、控制器、機械人、資料儲存裝置，及其它類 似的器材等。或者，該等電流亦可被送至電池76與78來儲 存。該儲存的電流亦可被作為一可斷電供電器（ups)使用， 其可能在該系統發生停電時有須要使用。最好是，該UPS 能夠提供12至24V的電壓以供至少二至三分鐘的操作。 丨許多溫差（熱電）發電器及冷卻器等，諸如於上所述可 被使用於熱配置系統40者，乃可由各製造商及經銷商來購 得，例如德州，Humble的丁hermoelectric公司及新澤西州， Trenton的MELCOR公司等。在大部份情況下，該等發電器 /冷卻器乃可使用熱電材料之間的所擇溫差範圍來被調整 提供所需的輸出電壓。在一非作為本發明之限制的例子 中，MELCOR公司曾製成一供本發明之熱配置系統使用的 溫差發電器，該設計具有約200°C的熱邊溫度，約25°C的冷 邊溫度，約12伏特的電壓需求，及約丨安培的電流需求。該 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13 ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1238552 A7 B7 五、發明說明（η 設計係使用三個串連的MELC0R Model HT6-12-40熱電產 生器。該三個產生器能產生總共約13V的電壓，約丨4安培 的總電流’及約19瓦的總電力。 以上本發明之描述係供說明之用，而非用來限制。本 發明乃如以下申請專利範圍所述者。元件標號對照 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制π 5·..熱電偶 32···泵 6·.·熱電材料 40…熱配置系統 7…熱接頭 42…第一熱電模組 9···冷接頭 44…第《一熱電模組 1〇…半導體晶圓處理系統 46、54…能量轉化材料 12···裝載站 48、56·.·散熱器 14…移轉室 50、52···電絕緣體/導熱 16…移轉機構 60、62…熱電裝置 18、20·.·處理室 64 、 68 ' 70 、 72 、 74 22···冷卻室 …熱電裝置 24···晶圓載具 76…電池 26···定位部 80···孔口 2 8…晶圓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 14 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂P--------線i

Claims (1)

1. AS B8 C8 D8

   六、申請專利範圍 1238552 1 · 一種半導體晶圓處理系統，包含： 一第一處理室含有一第一熱電模組能操作產生一 電流；及 ^ 一第二處理室含有一第二熱電模組能接收該電 流’並可操作來改變該第二處理室的溫度。 2·如申請專利範圍第旧之系統，更包含_第三處理室含 有一第三熱電模組能操作產生一電流。 3.如申請專利範圍第旧之系統，其中該電流係為直流電 流。 4·如申請專利範圍第旧之系統，其中該第一熱電模組係 為一含有能量轉化材料及散熱器之熱電產生器（溫差發 電器）。 如申π專利圍第4項之系統’其中該等能量轉化材料 乃包含取自以下組群材料的合金或化合物：鉛、硒、碲、 銻、鉍、鍺、錫、錳、鈷、及矽。 6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該等能量轉化材料 乃被摻入少量硼、磷、鈉或銦等之摻雜劑。 7. 如申請專利範圍第1項之系統’其中該第二熱電模組係 為一含有能量轉化材料及散熱器之熱電冷卻器。 8·如申請專利範圍第i項之系、統，其中該電流係在〇1至 100安培的範圍内。 9. 如申請專利範圍第W之系統，其中該第一處理室包含 一熱反應器，而該第二處理室包含—冷卻室。 10. —種半導體晶圓處理系統，包含： I紙張尺度適用中_家標準（CNS)A4規格（210 11—II---訂· I — I — — — 線- (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 x 297公釐） 15 1238552 申請專利範圍 一第一處理室含有一第一熱電模組能操作來回應 接收一第一電流而加熱該第—處理室；及 一第二處理室含有一第二熱電模組能操作來回應 接收一第二電流而冷卻該第二處理室。 11. 一種半導體晶圓處理系統，包含·· 一第一腔室可提供熱能的第一來源； 一第一熱電模組係可操作來回應接收該熱能而產 生一第一電流； 一第二腔室具有一第一溫度；及 一第二熱電模組乃可接收該第一電流，而被操作來 將該第一溫度改變成一第二溫度。 u·如申請專利範圍第丨丨項之系統，更包含： 一第三腔室可提供熱能的第二來源；及 一第三熱電模組可操作來回應接收該熱能而產生 一第二電流。 13.—種供處理一半導體晶圓的方法，包含·· 利用-熱源以一第—熱電模組來產生一電流；及 使用一會被該電流所操作之一第二熱電模組來將 一處理室之熱排除。 14·如申請專利範圍第13項之方法，其中該熱源包含-熱反 應器。 15·如申請專利範圍第13項之方法，A . 一肀6亥第一熱電模組係 為一熱電產生器（溫差發電器）。 w如申請專利範圍㈣項之方法，其中該第二熱電模组係 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 訂— -I n I I 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格咖χ挪公^ •^1 ^1 _ 16

   1238552 六、申請專利範圍 為一熱電冷卻器。 如申請專利範圍第13項之方法’其中該電流係在〇1至 100安培的範圍内。 18· —種半導體晶園處理系統，包含： 至少一熱處理室可提供一熱源； 一散熱器；及 至少一熱電模組當緊密接觸該熱處理室與散熱器 時’可操作而產生一電流。 19.如申請專利範圍第18項之系統，其中該散熱器包含一晶 圓移轉至，而s亥熱處理室包含—快速熱處理器。 1如中請專利範圍第18項之系統’其中該電流乃提供於一 不斷電供電器。 --------訂 Ρ —-------線 j (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 17