TWI488228B - 晶圓濕式處理用之封閉腔室 - Google Patents

Description

晶圓濕式處理用之封閉腔室

本發明概略而言係關於一種用以處理例如半導體晶圓之晶圓形物件之表面的設備。

半導體晶圓係受到例如蝕刻、清理、研磨以及材料沉積的各種表面處理製程。為了提供這些製程，單一晶圓可藉由與轉動式載具結合的夾盤支撐在與一或多個處理流體噴嘴相關的位置，例如在美國專利第4,903,717號以及第5,513,668號中的描述。

隨著半導體晶圓上所製造之裝置的小型化之增加，在含氧環境中處理這些晶圓會變得更有問題。例如，當晶圓在開放至周圍空氣的工作站接受濕式處理時，此空氣的氧成分會在晶圓的前側造成銅腐蝕。

因此存在對於可控制氣體環境之濕式處理工作站的需求，又這些工作站允許在處理模組中所裝載的晶圓上執行種種製程。

在美國專利第6,273,104號中，圖6與7顯示一噴淋頭，此噴淋頭係小於罐口，因此無法與此罐密封。

在美國專利第6,807,974號以及第6,915,809號中，據稱氣體注入部分30僅在晶圓乾燥期間提供封閉腔室，而在晶圓濕式處理期間，一個大上許多的外殼1則係處理模組與相關驅動機構唯一的隔離物。此外，這些專利案的氣體注入部分30以及液體注入部分4無法同時運作。

本案發明人已開發出一種改良式封閉腔室模組，其較佳係對單一晶圓濕式處理而設計。在此封閉腔室模組中，用以將介質配送到晶圓上的臂係安裝在此腔室內，並且可從預備位置移動至作業位置。此封閉腔室模組包含一可動式上蓋，此上蓋用以密封此腔室並且較佳係亦用以將氣體供應到此腔室內。

參考圖1，封閉腔室模組10係安裝在底板15上，並且較佳係由圓柱形腔室壁30以及環狀上部腔室罩32所構成，此腔室罩係藉由一系列的螺釘等等而固定於腔室壁30。腔室模組10的上端係藉由噴淋頭蓋20加以封閉，此噴淋頭蓋的外周邊係與環狀上部腔室罩32的內周邊密封。

蓋20係固定於蓋臂22，此蓋臂將蓋20從圖1所示的封閉位置移動到圖2所示的開啟位置，而此蓋臂接著設置在蓋支撐軸26上。氣體饋送線路24將氣體供應至噴淋頭蓋20。

第一與第二驅動單元52、62係為了以下待說明之各介質供應臂而設置，並且通往用於介質供應臂之樞轉移動機構的各罩54、64。參考符號56係表示第一介質供應線路的引入線(lead-in)。

本實施例之封閉腔室模組具有三個內階層，每一個內階層具有其相關連之氣體排放口，以及在圖1中，參考符號82、84以及86係分別表示下、中以及上階層的各自關連之排放口，而參考符號81、83以及85則係表示這些排放口相關連之下、中以及上氣體抽吸部。

現在參考圖2，封閉腔室模組係顯示位在其開啟位置，此包含相對於此腔室將噴淋頭蓋朝上升起並且使其圍繞著蓋支撐軸26樞轉，此蓋支撐軸容納有中空軸18。

在此腔室的內部，可看見旋轉夾盤70，其在本實施例中為雙面型(double-sided type)夾盤。又，可看見位於其預備位置的第二介質供應臂63，以及上、中以及下階層34、35、36。

在圖3中，噴淋頭區域25係顯示位在噴淋頭蓋20的下側，除了複數氣體開口以外，此區域亦包含一中心氣體噴嘴23。

馬達27驅動連桿19，此連桿接著驅動中空軸18(參見圖4)。馬達27因此驅動噴淋頭蓋20的樞轉移動。馬達28為用以升起與降下噴淋頭蓋20的舉升馬達，而29則係表示容納在中空軸18中之氣體饋送線路21、24的引入線。

旋轉馬達72使旋轉夾盤70旋轉，而馬達76係經由滑塊74而升起與降下旋轉夾盤70。下部腔室罩31容納此旋轉夾盤的風箱，此將在以下進行說明。

在圖4中，可更容易看見上、中以及下階層34、35以及36。這些階層及其各排放口86、84以及82的結構可如共同擁有之申請案WO 2004/084278 A1所述。在圖4中亦可看見中心氣體噴嘴23的氣體饋送線路21、用以隔開此驅動機構與此腔室之內部環境的膨脹風箱75、用以使此夾盤驅動機構連接至此腔室之下側的框架77、用以供應此夾盤之底部噴嘴的非轉動式噴嘴頭79、以及用以容納底部噴嘴頭79的非轉動式中空軸78。

圖5的軸向剖面更詳細地顯示上述構件，並且一起顯示用以界定腔室底部的板37、位於其預備位置的第一介質供應臂53、以及臂53的裝載區域55。吾人可注意到軸18係牢牢地固定於蓋臂22，以使傳給軸18的轉動與平移移動亦如下所述般地傳給蓋臂22及蓋20。

在圖6的軸向剖面中，截面係穿過第一介質供應臂53之樞轉機構的罩54。從這個角度，完全可看見第二介質供應臂63係位於其預備位置。參考符號17係表示具有氣體噴淋頭蓋20的壓力均化腔室。例如O形環或V形密封件的環狀密封件33係附接於環狀上部腔室罩32或安裝在此上部腔室罩中，而與噴淋頭蓋20形成密封。

現在輪到圖7，用以轉動旋轉夾盤載具73的機構包含：轉動式中空軸71，用以驅動旋轉夾盤載具73轉動；膨脹風箱75，用以保護此驅動機構不受此腔室的內部環境影響；框架77，用以將此夾盤驅動機構連接至此腔室的下側；非轉動式噴嘴頭79，用以供應此夾盤的底部噴嘴；以及非轉動式中空軸78，用以容納底部噴嘴頭79。

非轉動式中空軸90包圍轉動式中空軸71，此轉動式中空軸接下來包圍非轉動式中空軸78，這三個軸係互為同軸。轉動軸密封軸承91密封這些同軸的軸而使不受腔室環境影響，並且支撐互連轉動的中空軸78與夾盤載具73；而軸承92使非轉動式上部環94與轉動軸71連接。膜罩93係安裝在下部腔室罩31內，以及在其內周邊處抵著風箱75而密封，而在其外周邊處則抵著腔室底部37而密封。

在圖8中，通過圓柱形腔室壁30的徑向剖面顯露出位於其預備位置的第一與第二介質供應臂53與63，以及圖8中的虛線係用以描摹介質臂53、63的配送端在其從所示之預備位置移動到作業位置時的拱形移動路徑，在位於作業位置時，可使此介質臂的配送端大約位在此旋轉夾盤的中心上方。實際上，在任何時間僅其中一個介質臂可被使用並因此可位於其作業位置，亦即，雖然兩介質供應臂53、63如同顯示經常係位於預備位置，但典型上僅一者或另一者在使用時才會位於作業位置。然而，兩介質供應臂53、63可同時移動，但僅兩者的其中一者可接近中心，此可藉由適當的軟體指令加以達成。

提及介質供應臂53、63的作業位置時，吾人可瞭解能夠存在有多於一個的作業位置，或者就此而言這些臂可在其於徑向上從周邊預備位置朝內移動時進行作業。因此，此作業位置可以是介質供應臂之配送端位在夾盤上所支撐之晶圓上方時的任何位置，其並非單單係指最中心的位置。例如，在晶圓處理期間，此作業位置可從中心朝向邊緣移動並且再倒退回來。

圖9顯示將介質供應與配送臂在其預備與作業位置之間進行驅動之機構的進一步細節。在圖9中，僅以虛線來表示罩64而得以觀看到此驅動機構的內部構件。實際上，罩64可由固體材料所製造並以密封方式安裝於此腔室之圓柱形壁30，圓柱形壁30具有被罩64所包圍的切除部分(cutout)以允許連桿67穿過此壁，此連桿將第二介質臂63支撐在其末端上並且例如藉由栓槽連接部(splined connection)而連接至驅動單元62的輸出軸68。輸出軸68係經由密封軸承從下方穿過罩64，因此驅動單元62係配置在此腔室外部並受到保護而免於存在於此腔室內之嚴酷化學環境的影響。

因此，當啟動驅動單元62時，連桿67可在驅動單元62之操作循環所規定的移動範圍進行樞轉，而此係對應於介質供應臂63從其預備位置到其作業位置的位移。因此，位於圓柱形腔室壁30中之切除部分的尺寸係考慮此樞轉移動範圍而製作。

引入線66係連接至位於此腔室內部的第二介質線路61。引入線66可例如為以密封方式穿過此腔室之圓柱形壁30的流體管接頭，而使其位於此腔室外部的那一端連接至入口管路，位於此腔室內部的那一端則連接至第二介質線路61。

又在圖9中可看見在徑向上朝圓柱形腔室壁30內部所設置的內部腔室壁，其與壁30一起界定第二介質供應臂63的裝載區域。此內部壁設有切除部分69，以允許在介質供應臂63從位於裝載區域中的預備位置移動至其作業位置時，使此供應臂的朝下懸垂配送端通過，當位於此作業位置時，臂63的配送端係位在此旋轉夾盤的中心上方。

吾人可明白在本實施例中，第一與第二介質供應臂53與63設有實質上相同的驅動機構，以使一個單元之各種構件的說明亦可用於另一者，然而在此可能不重複此種說明。此外，雖然本發明實施例設有兩個介質配送臂，但此種臂及其相關驅動機構的數量可僅為一個，或者相反地可為三個以上。

在圖10中，第一介質臂53係保持在其預備位置，而第二介質供應臂63已樞轉至作業位置，在位於此作業位置時，臂63的朝下懸垂配送噴嘴係位在此旋轉夾盤的中心上方。更可以看見第二介質線路61以及位於其作業位置的臂63。在圖10中概略地顯示線路61，但吾人可觀察到線路61的長度及其撓曲性係足以涵蓋連桿67之徑向內向端的移動範圍。

圖11的立體圖係對應於圖10，並且顯示位在適當位置的罩54，而將罩64加以移除，以顯露出介質臂63的驅動連桿組。

在使用時，可將此腔室開啟，以允許裝載待於其內進行處理的晶圓。此包含首先啟動馬達28，此馬達係藉由支柱而固定於底板15的下側並且相對於此底板而不動(參見圖3)，但其輸出軸在伸出時會使得引入線29朝上位移，以及軸18、蓋臂22以及蓋20會隨之一起朝上位移。軸18較佳係軸頸連接(journaled)在引入線29中，以使此軸與此引入線一起升起，但可相對於引入線29轉動。

一旦將蓋20升起而開啟此腔室時，接著啟動馬達27以圍繞著軸18之軸的拱形移動範圍驅動連桿19。由於連桿19為非轉動式地固定於軸18，此移動會使軸18轉動，並使蓋臂22與蓋20隨之一起轉動，如此而使蓋20轉動遠離由上部環狀腔室罩32所界定的開口而到達圖2所示的位置。如圖3所示，馬達27本身係經由樞軸而安裝於底板15的下側，以允許連桿19的樞轉移動。連桿19可栓槽連接(splined)於軸18，並且在由馬達28所驅動之軸18進行垂直位移期間相對於此軸而滑動；或者連桿19可牢固地固定於軸18，並且可在其相反端經由樞軸連接部利用馬達27加以驅動，當馬達28運作時，此連桿可在此樞軸連接部上垂直滑動。

在如圖2所示將此腔室開啟之後，將待處理的晶圓裝載於其內。用以將晶圓運送與裝載到旋轉夾盤上的設備在本技術中係為人所熟知。為了接收晶圓，啟動馬達76，以經由滑塊74將旋轉夾盤70升起至位在上部環狀腔室罩32中所界定之開口附近的位置。尤其，可將旋轉夾盤70升起至正好位在罩32中之開口下方的位置、正好位在此開口上方的位置、或與此開口齊平的位置。

吾人可注意到上部環狀罩32中之開口的直徑顯然必須大於待在此腔室中進行處理之晶圓的外徑，但較佳係不具有大上許多的直徑。舉例而言，在300 mm矽晶圓的情況下，罩32中的開口較佳係具有大約320 mm的直徑。一般來說，位於此腔室之上端中的開口的直徑不應超過待處理之晶圓的直徑50%以上，較佳係不大於20%，並且更佳係不大於10%。

旋轉夾盤70用以固持具有預定直徑的晶圓，在此例中為300 mm。旋轉夾盤70包含一周邊系列的夾持銷，這些夾持銷防止晶圓在處理期間側向滑動。當將旋轉夾盤70以如白努力(Bernoulli)夾盤裝設時，供應穿過此夾盤並在徑向上朝外通過晶圓下方的氮氣流提供晶圓的下方支撐。或者，這些夾持銷可設有徑向面向內的表面，這些表面係例如藉由具有與晶圓之周圍邊緣相配的形狀而將晶圓固持在其相對於此夾盤的工作位置上，藉以提供側向與下方兩種支撐。

然後藉由馬達76將旋轉夾盤70降下至位於上、中以及下階層34、35、36其中一者的工作位置，在此之後，旋轉馬達72開始使旋轉夾盤70旋轉。之後，可將任何期望的液體與氣體組合供應至此腔室內部，液體係經由介質供應臂53、63，而氣體則係經由噴淋頭蓋20。

較佳係將其中一或多個用以密封此腔室的密封件設計成在預定過壓等級時，允許控制氣體洩漏至腔室外部。以此方式，於晶圓處理期間，此腔室內係維持在一實質無氧的環境，同時可從噴淋頭蓋20及/或透過軸78持續供應氣體，藉以發生多餘壓力的累積。此設計亦允許在不需要仰賴使用真空或維持完全無法滲透之密封的情況下來排除氧。

吾人可明白本實施例的設計允許氣體噴淋頭以及介質供應臂將氣體以及液體同時供應至此腔室內部。再者，介質供應臂53、63及其相關驅動機構的設計允許這些臂配置在此腔室的內部，而允許其各別驅動單元安裝在此腔室的外部。此提供防止這些驅動單元曝露至經常存在於此種處理模組內之極具攻擊性化學品的極大優點。

雖然本發明已結合其各種說明實施例進行描述，但吾人瞭解這些實施例不應被使用作為限制由隨附請求項的真實範圍與精神所給予之保護範圍的藉口。

10．．．封閉腔室模組

15．．．底板

17．．．壓力均化腔室

18．．．中空軸

19．．．連桿

20．．．噴淋頭蓋

21．．．氣體饋送線路

22．．．蓋臂

23．．．中心氣體噴嘴

24．．．氣體饋送線路

25．．．噴淋頭區域

26．．．蓋支撐軸

27．．．馬達

28．．．馬達

29．．．引入線

30．．．圓柱形腔室壁

31．．．下部腔室罩

32．．．環狀上部腔室罩

33．．．環狀密封件

34．．．上階層

35．．．中階層

36．．．下階層

37．．．腔室底部

52．．．第一驅動單元

53．．．第一介質供應臂

54．．．罩

55．．．裝載區域

56．．．引入線

61．．．第二介質線路

62．．．第二驅動單元

63．．．第二介質供應臂

64．．．罩

66．．．引入線

67．．．連桿

68．．．輸出軸

69．．．切除部分

70．．．旋轉夾盤

71．．．轉動式中空軸

72．．．旋轉馬達

73．．．旋轉夾盤載具

74．．．滑塊

75．．．膨脹風箱

76．．．馬達

77．．．框架

78．．．非轉動式中空軸

79．．．非轉動式噴嘴頭

81．．．氣體抽吸部

82．．．排放口

83．．．氣體抽吸部

84．．．排放口

85．．．氣體抽吸部

86．．．排放口

90．．．非轉動式中空軸

91．．．轉動軸密封軸承

92．．．軸承

93．．．膜罩

94．．．非轉動式上部環

吾人可在閱讀上述參考隨附圖式所給予之本發明較佳實施例的詳細說明之後更加明白本發明之其他目的、特徵以及優點，其中：

圖1係依照本發明之封閉腔室模組之一較佳實施例的立體圖；

圖2係類似於圖1的視圖，其中噴淋頭蓋已向上移動並且遠離此模組，俾能允許此模組的裝載與卸載；

圖3係從圖1實施例下方觀看的立體圖，其顯示用以操作此模組的各種機構；

圖4係圖1實施例的另一立體圖，其係在軸向平面上切割，俾能顯示其內部構件；

圖5係圖1實施例在與圖4相同之平面上的軸向剖面；

圖6係圖1實施例在橫斷其中一介質供應臂之樞轉安裝之平面上的軸向剖面；

圖7係顯示用以驅動並升起與降下本實施例之旋轉夾盤之機構的剖面圖；

圖8係圖1實施例的徑向剖面，其係顯示位於其預備位置的介質供應臂；

圖9係其中一介質供應臂之樞轉安裝的局部立體圖；

圖10係圖1實施例的徑向剖面，於其中，其中一介質供應臂已樞轉到其作業位置；及

圖11係圖1實施例已移除上部腔室罩的立體圖。

10．．．封閉腔室模組

15．．．底板

20．．．噴淋頭蓋

22．．．蓋臂

24．．．氣體饋送線路

26．．．蓋支撐軸

30．．．圓柱形腔室壁

32．．．環狀上部腔室罩

52．．．第一驅動單元

54．．．罩

56．．．引入線

62．．．第二驅動單元

64．．．罩

81．．．氣體抽吸部

82．．．排放口

83．．．氣體抽吸部

84．．．排放口

85．．．氣體抽吸部

86．．．排放口

Claims (15)

1. 一種晶圓形物件的處理設備，包含一封閉處理腔室、設置在該封閉處理腔室內的一夾盤、配置在該腔室內的至少一處理液體配送裝置、以及用於該至少一處理液體配送裝置的一驅動單元，該驅動單元係驅動地連接至該至少一配送裝置以將該至少一配送裝置從一周邊預備位置移動至一或多個活動位置，在位於該活動位置時，該至少一配送裝置的一配送端係在徑向上朝該夾盤內部移動，該驅動單元係安裝在該腔室的外部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該腔室為半導體晶圓之單一晶圓濕式處理用之一處理模組的一構件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該夾盤為具有一驅動軸的一旋轉夾盤，該驅動軸係從該腔室朝下伸出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該腔室包含可從一封閉位置移動至一開啟位置的一蓋，以允許一晶圓形物件被導入該腔室或自該腔室移除，該蓋包含在位於該封閉位置時將氣體注入到該腔室內的氣體噴嘴，而該至少一處理液體配送裝置用以在該蓋位於該封閉位置時將液體配送到該腔室內。
5. 如申請專利範圍第4項所述之晶圓形物件的處理設備，更包含用以將該蓋從該封閉位置移動至該開啟位置的一驅動機構，該驅動機構用以使該蓋相對於該腔室進行朝上與側向的兩種位移。
6. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該驅動單元為安裝在該腔室之一側殼體上的一馬達，該馬達的一輸出軸穿入該側殼體內並且驅動一連桿，該連桿穿入該腔室內並且連接至該至少一液體配送裝置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該至少一處理液體配送裝置為一介質供應臂，該介質供應臂可樞轉地安裝在該腔室內並且可從一周邊預備位置移動至一或多個活動位置，在位於該活動位置時，該介質供應臂的一配送端係在徑向上朝該夾盤內部移動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該介質供應臂具有樞轉地連接至穿過該腔室的壁之一連桿的一端、以及設有一配送噴嘴的一相對端。
9. 如申請專利範圍第4項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該蓋為一氣體噴淋頭，該噴淋頭包含配置該氣體噴嘴的一區域，該區域涵蓋待在該封閉處理腔室內進行處理之一晶圓形物件之面積的至少50%。
10. 如申請專利範圍第4項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該蓋係平行於該夾盤上所接收之一晶圓形物件而排列。
11. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該夾盤可相對於該封閉處理腔室進行垂直移動，並且設置成具有至少三個停止位置，該等停止位置為一個最上部位置以及位在該腔室內的至少兩個下部位置，該最上部位置係用於從該夾盤裝載與卸載一晶圓形物件，而各該至少兩個下部位置係對應於該腔室的各別處理階層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該封閉處理腔室包含複數個疊置處理階層，各該複數疊置處理階層具有連接至該階層的各別氣體排放口，其中該氣體排放口可被獨立控制。
13. 如申請專利範圍第1項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該封閉處理腔室係安裝在一底板的上表面上，並且更包含用於該夾盤的一驅動單元，用於該夾盤的該驅動單元係安裝在一殼體中，該殼體係懸掛在該底板的下表面。
14. 如申請專利範圍第5項所述之晶圓形物件的處理設備，其中用以將該蓋從該封閉位置移動至該開啟位置的該驅動機構係安裝在一底板的下表面上，該封閉處理腔室係安裝在該底板的上表面上。
15. 如申請專利範圍第4項所述之晶圓形物件的處理設備，其中該腔室具有一上部圓形開口，以及該蓋係大於該開口，並且設置一密封件，俾能在將該蓋朝下往一部腔室壁壓時，使該蓋抵靠該上部腔室壁而密封。