TWI517252B

TWI517252B - 使用微環境之熱處理加工裝置

Info

Publication number: TWI517252B
Application number: TW099138922A
Authority: TW
Inventors: 旦尼爾庫德曼; 亞瑟凱格勒; 達維爪納西亞; 麻修傑華史
Original assignee: ＴｅｌＮｅｘｘ公司
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2016-01-11
Also published as: TW201131659A; US8420981B2; WO2011060212A1; US20110114623A1

Description

使用微環境之熱處理加工裝置

本發明係關於半導體裝置之製造，尤其關於半導體基板之加工方法及裝置。

積體電路通常係形造於矽晶圓基體上，該電路含有許多組件例如電晶體、電容器及其他電子裝置，這些組件藉由多層電線或互聯件連接。目前最先進之晶片係使用銅製成，因銅比鋁具有較低之電阻。這些互連件通常為多層式(multi-level)且藉填充例如通路(vias)及溝渠(trenches)等高長寬比構件形成。這些構件係利用物理蒸鍍法(PVD)或化學蒸鍍法(CVD)先填充介電質阻擋層，隨後填充金屬種籽層。在該種籽層之後，用電化學鍍覆法(ECP)以銅填充該互聯件。此處理程序係使用於銅鑲嵌互聯件等線前端應用上或先進封包(packaging)的較大互聯件上。其他替代處理程序亦在開發中以減少種籽層的需求以及用以在矽或阻擋層材料上直接實行電鍍。

在銅鑲嵌及直接電鍍的方法中使用一或更多步驟來改進互聯件的性質及方便進一步的加工處理。其中退火處理係用以通過晶粒細化(grain refinement)改進導電性、及通過應力鬆弛減少脫落(pullout)及空隙(voids)以及減低電子遷移(electro-migration)為因之失敗可能性。退火處理可使銅保留往後可靠加工所需之習知之狀態，例如具有均勻之硬度及晶粒大小(grain size)以供往後最普遍的鍍覆加工步驟之化學-機機-拋光(CMP)處理時獲得安定之加工控制。

半導體退火處理可藉多種設備實行。退火處理設備有爐子、豎爐、快速熱處理設備及特殊設備。一般的爐子及其他外部退火處理專用裝置具有需附設晶圓裝卸(處理)設備之缺點，因晶圓係使用特殊的運送機輸送至專用裝置。特殊組件(specialized modules)可以直接裝設於鍍覆裝置上。此直接裝設的組件具有可將退火處理直接組入電鍍程序中，俾依需要在電鍍期間對晶圓實行一或多次退火處理之優點。

退火處理通常在200~400℃溫度下實行數分鐘。為防止氧化，退火處理可在惰性或還原氣氛下實行。最常用之氣氛為氮氣，雖然有時也可用混合氣體(氮氣及氫氣的混合氣體)。晶圓通常靠近加熱卡盤在退火溫度下放置所定時間，然後藉天然對流或藉與冷表面接觸使其冷卻後放回卡匣或特殊容器中移送至下一處理裝置。

半導體之加工用退火處理室可根據其形狀分為兩型。豎(垂直)型退火處理室之加熱區位於冷卻區之垂直下方，臥(水平)型退火處理室之加熱區位於冷卻區之水平鄰接處。豎型退火處理室之典型例揭示於美國專利第6,929,774號(Morad等人)，而臥型退火處理室之典型例揭示於美國專利第7,311,810號(Mok等人)，這些文獻併入本說明書中供作參考。

依本發明之一實施例提供之基板熱加工處理裝置備有至少一個基板保持裝置，此保持裝置具有在隔離環境下保持基板所用之腔室(housing)。在該腔室內設有一具有基板加熱面之基板加熱器以及一具有基板冷卻面之基板冷卻器。另外在該腔室設有一氣體進入口以供在基板受加熱面加熱時引進惰性或還原氣體至腔室中。在該腔室內設有氣體限制(節流)器(gas restrictor)以限制基板加熱面及環圍基板加熱面之大氣區域(atmospheric region)間之引進氣體(惰性或還原氣體)流量以及形成有一供該引進氣體與大氣區域相連通之孔(aperture)。

依本發明之又一實施例提供之基板熱加工處理裝置係含有至少一個基板保持裝置，此保持裝置備有保持獨立(分離)環境之腔室，腔室內設有基板加熱器及基板加熱面，同時設有基板冷卻器及基板冷卻面，另外在該腔室設有氣體進入口供惰性或還原氣體在基板受加熱面加熱期間進入腔室中。該腔室藉由一氣體界面(gas boundary)劃分為第1氣體區及第2氣體區，該氣體界面在第1氣體區側含有基板加熱面，同時該第1氣區含有餵入氣體(fed gas)而該第2氣體區大致為大氣壓狀態，同時在該氣體界面設有一通至第2氣體區之開口供喂入氣體由第1氣體區通過該開口流入第2氣體區。

依本發明之另一實施例，半導體之熱加工處理裝置含有複數之獨立(分離)組件。每一獨立組件具有基板加熱器及用以在基板加熱期間提供惰性或還原性氣體流之氣體源(gas source)。另外，尚設有限制氣體在基板加熱器及周遭大氣環境之間流動之一節流器，基板冷卻器用以冷卻加熱後的基板，及基板運送機用以從基板加熱器輸送基板至基板冷卻器。

爰詳細說明本發明之實施例於下。

首先說明圖1。圖示為實行半導體晶5之退火處理所用之傳統豎型退火處理裝置1。此裝置1備有加工室2、晶片裝卸器3、冷卻板4、晶圓提升環6、附有埋置式電阻加熱線圈7之加熱盤8、提升銷9a、9b，槽閥10、槽閥蓋11、真空泵12、真空泵閥13、惰性氣體源14及隋性氣體閥15。在圖1中顯示之晶圓提升環6係位於中間高度位置。在加工處理前，該提升環6會退降至加熱盤8下方，同時在加工處理前，該加熱盤8會因內部電阻加熱線圈7之加熱而達到設定的溫度。

現說明圖2。圖2表示使用豎型退火處理裝置1的傳統退火處理方法流程圖，其步驟包括：(201)從內部或外部晶圓保持器(未圖示)選出晶圓5；(202)通過閘門10運送晶圓5；(203)使用內部晶圓操作器2把晶圓5置於晶圓提升銷9a及9b上；(204)使用閥蓋11關閉閘門10；(205)打開真空閥13排淨室內之空氣；(206)關閉閘門10使室2弧立；(207)打開閥15而將惰性氣體充滿於室2中；(208)放下提升銷9a及9b使晶片5與加熱盤8接觸；(209)使晶圓5在加熱盤8上進行退熱處理所定時間；(210)用提升環6提升晶圓5使晶圓靠貼冷卻板4；(211)藉用冷卻板4之熱交換冷卻晶圓5所定時間；(212)伸張提升銷9a及9b；(213)使用提升環6使晶圓5降下至提升銷9a及9b上；(214)打開閘門11；(215)使用晶圓操作器2把晶圓5運送至內部或外部晶圓保持器。

現說明圖3，所示為另一種傳統臥型退火處理裝置20之平面(俯視)圖，圖中含有退火處理中之一半導體晶圓5。此退火處理裝置20之與豎型退火處理裝置1具有相同操作功效之部件以相同代號(符號)表示，即包括冷卻板4、加熱盤8、閘門10、真空泵12、真空泵閥13、惰性氣體源14及惰性氣體閥15。其他另備有外部機器人末端操作器(end-effector)24及垂直間隔片22a、22b、22c。這些垂直間隔片如同豎型退火處理裝置1之加熱盤8係任意配置於冷卻板4中。

圖4表示使用臥型退火處理裝置20的傳統退火處理方法流程圖，其步驟包括：

(401)從外部晶圓保持器或加工站(未圖示)選出晶圓5；

(402)使用末端操作器24通過槽閥10運送晶圓5至冷卻板4上；

(403)移開末端操作器24；

(404)關閉閘門10；

(405)藉打開真空閥13排除室21內之空氣；

(406)關閉真空泵閥13使室21內呈低壓狀態；

(407)打開惰性氣體閥15使室21充滿惰性氣體；

(408)運送晶圓5至加熱盤8；

(409)在加熱盤8上對晶圓5實行所定時間之退火處理；

(410)運送晶圓5至冷卻板4；

(411)藉與冷卻板4實行所定時間之熱交換而冷卻晶圓5；

(412)打開閘門10；

(413)使末端操作器24伸入裝置20中取出加工處理後之晶圓5。

在圖1及圖3所示實施例中，加工室2及21之容積必須足夠大至可容納包括晶圓裝卸裝置3、26及晶圓提升環6等多種裝置。由於氣體供給源14之氣體量、真空泵12的大小以及排淨加工室2及21全體所費時間，最好減小加工室的容積至容納晶圓5之大小。更可取是消除真空泵12以減少裝置的成本。傳統之裝置1及20之排淨及回填氣體步驟205~207及405~407需費處理時間，導致裝置生產能力(throughput)的降低。有些場合為了獲得充份低的殘餘氧氣量需反覆多次實行上述步驟。為了提升生產能力最好把該等步驟取消。矽晶圓係脆弱易因機械壓力斷裂，尤其厚度25~250μm之薄晶圓更是。薄晶圓在行動機、高功率裝置以及使用TSV等應用上大幅增加用量。在圖3所示實施例中，當晶圓提升環6提昇晶圓6到靠近冷卻板4時，若在高度上有稍許調整失誤可能會對晶圓施加過大壓力而引起其破裂。即使晶圓沒有破裂，在晶圓5稍微碰觸冷卻板4時也會在碰觸面產生多量之粒子導致晶圓產率的減低，在半導體之加工製造上難被接收。為了防止晶圓破裂或產生粒子而又能獲得滿意的冷卻速率，所用之提升環6必須具有精確的機械控制器及互鎖具，同時所用之退火處理室最好是可不需藉機械的定位即能正確的調節晶圓及冷卻板間之熱接觸。另外，更可取的是不藉機械的接觸就能冷卻薄晶圓。薄晶圓不像厚晶圓那麼剛強，易因薄及加工應力而發生大至數耗米(mm)之彎曲變形。將此變形的晶圓置於熱板8上時不能使晶圓的整面與熱板達成良好之熱接觸，結果晶圓的剖面溫度分佈(temperature profile)可能會不夠均勻。退火處理室最好能容易適合薄晶圓的加工，此加工包括在不損傷薄晶圓及確保充份均勻溫度分佈狀態下處理晶圓的能力。在晶圓的加熱期間使用晶圓垂直分隔片22a、22b及22c支持晶圓。這些分隔片亦用以設定晶圓加熱速率及改進溫度均勻性。為了防止粒子之產生最好是避開接觸，只在緣部或一般所謂之邊緣禁區之部分接觸晶圓5。豎型退火處理裝置1在熱盤8正上方設有冷卻板4。臥型退火處理裝置20在加熱盤8正上方設有一冷金屬室(cooled metal chamber)21。當熱時，加熱盤8藉對流將熱傳送至冷區。此發生在加熱盤8裸露及晶圓5在加熱盤8上之兩情況時。在高溫下實行退火處理時，對流熱之損失遠比絕緣熱損失為高。因此，為了減少加熱及冷卻成本(費用)最好減少熱的損失。

現說明圖5。圖5所示為依本發明一實施例用以熱處理及冷卻基板之裝置40。該裝置具有基板加熱、泠卻及防止氧化所用之氣體微環境(micro-environment)(有關此種使用微量惰性氣體或還原氣體流引起之氧化作用之詳細容後說明)。有些實施例亦使用氣體流加工處理基板。雖然本發明將參照圖示之實施例說明，但應知本發明可依多種替代形態實施。此外，任何適當大小、形狀或型式之構件或材料都可用。雖然以半導體的退火處理為例說明所使用之裝置及方法，但實施例揭示之實施態樣不限定於半導體基板之退火處理範圍而是同樣可應用於例如回流(reflow)及脫氣(degas)等其他基板加工處理操作。現再說明圖5，此圖所示為半導體晶圓加工裝置40之斷面側視圖，即豎型晶圓退火處理裝置(此裝置備有加熱及冷卻板而一個在上另一個在下)。此裝置亦可為其他適當型熱處理裝置。在所示實施例之退火處理裝置40含有構成室41之殼體，室內設有伯努利(Bernoulli)冷卻板43及加熱盤或板42。此退火處理裝置亦可在室內備有一冷卻板或一加熱板，或與其他晶圓加工站組合一體。依其他實施例，加熱及冷卻可組併在同一板或盤中。將於後面進一步說明，室41內可保持大致大氣條件之控制或隔離氣氛。惰性或還原(或其他適當加工或處理)氣體係從其供應源，即氣體源14b通過閥115而由進口55送至伯努利冷卻板43。如上所述，氣體源14b可為惰性或還原氣體，因此為簡單起見在下面說明中使用“惰性(inert)"一詞代表惰性或還原氣體。由進口55送來之惰性氣體進入內部氣體分配岐管44中，然後送至含有複數噴嘴孔45a、45b之噴嘴板100。冷卻水係經由入口54a送至冷卻板43，然後流回到出口54b。波努利冷卻板43可含例如內部冷卻水管或蛇形溝(在此溝中利用熱塑性環氧樹脂嵌接銅管)。在另一實施例中，上述冷卻板可設有任何適合熱傳導裝置用以冷卻該冷卻板。冷卻板噴嘴，包括圖5中所示代號45a及45b之噴嘴孔，可使氣體對噴嘴板100以一角度噴吹。在一實施例中，當晶圓5在藉冷卻板43進行冷卻時，使用來自噴嘴板100之氣體依習知之伯努利挾持法(Bernoulli chucking)使晶圓5對噴嘴板100保持所定距離。氣體流之水平分量將矽晶圓5朝向如代號101a所標示之一或多個邊緣制止部(rdge restraints)噴吹。在此實施例中，加熱盤或板42可由例如絕緣基板50、徑向絕緣壁(radial insulation)49及可移式絕緣蓋板45組成之牆(walls)圍繞。上述各構體50、49、46之絕緣(保溫)部可由數層之不銹鋼形造，其厚度可在0.1~0.5mm之間，而層距可在0.2~0.7mm之間，亦可以例如鋁氧、石英或鈦等其他可耐高溫之絕緣材料形造。在此實施例，加熱盤42可含有內部電阻加熱線圈(未圖示)，此線圈係通過電接頭67a被供電，但其他任何適宜之熱交換器亦可用以加熱該加熱盤42。在所示之實施例中，可移式蓋體46可為絕緣性，係裝設於蓋支持體64，而此蓋支持體64係裝設於蓋移送裝置47。

上述蓋移送裝置47可使蓋板46從打開位置(未圖示)移動至加熱區上方(但亦可使用例如線性移送方法)。由上述構體50、49、46圍繞形成之腔室可稱為微環境加熱區(HZM)57。此HZM 57之直徑(在此實施例，該腔室係呈圓形狀)比加熱盤42之直徑大不過約10mm，而該加熱盤42之直徑比晶圓5之直徑大不過約25mm。在又一實施例中，加熱盤及微環境加熱區(HZM)可具有所要的尺寸，即微環境57的高度(此高度等於加熱盤42之頂部及蓋板46之底部間的距離)可例如小於約20mm，更明確地說，小於約10mm。絕緣壁49及可移蓋體46之間的縫隙允許惰性氣體流出HZM 57，其間將流入微環境內之室41內氣體量減到最少，絕緣壁49及可移蓋體46之垂直縫隙高度可為例如約0.05~0.5mm範圍，亦可為例如約0.1~0.2mm範圍。另外，該縫隙長度的重疊寬度(此重疊寬度等於絕緣壁49之寬度)可為例如大於約5mm，或可為大於約10mm。在實施例中，該縫隙係形成於蓋體46及絕緣壁49間之邊緣部。上述構體46、49中之一者或兩者可為多孔狀或具有氣孔以利所需之氣體由HMZ通過蓋板/絕緣壁縫隙流通。惰性氣體在打開閥15時可從氣體源14通過管路64進入HZM 57中(參照圖5)。在此實施例中氣體係流進到連接於內部氣體岐管69之熱盤氣體入口65，然後經由一群噴嘴孔66a、66b均勻分配至HZM 57中。氣體流可藉閥15調到充分的高從而盡量減少氣體分子停留在微環境內之時間，例如少於約10秒，更好為例如少於約1秒。在其他實施例中，可附設防止大氣氧進入室41內之設備，此設備可包括氮氣刀51、槽閥68、閘閥52及排氣管53。氮氣刀51係用以在晶圓交換期間打開閘閥52時將氮氣往下吹送通過室的入口。該槽閥68的高度可為例如約12mm以下，亦可為約6mm以下而且水平長度至少為約5mm。排氣管53具有大於其直徑至少10倍之長度，因此在保持惰性氣體壓在正壓期間可防止大氣氧進入室41內。在又一實施例中，蓋板46及壁49單獨或與加熱面及晶圓間之介面之組合的佈局在殼體內構成所謂之氣體閘門，限制基板加熱面及周遭大氣區57’間之惰性氣體實質上包圍基板加熱面。如圖5所示，蓋板46之一些部分及絕緣壁49以及基板加熱面在殼體內形成孔隙(例如形成於蓋板及絕緣壁49間之孔隙)，供惰性氣體從HZM通到大氣區57’。另外，由圖示可知蓋板46及絕緣壁49劃定氣體界限(gas boundary)用以殼體內劃出第1氣體區57及第2氣體區57’。上述氣體界限包括配設於第1氣體區57內之基板加熱面，其中該第1氣體區57含有惰性氣體而該第2氣體區57’為大致大氣壓。該氣體界限設有例如上述之形成於蓋板46及壁49間之孔隙等界限開口部(boundary opening)，以供在加熱基板時由第1氣體區通過加熱面流到第2氣體區之惰性氣體通過。

圖6為使用圖5所示豎型退火處理裝置40加工基板之程序(流程)圖。在開始處理前先調整室41內的條件，例如藉惰性氣流減低室內之氧氣量，使加熱壁42昇到設定的溫度。即在整個處理程序期間打開閥15，使來自氣體源14之惰性氣體留在室41內。

圖6所示為處理步驟，其可包括下述動作且可依任意適當順序實行：

(601)由匣盒或其他晶圓容器(未圖示)選出半導體晶圓5，用位於伯努利冷卻板43下方之末端操作機(未圖示)移送該晶圓；

(602)打開閥115使惰性氣體流過噴嘴片100之噴嘴而將晶圓5夾持在伯努利冷卻板43上；

(603)縮回末端操作機；

(604)關閉閘閥52；

(605)移開絕緣蓋板46，曝露加熱盤42；

(606)提升銷63a、63b使晶圓5高度增加數mm；

(607)關閉閥115，使晶圓5移置於銷63a、63b上；

(608)降下銷63a、63b使晶圓5位置於中間位置，即位置於加熱盤42上面而絕緣蓋板46下面；

(609)移開絕緣蓋板46使其覆蓋在熱區，即HZM 57上面；

(610)打開熱區氣體，同時在所定之排除氣體期間暫停處理；

(611)使銷63a、63b降低到加熱盤42下方；

(612)對晶圓5實行退火處理所定時間；

(613)提升銷63a、63b至中間位置，即位置於加熱盤42上面而絕緣蓋板46下面；

(614)移開絕緣蓋46使熱區，即HZM 57曝露；

(615)提升銷63a、63b使晶圓5位於高於伯努利冷卻板43數mm以內；

(616)打開閥115使晶圓5挾持在伯努利冷卻板43上；

(617)降下銷63a、63b至絕緣蓋板46下方；

(618)移動絕緣蓋46於HZM 57上；

(619)冷卻晶圓5所定時間；

(620)打開(接通)氮氣刀；

(621)打開閘閥52；

(622)使端末操作機通過閘閥52伸至晶圓5下方；

(623)關閉閥115使晶圓5位置在端末操作機上；

(624)利用端末操作機移送晶圓5至匣盒或其他晶圓容器以便附加(進一步)處理。

現參照圖7。圖中顯示備有本發明特徵之半導體晶圓加工裝置70的斷面圖。此裝置70為具有一般所謂之臥型構造(若裝置備有加熱板及冷卻板時，其中之一者係從另一者水平隔距配置)，係用以對晶圓實行退火處理之裝置。此退火處理裝置可具有其他適當之構造。例如裝置70可備有類似圖5所示之殼體(此殼體界定一室41)而且除另有提到以外，大致相同於前述之裝置40。裝置70包含基座板73、伯努利提升板43a、橋接構件72、冷卻區微環境(CZM)57及加熱區微環境(HZM)58。在圖7之裝置70中有顯示晶圓5。在基座板73中可形造機構支持氣體噴嘴60a、60b以及埋設的熱傳遞冷卻管62。如上所述，亦可使用任何適宜的熱交換器實行熱傳遞。惰性氣體係在打開116下經由岐管144供給噴嘴60a、60b，而冷卻液係經由出口61b及入口61a而出入於冷卻管62。上述基座板73亦含有機構以支持熱絕緣板50及加熱盤(或板)42。在此實施例中，伯努利提升板43a含有噴嘴板100、複數之角噴嘴45a、45b以及冷卻管63或其他適宜的熱交換器(包括主動式被動熱交換器)。惰性氣體由氣體源14經過閥115供給至岐管44及噴嘴45a、45b。伯努利提升板43a係裝設在基座板73上或裝置之具有適當觸發器(例如氣動式觸發器，未圖示)的其他部分，該觸發器CZM縫隙(gap)被打開而接受末端操作機時被觸動。在此實施例中，裝置70之伯努利提升板43a與裝置40之伯努利冷卻板43具有相同之功能之機構，只是附加的具有可對基座板73作垂直之接進及開離動作的功能。CZM係藉助來自冷區基板噴嘴60a、60b及伯努利提升板噴嘴45a、45b之惰性氣流維持。當伯努利提升板43a降下時CZM 57的高度可在約1~10mm之間而在其他實施例中亦可在1.5~4mm之間。惰性氣體之通過閥115及116之總流量可在約2~60 SLM之間，亦可在5~30SLM之間。橋接裝置72含有大致包覆HZM 58頂部之一表面114。該表面114含有噴嘴60c及60d並利用來自該等噴嘴之氣流形成上部空氣墊(air-bearing)藉之矯平晶圓。上述表面114可為熱絕緣表面亦可為實質上相同於加熱盤42之加熱盤(或板)42a之底面，但需裝設得使晶圓介面(例如加熱面)朝向下方或朝向加熱板42。HZM 58係藉助來自加熱盤或板42以及來自表面114之惰性氣流維持。此實施例中之加熱板42可與圖5所示之加熱盤或板42相同。因此，此實施例中之HZM 58如圖所示係由板42a之表面114及加熱盤42之晶圓介面表面所包圍。HZM 58之高度可例如約1~10mm亦可為1.5~4mm，通過閥117之惰性氣體流量可為例如約2~60 SLM，亦可為5~30 SLM之間。在實施例中，HZM 58之表面114係實質上被固定，但該表面亦可藉適當之激動器使其向加熱蓋板移動或由加熱蓋板移開。與前面所述之裝置40相同，CZM 57及HZM 58單獨或與晶圓5及包圍CZM及HZM之介面之介面的組合在該裝置40之殼體內形成氣體限制器(gas restrictor)限制晶圓界面表面(例如加熱、冷卻表面)及包圍該晶圓界面表面之包圍大氣區57’間的惰性氣體。如圖7所示，CZM 57(包圍CZM而形成於提昇板43a及冷卻板43之晶圓界面表面間)及HZM 58(包圍HZM而形成於加熱板42，42a之晶圓界面表面114間)形成有複數之供來自CZM，及/或HZM之惰性氣體與大氣壓57，相連通之孔。

現參照圖8，所示為臥型退火處理裝置70的垂直剖面圖。伯努利提升板43a可藉氣動致動器43a提升及降下，圖中所示為伯努利提升板43a在提升位置，此時可用以將晶圓移送至CZM 57中。

圖9為臥型退火處理裝置70的垂直剖面圖。伯努利提升板43a設有二個氣動致動器69，該提升板可具任何適當構造，包括在板上之任何適當位置設置一或多個致動器。另在該提升板43a內裝設有一光感應器83，用以檢測有無卡挾在板上之半導體晶圓。冷卻水係經由出口84b及入口84a出入於橋接裝置冷卻管85。冷卻水亦可經由出口84b及入口84a出入於基座板74。含有晶圓位置檢測之電氣訊號可經由接續器88連通至控制系統。

現說明圖10，此圖為基座板73之俯視斜視圖，顯示本實施例之臥型退火處理裝置70之晶圓輸送機構。在輸送期間晶圓可藉空氣墊(air-bearing)支持在例如CZM 57及HZM 58之間。空氣墊支持可藉來自例如CZM之噴嘴60a、60b及HZM之噴嘴60a、60b的氣流提供。在此實施例中，可藉指狀構件92a及92b接觸晶圓的邊緣部而將晶圓導引至CZM及HZM之間。在移動期間，指狀構件92a及92b可藉附著於設在線狀軌條(未圖示)上之軸承塊97a、97b導引。上述軸承塊亦可附著於驅動具(例如驅動鍵)96a、96b，而此等驅動具由馬達91通過適當之傳動器(例如裝設於驅動軸90之鏈輪)驅動。

圖11為本發明一實施例之伯努利提升板43a的底面圖。惰性氣體可從入口55引入而經由斜噴嘴45a、45b(參照圖7)從噴嘴板100排出。此氣流使被挾持晶圓靠貼端末擋止具101a及101b。端末擋止位置可隨晶圓大小改變，例如端末擋止具101a、101b移動至位置102a及102b以挾持較小的晶圓。伯努利噴嘴板100可由鈦製作，亦可由不銹鋼及其他任何適當材料製作。若是使用金屬噴嘴板，可使用雷射鑽孔法或EDM機製法形成斜噴嘴45a、45b。伯努利提升板43a可用多孔性石墨材製作，以充當濾器防止氣流中之微粒子流到晶圓。在此場合噴嘴45a、45b為石墨板表面之小孔，氣體可從該表面垂直方向流出。因此該多孔材料形造空氣墊保持晶圓離開噴嘴板100適當距離的位置，但為保持該晶圓於適當之水平位置需要靠一附加之機構。此種水平定位可藉備有真空之晶圓邊緣除外區(exclusion region)之數管道(channel)達成。

圖12a及12b分別為本實施例之加熱盤42的頂面圖及底面圖，顯示電接頭67a、67b及氣體噴嘴66a、66b。加熱盤42可為鋁製，其表面有硬質陽極電鍍膜以防磨傷或腐蝕。

圖13為組裝有本發明退火處理裝置之退火處理系統120的側面斜視圖。此退火處理系統120包括裝在架上之加熱控制器121、四組垂直疊置臥型退火處理器70及裝置界面板120。此退火處理系統100可為獨立構體亦可利用組入對準裝置(alignment assembly)123之界面構件裝設於電鍍裝置。

圖14為適合操作臥型退火處理裝置70之方法流程圖。在開始前在裝置中先建立操作條件，例如藉惰性氣流減低HZM 58中之氧水平及將加熱盤42、42a加熱至設定溫度且在全製程(流程)期間打開閥117使惰性氣體由氣體源14繼續流入裝置中。

圖14所示為退火處理之步驟，其可包括如下連串的動作(但此動作可依任何適當順序實行)；(141)從卡匣或其他晶圓箱(未圖示)選出半導體晶圓5，利用端末操作機(未圖示)將其移送到伯努利提升板43a下方；(142)打開閥115使惰性氣體流過含有噴嘴45a及45b之伯努利提升板43a使晶圓5挾持於該伯努利提升板43a上(143)縮回端末操作機；(144)降下伯努利提升板43a；(145)關閉閥115，把晶圓5移置於輸送指片92a及92b之間；(146)利用輸送指片92a及92b導引晶圓5從CZM 57移至HZM 58中；(147)對晶圓5實施所定時間之退火處理；(148)利用輸送指片92a導引晶圓5從HZM 58移至CZM 57中；(149)對晶圓5實施所定時間之冷卻；(1410)打開閥115使惰性氣體流過含有噴嘴45a及45b之伯努利提升板43a使晶圓5挾持於伯努利提升板43a上；(1411)提升伯努利提升板43a；(1412)將端末操作機移動至伯努利提升板43a下方；(1413)關閉閥115而將晶圓5移置於端末操作機上；(1413)縮回端末操作機而將晶圓放回卡匣或其他晶圓箱(未圖示)中。

揭示之實施例提供熱處理及冷卻半導體晶圓作用之裝置。此裝置含有一加熱之微環境區(heated zone micro-environment，簡稱HZM)。此HZM為小容積加工處理環境，可使用微量連續之惰性氣流防止晶圓氧化。該裝置設有大氣室而不設真空相容室，因為HZM可不必抽真空及回填氣體就能以極短時間內獲得充份低的氧濃度。加之，該裝置不需設置價昂之真空泵。在有些實施例可設置氣墊式冷卻板(air-bearing cooling plate)以供在不接觸冷卻板下保持基板接近冷卻板。又，在其他實施例可設置伯努利氣墊板(air-bearing plate)使晶圓位置於離冷卻板一固定距離之保持器以免接觸冷卻板。上述之氣墊式冷卻板含有導入惰性氣體所用之入口，分配該惰性氣體所用之岐管及產生氣墊所用之噴嘴板。又，該冷卻板含有導入冷卻流體所用之入口裝置、熱傳導所用之內部通道(internal channels)，及排放冷卻流體所用之出口裝置。上述噴嘴板裝有具有斜向噴嘴孔之伯努利氣墊板，使半導體晶圓移位至靠接保持器。上述氣墊式冷卻板可具備多孔介質氣墊(porous media air bearing)以便在產生極少微粒子下提供均勻之氣墊。本發明之裝置可含一或多個氣墊式加熱板(或盤)以利在防止晶圓與加熱板接觸下實行均勻之加熱，從而防止微粒子之產生。上述氣墊式加熱板包括引進惰性氣體之入口裝置、分配該惰性氣體之岐管及產生氣墊所用之噴嘴板。該氣墊式加熱板另裝有蛇形狀電阻加熱器。此種設計之加熱器取能協同內部惰性氣體岐管提供均勻之表面加熱作用。有些實施例中可同時設置加熱區微環境(HZM)及冷卻區微環境(CZM)。這些實施例使用狹窄隙縫限制惰性氣流創造出HZM及CZM。這些微環境亦可包含氣墊式輸送手段使晶圓在兩者，即HZM及CZM之間移動。該輸送手段包括指片裝置，此指片裝置只在周緣以外區域(rim edge exclusion area)與晶圓相接觸。該氣墊式輸送裝置包括單一動作軸，如此可降低成本及複雜性。有些實施例使用兩組之氣墊，一個在晶圓上方，一個在晶圓下方。此種配置具有使加工彎曲之晶圓平坦化及防止晶圓與環圍從環境之表面相接觸之功能。

以上僅對本發明之實施範例加以說明，精於此項技術之人可在不背離本發明之範圍內作各種變更及修飾，因此，那些變更及修飾應涵蓋於本案之申請專利範圍內。

1．．．豎型退火處理裝置

2．．．加工室

3．．．晶片裝卸器

4．．．冷卻板

5．．．半導體晶圓

6．．．晶圓提升環

7．．．電阻加熱線圈

8．．．加熱盤

9a、9b．．．提升銷

10．．．槽閥

11．．．槽閥蓋

12．．．真空泵

13．．．真空泵閥

14．．．惰性氣體源

15．．．隋性氣體閥

40、70．．．晶圓退火處理裝置

42．．．加熱盤

43．．．伯努利冷卻板

46．．．可移式蓋體

47．．．蓋移送裝置

64．．．蓋支持體

73．．．基座板

圖1為傳統豎型退火處理裝置之剖面圖；圖2為使用圖1之傳統豎型退火處理裝置之實行傳統退火處理之流程圖；圖3為傳統臥型退火處理裝置之俯視圖；圖4為使用傳統臥型退火處理裝置實行傳統處理方法之流程圖；圖5為備有本發明一實施例所述特徵之半導體晶圓處理裝置之剖面側視圖；圖6為使用圖5所示裝置實施本發明實施例所述晶圓退火處理之操作步驟的流程圖；圖7為備有本發明另一實施例所述特徵之半導體晶圓處理裝置之側視剖面圖；圖8為圖7所示裝置之垂直剖面圖，圖9為圖8所示裝置之俯視圖；圖10為圖8所示裝置之基座部分之斜視圖；圖11為圖8所示裝置之冷卻板部分底面圖；圖12a為圖5或圖7所示裝置之俯視斜視圖；圖12b為加熱板(盤)之底面斜視圖；圖13為組裝有類似圖7所示處理裝置之加工系統之側視斜視圖；圖14為本發明加工裝置之操作方法流程圖。

5．．．半導體晶圓

7．．．電阻加熱線圈

14b．．．氣體源

40．．．退火處理裝置

41．．．構成室

42．．．加熱盤

43．．．波努利冷卻板

44．．．氣體分配岐管

45a、45b．．．噴嘴孔

46．．．可移式蓋體

47．．．蓋移送裝置

50．．．熱絕緣板

51．．．氮氣刀

52．．．閘閥

53．．．排氣管

54a．．．入口

54b．．．出口

55．．．進口

57．．．微環境

57’．．．大氣區

62．．．冷卻管

63a、63b．．．提升銷

64．．．蓋支持體

65．．．氣體入口

67a、67b．．．電接頭

68．．．槽閥

69．．．內部氣體岐管

100．．．噴嘴板

115．．．閥

Claims

一種基板熱加工處理裝置，包括：(1)至少一基板保持裝置，具有在其中保持一個獨立環境之一腔室；(2)位於腔室內之一基板加熱器，其具有基板加熱面；(3)位於腔室內之一基板冷卻器，其具有基板冷卻面；(4)設於腔室之一氣體進入口，供在基板受加熱面加熱時引進惰性氣體或還原氣體至腔室中；及(5)設於腔室內之一氣體節流器，以限制基板加熱面及環圍基板加熱面之大氣區域間的引進氣體流量以及形成有一供引進氣體與大氣區域相連通之一孔口。
如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基板冷卻器係配設於該基板加熱器的上方位置。
如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基板冷卻器係配設於該基板加熱器的大致水平鄰近位置。
如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基板加熱器包括一或多個加熱板，每一加熱板在其內部具有至少一個電阻加熱元件及複數個之朝向基板接收面之氣體噴嘴。
如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基板冷卻器包括一個與冷卻流體連通之冷卻板及複數個之朝向基板接收面之氣體噴嘴。
如申請專利範圍第1項之裝置，該裝置進一步包括於該基板加熱器與基板之間及該基板冷卻器與基板之間具有氣墊的基板輸送器。
如申請專利範圍第1項之裝置，其中該引進氣體流量為約2~約60 SLM之間。
一種基板熱加工處理裝置，包括：(1)至少一基板保持裝置，具有在其中保持一個獨立環境之腔室；(2)位於腔室內之一基板加熱器，其具有基板加熱面；(3)位於腔室內之一基板冷卻器，其具有基板冷卻面；(4)設於腔室之一氣體進入口，供在基板受加熱面加熱時引進惰性氣體或還原氣體至腔室中；及(5)一氣體界面，用以將腔室劃分為第1氣體區及第2氣體區，該氣體界面在第1氣體區含有基板加熱面，同時該第1氣體區含有進入氣體而該第2氣體區大致為大氣壓狀態，其中在該氣體界面設有一通至第2氣體區之開口供引進氣體由第1氣體區通過該開口流入第2氣體區。
如申請專利範圍第8項之裝置，其中該基板冷卻器係配設於該基板加熱器的上方位置。
如申請專利範圍第8項之裝置，其中該基板冷卻器係配設於該基板加熱器的大致水平鄰近位置。
如申請專利範圍第8項之裝置，其中該基板加熱器包括一或多個加熱板，每一加熱板在其內部具有至少一個電阻加熱元件及複數個之朝向基板接收面之氣體噴嘴。
如申請專利範圍第8項之裝置，其中該基板冷卻器包括一個與冷卻流體連通之冷卻板及複數個之朝向基板接收面之氣體噴嘴。
如申請專利範圍第8項之裝置，該裝置進一步包括於該基板加熱器與基板之間及該基板冷卻器與基板之間具有氣墊的基板輸送器。
如申請專利範圍第8項之裝置，其中該引進氣體流係約2~約60 SLM之間。
一種半導體之熱加工處理裝置，具有複數之獨立組件，每一獨立組件包括：(1)一基板加熱器，此基板加熱器係由該獨立組件內之大氣環境包圍；(2)一氣體源，用以在基板加熱期間提供惰性氣體或還原氣體流動；(3)限制氣體在基板加熱器及周遭大氣環境之間流動之一節流器；(4)一基板冷卻器，用以冷卻加熱後之基板；及(5)一基板運送機，用以從基板加熱器輸送基板至基板冷卻器。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板冷卻器係配設於該基板加熱器的上方位置。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板冷卻器係配設於該基板加熱器的大致水平鄰近位置。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板加熱器包括一或多個加熱板，每一加熱板在其內部具有至少一個電阻加熱元件及複數個之朝向基板接收面之氣體噴嘴。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板冷卻器包括一個與冷卻流體連通之冷卻板及複數個之朝向基板接收面之氣體噴嘴。
如申請專利範圍第19項之裝置，其中該冷卻板為金屬製。
如申請專利範圍第19項之裝置，其中該冷卻板為固體多孔性材料製。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該惰性氣體為氮氣。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該還原氣體為氮及氫之混合氣。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中引進的該氣體之停留時間為約10秒以下。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中引進的該氣體之停留時間為約1秒以下。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該節流器包括可藉回轉或位移而移動之蓋體，以供在退火處理期間關閉該加熱裝置。
如申請專利範圍第26項之裝置，其中可移動的該蓋體與該加熱裝置外殼之間的垂直間隙為約0.05~約0.5mm，而該可移動蓋體在該加熱器外殼上之重疊為大於5mm。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板輸送器含有複數個之提升銷。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該節流器含有一氮氣刀。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該節流器含有大縱橫比管。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該節流器在加熱器及大氣之間含有一狹窄通路。
如申請專利範圍第31項之裝置，其中該狹窄通路具有高度約1.5~10mm。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該引進氣體流為約2~約60 SLM之間。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該引進氣體流為約3~30 SLM之間。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板輸送器包括於該基板加熱器與基板之間及該基板冷卻器與基板之間之氣墊。
如申請專利範圍第15項之裝置，其中該基板係藉導引指片導引至氣墊上，該指片僅在基板之邊緣部接觸於該基板。