TWI665753B - 多晶圓旋轉料架ald中的集成兩軸升降旋轉電動機的中央基座 - Google Patents

多晶圓旋轉料架ald中的集成兩軸升降旋轉電動機的中央基座 Download PDF

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Abstract

本發明提供用於處理半導體晶圓的裝置和方法，所述裝置和方法包括具有真空能力的兩軸升降旋轉電動機的中央基座。晶圓經受在頂表面和底表面之間的差壓以使得足夠的力防止晶圓在處理期間移動，所述差壓通過經由與電動機組件的介面施加減小的壓力至晶圓背側來產生。

Description

多晶圓旋轉料架ALD中的集成兩軸升降旋轉電動機的中央基座
本案的實施方式通常涉及在處理期間保持基板的裝置和方法。特別地，本案的實施方式是針對使用壓差以在大的加速力下將基板保持在基座上的裝置和方法。
在一些CVD和ALD處理腔室中，在本文中也稱為晶圓的基板相對於前驅物注入器及/或加熱器組件移動。如果運動產生大於摩擦力的加速力，那麼晶圓可能變得移位，引起損壞或相關問題。離軸放置的晶圓可在移動/旋轉的基座上以高加速度/減速度滑動。源於晶圓自身重量的摩擦力可能不足以將晶圓保持在尋求更高產量的工具上。
為了防止旋轉力在處理期間移動晶圓，可使用額外硬體以將晶圓夾持或夾緊就位。額外硬體可能昂貴、難以安裝、難以使用及/或在使用期間對晶圓造成損壞。
因此，在本技術中存在對能夠在處理期間將晶圓保 持就位以防止對晶圓或硬體的意外損壞的方法和裝置的需要。
本案的一或更多個實施方式是針對包含電動機外殼的電動機組件，所述電動機外殼具有頂部和底部。驅動軸從電動機外殼的頂部延伸一距離且在所述驅動軸中具有空腔。第一電動機在電動機外殼之內以圍繞中心軸旋轉在電動機外殼之內的驅動軸。第二電動機相鄰於電動機外殼的底部，且第二電動機與電動機外殼之內的至少一個導軌連通以沿著中心軸移動第一電動機和空心軸。
本案的額外實施方式是針對電動機組件，所述電動機組件包含電動機外殼、驅動軸、第一電動機、第二電動機、密封殼體和水套。電動機外殼具有頂部和底部。驅動軸從電動機外殼的頂部延伸一距離。驅動軸在所述驅動軸中具有空腔，所述空腔具有形成至空腔的流體連接的至少一個管道。第一電動機在電動機外殼之內以圍繞中心軸旋轉在電動機外殼之內的驅動軸。第二電動機相鄰於電動機外殼的底部，且第二電動機與電動機外殼之內的至少一個導軌連通以沿著中心軸移動第一電動機和空心軸。密封殼體在電動機外殼之內且具有在所述密封殼體之內的氣體空間。密封殼體位於驅動軸的一部分周圍。氣體空間通過至少一個管道與驅動軸中的空腔流體連通。水套與部分地由密封殼體圍繞的驅動軸的下部接觸。
本案的進一步實施方式是針對處理腔室，在處理腔 室之內包含至少一個氣體分配組件。基座組件位於至少一個氣體分配組件之下，且基座組件包括頂表面、底表面和在頂表面中的用於支撐晶圓的至少一個凹槽。電動機組件包含電動機外殼、驅動軸、第一電動機和第二電動機。電動機外殼具有頂部和底部。驅動軸從電動機外殼的頂部延伸一距離且具有在驅動軸中的一空腔。第一電動機在電動機外殼之內以圍繞中心軸旋轉在電動機外殼之內的驅動軸。第二電動機相鄰於電動機外殼的底部。第二電動機與電動機外殼之內的至少一個導軌連通以沿著中心軸移動第一電動機和空心軸，從而接近或遠離至少一個氣體分配組件移動基座組件。至少一個通道在基座組件中的至少一個凹槽的底表面與驅動軸中的空腔之間延伸，其中在驅動軸的空腔中形成的真空通過至少一個通道與基座組件中的凹槽流體連通。
100‧‧‧處理腔室
102‧‧‧反應區域
110‧‧‧氣體分配組件
111‧‧‧氣體管道
112‧‧‧箭頭
113‧‧‧箭頭
115‧‧‧內邊緣
116‧‧‧外邊緣
120‧‧‧晶圓
121‧‧‧頂表面
122‧‧‧外周邊邊緣
123‧‧‧底表面
127‧‧‧路徑
130‧‧‧基座組件
131‧‧‧頂表面
132‧‧‧底表面
133‧‧‧凹槽
134‧‧‧階梯區域
134a‧‧‧第一階梯區域
134b‧‧‧第二階梯區域
134c‧‧‧第三階梯區域
135‧‧‧底部
137‧‧‧中央部
140‧‧‧通道
140a‧‧‧第一部分
140b‧‧‧第二部分
141‧‧‧連接器
142‧‧‧連接器
146‧‧‧溝槽/管道
147‧‧‧孔
148‧‧‧插塞
149‧‧‧支座
150‧‧‧加熱組件
160‧‧‧驅動軸
161‧‧‧空腔
162‧‧‧閥
165‧‧‧真空源
171‧‧‧閥門
173‧‧‧去除夾緊氣室
175‧‧‧去除夾緊氣源
200‧‧‧電動機組件
202‧‧‧電動機外殼
203‧‧‧頂部
204‧‧‧底部
205‧‧‧頂部
206‧‧‧底部
207‧‧‧側面
210‧‧‧驅動軸
211‧‧‧中心軸
212‧‧‧空腔
213‧‧‧主體
215‧‧‧管道
217‧‧‧頂部
220‧‧‧第一電動機
222‧‧‧電動機/軸介面
230‧‧‧第二電動機
232‧‧‧導軌
234‧‧‧螺母
236‧‧‧螺釘
240‧‧‧密封殼體
241‧‧‧真空源
242‧‧‧密封殼體貫穿口
243‧‧‧氣體空間
245‧‧‧O型環
260‧‧‧波紋管
270‧‧‧水套
272‧‧‧旋轉式接頭
274‧‧‧護套/接頭介面
275‧‧‧入口管
276‧‧‧出口管
277‧‧‧饋電導管
280‧‧‧扭矩板
282‧‧‧反射板
因此，以獲得且可詳細地理解本案的上述特徵的方式，可參考本案的實施方式獲得上文簡要概述的本案的更特定描述，所述實施方式在附圖中示出。附圖僅示出本案的典型實施方式且因此不將附圖視為限制本案的範圍，因為本案可允許其他同等有效的實施方式。
圖1示出根據本案的一或更多個實施方式的處理腔室的部分剖視圖；和圖2示出根據本案的一或更多個實施方式的氣體分配組件的一部分的視圖；圖3示出根據本案的一或更多個實施方式的處理腔 室的部分剖視圖；圖4示出根據本案的一或更多個實施方式的處理腔室的部分剖視圖；圖5示出根據本案的一或更多個實施方式的具有可見真空通道的基座組件中的凹槽的透視圖；圖6示出根據本案的一或更多個實施方式的基座組件的剖面透視圖；圖7示出根據本案的一或更多個實施方式的具有真空通道的基座組件的部分剖視圖；圖8示出根據本案的一或更多個實施方式的具有真空通道的基座組件的部分剖視圖；圖9示出根據本案的一或更多個實施方式的基座組件的部分剖視圖；和圖10示出根據本案的一或更多個實施方式的電動機組件的剖視圖。
為了便於理解，在可能的情況下，已使用相同元件符號來指定對諸圖共用的相同元件。可以預期，一個實施方式的元件和特徵可有利地用於其他實施方式中而無需進一步敘述。
本案的實施方式提供能夠在處理期間將晶圓保持就位以防止或最小化對晶圓和硬體的意外損壞的方法和裝置。本案的具體實施方式是針對用於產生從獨特的前驅物注入器設計形成的壓差的裝置和方法，該壓差具有足以在高轉速下 將晶圓保持就位的量值。如在本說明書和附加申請專利範圍中所述，術語「晶圓」、「基板」等等被可交換地使用。在一些實施方式中，晶圓是剛性的、離散的基板。
在一些空間ALD腔室中，用於沈積的前驅物被非常接近於晶圓表面注入。為了形成氣體動力學，注入器管道是在比周圍腔室更高的壓力下獨立地控制。通過在晶圓前側和晶圓背側之間產生壓差，可產生足夠對抗相對較大加速力以保持晶圓的正壓力。
本案的實施方式是針對在大的加速力下將基板(晶圓)保持在基座上的壓差的使用。大的加速力是因為高旋轉速度而產生的，而在旋轉料架型處理腔室中由於為了更高晶圓產量的較大批量和處理速度或更高往復運動會經歷高旋轉速度。
在一些實施方式中，晶圓放置在位於注入器組件之下的基座上的淺凹穴中。基座可提供熱傳遞、改進的氣體動力學及/或基座可充當基板的運載器具。
本案的實施方式是針對具有從基座底部的內徑向上直至晶圓凹穴以獲得真空的斜孔的基座。基座可通過旋轉軸和所述軸之下的旋轉電動機連接到真空源。如果基座是由碳化矽塗布(Silicon Carbide Coated；SiC)的石墨製成，那麼可從基座的頂部或底部提供額外的孔以便SiC塗層的較好滲透，所述額外的孔例如以孔徑的每三倍間隔。多餘的孔被插塞以為了真空。石墨插塞可在SiC塗層之前壓配合，且隨後基座被SiC塗布。在一些實施方式中，對於更加腐蝕性應用，為了用SiC 獲得更好的石墨密封可應用在SiC塗布的基座上的帶螺紋的SiC塗布的插塞和第二SiC塗布。
圖1示出根據本案的一或更多個實施方式的處理腔室100的一部分。處理腔室100包括至少一個氣體分配組件110，以分配反應氣體至腔室。圖1中所示的實施方式具有單個氣體分配組件110，但本領域的技藝人士將理解可以存在任何適當數目的氣體分配組件。可以有多個組件，其中在各組件之間具有間隔，或在各組件之間幾乎沒有間隔。例如，在一些實施方式中，可以存在彼此相鄰定位的多個氣體分配組件110，以便晶圓120有效地經歷一致重複的氣流。
雖然可使用各種類型的氣體分配組件110(例如，噴頭)，但是為了便於描述，圖1中所示的實施方式示出數個大體上平行的氣體管道111。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，術語「大體上平行」意指氣體管道111的延伸軸在相同的大致方向上延伸。氣體管道111的平行性可能有輕微的不足。然而，本領域技藝人士將理解，旋轉料架型處理腔室可圍繞偏離於晶圓中心軸的中心軸旋轉。在此配置中，大體上不平行的氣體管道111可能很有用。參看圖2，氣體分配組件110可以是餅形節段，在所述節段中，氣體管道111從餅形的內邊緣115朝向餅形的外邊緣116延伸。氣體管道111的形狀也可不同。在一些實施方式中，氣體管道111具有沿著管道的從內邊緣115延伸到外邊緣116的長度的大體上均勻的寬度。在一些實施方式中，氣體管道111的寬度W沿著管道的從內邊緣115延伸到外邊緣116的長度L增加。此情況示出在圖2中， 其中氣體管道111具有接近內邊緣115的較小寬度和接近外邊緣116的較寬寬度。根據一些實施方式，寬度變化的深寬比可等於位置中的徑向差異以便每一管道的邊緣從相同點延伸。如此可使得晶圓的所有點在氣體管道下具有大約相等的滯留時間。換句話說，每一管道寬度可根據相距基座旋轉中心的距離變化。
參看回到圖1，數個氣體管道111可包括至少一個第一反應氣體A管道、至少一個第二反應氣體B管道、至少一個淨化氣體P管道及/或至少一個真空V管道。從第一反應氣體A管道、第二反應氣體B管道和淨化氣體P管道流出的氣體被指引朝向晶圓120的頂表面121。氣流用箭頭112示出。一些氣流水平地橫跨晶圓120的表面121移動，且通過真空V管道向上移動和移動到處理區域之外，如箭頭113所示。從左向右移動的基板將依次暴露於每個製程氣體，從而在基板表面上形成層。基板可在單晶圓處理系統中，其中基板在氣體分配組件之下以往復運動的方式移動；或基板可在旋轉料架型系統中，其中一或多個基板圍繞在氣體管道之下經過的中心軸旋轉。圖2示出根據本案的一或更多個實施方式的旋轉料架型系統的一部分。對於圖2的定向，製程氣體可被視為流出圖紙的平面。遵循路徑127的基板將被依次暴露於每個製程氣體。路徑127被示出為包圍約90º的弧形，但是本領域中的技藝人士將理解，路徑127可以是弧形路徑的任何長度和任何部分。
圖3示出本案的一或更多個實施方式的剖面圖。氣體分配組件110的所述剖面圖部分可被設想為沿著例如圖2的淨 化氣體口的長度獲得。基座組件130可位於氣體分配組件110之下。基座組件130包括頂表面131、底表面132和在所述頂表面131中的至少一個凹槽133。取決於被處理的晶圓120的形狀和大小，凹槽133可以是任何適當的形狀和大小。在所示實施方式中，凹槽133具有圍繞凹槽133的外周邊邊緣的兩階梯區域134。階梯區域134可被調整大小以支撐晶圓120的外周邊邊緣122。取決於例如晶圓的厚度和已在晶圓的背側123上的特徵的存在，由階梯區域134支撐的晶圓120的外周邊邊緣122的量可不同。
在一些實施方式中，基座組件130的頂表面131中的凹槽133可被調整大小，以便在凹槽133中支撐的晶圓120具有大體上與基座組件130的頂表面131共面的頂表面121。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，術語「大體上共面」意指晶圓的頂表面與基座組件的頂表面在±0.2mm的公差範圍內共面。在一些實施方式中，所述晶圓的頂表面與基座組件的頂表面在±0.15mm、±0.10mm或±0.05mm的公差範圍內共面。
凹槽的底部135具有至少一個通道140，所述至少一個通道140從凹槽133的底部通過基座組件130延伸到基座組件130的驅動軸160。通道140可以是任何適當形狀和大小，且通道140在凹槽133和驅動軸160之間形成流體連通。圖3中所示的通道140相對於凹槽底部成角度。在一些實施方式中，通道140包含與凹槽形成流體連通的一個以上支路。例如，通道140的主要部分可平行於基座的頂表面或底表面延伸，且通道 140的主要部分可連接到相對於通道的主要部分轉向的第二支路。驅動軸160可連接到真空源165，所述真空源165在驅動軸160的空腔161之內形成壓力減小(被稱為真空)的區域。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，在此上下文中使用的術語「真空」意指具有比處理腔室的壓力低的壓力的區域。在一些實施方式中，真空，或壓力減小的區域具有小於約50托，或小於約40托，或小於約30托，或小於約20托，或小於約10托，或小於約5托，或小於約1托，或小於約100毫托，或小於約10毫托的壓力。
空腔161可充當真空氣室以便如果存在外部真空的損失，那麼空腔161之內的真空可保持在減小的壓力下。通道140與空腔161連通以便空腔161之內的真空可通過通道140吸引晶圓120的背側123。
在晶圓120之下的凹槽133中的真空或部分真空的情況下，晶圓120之上的反應區域102中的壓力大於凹槽133中的壓力。此差壓提供足夠的力以防止晶圓120在處理期間移動。在一或多個實施方式中，晶圓120之下的凹槽133中的壓力低於晶圓120之上的壓力和處理腔室100中的壓力。
來自由氣體分配組件110發出的氣流且施加於晶圓120的頂表面121的壓力，連同晶圓之下的減小的壓力一起幫助保持晶圓就位。此舉在旋轉料架型處理腔室中具有特定用途，其中晶圓在旋轉料架型處理腔室中偏離於中心軸且圍繞中心軸旋轉。與基座組件的旋轉相關的離心力可引起晶圓滑動離開中心軸。由於來自氣體分配組件的氣體壓力相對由真 空施加於晶圓背側的壓力，晶圓頂側相對晶圓底側的差壓幫助防止晶圓運動。氣體分配組件的氣體管道可被同時地(例如，同時控制所有輸出管道-反應氣體管道和淨化管道)、成群地(例如，同時控制所有第一反應氣體管道)或獨立地(例如，最左邊管道與相鄰管道獨立地控制，等等)控制。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，術語「輸出管道」、「氣體管道」、「氣體注入器」等等被可交換地使用以意指槽縫、管道或噴嘴類型的開口，氣體通過這些槽縫、管道或噴嘴類型的開口注入到處理腔室中。在一些實施方式中，第一反應氣體管道、第二反應氣體管道和至少一個淨化氣體管道被獨立地控制。獨立控制可用於在位於基座組件的凹槽中的晶圓的頂表面上提供正壓力。在一些實施方式中，每一個別的第一反應氣體注入器、第二反應氣體注入器、淨化氣體注入器和泵管道可被個別地和獨立地控制。
晶圓頂表面和晶圓底表面之間的差壓可通過改變以下參數來調整，所述參數例如，來自氣體分配組件的氣體的壓力、來自氣體分配組件的氣體流率、氣體分配組件與晶圓或基座表面之間的距離以及上述真空壓力。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，差壓是晶圓之上的壓力相對晶圓之下的壓力的度量。晶圓之上的壓力是施加到晶圓表面的壓力或在處理腔室100的反應區域102中的壓力。晶圓之下的壓力是凹槽中的壓力、基座組件130中的真空壓力在底表面上的壓力。差壓的量值可直接地影響晶圓被夾緊的程度。在一些實施方式中，晶圓120的頂表面121和晶圓120的底表面123 之間的差壓大於約15托，或大於約10托，或大於約5托。在一或多個實施方式中，晶圓120的頂表面121和凹槽133中的壓力之間的差壓相當於一夾緊力，所述夾緊力足夠大以在約320mm的螺栓中心半徑和約200rpm的旋轉速度下保持300mm的晶圓。
在一些實施方式中，如圖3中所示，處理腔室100包括加熱組件150。加熱組件可位於處理腔室之內的任何適當位置處，所述位置包括但不限於，在基座組件130之下及/或在除氣體分配組件110外的基座組件130的相對側上。加熱組件150提供足夠的熱量至處理腔室以將晶圓120的溫度升高到對製程有用的溫度。適當的加熱組件包括但不限於電阻加熱器和輻射加熱器(例如，數個燈)，所述輻射加熱器將輻射能量朝向基座組件130的底表面指引。
氣體分配組件110和晶圓120的頂表面121之間的距離可被調節且可對差壓和來自氣體分配組件的氣流效率具有影響。如果距離過大，那麼氣流可能在遇到晶圓表面之前向外擴散，導致差壓較低和低效的原子層沈積反應。如果距離過小，那麼氣流可能不能流經表面至氣體分配組件的真空孔且可能產生大的差壓。在一些實施方式中，晶圓表面和氣體分配組件之間的間隙在約0.5mm至約2.0mm的範圍之內，或在約0.7mm至約1.5mm的範圍之內，或在約0.9mm至約1.1mm的範圍之內，或是約1.0mm。
圖3中所示的凹槽133圍繞晶圓120的外周邊邊緣122支撐晶圓120。取決於厚度、剛性及/或凹槽133中的真空壓力 ，此佈置可產生晶圓的成功夾緊、防止或最小化在基座組件130的旋轉或運動期間的晶圓運動。然而，如果晶圓不厚或不具有剛性，或凹槽133中的真空壓力過低，那麼晶圓120可能偏斜以使得晶圓的中央部比晶圓120的外周邊邊緣122進一步遠離氣體分配組件110。
圖4示出通過提供更大的支撐表面區域來說明防止晶圓偏斜的另一實施方式。在此，基座組件130橫跨背側123的大部分支撐晶圓120。此圖示出基座組件的剖面圖。基座組件130的中央部137並不是自由浮動，而是在與剖視圖不同的平面中被連接到基座的其餘部分。通道140從驅動軸160，或從驅動軸160之內的空腔161朝向凹槽133延伸。通道140連接到溝槽146，所述溝槽146朝向基座組件130的頂表面131延伸。真空通過經過溝槽146和通道140的真空將晶圓120夾緊至基座組件130。
圖5示出類似於圖4的基座組件的基座組件130的透視圖。所示的基座組件130具有凹槽133，所述凹槽133具有相對較大的階梯區域134以支撐晶圓的外周邊邊緣122(未示出)。凹槽133包括將溝槽146連接至驅動軸中的真空的大的通道140。所示的溝槽形狀像大寫字母θ，所述溝槽提供了具有溝槽部分(或橫槽)的溝槽環，所述溝槽部分橫跨所述溝槽環的直徑延伸。基座組件130的中央部137可大約與階梯區域134共面，以便中央部137和階梯區域134同時支撐晶圓。
圖6示出根據本案的一或更多個實施方式的基座組件130的透視圖。此處，利用凹槽中的溝槽146，通道140從驅 動軸160朝向連接空腔161的凹槽133延伸，所述空腔161充當真空氣室。通道140具有數個孔147，所述數個孔147將基座組件130的頂表面131與通道140連接。在一些實施方式中，存在至少一個孔，所述至少一個孔從基座組件130的頂表面131和基座組件130的底表面132中的一個延伸到通道140。這些孔147可在基座組件的製造期間產生(例如，鑽孔)以允許通道140的內部被塗布。例如，在一些實施方式中，基座組件130具有碳化矽塗層。一些實施方式的基座組件是碳化矽塗布的石墨。孔147允許碳化矽被塗布在通道140上且隨後用插塞148密封。插塞可由任何適當材料製成，所述材料包括但不限於，碳化矽、碳化矽塗布的石墨、具有碳化矽塗層和石墨的材料。在插塞148已插入孔147中之後，基座組件可被再次塗布碳化矽以提供孔147的額外密封。插塞148可通過互補螺紋而壓配合(例如，摩擦配合)連接到孔147，或通過一些其他機械連接(例如，環氧樹脂)而連接。
在碳化矽塗布的基座組件130的製備期間，孔147為碳化矽提供用於塗布通道140的有用通道。孔147的尺寸和間隔可能對塗布的效率具有影響。孔147可以孔徑的增量間隔。例如，如果孔的直徑為5mm，那麼間隔可以是5x mm，其中x是任何適當的值。例如，間隔可以是孔徑的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍。孔147可位於沿著通道140的長度的任何適當點處，且孔147不需要均勻地橫跨通道140的長度分佈。如圖6中所示，孔147朝向基座組件130的內部集中，其中通道140遠離基座組件130的頂表面131。
通道140可用於供應真空至凹槽133以夾緊晶圓120。然而，當晶圓經過處理時，真空可能太強而無法輕易地從凹槽去除已處理的晶圓。為了易於去除晶圓，通道140也可用於朝向晶圓120的背側提供氣流。因此，向晶圓的背側提供正壓力以允許晶圓輕易地從基座組件去除。
圖9示出根據本案的一或更多個實施方式的基座組件的示意圖。此處，凹槽133被連接到通道140，通道140通向驅動軸之內的空腔161。閥171位於通道140之內。閥171可通過連接器141允許通道140和空腔161之間的流體連接。如果在空腔161中形成真空，或壓力減小的區域，那麼閥可通過連接器141和通道140將空腔161連接至凹槽133。閥門171可被切換以中斷通道140和空腔161之間的流體連接。閥可被設置到封閉位置，將通道140隔離；或設置到其中通過連接器142在通道140和去除夾緊氣室173之間形成連接的位置。去除夾緊氣室173被示出為與去除夾緊氣源175流體連通。去除夾緊氣源175可包含任何適當的氣體，所述氣體包括但不限於，氮氣、氬氣、氦氣或惰性氣體。
圖7示出基座組件130的另一實施方式。此處，通道140從基座組件130的外邊緣大約平行於凹槽133的底部延伸。插塞148將通道140的末端封閉。通道的第一部分140a轉向到第二部分140b且延伸到驅動軸160中。管道146在凹槽133的中心周圍從通道140延伸到凹槽133的底部中。數個支座149從凹槽133的底部135延伸到階梯區域134中的第一階梯的高度。數個支座149為晶圓提供支撐以防止或最小化彎曲。支座149 被以相互間具有間隙地定位在凹槽周圍以允許真空影響整個凹槽。
圖8示出基座組件130的另一實施方式。此處，凹槽包含數個階梯，所述數個階梯漸進地大於初始階梯區域134的高度。第一階梯區域134a具有第一高度。第二階梯區域134b具有大於第一高度的第二高度。第三階梯區域134c具有大於第二高度的第三高度。雖然圖示三個階梯區域，但是本領域技藝人士將理解，可以存在任何數目的階梯區域。在所示實施方式中，第一、第二和第三階梯區域的高度朝向凹槽的中心增加。在一些實施方式中，個別階梯區域的高度可不同以便一些區域具有比其他區域更大的高度，而與該區域相對於凹槽中心的位置無關。
個別階梯區域的直徑和高度可不同。在一些實施方式中，第一階梯區域134a相對於初始階梯區域134具有在約10μm至約90μm的範圍內的高度。當晶圓120置於初始階梯區域134a上時，第一高度是相對於初始階梯區域134測得，即使初始階梯區域134在基座組件130的頂表面131的水平之下。在一些實施方式中，第一高度是在約20μm至約80μm的範圍之內，或在約30μm至約70μm的範圍之內，或在約40μm至約60μm的範圍之內。
在圖8中所示的實施方式中，一些實施方式的第二階梯區域134b具有在約35μm至約115μm的範圍內的高度，且第二階梯區域134b的高度大於第一階梯區域134a的高度。在一些實施方式中，第二階梯區域134b具有在約45μm至約105μm 的範圍內，或在約55μm至約95μm的範圍內，或在約65μm至約85μm的範圍內的高度。
在圖8中所示的實施方式中，第三階梯區域134c具有在約60μm至約140μm的範圍內的高度，且第三階梯區域134c的高度大於第二階梯區域134b的高度。在一些實施方式中，第三階梯區域134c具有在約70μm至約130μm的範圍內，或在約80μm至約120μm的範圍內，或在約90μm至約110μm的範圍內的高度。
取決於支座所位於的特定階梯區域的高度，支座149的高度可不同。參看圖8，第三階梯區域中的支座高於第一階梯區域中的支座。一些實施方式的支座具有足以使支座頂部與初始階梯區域大體上共面的高度，以便位於凹槽中的晶圓與基座組件的頂表面大體上共面。
真空源165可通過閥162連接到空腔161。在存在來自真空源165的真空損失的情況下，閥162可用於將空腔161與真空源165隔離。如此允許空腔161充當真空氣室以便基座組件上的晶圓保持夾緊，直到當真空源被重新連接或修復時為止。
基座組件130中的個別凹槽133的每個可包括單獨的通道140和閥門171。如此允許每一個別的凹槽133與空腔161中的真空隔離。例如，已處理的晶圓120可被旋轉至處理腔室的裝載/卸載區域。閥門171可被封閉或切換至去除夾緊氣室173以在晶圓的背側上產生正壓力，允許機械手拾取晶圓。在拾取晶圓之後，閥可關閉以便凹槽133中的壓力將等於腔室的 壓力。新的晶圓可被放入凹槽中，且閥171切換回以允許與空腔161的流體連接而夾緊新的晶圓。
根據本案的一或更多個實施方式，由用於升降和旋轉基座的集成兩軸電動機驅動的旋轉料架式基座上的中央基座也可用於併入例如氮氣或真空以便夾緊/去除夾緊晶圓。另外，一些實施方式在電漿處理期間使用水，或冷卻劑以保持密封且使用晶圓的電動機磁鐵和電接地。
參看圖10，提供了用於本案的一或更多個實施方式的電動機組件200的示意圖。電動機組件200具有電動機外殼202，所述電動機外殼202具有頂部203和底部204。所示的電動機組件200包括底部206，所述底部206可與外殼202的側面207整體地形成，或可以是單獨的元件。
電動機組件200包括驅動軸210，所述驅動軸210來自電動機外殼202的頂部203。驅動軸210包括主體213和在所述主體中的空腔212。空腔212可與氣體或真空源流體連通且可充當如下文進一步描述的氣室。
驅動軸210可由任何適當的材料的製成，所述材料能夠在晶圓處理期間支撐基座組件同時將空腔保持在所述基座組件之內。在一些實施方式中，驅動軸210由包含不銹鋼的材料製成。驅動軸210的尺寸可取決於例如基座組件的尺寸和重量和支撐在所述基座組件上的其他元件而不同。
驅動軸210從電動機外殼202延伸距離D。此距離D可在處理之前、期間及/或之後改變或變化。在使用時，電動機組件200支撐和旋轉基座組件。驅動軸210從電動機外殼202延 伸的距離D直接相關於基座和支撐在基座上的任何晶圓的垂直高度。
驅動軸210與位於電動機外殼202之內的第一電動機220接觸。第一電動機220圍繞中心軸211在電動機外殼202之內旋轉驅動軸210。驅動軸210可通過接觸、摩擦或硬體連接到第一電動機。在圖10中所示的實施方式中，驅動軸210被連接到電動機/軸介面222，所述電動機/軸介面222被連接到第一電動機220。電動機/軸介面222可以是任何適當材料，所述材料包括但不限於，不銹鋼或鋁。電動機/軸介面222的材料可具有類似於驅動軸210或密封殼體240的膨脹係數的膨脹係數，如下所述。第一電動機220可以是能夠旋轉驅動軸210的任何適當類型的電動機。在一些實施方式中，第一電動機220是直接耦接至空心驅動軸210的直接驅動電動機。
直接驅動電動機可以使用一個滾珠絲杠電動機和兩個對稱機械導軌的組合來升高和降低。在一些實施方式中，滾珠絲杠盡可能接近於中心定位以最小化軸傾斜。第二電動機230是相鄰於電動機外殼202的底部204定位。第二電動機230可以是任何適當類型的電動機，包括但不限於，滾珠絲杠電動機。在圖10中所示的實施方式中，第二電動機230位於電動機外殼202外部，但是第二電動機230也可位於電動機外殼之內。第二電動機230與電動機外殼202之內的至少一個導軌232連通，以沿著中心軸211的長度移動第一電動機220和驅動軸210。沿著中心軸211的長度的運動改變驅動軸210從電動機外殼202的頂部203延伸的距離D。螺母234是沿著第二電動機 的螺釘236定位。螺釘236的旋轉引起螺母234沿著螺釘236的長度移動。
第二電動機230可相對於組件200的中心軸211位於任何位置。在一些實施方式中，第二電動機230盡可能接近於中心軸211定位以最小化運動期間的電動機組件的齒軌。在一或多個實施方式中，電動機組件是圓形的且第二電動機230的功能元件(例如，螺釘、螺母和導軌)位於從中心軸211測量的電動機220的半徑的50%之內。
在一些實施方式中，在電動機外殼202之內存在至少兩個對稱的導軌232。所述兩個導軌可位於中心軸211的任一側上或位於螺釘236的任一側上。例如，圖10中所示的單軌可以是螺母234同時接觸的兩件。
電動機組件200也可包括用於z軸θ電動機上的動態密封組合的密封殼體240，所述電動機為快速旋轉驅動軸210提供真空管道，所述驅動軸在自身側面上具有孔。密封殼體240可位於電動機外殼202之內和驅動軸210的至少一部分周圍。一些實施方式的密封殼體240與真空源241或氣源(未示出)中的一或多個流體連通。真空源241或氣源可被連接到密封殼體貫穿口242。在一些實施方式中，密封殼體240包括用於保持氣體或真空的氣體空間243。當真空源241被連接到密封殼體240時，氣體空間243在真空之下。當氣源(未示出)被連接到密封殼體240時，氣體空間243可保持氣體。
如圖10中所示的驅動軸210可包括至少一個管道215，所述至少一個管道215在驅動軸的空腔212和密封殼體240的 氣體空間243之間形成流體連接。密封殼體240包含至少一個O型環245，以在密封殼體240和驅動軸210之間形成氣密密封。在圖10中所示的實施方式中，存在所示的在管道215之上和之下定位的兩個O型環245。O型環245幫助確保氣密密封同時允許氣體從空腔212流動通過管道215至密封殼體240的氣體空間243中，且最終流動出至真空源241。當使用氣源來代替真空源時，氣流路徑是相反的。
在一些實施方式中，驅動軸中的至少一個管道215大體上垂直於中心軸211延伸。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，在此方面使用的術語「大體上垂直」意指管道215的軸相對於中心軸211的角度大於或等於約45度。在一些實施方式中，管道軸相對於中心軸211的角度大於約15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度，80度或85度。在一或多個實施方式中，管道軸相對於中心軸的角度在約85至約90度的範圍之內，或在約80度至約90度的範圍之內。
驅動軸210中形成的管道215的數量可以是任何適當數量。在一些實施方式中，1個、2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個或更多個分離的通道貫穿驅動軸210的主體213，在空腔212和氣體空間243之間形成流體連接。在一些實施方式中，存在貫穿主體213的四個橫向鑽出的管道。在一或多個實施方式中，單個區域20mm直徑的真空供應給基座且提供在軸的唇形密封(頂部O型環245)和方形密封件(下部O型環245)之間的圓形凹穴中，且隨後通過四個側孔或管道接納軸。 在一些實施方式中，驅動軸210中的空腔具有100mm的直徑，且所述空腔可用作真空儲存器用於在晶圓交換期間將晶圓的其餘部分保持夾緊。
真空隔離可使用不銹鋼波紋管260及/或容納在密封殼體240中的動態唇形密封(O型環245)的組合來輔助或實現。為了進一步將密封殼體240的氣體空間243與處理環境隔離，將波紋管260定位在密封殼體和電動機外殼202的頂部205之間。電動機外殼202的頂部205可使用所包括的任何適當方法連接到電動機外殼的側面207。頂部205可以是機械地附接於側面207的獨立元件或可與側面207整體地形成。波紋管260在電動機220、驅動軸210和密封殼體240的運動期間沿著中心軸211的長度膨脹和收縮。
支撐基座的轉子軸可被冷卻以防止熱量傳導至直接驅動的電動機磁鐵和引起退磁。可以是直接驅動電動機的第一電動機220可通過將水流動經過密封殼體240而水冷卻。另外，根據實施方式，因為基座常常被加熱至高達550℃的製程溫度，所以將驅動軸210的底端冷卻以防止由於過熱對動態密封和電動機磁鐵損壞。此冷卻通過將水旋轉式接頭，或水套270附接、接觸或螺栓固定在驅動軸210之下來完成，其中水通過水套與軸的壓配合連接向上流動至密封件。在一些實施方式中，水套270貫穿電動機/軸介面222與驅動軸210的底部接觸。水套270可被連接到驅動軸210的下部，但是水套270和驅動軸210的簡單接觸可足以冷卻驅動軸210。在驅動軸210的旋轉期間，水套270也可旋轉，或可保持固定。在一些實施方式 中，密封殼體240圍繞水套270的一部分定位。
雖然冷卻劑稱為水套，但是本領域技藝人士將理解可使用任何類型的冷卻劑。例如，汽車防凍劑可用於代替水。水套270通常是由熱的良導體的材料製成。在一些實施方式中，水套是由鋁製成。
在圖10中所示的實施方式中，水套270通過護套/接頭介面274連接到旋轉接頭272。旋轉式接頭272可在驅動軸210的旋轉期間保持固定，同時水套270繞驅動軸210旋轉。此舉可通過冷卻劑(氣體或液體)經過入口管275流入固定旋轉式接頭272中來實現。然後，冷卻劑向上流動至護套/接頭介面274，其中管件連接至水套270中的相應管件，隨後冷卻劑流出出口管276。
電多導體滑環可被螺栓固定在水旋轉式接頭之下以便將電線向上收入基座。電氣連接可從基座產生，通過安裝到軸底部的滑環向下穿過驅動軸210。滑環和電動機/軸介面222(也稱為電動機/軸接頭)可以是相同元件或不同元件。用於檢查多個區域中的基座溫度的多個熱電偶線和用於將基座上的晶圓接地的多個線可經過饋電導管277貫穿驅動軸210、水套270。
本案的一些實施方式是針對基座組件，所述基座組件包含電動機組件200(如圖10的電動機組件)和基座，所述基座與驅動軸210的頂部217連通。在一些實施方式中，扭矩板280被連接到驅動軸210的頂部217。扭矩板280在驅動軸210和基座組件130之間形成介面。在一些實施方式中，如圖10中 所示，反射板282定位在扭矩板280和基座組件130之間。在一些實施方式中，來自基座組件130的熱量使用平行堆疊的多個不銹鋼板(反射板282)逐漸地減少。來自軸周圍的加熱器(見圖3)的熱量可使用驅動軸周圍的17-4 PH鋼反射體遮護板向回反射，將軸保持冷卻。在一些實施方式中，通過基座傳導的剩餘熱量是利用軸之下的水旋轉式接頭使用如前述的水套對軸進行水冷來減少的。水，或冷卻劑可通過驅動軸的厚度中的槍鑽孔，或通過將壓配合鋁水套之下的水旋轉式接頭螺栓固定到電動機軸來實現。
在一些實施方式中，提供從基座底部的內徑往上直至用於夾緊/去除夾緊的各晶圓凹穴的斜孔。斜孔可在高溫下使用無面密封的精加工平板連接到空心驅動軸以防止真空洩漏。在外部真空損失的情況下，空心軸可作為真空氣室。
在一些實施方式中，如圖5和圖6中可見，基座組件130包含在基座組件130的頂表面131中的數個凹槽133。如圖6至圖8中所示，數個通道140從驅動軸210的空腔212延伸到基座組件130中的凹槽133。在一些實施方式中，如圖9中所示，通道140可包含與通道流體連通的閥。多區域真空夾緊實現旋轉料架上的每一晶圓凹穴的獨立控制，這有助於晶圓交換。每個真空區域被連接通過支撐基座的轉子軸，所述轉子軸可以是用於向上至基座的各種流體和饋電的導管，例如，用於淨化或晶圓去除夾緊的氮氣；多區域真空可被應用於夾緊。
用於本案的實施方式的基板可以是任何適當基板。在詳細實施方式中，基板是剛性的、離散的且通常平面的基 板。如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，當參照一基板時的術語「離散的」意指所述基板具有固定尺寸。具體實施方式的基板是半導體晶圓，諸如200mm或300mm直徑的矽晶圓。
如在本說明書和附加申請專利範圍中所使用，術語「反應氣體」、「反應前驅物」、「第一前驅物」、「第二前驅物」等等是指能夠與基板表面或基板表面上的層反應的氣體或氣體物種。
在一些實施方式中，一或多個層可在電漿增強原子層沈積(plasma enhanced atomic layer deposition；PEALD)製程期間形成。在一些製程中，電漿的使用提供足夠能量以促進物種成為激發態，在所述激發態中，表面反應變為良好且有可能的。將電漿引入製程中可以是連續的或脈衝的。在一些實施方式中，前驅物(或反應氣體)和電漿的順序脈衝被用於處理層。在一些實施方式中，反應物可被本地地(即，在處理區域之內)或遠端地(即，在處理區域之外)離子化。在一些實施方式中，遠端離子化可發生在沉積室的上游以使得離子或其他高能或發光物種不與沈積薄膜直接接觸。在一些PEALD製程中，電漿是諸如通過遠端電漿產生器系統從處理腔室外部產生。電漿可經由本領域技藝人士已知的任何適當的電漿產生製程或技術產生。例如，電漿可通過微波(microwave；MW)頻率產生器或射頻(radio frequency；RF)產生器中的一或多個產生。電漿的頻率可取決於被使用的具體反應物種而調諧。適當的頻率包括但不限於2MHz、13.56MHz 、40MHz、60MHz和100MHz。儘管可在本文公開的沈積製程期間使用電漿，但是電漿可能不是必需的。實際上，其他實施方式涉及在無電漿的非常溫和條件下的沈積製程。
根據一或更多個實施方式，基板在形成層之前及/或形成層之後經歷處理。此處理可在相同腔室中或在一或多個分離的處理腔室中執行。在一些實施方式中，基板從第一腔室移動到分離的第二腔室以便進一步處理。基板可直接地從第一腔室移動到該分離的處理腔室，或基板可從第一腔室移動到一或多個傳送腔室，且隨後移動到該分離的處理腔室。因此，處理裝置可包含與傳送站連通的多個腔室。此類裝置可被稱為「群集工具」或「群集系統」，等等。
通常，群集工具是包含多個腔室的模組化系統，所述多個腔室執行各種功能，所述功能包括基板中心檢視和定向、脫氣、退火、沈積及/或蝕刻。根據一或更多個實施方式，群集工具包括至少一第一腔室和中央傳送腔室。中央傳送腔室可容納機械手，所述機械手可在處理腔室和負載鎖定腔室之間或之中往復傳送基板。傳遞腔室通常被保持在真空條件下且提供一中間級，所述中間級用於將基板從一個腔室往復傳送到另一腔室及/或往復傳送到位於群集工具前端的負載鎖定腔室。可適於本案的兩個眾所周知的群集工具是Centura和Endura群集工具，上述兩個群集工具可從Santa Clara,Calif的Applied Materials,Inc.獲得。一個此分級真空基板處理裝置的細節公開在1993年2月16日發佈的、Tepman等人所著的標題為「Staged-Vacuum Wafer Processing Apparatus and Method」 的美國專利第5,186,718號中。然而，為了執行如本文所述的製程的特定步驟的目的，可改變腔室的精確佈置和組合。可被使用的其他處理腔室包括但不限於，循環層沈積(cyclical layer deposition；CLD)、原子層沈積(atomic layer deposition；ALD)、化學氣相沈積(chemical vapor deposition；CVD)、物理氣相沈積(physical vapor deposition；PVD)、蝕刻、預清洗、化學清洗、諸如快速熱處理(rapid thermal process；RTP)的熱處理、電漿氮化、脫氣、定向、羥基化或其他基板製程。通過在群集工具上的腔室中執行各製程，在沈積後續薄膜之前可避免大氣雜質對基板的表面污染且沒有氧化。
根據一或更多個實施方式，基板連續地處於真空條件下或「負載鎖定」條件下，且當基板從一個腔室移動到下一個腔室時沒有暴露於環境空氣。傳遞腔室因此處於真空下且在真空壓力下「抽真空」。惰性氣體可存在於處理腔室或傳送腔室中。在一些實施方式中，惰性氣體被用作淨化氣體以在基板表面上形成矽層之後去除一些或所有反應物。根據一或更多個實施方式，在沉積室的出口處注入淨化氣體以防止反應物從沉積室移動到傳送腔室及/或附加處理腔室。因此，惰性氣體的流動在腔室出口處形成簾幕。
基板可在單個基板沉積室中被處理，其中單個基板被裝載、處理和卸載，之後處理另一基板。基板也可像傳送帶系統以連續的方式被處理，其中多個基板被分別地裝載到腔室的第一部分中，移動通過腔室且從腔室的第二部分卸載。腔室和相關傳送帶系統的形狀可形成直線路徑或彎曲路徑 。另外，處理腔室可以是旋轉料架，其中多個基板圍繞中心軸移動且貫穿旋轉料架路徑暴露於沈積、蝕刻、退火、清洗等製程。
在處理期間，基板可被加熱或冷卻。此加熱或冷卻可通過任何適當的方法來實現，所述方法包括但不限於，改變基板支撐件的溫度和將加熱或冷卻氣體流動至基板表面。在一些實施方式中，基板支撐件包括可被控制以傳導地改變基板溫度的加熱器/冷卻器。在一或多個實施方式中，所使用的氣體(反應氣體或惰性氣體)被加熱或冷卻以本地地改變基板溫度。在一些實施方式中，加熱器/冷卻器位於腔室內鄰近基板表面處以對流地改變基板溫度。
基板也可在處理期間固定或旋轉。旋轉基板可連續地或以離散的步驟旋轉。例如，基板可整個程序中旋轉，或基板可在暴露於不同反應或淨化氣體之間少量旋轉。在處理期間旋轉基板(連續地或逐步地)可通過最小化例如氣流幾何形狀中的局部變化性的效應，幫助產生更均勻的沈積或蝕刻。
儘管已參考特定實施方式描述了本文中的本案，但是應理解，這些實施方式僅為本案的原理和應用的說明。將對本領域技藝人士顯而易見的是，在不背離本案的精神和範圍的情況下，可對本案的方法和裝置進行各種修改和變化。因此，本案意圖包括在附加申請專利範圍和所述申請專利範圍的同等物範圍之內的修改和變化。

Claims (20)

  1. 一種電動機組件，包含：一電動機外殼，具有一頂部和一底部；一驅動軸，從該電動機外殼的該頂部延伸一距離且在該驅動軸中具有一空腔；一第一電動機，在該電動機外殼之內以圍繞一中心軸旋轉在該電動機外殼之內的該驅動軸；和一第二電動機，相鄰於該電動機外殼的該底部，且該第二電動機與該電動機外殼之內的至少一個導軌連通以沿著該中心軸移動該第一電動機和該驅動軸。
  2. 如請求項1之電動機組件，其中進一步包含在該電動機外殼之內的一密封殼體，該密封殼體位於該驅動軸的一部分周圍。
  3. 如請求項2之電動機組件，其中該密封殼體與一真空源流體連通。
  4. 如請求項2之電動機組件，其中該驅動軸包含至少一個管道，該至少一個管道在該驅動軸的該空腔和該密封殼體之間形成一流體連接。
  5. 如請求項4之電動機組件，其中該至少一個管道在大體上垂直於該中心軸的一方向上延伸。
  6. 如請求項4之電動機組件，其中該至少一個管道包含四個管道。
  7. 如請求項4之電動機組件，其中該密封殼體包含用於在該密封殼體和該驅動軸之間形成一氣密密封的一O型環。
  8. 如請求項1之電動機組件，其中該第一電動機是一直接驅動電動機。
  9. 如請求項1之電動機組件，其中該第二電動機是一滾珠絲杠電動機且存在用於移動該驅動軸和第一電動機的至少兩個對稱導軌。
  10. 如請求項2之電動機組件，進一步包含與該驅動軸的一下部接觸的一水套。
  11. 如請求項10之電動機組件，其中該密封殼體位於該水套的一部分周圍。
  12. 一種基座組件，包含：如請求項1之該電動機組件；和一基座，與該驅動軸的該頂部連通。
  13. 如請求項12之基座組件，其中進一步包含一扭矩板，該扭矩板在該驅動軸和該基座之間形成一介面。
  14. 如請求項13之基座組件，進一步包含在該扭矩板和該基座之間的一反射板。
  15. 如請求項12之基座組件，其中該基座在該基座的一頂表面中包含數個凹槽。
  16. 如請求項15之基座組件，進一步包含從該驅動軸的該空腔延伸到該基座中的該凹槽的數個通道。
  17. 如請求項16之基座組件，進一步包含與該通道流體連通的一閥。
  18. 一種電動機組件，包含：一電動機外殼，具有一頂部和一底部；一驅動軸，從該電動機外殼的該頂部延伸一距離，該驅動軸在該驅動軸中具有一空腔，且至少一個管道形成與該空腔的一流體連接；一第一電動機，在該電動機外殼之內以圍繞一中心軸旋轉在該電動機外殼之內的該驅動軸；一第二電動機，相鄰於該電動機外殼的該底部，且該第二電動機與該電動機外殼之內的至少一個導軌連通以沿著該中心軸移動該第一電動機和該驅動軸；一密封殼體，在該電動機外殼之內，該密封殼體具有在該密封殼體中的一氣體空間且位於該驅動軸的一部分周圍，該氣體空間通過該至少一個管道與該驅動軸中的該空腔流體連通；和一水套，與部分地由該密封殼體圍繞的該驅動軸的一下部接觸。
  19. 一種基座組件，包含：如請求項18之該電動機組件；和一扭矩板，相鄰於該驅動軸定位；一反射板，相鄰於該扭矩板；和一基座，相鄰於該反射板，該基座包含在該基座的一頂表面中的數個凹槽，其中該基座包含數個通道，該數個通道從該驅動軸中的該空腔延伸到該基座中的該凹槽。
  20. 一種處理腔室，包含：在該處理腔室之內的至少一個氣體分配組件；一基座組件，位於該至少一個氣體分配組件之下，該基座組件包括一頂表面、一底表面和在該頂表面中的用於支撐一晶圓的至少一個凹槽；和一電動機組件，包含：一電動機外殼，具有一頂部和一底部；一驅動軸，從該電動機外殼的該頂部延伸一距離且在該驅動軸中具有一空腔；一第一電動機，在該電動機外殼之內以圍繞一中心軸旋轉在該電動機外殼之內的該驅動軸；一第二電動機，相鄰於該電動機外殼的該底部，該第二電動機與該電動機外殼之內的至少一個導軌連通以沿著該中心軸移動該第一電動機和該驅動軸，以移動該基座組件更接近和遠離該至少一個氣體分配組件；和至少一個通道，在該基座組件中的該至少一個凹槽的一底表面與該驅動軸中的該空腔之間延伸，其中在該驅動軸的該空腔中形成的一真空通過該至少一個通道與該基座組件中的該凹槽流體連通。
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