DE69935351T2

DE69935351T2 - Verfahren zum Abscheiden von Atomschichten

Info

Publication number: DE69935351T2
Application number: DE69935351T
Authority: DE
Inventors: Kenneth San Jose DOERING; Carl J. Aromas GALEWSKI; Prasad N. Santa Clara GADGIL; Thomas E. Sunnyvale SEIDEL
Original assignee: Genus Inc
Current assignee: Genus Inc
Priority date: 1999-01-04
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: KR100446485B1; DE69935351D1; JP2002534786A; KR20020006020A; CN1342213A; ATE355396T1; EP1159465B1; US20020108714A1; WO2000040772A1; AU2368500A; JP2007027791A; US6387185B2; US20010011526A1; EP1159465A1; US6818067B2; US6174377B1; EP1159465A4; CN1170957C

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet von Verfahren zur Abscheidung von Atomschichten (ALD-Verfahren).
Auf dem Gebiet der Dünnschichttechnologie waren und sind nach wie vor Forderungen nach dünneren Beschichtungen, besserer Gleichmäßigkeit über Substrate mit immer größeren Flächen, höheren Produktionsausbeuten und höherer Produktivität Antriebskräfte für die Entstehung von Technologien, die von Geräteherstellern für die Beschichtung von Substraten bei der Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente entwickelt werden. Zum Beispiel beeinflussen Prozeßsteuerung und gleichmäßige Schichtabscheidung, die bei der Herstellung eines Mikroprozessors erreicht werden, direkt die erzielbaren Taktfrequenzen. Diese gleichen Faktoren in Kombination mit neuen Materialien schreiben außerdem höhere Packungsdichten für Speicher vor, die auf einem Einzelchip oder Bauelement verfügbar sind. Mit der Verkleinerung dieser Bauelemente steigt der Bedarf nach größerer Gleichmäßigkeit und Prozeßsteuerung bezüglich der Schichtdicke dramatisch an.
Für das Aufbringen von Dünnschichten auf Substrate oder andere Substrate in Fertigungsschritten für integrierte Schaltkreise (ICs) existieren verschiedene, dem Fachmann bekannte Technologien. Unter den etablierteren, für das Aufbringen von Dünnschichten verfügbaren Technologien sind das chemische Aufdampfen (CVD) und eine als schnelles thermisches chemisches Aufdampfen (RTCVD) bezeichnete Variante oft angewandte, kommerzialisierte Verfahren. Die Atomschichtabscheidung (ALD), eine Variante des CVD-Verfahrens, ist eine relativ neue Technologie, die sich jetzt als ein möglicherweise hervorragendes Verfahren zur Erzielung von Gleichmäßigkeit, hevorragender Stufenüberdeckung und Lichtdurchlässigkeit auf Substratgröße herausstellt. ALD weist jedoch eine im allgemeinen niedrigere Abscheiderate auf (typischerweise etwa 100 Å/min) als CVD und RTCVD (typischerweise etwa 1000 Å/min).
Sowohl CVD als auch RTCVD sind flußabhängige Anwendungen, die eine spezifische und gleichmäßige Substrattemperatur und Vorläufer (chemische Spezies) in einem Gleichmäßigkeitszustand in der Verarbeitungskammer erfordern, um eine gewünschte Schicht von gleichmäßiger Dicke auf einer Substratoberfläche zu erzeugen. Diese Anforderungen werden mit zunehmender Substratgröße kritischer und erzeugen die Notwendigkeit größerer Komplexität in der Kammerkonstruktion und im Gasdurchflußverfahren, um eine angemessene Gleichmäßigkeit aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel erfordert ein 75 mm-Substrat, das in einer Reaktorkammer verarbeitet wird, weniger Prozeßsteuerung in Bezug auf Gasdurchfluß, gleichmäßige Hitze und Vorläuferverteilung als ein 200 mm-Substrat bei dem gleichen System erfordern würde; und die Substratgröße geht gegen 300 mm Durchmesser, und 400 mm Durchmesser ist in Sicht.
Ein anderes Problem bei der CVD-Beschichtung, wo Reaktanten und die Reaktionsprodukte in enger Nachbarschaft zur Abscheidungsfläche koexistieren, ist die Wahrscheinlichkeit des Einschlusses von Reaktionsprodukten und anderen Verunreinigungsstoffen in jeder abgeschiedenen Schicht. Außerdem ist der Nutzungsgrad der Reaktanten bei CVD niedrig und wird durch Verringerung des Kammerdrucks beeinträchtigt. Ferner tragen hochreaktive Vorläufermoleküle zu homogenen Gasphasenreaktionen bei, die unerwünschte Teilchen erzeugen können, die für die Schichtqualität schädlich sind.
Unternehmen, die RTCVD anwenden, und Hersteller von RTCVD-Geräten haben versucht, diese Probleme durch Einführung des Konzepts der Begrenzten Reaktionsverarbeitung (LRP) anzugehen, wobei ein einzelnes Substrat in eine Reaktionskammer eingebracht und dann mit Hilfe einer geeigneten Strahlungsquelle schnell erhitzt wird, um Dünnschichten abzuscheiden. Schnelles Erhitzen wirkt wie ein reaktiver Schalter und bietet einen viel höheren Steuerungsgrad bezüglich der Dicke der Schicht, als dies mit anderen Prozessen möglich ist. RTCVD bietet Vorteile gegenüber CVD auch bei kürzeren Verarbeitungszeiten, im allgemeinen niedrigeren Prozeßkosten und verbesserter Prozeßsteuerung. Zum Zeitpunkt der vorliegenden Patentanmeldung ist RTCVD ein aussichtsreiches neues Verfahren zur Abscheidung ultradünner und gleichmäßiger Schichten. RTCVD wird durch eine Reihe von Geräteherstellern gerade stetig aus den Forschungs- und Entwicklungsstadien in den kommerziellen Bereich überführt.
Obwohl RTCVD einige klare Vorteile gegenüber dem allgemeinen CVD-Verfahren aufweist, existieren auch inhärente Probleme mit dieser Technologie, wie z. B. die bei der Verarbeitung angewandten Temperaturen. Große Oberflächen erfordern eine genauer gesteuerte Temperatur, die, wenn sie nicht erzielt wird, zu Verformung oder Versetzungen im Substrat führen kann. Außerdem wird die Herausforderung der Bereitstellung einer geeigneten Kammer, die verunreinigungsfrei ist und einem Hochvakuum sowie einer schnellen Temperaturänderung widerstehen kann, bei größerem Oberflächenbedarf kritischer.
Ein weiterer kritischer Bereich der Dünnschichttechnologie ist die Fähigkeit eines Systems, einen hohen Gleichmäßigkeitsgrad und eine Dickensteuerung über eine komplexe Topologie bereitzustellen, die vielen Geräten eigen ist. Dieses Phänomen wird typischerweise als Stufenüberdeckung bezeichnet. Im Fall von CVD ist die Stufenüberdeckung besser als in physikalischen Sichtlinien-Aufdampfverfahren (PVD-Verfahren), aber in Anfangsstadien der Abscheidung kann eine nicht bevorzugte, gleichzeitige Adsorption verschiedener reaktiver Moleküle auftreten, die zu diskreter Keimbildung führt. Die als Keime gebildeten Bereiche (Inseln) wachsen horizontal und vertikal weiter und vereinigen sich schließlich zu einer durchgehenden Schicht. In den Anfangsstadien der Abscheidung ist eine solche Schicht diskontinuierlich. Andere Faktoren, wie z. B. die mittlere freie Weglänge von Molekülen, kritische topologische Abmessungen und die Reaktivität von Vorläufern komplizieren die Verarbeitung weiter und machen es schon an sich schwierig, einen hohen Gleichmäßigkeitsgrad mit angemessener Stufenüberdeckung über komplexer Topologie für ultradünne Schichten zu erzielen, die mittels CVD abgeschieden werden. Es ist nicht nachgewiesen worden, daß RTCVD in der Stufenüberdeckung wesentlich besser als herkömmliche CVD ist.
Die Atomschichtabscheidung (ALD), obwohl ein langsamerer Prozeß als CVD oder RTCVD, demonstriert eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Aufrechterhaltung äußerst gleichmäßiger dünner Abscheidungsschichten über komplexer Topologie. Dies ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, daß ALD nicht flußabhängig ist, wie weiter oben in Bezug auf CVD und RTCVD beschrieben. Diese flußunabhängige Natur von ALD ermöglicht eine Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen als bei herkömmlichen CVD- oder RTCVD-Prozessen.
ALD-Prozesse gehen durch Chemisorption an der Abscheidungsfläche des Substrats vonstatten. Die Technologie der ALD basiert auf Konzepten der Atomschichtepitaxie (ALE), die in den frühen 80er Jahren für die Züchtung von polykristallinen und amorphen Schichten aus ZnS und dielektrischen Oxiden für Elektrolumineszenzsichtgeräte entwickelt wurde. Die Technik von ALD basiert auf dem Prinzip der Bildung einer gesättigten monomolekularen Schicht aus reaktiven Vorläufermolekülen durch Chemisorption. Bei ALD werden geeignete reaktive Vorläufer abwechselnd stoßweise in eine Abscheidungskammer eingebracht. Jede Injektion eines reaktiven Vorläufers wird durch eine Inertgasspülung getrennt. Jeder Vorläuferinjektion liefert zusätzlich zu früher abgeschiedenen Schichten eine neue Atomschicht, um eine gleichmäßige Lage einer massiven Schicht zu bilden. Der Zyklus wird wiederholt, um die gewünschte Schichtdicke zu bilden.
Ein gutes Nachschlagewerk auf dem Gebiet der Atomschichtepitaxie, das eine Diskussion der zugrundeliegenden, in ALD enthaltenen Konzepte bietet, ist das von Tuomo Suntola geschriebene Kapitel 14 des Handbook of Crystal Growth, Bd. 3, Hrsg. D. T. J. Hurle, 1994, Elsevier Science B. V. Der Titel des Kapitels ist "Atomic Layer Epitaxy" (Atomschichtepitaxie).
Zur weiteren Erläuterung der allgemeinen Konzepte von ALD wird auf die hierin enthaltenen 1a und 1b verwiesen. 1a stellt einen Querschnitt einer Substratoberfläche in einem Frühstadium eines ALD-Prozesses zur Bildung einer Schicht aus Materialien A und B dar, die in diesem Beispiel als elementare Materialien angesehen werden können. 1a zeigt ein Substrat, das ein Substrat in einem Fertigungsstadium von integrierten Schaltkreisen sein kann. Eine massive Schicht des Elements A wird über der ursprünglichen Substratoberfläche gebildet. Über der Schicht A wird eine Schicht aus dem Element B aufgebracht, und in dem dargestellten Verarbeitungsstadium ist eine oberste Schicht aus einem Liganden y vorhanden. Die Schichten werden durch abwechselndes stoßweises Einbringen eines ersten Vorläufergases Ax und eines zweiten Vorläufergases By in den Bereich der Oberfläche gebildet. Zwischen Vorläuferimpulsen wird der Prozeßbereich evakuiert und ein Spülgasimpuls eingespeist.
1b zeigt einen vollständigen Zyklus der abwechselnden, Impulsverarbeitung die in diesem Beispiel zur Bildung des massiven AB-Materials angewandt wird. In einem Zyklus wird ein erster Ax-Gasimpuls eingespeist, gefolgt von einer Übergangszeit ohne Gaseinspeisung. Dann folgt ein Zwischenimpuls des Spülgases, gefolgt von einer weiteren Übergangszeit. Dann wird By-Gas stoßweise eingespeist, gefolgt von einer Übergangszeit, und dann wieder von einem Spülimpuls. Ein Zyklus enthält dann einen Ax-Impuls und einen By-Impuls, wobei jeder Vorläuferimpuls durch einen Spülgasimpuls getrennt ist.
Wie oben kurz beschrieben, läuft ALD durch Chemisorption ab. Das ursprüngliche Substrat bietet eine Oberfläche aus einem aktiven Liganden für den Prozeßbereich. Der erste Gasimpuls, in diesem Fall Ax, ergibt eine Schicht aus A und eine Oberfläche aus dem Liganden x. Nach dem Spülen wird By stoßweise in den Reaktionsbereich eingespeist. Der y-Ligand reagiert mit dem x-Liganden, setzt xy frei und hinterläßt eine Oberfläche aus y, wie in 1a dargestellt. Der Prozeß schreitet Zyklus um Zyklus fort, wobei jeder Zyklus in diesem Beispiel etwa 1 Sekunde dauert.
Der durch ALD bereitgestellte außergewöhnliche Schichtbildungsmechanismus bietet mehrere Vorteile gegenüber früher diskutierten Technologien. Ein Vorteil beruht auf der flußunabhängigen Natur von ALD, die zur Transparenz von Substratgröße und zur Einfachheit von Reaktorkonstruktion und -betrieb beiträgt. Zum Beispiel empfängt wegen des oben beschriebenen Phänomens der selbstbegrenzenden Chemisorption ein 200 mm-Substrat eine gleichmäßige Schicht von gleicher Dicke wie derjenigen einer Schicht, die auf ein in der gleichen Reaktionskammer verarbeitetes 100 mm-Substrat abgeschieden wird. Ferner ist die Abscheidungsfläche weitgehend unabhängig von der Menge des zugeführten Vorläufers, sobald eine gesättigte monomolekulare Schicht gebildet wird. Die läßt eine einfache Reaktorkonstruktion zu. Ferner spielt die Gasdynamik eine relativ untergeordnete Rolle im ALD-Prozeß, wodurch Konstruktionsbeschränkungen erleichtert werden. Ein weiterer klarer Vorteil des ALD-Verfahrens ist die Vermeidung einer hohen gegenseitigen Reaktivität von Vorläufern, da chemische Spezies unabhängig voneinander in einen ALD-Reaktor eingespeist werden, statt zusammen. Hohe Reaktivität, die bei CVD lästig ist, wird bei ALD als Vorteil ausgenutzt. Diese hohe Reaktivität ermöglicht niedrigere Reaktionstemperaturen und vereinfacht die Entwicklung der Prozeßchemie. Ein weiterer klarer Vorteil ist, daß die Oberflächenreaktion durch Chemisorption zu einer nahezu idealen Stufenüberdeckung über einer komplexen Topologie beiträgt.
Auch wenn im weiten Sinne angenommen wird, daß ALD die oben beschriebenen Vorteile für die Schichtabscheidung aufweist, ist ALD noch nicht auf akzeptierbare Weise an kommerzielle Prozesse angepaßt worden. Die Gründe dafür haben meist mit Systemaspekten und -architektur zu tun. Zum Beispiel wählen viele beginnende Entwicklungen bei ALD-Systemen einen Ansatz mit diskontinuierlicher Verarbeitungseinrichtung. Dies ist weitgehend darauf zurückzuführen, daß ALD eine von Natur aus niedrigere Abscheidungsrate aufweist als konkurrierende Prozesse, wie z. B. CVD oder RTCVD. Durch gleichzeitige (parallele) Verarbeitung mehrerer Substrate in einer diskontinuierlichen Verarbeitungskammer kann der Durchsatz erhöht werden.
Leider hat die diskontinuierliche Verarbeitung ebenfalls einige inhärente Nachteile, und es scheint, daß das Angehen der Durchsatzbeschränkungen von ALD durch Chargenverarbeitung eine Gruppe von Problemen gegen eine andere austauscht. Zum Beispiel stellt in einem Chargenverarbeitungssystem die wechselseitige Verunreinigung von Substraten in einem Chargenreaktor von einem Substrat zum anderen und von einer Charge zur anderen ein erhebliches Problem dar. Chargenverarbeitung behindert außerdem die Prozeßsteuerung, die Reproduzierbarkeit des Prozesses von Substrat zu Substrat und von Charge zu Charge, und schließt Lösungen für eine rückseitige Beschichtung aus. Alle diese Faktoren haben einen starken Einfluß auf Wartung, Ausbeute, Zuverlässigkeit und daher auf den Nettodurchsatz und die Produktivität des Gesamtsystems. Zum Zeitpunkt der vorliegenden Patentanmeldung sind in der Industrie keine Lösungen zur Korrektur dieser Probleme bekannt, die mit der ALD-Technologie in ihrer Anwendung auf die großtechnische Produktion verbunden sind.
Was zweifellos benötigt wird, ist eine außergewöhnliche und innovative hochproduktive ALD-Systemarchitektur und ein Gasabgabesystem, das die Verarbeitung mehrerer Substrate zuläßt und dabei dennoch attraktive Durchsatz- und Ausbeutewerte liefert und gleichzeitig kostenaufwendigen Reinraum und damit verbundene Produktionsfläche sparsam nutzt. Die vorliegende Erfindung lehrt ein Systemansatz, der die gegenwärtigen Beschränkungen der ALD-Technologie effektiv angeht und überwindet und zur kommerziellen Realisierbarkeit für ALD-Systeme führt.
WO 98/39495 A lehrt eine Mehrzweck-Verarbeitungskammer für CVD-Verfahren, die mit einem Gruppenwerkzeugsystem verbunden werden kann. JP 06275528 A bietet eine Vorrichtung für CVD. Beide Vorrichtungen weisen einen vertikal verschiebbaren Sockel, eine Verarbeitungskammer, eine Basiskammer, eine Pumpöffnung, eine Substratübergabeöffnung und einen Gasverteiler auf. Wenn sich der Sockel in einer oberen Verarbeitungsposition befindet, ist der freie Raum zwischen dem äußeren Umfang des Sockels und den Wänden der Verarbeitungskammer kleiner als der freie Raum zwischen dem äußeren Umfang des Sockels und den Wänden der Basiskammer, wenn sich der Sockel in der unteren Ladeposition befindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren für ALD-Verarbeitung weist auf: Einbringen eines Wafers in eine ALD-Verarbeitungsstation für ein Gruppenwerkzeugsystem, die einen Verarbeitungskammerabschnitt und einen darunter angeordneten Basiskammerabschnitt umfaßt; wobei der Verarbeitungskammerabschnitt ein unteres Ende mit einer ersten Querschnittsfläche aufweist und der Basiskammerabschnitt eine zweite Querschnittsfläche unter dem unteren Ende der Verarbeitungskammerabschnitt aufweist, die größer ist als die erste Querschnittsfläche; wobei der Wafer auf einer oberen Substratauflagefläche eines Substratträgersockels aufliegt, der an den Basiskammerabschnitt unterhalb einer darin angebrachten Substratübergabeöffnung durch eine dynamische Vakuumdichtung angepaßt ist, die eine Vertikalverschiebung des Substratträgersockels durch ein Vertikalverschiebungs-Antriebssystem ermöglicht, das so angepaßt ist, daß es den Substratträgersockel verschiebt, um die obere Substratauflagefläche in eine Verarbeitungsposition, die im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem unteren Ende der Verarbeitungskammer liegt, oder in eine untere Übergabeposition im Basiskammerabschnitt oberhalb einer Vakuumpumpöffnung und unterhalb der Übergabeöffnung zu bringen; und Zufuhr von Gasen gemäß einem ALD-Protokoll durch einen abnehmbaren Gaszufuhrdeckel, der am Verarbeitungskammerabschnitt der ALD-Verarbeitungsvorrichtung montiert ist.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die obere Substratauflagefläche eine dritte Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die erste Querschnittsfläche, so daß die obere Substratauflagefläche und die erste Querschnittsfläche mit dem Substratträgersockel in der Verarbeitungsposition einen ersten ringförmigen Pumpdurchlaß mit einer ersten effektiven Gesamtfläche bilden, die eine erste begrenzte Pumpgeschwindigkeit vom Verarbeitungskammerabschnitt durch die Vakuumpumpöffnung festlegt, und mit dem Substratträgersockel in der unteren Übergabeposition einen zweiten ringförmigen Pumpdurchlaß mit einer zweiten effektiven Fläche bilden, die größer ist als die erste effektive Fläche, wodurch eine zweite Pumpgeschwindigkeit von der Verarbeitungskammer ermöglicht wird, die größer ist als die erste Pumpgeschwindigkeit, wobei eine erste effektive Gesamtfläche mit dem Substratträgersockel in der Verarbeitungsposition kleiner ist als eine zweite effektive Gesamtfläche mit dem Substratträgersockel in der unteren Übergabeposition.
In einigen Ausführungsformen wird die erste Querschnittsfläche durch einen austauschbaren Ring gebildet, wodurch die erste Pumpgeschwindigkeit durch Auswechseln austauschbarer Ringe mit konstantem Außendurchmesser und unterschiedlichem Innendurchmesser schrittweise variiert werden kann. Es kann auch eine ringförmige Abdeckung vorhanden sein, die einen Abschnitt des Substratträgersockels umgibt, der an der oberen Auflagefläche beginnt und sich unterhalb der oberen Auflagefläche erstreckt, wobei die Pumpfläche der ringförmigen Abdeckung in Höhe der oberen Auflagefläche im wesentlichen gleich der ersten Querschnittsfläche ist, so daß mit dem Substratträgersockel in der Verarbeitungsposition die ringförmige Abdeckung mit der ersten Querschnittsfläche zusammenpaßt und den gesamten Gasdurchfluß von der Verarbeitungskammer auf das Innere der ringförmigen Abdeckung zwischen der ringförmigen Abdeckung und dem Substratträgersockel einengt.
In bevorzugten Ausführungsformen wird der abnehmbare Deckel, der ein oberes Ende der Verarbeitungskammer verschließt, mit einer abnehmbaren Dichtung montiert, so daß der Deckel und die dynamische Vakuumdichtung demontiert werden können, wodurch der Substratträgersockel aus dem Inneren des Basiskammerbereichs nach oben durch den Verarbeitungskammerabschnitt entnommen werden kann. Der abnehmbare Deckel weist in bevorzugten Ausführungsformen ein Gasverteilungssystem für die gleichmäßige Zufuhr von Prozeßgasen über einer freiliegenden Oberfläche des auf dem Substratträgersockel aufliegenden Wafers auf, während sich der Substratträgersockel in der Verarbeitungsposition befindet.
In einigen Fällen weist der Substratträgersockel auf: eine Verschlußplatte, die parallel zur oberen Auflagefläche ist und eine Vakuumbegrenzung für die Verarbeitungskammer bildet, eine Heizplatte auf der Seite der Verarbeitungskammer, die gegen die Verschlußplatte wärmeisoliert ist, und einen elektrisch isolierten Heizer, der von der Heizplatte beabstandet und über der Heizplatte angeordnet ist, wobei der Heizer die obere Auflagefläche bildet. Die Heizplatte kann eine Verbundheizplatte sein, die mindestens zwei getrennt betriebene Heizbereiche aufweist, wodurch die Verwaltung eines Temperaturprofils quer über die Platte durch Lenken der Energiezufuhr zu den getrennt betriebenen Bereichen ermöglicht wird. Nach diesen Aspekten ist der innere Heizbereich von dem äußeren Heizbereich durch mindestens eine Nut getrennt, die im wesentlichen durch die Heizplatte hindurchgeht. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der innere Heizbereich eine Querschnittsfläche auf, die im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche eines Substrats ist, das durch die Heizplatte zu erhitzen ist. In einigen bevorzugten Fällen ist die dynamische Vakuumdichtung ein Faltenbalg aus Edelstahl.
Die vorliegende Erfindung bietet eine flexible und effektive Möglichkeit zur Ausführung der ALD-Verarbeitung an Halbleiterwafern, und die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden weiter unten ausführlich für die praktische Ausführung erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a zeigt eine schematische Darstellung eines allgemeinen Atomschichtabscheidungsverfahrens.
1b zeigt ein typisches Zeitablaufdiagramm für stoßweise ALD-Gaseinspeisung.
2 zeigt eine isometrische Ansicht einer flachen kompakten Reaktoreinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3a zeigt eine isometrische Ansicht der kompakten Reaktoreinheit von 1, die ein Klappenventil und einen Flansch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3b zeigt eine rechte Seitenansicht von zwei kompakten Reaktoreinheiten, wie in 1 dargestellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Vorderansicht von VESCAR 27, integriert mit einer Ladeschleuse, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Vorderansicht einer vertikal gestapelten ALD-Systemarchitektur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt einen Grundriß eines LP-CAR gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die an die Verarbeitung mehrerer Substrate in einer einzigen LP-CAR-Einheit angepaßt ist.
7 zeigt eine Draufsicht eines Produktionssystems 19 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Rückansicht der gestapelten kompakten Reaktoreinheit von 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Schema eines Gasrückführungs- und Vorläuferauffangsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A zeigt eine idealisierte Draufsicht eines dem Fachmann bekannten und in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Verarbeitungssystems auf Gruppenwerkzeugbasis.
10B zeigt eine größtenteils schematische geschnittene Vorderansicht einer herkömmlichen, dem Fachmann bekannten CVD-Verarbeitungsstation.
11A zeigt eine isometrische Ansicht einer Mehrzweckverarbeitungsstation gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11B zeigt eine auseinandergezogene Darstellung der Mehrzweckverarbeitungskammer von 11A.
11C zeigt eine isometrische, geschnittene Vorderansicht der Mehrzweckverarbeitungsstation von 11A.
11D zeigt eine geschnittene Vorderansicht der Mehrzweckverarbeitungskammer von 11A, dargestellt im Verarbeitungsmodus.
11E zeigt eine geschnittene Vorderansicht der Vorrichtung von 11A, dargestellt im Übergabemodus.
12 zeigt eine geschnittene Vorderansicht durch ein Sockelelement, einschließlich einer elektrischen Durchführungsvorrichtung, von 11E.
13A zeigt eine geschnittene Vorderansicht der elektrischen Durchführungsvorrichtung von 12.
13B zeigt einen Schnitt durch eine Körperbaugruppe der Durchführung von 13A entlang der Linie 13B-13B von 13C.
13C zeigt eine Draufsicht der Durchführungsvorrichtung von 13A.
14A zeigt eine Seitenansicht einer keramischen Kriechwegverlängerung von 12.
14B zeigt eine Draufsicht der in 14A in Seitenansicht dargestellten Kriechwegverlängerung.
15A zeigt eine isometrische Ansicht einer Zweizonenheizplatte in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15B zeigt eine Draufsicht der Heizplatte von 15A.
15C zeigt eine Seitenansicht der Heizplatte von 15A.
16A zeigt eine isometrische Ansicht eines Anschlußstifts in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16B zeigt eine Stirnseitenansicht des Anschlußstifts von 16A.
16C zeigt eine Schnittansicht des Anschlußstifts von 16A und 16B.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
ATOMSCHICHTABSCHEIDUNGSSYSTEM MIT VERWENDUNG EINZELNER, STAPELFÄHIGER MODULE
Bei Überlegungen zur Kommerzialisierung der Atomschichtabscheidungstechnologie sind Chargen-ALD-Systeme, d. h. Systeme im allgemeinen, in denen zu beschichtende Substrate in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und in denen relativ große Anzahlen von Substraten gleichzeitig in einem einzigen Reaktor beschichtet werden, vom Standpunkt des Durchsatzes aus als attraktiv angesehen worden, aber die Erfinder sind der Ansicht, daß diese Arten großer Chargensysteme mehrere schwerwiegende Nachteile im Vergleich zu kompakten flachen Systemen mit einem einzigen Gaseinwirkungsweg aufweisen, wie sie weiter unten in verschiedenen Ausführungsformen gelehrt werden. Zu diesen Schwierigkeiten gehören:

(a) Die stoßweise Gaseinspeisung in ein Chargensystem kann nicht so schnell und scharf erfolgen wie in einem kompakten System mit Einzelubstrat.
(b) Eine rückseitige Beschichtung ist in Systemen mit mehreren Substraten schwer zu verhindern. Um die rückseitige Beschichtung zu verhindern, müssen einzelne Substrate auf einen zugeordneten Heizer aufgespannt werden, der Vorrichtungen wie z. B. elektrostatische Aufspannvorrichtungen aufweist.
(c) Es hat sich gezeigt, daß Plasmareinigung in großen Chargensystemen im Vergleich zu Einzelsubstratsystemen wirkungslos ist. In-situ-Plasmareinigungen ermöglichen die Realisierung einer sehr langen Zeit zwischen Wartungsreinigungen.
(d) Gasverarmungseffekte können eine schwerwiegende Prozeßeinschränkung in Chargenprozeßreaktoren sein und sind in Chargensystemen schwer zu beheben.
(e) Chargenverarbeitungseinrichtungen sind für Prozeßsteuerung, Reproduzierbarkeit von Substrat zu Substrat, Prozeßveränderung und Wartung weniger flexibel als Einzelsubstratsysteme. Chargenverarbeitungseinrichtungen können außerdem nicht leicht an Gruppenarchitekturkonfigurationen mit relativ kleinem Platzbedarf angepaßt werden.

Aus diesen und anderen Gründen haben die Erfinder einen außergewöhnlichen Ansatz für die ALD-Verarbeitung entwickelt, der einen flachen, kompakten ALD-Reaktor (LP-CAR) aufweist, der sowohl das Innenvolumen als auch die äußere Höhe verringert und eine schnelle Gasumschaltung und verbesserte Prozeßsteuerung sowie eine außergewöhnliche Systemarchitektur ermöglicht. Die ermöglichte außergewöhnliche Systemarchitektur weist ein vertikal gestapeltes System mit mehreren Einheiten auf, das an Gruppierungsschemata für serielle Integration anpassungsfähig ist.
In weiter unten beschriebenen Ausführungsformen lehren die Erfinder die Anwendung eines außergewöhnlichen flachen Kompaktreaktors in einem Verfahren zur ALD-Verarbeitung, das begrenzende Merkmale von Chargen-ALD-Verfahren angeht und löst.
In der außergewöhnlichen Konstruktion des LP-CAR der in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird ein hoher Durchsatz durch schnelle Gasumschaltung verbessert, die zum Teil durch ein minimiertes inneres Prozeßvolumen des Reaktors bezüglich der präsentierten, im Reaktor zu beschichtenden Oberfläche gefördert wird. Während Länge und Breite eines Einzelsubstratreaktors durch die aufzunehmende maximale Substratgröße vorgegeben sind, die typischerweise etwa gleich dem 1,5-fachen des Substratdurchmessers ist (wenn das Substrat rund ist), ist die Innenhöhe des Reaktors die bestimmende Abmessung für das Innenvolumen. Die Erfinder haben außerdem erkannt, daß in hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ein einziger, unbehinderter Gaseinwirkungsweg zu der zu beschichtenden Substratoberfläche, der im allgemeinen die Darbietung der zu beschichtenden Oberfläche in einer gemeinsamen Ebene erfordert, von Vorteil ist.
Grenzschichtbedingungen müssen erfüllt und ein einwandfreier Gasdurchfluß muß erreicht werden, und alternative Plasmadeckelkonstruktionen sind wünschenswert. Das ALD-Verfahren erfordert außerdem einen Substratheizer in dem Prozeßvolumen, um Substrate während der Verarbeitung zu erhitzen, und zusätzlich gelten spezifische Anforderungen an die Gaszufluß- und Gasabsaugungs-Teilsysteme. Im Anbetracht aller dieser Bedingungen wird in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein flacher, kompakter ALD-Reaktor (LP-CAR) bereitgestellt, der für Einzelsubstratverarbeitung geeignet ist. In weiter unten beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist "flach" als die Höhe eines Reaktors im Gegensatz zu Horizontalabmessungen definiert. Das Verhältnis der Höhe eines LP-CAR zu Horizontalabmessungen kann in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Abhängigkeit von konkreten Systemanforderungen variieren. Das Verhältnis der Höhe zu Horizontalabmessungen ist jedoch in den nachstehenden Ausführungsformen typischerweise kleiner als 1 und kann so niedrig wie 0,2 sein. Ein Verhältnis von 0,65 ist für hierin beschriebene Ausführungsformen gebräuchlicher.
In Ausführungsformen der Erfindung sind die LP-CARs selbständig steuerbare Reaktoren und. können als Bausteine in einer außergewöhnlichen Architektur eingesetzt werden, um Durchsatzanforderungen und eine wünschenswerte Flexibilität im Verarbeitungsablauf anzugehen. LP-CARs in bevorzugten Ausführungsformen des Systems sind vertikal gestapelt, wodurch die rationelle Nutzung wertvoller Prozeßnutzflächen gefördert wird. Die vertikal gestapelte Architektur wird von den Erfindern als VESCAR^TM für vertically stacked compact ALD reactor (vertikal gestapelter kompakter ALD-Reaktor) bezeichnet.
In einigen Ausführungsformen, die weiter unten ausführlich für die praktische Ausführung gelehrt werden, kann das VESCAR-System eine selbständige Konfiguration sein, wobei Substrate durch ein Kassettenladeschleusen-Subsystem in die VESCAR-Einheit eingebracht und daraus entnommen werden. In anderen Ausführungsformen sind eine oder mehrere Ladeschleusen und eine oder mehrere VESCAR-Einheiten über Schnittstellen mit einem Gruppenwerkzeughandhabungssystem gekoppelt, das außerdem andere Verarbeitungssubsysteme als ALD aufweisen kann, wie z. B. CVD-, PVD-, Reinigungs-, Lithographie- und andere Subsysteme.
2 zeigt eine größtenteils schematische isometrische Ansicht einer kompakten Reaktoreinheit 33 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine zu beschichtende Substratoberfläche im wesentlichen in einer einzigen Ebene angeordnet ist und die einen einzigen Gasdurchflußweg zur Substratoberfläche aufweist. Eine Substrateinlege-/-ausgabeöffnung (E/A-Öffnung) 53 auf einer Seite der Reaktoreinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Schleuse ausgestattet, wie oben beschrieben, und wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Der Gasstrom über ein geladenes Substrat 45 in Verarbeitungsposition fließt in horizontaler Richtung im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats 45, auf dem die Abscheidung erfolgen soll, tritt von einer Seite (Gaseinlaß) ein und auf einer gegenüberliegenden Seite (Gasauslaß) aus. Vorläufer (chemische Spezies) werden abwechselnd stoßweise in die Reaktoreinheit 33 eingespeist, gefolgt von einer Gasspülung, wie oben im Zusammenhang mit 1b beschrieben. In dieser Ausführungsform fließt der Gasstrom von rechts (Gaseinlaß) nach links (Gasauslaß), wie durch Richtungspfeile in der Figur dargestellt. In einer anderen Ausführungsform kann der Gasstrom von links nach rechts fließen. In einer Ausführungsform weist der individuelle kompakte Reaktor einen Einlaß und einen in den Reaktorkörper eingebauten Auslaßrohrverteiler auf.
Die kompakte Reaktoreinheit 33 kann aus irgendeinem geeigneten, dem Fachmann bekannten Material konstruiert werden, wie z. B. Edelstahl, Aluminium, Graphitverbundwerkstoff oder anderen Materialien, die als geeignet betrachtet werden, um ein angelegtes Vakuum aufrechtzuerhalten, und geeignete, dem Fachmann für Abscheidungskammern bekannte Eigenschaften bieten. In einer Ausführungsform kann die Reaktoreinheit 33 mit Konstruktionsrippen verstärkt werden, um die Festigkeit unter Vakuum zu erhöhen. Die kompakte Reaktoreinheit 33 in der dargestellten Ausführungsform hat eine Gesamthöhe h und ist von einer Breite und Tiefe, welche die Aufnahme mindestens eines Einzelsubstrats zur Beschichtung ermöglichen. Für Substrate verschiedener Größen kann die Einheit maßstäblich von einer sehr kleinen Größe bis zu einem Durchmesser von 400 min oder mehr verändert werden.
Die tatsächliche Höhe des Substrataufnahmebereichs 49, ausgedrückt als h_i, ist hinsichtlich der horizontalen Abmessungen ein sehr wichtiger Parameter, da diese Höhe zur Definition des Innenvolumens eines Reaktors beiträgt, in dem die stoßweise Gaseinspeisung und die Verarbeitung stattfinden. Die äußere Höhe wird gesteuert, um ein niedriges Profil bereitzustellen und das Stapeln von Reaktoren, wie oben kurz beschrieben, in einer weiter unten ausführlich zu beschreibenden Systemarchitektur zu erleichtern. Die innere Höhe des Reaktionsbereichs in einer LP-CAR-Einheit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird separat gesteuert, um ein praktisches Mindestvolumen bezüglich der zu beschichtenden Substratoberfläche bereitzustellen, das die Gasausnutzung maximiert und die schnelle Gasumschaltung verbessert. Allgemeiner formuliert, ist das von den Erfindern festgestellte entscheidende Problem, daß die Geschwindigkeit der Gasabgabe an die zu beschichtende Oberfläche maximiert werden muß und dabei eine ausreichende Menge des Vorläufers bereitzustellen ist, um die Sättigung der Oberfläche ohne einen Gasübschuß sicherzustellen. Dies wird am besten durch eine innere Form des Reaktors erreicht, die einen gleichmäßigen Querschnitt der Wellenfront des in den Reaktor einströmenden Gases fördert, das Innenvolumen minimiert und für einen ausreichenden Spielraum in dem Gasweg über die zu beschichtende Oberfläche sorgt, damit die Gasströmung zu Substratoberfläche nicht behindert wird.
In einem LP-CAR, der für einen Substratdurchmesser von 300 mm bereitgestellt wird, beträgt die innere Höhe in Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise 2,6 cm (1 Zoll), kann aber von einer Ausführungsform zur anderen ein wenig variieren. Von den Erfindern wird bevorzugt, daß das Verhältnis der inneren Höhe zu den horizontalen Innenabmessungen des Reaktionsbereichs nicht größer als 0,25 ist, um eine schnelle Gasumschaltung und eine rationelle Nutzung des Vorläufers sicherzustellen.
In einigen Ausführungsformen sind im Bodenflächenaufnahmebereich 49 einfahrbare Substratabhebestifte (nicht dargestellt) zur Aufnahme des Substrats angeordnet. Die Anzahl der im Substrataufnahmebereich 49 vorhandenen Substratabhebestifte beträgt typischerweise drei oder mehr, und die Stifte sind so angeordnet, daß sie das Substrat horizontal unterstützen.
Zur horizontalen Unterstützung eines Substrats in einer Reaktorkammer in Verfahren wie z. B. RTCVD werden gewöhnlich Substratabhebestifte verwendet. In einigen Ausführungsformen sind Substratabhebstifte Teil eines Substrataufnahmemagazins. In anderen Ausführungsformen sind Substratabhebestifte in die Reaktorkammer eingebaut. Typischerweise kommen Substratabhebestifte in Kontakt mit einem Punkt an der Substratoberfläche, um einen kleinen Wärmesenkenbereich zu bilden und Anomalien in der Oberflächenbeschichtung zu vermeiden. Diese Regel ist kritischer bei Verfahren, die mehr Wärme anwenden, wie z. B. RTCVD, und/oder in Fällen, wo das Substrat gleichzeitig an beiden Oberflächen verarbeitet wird. In einigen Ausführungsformen kann eine flache elektrostatische Spannvorrichtung (ESC) mit geeigneten Wärmeeigenschaften eingesetzt werden, um Substrate während der Verarbeitung zu sichern und eine rückseitige Beschichtung auszuschließen.
Die kompakte Reaktoreinheit 33 wird während der Substratverarbeitung erhitzt und abgekühlt. Der Bereich 51 stellt eine Heizkammer dar, in der eine Heizvorrichtung untergebracht ist, wie z. B. eine widerstandsbeheizte Spule. Der Bereich 47 weist Kühlleitungen auf, die durch die Oberseite der Reaktoreinheit 33 verlaufen. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß verschiedene chemische Spezies oder Vorläufer, die in verschiedenen Verfahren verwendet werden, erfordern können, daß innerhalb der kompakten Reaktoreinheit 33 während des Verfahrens unterschiedliche Temperaturen aufrechterhalten werden. Daher wird von den Erfindern vorgesehen, daß in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene, dem Fachmann bekannte Heiz- und Kühlverfahren anwendbar sind. Entsprechend kann der Bereich 51 bei Bedarf mehr als einen Heizelementtyp aufnehmen, um Wärmegrade in unterschiedlichen Zeitmaßstäben zuzuführen, wie sie zum Beispiel für das Tempern in situ erforderlich sein können, und so weiter.
3a ist eine vereinfachte isometrische Ansicht der kompakten Reaktoreinheit 33 von 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein fernbedienbares Klappenventil 52 vorgesehen ist, um die Öffnung 53 abzudecken und freizugeben. Dieses Ventil ist für die Verarbeitung geschlossen und für die Substratübergabe zu und von dem LP-CAR geöffnet. In dieser Ausführungsform ist die Öffnung 53 von einer Vakuumdichtung 46 umgeben, die in einigen Ausführungsformen ein O-Ring, ein quadratischer Ring, eine Metalldichtung oder eine andere, dem Fachmann bekannte Vakuumdichtung sein kann. Das Ventil 52 ist vorgesehen, um an der Vakuumdichtung zu schließen und die in Betrieb befindliche Einheit abzusperren. In einer Ausführungsform ist ein Flansch 54 hinter dem Absperrventil 52 angeordnet und weist eine Vakuumdichtung 48 auf, die als Dichtung gegen eine vakuumfreie Seite einer Begrenzungswand einer Vakuumkammer in einer Produktionsarchitektur vorgesehen ist, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Es gibt verschiedene, dem Fachmann bekannte Methoden zur automatischen Steuerung von Absperrventilen, wie z. B. des Ventils 52. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schleuse ein Klappenventil, und eine nockenbetätigte elektrische Vorrichtung (nicht dargestellt) ist vorgesehen und an einer Wand der Reaktoreinheit 33 und außerdem an einem Schwenkarm (nicht dargestellt) an der Ventilklappe montiert. Elektrische Leitungen gehen im Betrieb von der vakuumfreien Seite durch den Körper des Reaktors 33 hindurch. Für die Montage einer nockenähnlichen Vorrichtung zum Öffnen und Schließen des Absperrventils 52 können verschiedene Montagesysteme implementiert werden, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Elektrisch betriebene Nockenvorrichtungen sind gebräuchlich und dem Fachmann ebenso wie den Erfindern bekannt.
Die hier dargestellte Ausführungsform ist nur ein Beispiel dafür, wie ein LP-CAR 33 mit einem Absperrventil für die E/A-Öffnung versehen werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann eine klappenartige Tür vorgesehen werden, die von oben statt von unten geschwenkt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann statt der klappenähnlichen Tür eine nockenbetätigte Schiebetür eingebaut werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird wegen der einfachen Konstruktion und Ausführung eine klappenartige Tür verwendet.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß die tatsächliche Form des Flansches 54 sowie des Absperrventils 52 erheblich variieren kann, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann der Flansch 54 die Form eines abgerundeten Rechtecks oder vielleicht eine elliptische Form aufweisen. Entsprechend kann das Absperrventil 52 andere als die oben beschriebenen Formen annehmen. In einigen Ausführungsformen kann eine Dichtungsschnittstelle vorgesehen werden, ohne einen Flansch als integrierenden Bestandteil des Reaktorkörpers zu verwenden.
3b zeigt eine Seitenansicht von zwei kompakten Reaktoreinheiten, wie in 3a dargestellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Vakuumschnittstelle darstellt, die mit einem Flansch 54 und einer Begrenzungswand 42 einer Vakuumkammer ausgebildet ist. Auf der vakuumfreien Seite wird eine Stapelhalterung oder ein Gestell (in 3b nicht dargestellt) verwendet, um Reaktoreinheiten 33a und 33b und andere, in 3b nicht dargestellte Reaktoreinheiten aufzunehmen, die Teil eines VESCAR-Systems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sein können. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß eine Stapelhalterung oder ein Gestell, die bzw. das zur Unterstützung und beabstandeten Anordnung von Reaktoreinheiten in einer vertikalen Konfiguration verwendet wird, aus irgendeinem haltbaren Material aufgebaut werden kann, wie z. B. aus Edelstahl oder irgendeinem anderen geeigneten Material, solange dieses die einzelnen Reaktoreinheiten tragen und möglicherweise auftretenden Abmessungsänderungen widerstehen kann. Halterungen, die zur Positionierung einer oder mehrerer Komponenten verwendet werden, die mit einer gemeinsam genutzten Schnittstelle in einem System zu koppeln sind, sind relativ gebräuchlich und dem Fachmann bekannt. Die wichtigen Eigenschaften für eine Stapelhalterung wie in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind, daß sie die Reaktoreinheiten in gleichen und genauen Abständen anordnen kann, wodurch erfolgreiche und reproduzierbare Substratübergaben erleichtert werden, und daß sie das Gewicht tragen kann. In einer Ausführungsform könnte eine Halterung in Form eines Gestells mit abnehmbaren Distanzstücken zur richtigen Positionierung verwendet werden. In andern Ausführungsformen kann eine genaue Abstandseinstellung durch Stellschrauben und dergleichen erzielt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen muß die Abstandseinstellung der LP-CAR-Einheiten in einem vertikalen Stapel das Einbringen einer Wärmeisolierung zwischen dem unteren heißen Bereich jedes Reaktors und dem oberen kühlen Bereich jedes benachbarten Reaktors zulassen. Entsprechend sollten der oberste und der unterste LP-CAR in einem Stapel eine ähnliche thermische Umgebung wie die anderen Reaktoren in einem Stapel aufweisen.
Der in 3b dargestellte Bereich links von der Kammerwand 42 ist der Vakuumbereich einer Vakuumübergabekammer in einem nachstehend beschriebenen vertikal gestapelten System. Die Befestigung des Flansch 54 an der Kammerwand kann durch herkömmliche Befestigungsverfahren und -mittel erfolgen, wie z. B. durch Innensechskantschrauben. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Gegenflansch an der Kammerwand befestigt werden, vielleicht durch Schweißen, so daß der Flansch 54 an den Gegenflansch angeklemmt und dadurch die Schnittstelle vervollständigt werden könnte. In einem solchen Fall kann der Gegenflansch Paßstifte aufweisen, die in Öffnungen im Flansch 54 passen. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es viele mögliche Konfigurationen gibt, von denen hierin nur einige beschrieben werden.
4 zeigt eine Vorderansicht eines VESCAR-Systems 27, das direkt mit einer Kassettenladeschleuse 21 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Produktionssystems gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform werden vorverarbeitete Substrate in die Kassettenladeschleuse geladen. In dieser Architektur weist eine Wand, die eine Reinraumumgebung von einem Prozeßraum trennt, eine Öffnung auf, durch welche die Kassettenladeschleuse 21 und die VESCAR-Einheit 27 miteinander gekoppelt sind. Diese Art der Raumkopplung, um wertvolle Reinraumfläche zu sparen, ist dem Fachmann für Produktionssysteme bekannt.
Das VESCAR-System 27 weist eine Vakuumhandhabungskammer 32 mit einer Wand 42 (siehe auch 3b) und einem horizontal sowie vertikal ausfahrbaren Z-Achsen-Roboter 31 auf und ist hier beim Ausfahren in die Kassettenladeschleuse 21 dargestellt. Eine mit vorverarbeiteten Substraten beladene Kassette 79 ist so positioniert, daß der Z-Achsen-Roboter 31 ein Substrat aufnehmen und das Substrat in die VESCAR-Einheit 27 transportieren kann. Sobald sich der Z-Achsen-Roboter 31 innerhalb des VESCAR-Systems 27 befindet, dreht er sich um 180° und fährt in die richtige vertikale Position aus, um ein Substrat in eine Reaktoreinheit abzulegen, von denen 10 (a–j) in einer vertikal gestapelten Architektur dargestellt sind, die mit einer Vakuumwand 42 gekoppelt ist.
Zehn LP-CAR-Einheiten übereinander, wie in 4 dargestellt, werden durch die Erfinder als praktische Anzahl betrachtet, um den Durchsatzbedarf anzugehen und gleichzeitig sparsam mit Nutzfläche umzugehen. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehören zum Z-Achsen-Roboter 31 mehr als ein Ausfahr- und Übergabearm und/oder mehr als ein Endeffektor, um etwaige Transportbeschränkungen beim Durchsatz zu vermeiden. Fertige Substrate werden in umgekehrter Reihenfolge zum beschriebenen Ladevorgang entladen, und die fertigen Substrate werden wieder in die Kassette 79 eingesetzt.
Die VESCAR-Architektur von 4 ist eine kostenminimierte Lösung und ein Ausgangspunkt für weitere Integration zu komplizierteren VESCAR-Architekturen. Außerdem ist die dargestellte Architektur eine gute Konfiguration für die Verfahrensforschung und -entwicklung zur Anwendung bei der Entwicklung von Prozeßabläufen und dergleichen unter Verwendung mehrerer LP-CAR-Einheiten. Prozesse, die in dem VESCAR-System von 4 entwickelt werden, können maßstäblich zu komplizierteren Prozeßschemata vergrößert werden, die weiter unten beschrieben werden.
5 zeigt eine Vorderansicht eines ALD-Produktionssystems 19 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die außergewöhnliche Kombination und Automatisierung verschiedener hierin beschriebener Komponenten überwinden effektiv Hindernisse in Bezug auf Systemarchitekturen, die bei herkömmlicheren ALD-Reaktoren verfügbar sind. Weiter unten beschriebene und gelehrte Ausführungsformen bieten reale Lösungen für Probleme wie z. B. niedrige Abscheidungsrate, Nutzung von knapper Produktionsfläche und andere Probleme, die sich bei derzeitigen ALD-Anwendungen und konkurrierenden Prozessen stellen.
Wie aus 5 erkennbar, weist ein (VESCAR) 27 eine Vakuumkammer 32 mit einer vertikalen Schnittstelle zur Befestigung separater kompakter Reaktoreinheiten 33a–j auf, wie auch oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde. Die kompakten Reaktoreinheiten 33a–j sind so angepaßt, daß sie sowohl getrennt als auch im Zusammenschluß mit der Vakuumkammer 32 ein geeignetes Vakuum aufrechterhalten. Ein in jeder kompakten Reaktoreinheit 33a–j vorhandenes Klappenabsperrventil ermöglicht getrenntes Evakuieren (Ventil geschlossen) und gemeinsame Nutzung des Vakuums in der Vakuumkammer 32 (Ventil geöffnet). Individuelle Bereitstellung an jeder Reaktoreinheit ermöglicht Vakuum, Spülung und den Durchfluß von Prozeßgasen, und geeignete Ventilausstattung, einschließlich des oben beschriebenen Klappenventils zum Laden und Entladen, ermöglicht die Übergabe von Substraten zu und von den vertikal gestapelten Reaktoren und zu und von der Kammer 32.
Für den Fachmann wird außerdem offensichtlich sein, daß mehr oder weniger als die in den 4 und 5 dargestellte Anzahl kompakter Reaktoreinheiten vertikal gestapelt werden und in dem VESCAR 27 vorhanden sein können, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. In der hier unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Ausführungsform sind 10 kompakte Reaktoreinheiten 33a–j vorhanden, jedoch können bei der konkreten praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung so viele kompakte Reaktoreinheiten in den VESCAR 27 eingebaut werden, wie zur Erleichterung eines hohen Durchsatzes in Konkurrenz zu bekannten großtechnischen Verfahren für angemessen erachtet werden. Die Anzahl wird praktisch durch den verfügbaren vertikalen Raum beschränkt und muß auf die Kollektion von Handhabungseinrichtungen abgestimmt werden, die für den Zweck vorgesehen sind.
Der Z-Achsen-Roboter 31 wird in der Kammer 32 für das automatische Laden und Entladen von Substraten in die bzw. aus den kompakten Reaktoreinheiten 33a–j und für die Kopplung mit anderen Materialhandhabungseinrichtungen bereitgestellt. Der Z-Achsen-Roboter 31 kann in vertikale und horizontale Positionen ausfahren und ist für die Kopplung mit jeder kompakten Reaktoreinheit 33a–j programmiert. Der Z-Achsen-Roboter 31 kann in dieser Ausführungsform auch zum Laden von Substraten in Reaktoren in jeder gewünschten Reihenfolge programmiert werden. Zum Beispiel können Substrate von unten nach oben, von oben nach unten, von der Mitte nach oben und so weiter geladen werden. Ferner können Substrate aus einer kompakten Reaktoreinheit entladen und in eine andere kompakte Reaktoreinheit umgeladen werden. Jede Reihenfolge ist möglich. In einigen Ausführungsformen sind mehrere Substrathandhabungseinrichtungen, wie z. B. Endeffektoren und dergleichen, mit einem einzigen Z-Achsen-Roboter verbunden.
Die kompakten Reaktoreinheiten 33a–j sind mit der Kammer 32 entlang einer Wand der Kammer gekoppelt und sorgfältig voneinander beabstandet, um ein fehlerfreies Laden und Entladen durch den Z-Achsen-Roboter zu ermöglichen. Die Reaktoren sind mittels einer Vakuumdichtung mit der Kammer gekoppelt und werden durch eine Gestellbaugruppe außerhalb der Kammer 32 unterstützt, wie weiter unten ausführlicher unter Bezugnahme auf weitere Figuren der Zeichnungen erläutert wird.
In dieser Ausführungsform ist ein zentraler Vakuum-Substrathandhabungsroboter 23 über ein Absperrventil 29 mit dem VESCAR 27 gekoppelt. Das Absperrventil 29 ist ein Vakuumventil, das zwischen Substratübergaben die Trennung der VESCAR-Einheit 27 von der Gruppenwerkzeug-Handhabungseinrichtung ermöglicht. Eine Übergabevorrichtung 43, die durch eine Drehvorrichtung 25 betrieben wird, lädt und entlädt Substrate in den und aus dem Z-Achsen-Roboter 31. Die Übergabevorrichtung 43 in 1 ist zum Absperrventil 29 ausgefahren dargestellt. In einer um 180 Grad gegen die dargestellte Position gedrehten Position kann die Übergabevorrichtung 43 zu einer Kassettenladeschleuse 21 ausfahren, wo vorverarbeitete Substrate geladen und fertige Substrate entladen werden. Substrathandhabungsrobotersysteme der durch die Handhabungseinrichtung 23 abgebildeten Art sind im Handel von verschiedenen Anbietern erhältlich, darunter von Brooks Automation, Equipe und Smart Machines.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden vorverarbeitete Substrate zunächst in einer vertikal ausgerichteten Kassette oder einem Gestell (nicht dargestellt) in die Kassettenladeschleuse 21 eingebracht. Nach der Übergabe der vorverarbeiteten Substrate in der Kassettenladeschleuse 21 wird die Schleuse geschlossen und durch eine Vakuumöffnung (nicht dargestellt) auf ein vorgegebenes Vakuum evakuiert. Das Transportvolumen innerhalb des Handhabungsroboters 23 wird durch eine, gleichfalls nicht dargestellte, Vakuumöffnung ebenfalls auf ein vorgegebenes Vakuum evakuiert. Die Vakuumkammer 32 wird durch eine ähnliche Vakuumöffnung (nicht dargestellt) ausgepumpt. Wenn alle Einheiten geeignet ausgepumpt sind, öffnet ein Absperrventil 35 und ermöglicht das Ausfahren der Übergabevorrichtung 43 in die Kassettenladeschleuse 21, um Substrate nacheinander zurückzuholen. Eine Kassettenhandhabungseinrichtung (nicht dargestellt) in der Kassettenladeschleuse 21 kann eine Plattform anheben oder absenken, die eine vertikale Kassette aufnimmt, welche die vorverarbeiteten Substrate enthält.
Wenn die Übergabevorrichtung 43 ein Substrat zurückholt, fährt sie dann in das Volumen des Handhabungsroboters ein und dreht sich um 180 Grad, so daß sie zum VESCAR 27 ausfahren kann. Typischerweise schließt zwischen den Übergaben das Absperrventil 35, aber dies ist in vielen Prozeßablaufschemata nicht unbedingt erforderlich. Wenn die Übergabevorrichtung am VESCAR 27 angelangt ist, öffnet das Absperrventil 29, damit die Übergabevorrichtung 43 das Substrat zum Z-Achsen-Roboter 31 durchschleusen kann. Der Z-Achsen-Roboter 31 nimmt dann das Substrat auf und lädt es in die eine oder andere von den vertikal gestapelten kompakten Reaktoreinheiten, und so weiter.
Es sind viele Betriebsschemata möglich. In der dargestellten Architektur ist ein bevorzugtes Schema die Anpassung eines Systems mit gleicher Anzahl von kompakten ALD-Reaktoren, wie Positionen in einer Lade-Entlade-Kassette 21 vorhanden sind. Die Übergabe geht weiter, bis alle Substrate aus der Ladeschleuse 21 an Reaktoreinheiten übergeben sind (wobei alle Reaktoreinheiten dann je ein zu beschichtendes Substrat aufweisen), dann schließen die dazwischengeschalteten Ventile, und die Verarbeitung in den Reaktoreinheiten 33a–j beginnt. Dieses System weist die Verarbeitungsschritte eines Chargensystems auf, obwohl alle Substrate in individuell isolierten Reaktoreinheiten verarbeitet werden.
Viele andere Schemata sind möglich. Da jeder kompakte Reaktor ein Absperrventil aufweist, beginnt in einigen Schemata die Verarbeitung im Reaktor, sobald das Substrat geladen ist. Weitere Prozeßablaufschemata werden für den Fachmann offensichtlich sein.
Da individuelle Pumpen und Isolierung für die Kammer 32 vorgesehen sind, wird in einer Ausführungsform zur Zeit des Ladens der Reaktoren und vor Beginn der Verarbeitung in den Reaktoreinheiten der Druck in der Kammer 32 durch Einblasen eines Inertgases auf einen Wert erhöht, der ausreicht, um eine Druckdifferenz an den Klappenventilen der einzelnen Reaktoren bereitzustellen, die eine zusätzliche Dichtkraft für die einzelnen Reaktorventile bereitstellt, als andernfalls möglich wäre.
Nachdem alle Prozesse in den kompakten Reaktoreinheiten 33a–j ausgeführt worden sind, können die in jeder Einheit installierten Klappenabsperrventile (3a, Element 52) geöffnet werden, um das Entladen von Substraten in einem Prozeß zu ermöglichen, der umgekehrt zu dem oben in Bezug auf das Laden beschriebenen Prozeß abläuft. Nacheinander werden fertige Substrate zurückzurückgegeben, typischerweise an die gleiche Kassette, aus der die Substrate abgeholt wurden. Die Schleuse 21 kann dann bei geschlossenem Ventil 35 belüftet werden, und eine Kassettenladung von fertigen Substraten kann entnommen werden. Diese Verarbeitung ist von dem Punkt an, wo die vorverarbeiteten Substrate in der Kassettenladeschleuse 21 zurückgelassen werden, bis zur Aufnahme der fertigen Substrate in der Kassettenladeschleuse 21 voll automatisiert. Zeitsteuerungsmerkmale in Bezug auf das Öffnen des Ventils, Fördergeschwindigkeit, Dauer des Prozesses oder der Prozesse (einschließlich einer Folge von Prozessen), Evakuierungssequenzen und andere erforderliche Befehle sind programmierbare Funktionen der Steuerungssoftware und -hardware gemäß Verfahren, die dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Zum Teil infolge der flußunabhängigen Natur des ALD-Verfahrens, bei dem, wie oben beschrieben und dem Fachmann bekann, Schichten durch Chemisorption auf der Abscheidungsfläche gebildet werden, können kompakte Reaktoreinheiten, wie z. B. kompakte Reaktoreinheiten 33a–j, mit einer Breite konstruiert werden, die Substrate von optimaler Größe aufnimmt, wie z. B. Substrate von 300 mm. Außerdem könnten kleinere Substrate im gleichen System ohne maßstäbliche Verkleinerung der kompakten Reaktoreinheiten 33a–j verarbeitet werden. In einer anderen Ausführungsform könnte ein maßstäblich verkleinertes System zum Zweck einer sequentiellen Verarbeitung kleinerer Substrate implementiert werden, oder eine maßstäblich vergrößerte Version könnte für andere Produkte bereitgestellt werden, wie z. B. Flachbildschirme und so weiter.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein für eine bestimmte Substratgröße entwickelter LP-CAR, wie im vorstehenden Abschnitt erwähnt, an die Verarbeitung mehrerer kleinerer Substrate angepaßt werden. 6 zeigt eine Draufsicht eines LP-CAR 33 des in 3a dargestellten Typs mit der nominellen Substratgröße, die als gestrichelter Kreis 70 dargestellt ist. Ein LP-CAR in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann so angepaßt werden, daß in der LP-CAR-Einheit 33 beispielsweise drei Substrate 72 verarbeitet werden, die kleiner als das Substrat 70 sind. In einigen Ausführungsformen kann die Einheit 33 mit einer Drehspannvorrichtung ausgestattet werden, so daß Substrate 72 an einem gemeinsamen Übergabepunkt abgelegt und abgeholt werden können. In anderen Ausführungsformen können die Übergaberobotereinrichtungen so angepaßt werden, daß sie die Substrate in den gewünschten Positionen auf einem Gestell ablegen. In weiteren Ausführungsformen können mehrere Substrate in einem gemeinsamen Träger befördert werden, der zu und von einer LP-CAR-Einheit übergeben wird. Dies ermöglicht die Verwendung der LP-CAR-Konstruktion für Einzelsubstrate mit mehreren Substraten in der gleichen Prozeßebene.
Die oben beschriebene ungewöhnliche Architektur bietet einen voll automatisierten großtechnischen ALD-Prozeß, der in der derzeitigen Technik vorher nicht verfügbar war. Durch Nutzung des VESCAR 27 kann ein hoher Prozeßdurchsatz erreicht werden, der mit dem Durchsatz vergleichbar ist, der mit konkurrierenden Technologien wie z. B. CVD, PECVD und dergleichen bereitgestellt wird. Außerdem können wegen der inhärenten Gleichmäßigkeitsverbesserungen, die durch den ALD-Prozeß realisierbar sind, und wegen der Tatsache, daß anstelle der Chargentechnologie getrennte Reaktoreinheiten eingesetzt werden, höhere Ausbeuten ohne die mit wechselseitiger Verunreinigung und dergleichen verbundenen Probleme realisiert werden. Und beim Erreichen dieser Vorteile wird knappe Produktionsnutzfläche wegen der vertikalen Stapelung kompakter Einheiten sehr sparsam genutzt.
Die mit Hilfe von 5 beschriebene Ausführungsform stellt nur ein Beispiel von vielen möglichen Geräteanordnungen dar, die mit VESCAR 27 genutzt werden könnten. In dieser Ausführungsform sind zwar nur eine Kassettenladeschleuse 21 und ein VESCAR 27 dargestellt, aber an dem Handhabungsroboter 23 sind zwei weitere Positionen vorhanden, in denen zusätzliche Ladeschleusen oder VESCAR-Einheiten angebaut werden können. Weitere Details zum Anbau von Geräten, wie oben beschrieben, werden in einer weiteren Ausführungsform weiter unten angegeben.
7 zeigt eine Draufsicht des Produktionssystems 19 von 5 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der zusätzliche VESCAR-Einheiten oder Kassettenladeschleusen mit einem Handhabungsroboter 23 gekoppelt werden können, um zusätzliche Prozesse durchzuführen, wie z. B. CVD, Reinigung und dergleichen. Der Handhabungsroboter 23 weist vier um jeweils 90° versetzte Positionen auf, die in 7 als Positionen A, B, C und D dargestellt sind. Position A ist mit dem Absperrventil 35 und der Kassettenladeschleuse 21 verbunden, die auch im Zusammenhang mit 5 beschrieben werden. Position B ist mit einem Absperrventil 75 und einer Kassettenladeschleuse 71 verbunden. Position C ist mit dem Absperrventil 29 und der VESCAR-Einheit 27 verbunden, die auch im Zusammenhang mit 1 beschrieben werden. Position D ist mit einem Absperrventil 77 und einer zweiten VESCAR-Einheit 73 verbunden. Die Übergabevorrichtung 43 wird durch die Betätigungseinheit 25 von 5 gesteuert, wodurch die Übergabevorrichtung 43 gedreht wird, um jede Position zu erreichen. In 7 ist die Vorrichtung 43 in Position C ausgefahren mit einem geladenen Substrat in Aufnahmeposition in der VESCAR-Einheit 27 dargestellt. Das Absperrventil 29 befindet sich in der geöffneten Stellung und ermöglicht die Übergabe des Substrats. Die Übergabevorrichtung 43 ist außerdem in Position B in eingefahrener Position (durch gestrichelte Linien dargestellt) und auf das Absperrventil 75 und die Kassettenladeschleuse 71 in Position B ausgerichtet dargestellt. In diesem Beispiel hat die Übergabevorrichtung ein Substrat aus der Kassettenladeschleuse 71 entnommen und es in der VESCAR-Einheit 27 abgelegt. Die Übergabevorrichtung 43 funktioniert bezüglich aller vier dargestellten Positionen insofern auf ähnliche Weise, als Ausfahren, Einfahren, Drehung und Ausfahren der Reihe nach ausgeführt werden, um Substrate erfolgreich von Ladeschleusen zu VESCAR-Einheiten und zurück zu Ladeschleusen zu transportieren.
In einer Ausführungsform können drei VESCAR-Einheiten und eine Kassettenladeschleuse verwendet werden, wobei in jedem Prozeßmodul unterschiedliche Parallelprozesse ausgeführt werden (wobei alle Reaktoreinheiten in einem Prozeßmodul einem Prozeß fest zugeordnet sind). Auf ähnliche Weise kann auch eine serielle Verarbeitung ausgeführt werden (wobei jede Reaktoreinheit in einem Prozeßmodul einem anderen Prozeß fest zugeordnet ist). In einer Ausführungsform kann ein Prozeßmodul einer seriellen Verarbeitung fest zugeordnet sein, während ein anderes Prozeßmodul einer Parallelverarbeitung fest zugeordnet ist, wobei das System zwei Kassettenladeschleusen enthält. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es viele Verarbeitungskonfigurationen gibt, die im Produktionssystem 19 genutzt werden könnten, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen; einige davon sind oben bereits beschrieben worden.
8 zeigt eine Rückansicht des VESCAR-Systems 27, die drei der zehn vertikal gestapelten Reaktoreinheiten darstellt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Kammerwand 42 gekoppelt sind. Auf einer Seite der vertikal gestapelten Reaktoreinheiten ist ein vertikal ausgerichteter Gaseinlaßverteiler 55 dargestellt, um den Reaktoren ein gas- oder dampfförmiges Material zuzuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können während der Verarbeitung abwechselnd mehrere Vorläufer und Inertgase stoßweise in die Reaktoreinheit 33 eingespeist werden, aber in dieser Figur ist nur ein Verteiler 55 dargestellt, um Verwirrung in der Zeichnung zu vermeiden. In der konkreten Praxis der vorliegenden Erfindung werden ein Verteiler für jedes Vorläufergas oder jeden Vorläuferdampf und mindestens ein Verteiler für Spülgas eingesetzt. Daher werden typischerweise mindestens drei Verteiler verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein mit Ventilen ausgestattetes Förderrohr verwendet, um für jedes bereitgestellte Gas oder jeden Dampf die Zuflußmenge zu jedem Reaktor zu steuern. In 8 ist ein solches Förderrohr 62 dargestellt. Diese getrennten Förderrohre weisen ein vorgegebenes Volumen auf und werden mit Gas oder Dampf von gesteuertem Druck und gesteuerter Temperatur gespeist, so daß die Anzahl der Gas- oder Dampfmoleküle bekannt ist. Jedes Förderrohr wird durch zwei Ventile abgetrennt, die im Fall des Rohrs 62 ein Füllventil 54 und ein Injektionsventil 61 sind. Nach dem Öffnen des Injektionsventils 61 wird der eingespeiste Inhalt dieses Rohrabschnitts in die Reaktoreinheit 33 ausgetragen. Durch Öffnen des Füllventils 54 bei geschlossenem Injektionsventil 61 kann das Förderrohr unter vorgegebenem Druck und vorgegebener Temperatur mit einem Vorläufergas, -dampf oder Spülgas gefüllt werden.
Zum Anschließen der Gas- und Vorläuferquelle an die Reaktoreinheit 33 wird ein Schnellanschlußflansch 56 benutzt, und weitere Schnellanschlußverbindungen können vorgesehen werden, um alle Gas- und Dampfleitungen relativ schnell an jede Reaktoreinheit anschließen und davon abtrennen zu können. Das stoßweise Einspeisen von Vorläufern und die Gasspülung erfolgen nacheinander, wie für einen ALD-Ablauf erforderlich. Die Dauer von Einzelimpulsen ist typischerweise sehr kurz (etwa 50 bis 300 Millisekunden, in Abhängigkeit vom Prozeß), und Impulse sind typischerweise durch eine kurze Übergangszeit voneinander getrennt. Aus diesem Grund werden Schnellschaltventile eingebaut. Schnellschaltventile sind dem Fachmann und den Erfordern bekannt.
In dieser Ausführungsform wird ein vertikal ausgerichteter Absaugrohrverteiler 63 über einen Schnellanschlußstutzen 58 mit der rechten Seite der Reaktoreinheit 33 verbunden, um Gase und Dämpfe aus den Reaktorkammern abzusaugen. Durch die Verwendung von Schnellanschlüssen sollen der Ausbau und die Wartung einzelner Reaktoren erleichtert werden. Schnellanschlüsse als solche sind dem Fachmann bekannt und in verschiedenen Formen und Konfigurationen verfügbar. Um Reparatur und Austausch zu erleichtern, ist ein Vakuumabsperrventil 60 vorgesehen. Dieses Ventil ist typischerweise während der stoßweisen Gaseinspeisung offen.
Energie wird den Reaktoreinheiten 33 über typische elektrische Leitungen 57 zugeführt. Energie wird zum Betreiben verschiedener Elemente bereitgestellt, wie z. B. des Absperrventils 29 von 3B, von Heizquellen und dergleichen. Steuersignale werden beispielsweise für Ventile bereitgestellt und über typische Steuerleitungen 59 angelegt. In elektrischen Leitungen, wie z. B. den Leitungen 57 und 59, sind elektrische Verbinder 67 und 68 vorgesehen, um den schnellen Ausbau der Reaktoreinheit 33 zu erleichtern.
Wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben, müssen Substrate typischerweise während der Verarbeitung erhitzt und nach der Verarbeitung abgekühlt werden. Daher sind außerdem Anschlüsse für Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Kühlsysteme mit Rückführung des Kühlmittels sind bei der Kühlung von Reaktoren gebräuchlich. Derartige Systeme sind dem Fachmann und den Erfordern bekannt.
In den Reaktor 33 ist eine Wärmequelle eingebaut, und in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Höhe der Heizeinrichtung eingeschränkt, um sie an Bedingungen der ungewöhnlich niedrigen Bauform für die CAR-Einheit anzupassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Vakuumpumpe alle oder eine beliebige Anzahl kompakter Reaktoreinheiten 33 evakuieren. Dies wird mit einer zwischen der Vakuumpumpe und Reaktoreinheiten installierten Vakuumschnittstelle erreicht, an die alle von Reaktoreinheiten ausgehenden Vakuumleitungen angeschlossen sind. An jedem Anschluß ist ein Ventil angebracht, daß nach einer programmierten Anweisung öffnen und schließen kann, so daß jede Kombination von Reaktoreinheiten gleichzeitig oder getrennt ausgepumpt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform könnten eine oder mehrere Reaktoreinheiten unter Stickstoff oder Luft bei Umgebungsbedingungen gesetzt werden und durch Schließen der Ventile 60 und 61 abgetrennt werden, während andere Einheiten unter Vakuum bleiben, und so weiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnten einzelne kompakte Reaktoreinheiten leicht von der Kopplungswand der Vakuumkammer 32 gemäß 5 entfernt werden, indem Schnellanschlüsse getrennt, elektrische Leitungen herausgezogen, der Flansch 54 von der koppelnden Kammerwand abgekuppelt und die Reaktoreinheit 33 aus der Stapelhalterung oder dem Gestell, die zur Positionierung und Aufnahme verwendet werden, entfernt wird. In einigen Fällen ist ein Flanschstecker (ein massiver Flansch mit O-Ring) vorgesehen, der mit einer Kammerwand oder einem Gegenflansch zu verschrauben oder zu verriegeln ist, so daß eine Anzahl von Reaktoreinheiten zur Wartung und so weiter ausgebaut werden könnten, ohne daß eine vollständige Abschaltung des Systems oder ein Austausch durch andere LP-CAR-Einheiten erforderlich ist.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es eine Anzahl von Schnellanschlüssen gibt, die verwendet werden könnten, um den Ausbau einer Reaktoreinheit zu erleichtern, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Methoden und derartige Befestigungsmittel sind dem Fachmann und den Erfordern bekannt.
9 zeigt ein Diagramm eines Gasrückführungs- und Vorläufersammelsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem Gas zurückgeführt und schädliche Nebenprodukte zur Entsorgung aufgefangen werden können. Da Vorläufer und Gasspülungen getrennt stoßweise in kompakte Reaktoreinheiten 33 eingespeist werden, wie oben beschrieben, folgt daraus, daß Vorläufer oder Nebenprodukte getrennt gesammelt und aufgefangen werden können. Das Rückführungs- und Sammelsystem 65 ist auf der Auslaßseite jeder Reaktoreinheit mit einem geschlossenen Regelkreis installiert, der ein Schnellschalt-Dreiwegedruckluftventil mit dem Gaseinlaßverteiler 55 von 4 verbindet, so daß Spülgas P in die Reaktoreinheit 33 zurückgeführt werden kann. Chemische Spezies, die durch A und B repräsentiert werden, können in einer Vorläuferfalle 69 (d. h. in einer Kältefalle) getrennt eingefangen werden, die ausgebaut werden kann, um schädliche Elemente zu entsorgen. Ungefährliche Gase oder Chemikalien können die Vorläuferfalle 69 umgehen und von der Absaugpumpe ausgepumpt werden. Das hierin beschriebene innovative Verfahren ermöglicht eine Senkung des Gasverbrauchs und bietet ein umweltfreundlicheres Verfahren.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß bei serieller Verarbeitung jeder Reaktor ein Fallensystem wie das oben beschriebene Fallensystem 65 aufweisen würde. Bei Parallelverarbeitung, wo der gleiche Prozeß in jedem Reaktor ausgeführt wird, kann dann jedoch ein Fallensystem auf der Auslaßseite verwendet werden.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß ein Produktionssystem, wie z. B. das Produktionssystem 19 von 5, mit verschiedenen Technologien genutzt und integriert werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, Zum Beispiel kann einer VESCAR-Einheit 27 die Schnittstelle der Handhabungsroboter-Plattform gemeinsam mit einem CVD-System, einem Reinigungsmodul, einer Lithographieeinheit oder einer anderen, dem Fachmann bekannten Prozeßeinheit nutzen. Für den Fachmann wird auch offensichtlich sein, daß wegen der Gleichmäßigkeitseigenschaften, die dem ALD-Prozeß durch Chemisorption inhärent sind, keine Beschränkungen der Substratgröße oder der Reaktorzahl existieren. Daher kann die VESCAR-Einheit 27 für optimale großtechnische Anwendung bezüglich anderer, konkurrierender Technologien ausgelegt werden. Es gibt viele andere mögliche Konfigurations- und Anwendungs-Ausführungsformen, von denen viele bereits beschrieben worden sind.
UNIVERSELLE KAMMER ZUR VERWENDUNG MIT EINEM GRUPPENWERKZEUGSYSTEM
10A zeigt eine größtenteils schematische Draufsicht eines Verarbeitungssystems auf Gruppenwerkzeugbasis, wie es sowohl nach dem Stand der Technik als auch bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Das Gruppenwerkzeug selbst ist ein Materialhandhabungssystem, das weitgehend innerhalb einer Vakuumkammer 1101 operiert. Eine Waferübergabevorrichtung 1103 ist so positioniert, daß sie von der Mitte der Vakuumkammer aus operiert, und so angepaßt, daß sie Substrate, typischerweise Halbleiterwafer in Fertigungsabläufen für integrierte Schaltkreise (IC), in Verarbeitungsstationen, die an Stellen rund um den Umfang der im wesentlichen kreisförmigen Vakuumübergabekammer 1101 angebracht sind, durch Drehen und Ausfahren ablegt und aufnimmt.
In dem dargestellten System gibt es 6 Stationspositionen, die mit 1 bis 6 numeriert sind, und jede dieser Stationen ist durch eine Montageflansch- und Schlitzventilanordnung 1102 an die Kammer 1101 angepaßt. In diesem Schema werden zwei Stationen, 5 und 6, als Luftschleusen zum Einbringen und Ausbringen von Wafern in die und aus der Kammer 1101 genutzt, die durch eine nicht dargestellte Pumpvorrichtung unter Vakuum gehalten wird, und die übrigen vier Stationen 1–4 sind für die Verarbeitung verfügbar.
Wafer werden von außen durch die Ladeschleuse 1104 in die Kammer 1101 befördert, dann typischerweise nacheinander durch die vier Verarbeitungsstationen und durch die Entladeschleuse 1105 zurück nach außen. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die Wafer nacheinander die vier Verarbeitungsstationen durchlaufen, da die Übergabevorrichtung 1103 in jeder gewünschten Reihenfolge ablegen und aufnehmen kann.
10B zeigt eine geschnittene Vorderansicht der Station 1106 von 10A, die einige zusätzliche typische Merkmale einer derartigen Verarbeitungsstation darstellt. Die Station 1106 basiert auf einer abdichtungsfähigen Verarbeitungskammer, die mit der Kammer 1101 von 10A durch eine angeflanschte Schlitzventilvorrichtung 1102 gekoppelt ist. Durch diese Schnittstelle werden Wafer zur Verarbeitung in die Kammer 1107 eingebracht und nach der Verarbeitung aus der Kammer 1107 entnommen. Die Kammer 1107 weist eine Vakuumpumpöffnung 1109, durch welche die Kammer evakuiert wird, und einen heizbaren Herd 1110 als Unterlage für einen Wafer 111 während der Verarbeitung auf. Bei der Verarbeitung verwendete Gase werden von einer Gaszufuhr- und Steuerungseinheit 1115 durch eine oder mehrere Röhren 1114 über den Verteilerring 1113 und den Brausekopfverteiler 1112 eingeleitet.
In dem System von 10A wird die Kammer 1101 jederzeit durch kräftige Vakuumpumpen ausgepumpt, um das gesamte Volumen in der Kammer unter Hochvakuum zu halten. Der Zweck ist, eine Verunreinigung durch atmosphärische Gase zwischen Verarbeitungsstationen zu vermeiden. Zu verarbeitende Wafer werden in die Ladeschleusenkammer 1104 eingebracht, typischerweise in einem Träger, und die Ladeschleuse wird auf einen Vakuumgrad in der Größenordnung des Vakuumgrads der Kammer 1101 evakuiert. Dann wird ein inneres Ventil geöffnet, und Wafer können dann durch die Übergabevorrichtung 1103 aus der Ladeschleuse abgeholt und an eine der Verarbeitungsstationen 1–4 übergeben werden.
Typischerweise wird während der Verarbeitung in einer der Verarbeitungsstationen das Vakuumpumpen gedrosselt, um den Druck in der Verarbeitungskammer ohne zu große Prozeßgasmengen zu steuern. Eine solche Drosselung kann auf mehrere Arten erreicht werden, darunter durch Ventile mit regelbaren Öffnungen. In einem typischen Prozeßkreislauf werden nach beendeter Verarbeitung die Gase in der Einheit 1115 (10B) durch Ventile abgesperrt, und die Drosselungsvorrichtung wird geöffnet, um die maximale Pumpgeschwindigkeit in der Verarbeitungskammer zu ermöglichen. Der Zweck ist die Absenkung des Gasdrucks in der Verarbeitungskammer auf einen Wert, der dem Wert in der Übergabekammer 1107 nahekommt. Dann wird das Schlitzventil in der Vorrichtung 1102 geöffnet, und die Übergabevorrichtung 1103 tritt in die Verarbeitungskammer ein und holt den verarbeiteten Wafer (1111) ab. Der abgeholte Wafer wird typischerweise durch die Vorrichtung 1103 an eine weitere Verarbeitungsstation übergeben, dann wird ein Wafer von der Ladeschleuse oder von einer anderen Verarbeitungsstation eingesetzt und auf dem Herd 1111 abgelegt, wonach die Übergabevorrichtung zurückfährt.
Sobald sich ein neuer Wafer auf dem Herd der Verarbeitungskammer befindet, wird das mit der Vorrichtung 1102 verbundene Schlitzventil wieder geschlossen und trennt die Verarbeitungskammer von der Übergabekammer 1101 ab. Dann werden Prozeßgase von der Einheit 1115 durch die Röhre(n) 1114 eingeleitet, und die Pumpgeschwindigkeit wird gedrosselt.
Wie oben kurz beschrieben wurde, gibt es viele Prozesse, die in Verarbeitungsstationen von der im Zusammenhang mit den 10A und 10B beschriebenen allgemeinen Natur ausgeführt werden. Beispielsweise können Reinigung, Ätzen, Rücksputtern und viele verschiedene Abscheidungsprozeßvorschriften ausgeführt werden. Typischerweise wird jeder Prozeß durch eine Kammer abgewickelt, die speziell für diesen Prozeß ausgelegt ist.
11A zeigt eine isometrische Ansicht einer Mehrzweckverarbeitungsstation 1201 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine breite Vielfalt von Prozessen durchführen kann, und 11B zeigt eine auseinandergezogene Darstellung der Mehrzweckverarbeitungsstation von 11A. 11C zeigt eine isometrische, geschnittene Vorderansicht der in den 11A und 11B dargestellten Mehrzweckverarbeitungsstation, gesehen aus einer anderen Perspektive als der von 11A. 11D zeigt eine geschnittene Vorderansicht der Mehrzweckverarbeitungsstation von 11A, dargestellt im Verarbeitungsmodus, und 11E zeigt eine geschnittene Vorderansicht der Vorrichtung von 11A, dargestellt im Übergabemodus. Da die Mehrzweckstation in ihren Ausführungsformen eine relativ komplizierte Vorrichtung ist, sind mehrere Ansichten und Schnitte bereitgestellt worden, um die Merkmale und Elemente der Station besser zu veranschaulichen, und die folgenden Beschreibungen, die sich auf die Mehrzweckverarbeitungsstation beziehen, lassen sich am besten durch Bezugnahme auf alle dargestellten Ansichten verstehen.
Wie in erster Linie aus den 11A und 11B erkennbar, ist die Mehrzweckverarbeitungsstation 1201 mit einem Gruppenwerkzeug durch die Basiskammer 1203 verbunden, die beim Zusammenbau mit anderen Elementen für Vakuumintegrität sorgt. Die Basiskammer 1203 weist einen sich seitlich erstreckenden, Durchlaß 1205 auf, der in einem Flansch 1207 endet, der zur Montage an einen Gegenflansch an einer Gruppenwerkzeugübergabevorrichtung so eingerichtet ist, daß die Station 1104 an dem System 1100 montiert wird (10A). Ein Schlitzventil ist nicht dargestellt und ist in dieser Ausführungsform Teil der Gruppenwerkzeugvorrichtung, an welcher der Flansch 1207 montiert wird.
Eine (in dieser Ausführungsform) zylinderförmige Verarbeitungskammer 1204 ist an einem oberen Ende der Basiskammer 1203 befestigt, wobei Vakuumdichtungen für die Integrität des Vakuums an der Schnittstelle sorgen, und eine Deckelbaugruppe 1261 ist mit Vakuumdichtungen am oberen Ende der Verarbeitungskammer abgedichtet. Die Deckelbaugruppe in dieser Ausführungsform ist schwenkbar an der Verarbeitungskammer angebracht und weist außerdem eine Vorrichtung zum Einleiten von Prozeßgasen in die Verarbeitungskammer auf. Die Deckelbaugruppe und die damit verbundene Vorrichtung werden weiter unten ausführlicher beschrieben. Für den vorliegenden Abschnitt der Beschreibung ist die Feststellung wichtig (11C und 11D), daß die Verarbeitungskammer mit der Deckelbaugruppe und dem Sockel ein geschlossenes Verarbeitungsvolumen bereitstellt.
Darunter ist eine Antriebseinheit 1209 durch einen horizontalen Flansch mit Vakuumdichtungen an der Basiskammer 1203 montiert. Der horizontale Flansch ist Teil eines oberen zylinderförmigen Gehäuses 1211 mit einem seitlichen Auslaß 1213 zum Anbringen eines – nicht dargestellten – Vakuumpumpsystems. Aufgrund seiner starren Befestigung an der Basiskammer 1203, die ihrerseits starr an der Vakuumübergabekammer eines Gruppenwerkzeugs befestigt ist, ist das obere Gehäuse 1211 ein stationäres Element, das andere Elemente verstärkt, wie aus der unten stehenden weiteren Beschreibung ersichtlich wird.
Der Zweck der Antriebseinheit ist das Anheben und Absenken einer inneren Sockelvorrichtung (11B). Die Sockelvorrichtung weist einen beheizten Herd als Träger und zum Erhitzen eines zu verarbeitenden Wafers auf. Wenn sich der Sockel in einer untersten Position befindet, können Wafer in die Basiskammer eingelegt und auf dem Herd liegend freigegeben werden, und nach dem Zurückziehen der Übergabevorrichtung durch das Ansatzstück 1205 und dem Schließen des zugehörigen Schlitzventils kann der Sockel angehoben werden und befördert den aufliegenden Wafer nach oben in eine Verarbeitungskammer in die Verarbeitungsposition.
Die Beziehung der Sockelvorrichtung 1215 zur Antriebseinheit ist am besten in den 11C, 11D und 11E erkennbar. Die Sockelvorrichtung 1215 weist einen oberen Abschnitt 1217 mit einer Heizplatte, einer elektrischen Isolierplatte und anderen Elementen auf, die in Abschnitten weiter unten ausführlicher beschrieben werden. Für die vorliegende Beschreibung der Antriebseinheit ist hauptsächlich die Verbindung der Sockelvorrichtung mit der Antriebseinheit interessant.
11E zeigt die Sockelvorrichtung 1215 in ihrer niedrigsten Position mit einem auf dem oberen Abschnitt 1217 der Sockelvorrichtung 1215 aufliegenden Wafer 1219. In dieser Position kann eine Übergabevorrichtung (1103 von 10A) durch das Ansatzstück 1205 in die Basiskammer eintreten und Wafer auf dem oberen Abschnitt der Sockelvorrichtung ablegen. Für die vorliegende Beschreibung kann angenommen werden, daß der Wafer 1219 auf der Sockelvorrichtung abgelegt worden ist.
Nachstehend wird das obere Gehäuse 1211 der Antriebseinheit 1209 betrachtet. Unter dem oberen Gehäuse 1211 erstreckt sich ein starres unteres zylinderförmiges Gehäuse 1221 von kleinerem Durchmesser als das obere Gehäuse 1211. Die Sockelvorrichtung 1215 weist eine obere Struktur 1224 und eine untere Verlängerung 1225 auf, die in einem Flansch 1227 endet, an dem außerdem ein äußeres zylinderförmiges Element 1223 befestigt ist, wodurch dazwischen ein ringförmiger Bereich entsteht. Das äußere zylinderförmige Element 1223 ist mit einem Lagermaterial ausgekleidet und so angepaßt, daß es eng an das untere Gehäuse 1221 anschließt und dadurch eine zuverlässige vertikale geradlinige Führung zum Anheben und Absenken der Sockelvorrichtung 1215 ohne exzentrische Lasten bildet.
Die Integrität des Vakuums wird für die gesamte Baugruppe aufrechterhalten, während vertikale Bewegungsfreiheit für die Sockelvorrichtung durch einen Metallbalg 1233 ermöglicht wird, der zwischen dem Flansch 1227 am unteren Ende und einem Flansch 1229 abdichtet, der über seinen Außendurchmesser am unteren Ende des unteren zylinderförmigen Gehäuses 1221 befestigt ist. Der Flansch 1229 ist stationär, da er ein Teil des unteren Gehäuses 1221 ist, das am Gehäuse 1211 befestigt ist, das an der Basiskammer 1203 montiert ist. Aufgrund seiner Befestigung an der unteren Verlängerung 1225 der Sockelvorrichtung 1215 bewegt sich der Flansch 1227 mit der Sockelvorrichtung 1215 auf und ab. Wenn die Sockelvorrichtung abgesenkt wird, dehnt sich der Balg 1233 aus, und wenn die Sockelvorrichtung 1215 angehoben wird, zieht sich der Balg 1233 zusammen. Die Sockelvorrichtung wird in ihrem vertikalen Weg durch den Innendurchmesser des Flanschs 1229 und in erster Linie durch das innere Lager innerhalb des Zylinders 1223 eingeschränkt.
Hinsichtlich der Antriebseinheit 1209 und des Anhebens und Absenkens der Sockelvorrichtung braucht nur noch die Vorrichtung beschrieben zu werden, durch welche die Sockelvorrichtung 1215 zwischen der untersten Position (11E) und der obersten Position (11D) verschoben wird. Wie in erster Linie aus 11A ersichtlich, weist die Antriebseinheit 1209 in dieser Ausführungsform einen elektrisch betätigten und betriebenen Schubantrieb 1235 mit einer ausfahrbaren Welle 1237 innerhalb eines Führungsgehäuses 1238 auf, wobei die ausfahrbare Welle innerhalb des Gehäuses 1238 ausgefahren und eingefahren werden kann, ausgelöst durch Steuersignale, die von einem nicht dargestellten Steuerungssystem empfangen werden. Ein Ende der ausfahrbaren Welle 1237 ist durch einen Bügel 1239 schwenkbar am oberen Gehäuse 1211 der Antriebseinheit befestigt. Eine Jochbaugruppe 1241, die eine U-förmige Bahn aufweist, umgibt den Körper des Zylinders 1223 (der fest an der Sockelbaugruppe 1215 angebracht ist) und ist an den Enden der U-förmigen Bahn schwenkbar an gegenüberliegenden Enden eines Verriegelungsstabs 1243 befestigt, und der Verriegelungsstab ist am Antriebsgehäuse 1238 verriegelt.
Wie aus den 11B und 11C erkennbar, kommt die Jochbaugruppe 1241 in Eingriff mit zwei Lagern 1245, die an gegenüberliegenden Seiten des Zylinders 1223 montiert sind. Wie aus 11B erkennbar, ist in der Mitte des gekrümmten Endes der U-förmigen Bahn der Kurvenbahn/Joch-Baugruppe 1241 ein Ende eines längenverstellbaren Verbindungsglieds 1247 schwenkbar durch einen Bügel 1249 befestigt. Das entgegengesetzte Ende des Verbindungsglieds 1247 ist wieder durch einen Bügel 1251 am Gehäuse 1211 befestigt.
In der oben beschriebenen Anordnung wird eine ausfahrbarre Welle 1237 ausgefahren, die Jochbaugruppe wird als ein Hebel bewegt, der an dem Bügel 1249 als Drehpunkt befestigt ist, so daß der Zylinder 1223 um eine Strecke von etwa der halben Ausfahrlänge der Welle 1237 abgesenkt wird, wodurch die gesamte Sockelbaugruppe bezüglich der Verarbeitungskammer und der Basiskammer abgesenkt wird. Beim Einfahren der Welle 1237 wird die Sockelbaugruppe entsprechend bezüglich der Basiskammer und der Verarbeitungskammer angehoben.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es andere Vorrichtungen gibt, durch welche die Sockelbaugruppe bezüglich der Basis- und der Verarbeitungskammer verschoben werden kann, und bei der dargestellten Vorrichtung gibt es verschiedene Änderungen, die vorgenommen werden könnten, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel gibt es eine Anzahl verschiedener ausfahrbarer Antriebe, die verwendet werden könnten, wie z. B. Druckluftzylinder, Luft-Öl-Systeme, hydraulische Systeme und dergleichen. Die beschriebene Ausführungsform bietet stoßfreie translatorische Bewegung und Genauigkeit.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sorgt die Vertikalbewegung der Sockelbaugruppe, die eine untere Position zum Einlegen und Abholen von Wafern durch das Ansatzstück 1205 und eine obere Position bereitstellt, in der ein Wafer auf dem Sockel aufwärts in die Verarbeitungskammer zur Verarbeitung eingebracht wird, außerdem für eine unterschiedliche Pumpgeschwindigkeit zwischen der oberen und der unteren Position. Ferner können die Elemente, die dies ermöglichen, auch eine leichte Änderung der aktuellen Pumpgeschwindigkeit in der Verarbeitungsposition zulassen. Diese Merkmale lassen sich am besten unter Bezugnahme auf 11D und 11E verstehen.
Wie aus den 11D und 11E erkennbar, ist an dem Punkt, wo sich die Basiskammer 1203 an die Verarbeitungskammer 1204 anschließt, eine ringförmige Buchse 1253 angeordnet. Der Innendurchmesser der Buchse 1253 legt eine Fläche eines ringförmigen Durchlasses 1255 (11D) fest, der zwischen der Buchse 1253 und der Oberkante des Sockels 1215 gebildet wird, wenn sich der Sockel in der obersten Position befindet. Die Buchse 1253 besteht außerdem aus einem Material mit einem relativ niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten durch Leitung und bietet dadurch Schutz für die Teile der Verarbeitungskammer und der Basiskammer, die dem erhitzten Sockel am nächsten liegen, während sich der Sockel in der Verarbeitungsposition (der obersten Position) befindet.
In Verbindung mit der Buchse 1253 ist der Sockel 1215 mit einer ringförmigen Abdeckung 1257 versehen, die an dem Sockel befestigt ist und einen geformten Pumpring bildet. Wenn sich der Sockel 1215 in der obersten Position befindet, paßt sich der obere Ring, den die Abdeckung 1257 mit dem Körper des Sockels 1215 bildet, durch den oberen Rand der mit der Buchse 1253 zusammenpassenden Abdeckung 1253 an den Ring 1255 an. Aus 11D ist klar, daß der Durchfluß zum Auspumpen der Verarbeitungskammer durch die seitliche Auslaßpumpöffnung 1213 durch den zwischen der Abdeckung 1257 und dem Körper des Sockels 1215 gebildeten ringförmigen Durchlaß erfolgt.
Aus 11E, wo der Sockel 1215 in die unterste Position zur Übergabe von Wafern in die und aus der Station bewegt worden ist, läßt sich klar erkennen, daß Gase aus dem Prozeßbereich noch durch den oben beschriebenen Abdeckring fließen können, aber auch um die Außenseite der Abdeckung herum durch den Bereich 1259 und von dort zum Bereich des Gehäuses 1211 und durch die Pumpöffnung 1213 nach außen fließen können.
Dem Fachmann ist bekannt, daß die Pumpgeschwindigkeit nach der Verarbeitung und während der Waferübergabe relativ hoch sein muß und während der Verarbeitung auf eine niedrigere, gesteuerte Geschwindigkeit gedrosselt werden muß, um den Gesamtgasdruck während der Verarbeitung sicherzustellen. In herkömmlichen Systemen wird dies durch Drosselventile und dergleichen erreicht, typischerweise in der Pumpöffnung einer Kammer. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung entsteht diese Differenz einfach aufgrund der Vertikalverschiebung der Sockelbaugruppe mit der daran angebrachten Pumpabdeckung. Nach diesem Aspekt kann zur genauen Prozeßdrucksteuerung immer noch ein Drosselventil verwendet werden.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß eine Konstruktion für die Buchse und die Abdeckung nicht viele verschiedene Prozesse, sowohl CVD- als auch PECVD-Prozesse, berücksichtigt, die im Prozeß ganz unterschiedliche Pumpgeschwindigkeiten erfordern können. In der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung brauchen für einen anderen Prozeß nur der Sockel ausgebaut und die Abdeckung und die Buchse ausgetauscht zu werden, was während einer planmäßigen Stillstandszeit zur Routinewartung und Reinigung durchgeführt werden kann. Überdies ist dieser Austausch wegen der ungewöhnlichen Konstruktion anderer Aspekte der Kammer eine relativ einfache Angelegenheit, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Wie aus den 11A bis 11D erkennbar, wird der Prozeßbereich durch eine Deckelbaugruppe 1261 geschlossen, die einen Deckelring 1263, einen Isolatorring 1265 und eine Gasverteilerbaugruppe 1267 aufweist. Die Gasverteilerbaugruppe 1267 weist nicht dargestellte Öffnungen zum Einleiten von Prozeßgasen, innere Durchlässe zum Einleiten der Prozeßgase in die Verarbeitungskammer und Verteilerelemente innerhalb des Prozeßbereichs zum gleichmäßigen Verteilen von Prozeßgasen über einen Wafer auf, der auf dem Sockel 1215 in der Verarbeitungskammer in Verarbeitungsposition aufliegt. Derartige Öffnungen, Durchlässe und Verteilungselemente sind dem Fachmann bekannt.
Der Verteiler 1267 ist in einem Isolatorring 1265 verschachtelt, der für elektrische und Wärmeisolierung der Verteilerbaugruppe sorgt und das elektrische Vorspannen der Verteilerbaugruppe gegen andere Elemente ermöglicht, wie in verschiedenen Prozeßvorschriften gefordert wird. Dieses Vorspannen kann zum Beispiel zur Anregung der Prozeßgase in der Kammer angewandt werden, um ein Plasma zu bilden, wie bei plasmagestützten CVD-Prozessen bekannt. Der Isolatorring 1265 schließt vakuumdicht an den Deckelring 1263 und den Verteiler 1267 an, um für Vakuumintegrität zu sorgen und außerdem eine starre Deckelbaugruppe bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deckelbaugruppe 1261 mit abnehmbarer Vakuumdichtung schwenkbar an der Verarbeitungskammer 1204 befestigt, die den Zugang zur Reinigung und Wartung relativ einfach und routinemäßig macht. In anderen Ausführungsformen kann der Deckel anders montiert sein und für den Zugang vollständig entfernt werden.
Wie hauptsächlich aus den 11D und 11E erkennbar, kann der Zugang zum Inneren der Verarbeitungskammer erfolgen, indem die Deckelbaugruppe 1261 gelöst und entfernt wird. Am Boden der Station 1201 ist der Flansch 1227 leicht zugänglich, wo der untere Abschnitt 1225 am Flansch 1227 befestigt ist. Bei geöffneter Deckelbaugruppe kann die Sockelbaugruppe 1215 vom Flansch 1227 aus demontiert und durch das offene obere Ende aus der Verarbeitungsstation entfernt werden. Dieses Merkmal bietet schnellen und einfachen Zugang zu Abschnitten der Verarbeitungskammer, die Reinigung und Wartung erfordern, und außerdem zum Austausch von Buchsen und Abdeckungen, um neue und andere Prozeßbedingungen herzustellen.
Wesentliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik sind in der Architektur der oberen Abschnitte des Sockels 1215 bereitgestellt worden. 12 zeigt einen Teilquerschnitt durch den oberen Bereich des Sockels 1215 etwa in der Position des gestrichelten Kreises 1269 in 11D. Wie oben beschrieben und besonders aus 11C erkennbar, ist der Sockel 1215 eine Baugruppe mit einer oberen Struktur 1224 und einer unteren Verlängerung 1225. Die obere Struktur 1224 wird am oberen Ende durch eine Verschlußplatte 1226 verschlossen, und die Elemente 1225, 1226 und 1224 werden mit Vakuumdichtungen montiert, wodurch eine im wesentlichen hohle vakuumdichte Struktur gebildet wird. Die obere Verschlußplatte 1226 trägt Heiz- und Elektrodenelemente zur Aufnahme eines Wafers während der Verarbeitung, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 12 ausführlicher beschrieben wird. Die Verschlußplatte 1226 der Sockelbaugruppe 1215 ist die Grundplatte in 12 und wird wassergekühlt, um die Betriebstemperatur für Vakuumdichtungen, wie z. B. für herkömmliche O-Ringe und dergleichen, und für andere Elemente aufrechtzuerhalten, die durch hohe Temperaturen beschädigt werden könnten.
Wie hauptsächlich aus 12 erkennbar, wird die Verschlußplatte 1226 in dieser Ausführungsform an zwei Stellen von einer ungewöhnlichen elektrischen Durchführungseinheit 1301 durchdrungen. Eine solche Durchführung ist in 12 dargestellt, aber in einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zwei derartige Durchführungen, die eine ungewöhnliche Heizplatte versorgen, die weiter unten ausführlich zu beschreiben ist. Die Durchführungeinheit 1301 ist mit Vakuumdichtungen an die Verschlußplatte 1226 angepaßt, um die Vakuumintegrität zu bewahren. Die Durchführungseinheit 1301 in einer Durchführung der Verschlußplatte 1226 versorgt Heizelemente in einer Heizplatte 1303 mit Strom, die durch eine elektrische Isolatorplatte 1305 auf Abstand von der Verschlußplatte 1226 gehalten wird. Die Heizplatte 1303 hat die Funktion, einer Heizereinheit 1307, auf der ein Wafer während der Verarbeitung aufliegt, Wärme zuzuführen.
Der Heizer 1307 ist eine größtenteils aus Graphit bestehende Struktur, die einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten durch Leitung aufweist und in einem kleinen Abstand D1 von der Heizplatte 1303 angeordnet ist. Die Heizplatte 1303 führt dem Heizer 1307 durch Konvektion und Strahlung über den Spalt D1 Wärme zu und trägt dazu bei, an seiner Oberseite und daher über der Oberfläche eines Wafers eine relativ konstante Temperatur bereitzustellen, und bildet außerdem eine leistungsfähige Elektrode für elektrische Hochfrequenzvorspannung. Der Heizer bildet ein elektrisches Element, das für diejenigen Prozesse, die dies erfordern, durch eine in 12 nicht dargestellte HF-Durchführung vorgespannt wird.
Die Heizer-Stromleitungen, die an zwei Durchführungen 1301, an eine zweite Durchführung für HF-Energie und verschiedene andere Leitungsrohre und Verbinder angeschlossen sind, werden für den Bereich an der Unterseite der Verschlußplatte 1226 bereitgestellt, indem sie durch das hohle Innere der Sockelbaugruppe 1215 nach oben geführt werden (siehe die 11C, D und E). Solche Leitungen und Leitungsrohre für die Zufuhr von Strom und anderen Medien zu Unterbaugruppen und Elementen des Sockels 1215 sind in diesen Zeichnungen nicht dargestellt, um die Darstellung zu vereinfachen, und gehen im allgemeinen von dem Fachmann bekannten externen Strom- und Medienversorgungseinrichtungen aus.
In der hierin beschriebenen Ausführungsform gibt es verschiedene andere vakuumdichte Durchführungen durch die Verschlußplatte 1226, die aber in den Figuren der Zeichnungen nicht konkret dargestellt sind. Dazu gehören Thermoelemente mit geeigneten Durchführungen zur Messung der Temperatur von inneren Elementen und mindestens ein optischer Sensor zur Temperaturüberwachung des Heizers. Derartige Durchführungen sind dem Fachmann bekannt. Eine durch Druckluftzylinder betriebene Vorrichtung zur translatorischen Bewegung einer Anordnung von typischerweise drei Keramikstiften wird gleichfalls an die Heizplatten/Heizer-Struktur angepaßt und dient zum Anheben und Absenken eines Wafers von der Oberfläche des Heizers 1307, damit eine Übergabevorrichtung unter einem Wafer ausfahren kann, um Wafer von der Heizplatte aufzunehmen bzw. darauf abzulegen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Druckluftzylinder so an die Unterseite der Verschlußplatte 1226 angepaßt, daß der bewegliche Schaft des Zylinders über eine Balgdichtung durch eine Öffnung in der Verschlußplatte ausgefahren werden kann. Der Druckluftzylinder hat einen Hub von 1,3 cm (1/2 Zoll) und betätigt einen unter dem Heizer angeordneten Zwischenträger, der drei Keramikstifte trägt, die durch kleine Öffnungen im Heizer und der Heizplatte hindurchgehen.
Wenn der Sockel 1215 eingefahren ist, wie in 11E dargestellt, kann ein Wafer übergeben werden, ein auf dem Heizer 1307 aufliegender Wafer kann durch die oben erwähnten, durch den beschrieben Druckluftzylinder betätigten Keramikstifte von der Oberseite des Heizers abgehoben werden. Dann kann ein Transportarm (siehe 10A, Position 1103) in die Verarbeitungsstation unterhalb des auf den Stiften aufliegenden Wafers, aber oberhalb des Heizers ausfahren. Durch Zurückziehen der Stifte wird der Wafer dann auf dem Transportarm abgelegt, der dann zusammen mit dem Wafer zurückgezogen werden kann. Zum Auflegen eines neuen, zu verarbeitenden Wafers auf den Heizer kann der Vorgang umgekehrt werden.
Die Durchführung 1301 von 12 ist in 13A isoliert dargestellt. Ein Keramikkörperabschnitt 11403 wird in dieser Ausführungsform durch eine intermetallische Bindung mit einem Metallkörperabschnitt 1405 zusammengefügt, der eine Dichtungsnut 1407 für eine Vakuumdichtung aufweist, wie z. B. einen O-Ring, und bildet einen einheitlichen Körper, der durch eine Öffnung in der Verschlußplatte 1226 (12) durchgeführt und abgedichtet werden kann. Massive Nickeldrähte 1409 werden durch den Keramikkörperabschnitt 1403 durchgeführt und gleichfalls durch eine intermetallische Bindung abgedichtet, wie dem Fachmann bekannt, und mit herkömmlichen Stromleitungen 1411 verbunden, beispielsweise durch Löten in einem Abstand von der Durchführung, der groß genug ist, damit durch Wärmeleitung übertragene Wärme kein Problem darstellt.
Auf der Vakuumseite der Durchführung 1301 werden die Nickeldrähte 1409 mit Buchsen 1413 verbunden, die in Öffnungen 1415 in dem Keramikkörperabschnitt 1403 montiert und an die Aufnahme von Stiften von der Heizplatte 1303 angepaßt sind (12). Die Stifte werden weiter unten ausführlicher beschrieben. Die Buchsen 1413 werden in vertikaler Richtung durch die Drähte 1409 gehalten, die eine beträchtliche Steifigkeit aufweisen. Die Öffnungen 1415 haben einen etwas größeren Durchmesser als die Buchsen 1413, wodurch die Buchsen 1413 seitliche Bewegungsfreiheit erhalten (die Drähte 1409 bieten der Querbewegung wenig Widerstand). Diese seitliche Bewegungsfreiheit läßt bei der Montage einer Heizplatte mit Anschlußstiften an einer Verschlußplatte (wie weiter unten ausführlicher beschrieben) eine gewisse Bewegung und Fehlausrichtung zu.
13C zeigt eine Draufsicht der Durchführung 1301 von 13A, und 13B zeigt eine Schnittansicht durch die Körperbaugruppe der Durchführung 1301 entlang der Schnittlinie 13B-13B von 13C, die im wesentlichen um neunzig Grad gegen den Schnitt von 13A gedreht ist. Die Schnittansicht 13B verläuft entlang einer Nut 1417 im Keramikkörperabschnitt 1403 unterhalb einer runden Vertiefung 1419. Die Vertiefung 1419 nimmt einen runden Abschnitt der Heizplatte 1303 auf, von dem Anschlußstifte ausgehen, und die Nut 1417 nimmt ein Trennwandansatzstück 1311 einer keramischen Isolatortrennwand 1309 auf, die dazu dient, eine elektrische Wechselwirkung in Sichtlinie zwischen einzelnen Stiften der elektrischen Durchführung zu verhindern.
Die 14A und B zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht der keramischen Isolatortrennwand 1309, die einen Gesamtdurchmesser aufweist, der groß genug ist, um die Position beider Buchsen 1413 einzuschließen. Die Trennwand 1309 weist in dieser Ausführungsform runde Öffnungen 1511 und 1513 auf, die so angepaßt sind, daß sie auf eine weiter unten ausführlicher beschriebene Weise an der Heizplatte 1303 montierte Stifte durchlassen. Das Trennwandansatzstück 1311 der Trennwand 1309 erstreckt sich als Trennwand quer über den Durchmesser der Trennwand 1309 in einem Winkel von im wesentlichen neunzig Grad zum flachen Körper der Keramiktrennwand und ist so angepaßt, daß es mit der Nut 1417 in Eingriff kommt, wenn in der beschriebenen Ausführungsform eine Heizplatte an einem Sockel montiert wird.
15A zeigt eine isometrische Ansicht der Heizplatte 1303 von 12. 15B zeigt eine Draufsicht der gleichen Heizplatte, und 15C zeigt eine Seitenansicht. Die Heizplatte 1303 ist in dieser Ausführungsform ein ungewöhnlicher Zweizonenheizkörper mit einem inneren Bereich 1603 und einem äußeren Bereich 1605, die durch Doppelkanäle 1607 und 1609 voneinander getrennt sind, die durch die Dicke der Heizplatte hindurchgehen. Der innere Bereich 1603 ist so angepaßt, daß sein Durchmesser etwa gleich dem des Wafers ist, der auf einen Heizer über dem Heizkörper aufgelegt werden soll, und der äußere Bereich schließt im wesentlichen die übrige Fläche der Heizplatte ein. Die Heizplatte 1303 ist in dieser Ausführungsform eine keramische Baugruppe mit Dünnschichtheizelementen.
An der Heizplatte 1303 sind in dieser Ausführungsform zwei getrennte Anschlußstiftstrukturen 1611 aufgebaut, eine zur Versorgung des inneren Bereichs 1603 und eine zur Versorgung des äußeren Bereichs 1605. Die Bereitstellung von zwei getrennten Bereichen, die unabhängig voneinander gespeist werden können, ermöglicht eine Abstimmung der Wärmeverteilung, um Randeffekte beim Erhitzen eines Wafers auf einem über dem Zweizonenheizkörper liegenden Heizer zu bekämpfen, wodurch ein Wafer auf dem gesamten Bereich bis zum Außendurchmesser gleichmäßig erhitzt werden kann, ein erheblicher Vorteil gegenüber Heizern nach dem Stand der Technik.
Die 16A, B und C zeigen einen ungewöhnlichen Anschlußstift 1701, der in der vorliegenden Ausführungsform in Verbindung mit der Heizplatten- und Buchsenbaugruppe verwendet wird, die weiter oben hauptsächlich unter Bezugnahme auf die 13A, B und C beschrieben wurde. 16A zeigt eine isometrische Ansicht des Anschlußstifts 1701, 16B zeigt eine vergrößerte Stirnseitenansicht, und 16C zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 16C-16C von 16B.
Der Anschlußstift 1701 weist einen Gewindeabschnitt 1703, einen Flansch 1705 und eine Stiftverlängerung 1707 mit flexiblen Fingern auf. Die Gesamtlänge in der vorliegenden Ausführungsform ist etwa ein halber Zoll, wobei je etwa ein Viertel Zoll auf den Gewindeabschnitt und die Stiftverlängerung entfallen, aber in anderen Ausführungsformen können größere oder kleiner Stifte verwendet werden. Das Gewinde für den Gewindeabschnitt ist vorzugsweise ein Feingewinde, aber es können mehrere verschiedene Gewindegrößen verwendet werden.
In einer in den 16A, B und C dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Stiftverlängerung 1707 des Anschlußstifts 1701 in 12 gleiche flexible Finger unterteilt, wie z. B. die dargestellten Finger 1709. Der Anschlußstift besteht typischerweise aus einem chemisch beständigen Material, wie z. B. aus einer von mehreren Edelstahlsorten, und wird auf eine dem Fachmann bekannte Weise wärmebehandelt, um für eine geeignete Federspannung der Finger zu sorgen.
Wie aus den 15A, B und C erkennbar, weist jede Anschlußstiftstruktur 1611 eine erhöhte Anschlußfläche 1601 mit zwei Gewindebohrungen auf. Auf jeder erhöhten Anschlußfläche ist eine Isolatortrennwand 1309 angeordnet, und die Anschlußstifte 1701 werden durch die Öffnungen 1511 und 1513 in der Isolatortrennwand eingeführt, so daß die Flansche 1705 anschlagen und die Isolatortrennwände an der Heizplatte festhalten. Diese Baugruppe ist in 12 deutlich dargestellt. Die Heizplatte 1303 ist so konstruiert, daß die Gewindebohrungen jeden Heizerstift in Kontakt mit einem entsprechenden Heizelement in der Heizplatte kommen lassen. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es viele alternative Anordnungen gibt, die bei der Heizerkonstruktion hergestellt werden könnten, um die beschriebene ungewöhnliche Struktur zu nutzen.
Wie wieder aus 12 erkennbar, sind in der Verschlußplatte 1226 Durchführungsbohrungen mit Durchführungen 1301 in der Struktur vorgesehen, die für die Kontaktherstellung mit den Anschlußstiftstrukturen 1611 einer Heizplatte 1303 erforderlich ist. Wenn eine Heizplatte an einer Verschlußplatte montiert wird, kommt die erhöhte Anschlußfläche 1601 jeder Anschlußstiftstruktur in Eingriff mit der kreisförmigen Vertiefung 1419 (siehe auch die 13A und 13B). Gleichzeitig kommt das Trennwandansatzstück 1311 der Isolatortrennwand 1309 in Eingriff mit der Nut 1417 und stellt eine sichtlinienfreie Verbindung her. Wie oben beschrieben, lassen die Buchsen 1413 an den Leitern 1409 der Durchführung 1301 eine gewisse seitliche Bewegung zu, die zusammen mit den flexiblen Fingern der Stifte einen leichten und zwangsläufigen Eingriff gewährleistet.
In der hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsform gibt es zwei Anschlußstiftstrukturen, die den Stromanschluß zu zwei getrennten Heizkörperbereichen in einer einzigen Heizplatte bilden. In dieser Ausführungsform bildete eine getrennte, nicht dargestellte Einzelstiftstruktur, die aber die gleiche Buchsen- und Stiftanordnung (aber mit Einzelstift) nutzt, den Hochfrequenzanschluß für HF-Vorspannung in plasmagestützten CVD-Prozessen (PECVD-Prozessen). Für den Fachmann wird jedoch offensichtlich sein, daß mehr oder weniger Anschlußstiftstrukturen vorhanden sein können, und für die Hochfrequenzvorspannung kann durch aus auch eine Doppelstiftdurchführung verwendet werden.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es viele Änderungen im Detail und im Maßstab gibt, die bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Viele derartige Änderungen sind bereits erwähnt worden. Es gibt viele weitere. Zum Beispiel gibt es viele Wafergrößen, die gegenwärtig bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen im Gebrauch sind, und Verarbeitungsstationen gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können so konstruiert werden, daß sie individuelle Wafergrößen oder einen Bereich von Wafergrößen aufnehmen. Eine erfindungsgemäße Station könnte zum Beispiel so dimensioniert werden, daß sie Wafer mit einem Durchmesser bis 30,5 cm (12 Zoll) oder mehr aufnimmt, aber mit einer solchen Heizerstruktur ausgestattet werden, daß ein Wafer mit einem Nenndurchmesser von 20,3 cm (8 Zoll) richtig, gleichmäßig und effizient erhitzt wird.
Als weiteres Beispiel für die Breite der vorliegenden Erfindung bietet die weiter oben ausführlich beschriebene Antriebseinheit 1209 einen leistungsfähigen, stoßfreien und äußerst langlebigen Antrieb zum Anheben und Absenken einer Sockelbaugruppe in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Antrieb gibt es jedoch viele Varianten, die verwendet werden könnten, und sogar völlig verschiedene Antriebe, die unter Bewahrung einer außergewöhnlichen erfinderischen Verschiedenheit von der vorhandenen Technik in einigen Ausführungsformen eingebaut werden könnten.
ANWENDUNG DER MEHRZWECKVERARBEITUNGSKAMMER FÜR ALD-PROZESSE
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben anhand der 10A bis 16C beschriebene Mehrzweckverarbeitungskammer für die Durchführung von Atomschichtabscheidungsprozessen (ALD-Prozessen) eingesetzt, wie weiter oben unter Bezugnahme auf die 1A bis 9 beschrieben.
In 5 ist eine Systemanordnung dargestellt, in der eine VESCAR-Anordnung 27 mit einer zentralen Vakuum-Substrathandhabungseinrichtung 23 gekoppelt ist. Wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben, könnten mehrere VESCAR-Einheiten mit Schlitzventilen der zentralen Vakuum-Substrathandhabungseinrichtung gekoppelt werden. Die Handhabungseinrichtung 23 ist im wesentlichen die gleiche Gruppenwerkzeug-Handhabungseinrichtung wie die mit Hilfe von 10A beschriebene, und in Anbetracht der hierin gegebenen Lehren wird offensichtlich sein, daß entweder die Mehrzweckkammer oder eine VESCAR-Einheit oder eine oder mehrere von beiden mit einer solchen Gruppenwerkzeug-Handhabungseinrichtung gekoppelt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Mehrzweckkammer gemäß den obigen Beschreibungen mit einer Gruppenwerkzeug-Handhabungseinrichtung gekoppelt, und gemäß den Beschreibungen, die weiter oben anhand der 8 und 9 gegeben wurden, wird eine Gaszufuhr- und Steuerungsvorrichtung für die Mehrzweckkammer bereitgestellt. Vorzugsweise werden mehrere Mehrzweckkammern (jetzt ALD-Kammern) zusammen mit mindestens einer Ladeschleusenvorrichtung gekoppelt, so daß zu beschichtende Wafer in die angebrachten ALD-Kammern geladen und daraus entladen werden können. Auf diese Weise können in jedem Takt ebenso viele Wafer eingebracht werden, wie ALD-Kammern vorhanden sind, und jedem Wafer ist seine eigene Verarbeitungskammer für den durchzuführenden ALD-Prozeß zugeordnet. Die Prozesse können identisch sein, oder sie können äußerst verschieden sein, und die Lade-, Entlade- und Verarbeitungsparameter können entsprechend programmiert werden.
Die 11D und 11E zeigen eine der Mehrzweckkammern in einer Verarbeitungsposition (11D) und in einer Übergabeposition (11E). Die Kammer 1204 gemäß dem vorliegenden Aspekt wird auf eine Weise bereitgestellt, die besonders an die Größe eines Wafers angepaßt ist, der nach dem ALD-Verfahren beschichtet werden soll, wobei das mit dem Gasdurchfluß vereinbare Volumen der Kammer minimiert wird. Das Volumen der Kammer wird ermittelt, wenn sich der Sockel in seiner obersten Position befindet, im Gegensatz zu den offenbar größeren Volumen bei zurückgezogenem Sockel (11E).
Die Zufuhr von ALD-Gas erfolgt durch einen speziellen Deckel, der allgemein als Deckel 1267 dargestellt ist, und besondere Umstände, wie z. B. eine Änderungen der Waferdicke, des Schichtmaterials und so weiter, können durch Auswechseln von Deckeln für die Mehrzweckkammer berücksichtigt werden. Entsprechend wird die Pumpgeschwindigkeit in der Verarbeitungsposition durch den Ring 1225 festgelegt, der gebildet wird, wenn sich der Sockel in der obersten Position befindet. Die Pumpbedingungen können dann durch Auswechseln der Ringe 1253 (11E) feinabgestimmt werden.
Im Betrieb werden die Sockel eingefahren, fertige Wafer werden entladen, und neue Wafer werden in jede Kammer in der Gruppenwerkzeuganordnung geladen. Die Schlitzventilschnittstellen werden geschlossen, und die Sockel werden ausgefahren. In dem Verfahren wird der Waferherd in jeder Kammer auf einer bestimmten Temperatur gehalten, so daß die Wafer schnell die Verarbeitungstemperatur erreichen, was durch Zufluß von heißem Gas unterstützt werden kann. Wenn die Wafer die Beschichtungstemperatur erreicht haben, wird das Gasdurchflußregime für jede Kammer festgelegt, und der ALD-Prozeß beginnt.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß es viele Änderungen gibt, die an der beschriebenen Vorrichtung und den beschriebenen Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es können Wafer vieler verschiedener Größen verarbeitet werden, zum Beispiel durch Austausch bestimmter Elemente der Kammern. Prozeßparameter können auf viele verschiedene Arten angepaßt werden.
Als weiteres Beispiel können in vielen Elementen der vorliegenden Erfindung viele Materialien ausgetauscht werden, wie z. B. das Material der Heizplatte und des Heizers. Angesichts des breiten Bereichs von Änderungen, die vorgenommen werden können, wird die Erfindung nur durch den Umfang der folgenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

Verarbeitungsverfahren zum Abscheiden von Atomschichten (ALD-Verfahren), das aufweist: Einbringen eines Wafers (1219) in eine ALD-Verarbeitungsstation für ein Gruppenwerkzeugsystem, die einen Verarbeitungskammerabschnitt (1204) und darunter einen Basiskammerabschnitt (1203) aufweist; wobei der Verarbeitungskammerabschnitt (1204) ein unteres Ende mit einer ersten Querschnittsfläche aufweist und der Basiskammerabschnitt (1203) unter dem unterem Ende der Verarbeitungskammer (1204) eine Querschnittsfläche aufweist, die größer als die erste Querschnittsfläche ist; wobei der Wafer (1219) auf einer oberen Substratauflagefläche (1307) eines Substratträgersockels (1215) aufliegt, der an den Basiskammerabschnitt (1203) unterhalb einer darin angebrachten Substrattransportöffnung (1207) durch eine dynamische Vakuumdichtung (1233) angepaßt ist, die eine Vertikalverschiebung des Substratträgersockels (1215) durch ein Vertikalverschiebungs-Antriebssystem (1209) ermöglicht, das so angepaßt ist, daß es den Substratträgersockel (1215) verschiebt, um die obere Substratauflagefläche (1307) in eine Verarbeitungsposition, die im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem unteren Ende der Verarbeitungskammer (1204) liegt, oder in eine untere Transportposition im Basiskammerabschnitt (1203) oberhalb einer Vakuumpumpöffnung (1213) und unterhalb der Transportöffnung (1207) zu bringen; und Zufuhr von Gasen gemäß einem ALD-Protokoll durch einen abnehmbaren Gaszufuhrdeckel (1261), der am Verarbeitungskammerabschnitt (1204) der ALD-Verarbeitungsvorrichtung montiert ist; dadurch gekennzeichnet, daß die obere Substratauflagefläche (1307) eine dritte Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die erste Querschnittsfläche, so daß die obere Substratauflagefläche (1307) und die erste Querschnittsfläche mit dem Substratträgersockel (1215) in der Verarbeitungsposition einen ersten ringförmigen Pumpdurchlaß (1255) mit einer ersten effektiven Gesamtfläche bilden, die eine erste begrenzte Pumpgeschwindigkeit vom Verarbeitungskammerabschnitt (1204) durch die Vakuumpumpöffnung (1213) festlegt, und, mit dem Substratträgersockel (1215) in der unteren Transportposition einen zweiten ringförmigen Pumpdurchlaß mit einer zweiten effektiven Fläche bilden, die größer ist als die erste effektive Fläche, wodurch eine zweite Pumpgeschwindigkeit von der Verarbeitungskammer ermöglicht wird, die größer ist als die erste Pumpgeschwindigkeit, wobei eine erste effektive Gesamtfläche mit dem Substratträgersockel (1215) in der Verarbeitungsposition kleiner ist als eine zweite effektive Gesamtfläche mit dem Substratträgersockel (1215) in der unteren Transportposition.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Querschnittsfläche durch einen auswechselbaren Ring (1253) gebildet wird, wodurch die erste Pumpgeschwindigkeit durch Auswechseln des auswechselbaren Rings (1253) mit konstantem Außendurchmesser und unterschiedlichem Innendurchmesser schrittweise variiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ALD-Vorrichtung ferner ein ringförmiges Deckband (1257) aufweist, der einen Abschnitt des Substratträgersockels (1215) umgibt, der an der oberen Auflagefläche (1307) beginnt und sich unterhalb der oberen Auflagefläche (1307) erstreckt, wobei die Pumpfläche des ringförmigen Deckbands (1257) in Höhe der oberen Auflagefläche (1307) im wesentlichen gleich der ersten Querschnittsfläche ist, so daß mit dem Substratträgersockel (1215) in der Verarbeitungsposition das ringförmige Deckband (1257) mit der ersten Querschnittsfläche zusammenpaßt und den gesamten Gasdurchfluß von der Verarbeitungskammer (1204) zwischen dem ringförmigen Deckband (1257) und dem Substratträgersockel (1215) auf das Innere des ringförmigen Deckbands (1257) einengt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der abnehmbare Deckel (1261), der ein oberes Ende der Verarbeitungskammer (1204) verschließt, mit einer abnehmbaren Dichtung (1263) montiert wird, so daß der Deckel (1261) und die dynamische Vakuumdichtung (1233) demontiert werden können, wodurch der Substratträgersockel (1215) aus dem Inneren des Basiskammerbereichs (1203) nach oben durch den Verarbeitungskammerabschnitt (1204) entnommen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der abnehmbare Deckel (1261) ein Gasverteilungssystem (1267) für die gleichmäßige Zufuhr von Prozeßgasen über eine freiliegende Oberfläche des Wafers (1219) aufweist, während dieser auf dem Substratträgersockel (1215) aufliegt und der Substratträgersockel (1215) sich in der Verarbeitungsposition befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Substratträgersockel (1215) aufweist: eine Verschlußplatte (1226), die parallel zur oberen Auflagefläche (1307) ist und eine Vakuumbegrenzung für die Verarbeitungskammer (1204) bildet, eine Heizplatte (1303) auf der Seite der Verarbeitungskammer (1204), die gegen die Verschlußplatte (1226) wärmeisoliert ist, und einen elektrisch isolierten Heizer (1307), der von der Heizplatte (1303) beabstandet und über der Heizplatte angeordnet ist, wobei der Heizer (1307) die obere Auflagefläche bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Heizplatte (1303) eine Verbundheizplatte ist, die mindestens zwei getrennt betriebene Heizbereiche aufweist, wodurch die Verwaltung eines Temperaturprofils quer über die Platte (1303) durch Lenken der Energiezufuhr zu den getrennt betriebenen Bereichen ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der innere Heizbereich von dem äußeren Heizbereich durch mindestens eine Nut getrennt ist, die im wesentlichen durch die Heizplatte (1303) hindurchgeht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der innere Heizbereich eine Querschnittsfläche aufweist, die im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche eines Substrats ist, das durch die Heizplatte (1303) zu erhitzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dynamische Vakuumdichtung ein Faltenbalg (1233) aus Edelstahl ist.