DE60015788T2

DE60015788T2 - Kompaktes schieberventil

Info

Publication number: DE60015788T2
Application number: DE60015788T
Authority: DE
Inventors: Sik Woo YOO; Hiromitsu Kuribayashi
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; WaferMasters Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; WaferMasters Inc
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: KR20010079718A; EP1234133A1; WO2001040692A1; WO2001040692A9; EP1234133B1; TW455661B; US20010040230A1; DE60015788D1; JP2003532842A

Description

STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Anlagen zur Halbleiterherstellung und insbesondere ein Absperrschieberventil zur Verwendung mit einem Reaktor zum schnellen thermischen Verarbeiten.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In der Halbleiterindustrie sind neue Verarbeitungs- und Herstellungsverfahren entwickelt worden, um weiterhin Fortschritte in der Entwicklung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere Halbleitervorrichtungen mit verringerten Abmessungen, zu machen. Ein derartiges Verarbeitungsverfahren ist als schnelles thermisches Verarbeiten (RTP) bekannt und verringert die Zeitspanne, während der eine Halbleitervorrichtung während der Verarbeitung hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Das RTP-Verfahren umfasst typischerweise das Bestrahlen der Halbleitervorrichtung oder des Wafers mit einer ausreichenden Leistung, um die Temperatur des Wafers schnell zu erhöhen und ihn über eine Zeitspanne hinweg auf dieser Temperatur zu halten, die lang genug ist, um erfolgreich ein Herstellungsverfahren durchzuführen, jedoch Probleme, wie beispielsweise unerwünschte Dotandendiffusion, vermeidet, die sonst bei den hohen Verarbeitungstemperaturen auftreten würden.
Wie in der Halbleiterverarbeitungsindustrie weitgehend bekannt, erforden Verarbeitungsverfahren, wie beispielsweise RTP, einen Herstellungsreinraum, um sicherzustellen, dass die Verarbeitung frei von Verunreinigungen und Partikeln ist, die die Herstellungspräzision beeinträchtigen können. Jedoch ist sowohl die Konstruktion als auch die Wartung von Reinräumen kostspielig. Daher sind Halbleiterwaferverarbeitungssysteme, die große Standflächen benötigen, wirtschaftlich von Nachteil. Demgemäß haben Verarbeitungssystemkonstrukteure versucht, Systeme zu konstruieren, die Komponenten mit kleineren, kompakteren und schmaleren Konstruktionen aufweisen.
Von besonderem Interesse für die vorliegende Erfindung sind Absperrschieberventilkonstruktionen, die bei dem Verarbeitungssystem verwendet werden, um beispielsweise Halbleiterwafer in verschiedenen Kammern zu isolieren, wenn sie zwischen Orten mit einem ersten Druck zu Bereichen mit einem zweiten Druck befördert werden. Obwohl das Konzept des Isolierens oder Abdichtens einer Kammer unter Verwendung von Absperrschieberventilen unkompliziert ist, kann die Konstruktion derartiger Ventile kompliziert sein, insbesondere aufgrund von konkurrierenden Konstruktionserwägungen. Zum Beispiel muss das Absperrschieberventil einen angemessenen formschlüssigen Verschluss bereitstellen, der dem Verarbeitungsdruck und – vakuum standhalten kann. Am häufigsten wurde diesem Bedarf durch die Verwendung komplizierter Verbindungen nachgekommen, die typischerweise sowohl eine axiale als auch eine laterale Dichtwirkung erfordern. Zum Beispiel ist im U.S.-Patent Nr. 4,721,282 eine Vorrichtung offenbart, bei der eine anfängliche axiale Bewegung einer Welle die Hauptbewegung eines Absperrschieberelements in Richtung einer Verarbeitungskammeröffnung bereitstellt. Eine seitliche Nebenbewegung stellt für eine formschlüssige Dichtung die Bewegung des Absperrschieberelements gegen die Öffnung bereit.
Für den technischen Stand kann Bezug auf die U.S.-Patente Nr. 4,921,213, 5,013,009 und 5,820,104 genommen werden.
Bei dem im U.S.-Patent Nr. 4,921,213 offenbarten Ventil weist die Dichtfläche in Richtung der Kanten der Dichtflächen einen oberen, mittleren und unteren Bereich auf. Der obere und untere Bereich bilden jeweils einen stumpfen Winkel mit dem mittleren Bereich. Die Ebene des oberen Bereichs und die Ebene des mittleren Bereichs erstrecken sich fast senkrecht zur Gleitrichtung des Verschlusselements.
Im U.S.-Patent Nr. 5,013,009 ist ein Kryogenventil offenbart, das einen Absperrschieber mit einer Vertiefung aufweist, die in einer Seite des Absperrschiebers gebildet ist. Das U.S.-Patent Nr. 5,820,104 offenbart eine Abspenschieberventilbaugruppe, die einen Dichtungsblock mit einer Kontaktfläche umfasst, die im Wesentlichen senkrecht zur Betätigungsrichtung verläuft.
Aus den oben genannten Gründen wird ein Absperrschieberventil benötigt, das ein relativ kleines Volumen einnimmt, um eine kleine Prozessor-Standfläche aufrecht zu erhalten, und das eine angemessene Isolierung für die Verarbeitungskammer eines Verarbeitungssystems während der Halbleiterverarbeitung bereitstellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Absperrschieberventilbaugruppe, die verwendet werden kann, um eine Halbleiterverarbeitungskammer abzudichten, um die Kammer zu isolieren und/oder Druck oder Vakuum darin aufrecht zu erhalten. Die Erfindung umfasst einen Absperrschieber, der mit einer axialen Linearwelle gekoppelt ist. Die axiale Welle wird unter Verwendung eines einzelnen Linearbetätigungsaktuators angetrieben. Wie unten ausführlicher beschrieben, bezieht sich Betätigung auf die Bewegung der Absperrschieberventilbaugruppe, die benötigt wird, um den Absperrschieber in einen Absperrschiebersitz zu bewegen. Daher bezieht sich bei der vorliegenden Erfindung die einzelne Betätigung auf die einzelne axiale Bewegung der Welle, um die Dichtungsfunktion bereitzustellen.
Der Absperrschieber der vorliegenden Erfindung weist eine zur Welle geneigte Oberfläche auf. Der Absperrschieber kann durch die Bewegung der axialen Welle gegen eine ebenso geneigte Absperrschiebersitzfläche gedrückt werden. Die geneigte Oberfläche überträgt die axiale Dichtkraft, die durch die axiale Welle bereitgestellt wird, in eine formschlüssige seitliche Dichtkraft, ohne die Welle oder den Absperrschieber seitlich zu bewegen. Die formschlüssige seitliche Dichtkraft drückt gegen die Dichtungen, typischerweise O-Ringe, in der Abspenschieberdichtfläche, um die Dichtung bereitzustellen. Vorteilhafterweise kann das Absperrschieberventil kleiner als andere gegenwärtig in der Technik bekannte Absperrschieberventile hergestellt werden, da die Dichtung durch eine einzelne axiale Betätigung bereitgestellt wird.
Bei einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Ventilbaugruppe zur Verwendung mit einem Reaktor zum schnellen thermischen Verarbeiten geschaffen. Die Ventilbaugruppe umfasst einen Hauptkörper, der eine Mittelachse abgrenzt. Die Baugruppe umfasst des Weiteren einen Absperrschieber, der in dem Hauptkörper angeordnet ist und eine im Verhältnis zur Mittelachse des Hauptkörpers geneigte Oberfläche aufweist. In der Ventilbaugruppe ist eine Betätigungsbaugruppe enthalten. Die Betätigungsbaugruppe sorgt dafür, dass der Absperrschieber entlang der Mittelachse linear durch den Hauptkörper bewegt wird. Der Absperrschieber wird zwischen einer ersten Position, in der das Ventil offen ist, und einer zweiten Position, in der das Ventil geschlossen ist, bewegt.
Bei einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Ventil zur Verwendung mit einem Reaktor geschaffen. Das Ventil umfasst einen Hauptkörper mit einer Öffnung darin. Das Ventil umfasst ebenfalls ein Dichtmittel, das in dem Hauptkörper angeordnet ist, um die Öffnung abzudichten. Ein Betätigungsmittel ist in dem Ventil bereitgestellt, um das Dichtmittel axial im Verhältnis zum Hauptkörper zwischen einer ersten Position, in der der Reaktor abgedichtet ist, und einer zweiten Position, in der der Reaktor nicht abgedichtet ist, zu bewegen.
Diese und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung der unten dargestellten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen leichter ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind schematische Veranschaulichungen jeweils einer Seitenansicht und einer Draufsicht einer Ausführungsform eines Halbleiterwaferverarbeitungssystems zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines RTP-Reaktorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Reaktorkammer wie in 2 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine vereinfachte Draufsicht auf ein Greifelement mit einem (in gestrichelter Linie gezeigten) Wafer gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine vereinfachte schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine vereinfachte Veranschaulichung einer Ausführungsform von Widerstandsheizelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
6A ist eine vereinfachte Veranschaulichung eines Abschnitts einer Ausführungsform eines Widerstandsheizelements der vorliegenden Erfindung;
6B–6D sind vereinfachte Veranschaulichungen von Ausführungsformen von Widerstandsheizelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A–7C sind verschiedene Ansichten einer Ausführungsform der kompakten Absperrschieberventilbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
7D ist eine vereinfachte Veranschaulichung von Kraftvektoren, die auf die Absperrschieberventilbaugruppe aus 7A–7C gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirken; und
8 ist eine vereinfachte Veranschaulichung der Ausführungsform aus 3, die Temperaturzonen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1A und 1B sind schematische Veranschaulichungen jeweils einer Seitenansicht und einer Draufsicht einer Ausführungsform eines Halbleiterwaferverarbeitungssystems 10, das eine repräsentative Umgebung der vorliegenden Erfindung darstellt. Das repräsentative System ist vollständig in der mitangemeldeten U.S.-Patentanmeldung, Serien-Nr. 09/451,677 offenbart. Das Verarbeitungssystem 10 umfasst eine Ladestation 12, die mehrere Plattformen 14 aufweist, um eine Waferkassette 16 zu stützen und aufwärts und in eine Ladesperre 18 zu bewegen. Die Waferkassette 16 kann eine entfernbare Kassette sein, die entweder manuell oder mit automatisierten geführten Fahrzeugen (AGV) in eine Plattform 14 geladen wird. Die Waferkassette 16 kann ebenfalls eine feste Kassette sein, wobei in diesem Fall Wafer unter Verwendung herkömmlicher atmosphärischer Roboter oder Ladevorrichtungen (nicht gezeigt) auf die Kassette 16 geladen werden. Sobald sich die Waferkassette 16 im Inneren der Ladesperre 18 befindet, werden die Ladesperre 18 und die Transportkammer 20 auf atmosphärischem Druck gehalten oder sonst unter Verwendung einer Pumpe 50 auf einen Vakuumdruck heruntergepumpt. Ein Roboter 22 in der Transportkammer 20 dreht sich in Richtung der Ladesperre 18 und nimmt einen Wafer 24 aus der Kassette 16 auf. Ein Reaktor oder eine thermische Verarbeitungskammer 26, die ebenfalls unter atmosphärischem Druck oder unter Vakuumdruck stehen kann, nimmt den Wafer 24 durch ein Absperrschieberventil 30 von dem Roboter 22 an. Optional können zusätzliche Reaktoren zu dem System hinzugefügt werden, beispielsweise der Reaktor 28. Der Roboter 22 zieht sich daraufhin zurück und nachfolgend schließt sich das Absperrschieberventil 30, um mit der Verarbeitung des Wafers 24 zu beginnen. Nachdem der Wafer 24 verarbeitet worden ist, öffnet sich das Absperrschieberventil 30, um dem Roboter 22 zu ermöglichen, den Wafer 24 aufzunehmen und ihn in der Kühlstation 60 anzuordnen. Die Kühlstation 60 kühlt die gerade verarbeiteten Wafer, bevor sie zurück in eine Waferkassette in der Ladesperre 18 gebracht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Reaktoren 26 und 28 RTP-Reaktoren, wie beispielsweise solche, die bei Wärmevergütungsverfahren verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen können die Reaktoren 26 und 28 ebenfalls andere Typen von Reaktoren sein, wie beispielsweise solche, die für Dotandendiffusion, thermische Oxidation, Nitrierung, chemische Bedampfung und ähnliche Verfahren verwendet werden. Die Reaktoren 26 und 28 sind im Allgemeinen horizontal versetzt angeordnet, jedoch sind die Reaktoren 26 und 28 bei einer bevorzugten Ausführungsform vertikal versetzt angeordnet (d.h. übereinander gestapelt), um die von dem System 10 belegte Bodenfläche zu minimieren. Die Reaktoren 26 und 28 sind an die Transportkammer 20 geschraubt und werden des Weiteren von einem Stützrahmen 32 gestützt. Prozessgase, Kühlmittel und elektrische Verbindungen können unter Verwendung von Schnittstellen 34 durch das hintere Ende der Reaktoren bereitgestellt werden.
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines RTP-Reaktorsystems der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Reaktorsystem 200 eine Reaktorkammer 210, einen Kontroller 212, einen Verarbeitungssteuerungscomputer 214, ein Gasnetz 216, eine kompakte Absperrschieberventilbaugruppe 218 und eine Pumpenbaugruppe 220 umfassen. Jede Komponente des Systems ist unten ausführlicher beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 3 ist nun eine vereinfachte Querschnittsansicht der Reaktorkammer 210 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Äußerlich kann die Reaktorkammer 210 eine Metallschale 205 sein, die vorzugsweise aus Aluminium oder einem ähnlichen Metall besteht und eine Öffnung aufweist, die in einer Seite der Schale 205 bereitgestellt und dafür ausgelegt ist, einen Wafer zur Verarbeitung aufzunehmen. Optional kann die Kammer zum Schutz von Benutzern und/oder Anlagen in der Nähe der Kammer 210 thermische Isolationsschichten 356, 357, 358 und 359 umfassen. Die Schichten können aus einer geeigneten Isolierung, wie beispielsweise Keramikfasermaterial, bestehen. Alternativ kann ein abnehmbarer wassergekühlter Mantel 360 oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet werden, um die Kammer 210 zu umgeben. Der wassergekühlte Mantel 360 stellt sicher, dass der Reaktor nicht zu heiß wird und keine Gefahr für in der Nähe befindliche Anlagen oder Personal darstellt.
Für ein einfaches Verständnis werden die in 3 gezeigten Ausführungsformen der Reaktorkammer 210 in drei Abschnitten beschrieben. Jeder Abschnitt weist Komponenten auf, die gemäß der allgemeinen Funktion, die von dem spezifischen Abschnitt ausgeführt wird, gruppiert sind. Die Abschnitte umfassen: den Verarbeitungskammerabschnitt, den Heizabschnitt und den Waferlade- und -entladeabschnitt.
Wie in 3 gezeigt, kann der Verarbeitungskammerabschnitt im Allgemeinen eine Verarbeitungskammer oder -röhre 230 mit geschlossenem Ende umfassen, die einen inneren Hohlraum 232 abgrenzt. Bei einer Ausführungsform kann die Röhre 230 mit einem im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt konstruiert sein und ein minimales Innenvolumen aufweisen, das den Wafer 236 umgibt. Bei dieser Ausführungsform ist das Volumen der Röhre 230 gewöhnlich nicht größer als 5000 cm³, vorzugsweise beträgt das Volumen weniger als etwa 3000 cm³. Eine Folge des kleinen Volumens besteht darin, dass leichter eine gleichförmige Temperatur erreicht wird. Zudem ermöglicht das kleine Röhrenvolumen, dass die Reaktorkammer 210 kleiner konstruiert wird, und als Folge davon kann das System 100 kleiner hergestellt werden, wodurch weniger Reinraumbodenfläche benötigt wird. Die kleinere Reaktorgröße in Verbindung mit der Verwendung der Roboterladevorrichtung ermöglicht, dass mehrere Reaktoren im System 100 verwendet werden, indem die Reaktoren vertikal gestapelt werden, wie in 1A gezeigt. Die Röhre 230 besteht aus Quartz, kann jedoch aus Siliciumcarbid, Al₂O₃ oder einem anderen geeigneten Material bestehen.
Um ein Verfahren durchzuzführen, sollte eine Quartz-Röhre 230 unter Druck gesetzt werden können. Typischerweise sollte die Röhre 230 einem Innendruck von etwa 0,001 kg/cm² bis 1000 kg/cm², vorzugsweise zwischen etwa 0,1 kg/cm² und etwa 760 kg/cm², standhalten können.
Bei einer anderen Ausführungsform befinden sich Waferstützabstandsbolzen 234 in der Röhre 230, die den einzelnen Wafer 236 stützen. Die Abstandsbolzen 234 können aus jedem hochtemperaturfesten Material, wie beispielsweise Quartz, bestehen. Die Abstandsbolzen 234 können eine Höhe zwischen etwa 50 μm und etwa 20 mm aufweisen. Um die Temperatur des Wafers 236 während der Verarbeitung zu überwachen, kann mindestens ein Thermoelement in mindestens einen Abstandsbolzen 234 eingebettet sein.
Eine Öffnung oder ein Loch 238 am linken Ende der Röhre 230 bietet Zugriff für das Laden und Entladen des Wafers 236 vor und nach der Verarbeitung. Das Loch 238 kann eine relativ kleine Öffnung sein, jedoch eine Höhe und Breite aufweisen, die groß genug sind, um einen Wafer mit einer Stärke von etwa 0,5 bis 2 mm und einem Durchmesser von bis zu etwa 300 mm (∼12 Zoll) aufzunehmen, wobei ein Roboterarm 22 dadurch hindurch geführt wird. Die Höhe des Lochs 238 ist nicht größer als etwa 18 mm bis 50 mm und vorzugsweise nicht größer als 20 mm. Die relativ kleine Öffnungsgröße unterstützt die Verringerung von Strahlungswärmeverlust aus der Röhre 230. Ebenfalls hält die kleine Öffnungsgröße die Anzahl von Partikeln gering, die in den Hohlraum 230 eindringen, und ermöglicht eine einfachere Wartung der isothermischen Temperaturumgebung. Bei einer Ausführungsform kann sich ein Rand des Wafers 236 während eines Verarbeitungsvorgangs nicht weniger als 50 mm von dem Loch 238 befinden, wenn der Wafer auf Abstandsbolzen 234 angeordnet ist.
4 ist eine vereinfachte schematische Veranschaulichung eines Roboterarms 22, der den Wafer 236 auf Abstandsbolzen 234 lädt. Wie in 4 gezeigt, befindet sich ein Greifelement 62 am Ende des Roboterarms 22. Bei einer Ausführungsform drückt der Roboterarm 22 das Greifelement 62 durch das Loch 238 und senkt den Wafer 236 nachfolgend auf die Abstandsbolzen 234. Um den Wafer 236 zu halten und zu transportieren, kann das Greifelement 62 eine beliebige Anzahl von Zinken 64, gewöhnlich einen oder mehrere, vorzugsweise zwei, aufweisen. Die Zinken 64 sind so bemessen und voneinander beabstandet, dass die Zinken 64, wenn das Greifelement 62 in die Röhre 230 eintritt, einen Kontakt mit den Abstandsbolzen 234 vermeiden. Jeder Zinken 64 eines Greifelements 62 weist mindestens einen Waferkontaktpunkt 66 auf. Vorzugsweise weist das Greifelement 62 insgesamt mindestens drei Kontaktpunkte auf. Die Kontaktpunkte 66 sind mit einem minimalen Oberflächenbereich konstruiert, um einen minimalen Kontaktbereich zwischen dem Wafer 236 und den Kontaktpunkten 66 bereitzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Gesamtkontaktbereich zwischen den Kontaktpunkten 66 und dem Wafer 236 weniger als etwa 350 mm², vorzugsweise weniger als 300 mm², betragen.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Reaktorkammer 210, die die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität der Quartz-Röhre 230 während der Hochtemperaturverarbeitung unterstützen kann. Bei dieser Ausführungsform kann ein externer Hohlraum 240 um die Röhre 230 gebildet und mit Luft oder vorzugsweise N₂, O₂ oder anderen Prozessgasen gefüllt sein. Die Verwendung reiner Gase zum Befüllen des externen Hohlraums kann die Verlängerung der Lebensdauer anderer Komponenten, wie beispielsweise Heizelemente, die sich im Hohlraum 240 befinden können, unterstützen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der externe Hohlraum 240 auf demselben oder einem geringeren Druck wie der innere Hohlraum 232 gehalten werden (P₁≤P₂). Bei einer Ausführungsform kann die Röhre 230 typischerweise durch das Absperrschieberventil 218 in Kommunikation mit der Ladesperre 18 stehen, so dass der Druck in der Röhre 230 dem Druck in der Ladesperre 18 entsprechen kann (P₂=P₃). Bei dieser Ausführungsform erzeugt der Druckunterschied zwischen dem externen Hohlraum 240 und der Röhre 230 eine Kraft auf die Innenwände der Röhre 230. Um den Druckunterschied zu erzeugen, wird der externe Hohlraum 240 direkt an der Öffnung 534 und durch das Pumpenrohr 537 evakuiert. Die Röhre 230 wird durch die Ladesperre 18 an der Öffnung 535 und durch das Ladesperrenrohr 536 evakuiert. Das Pumpenrohr 537 und das Ladesperrenrohr 536 treffen sich am Röhrenschnittpunkt 538 und werden als ein Rohr 539 zur Pumpenbaugruppe 220 fortgeführt. Da das kombinierte Volumen der Ladesperre 18 und der Röhre 230 größer ist als das Volumen des externen Hohlraums 240, kann der Druck im externen Hohlraum 240 folglich kleiner sein als der in der kombinierten Konfiguration aus Ladesperre 18 und Röhre 230. Auf diese Weise kann der Innendruck in der Röhre 230 dafür verwendet werden, die Röhre 230 gegen Defekte zu verstärken und stellt sicher, dass die strukturelle Integrität der Röhre 230 aufrecht erhalten wird.
Die Pumpenbaugruppe 220 kann jede für das Erzeugen der erforderlichen Prozessdrücke in der Kammer 210 geeignete Pumpe umfassen. Die Pumpenbaugruppe 220 kann ebenfalls anderen Zwecken dienen, die im Allgemeinen von einer Pumpe in einem Verarbeitungssystem gefordert werden. Zum Beispiel kann die Pumpenbaugruppe 220 dafür verwendet werden, den Druck in der Verarbeitungskammer 230 herunterzupumpen oder ein Vakuum darin zu erzeugen, so dass die Abkühlgeschwindigkeit in der Kammer gesteuert werden kann. Eine beispielhafte Pumpenbaugruppe kann eine mechanische Pumpe vom Modell HC-60B umfassen, die bei Kashiyama Industries Ltd. erhältlich ist.
Wiederum unter Bezugnahme auf 3 ist der Heizabschnitt der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass er den Verarbeitungskammerabschnitt umgibt. Der Heizabschnitt umfasst Heizelemente, vorzugsweise Widerstandsheizelemente 246. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vielzahl von Heizelementen 246 verwendet, um einen oberen und einen unteren Abschnitt der Röhre 230 zu umgeben. Bei einer in 6 gezeigten Ausführungsform können die Widerstandsheizelemente 246 parallel in der Kammer 210 angeordnet sein. Jedes Element 246 befindet sich relativ nahe bei jedem anderen Element. Zum Beispiel kann jedes Widerstandsheizelement 246 um einen Abstand β von dem nächstgelegenen Heizelement beabstandet sein, der zwischen 5 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen etwa 10 mm und 20 mm, betragen kann. Dementsprechend stellt der enge Abstand der Heizelemente 246 eine gleichmäßige Verteilung der Heiztemperatur im gesamten Wafer bereit, der in dem Hohlraum 232 angeordnet ist.
6A zeigt ein beispielhaftes Heizelement 246 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Das Widerstandsheizelement 246 umfasst einen Widerstandsheizelementkern 250 und einen Fadendraht 252. Der Kern 250 besteht gewöhnlich aus Keramikmaterial, kann jedoch aus jedem hochtemperaturfesten nicht leitenden Material bestehen. Der Fadendraht 252 ist herkömmlicherweise um den Kern 250 gewickelt, um das Ausstrahlen einer optimalen Menge an Strahlungswärmeenergie von dem Element zu ermöglichen. Der Fadendraht 252 kann jeder geeignete widerstandsheizbare Draht sein, der für ein erhöhtes thermisches Ansprechverhalten und Hochtemperaturstabilität aus einem Material mit großer Masse hergestellt ist, wie beispielsweise SiC, SiC-beschichtetes Graphit, Graphit, NiCr, AlNi und anderen Legierungen. Vorzugsweise ist der Widerstandsheizfadendraht 252 aus einem Material hergestellt, das aus einer Al-Ni-Fe-Kombination besteht und gewöhnlich als Kantal A-1 oder AF bekannt und bei Omega Corp. in Stamford, Connecticut erhältlich ist.
Optional können die Widerstandsheizelemente 246, wie in 6B–6D gezeigt, in verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein, die beispielsweise kreisförmige, Zickzack-, kreuzschraffierte Muster und dergleichen umfassen können. Die variablen Muster können in der Lage sein, eine optimalere Temperaturverteilung bereitzustellen und die Möglichkeit von Temperaturschwankungen auf der gesamten Oberfläche des Wafers weiter verringern.
Vorteilhafterweise kann eine direkte Leitungsspannung zwischen etwa 100 Volt und etwa 500 Volt verwendet werden, um die Widerstandselemente zu betreiben. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung kein komplexer Stromtransformator zur Steuerung der Ausgabe der Widerstandsheizelemente 246 benötigt.
Unter Bezugnahme auf 7A–7D und wiederum unter Bezugnahme auf 3 umfasst der Lade- und Entladebereich der Kammer 210 die Absperrschieberventilbaugruppe 218, die im Allgemeinen an dem Loch 238 mit der äußeren Schale 205 verbunden ist. Im Abspenschieberventilhauptkörper 300 befindlich und entlang der Mittelachse 301 des Ventils ausgerichtet sind der Absperrschieber 304, der Faltenbalg 306, die Rohranschlussschnittstelle 308, die lineare Antriebswelle 310 und der Aktuator 326, die alle zur Bereitstellung der Absperrschieberventilbaugruppe 218 zusammengesetzt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform grenzt der Ventilhauptkörper 300 eine Durchlassöffnung 317 ab. Die Durchlassöffnung 317 weist ein erstes Ende 321, das durch das Absperrschieberventil 218 anfänglichen Zugriff auf den Reaktor bereitstellt, und ein zweites Ende 323 auf, das ein Loch oder eine Öffnung 302 aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie dem Loch 238 der Quartzröhre 230 entspricht. Die Geometrie und Abmessungen des Ventillochs 302 entsprechen im Allgemeinen denen des Reaktorlochs 238, so dass das Ventilloch 302 und das Reaktorloch 238 zusammen verwendet werden können, um eine Dichtung bereitzustellen, die ein gewähltes Vakuum oder eine Druckumgebung in der Röhre 230 aufrecht erhält oder den Hohlraum 232 während der Waferverarbeitungsvorgänge isoliert.
Der Absperrschieber 304 ist eine längliche Platte, die an einem oberen Ende der Antriebswelle 310 befestigt ist. Die längliche Platte ist zur Abdichtung von schlitzartigen Öffnungen, wie beispielsweise das Ventilloch 302, gut geeignet. Es versteht sich, dass die Geometrie des Absperrschiebers 304 verändert werden kann, um anders geformte Öffnungen aufzunehmen. Wie in 7A und 7B gezeigt, kann der Absperrschieber 304 vorzugsweise im Verhältnis zur Mittelachse 301 geneigt sein; um die geneigte Fläche 313 zu bilden. Die geneige Fläche 313 kann in jedem beliebigen Winkel, beispielsweise zwischen etwa 5° und etwa 85°, geneigt sein, der für die korrekte Ausführung der vorliegenden Erfindung angemessen geeignet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die geneigte Fläche 313 in einem Winkel zwischen etwa 30° und etwa 60°, vorzugsweise etwa 45°, zur Achse 301 abgewinkelt. Auf einem oberen und einem unteren Abschnitt der geneigten Fläche 313 befinden sich die Kontaktabschnitte 312 und 314, die sich entlang der länglichen Länge des Absperrschiebers 304 erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die geneigte Fläche 313 eine hochpolierte Oberfläche aufweisen oder mit einer wärme- bzw. strahlungsreflektierenden Beschichtung, wie beispielsweise Gold, Silber, Ni, Molybdän oder einem anderen Metall mit einem hohen Schmelzpunkt im Vergleich zu den Verarbeitungstemperaturen, beschichtet sein. Die reflektierende Oberfläche kann Strahlungsenergie, die durch das Ventilloch 302 dringen kann, zurück in die Röhre 230 reflektieren.
Wenn die Antriebswelle 310 zum Beispiel aufwärts in den Hauptkörper 300 bewegt wird, wird der Absperrschieber 304 aufwärts in die Durchlassöffnung 317 bewegt (7B). Die Antriebswelle 310 wird durch die lineare Führung 319 durch eine Linearwirkung, die unter Verwendung des Aktuators 326 erzeugt wird, aufwärts und/oder abwärts bewegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Aktuator 326 zur Bewegung der Antriebswelle 310 an der Rohranschlussschnittstelle 308 mit einem herkömmlichen, nicht komprimierbaren Fluid, wie beispielsweise Wasser oder Alkohol, versorgt. Die Zufuhr von Fluid verursacht, dass sich die Antriebswelle 310 linear durch die lineare Führung 319 in den Hauptkörper 300 bewegt.
Durch die vertikale Aufwärtsbewegung der linearen Welle 310, wie in 7A beschrieben, treibt die lineare Welle 310 die Ausdehnung des Faltenbalgs 306 an. Der Faltenbalg 306 umgibt die Welle 310 entlang der Achse 301. Bei dieser Ausführungsform stellt der Faltenbalg 306 eine Vakuumdichtung zwischen dem Aktuator 326 und dem Hauptkörper 300 her, um sicherzustellen, dass die Röhre 230 während des Öffnens und Schließens des Ventils nicht durch die Außenumgebung verunreinigt wird.
Wenn die lineare Welle 310 das Ende ihres effektiven Bewegungsweges erreicht (siehe 7B), berühren die Abschnitte 312 und 314 des Absperrschiebers 304, wie in 7D gezeigt, jeweils die Kontaktdichtflächen 316 und 318 mit einer Kraft F, um die formschlüssige Dichtung zu erzeugen, die die Röhre 230 isoliert. Die geneigte Fläche 313 verursacht, dass die Kraft F an den Kontaktflächen 316 und 318 die Kräfte Rx und Ry erzeugt. Die Reaktionskraft Rx wirkt in gleicher Weise auf die Kontaktflächen 316 und 318, wie in 7D gezeigt, senkrecht zur geneigten Fläche 313. Es versteht sich, dass die horizontale Kraftkomponente Rx, die die Dichtkraft bereitstellt, verursacht, dass der Absperrschieber 304 an der Öffnung 302 eine formschlüssige Dichtung mit den Kontaktflächen 316 und 318 bildet. Da die Dichtkraft ohne den Bedarf für eine horizontale Betätigung oder eine horizontale Bewegung der Welle 310 oder des Absperrschiebers 304 bereitgestellt werden kann, kann das Absperrschieberventil 218 vorteilhafterweise mit einem verringerten Profil und einer verringerten Größe konstruiert werden. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass wenn in der Röhre 230 ein Vakuum erzeugt wird, der Außendruck die geneigte Fläche 313 gegen die Kontaktflächen 316 und 318 und den O-Ring 320 drückt, um die Dichtung zu erzeugen. Aufgrund des O-Rings wird ein Gleitkontakt zwischen der geneigten Fläche 313 und den Kontaktflächen 316 und 318 im Wesentlichen vermieden. Die Abschnitte der geneigten Fläche 313, die den Absperrschieberhauptkörper berühren können, können ebenfalls mit einem weichen Puffermaterial beschichtet sein, um einen Gleitkontakt von Metall auf Metall zu vermeiden, was die Vermeidung der Erzeugung von Verunreinigungspartikeln unterstützt.
Um das Ventil aus der geschlossenen Konfiguration wieder zu öffnen, wird der Absperrschieber 304 aus der Bohrung 317 entfernt, wenn die Antriebswelle 310 abwärts und durch den Aktuator 326 durch die lineare Führung 319 (7A) aus dem Hauptkörper 300 heraus bewegt wird, wodurch die Dichtkraft von dem Absperrschieber 304 entfernt wird, um die Bohrung 317 für das Laden bzw. Entladen des Wafers zu öffnen.
Zudem weist das Absperrschieberventil 218 ebenfalls eine Ablassöffnung 322 auf, die die Steuerung des Verarbeitungskammerdrucks ermöglicht. Zudem sind Kühlfluiddurchlassöffnungen 324 vorgesehen, die die Strömung eines Kühlmittels ermöglichen, so dass die Außentemperatur des Absperrschieberventilhauptkörpers während des RTP verringert wird.
Wie unter Bezugnahme auf 8 in Verbindung mit 2 besser verständlich, kann die Reaktorkammer 210 bei einer bevorzugten Ausführungsform praktisch jede beliebige Anzahl von Heizzonen 400 umfassen. Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform weist die Reaktorkammer 210 drei parallele Heizzonen auf, die eine mittlere Zone 402 und zwei benachbarte äußere Zonen 404 und 406 umfassen. Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 6B gezeigt ist, können die Heizelemente eine kreisförmige Konfiguration aufweisen und daher mindestens zwei Heizzonen, eine mittlere innere Zone und eine äußere Zone, umfassen. Wiederum unter Bezugnahme auf 8 kann jedes Heizelement 246 einer spezifischen Heizzone 402, 404 und 406 zugewiesen werden. Wie unten ausführlicher beschrieben, weist jede Heizzone 402, 404 und 406 mindestens einen Temperatursensor 354 auf, der dem Kontroller 212 eine Rückmeldung bereitstellt. Wenn die Temperatursensoren 354 dementsprechend Temperaturschwankungen in einer Heizzone 402, 404 und/oder 406 erfassen, kann der Echtzeitkontroller 212 (2) verursachen, dass der Strom von der Stromversorgung 221 (2) nach Bedarf verstärkt oder verringert wird, um die Energieausgabe (Wärme) von jedem der Widerstandselemente 246 zu vergrößern oder zu verringern. Wenn zum Beispiel ein Temperaturabfall in der Zone 404 erfasst wird, wird die Wärmeenergieausgabe von den Widerstandsheizelementen 246, die der Zone 404 zugeordnet sind, vergrößert, bis die Temperatur in der Zone 404 auf den gewünschten Pegel zurückgebracht ist. Auf diese Weise kann die Temperatur von Zone zu Zone auf der gesamten Oberfläche des Wafers 236 im Wesentlichen isothermisch gehalten werden.
Die Anzahl von Widerstandselementen 246, die jeder Zone zugeordnet ist, kann entsprechend der Energieausgabe, die pro Zone gewünscht ist, variieren. Die Größe jeder Zone (d.h. das Heizvolumen) ist ebenfalls variabel. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die mittlere Zone 402 mindestens einen Wafer mit einem Durchmesser von bis zu etwa 300 mm umfassen. Wenn der Wafer 236 zum Beispiel, wie in 8 gezeigt, auf Abstandsbolzen 234 angeordnet ist, befindet er sich vollständig in den Grenzen der Zone 402, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt. Vorteilhafterweise kann die Größe jeder Zone wie gewünscht auf und ab skaliert werden. Zum Beispiel kann die Zone 402 zur Verarbeitung großer Wafer auf skaliert werden, indem Heizelemente 246 aus der Zone 404 der Zone 402 erneut zugewiesen werden. Dies bedeutet, dass die Anzahl von Heizelementen 246, die der Zone 402 zugeordnet sind, vergrößert wird, während die Anzahl von Heizelementen, die der Zone 404 zugeordnet sind, verringert wird. Die Heizelemente, die zur Zone 402 hinzugefügt werden, werden so von dem Kontroller 212 (2) gesteuert, dass sie in derselben Weise reagieren wie die der Zone 402 zugewiesenen Heizelemente.
Bei noch einer anderen Ausführungsform, die in 3 und 8 gezeigt ist, umfasst die Kammer 210 Wärmediffusionselemente 350, die in der Nähe der Heizelemente 246 angeordnet sind und diese typischerweise überlagern. Die Wärmediffusionselemente 350 absorbieren die Wärmeenergieausgabe von den Heizelementen 246 und dissipieren die Wärme gleichmäßig in der Röhre 230. Es ist ersichtlich, dass durch Erwärmen des Wafers 236 von oben und unten und weiterhin dadurch, dass der Abstand Δ zwischen den Wärmediffusionselementen 350 klein gehalten wird, der Temperaturgradient in der Röhre 230 leichter isothermisch aufrechterhalten wird. Wenn zum Beispiel das obere Wärmediffusionselement 351 auf 1000° C gehalten wird und das untere Wärmediffusionselement 352 ebenfalls auf 1000° C gehalten wird, sollte der Temperaturgradient in dem kleinen Raum dazwischen bei sehr geringer Schwankung ebenfalls im Wesentlichen auf 1000° C gehalten werden. Die Wärmediffusionselemente 350 können aus jedem geeigneten Wärmediffusionsmaterial bestehen, das eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorzugsweise Siliciumcarbid, Al₂O₃ oder Graphit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Temperatursensoren 354, vorzugsweise Thermoelement, in die Wärmediffusionselemente 350 eingebettet. Die Thermoelemente 354 sind strategisch positioniert, so dass sie eine Rückmeldung bezüglich der Temperaturbedingungen der Wärmediffusionselemente bereitstellen können. Beispielsweise ist mindestens ein Thermoelemente 354 an jedem Ende und in der Mitte der Wärmediffusionselemente 351 und 352 angeordnet. Bei dieser Konfiguration kann die Temperatur jeder Zone 402, 404 und 406 überwacht werden, wobei dem Kontroller 212 (2) eine Rückmeldung bereitgestellt wird. Durch Anordnen der Thermopelemente 354 in bekannten Positionen auf den Wärmediffusionselementen 350 kann der Temperaturgradient unter Bezugnahme auf eine Position in der Röhre 230 bestimmt werden. Diese Daten werden vom Kontroller 212 dazu verwendet, die Temperatur in jeder Zone 402, 404 und 406 exakter zu steuern. Die Thermoelemente 354 sind herkömmliche Thermoelemente vom R-Typ oder K-Typ, die bei der Omega Corporation in Stamford, Connecticut erhältlich sind.
Ein Mikroprozessor oder Verarbeitungssteuerungscomputer 214 steuert im Allgemeinen die Verarbeitung eines im RTP-Reaktor angeordneten Halbleiterwafers und kann verwendet werden, um den Systemstatus für diagnostische Zwecke zu überwachen. Bei einer Ausführungsform stellt der Verarbeitungscomputer 214 dem Kontroller 212 als Reaktion auf Temperaturdaten, die von Temperatursensoren 354 in der Kammer 210 empfangen werden, Steuersignale bereit. Der Verarbeitungscomputer 214 kann ebenfalls Drucksollwerte zur Pumpenbaugruppe 220 sowie Gas- und Plasmaeinlassströmungssignale zu Massenströmungskontrollern im Gasnetz 216 leiten. Bei einer Ausführungsform ist der Kontroller 212 ein Echtzeit-Proportional-Integralableitungsmehrzonenkontroller (PID-Kontroller), der bei der Omega Corporation erhältlich ist. Der Kontroller 212 stellt einer SCR-basierten phasengeregelten Stromversorgung 221 Steuersignale bereit, die ihrerseits den Widerstandsheizelementen, die in der Kammer 210 bereitgestellt sind, Strom bereitstellt. Bei Betrieb empfängt der Mehrzonenkontroller über die Erfassungsleitung 222 Temperatursensorausgaben von der Kammer 210 sowie über die Leitung 224 den gewünschten Wafertemperatursollwert vom Computer 214 und liefert der Heizelementstromversorgung 221 geregelte Stromsollwerte. Wie unten ausführlicher beschrieben, vergrößern oder verringern die Heizelemente ihre Energieausgabe als Reaktion auf die Vergrößerung oder Verringerung des Stroms, der von der Stromversorgung 221 zugeführt wird.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht in ihrer Fähigkeit, eine im Wesentlichen rutschfreie RTP eines Siliciumswafers auszuführen. Die Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Parameter weiter verständlich, die unten bereitgestellt sind, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen, und nicht, um sie zu begrenzen oder zu beschränken.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform sollten die folgenden Parameter verwendet werden, um eine im Wesentlichen rutschfreie RTP gemäß der vorliegenden Erfindung in der Kammer 210 durchzuführen. Ein Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm oder mehr wird in die Verarbeitungskammer der vorliegenden Erfindung geladen. Der Wafer wird unter Verwendung eines Greifelements geladen, das bei einem kumulativen Kontaktpunktbereich von nicht mehr als 300 mm² einen oder mehrere Waferkontaktpunkte aufweist. Die Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit des Wafers liegt zwischen etwa 50 mm/s und etwa 600 mm/s in der horizontalen Ebene und zwischen etwa 5 mm/s und etwa 100 mm/s in der vertikalen Ebene. Der Wafer wird auf einem oder mehreren Abstandsbolzen angeordnet, die sich in der Kammer befinden. Die Abstandsbolzen weisen im Allgemeinen eine Höhe zwischen etwa 50 μm und etwa 20 mm auf. Der Gesamtkontaktbereich zwischen den Abstandsbolzen und dem Wafer beträgt weniger als etwa 350 mm², vorzugsweise weniger als etwa 300 mm². Die Verarbeitung kann bei Temperaturen zwischen etwa 900° C und 1200° C, vorzugsweise zwischen 1000° C und 1200° C, bei einem Kammerdruck zwischen 0,1 kg/cm² und etwa 1000 kg/cm², vorzugsweise bei atmosphärischem Druck, stattfinden.
Es versteht sich, dass der oben beschriebene Wafer aus herkömmlichen Materialien, die gewöhnlich in der Industrie verwendet werden, bestehen kann, beispielsweise aus Silicium, Galliumarsenid oder anderen ähnlichen Verbindungen, oder der Wafer kann ein Halbleiterwafer sein, der aus Quartz oder Glas hergestellt ist.
Nach dieser Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist Fachleuten ersichtlich, dass Veränderungen an der Form und an Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Daher ist die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Ventilbaugruppe (218) zur Verwendung in einem Reaktor zum schnellen thermischen Verarbeiten, wobei die Ventilbaugruppe Folgendes umfasst: einen Hauptkörper (300), der Folgendes abgrenzt: einen Strömungspfad durch eine Bohrung (317), die so konfiguriert ist, dass sie ein Halbleitersubstrat (236) aufnimmt, eine Mittelachse (301) senkrecht zu dem Strömungspfad und eine Kontaktdichtfläche (316, 318), die eine Dichtung (320) umfasst; einen Absperrschieber (304), der eine geneigte Oberfläche mit einer einfachen Ebene im Verhältnis zu der Mittelachse aufweist und der einen Kontaktabschnitt (312, 314) umfasst, wobei der Absperrschieber in dem Hauptkörper (300) angeordnet ist; und eine Betätigungsbaugruppe (326) zur linearen Bewegung des Absperrschiebers entlang der Mittelachse senkrecht zu dem Strömungspfad zwischen einer ersten Position, in der der Kontaktabschnitt (312, 314) von der Kontaktdichtfläche (316, 318) entfernt angeordnet ist, und einer zweiten Position, in der der Kontaktabschnitt (312, 314) die Kontaktdichtfläche (316, 318) entlang einer Ebene, die durch eine Fläche der geneigten Oberfläche (313) mit einer einfachen Ebene abgegrenzt wird, im Wesentlichen berührt.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die geneigte Oberfläche (313) mit einem strahlungsreflektierenden Material beschichtet ist.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung ein Material umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber, Ni und Molybdän ausgewählt wird.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die geneigte Oberfläche (313) eine Neigung zwischen etwa 30° und etwa 60° im Verhältnis zu der Mittelachse aufweist.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Betätigungsbaugruppe (326) ein ausfahrbares Element umfasst, das entlang der Mittelachse ausfahrbar ist.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 5, wobei das ausfahrbare Element (310) einen Faltenbalg (306) umfasst.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 5, wobei die Betätigungsbaugruppe (326) eine verschiebbare Linearwelle (310) umfasst, die sich als Reaktion auf das Ausfahren des ausfahrbaren Elements im Verhältnis zu dem Hauptkörper (300) axial bewegt.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 5, wobei die Betätigungsbaugruppe (326) einen Fluideinlass umfasst, der ein Mittel für das Ausfahren des ausfahrbaren Elements bereitstellt.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Dichtung (320) einen O-Ring umfasst.