NL1012004C2

NL1012004C2 - Werkwijze voor het verplaatsen van wafers alsmede ring.

Info

Publication number: NL1012004C2
Application number: NL1012004A
Authority: NL
Inventors: Christianus Gerardus Ma Ridder; Vladimir Ivanovich Kuznetsov; Ernst Hendrik August Granneman; Theodorus Gerardus Oosterlaken
Original assignee: Asm Int
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-13
Also published as: KR100667718B1; EP1177571A1; TW452840B; CN1157761C; CN1349656A; JP2002544664A; KR20010112476A; WO2000068977A1; US7048488B1; DE60030968T2; JP4632551B2; EP1177571B1; DE60030968D1; AU4626000A

Description

Werkwijze voor het verplaatsen van wafers alsmede ring.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verplaatsen van een wafer in en uit een thermische behandelingsruimte, behorende bij 5 een thermische behandelingsinrichting die een transportruimte en beladingsruimte omvat en waarbij de behandelingsruimte verbonden is met de transportruimte en de transportruimte verbonden is met de beladingsruimte, vanuit of naar die beladingsruimte met een van die thermische behandelingsruimte afwijkende temperatuur, waartoe in de transportruimte transportmiddelen en in de beladingsruimte 10 beladingsmiddelen voorzien zijn. Uit US 5162047 is een thermische behandelingsinrichting bekend die een thermische behandelingsruimte, een “waferboat”-ringen samenstel, een laadinrichting, en een transportinrichting, omvat. Hierbij dient de laadinrichting om wafers in en uit het samenstel te plaatsen, en de transportinrichting om het samenstel in en uit de thermische behandelingsruimte te 15 plaatsen.

Het samenstel bestaat uit een frame waaraan een groot aantal ringen vast verbonden zijn op onderlinge gelijke afstand, met hun vlakke zijden boven elkaar geplaatst.

De ringen zijn ieder voorzien van een niet nader gespecificeerde uitsparing in de binnenrand, waarop een wafer geplaatst kan worden door de laadinrichting.

20 Door de transportinrichting wordt het samenstel na het laden van een groot aantal wafers verplaatst naar de thermische behandelingsruimte om alle wafers gelijktijdig, liggend op de uitsparingen, een bewerking waarbij een warmtebehandeling plaastvindt, te laten ondergaan.

In inrichtingen zoals bekend uit US 5162047, blijven de wafers gedurende de 25 volledige warmtebehandeling in contact met de ringen.

Tijdens een warmtebehandeling van een substraat, bijvoorbeeld een silicium-wafer, kan plastische vervorming van de wafer optreden. In het geval van silicium neemt bij temperaturen hoger dan 900-1000°C de mechanische sterkte van de wafer in belangrijke mate af en kan gemakkelijker plastische vervorming optreden dan bij 30 kamertemperatuur. De vervorming van silicium wafers ontstaat doordat kristal vlakken langs elkaar kunnen afschuiven onder invloed van in het materiaal aanwezige of opgewekte spanningen. Dit is bekend onder de uitdrukking "slip". Deze slip kan tot zodanig kromtrekken van de wafer leiden, dat dit met het blote oog is waar te nemen.

10 1 2 00 4 2

Twee bronnen van spanning zullen in het materiaal aanwezig zijn die tot slip aanleiding geven. Ten eerste de gravitatiekracht die bij horizontaal gepositioneerde wafers uniform uitgeoefend wordt over het hele oppervlak daarvan in combinatie met de waferoplegging die over het algemeen op slechts enkele punten plaatsvindt. Dit leidt 5 tot lokale mechanische spanningen, met name op en nabij de oplegpunten die ook gravitationele spanningen genoemd worden.

Ten tweede bestaat een temperatuurgradiënt over de wafer, die leidt tot een niet uniforme uitzetting van de wafer met corresponderende mechanische spanningen, ook wel thermische spanningen genoemd. Deze temperatuurgradiënt over de wafer treedt 10 met name op bij het in een reactor brengen en het daaruit verwijderen. In het algemeen zal de temperatuur in de reactor om tot een behoorlijke doorgangstijd te komen aanzienlijk zijn, bijvoorbeeld 900-1000°C. Indien de omgevingstemperatuur kamertemperatuur is, zal bij het inbrengen of verwijderen van de wafer uit de reactor een grote temperatuurgradiënt ontstaan met daaruit volgende spanningen. Immers, de warmteca-15 paciteit is vanwege de geringe dikte en het grote stralende oppervlak van de wafer verhoudingsgewijs klein.

In inrichtingen zoals bekend uit US 5162047, ondervinden de wafers dan ook tijdens het opwarmen en afkoelen, een temperatuursverschil op die plaatsen waar contact met de ring bestaat, aangezien de ring een zekere warmtecapaciteit bezit. Om tem-20 peratuursverschillen tijdens beladen en ontladen in en uit de thermische behandelings-inrichting niet zo groot te laten worden, dat mechanische spanningen in de wafer tot plastische vervorming leiden, moet het transport van het samenstel in en uit de thermische behandelingsruimte steeds met een geschikte snelheid plaatsvinden.

Bovendien veroorzaakt de verbinding van de ringen aan het frame een extra 25 warmtecapaciteitverschil in de ringen, die door de plaatsing van die verbinding tot locale afwijking van de temperatuur in de ring en de wafer kan leiden, waardoor ook mechanische spanningen lokaal in de wafer kunnen ontstaan bij opwarmen/afkoelen. Hierdoor kan ter plaatse nadelige vervorming van de wafer optreden.

In sommige inrichtingen vindt bewerking van wafers niet plaats met een groot 30 aantal tegelijk zoals in US 5162047, maar wordt, om redenen specifiek voor het bewer-kingsproces, slechts één wafer tegelijk behandeld. Voor dergelijke thermische behan-delingsinrichtingen waarin per thermische behandeling slechts één enkele wafer wordt verwerkt, is het volgens de stand van de techniek gebruikelijk de wafer afzonderlijk, 1012004 3 dwz direct met behulp van een transportmechanisme en zonder hulpdrager, zoals bijvoorbeeld een waferring, in of uit de thermische behandelingsruimte te plaatsen.

De onderhavige uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op het contactloos behandelen van een wafer. Daarbij wordt de wafer in een reactor uniform over het ge-5 hele oppervlak ondersteund door een gasstroom zodat tijdens de behandeling geen gravitationele spanningen kunnen ontstaan. Het bovendeel en benedendeel van de reactor, waartussen de wafer opgenomen is, kunnen zeer uniform opgewarmd worden zodat tijdens de behandeling geen temperatuurgradiënt van enige betekenis over de wafer optreedt. Gebleken is echter dat bij het laden of ontladen van de wafer alsnog de 10 hierboven genoemde spanningen op kunnen treden waardoor slip ontstaat. Immers, bij het inbrengen en verwijderen wordt de wafer volgens de stand der techniek door een koude grijper opgenomen, nabij de oplegpunten ontstaan grote lokale temperatuurgra-diënten en treedt slip op. Eveneens ontstaat een aanzienlijke temperatuurgradiënt over de wafer als geheel. Deze heeft twee componenten: een lineaire en een radiale compo-15 nent. De lineaire component ontstaat doordat de wafer in een lineaire beweging tussen de twee hete reactorlichamen (bovendeel en benedendeel) wordt uitgetrokken. De radiale component ontstaat doordat de rand van de wafer over een grotere ruimtehoek zijn warmte kan wegstralen dan het middengedeelte van de wafer. Met name de radiale gradiënt leidt tot schadelijke spanningen.

20 Het is het doel van de onderhavige uitvinding de slip in een wafer tijdens het transport in en uit de thermische behandelingsruimte, en met name bij het contactloos behandelen verder te beperken of geheel uit te sluiten.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven werkwijze verwezenlijkt doordat de wafer aangebracht is in een de wafer omgevende ring, waarbij men de wafer steunend 25 op de oplegpunten van die ring in en uit de thermische behandelingsinrichting brengt.

Volgens de uitvinding vindt het inbrengen en verwijderen van de wafer in de thermische behandelingsinrichting plaats bij het daaromheen aangebracht zijn van een ring. Ook tijdens deze behandeling blijft de ring aanwezig. Indien de wafer volgens een voorkeursuitvoering van de uitvinding contactloos behandeld wordt, zal bij de behan-30 deling door middel van het passend sturen van gasstromen de wafer van de ring en meer in het bijzonder de oplegpunten daarvan weg bewogen worden. Deze verplaatsing kan een zeer geringe waarde hebben. De binnendiameter van de ring volgens de uitvinding is slechts weinig groter dan de uitwendige diameter van de wafer.

10 1 2 004 4

Opgemerkt wordt dat het aanbrengen van een ring om een wafer teneinde de temperatuurgradiënt over de wafer te beperken als zodanig bekend is. In US-A-4.468.259 wordt het zogenaamde "rapid thermal processing system" beschreven waarbij een wafer met behulp van lampen zeer snel opgewarmd wordt. Daarbij wordt de 5 wafer over een groot oppervlak ondersteund en leidt vooral de radiële temperatuurgradiënt vanwege warmteverlies aan de rand van de wafer tot slip. Door het aanbrengen van een warmtestraling absorberende ring rond de waferhouder met een diameter iets groter dan de diameter van de wafer wordt dit aanzienlijk verminderd. Echter wordt deze ring niet gebruikt voor het transport van de wafer in en uit de reactor zodat bij het 10 beladen/ontladen nog steeds de hierboven genoemde spanningen optreden. Dit geldt eveneens voor de ring aangebracht om een wafer zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 5.334.257. Ook daar wordt de warmtecapaciteit van het randgebied van de wafer vergroot en zal de rand minder snel opwarmen en zo een minder sterke radiële temperatuurgradiënt over de wafer ontstaan. In beide Amerikaanse octrooischriften 15 bevinden de ringen zich steeds in het waferrek en worden uitsluitend de wafers in het waferrek waarin de ringen aangebracht zijn geplaatst en dienen de ringen niet als transportmiddel voor de wafers. De ringen volgens de uitvinding kunnen vanzelfsprekend met enige in de stand der techniek bekende robot gehanteerd worden.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een thermische behandelingsin-20 richting-ring-samenstel, waarbij die thermische behandelingsinrichting omvat een be-handelingsruimte begrensd door twee tegenover elkaar liggende delen, waarbij tenminste een van die delen voorzien is van een gastoevoer door het zwevend tussen die delen positioneren van een wafer waarbij die ring uitgevoerd is om tussen die delen geplaatst te worden, waarbij in de bedrijfstoestand de afstand tussen die twee delen ter 25 plaatse van die ring in hoofdzaak met de dikte van die ring overeenkomt en dat tenminste drie radiale gasdoorgangen tussen die ring en het betreffende deel zijn aangebracht. Met een dergelijk samenstel van thermische behandelingsinrichting-ring is het in een floating waferreactor mogelijk de horizontale positie van een wafer nauwkeurig te bepalen. In het algemeen zal bij het horizontaal positioneren van de wafer zowel aan de 30 onderzijde als aan de bovenzijde uit de reactorkamer een gasstroom naar de wafer toe bewegen om deze nauwkeurig tussen het bovendeel en benedendeel van de reactor te positioneren. Voor het in het horizontale vlak positioneren kan een ring om de wafer aangebracht worden die voorzien is van uitstroomopeningen voor dat gas. Gebleken is 1012004 5 dat indien de wafer zich naar een bepaalde rand van de ring beweegt, de daar liggende uitstroomopening enigszins afgesloten wordt waardoor stijging van druk van het gas tussen de ring en die betreffende rand plaatsvindt waardoor de ring weer naar het midden teruggedrukt wordt. Dit wordt bevorderd doordat de andere openingen meer gas 5 doorlaten waardoor daar drukverlaging plaatsvindt. Op deze wijze ontstaat een bijzonder stabiele positionering en is het mogelijk met een zeer geringe spleetbreedte tussen wafer en ring te werken, bijvoorbeeld ongeveer 0,2 mm. Door het gebruik van een dergelijke ring kan de constructie van de reactorwanden, d.w.z. het boven- en benedendeel aanzienlijk vereenvoudigd worden en in hoofdzaak vlak uitgevoerd worden. De door-10 gang waardoor het gas tussen de ring en de wand van de reactor stroomt kan hetzij in de wand van die reactor hetzij in de boven- of onderzijde van de ring hetzij in beide uitgevoerd worden. Met behulp van de constructies volgens de uitvinding wordt in laterale plaatsing van de wafer in de reactor voorzien.

Een dergelijke ring kan bovendien gebruikt worden bij het inbrengen of ver-15 wijderen van de wafer. Het is echter ook mogelijk in een aparte hulpring te voorzien die om de hierboven beschreven ring geplaatst wordt en die voorzien is van bijvoorbeeld draagpennen welke zich uitstrekken door de groeven of openingen aangebracht in de hierboven beschreven ring die in afVloei van het gas voorziet.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een thermische waferbehandelingsin-20 richting-ringsamenstel omvattende een thermische waferbehandelingsinrichting met ten minste een opname voor wafers, waarbij die opname uitgevoerd is voor het op verwijderbare wijze ontvangen van een ring en waarbij elke ring uitgevoerd is voor het daarin opnemen en dragen van een wafer.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van in de tekening afgebeelde uit-25 voeringsvoorbeelden verduidelijkt worden. Daarbij tonen:

Fig. 1 perspectivisch een eerste uitvoering van de ring volgens de uitvinding met daarvan verwijderd een wafer;

Fig. 2 schematisch in dwarsdoorsnede de ring volgens fig. 1 met wafer tijdens het inbrengen in een reactor; 30 Fig. 3 schematisch de ring met wafer volgens fig. 2 tijdens de behandeling in de reactor;

Fig. 4A-C in dwarsdoorsnede verschillende varianten van de ring volgens de uitvinding; 10 1 2 00 4 6

Fig. 5A, B verdere varianten voorzien van verwarmingsmiddelen;

Fig. 6 in bovenaanzicht een verdere uitvoering van de ring volgens de uitvinding;

Fig. 7 in zijaanzicht de ring met wafer volgens fig. 6,

Fig. 8 een variant van fig. 6 en 7 met hulpring en 5 Fig. 9 een constructie volgens fig. 8 in zijaanzicht aangebracht in een reactor.

In fig. 1 is in perspectief een eerste uitvoering van de ring volgens de uitvinding afgebeeld en deze is in het geheel met 1 aangegeven. Deze bestaat uit een wat dikkere buitenrand 2 en een dunnere binnenrand 3. Drie oplegpennen 4 zijn aangebracht. De ring 2 is voorzien van een hanteerdeel 5 voor bevestiging aan enigerlei hanteerrobot. 10 Met 6 is een wafer aangegeven. De buitendiameter van de wafer 6 is iets kleiner dan de binnendiameter van binnenrand 3 zodanig dat de wafer 6 op de oplegpunten 4 steunt bij transport daarvan. Ring 1 is bedoeld voor een dergelijk transport zoals blijkt uit fig. 2. Daarbij is het inbrengen van de wafer 6 in een reactor 10 getoond bestaande uit een bovendeel 11 en 12 die op enigerlei in de stand der techniek bekende wijze verhit zijn. 15 Tijdens het inbrengen steunt de wafer op de oplegpennen 4.

Nadat de wafer in de reactor 10 ingebracht is en op enigerlei wijze afsluiting plaatsvindt, worden gasstromen 13 en 14 op gang gebracht waardoor de wafer van de oplegpennen 4 loskomt en gaat zweven en behandeld kan worden (fig. 3). Na behandeling vallen de gasstromen 13 en 14 weg en keert de wafer terug naar de oplegpennen 20 4 en wordt uit de reactor verwijderd. Tijdens het inbrengen en verwijderen wordt de grote warmtegradiënt die optreedt over de wafer in hoofdzaak gecompenseerd door de aanwezigheid van de ring 1. Immers door de verhoudingsgewijs grote warmtecapaciteit daarvan zal snellere afkoeling aan de rand van de wafer dan in het hart daarvan voorkomen worden. Door keuze van het materiaal en sturing van de wanddikte van de 25 ring alsmede de afstand tussen de rand van de wafer en binnenrand 3 kan het afkoel-gedrag of opwarmgedrag van de wafer tijdens transport beheerst worden.

Begrepen moet worden dat het niet noodzakelijk is om tijdens transport de wafer op de oplegpunten te laten rusten. Het is in principe eveneens mogelijk een voorziening aan te brengen waardoor de wafer tijdens het transport zich zwevende toestand bevindt. 30 Daardoor wordt gewaarborgd dat bij de oplegpunten geen kritische temperatuurover-gang aanwezig is.

Zoals hierboven beschreven is de buitenrand 2 van de ring 1 wat dikker uitgevoerd. Daardoor wordt in mechanische sterkte voorzien en neemt de warmtecapaciteit 10 1 2 004 7 toe. De verschillen tussen binnen- en buitenrand 2 resp. 3 kunnen elke in de stand der techniek voorstelbare constructie omvatten. Enkele voorbeelden zijn in fig. 4a-c gegeven.

Bovendien is het mogelijk tijdens transport van de wafer warmte toe te voeren 5 vanuit de ring. Daartoe kunnen verwarmingselementen 16 aangebracht zijn zoals in fig. 5 getoond is. In het geval van fig. 5a zal het materiaal van de ring uit een straling doorlatend materiaal bestaan zoals kwartsmateriaal. Daardoor vormt de afstand van het verwarmingselement 16 tot de binnenring 3 geen probleem. Bij de uitvoering volgens fig. 5b Zijn de straling doorlatende eigenschappen van de ring minder van belang omdat 10 het verwarmingselement zich dichter bij de wafer bevindt.

In fig. 6 is in bovenaanzicht een verdere variant van de ring volgens de uitvinding getoond. Deze is in het geheel met 21 aangegeven. De oplegpennen zijn met 24 aangegeven. In tegenstelling tot de hierboven getoonde ringen zijn radiale gasdoorgangen aanwezig die met 22 aangegeven zijn. In dit geval zijn dit groeven. In fig. 7 is een en 15 ander tijdens bedrijf in dwarsdoorsnede afgebeeld. Het blijkt dat gasstroom 14 welke de wafer in het midden tussen het bovendeel 11 en het benedendeel 12 houdt omgebogen wordt en in radiale richting langs de wafer weg beweegt. De gassen kunnen echter slechts uit de omgeving van de wafer ontwijken door de groeven 22. Door het aanbrengen van de ring wordt de x-y positie van de wafer nauwkeurig bepaald. Immers, indien 20 de wafer 6 naar een van de groeven 22 beweegt, zal ter plaatse minder gas afgevoerd kunnen worden door het enigszins afsluitend effect van de wafer. Daardoor neemt de druk ter plaatse toe en zal de wafer terugbewegen.

In fig. 8 is een variant afgebeeld waarbij de daar getoonde ring 31 niet van opleg-punten voorzien is. Een verdere ring 41 is aangebracht om ring 31 en deze ring is voor-25 zien van oplegpennen 34 die zich uitstrekken door de gasafvoer groeven 32 die in het benedendeel 12 van de reactor aangebracht zijn.

Met de constructie beschreven in de fig. 6-9 is op bijzonder eenvoudige wijze het boven- en benedendeel van de reactor, d.w.z. de delen 11 en 12 te verwezenlijken. De radiale positionering wordt in deze uitvoering met behulp van de ring 21,31 verwezen-30 lijkt. Daarbij kan het grensvlak van het bovendeel 11 en benedendeel 12 met de reactor-ruimte in hoofdzaak vlak zijn, waarbij daarin enkele groeven uitgeffeesd zijn.

Uit het grote aantal varianten dat hierboven beschreven is, zal degene bekwaam in de stand der techniek begrijpen dat verdere ontwikkelingen mogelijk zijn zonder 10 1 2 00 4 δ buiten het bereik van de onderhavige uitvinding zoals omschreven in bijgaande conclusies te geraken.

10 1 2004

Claims

1. Werkwijze voor het verplaatsen van een wafer (6) in en uit een thermische be-handelingsruimte, behorende bij een thermische behandelingsinrichting (10) die een 5 transportruimte en beladingsruimte omvat en waarbij de behandelingsruimte verbonden is met de transportruimte en de transportruimte verbonden is met de beladingsruimte, vanuit of naar die beladingsruimte met een van die thermische behandelingsruimte afwijkende temperatuur, waartoe in de transportruimte transportmiddelen en in de beladingsruimte beladingsmiddelen voorzien zijn, 10 met het kenmerk, dat in de beladingsruimte door de beladingsmiddelen één van een verzameling wafers (6) en één ring (1), die behoort tot een verzameling van ringen worden samengevoegd tot, of gescheiden uit, een wafer-ring-samenstel, en door de transportmiddelen individuele wafer-ring-samenstellen afzonderlijk in en uit 15 de thermische behandelingsruimte worden gebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij in die transportmiddelen de wafer (6) contactloos omgeven wordt door de ring (1), waarbij de in hoofdzaak horizontale wafer op verticale afstand ten opzichte van de ring verplaatst wordt.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de wafer (6) door een gasstroom (13, 20 14) op verticale afstand van de oplegpunten (4) van de ring (1) gebracht wordt.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij in die thermische behandelingsruimte contactloos behandelen van de wafer (6) plaatsvindt, waarbij de in hoofdzaak horizontale wafer op verticale afstand ten opzichte van de ring (1) verplaatst wordt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de wafer (6) door een gasstroom op 25 verticale afstand van de oplegpunten (4) van de ring (1) gebracht wordt.

6. Werkwijze volgens één van de voorafgaande conclusies, waarbij de ring (1) op geen enkele wijze vast verbonden is met de thermische behandelingsinrichting (10),

7. Thermische behandelingsinrichting-ring-samenstel, waarbij die thermische behandelingsinrichting (10) omvat een behandelingsruimte begrensd door twee tegenover 30 elkaar liggende delen (11,12) waarbij tenminste één van die delen voorzien is van een gastoevoer voor het zwevend tussen die delen positioneren van een wafer (6) waarbij die ring (21,31) uitgevoerd is om tussen die delen geplaatst worden, met het kenmerk, dat 1012004 in de bedrijfstoestand de afstand tussen die twee delen (11, 12) ter plaatse van die ring in hoofdzaak met de dikte van die ring overeenkomt en dat tenminste drie radiale gasdoorgangen (22) tussen die ring (21, 31) en het betreffende deel (11, 12) zijn aangebracht.

8. Thermische behandelingsinrichting-ring-samenstel volgens conclusie 7, waar bij die doorgangen in die delen (11, 12) zijn aangebracht.

9. Thermische behandelingsinrichting-ring-samenstel volgens één van de voorgaande conclusies 7 of 8, waarbij die ring van verwarmingsmiddelen (16) is voorzien.

10. Thermische behandelingsinrichting-ring-samenstel volgens één van de voor- 10 gaande conclusies 7-9, waarbij die ring uitgevoerd is voor het dragen van een wafer (6).

11. Ringsamenstel omvattende een ring (31) alsmede een draagring (41) waarvan de inwendige diameter groter is dan de uitwendige diameter van de ring (31) en welke voorzien is van draagorganen (34) die zich binnen de bïnnenomtrek van die ring (31) uitstrekken.

12. Ringsamenstel volgens conclusie 9, waarbij die draagorganen pennen (34) omvatten die in die groeven (32) opgenomen worden. 1012004