Вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин
VACUUM COMPLEX FOR THERMAL ANNEALING OF SEMICONDUCTOR WAFERS

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в процессах термической обработки полупроводниковых пластин, например диффузии ионно-имплантированных материалов в полупроводниковых структурах.
Известно устройство для термической обработки полупроводниковых пластин, содержащее размещенные в корпусе отражательный экран с водоохлаждающей рубашкой, источник инфракрасного излучения и систему подачи газа. Это устройство снабжено расположенной над отражательным экраном прозрачной пластиной с выполненными в ней сквозными наклонными отверстиями, служащими для прохода газа, а источник инфракрасного излучения расположен между отражательным экраном и прозрачной пластиной (SU 443234).
Указанное техническое решение имеет следующие недостатки. Источник инфракрасного излучения находится в корпусе устройства в полости, в которую подается газ. Это не позволяет использовать химически активные газы или газовые смеси в процессе термообработки. Кроме того, наличие сквозных отверстий в прозрачной пластине не позволяет создать вакуум в камере и осуществлять термическую обработку полупроводниковых пластин в вакууме.
Известен также реактор для термической обработки полупроводниковых пластин в газовой среде или вакууме, содержащий вакуумную камеру, корпус которой выполнен из кварцевого стекла. Источник инфракрасного излучения представляет собой совокупность галогенных ламп накаливания, размещенных с верхней и нижней сторон корпуса вакуумной камеры вне ее. Внутри корпуса расположено средство поддержки полупроводниковой пластины (US 6051512).
Ввиду интенсивного нагрева корпуса вследствие расположения ламп инфракрасного излучения с двух сторон вакуумной камеры и отсутствия системы охлаждения, температура и время проведения процесса термической обработки полупроводниковых пластин ограничены. В подобных камерах при максимально возможной температуре 1200°С процесс можно проводить не более 30 секунд, в ином случае происходит деградация материала корпуса вакуумной камеры. Кроме того, в устройстве отсутствуют средства для быстрого охлаждения обработанной пластины, что снижает производительность установки.
Известен также реактор для термической обработки полупроводниковых пластин в газовой среде или вакууме, содержащий рабочую камеру, источник инфракрасного излучения и средство поддержки полупроводниковой пластины в рабочей камере. При этом корпус рабочей камеры выполнен с двойными стенками из металла. Пространство между стенками корпуса рабочей камеры сообщено с источником подачи охлаждающей среды и магистралью ее отвода. В верхней части корпуса вакуумной камеры выполнено окно, которое закрыто кварцевым стеклом, герметично уплотненным относительно корпуса рабочей камеры. Источник инфракрасного излучения размещен над кварцевым стеклом, при этом в корпусе рабочей камеры с нижней стороны полупроводниковой пластины установлен контактный модуль охлаждения полупроводниковой пластины, выполненный в виде отражателя инфракрасного излучения, снабженного системой охлаждения (RU 111349 U1).
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Недостаток этого решения заключается в том, что модуль охлаждения, расположенный в вакуумной камере, выполнен контактным. Контакт модуля охлаждения и полупроводниковой пластины происходит не по всей поверхности, а в нескольких точках, так как, во-первых, поверхность модуля охлаждения изготавливается с допуском неплоскостности. Во-вторых, полупроводниковая пластина после термической обработки имеет некоторую степень деформации. Это повышает неравномерность охлаждения полупроводниковой пластины, что снижает воспроизводимость процесса обработки полупроводниковых пластин.
Технический результат изобретения заключается в повышении равномерности охлаждения полупроводниковых пластин и достижении высокой воспроизводимости процесса обработки полупроводниковых пластин.
Сущность изобретения заключается в том, что в вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин, содержащий рабочую камеру, включающую нагреватель и держатель пластин, сопряженный с первым приводом, и включающую также первый модуль откачки, введена перегрузочная камера с модулем охлаждения, сопряженная с рабочей камерой и включающая манипулятор с захватом пластин, при этом модуль охлаждения расположен в перегрузочной камере и выполнен в виде корпуса с полостью, сопряженного с источником хладагента, причем в корпусе сформированы первые отверстия, расположенные в сторону захвата пластин, в котором выполнены вторые отверстия.
Существует вариант, в котором корпус модуля охлаждения выполнен в виде диска.
Существует также вариант, в котором корпус модуля охлаждения выполнен в виде кольца.
На фиг.1 изображена компоновочная схема вакуумного комплекса термического отжига полупроводниковых пластин.
На фиг.2 изображен вариант выполнения модуля охлаждения в форме кольца.
Вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин содержит рабочую камеру 1 (фиг.1), изготовленную из нержавеющей стали и представляющую собой сварной корпус. В рабочей камере 1 расположен нагреватель 2, включающий инфракрасные лампы 3, отделенные от основного объема кварцевым стеклом 4, герметично установленном в рабочей камере 1. В рабочей камере 1 расположен также держатель пластин 5, сопряженный с первым приводом 6. Держатель пластин 5 может представлять собой диск с углублением. В качестве первого привода 6 можно использовать шаговый двигатель серии AZ фирмы «Oriental Motor». На держателе пластин 5 может быть закреплена полупроводниковая пластина 7. Закрепление полупроводниковой пластины 7 на держатель пластин 5 может быть осуществлено укладыванием в углубление. Рабочая камера 1 включает также первый модуль откачки 8, который может быть выполнен в виде патрубка с возможностью подсоединения к вакуумному насосу серии iXH фирмы «Edwards» (не показан). Под держателем пластин 5 расположен отражатель 9, выполненный, например, в виде полированной металлической пластины с золотым напылением. Вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин содержит также перегрузочную камеру 10, изготовленную из нержавеющей стали и представляющую собой сварной корпус. В перегрузочной камере 10 расположен манипулятор 11 с захватом пластин 12, сопряженным со вторым приводом 13. В качестве манипулятора 11 можно использовать вакуумный механизм типа SCARA. Манипулятор 11 включает также модуль подвижки и переворота 14, выполненный в виде четырехрычажного механизма типа «пантограф» (например, модуль «Magna Tran 7 frogleg vacuum robot» фирмы «Brooks»). В качестве захвата пластин 12 можно использовать диск с углублением (не показано). В качестве второго привода 13 можно использовать механизм с двумя независимыми шаговыми двигателями (не показаны) для поворота и линейного перемещения захвата пластин 12 (подробнее см. конструкцию роботов типа SCARA). Перегрузочная камера 10 включает также второй модуль откачки 15, который может быть выполнен в виде патрубка с возможностью подсоединения к спиральному вакуумному насосу серии НВСп фирмы «Вакууммаш» (не показан). На выходе из перегрузочной камеры 10 установлен первый затвор 16. На входе в перегрузочную камеру 10 установлен второй затвор 17. В качестве первого затвора 16 и второго затвора 17 можно использовать щелевые затворы серии XGT фирмы «SMC». Вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин содержит также шлюзовую камеру 18, изготовленную из нержавеющей стали и представляющую собой сварной корпус. В шлюзовой камере 18 расположена кассета 19, сопряженная с третьим приводом 20. Кассета 19 может быть выполнена в виде контейнера с ячейкой для пластин 7 (показана условно и с уменьшением масштаба). В качестве третьего привода 20 можно использовать линейный актюатор с шаговым двигателем серии EAC-AZ фирмы «Oriental Motor» для перемещения кассеты 19 вверх-вниз. Шлюзовая камера 18 включает также третий модуль откачки 21, который может быть выполнен в виде патрубка с возможностью подсоединения к спиральному форвакуумному насосу серии НВСп фирмы «Вакууммаш» (не показан). Рабочая камера 1 сопряжена с перегрузочной камерой 10, которая в свою очередь сопряжена со шлюзовой камерой 18. Модуль охлаждения 22 включает источник хладагента 23 и расположен в перегрузочной камере 10. Источник хладагента 23 может быть выполнен в виде емкости с жидким азотом, либо газовой линии для подачи сжатого азота. Модуль охлаждения 22 включает также корпус 24 с полостью 25. Корпус 24 может быть выполнен в виде диска. Полость 25 (в форме диска) может иметь объем до 100 см. В корпусе 24 сформированы первые отверстия 26, расположенные в сторону захвата пластин 12. Для полупроводниковой пластины 7 с размерами 200 мм диаметр первых отверстий 26 может быть в диапазоне 0.3 мм-1.5 мм, а их количество может составлять 35-100 шт. При этом в захвате пластин 12 выполнены вторые отверстия 27. Для полупроводниковой пластины 7 с размерами 200 мм диаметр вторых отверстий 27 может быть в диапазоне 5 мм-20 мм, а их количество может достигать 50 шт.
Существует также вариант, в котором корпус 24 модуля охлаждения 22 выполнен в виде кольца 28 (фиг.2) с полостью 25 (в форме кольца) и первыми отверстиями 26. Полость 25 (в форме кольца) может также иметь объем до 100 см. Для полупроводниковой пластины 7 с размерами 200 мм диаметр первых отверстий 26 в кольце 28 может быть также в диапазоне 0.3 мм-1.5 мм, а их количество может составлять 35-100 шт.
Вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин работает следующим образом. Кассету 19 с полупроводниковыми пластинами 7 устанавливают в шлюзовую камеру 18. Затем из шлюзовой камеры 18, перегрузочной камеры 10 и рабочей камеры 1 с помощью модулей откачки 21, 15, 8 откачивают воздух до создания вакуума порядка 1Па. Третий привод 20 перемещает кассету 19 в исходную позицию для перегрузки пластины 7. Открывают второй затвор 17, и захват пластин 12 манипулятора 11, приводимый в движение вторым приводом 13, из перегрузочной камеры 10 перемещают в шлюзовую камеру 18 и останавливают под полупроводниковой пластиной 7. Привод 20 опускает кассету 19, и полупроводниковая пластина 7 перекладывается на захват пластин 12 (показано условно). Второй привод 13 задвигает обратно в перегрузочную камеру 10 захват пластин 12 и поворачивает его в сторону рабочей камеры 1. Открывают первый затвор 16, и захват пластин 12 с полупроводниковой пластиной 7 перемещают в рабочую камеру 1. Полупроводниковую пластину 7 перекладывают на держатель пластин 5, захват пластин 12 убирают обратно в перегрузочную камеру 10 и закрывают первый затвор 16. Включают инфракрасные лампы 3, и инфракрасное излучение, проходящее через кварцевое стекло 4, начинает нагрев полупроводниковой пластины 7. Отражатель 9, расположенный под полупроводниковой 7, позволяет уменьшить потери излучения инфракрасных ламп 3. Для равномерного нагрева полупроводниковой пластины 7 держатель пластин 5 приводится во вращение первым приводом 6. После окончания нагрева открывают первый затвор 16, и манипулятор 11 забирает полупроводниковую пластину 7 (показано условно). Для охлаждения полупроводниковой пластины 7 захват пластин 12 перемещают в зону над корпусом 24 модуля охлаждения 22. Газ из источника хладагента 23 поступает в полость 25 и через первые отверстия 26 и вторые отверстия 27 равномерно обдувает полупроводниковую пластину 7 за счет возможности ее аэродинамического подъема над поверхностью захвата пластин 12. Таким образом, начинается охлаждение полупроводниковой пластины 7. После охлаждения полупроводниковой пластины 7 до необходимых температур открывают второй затвор 17, и манипулятор 11 возвращает полупроводниковую пластину 7 обратно в кассету 19. Затем третий привод 20 перемещает кассету 19 для передачи следующей полупроводниковой пластины 7. Следующую полупроводниковую пластину 7 укладывают в захват пластин 12, и технологический процесс повторяют.
То, что в вакуумный комплекс термического отжига полупроводниковых пластин введена перегрузочная камера 10, сопряженная с рабочей камерой 1 и включающая манипулятор 11 с захватом пластин 12, при этом модуль охлаждения 22 расположен в перегрузочной камере 10 и выполнен в виде корпуса 24 с полостью 25, сопряженного с источником хладагента 23, причем в корпусе 24 сформированы первые отверстия 26, расположенные в сторону захвата пластин 12, в котором выполнены вторые отверстия 14 приводит к повышению равномерности охлаждения полупроводниковых пластин за счет конвективного тепломассообмена и за счет возможности ее аэродинамического подъема над поверхностью захвата пластин 12 для устранения контакта с ним. Это приводит к получению высокой воспроизводимости процесса обработки полупроводниковых пластин.
То, что корпус 24 модуля охлаждения 22 выполнен в виде диска приводит к повышению равномерности и эффективности охлаждения полупроводниковых пластин за счет прямого потока охлаждающего газа.
То, что корпус 24 модуля охлаждения 25 выполнен в виде кольца 28, позволяет избежать попадания прямой струи охлаждающего газа на полупроводниковые пластины, что дополнительно приводит к повышению равномерности охлаждения полупроводниковых пластин за счет повышения конвективности тепломассообмена и к получению высокой воспроизводимости процесса обработки полупроводниковых пластин.