用于半导体晶片的退火模块的利记博彩app

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【专利摘要】用于退火半导体材料晶片和类似基板的退火模块降低颗粒污染和氧气进入，同时提供包括对于500℃的工艺的均匀加热。退火模块可包括形成在金属主体中的工艺腔室，所述金属主体具有内部冷却管线。热板具有基座，所述基座被支撑在主体上的热扼流器上。在热板之上的盖中的气体分布器将气体在晶片之上均匀地流动。传送机构移动环箍以将晶片在热板和冷板之间移位。
【专利说明】用于半导体晶片的退火模块

【技术领域】
[0001]本发明的实施方式一般涉及退火设备，更特别地，涉及用于半导体晶片的退火模块。

【背景技术】
[0002]微电子电路和其他微尺度装置通常是由基板或晶片制成，所述基板或晶片诸如是硅或其他半导体材料晶片。多个金属层被施加于基板上以形成微电子或其他微尺度部件，或以提供电互连。这些通常是铜的金属层被电镀到基板上，且以光刻、电镀、蚀刻、抛光或其他步骤的顺序形成部件和互连。
[0003]为了获得所需的材料性质，一般使基板经受退火工艺，在所述工艺中，基板被迅速地加热，通常被加热至约200°C至50(TC且更通常被加热至300°C至40(TC的温度。基板可被保持在这些温度下达相对短的时间，例如，60至300秒。基板然后被快速地冷却，其中整个工艺通常仅花费几分钟。退火可用于改变基板上的层的材料性质。退火也可用于激活掺杂剂、驱动基板上的薄膜之间的掺杂剂、改变薄膜至薄膜界面或薄膜至基板界面、致密化沉积膜，或用以修复来自离子注入的损害。
[0004]随着微电子装置和互连的特征尺寸变得较小，可允许的缺陷大体上减少。缺陷由污染物颗粒产生，以便在退火腔室中减少颗粒产生元素将降低缺陷。晶片的温度均匀性是另一显著设计因素，因为温度均匀性影响晶片上的铜或其他材料的晶体结构。另一考虑之处是可维修性。能够尽可能快速且有效地恢复和维护腔室是非常重要的。
[0005]过去已使用各种退火腔室。在单片式处理设备中，这些退火腔室一般地将基板定位在加热和冷却元件之间或之上，以控制基板的温度分布。然而，获得精确和可重复的温度分布可带来工程挑战。
[0006]此外，在超过约70°C的温度下，诸如铜的某些材料当暴露于氧气时将快速地氧化。如果铜或其他材料氧化，那么基板可能不再可用，或者氧化层必须在进一步处理之前被去除。在高效的制造中，这些都是不能接受的选择。因此，另一设计因素是当基板温度超过约70°C时，将基板与氧气隔离。因为氧气一定存在于环境空气中，所以避免在退火期间的铜的氧化也可能带来工程挑战。需要改进的退火方法和设备。


【发明内容】

[0007]本文提供退火模块的实施方式。在某些实施方式中，一种退火设备，所述退火设备可包括:金属主体；盖，所述盖在所述金属主体上，其中工艺腔室在所述金属主体和所述盖之间形成；一或多个冷却管线，所述一或多个冷却管线在所述金属主体中或所述金属主体上；热板，所述热板具有在所述主体上的热扼流器上支撑的基座；气体分布器，所述气体分布器在所述热板之上的所述盖中；冷板，所述冷板在所述金属主体上；装载槽，所述装载槽邻近于所述冷板在所述金属主体中；传送机构，所述传送机构具有环箍，所述环箍可移动到所述冷板之上的第一位置和移动到所述热板之上的第二位置，其中所述传送机构还具有用于上升和下降所述环箍的升降机构；和至少一个电子组件，所述至少一个电子组件附接于所述金属主体。
[0008]所述热扼流器可包括凸出环，所述凸出环具有小于2mm的宽度。
[0009]所述热板的上表面和所述冷板的上表面可共面。
[0010]所述热板可在所述主体中的第一圆形槽中，且所述冷板可在所述主体中的第二圆形槽中，且所述第一圆形槽与所述第二圆形槽相交。
[0011]所述退火设备可包括在所述主体上的第一和第二电子组件，所述第一电子组件控制所述传送机构，且所述第二电子组件控制所述热板中的加热器。
[0012]所述传送机构可具有:包围滚珠花键的外壳和附接于所述环箍的花键螺母；和空间交换通道，所述空间交换通道连接所述外壳中的上部腔室和下部腔室。
[0013]所述传送机构可具有连接到所述环箍的提升电动机和旋转电动机，所述环箍适合于安装在所述热板和所述冷板之上。
[0014]所述传送机构可进一步包括:将所述提升电动机连接至所述环箍的提升皮带；和将所述旋转电动机连接到所述环箍的旋转皮带。
[0015]所述退火设备可进一步包括在所述外壳中的连接到所述旋转电动机的丝杠。
[0016]所述电子组件可在所述热板的第一侧上，且所述冷板可在与所述第一侧相对的所述热板的第二侧上。
[0017]所述外壳可附接于基座且可进一步包括连接到下腔室中的所述基座中的排气口。
[0018]所述环箍可具有与所述板的中心线间隔开达一尺寸的旋转轴，所述尺寸小于任一板的半径。
[0019]在某些实施方式中，一种退火设备，所述退火设备可包括:金属主体；一或多个冷却管线，所述一或多个冷却管线在所述金属主体中或所述金属主体上；第一和第二圆形槽，所述第一和第二圆形槽在所述金属主体中；热板和冷板，所述热板在所述主体中的所述第一圆形槽中，所述冷板在所述主体中的所述第二圆形槽中，其中所述第一圆形槽与所述第二圆形槽相交。在所述热板上的基座，所述基座支撑在所述主体上的热扼流器上；在所述主体上的一或多个电子组件，所述一或多个电子组件电气连接到所述传送机构且连接到所述热板中的加热器；盖，所述盖在所述金属主体上，其中工艺腔室在所述金属主体和所述盖之间形成；气体分布器，所述气体分布器在所述热板之上的所述盖中；装载槽，所述装载槽邻近于所述冷板在所述金属主体中；和传送机构，所述传送机构具有环箍，所述环箍可移动到所述冷板之上的第一位置和移动到所述热板之上的第二位置，其中所述传送机构还具有用于上升和下降所述环箍的升降机构。
[0020]所述传送机构可具有:包围滚珠花键的外壳和附接于所述环箍的花键螺母；和连接到所述环箍的提升电动机和旋转电动机。
[0021]所述电子组件可在所述热板的第一侧上，且所述冷板可在与所述第一侧相对的所述热板的第二侧上。

【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是退火模块的透视图。
[0023]图2A是图1中所示的退火模块的上视图。
[0024]图2B是沿图2A的线2B-2B获得的截面图。
[0025]图2C是图2B中所示的热扼流器的放大详细视图。
[0026]图3是图1和图2中所示的退火模块的分解图。
[0027]图4是图3中所示的传送机构的分解顶部透视图。
[0028]图5是图3和图4中所示的传送机构的分解底部透视图。
[0029]图6是图3至图5中所示的传送机构的截面图。
[0030]图7和图8是传送机构的替代截面图。
[0031]图9是保持多个退火模块的退火层叠组件的前部和顶部透视图。
[0032]图10是图9中所示的退火层叠组件的上视图。
[0033]图11是图9至图10中所示的退火层叠组件的侧视图。
[0034]图12是图示额外特征的退火层叠组件的放大前部透视图。
[0035]图13是图9和图12中所示的基准板的透视图。
[0036]图14是图1中所示的模块的前视图。
[0037]图15是图13中所示的基准板的前视图。
[0038]图16是沿图15的线16-16获得的视图。
[0039]图17是图16中所示的槽中的一个槽的放大视图。
[0040]图18是沿图17的线18-18获得的视图。

【具体实施方式】
[0041]如图1至图3中所示，退火模块30具有主体32和盖40，形成晶片或基板腔室34。主体可作为单个铸件或其他所制造的金属件提供，以提高导热性。热板36和冷板38被附接到主体32的底板42上。如图1中的虚线所示，主体32可包括冷却管90，冷却管90连接到冷却液入口 60和冷却液出口 62。冷却管90可以是在主体32之内就地浇铸的管。或者，主体32可以由两个或更多个连接部分形成，其中冷却管90位于所述部分之间。如图1中所示，冷却剂入口 60和出口 62可位于主体32后端的装配凹槽64中。在使用中，经由冷却管抽出的冷却液将模块30的表面温度保持为接近环境温度。冷却管可为不锈钢以更好地抗腐蚀。
[0042]热板36的顶表面可与冷板38的顶表面共平面。如图2B和图3中所示，可在每个板的顶表面上提供凸起或垫块(risers)76的图案，以更好地对晶片提供均匀支撑，所述支撑进而提供更均匀和一致的晶片温度控制。垫块76可以是附接于板的顶表面的球体，以将晶片保持为向上离开板0.2mm至1mm。冷板38可被热接合至底板42。在热板36的底侧上，或在热板36之内提供电阻加热器58。
[0043]如图2B和图2C中所示，热板36可被支撑在基座66上，所述基座66通过热扼流器68附接于底板42，所述热扼流器68仅在热板36和冷却剂冷却的主体32之间提供薄的环形接触圈(例如，1mm至2mm宽)。在此设计中，如图2B中所示，热板36是经由空气或气隙88与底板间隔开，且热板36仅通过热扼流器68接触主体32。如此允许热板36为500°C的晶片处理温度提供足够热量，而无需过度地加热模块30的其余部分。诸如密封件的模块的相对更加热敏感的部件不受高热量的影响。如图3中所示，主体32可具有圆形槽78以容纳热板和冷板，其中圆形槽78彼此邻接或接触，或部分地重叠或相交。
[0044]如图2A中所示，电子伺服系统控制单元44和加热控制单元46可都被包括在退火模块30之内且附接于主体32。如图3中所示，退火模块30可具有安装架48和52以及在电子单元44和46之上的独立盖件，所述安装架48和52用于将模块30在如下所述的较高层次组件中固定就位。在主体32上提供电子单元44和46允许模块30的测试和模块化结构。此外，主体提供电子部件的传导冷却，以便不需要风扇或对流散热片。
[0045]同样，如图3中所示，在退火模块30的前端72中提供装载/卸载槽74。对准衬套(alignment bushings) 54和进气口 /出气口 56也可位于退火模块30的前端上。如图3中所示，盖40包括喷头80，用于在热板36之上分布净化气体。可以是惰性气体或合成气体的净化气体被通过盖排气口 82供应至喷头，所述惰性气体诸如是氮气，所述盖排气口 82连接到气源。
[0046]现转到图3至图5，在退火模块30中提供传送机构70以将来自冷板38的晶片或基板移动到热板36，且然后将所述基板移动回到冷板38，所述冷板38相邻于装载/卸载槽74。传送机构70执行上升、旋转(例如，约1/8转)和下降运动，以将晶片从冷板38移动到热板36，反之亦然。传送机构70还提升晶片以允许晶片到传送机器人的传送。可为此目的使用各种设计。在图示的实例中，传送机构可包括在基座100上的耦合器框架104中的耦合器106。丝杠108是例如经由旋转在丝杠108的下端上的链轮132的皮带130而由旋转电动机114驱动。
[0047]环箍142的臂150被附接于丝杠108，以便旋转电动机114的致动引起环箍142旋转，以将环箍142定位在冷板38或热板36之上。滚珠花键110被经由第二皮带134和链轮138和140连接到提升电动机120，如图5至图8中所示。提升电动机120的致动旋转滚珠花键110，滚珠花键110升高或降低花键螺母116，进而升高或降低环箍142。保护罩112被附接于耦合器106，且保护罩112可包括空间交换通道158。皮带和滑轮的使用提供180°传动箱，以最小化传送机构70的高度。电动机114和电动机120可同时被安装到基座100，如此允许传送机构70在被组装到模块30中之前被装配和预先检验。
[0048]随时地参看回到图4，环箍142具有三个或多个向内凸出的指状件144，其中每一指状件144具有凸缘146，所述凸缘146具有平面148。在使用时，当环箍142被上升以将晶片提升离开热板36或冷板38时，平面148接触晶片的向下的一侧。可在热板和冷板中提供间隙凹口 84以允许环箍指状件148移动为与板36或38的顶表面垂直对准，或位于所述顶表面之下。
[0049]传送机构70将模块30中的移动或润滑部件的数目降至最低。这些部件是通过外壳160与工艺腔室34隔离。外壳160之内的主动排气系统将工艺气体抽入传送机构70中。如此帮助防止颗粒进入所述颗粒可能引起缺陷的工艺腔室34中。如图6和图7中所示，此举是经由基座100中的排气沟槽156，且经由位于外壳160和基座100之间的空间交换通道158来获得。顶部腔室162是形成在外壳160的顶部和上罩172之间。顶部间隙164允许顶部腔室162和底部间隙168之间的流动。底部腔室166是形成在基座100和上罩172之间。如图6中所示，底部间隙168连接到底部腔室166中。同样，如图6中所示，基座100中的排气口 170连接到底部腔室166中。
[0050]空间交换通道158将传送机构外壳160中的任何气体压缩最小化，所述气体压缩是由外壳之内的部件的运动所引起。如此避免让外壳160之内的气体压力上升到工艺腔室34中的气体压力之上，如此可允许颗粒从传送机构70流动到工艺腔室34中且污染晶片。
[0051]参看图2A，板36或38的半径，或槽78的半径被图示为尺寸RR。图示为BB的环箍枢轴线被从板或槽的中心线CC间隔开小于RR的尺寸。如此提供减小的空间工艺腔室34和降低的颗粒产生的可能性，所述减小的空间工艺腔室34降低了气源需求，且还减小了环箍的移动距离，允许更快的晶片运动。
[0052]现转到图9至图12，多个退火模块30可被放入层叠组件200中，以允许多个晶片在紧凑空间之内被同时退火。如图9和图11中所示，层叠组件200可包括支架202，所述支架202被分成垂直层叠的各个模块槽或间隔216。可在支架202的前端204处提供装载/卸载机械手206。在所图示的实例中，机械手206包括附接于支架202的轨道或导轨208。具有终端受动器212的机械手外壳210沿着导轨208垂直地可移动，以便终端受动器可被移动为在每个模块槽216处与腔室门214垂直对准。
[0053]如图9和图12中所示，退火模块30可被放入每个模块槽216中，在所图示的例子中，八个退火模块30被垂直地层叠在层叠组件200中。每一退火模块30的主体32可被螺栓固定到基准板222上。进气管线218和出气或排气管线220可被连接到基准板222上的管线。通过基准板222供应的气体可用于将工艺腔室34和所述工艺腔室的环境隔离，以更好地避免污染。基准板222和腔室主体32之间的密封界面保持通过工艺腔室34的气流。
[0054]如图12至图16中所示，模块30可经由穿过基准板中的安装孔225的螺栓被附接于基准板222，其中在基准板背侧上的销用于更加精确地将模块30定位在基准板上。在模块30的前部上的排气口 56上的密封相抵基准板的背表面密封。基准板具有足够刚性(例如,3至12mm或4至10mm厚的金属板)以牢固地支撑和定位模块。退火模块30和层叠组件200之间的连接数目被降低以从层叠组件200快速去除和保养退火模块30。保养支架250可被附接到支架202的背端上，用于在保养期间保持退火模块30。
[0055]如图13至图16中所示，基准板222中的每一模块槽或位置216、板槽240与模块30的前端中的装载槽74对准。可在每一模块位置216处的基准板222中提供排气室(exhaust plenum) 224。排气室224可被从板的一侧钻入基准板222中，其中排气室与每一板槽240的上边缘和下边缘相邻且平行。排气室与板槽240对准以经由排气管线220从工艺腔室34排放气体。
[0056]如图15至图18中所示，此举可经由在每一模块位置216处从排气室224延伸到板槽240的排气槽段242获得。排气槽段可例如通过定位圆形刀片切割工具或铣刀(具有名义上小于图15中的槽高度HH的直径)，且随后移动刀具直到产生通向排气室的弓形开口，而贯通每一板槽240的面向下的表面，如图17和图18中所不。
[0057]在使用中，排气槽段242通向排气室224，所述排气室224可被连接到真空源。当模块门214在处理期间关闭时，可能在门214周围存在间隙，以便模块30不被密封。在每一板槽240处通过排气槽段242抽吸的真空主要地防止环境空气进入模块30中。当门打开时，在装载和卸载期间，如果模块的内部被保持在高于周围环境的气体压力下，那么气体通过模块槽74和板槽240流出模块30。排气槽段242的尺寸可沿着板槽240的长度变化，其中距真空源更上游的槽段242比接近于真空源的槽段242更大，以横跨板槽240的长度提供大体上均匀的吸入或进气。例如，接近于真空源，即，接近于图15的顶部的槽段可以是1mm宽和20mm至40mm长,其中接近于图15的底部的槽段制造得更宽或更长。
[0058]如图14中所示，所提供的排气口 56的数目可取决于由模块30执行的具体退火工艺而变化。例如，可使用两个氦气出口 56，以分别地提供氦气至热板36和至冷板38。一或多个其他惰性气体出口 56可用以供应氮气到模块中。额外排气口 56可供应氢气，以便可在模块之内使用合成气体。单独的供气口和排气口也可被直接地送达到传送机构，以更好地降低污染的可能性。
[0059]退火模块30在有层叠组件200或者无层叠组件200的情况下均可被使用。当用于层叠组件200中时，机械手206被致动以运输终端受动器212上的晶片300与层叠组件200中的一个退火模块30对准。腔室门214被打开。机械手206将终端受动器212和晶片300推进到工艺腔室34中，且将晶片放下到传送机构70的环箍142上。一般地，在此步骤处，环箍142处于高于冷板38的抬起位置，以便终端受动器212下降且将晶片300放到环箍142的凸缘146上。或者，如果环箍处于放下位置，那么晶片300随后可被直接放下到冷板38上。
[0060]在晶片300目前由环箍142保持的情况下，传送机构被致动以旋转环箍达约1/8转，在热板36之上移动晶片300。在一些方法中，加热器58可连续地以热板36操作，所述热板相应地停留在所需稳态温度下。在其他方法中，加热器58可被循环，或仅在晶片的紧急传送之后开启。传送机构70将环箍142下降，以便晶片的底表面变得静置在热板36的顶表面上的垫块76上。气体通过腔室34而循环，其中腔室之内的气体压力相对于周围环境保持为正压力。如此帮助排除来自腔室34的氧气和污染物颗粒。
[0061]晶片300可保持在热板36上达特定的停留时间。传送机构70随后被再次致动以向上离开热板提升晶片300，且旋转环箍142回到冷板38上的初始位置。传送机构70然后将晶片下降到冷板38上，其中晶片被支撑在冷板38的顶表面上的垫块76上。冷却液被通过冷却管90抽出以冷却冷板和基座32。在晶片被充分冷却之后，晶片可被经由环箍142提升离开冷板以便传送回到机械手206。腔室门214被打开，且终端受动器212延伸到腔室34中，位于环箍142之下。然后，终端受动器212可被提升，或环箍142被下降以完成传送。随后，机械手206将退火的晶片300移动到随后的站，且机械手206可进行以传送另一晶片至退火腔室30以便处理。
[0062]当门214在处理期间被关闭时，模块30可被设计以提供小于lOOppm的氧含量。腔室34中的气流可被最佳化以掠过整个腔室。喷头80可具有间隔和孔口大小最佳化的排气口以增强晶片温度均匀性。排气室224可刚好位于距热板36最远点处的门214后面，且气体被通过横跨腔室入口的一系列槽排出。槽大小可被最佳化以确保横跨腔室的均匀气流。在起动时或在传送机器人传送之后，流动和内部腔室几何形状可被设计以最小化排空腔室中的任何氧气所需的时间。例如，腔室空间被最小化，且可能花费较长时间净化的深的角落或凹处被去除。不论门是开启还是关闭，流动离开路径被限制以对腔室稍微施加压力而高于大气压力，以避免氧气渗入腔室中。
【权利要求】
1.一种退火设备，所述退火设备包括: 金属主体； 盖，所述盖在所述金属主体上，其中工艺腔室在所述金属主体和所述盖之间形成； 一或多个冷却管线，所述一或多个冷却管线在所述金属主体中或所述金属主体上； 热板，所述热板具有在所述主体上的热扼流器上支撑的基座； 气体分布器，所述气体分布器在所述热板之上的所述盖中； 冷板，所述冷板在所述金属主体上； 装载槽，所述装载槽邻近于所述冷板在所述金属主体中； 传送机构，所述传送机构具有环箍，所述环箍可移动到所述冷板之上的第一位置和移动到所述热板之上的第二位置，其中所述传送机构还具有用于上升和下降所述环箍的升降机构；和 至少一个电子组件，所述至少一个电子组件附接于所述金属主体。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述热扼流器包括凸出环，所述凸出环具有小于2_的宽度。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述热板的上表面和所述冷板的上表面共面。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述热板在所述主体中的第一圆形槽中，且所述冷板在所述主体中的第二圆形槽中，且其中所述第一圆形槽与所述第二圆形槽相交。
5.如权利要求1所述的设备，包括在所述主体上的第一和第二电子组件，其中所述第一电子组件控制所述传送机构，且其中所述第二电子组件控制所述热板中的加热器。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述传送机构具有:包围滚珠花键的外壳和附接于所述环箍的花键螺母；和空间交换通道，所述空间交换通道连接所述外壳中的上部腔室和下部腔室。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述传送机构具有连接到所述环箍的提升电动机和旋转电动机，所述环箍适合于安装在所述热板和所述冷板之上。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述传送机构进一步包括:将所述提升电动机连接至所述环箍的提升皮带；和将所述旋转电动机连接到所述环箍的旋转皮带。
9.如权利要求7所述的设备，进一步包括在所述外壳中的连接到所述旋转电动机的丝杠。
10.如权利要求5所述的设备，其中所述电子组件在所述热板的第一侧上，且其中所述冷板在与所述第一侧相对的所述热板的第二侧上。
11.如权利要求6所述的设备，其中所述外壳附接于基座且进一步包括连接到下腔室中的所述基座中的排气口。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述环箍具有与所述板的中心线间隔开达一尺寸的旋转轴，所述尺寸小于任一板的半径。
13.—种退火设备，所述退火设备包括: 金属主体； 一或多个冷却管线，所述一或多个冷却管线在所述金属主体中或所述金属主体上； 第一和第二圆形槽，所述第一和第二圆形槽在所述金属主体中； 热板和冷板，所述热板在所述主体中的所述第一圆形槽中，所述冷板在所述主体中的所述第二圆形槽中，其中所述第一圆形槽与所述第二圆形槽相交。 在所述热板上的基座，所述基座支撑在所述主体上的热扼流器上； 在所述主体上的一或多个电子组件，所述一或多个电子组件电气连接到所述传送机构且连接到所述热板中的加热器； 盖，所述盖在所述金属主体上，其中工艺腔室在所述金属主体和所述盖之间形成； 气体分布器，所述气体分布器在所述热板之上的所述盖中； 装载槽，所述装载槽邻近于所述冷板在所述金属主体中；和 传送机构，所述传送机构具有环箍，所述环箍可移动到所述冷板之上的第一位置和移动到所述热板之上的第二位置，其中所述传送机构还具有用于上升和下降所述环箍的升降机构。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述传送机构具有:包围滚珠花键的外壳和附接于所述环箍的花键螺母；和连接到所述环箍的提升电动机和旋转电动机。
15.如权利要求13所述的设备，其中所述电子组件在所述热板的第一侧上，且其中所述冷板在与所述第一侧相对的所述热板的第二侧上。
【文档编号】H01L21/324GK104451888SQ201410424658
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】文森特·斯特凡·弗朗西斯凯特, 格雷戈里·J·威尔逊, 凯尔·M·汉森, 保罗·沃思, 罗伯特·B·穆尔 申请人:应用材料公司