JP2015138976A - 基板保持のシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウェハーの同心回転位置合わせを維持し、ウェハーの破損、表面損傷、又は反りを防止しながら、処理中にウェハーを保持及び支持する工業規模のデバイスを提供する。
【解決手段】処理中に基板を機械的に保持するシステムは、閉鎖可能なウェハー接合チャンバー210と、このチャンバーの内部に位置し、3つの機械式保持アセンブリ110A〜110Cを介してウェハーを保持するように構成された上部ブロックアセンブリ220を備える。3つの機械式保持アセンブリは、ウェハー処理チャンバーのカバー225よりも上方に突出し、ウェハーの縁部においてウェハーを保持するとともに処理チャンバーの外部から調整されるように構成され、機械式保持アセンブリのうちの2つは、ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、機械式保持アセンブリのうちの1つは、プリロード機構を介してウェハーの縁部上でのプリロード保持を維持する。
【選択図】図3
【解決手段】処理中に基板を機械的に保持するシステムは、閉鎖可能なウェハー接合チャンバー210と、このチャンバーの内部に位置し、3つの機械式保持アセンブリ110A〜110Cを介してウェハーを保持するように構成された上部ブロックアセンブリ220を備える。3つの機械式保持アセンブリは、ウェハー処理チャンバーのカバー225よりも上方に突出し、ウェハーの縁部においてウェハーを保持するとともに処理チャンバーの外部から調整されるように構成され、機械式保持アセンブリのうちの2つは、ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、機械式保持アセンブリのうちの1つは、プリロード機構を介してウェハーの縁部上でのプリロード保持を維持する。
【選択図】図3
Description
本発明は、基板保持のシステム及び方法に関し、より詳細には、基板の同心回転位置合わせを維持しながら、処理中に基板を機械的に保持するシステム及び方法に関する。
[関連する同時係属出願の相互参照]
本出願は、2014年1月20日に出願され、「SYSTEMAND METHOD FOR SUBSTRATE HOLDING」と題する米国仮特許出願第61/929192号の利益を主張し、その内容は引用することにより明確に本明細書の一部をなす。
本出願は、2014年1月20日に出願され、「SYSTEMAND METHOD FOR SUBSTRATE HOLDING」と題する米国仮特許出願第61/929192号の利益を主張し、その内容は引用することにより明確に本明細書の一部をなす。
本出願は、2010年4月15日に出願され、「DEVICEFOR CENTERING WAFERS」と題する米国特許出願第12/761044号の一部継続出願であり、その内容は引用することにより明確に本明細書の一部をなす。
幾つかのウェハー接合プロセスでは、2つ以上の位置合わせされたウェハーが互いに対向して保持され、次いで、互いに接触される。同様に、幾つかの化学的又は機械的な半導体プロセスでは、ウェハーは、処理が行われている間、所定の位置に保持される。これらの半導体ウェハープロセスのうちの幾つかは、ウェハー薄化ステップを含む。特に、幾つかの用途の場合、ウェハーは、集積回路(IC)デバイスの製作、又は3D集積接合及びウェハー貫通ビアの製作のために100マイクロメートル未満の厚さにまで薄化される。
200マイクロメートルよりも厚いウェハーの場合、ウェハーは通常、真空チャック又は幾つかの他の機械的な取付手段を利用する固定具を用いて適所に保持される。しかしながら、200マイクロメートルよりも薄いウェハー、特に100マイクロメートルよりも薄いウェハーの場合、ウェハーを機械的に保持すること、並びに、処理中にウェハーの位置合わせ、平坦性及び完全性の制御を維持することが益々困難になる。これらの事例では、実際には、処理中にウェハーが微小破壊を引き起こすこと及び壊れることが起こりがちである。薄化プロセス中にウェハーを機械的に保持する一代替形態は、デバイスウェハー(すなわち、デバイスに加工されるウェハー)の第1の表面をキャリアウェハー上に取り付けることと、露出した反対側のデバイスウェハー表面を薄化することとを含む。キャリアウェハーとデバイスウェハーとの間の接合は仮であり、薄化処理ステップ及び他の任意の処理ステップの終了時に除去される。デバイスウェハー及びキャリアウェハーの一時的な接合対は、薄化プロセス中、機械的に保持される。
処理中のウェハーの機械的保持の一代替形態は、静電力を用いてウェハーを保持する静電チャック(eチャック)を用いることを必要とする。しかしながら、eチャックは、通常、高価で複雑なデバイスであり、高電圧源及び高電圧ケーブルを必要とする。さらに、eチャックは、通常、ガラス基板を保持することに適用可能ではない。
上述したウェハー保持機構の重要な側面は、保持されるウェハーの互いに対する位置決め及び位置合わせを必要とする。ウェハーの同心回転位置合わせを維持し、ウェハーの破損、表面損傷、又は反りを防止しながら、処理中にウェハーを保持及び支持する工業規模のデバイスを提供することが望まれている。
本発明は、基板の同心回転位置合わせを維持しながら、処理中に基板を機械的に保持するシステム及び方法を提供する。
一般に、1つの態様では、本発明は、閉鎖可能な処理チャンバーと、この処理チャンバーの内部に位置し、3つの機械式保持アセンブリを介してウェハーを保持するように構成された上部ブロックアセンブリとを備えるウェハー処理システムを特徴とする。3つの機械式保持アセンブリは、ウェハー処理チャンバーのカバーよりも上方に突出し、ウェハーの縁部においてウェハーを保持するとともに処理チャンバーの外部から調整されるように構成されている。機械式保持アセンブリのうちの2つは、ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、機械式保持アセンブリのうちの1つは、プリロード機構を介してウェハーの縁部上でのプリロード保持(hold preload)を維持するように構成されている。
本発明のこの態様の実施態様は、以下の特徴のうちの1つ又は複数を含むことができる。前記各機械式保持アセンブリは、フラグ及び枢動駆動アームを備え、前記フラグは、駆動機構を介して前記ウェハーの縁部に接触するように半径方向に駆動される。ロック可能な2つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記フラグの遠位縁部は、前記ウェハーの縁部に接触するように構成され、前記枢動駆動アームは、横に移動して、前記フラグの近位端部の側面に形成されたスロットをピンと係合させるように構成されている。プリロード保持を維持する前記機械式保持アセンブリでは、前記プリロード機構は、高温耐熱ベアリングガイド式リニアスライドを備える。前記各機械式保持アセンブリ内の前記駆動機構は、空気圧駆動ピストン及び駆動アームを備え、前記空気圧駆動ピストンは、前記駆動アームに接続され、該駆動アームを駆動するように構成され、前記駆動アームは、シャフト及び前記枢動駆動アームを介して前記フラグに接続されている。ロック可能な2つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記駆動機構は、可撓性ブレーキアームを駆動するように構成されたブレーキシリンダーを更に備え、前記可撓性ブレーキアームは、ブレーキング動作を、前記シャフトを介して前記枢動駆動アームに伝達するように構成されている。前記可撓性ブレーキアームは、面内では硬質であるとともに面外では可撓性であるフレクチャタイプの材料を含む。前記フラグは、プレート形状であり、前記上部ブロックアセンブリに備えられたチャックによって支持され、該チャックの外側縁部から前記ウェハーの縁部までの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する。前記フラグの遠位縁部は、段部を備える。前記フラグの遠位縁部は、曲線状である。前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の曲率と一致し、これを補間する曲率を有する。前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の完全性を保護し、前記フラグの前記遠位縁部が前記ウェハーの縁部に接触したときに制動を提供し、前記フラグの前記遠位縁部と前記ウェハーの縁部との間に確実な保持摩擦を提供するように構成された保護コーティングを備える。前記保護コーティングは、高温耐熱ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)コーティング、ポリイミドコーティング、又はテフロン登録商標コーティングから作成される。前記フラグの遠位縁部の側面プロファイルは、直線状、角度付き又は曲線状である。
一般に、別の態様では、本発明は、ウェハーの縁部において該ウェハーを保持するように構成された3つの機械式保持アセンブリを備えるウェハー保持システムを特徴とする。前記機械式保持アセンブリのうちの2つは、前記ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、前記機械式保持アセンブリのうちの1つは、プリロード機構を介して前記ウェハーの縁部においてプリロード保持を維持するように構成されている。
本システムは、真空において基板を保持すること、及び重力を受ける基板を保持することに用いることができる。本システムは、デバイスウェハーの処理中に、一時的な接合ウェハーの対を保持することにも適用可能である。
本発明の1つ又は複数の実施形態の詳細が、添付図面及び以下の説明に示されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、好ましい実施形態の以下の説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになる。
図面を参照すると、幾つかの図を通して、類似の符号は類似の部品を表す。
本発明は、基板の同心回転位置合わせを維持しながら、処理中に基板を機械的に保持するシステム及び方法を提供する。
図1A〜図1Eを参照すると、通常のウェハー接合モジュール210は、ロード(load:装填)ドア211を有するハウジング212と、上部ブロックアセンブリ220と、対向する下部ブロックアセンブリ230とを備える。上部ブロックアセンブリ220及び下部ブロックアセンブリ230は、4本のZガイド支柱242に移動可能に接続されている。他の実施形態では、4本未満又は4本よりも多くのZガイド支柱が用いられる。上部ブロックアセンブリ220と下部ブロックアセンブリ230との間には、テレスコープ式カーテンシール235が配置されている。上部アセンブリ220及び下部アセンブリ230とテレスコープ式カーテンシール235との間には、接合チャンバー202が形成されている。カーテンシール235は、接合チャンバーエリア202の外部にあるプロセス構成要素の多くをプロセスチャンバーの温度、圧力、真空、及び大気から隔離した状態に保つ。チャンバーエリア202の外部のプロセス構成要素には、特に、ガイド支柱242、Z軸ドライブ243、照明源、機械式プリアライメントアーム、及びウェハーセンタリングジョーが含まれる。カーテン235は、任意の半径方向からの接合チャンバー202へのアクセスも提供する。通常のウェハー接合モジュール210のより詳細な説明は、「DEVICE FOR CENTERING WAFERS」と題する米国特許出願公開第2010/0266373号(米国特許第8,764,026号)に提示されている。この米国特許出願公開の内容は、引用することによって明示的に本明細書の一部をなす。
図1Bを参照すると、下部ブロックアセンブリ230は、ウェハー20を支持するヒータープレート232と、隔離層236と、水冷式支持フランジ237と、移動ピンステージ238と、Z軸ブロック239とを備える。ヒータープレート232は、セラミックプレートであり、抵抗ヒーター素子及び一体式空冷を備える。これらのヒーター素子は、主要ゾーンすなわち中心ゾーンと縁部ゾーンとの2つの異なる加熱ゾーンが形成されるように配置されている。これらの2つの加熱ゾーンは、ヒータープレート232の温度が一様となるように制御される。ヒータープレート232は、200mm及び300mmのウェハーをそれぞれ保持する2つの異なる真空ゾーンも備える。水冷式熱隔離支持フランジ237は、隔離層236によってヒータープレートから分離されている。移動ピンステージ238は、下部ブロックアセンブリ230の下方に配置され、4本の支柱242によって移動可能に(movably)支持されている。移動ピンステージ238は、種々のサイズのウェハーを上昇又は下降させることができるように配置された移動ピン240を支持している。1つの例では、移動ピン240は、200mm及び300mmのウェハーを上昇又は下降させることができるように配置されている。移動ピン240は、直線シャフトであり、幾つかの実施形態では、それらの中心を通って延在する真空供給開口部を有する。移動ピン開口部を通って引き込まれる真空によって、支持されたウェハーは、移動中に移動ピン上の所定の位置に保持され、ウェハーの位置合わせ不良が防止される。Z軸ブロック239は、図1Cに示すように、ボールねじ及び直線カム設計を有する精密Z軸ドライブ243と、サブミクロン位置制御用のリニアエンコーダーフィードバック244と、ギアボックスを有するサーボモーター246とを備える。
図1Dを参照すると、上部ブロックアセンブリ220は、上部セラミックチャック222と、カーテン235がシール素子235aを用いてシールする頂部スタティックチャンバー壁221と、200mm膜層224aと、300mm膜層224bとを備える。膜層224a、224bは、上部チャック222と頂部ハウジング壁213との間に、それぞれクランプ215a、215bを用いてクランプされ、200mmウェハー及び300mmウェハーをそれぞれ保持するように設計された2つの別々の真空ゾーンを形成する。膜層224a、224bは、エラストマー材料又は金属ベローズから作製されている。上部セラミックチャック222は、非常に平坦で薄い。この上部セラミックチャックは、低質量を有し、ウェハー20、30に対して一様な圧力を印加するためにセミコンプライアント(semi-compliant:半柔軟)である。上部チャック222は、3つの調整可能なレベリングクランプ/駆動アセンブリ216に対して膜圧を用いて軽くプリロードされる。クランプ/駆動アセンブリ216は、120度の円形に配置される。上部チャック222は、最初に、下部セラミックヒータープレート232に接触している間に水平にされ、そのため、ヒータープレート232と平行になる。クランプ/駆動アセンブリ216は、セラミックチャック222を、支持されたウェハーの中心に対応する中心点の回りに並進させることなく回転及び/又は傾斜させる球形ウェッジエラー補償(WEC)機構も提供する。他の実施形態では、上部セラミックチャック222の位置決めは、当該チャック222が結合される固定された水平化/位置付けピンを用いて行われる。
図2及び図3を参照すると、改良型ウェハー接合システム100は、改良型ウェハーチャンバー210及び電子機器ユニット250を備える。ウェハー接合チャンバー210は、上部ブロックアセンブリ220を備えるヒンジ付きカバー225を備える。この実施形態では、ウェハー30は、3つの機械式保持アセンブリ110A、110B、及び110Cを介して上部チャック222上に支持される。機械式保持アセンブリ110A、110B、及び110Cは、カバー225よりも上方に突出している。
図4A〜図8Dを参照すると、各機械式保持アセンブリは、フラグ112及び枢動駆動アーム114を備える。フラグ112は、駆動機構150を用いて上部ウェハー30の縁部30aに接触するように半径方向に駆動される。保持アセンブリのうちの2つ110A、110Cでは、フラグ112の遠位縁部113がウェハー30aの縁部に接触すると、枢動駆動アーム114は、横に移動して、図5B及び図7Aに示すように、フラグ112の近位端部118の側面118a上に形成されたスロット117をピン119と係合させる。枢動アームピン119とフラグスロット117との係合によって、保持アセンブリ110A及び110Cにおいて、フラグ112の位置がウェハーの縁部30aに対してロックされる。保持アセンブリ110Bでは、フラグ112は、図8Dに示す空気圧又はばねで駆動されるプリロード機構160を用いてプリロード保持を維持する。1つの例では、このプリロード機構は、図7Aに示す高温耐熱ベアリングガイド式リニアスライド116を備える。
図8A〜図8Dを参照すると、保持アセンブリ110A、110B、110Cのそれぞれの駆動機構150は、空気圧駆動ピストン152及び駆動アーム154を備える。空気圧駆動ピストン152は、駆動アーム154の第1の端部に接続された端部を有するシリンダー152aを備え、駆動アーム154の動作をガイドするように構成されている。駆動アーム154は、図8B及び図8Dに示すように、シャフト155及び枢動駆動アーム114を介してフラグ112に接続するように構成された第2の端部を有する。ピストン152、駆動アーム154、及びシャフト155は、フラグ112の半径方向の動作を駆動及びガイドする。シャフト155の動作は、図8Dに示すハウジング162内に収容されたボールベアリング159a、159bによってガイドされる。ハウジング162は、これも同様に図8Dに示すOリングシール161a、161bを用いて上部ブロックアセンブリ220内にシールされている。
2つの保持アセンブリ110A、110Cのそれぞれにおける駆動機構150は、可撓性ブレーキアーム157を駆動するブレーキシリンダー156も備える。可撓性ブレーキアーム157は、ブレーキング動作を、上記同様にシャフト155を介して枢動駆動アーム114に伝達する。可撓性ブレーキアーム157は、面内剛性を有し、枢動駆動アーム114の確実なロックを提供するフレクチャタイプの材料から作製される。可撓性ブレーキアーム157は、面内方向(ブレーキアーム157のx−y平面)では硬質であり、面外方向(Z軸165)では可撓性である。
動作時、ウェハー30は、2010年4月15日に出願され、「DEVICE FOR CENTERING WAFERS」と題する米国特許出願第12761044号に記載されているようなセンタリングステーションを用いてセンタリングされる。この米国特許出願の内容は、引用することによって明示的に本明細書の一部をなす。代替的に、ウェハー30は、精密なロボットウェハー配置を介してセンタリングされる。センタリングされたウェハー30は、頂部チャック222に移動され、最初に真空を用いて保持される。代替的に、センタリングされたウェハーは、静電チャック又は真空力及び静電力の組み合わせを介して保持することができる。
次に、3つの保持アセンブリ110A、110B、及び110C内のフラグ112が、ウェハーの縁部30aに接触するように半径方向に駆動される。このステップの間、真空(又は静電)保持機構が支配的であり、フラグ112の半径方向動作は副次的である。したがって、フラグ112の初期位置は、受け渡しされた位置及び保持力によって決まる。これによって、デバイスは、公称サイズ以外の様々な直径の公差を有する円形ウェハーを保持することが可能になる。1つの例では、300mmウェハーを保持するように設計されたフラグ112を有するデバイスは、301mm又は299mmの直径を有するウェハーを保持するのに用いることができる。
次に、アセンブリ110A及び110Cのフラグ112におけるブレーキ156、157は、アセンブリ110B内のフラグ112がばね160を用いてプリロード保持を維持している間適用される。2つのロックされたアセンブリ110A、110Cは、2つの固定点を規定し、アセンブリ110Bのプリロード力は、ウェハーを確実に保持する。アセンブリ110Bのプリロード力は、処理中のシステム内の任意の熱膨張又は他のゆがみに起因して確実な保持を補償及び維持する。真空(又は静電)保持機構は、この時点で除去することができる。
次に、ウェハー30が、3つのアセンブリ110A、110B、及び110Cを用いて所定の位置に機械的に保持されている間、ウェハーの処理が行われる。ウェハー30は、アセンブリ110B内のプリロード機構を解除することによって、処理の終了時又は他の任意の時点に解放される。
フラグ112は、プレート形状であり、上部チャック222の外側縁部からウェハー30の外側縁部30aまでの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する。図4A、図4B、図7A、及び図7Bにそれぞれ示すように、種々の長さを有するフラグが、200mmの直径を有するウェハー又は300mmの直径を有するウェハーを保持するのに用いられる。フラグ112の遠位縁部113は、図6Aに示すように、2つのウェハー20、30が接触したときに、下部ウェハー20に対する十分なクリアランスを提供する段部111を備える。遠位縁部113の端面113aは曲線状である。端面113aの曲率は、ウェハー30の外側縁部30aの曲率と一致し、これを補完する。遠位縁部113の端面113aは、ウェハーの縁部30aの完全性を保護し、2つの縁部表面113a及び30aが互いに接触したときに制動機能を提供する保護コーティングによってコーティングされている。このコーティングは、2つの縁部表面113a及び30a間の確実な保持摩擦も高める。縁部表面113aの保護コーティングの例には、特に、高温耐熱ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)コーティング、ポリイミドコーティング、又はテフロンコーティングが含まれる。端面113aの側面プロファイルは、図6B、図6C、及び図6Dにそれぞれ示すように、直線とすることもできるし、角度付きとすることもできるし、曲線状とすることもできる。
本発明の幾つかの実施形態が説明されてきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えることができることは理解されよう。したがって、他の実施形態も以下の特許請求の範囲内にある。
Claims (16)
- ウェハー保持システムであって、
ウェハーの縁部において該ウェハーを保持するように構成された3つの機械式保持アセンブリを備え、
前記機械式保持アセンブリのうちの2つは、前記ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、前記機械式保持アセンブリのうちの1つは、プリロード機構を介して前記ウェハーの縁部においてプリロード保持を維持するように構成されている、ウェハー保持システム。 - 前記各機械式保持アセンブリは、フラグ及び枢動駆動アームを備え、前記フラグは、駆動機構を介して前記ウェハーの縁部に接触するように半径方向に駆動される、請求項1に記載のシステム。
- ロック可能な2つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記フラグの遠位縁部は、前記ウェハーの縁部に接触するように構成され、前記枢動駆動アームは、横に移動して、前記フラグの近位端部の側面に形成されたスロットをピンと係合させるように構成されている、請求項2に記載のシステム。
- プリロード保持を維持する1つの前記機械式保持アセンブリでは、前記プリロード機構は、高温耐熱ベアリングガイド式リニアスライドを備える、請求項2又は3に記載のシステム。
- 前記各機械式保持アセンブリ内の前記駆動機構は、空気圧駆動ピストン及び駆動アームを備え、前記空気圧駆動ピストンは、前記駆動アームに接続され、該駆動アームを駆動するように構成され、前記駆動アームは、シャフト及び前記枢動駆動アームを介して前記フラグに接続されている、請求項2〜4のいずれか1項に記載のシステム。
- ロック可能な2つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記駆動機構は、可撓性ブレーキアームを駆動するように構成されたブレーキシリンダーを更に備え、前記可撓性ブレーキアームは、ブレーキング動作を、前記シャフトを介して前記枢動駆動アームに伝達するように構成されている、請求項5に記載のシステム。
- 前記可撓性ブレーキアームは、面内では硬質であるとともに面外では可撓性であるフレクチャタイプの材料を含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記フラグは、プレート形状であり、チャックによって支持され、該チャックの外側縁部から前記ウェハーの縁部までの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する、請求項2〜7のいずれか1項に記載のシステム。
- ウェハー処理システムであって、
閉鎖可能な処理チャンバーと、
前記処理チャンバーの内部に位置し、請求項1〜7のいずれか1項に記載の前記3つの機械式保持アセンブリを有する前記ウェハー保持システムを介して、ウェハーを保持するように構成された上部ブロックアセンブリと、
を備え、
前記3つの機械式保持アセンブリは、前記ウェハー処理チャンバーのカバーよりも上方に突出し、前記ウェハーの縁部において前記ウェハーを保持するとともに前記処理チャンバーの外部から調整されるように構成されている、ウェハー処理システム。 - 前記フラグは、プレート形状であり、前記上部ブロックアセンブリに備えられたチャックによって支持され、該チャックの外側縁部から前記ウェハーの縁部までの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する、請求項9に記載のシステム。
- 前記フラグの遠位縁部は、段部を備える、請求項9又は10に記載のシステム。
- 前記フラグの遠位縁部は、曲線状である、請求項9〜11のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の曲率と一致し、これを補間する曲率を有する、請求項12に記載のシステム。
- 前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の完全性を保護し、前記フラグの前記遠位縁部が前記ウェハーの縁部に接触したときに制動を提供し、前記フラグの前記遠位縁部と前記ウェハーの縁部との間に確実な保持摩擦を提供するように構成された保護コーティングを備える、請求項9〜13のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記保護コーティングは、高温耐熱ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)コーティング、ポリイミドコーティング、又はテフロンコーティングのうちの1つを含む、請求項14に記載のシステム。
- 前記フラグの遠位縁部は、直線状、角度付き又は曲線状である、請求項9〜15のいずれか1項に記載のシステム。
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