用于快速冷却基板的方法与装置与流程

本公开内容的实施方式大体关于基板处理设备。

现有技术

在基板上的一些器件的形成需要在各种腔室中的多种工艺。举例来说，可以执行诸如原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、蚀刻等的多种工艺，以在基板上形成或移除层结构。这些工艺中很多需要将基板加热至高温，且因必须随后冷却经处理的基板。

在可执行进一步的工艺步骤之前，一些工艺需要冷却步骤。发明人已观察到许多现有的冷却站是在高真空环境中操作，且因此需要一长段时间来冷却基板。因此，这些冷却站是基板传送工艺中(其中基板从一个腔室移动到另一个)的瓶颈。

因此，发明人提供用于更快速冷却基板的改进的冷却腔室。

技术实现要素：

本文提供用于快速冷却基板的方法及设备的实施方式。在一些实施方式中，用于冷却基板的冷却腔室包含：腔室本体，具有内部空间；基板支撑件，设置于腔室中并具有支撑表面以支撑基板；板，相对基板支撑件而设置于腔室本体中，其中基板支撑件和板可相对于彼此而在第一位置和第二位置间移动，其中当在第一位置时，基板支撑件及板设置成彼此远离，使得支撑表面曝露至第一空间，第一空间位于内部空间内，其中当在第二位置时，基板支撑件及板设置成彼此邻近，使得支撑表面曝露至第二空间，第二空间位于内部空间内，且其中第二空间小于第一空间；多个流动通道，设置于板或基板支撑件的一或多个中，以使冷却剂流动；及气体入口，用以提供气体进入第二空间。

在一些实施方式中，基板处理系统包含中央真空传送腔室；至少一个真空处理腔室，耦接至中央真空传送，以执行对于基板的工艺；及至少一个冷却腔室，耦接至中央真空传送腔室，以冷却基板。冷却腔室可包含腔室本体，具有内部空间；基板支撑件，设置于腔室中并具有支撑表面以支撑基板；板，相对基板支撑件而设置于腔室本体中，其中基板支撑件和板可相对于彼此而在第一位置和第二位置间移动，其中当在第一位置中时，基板支撑件及板设置成彼此远离，使得支撑表面曝露至第一空间，第一空间位于内部空间内，其中当在第二位置中时，基板支撑件及板设置成彼此邻近，使得支撑表面曝露至第二空间，第二空间位于内部空间内，且其中第二空间小于第一空间；多个流动通道，设置于板或基板支撑件中的一或多个中，以使冷却剂流动；及气体入口，用以提供气体进入第二空间。

在一些实施方式中，一种用于冷却基板的方法包含以下步骤：将基板放置于基板支撑件的支撑表面上，基板支撑件设置于冷却腔室的内部空间内；将基板支撑件或相对于基板支撑件设置于冷却腔室中的板的至少一个从第一位置移动至第二位置，在所述第一位置中基板放置于支撑表面上，且在所述第二位置中第二空间产生于支撑表面和板之间，第二空间小于内部空间的其余部分，且第二空间与内部空间的其余部分实质上隔绝(seal off)；使气体流入第二空间，以增加在第二空间内的压力；及使冷却剂流动穿过设置在基板支撑件或板的至少一个中的多个通道以冷却基板。

本公开内容的其他及进一步的实施方式在下文中说明。

附图说明

以上简短概述及以下更加详细讨论的本公开内容的实施方式，可通过参考附图中所描绘的本公开内容的说明性实施方式而理解。然而，附图仅说明本公开内容的典型实施方式，且因此不应考虑为范围的限制，因为本公开内容可认知有其它等同效果的实施方式。

图1描绘适合与依据本公开内容的一些实施方式的发明的冷却腔室一起使用的处理系统。

图2描绘依据本公开内容的一些实施方式的冷却腔室。

图3描绘依据本公开内容的一些实施方式的发明的冷却腔室的部分视图。

图4描绘依据本公开内容的一些实施方式的发明的冷却腔室的部分视图。

图5描绘适合与依据本公开内容的一些实施方式的发明的冷却腔室一起使用的基板支撑件的顶部。

图6描绘阐释依据本公开内容的一些实施方式的用于冷却基板的方法的流程图。

为了帮助理解，已尽可能地使用相同的元件符号以标示各图都有的相同元件。附图并非依比例绘制且为了清楚而可能简化。一个实施方式的元件及特征可有益地并入其它实施方式中而无须进一步说明。

具体实施方式

本文提供用于快速地冷却基板的方法及装置的实施方式。发明的冷却腔室的实施方式可通过减少冷却基板所需要的时间量而有利地增加产出。发明的处理腔室的实施方式可容易地更新至现存处理系统，有利地避免现存系统不必要及昂贵的修改。

图1为示例的多腔室处理系统100的概要顶视图，多腔室处理系统100可适合与本文所公开的本发明的冷却腔室一起使用。依据本文提供的教导，可合适地修改的合适的多腔室处理系统的例子包含及处理系统或可从位于加州圣克拉拉市的应用材料公司所商业取得的其他合适的处理系统。其他处理系统(包含来自其他制造商的那些处理系统)可适于被修改以从本申请中所公开的实施方式受益。

在一些实施方式中，多腔室处理系统100可大体包括真空密封处理平台102、工厂接口104及系统控制器140。处理平台可包含多个工艺腔室190A-D、至少一个冷却腔室195A-B(图1中显示为两个)及耦接至传送腔室188的至少一个负载锁定腔室(显示为两个)184。传送机器人106设置在传送腔室188的中央以在负载锁定腔室184、工艺腔室190A-D及至少一个冷却腔室195A-B之间传送基板。工艺腔室190A-D可配置为执行各种功能，包含层沉积(包含原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))、蚀刻、预清洁、除气、寻找定向及中心、退火及其他基板工艺。每一工艺腔室190A-D可包含狭缝阀或其他可选择性密封的开口，以选择性地将工艺腔室190A-D的各自的内部空间流体耦合至传送腔室188的内部空间。类似地，每一负载锁定腔室184可包含口(port)，以选择性地将负载锁定腔室184的各自内部空间流体耦合至传送腔室188的内部空间。

工厂接口104经由负载锁定腔室184而耦接至传送腔室188。在一些实施方式中，负载锁定腔室184的每一个可包含耦接至工厂接口104的第一口123及耦接至传送腔室188的第二口125。负载锁定腔室184可被耦接至压力控制系统，压力控制系统抽空负载锁定腔室184及使负载锁定腔室184通气(vent)，以便于在传送腔室188的真空环境及工厂接口104的实质周围(如，大气)环境之间传递基板。

在一些实施方式中，工厂接口104包括至少一个基座183及至少一个工厂接口机器人185(显示为一个)，以便于基板从工厂接口104通过负载锁定腔室184而传送至处理平台102进行处理。基座183配置为接收一或多个(显示为四个)前开式标准舱(FOUPs)187A-D。可选地，一或多个测量站(图未示)可被耦接至工厂接口104，以便于测量来自FOUPs 187A-D的基板。基板处理设备195也可被耦接至工厂接口104，以在基板被移动至负载锁定腔室184之前可处理基板。设置于工厂接口104的工厂接口机器人185可线性及旋转移动(箭头182)，以使盒(cassette)穿梭于负载锁定腔室184和一或多个FOUPs 187A-D之间。因为当前的冷却设备如处理平台的其他部分一样位于相同的真空环境中，冷却基板的时间受到不利地影响。发明人设计了一种冷却腔室，其中尽管冷却腔室设置于处于真空的处理平台中，冷却腔室可在具有较高的压力的环境中冷却基板，有利地减少冷却基板所需的时间。

图2描绘依据本公开内容的一些实施方式的冷却腔室200。冷却腔室200可使用于如上所述的多腔室处理系统100中或使用于其他多腔室处理系统中。冷却腔室200大体包括界定内部空间204的腔室本体、设置在内部空间204中的基板支撑件208及相对于基板支撑件而设置的板214。

基板支撑件208包含支撑表面210，以在冷却期间支撑基板212。基板212可直接置于支撑表面上或其他支撑元件上。举例来说，如图5中所示，在一些实施方式中，多个支撑元件506可被设置而相对于支撑表面210以一间隔关系支撑基板212，以最小化基板212由于与基板支撑件208的接触所产生的潜在污染。多个支撑元件506可由任何具有防止基板212的背侧污染(如颗粒生成或不希望的材料黏着于基板)的性质的材料所形成。举例来说，在一些实施方式中，多个支撑元件506为蓝宝石球。

板214相对基板支撑件208的支撑表面210而设置。在一些实施方式中，板214可设置于腔室本体202的盖体或上部中或邻近于腔室本体202的盖体或上部(如图2中所示)。基板支撑件208及板214可相对于彼此而在第一位置及第二位置间移动，在第一位置中基板支撑件208及板214设置成彼此远离(例如，如图2中所示)，在第二位置中基板支撑件208及板214设置成彼此邻近(例如，如图3中所示)。

在第一位置中，基板支撑件208的支撑表面210曝露至位于内部空间204内的第一空间206。第一空间206实质为全部的内部空间204。举例来说，第一空间206可主要地通过板214及腔室本体202的内表面所界定。在第二位置中，支撑表面210曝露至内部空间204内的第二空间(显示于图3中的第二空间306)。第二空间306小于第一空间206。举例来说，第二空间306可主要地通过板214及基板支撑件208的支撑表面210所界定。第二空间306可小于第一空间206几个数量级。举例来说，在一些实施方式中，第二空间306可小于第一空间206的10％，或小于5％或约2至3％。在一非限制性例子中，第一空间可为约9公升，且第二空间可为约0.25公升。

在一些实施方式中，板214是固定的且基板支撑件208可耦接至升降机构226，以控制基板支撑件208位于第一位置(如，图2中所示的下部位置)及第二位置(如，图3中所示的上部位置)间的位置。替代地或结合地，板214可相对于基板支撑件208而移动。在图2中所示的配置中，第一或下部位置适合用于将基板经由设置于腔室本体202的壁中的开口222而传送进出腔室。开口222可经由狭缝阀224，或用于选择性地提供通过开口222而存取腔室内部的其他机构而选择性地密封。第二或上部位置适合用于更快速地冷却基板。

包含多个升降杆的升降杆组件238可被设置为将基板212升高离开支撑表面210，以便于将基板212放置于基板支撑件208上或从基板支撑件208上移除基板212。图5描绘依据本公开内容的实施方式的基板支撑件的顶视图。如图5中所示，多个升降杆孔504显示为穿过基板支撑件208，以便于升降杆组件238的升降杆的移动。

回到图2，冷却腔室200可包含一或多个机构，以提高基板212的冷却速率。在一些实施方式中，气体源228可经由气体入口而被耦接至冷却腔室200，以提供一或多种气体至内部空间204。尽管仅一个入口显示于图2中，额外的或替代的气体入口可被设置于板214中或适合提供一或多种气体至第二空间306的其它位置中。用于一或多种气体的合适的气体的例子包含惰性气体(诸如氩(Ar)、氦(He)、氮(N₂)或类似物)，或还原气体(诸如氢(H₂)或类似物)，或是这些气体的组合。

具体而言，当基板支撑件208及板214设置成邻近彼此时，气体源228供应气体至第二空间306。提供一或多种气体至第二空间有利地便于升高第二空间306内的压力，这进而提高了从基板至冷却腔室200的围绕组件(诸如基板支撑件208及板214)的热传导速率。此外，通过提供一或多种气体至第二空间306(第二空间远小于第一空间206或冷却腔室200的内部空间204)，压力可升高，而没有显著地升高冷却腔室200整体的压力，有利地减少使整个冷却腔室加压或减压所需的时间，或在较低压的环境中依赖较慢的基板冷却速率所需的时间。

在一些实施方式中，气体入口可被设置成通过板214，以提供一或多种气体至第二空间306。举例来说，如图3中所详细地显示，在一些实施方式中，气体源228可通过穿过板214设置的中央开口304(如，气体入口)而耦接至第二空间306。盖体310可被耦接至板214的相对于内部空间204的表面上。盖体310耦接至导管314，导管314最终通向气体源228。密封或垫圈312可设置于盖体310和板214之间，以最小化或防止由气体源228提供的一或多种气体在操作期间的泄漏。也可使用在板214或其他位置中提供气体入口的其他配置。

回到图2，在一些实施方式中，环形密封件236可设置于基板支撑件208和板214之间，使得当基板支撑件208及板214位于第二位置中时，环形密封件236接触板214。环形密封件围绕基板支撑件208的支撑表面210。当基板支撑件208位于上部位置中时，环形密封件236用以实质隔绝板214和支撑表面210间所界定的第二空间。因此，环形密封件236便于控制第二空间306和内部空间204的其他部分间的隔离量，使得提供至第二空间306的一或多种气体以低的、受控的速率流入内部空间的其余部分。

在一些实施方式中，环形密封件236设置在基板支撑件208中。在一些实施方式中，基板支撑件208可包含环绕支撑表面210的外环232。外环232包含环形槽234，环形槽234保持环形密封件236。举例来说，如图3中所示，当基板支撑件208位于第二位置中时，环形密封件236实质使第二空间306与冷却腔室200的内部空间204的其余部分隔绝。

在一些实施方式中，第二环形密封件302可设置于外环232和基板支撑件205之间，以确保在第二空间306中的经压缩的一或多种气体不会从外环232的下方流入内部空间204的其余部分。举例来说，第二环形密封件302可设置于外环232的底表面中的第二环形槽308中。替代地，第二环形密封件302可部分地或完全地设置于形成在基板支撑件208中的槽内。

图4描绘当基板支撑件在图3中所示的第二位置中时，围绕外环232的区域的放大图，以更清楚地显示用于控制一或多种气体从第二空间306流入内部空间204的其余部分中的特征。如图4中所示，环形通道402设置于外环232和基板支撑件208之间。举例来说，环形通道402可界定于邻近于支撑表面210的外环232的部分内径和基板支撑件208的支撑表面210的外径之间。环形通道402以相对于板214的方向延伸。

至少一个穿孔404可设置成从外环232的周缘表面通到环形通道402而穿过外环232。至少一个穿孔404和环形通道402将第二空间306流体耦合至内部空间204的其余部分。举例来说，图5描绘依据本公开内容的实施方式的基板支撑件的顶视图。如图5中所示，三个穿孔404显示为从环形通道402延伸至外环232的周缘边缘。尽管三个穿孔404显示于图5中，任何数量的穿孔(如，一个或两个)可被设置以控制气体从第二空间306至内部空间204的其余部分的流动。

回到图4，在一些实施方式中，环形通道402是实质上垂直的且至少一个穿孔404是实质上水平的(如，环形通道402和至少一个穿孔404可彼此垂直)。至少一个穿孔404可包含外区域406，外区域406的直径大于穿孔404的直径。于图4中所描绘的箭头阐释依据本公开内容的一些实施方式的气体流动路径，其中冷却腔室的内部空间204维持在第一气压，而第二空间306维持在第二气压，第二气压大于第一气压。如图4中所示，所产生的流动路径提供气体从第二空间306至内部空间204的其余部分的阻流(choked flow)。

回到图2，在一些实施方式中，板214的面向内部空间表面可经调整轮廓以便于在第二空间306内提供平滑的、层流的(laminar)的及更均匀的气体流动。举例来说，板214面对第二空间的表面可为凹面的，以形成浅碗或漏斗状，而于靠近基板支撑件208(及板214)的中央轴提供遍布第二空间306的更大的厚度，及在中央轴径向向外的位置处提供遍布第二空间306稍微减少的厚度。在一些实施方式中，板214的厚度从中央开口304向外增加，以提供板214的面向第二空间的表面的凹面形状。

在一些实施方式中，板214或基板支撑件208的至少一个可能包含一或多个流动通道，以使冷却剂流动，进而增加基板212的冷却速率。举例来说，如图2中所示，基板支撑件208可包含设置在基板支撑件208中的一或多个流动通道218，举例来说，所述流动通道218位于支撑表面210下方。冷却剂源216可耦接至一或多个流动通道218，以供应冷却剂至流动通道218。替代地或结合地，板214可包含一或多个流动通道230，流动通道230可耦接至冷却剂源216或第二冷却剂源231(如图2中所描绘)。

在一些实施方式中，气体源220可被耦接至基板支撑件208，以通过支撑表面210中的开口(显示于图5中)供应背侧气体，支撑表面210可包含多个槽(图未示)，以改善背侧气体循环。提供背侧气体可通过改善基板和基板支撑件208间的热传导而进一步提高基板212的冷却速率。举例来说，图5描绘依据本公开内容的实施方式的基板支撑件的顶视图。如图5中所示，基板支撑件208可包含中央开口502，以当基板212设置于基板支撑件208上时，使背侧气体流动至设于支撑表面210和基板212的背侧之间的区域。中央开口502与气体源220流体连通，以使背侧气体流动进入支撑表面210和基板212的背侧之间的空间，进而改善基板的冷却。

回到图2，在一些实施方式中，控制器250可被设置以控制冷却腔室200的操作。控制器250可为任何形式的可用于控制各种腔室和子处理器的工业设定中的通用目的计算机处理器的一种。CPU 252的存储器或计算机可读介质256可为本地或远程的容易获得的存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式的数字储存器。支持电路254耦接至CPU 252，用于以现有方式支持处理器。这些电路包含高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路和子系统，及类似物。

本文公开的方法可大体被储存于存储器256中作为软件例程258，当由CPU 252执行时，软件例程258使得冷却腔室200执行本公开内容的工艺。软件例程258也可通过第二CPU(图未示)而被储存及/或执行，第二CPU位于由CPU 252所控制的硬件的远端处。本公开内容的一些或全部的方法也可在硬件中执行。因此，本公开内容的实施方式可以以软件实施并使用计算机系统而以作为(如)专用集成电路的硬件或其他种类的硬件实施而执行，或作为软件和硬件的组合而执行。软件例程258可在基板212被放置于基板支撑件208上后而执行。当由CPU 252执行软件例程258时，软件例程258将通用目的计算机转换成专用目的计算机(控制器)250，专用目的计算机(控制器)250控制腔室的操作，使得本文公开的方法被执行。

图6描绘阐释依据本公开内容的一些实施方式的方法600的流程图。方法600可通过如上所讨论的控制器250而实施。方法600大体开始于步骤605，在步骤605中基板212被放置于基板支撑件208的支撑表面210上。升降杆组件238延伸穿过多个升降杆孔504，以接收基板212并接着降低以允许基板212放置于支撑表面上(如，直接地放置于支撑表面上或放在多个支撑元件上)。

在步骤610，基板支撑件208和板214的相对位置由第一位置(如，图2)移动至第二位置(如，图3、4)，第一位置便于将基板212放置于基板支撑件208上及从基板支撑件208上移除基板212，在第二位置中设置于外环232中的环形密封件236接触板214的周缘，以实质使第二空间306与冷却腔室200的内部空间204的其余部分隔绝。在一些实施方式中，基板支撑件208被移动而板214被固定。在一些实施方式中，除了基板支撑件208以外，板214可移动，或者板214可移动而基板支撑件208是固定的。

在步骤615，气体从气体源228经过板214的中央开口304，并流进第二空间306。流进第二空间306的气体将第二空间306内侧的压力增加至高于内侧空间204压力的压力。气体接着从第二空间306经过环形通道402及经过至少一个穿孔404而流进内部空间204的其余部分。为了更易于维持第二空间306内侧的增加的压力，而不大量地升高内部空间204内的压力，环形通道402和至少一个穿孔404经调整尺寸及调整形状以产生阻流。增加的压力改善基板212和支撑表面210间的接触区域，此导致了于基板212和支撑表面210间改良的传导。此外，增加的压力通过从基板到板214的气体而改善传导，进一步提高基板的冷却速率。

在步骤620，冷却剂可流经基板支撑件208中的一或多个流动通道218、板214中的一或多个流动通道230或两者，以更快速地冷却基板212。冷却剂可包含任何已知的冷却剂，诸如(举例来说)水，诸如去离子(DI)水、合适的全氟聚醚(PFPE)流体(诸如)或类似物。

在步骤625，从气体源228和气体源220流出的气体被停止，且基板支撑件208移动回到第一位置，以便于从基板支撑件移除基板212。在第一位置中，升降杆组件238延伸穿过多个升降杆孔504，以将基板212举起离开支撑表面210，进而便于基板212的移除。

尽管上文所描述的关于在耦接至真空处理工具的腔室中快速地冷却基板，本文所描述的装置也可通过提供加热器或以所需的温度通过流动通道218、230流入传热流体而相反地用于快速地加热基板。

尽管以上针对本公开内容的实施方式，但可在并未背离本公开内容的基本范畴的情况下设计本公开内容的其它及进一步的实施方式。