尤其用于基体的除气的设备和方法与流程

背景技术：

发明背景：

除气意指去除气体，尤其是去除（i）来自类似于水的蒸发液体的气体、或者（ii）使粘附到表面的材料升华所产生的蒸气、或者（iii）在真空技术中，一旦周围压力下降到其蒸气压力之下就从（块体）材料脱气的物质。在某些真空处理过程（尤其是真空溅射涂覆（vacuumsputtercoating）过程）中，除气是重要的过程步骤，因为残余气体可以导致沉积层的劣化粘附或者沉积物中的不想要的副产物。

人们将常压和亚常压除气区别开。如术语所暗示的，亚常压除气发生在如下环境中：周围压力可降低到大气压力之下。

已知可通过将基体加热因此增强脱气速率来加速除气。然而，这种方法对于某些类型的材料（例如塑料）而言或者在先前的过程步骤的结果可能受到（负面）影响（诸如熔化焊料凸点、翘曲或增加的不想要的扩散过程）的情况下具有其限制。可以改善泵容量以更快速地去除不想要的蒸气或气体。然而，除气过程的物理过程本身仍是主要的限制因素。为了避免在具有经限定的过程步骤次序的内处理（inlineprocessing）系统中单个基体的除气变成生产量的决定因素，有时分批地组织除气。换言之，多个基体被共同地暴露于帮助除气的环境。然而，此类可能性由于过程原因或者因为在处理环境中不存在用于此类装置的空间而并不总是存在。作为单晶片（wafer）工艺流程的一部分的分批除气器对于基体进度（scheduling）而言会是高要求的任务，并且可以减慢工艺流程。

因此，需要一种用于单独地对单个基体进行除气的设备（在下文中称为“除气器”），以便使基体（高度地）脱气。

技术背景：

可获得用于对基体进行加热和除气的若干概念。3个主要方法是：

1.通过辐射（即灯或热辐射表面）来进行加热

2.通过处于高压（＞10mbar，参见图2）的气体传导来进行加热

3.在基体被夹持到热卡盘（chuck）的情况下通过背侧（backside）气体传导来进行加热，所述夹持可以是机械边缘夹持件或esc（静电卡盘）。

现有技术的缺点

通过辐射进行加热的缺点在于虽然辐射源可以被关掉（灯）或被屏蔽（辐射表面），但温升将会取决于基体的热容量和辐射吸收以及加热系统的热惯性而继续。这对于具有聚合物层的基体而言是尤其要紧的，该聚合物层如果超过某一温度则可能被破坏。

在基体被夹持到热卡盘的情况下通过传导进行加热的缺点在于加热速率是相当低的。在如在本领域中已知的过程中，将基体夹持到热卡盘的表面并且在卡盘与基体之间的间隙中引入气体以增强热量传递。然而，在许多情况下，不能达到所要求的气体传导率，尤其是当使用机械边缘夹持件时。机械边缘夹持件还具有如下风险：在加热和脱气步骤之后，基体粘到卡盘。对于类似于玻璃上的硅（silicononglass）之类的层压基体，情况尤其如此。另外的缺点在于不允许在它们的背侧碰触某些基体以便避免污染。

在若干出版物中已经提出了通过气体传导的加热。在us6,002,109（mattson）和us6,172,337（mattson）中已特别地对此进行了描述。本申请以非常高的温度为目标，并且包括石英环（quartzring）作为绝缘体以针对辐射损耗进行保护。

us6,929,774b2、us6,423,947和us20110114623a1包括冷却位置，其中，基体能够在加热和冷却位置之间行进。虽然这可以是紧凑式布置，但这里的缺点在于在除气器中要求用于传导气体的较高容积，并且在于通过辐射而存在从热板到冷板的热损耗。

如下面将会提出的，上面具体地着眼于除气而提出的热量传递条件也可应用于各工件的冷却。在下文中应将术语“工件”理解为经受借助于本发明的腔室或设备和/或通过根据本发明的过程进行的处理的材料件或基体（可互换地使用的术语）。工件的外观可以改变，并且不应限制本发明的通用性，但是工件的外观优选地是板状工件，诸如半导体、陶瓷或玻璃晶片（glasswafer）。

另外且相对于上面提出的条件，将热处理单个独立工件还是同时地处理多于一个此类独立工件（即多于一个独立基体）是无差别的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供用于至少一个工件的替换性的加热器和/或冷却器腔室。

根据本发明，提出了一种用于至少一个工件（优选地单个工件）的加热器和/或冷却器真空腔室，由此尤其是提出了一种除气器腔室。

腔室包括包围围罩容积（即围罩内的空心空间）的围罩。在围罩容积内，提供有能够可控地加热和/或能够可控地冷却的容器，容器包围容器容积，即容器内的空心空间。

在容器容积中提供有工件保持器。气体供给线在容器容积中进行排放。在围罩中，即在围罩壁中，提供有从围罩的环境到围罩容积中的端口。尤其是如果根据本发明的腔室是除气器腔室，则所提出的端口是泵送端口，即，所提出的端口将被连接到包括所提出的腔室的相应加热器和/或冷却器设备的泵。另外，提供了至少一个能够可控地打开和能够可控地关闭的到围罩中的工件输送开口（诸如闸阀（gatevalve）），以便分别地引入和去除将要处理或已经处理的工件。

容器的内表面被定制成以紧密间隔的方式但远离工件地围绕布置在工件保持器上的工件。由此实现了围绕保持器上的工件的容器容积的最小化容积。

容器还包括从容器容积进入到围罩容积的其余部分中的能够可控地关闭和能够可控地打开的气流连接。该气流连接在打开状态中表现为对气流限制是可忽略的。

因此，打开所提出的气流连接导致容器容积和围罩容积的其余部分中的气体压力的突然均衡。

尤其是当着眼于作为除气器腔室的根据本发明的腔室时，因此考虑两个冲突的除气原理：将工件加热是最高效的，因为热量源（即容器）与将要加热的工件在空间上紧密相关。然而，脱气步骤被最高效地实现，因为在气流连接打开的同时，工件变得被宽敞的空间围绕。此类宽敞的空间，即围罩容积的剩余容积允许高的泵送剖面。低的泵送剖面将会相当大地降低从围罩容积去除气体的效率。

在根据本发明的腔室的一个实施例中，容器包括能够相互可控地结合和能够相互可控地分离的两个部分。所述部分能够遍及容器容积被分离。由此可以通过将这些部分进行宽阔地分离来容易地实现非常小的气流限制。

在刚提到的实施例的一个实施例中，腔室被定制成容纳板状工件。容器的部分能够沿垂直于板状工件的扩展表面的方向分离。在另外的实施例中，所述部分能够在邻近板状工件的周界处分离。

更一般地，工件保持器上的工件在容器的关闭位置中被保持在与所提出的部分实质上相等地间隔的位置中。在容器的打开位置中到所述部分的相应的距离与当容器被关闭时相比是实质上更大的。

在包括能够相互可控地结合和能够相互可控地分离的两个部分的实施例中，这两个部分均可以包括加热器和/或冷却器。在一个实施例中，仅一个部分包括加热器和/或冷却器。因此，容器的仅一个部分主动地对容器容积进行加热和/或冷却。在另外的实施例中，加热器是两区（twozone）加热器。

在刚提到的腔室的实施例中，即在所述部分中的仅一个包括加热器和/或冷却器的腔室的实施例中，该一个部分具有实质上小于另一部分的热质量的热质量（thermalmass）。

因此，被主动地加热和/或冷却的那一个部分快速地达到期望的温度，而另一部分充当热贮器，其一旦被加热或被冷却就可以被利用于后续施加于容器的工件的后续加热或冷却。

在具有所提到的部分中的两个的根据本发明的腔室的实施例中，工件保持器上的至少一个工件在容器的打开状态中比在容器的关闭状态中距离所述部分中的至少一个更远，优选地距离所述部分两者更远。

因此，一个或两个部分的相应热状态在容器被关闭时比在容器打开时更显著地影响工件。这与其中一个部分具有高热质量并充当热储存器或贮器的实施例相组合是特别有利的。通过当容器打开时增加工件与此类部分之间的距离，基体变得从该部分（即从贮器）热解耦。

在根据本发明的腔室的一个实施例中，容器被从围罩实质上热解耦。因此，优选地在容器的两个状态中（即在打开和关闭状态中）在容器与围罩之间避免了热流动。

在根据本发明的腔室的实施例中，在容器具有所提到的两个部分的情况下，容器的一部分是围罩的壁的一部分。因此，为了将容器的两个部分分离，相对于围罩被移动的仅仅是另一部分。

在根据本发明的腔室的一个实施例中，在容器具有如前所描述的能够分离且能够结合的两个部分的情况下，这些部分能够分离至少50mm，从而实现所提出的最小流量限制。

在根据本发明的腔室的另外的实施例中，围罩容积与容器容积的比为至少10，甚至是至少30，甚至更佳地是至少35。容器容积，甚至更佳地是至少35倍大。当容器被打开时，小的容器容积中的压力将由于容积比而突然地在本质上降低至围罩容积中的现行压力。

在根据本发明的腔室的实施例中，围罩包括用于围罩容积的冷却器件和/或加热器件，在根据本发明的腔室的另外的实施例中，围罩包括用于围罩容积的水冷却和/或加热布置。由此，一旦容器已被打开并且相对于关闭容器中的加热或冷却期间的工件温度，对工件进行冷却亦或加热。

在具有两部分容器的根据本发明的腔室的实施例中，容器的至少一个部分借助于波纹管（bellow）被可移动地连到围罩。气体供给线被布置在所述波纹管内，朝向容器并进入到容器中。波纹管是气密的，并且将环境氛围与围罩容积中的气氛分离。

根据本发明的腔室的任何数量的已描述的实施例可以被组合，除矛盾的实施例之外。

本发明还涉及一种加热器和/或冷却器设备，尤其是包括根据本发明的腔室或根据如上文概述的实施例中的至少一个的腔室的除气器设备。此类设备包括气体贮器，气体贮器在操作上连接到腔室的气体供给线，并且气体贮器容纳ar、n2、he中的至少一种。通过将气体从气体贮器供给到腔室的关闭容器中，显著地改善了工件与容器之间的热量传递。

在所述设备的实施例中，真空泵在操作上连接到腔室的端口。在其中所提出的腔室和相应设备是除气设备的情况下，一旦容器已被打开，已通过在关闭容器中加热而从工件去除的气体被真空泵从围罩去除。

在腔室和设备意图作为冷却设备的情况下，会期望在冷却过程期间在容器被关闭之前和/或在容器被打开之后从围罩去除气体。

本发明还涉及一种制造至少一个被热处理工件的方法，尤其是单个工件且尤其是至少一个被除气的工件的方法。

根据本发明的方法包括如下步骤：

-以真空压力将工件设置在工件保持器上，

-其后，将工件包围在容器中，容器以真空压力以紧密间隔的方式包围工件，

-随后，使用气体将容器中的容纳工件的容积加压至第一压力，第一压力高于真空压力，

-在包围和加压步骤之前和/或在包围和加压步骤期间冷却或加热容器，并且因此在容器的经加压容积中实现加热或冷却工件，

-在围绕容器的围罩容积中建立或维持第二压力，第二压力低于第一压力，

-在将工件包围在容器中之前和之后中的至少一个时期，将容器朝向围罩容积宽阔地打开，围罩容积被选择成实质上大于容器的容积。

在根据本发明的方法的一个变体中，在所提出的包围之前、以及在该包围期间、以及在所提出的宽阔打开之后中的至少一个时期，从围罩容积泵送气体。

在根据本发明的方法的变体中，使用he将容纳工件的容积加压到至少10mbar（1000pa）。

在根据本发明的方法的一个变体中，将容器宽阔地打开的步骤包括遍及容纳工件的容器的容积将容器的两个部分分离。

进行加热或冷却包括对所提出的部分中的至少一个的加热或冷却。

在另外的变体中，所提出的部分中的仅一个被加热或被冷却。由此，并且在变体中，被加热或被冷却的所提出的一个部分的热质量被选择成实质上小于另一部分的热质量。

在另一变体中，被加热或被冷却的所提出的一个部分被热耦合到围罩，该部分到围罩的热耦合在工件的加热或冷却期间实质上小于到容器的另一部分的热耦合。

在根据本发明的方法的另外的变体中，宽阔打开包括遍及容纳工件的容器的容积将容器的两个部分分离，工件在加热或冷却期间比在容器的宽阔打开之后被保持为实质上更靠近容器的部分中的至少一个。如所提出的所述至少一个部分在变体中被选择成是具有相对高热质量的部分。

在根据本发明的方法的另外的变体中，围罩被加热或被冷却，围罩优选地被冷却。

在根据本发明的方法的变体中，所述方法被建立成用于制造至少一个被除气工件。

在根据本发明的方法的另外的变体中，所述方法被建立成用于制造至少一个被热处理基体。

已描述的根据本发明的方法的任何数目的变体可以被组合，除矛盾的变体之外。

用于除气的根据本发明的解决方案：

如已提出的，所有热辅助除气过程具有一个冲突的原理：如果热量源与将要加热的基体在空间上紧密相关，则加热基体是最高效的。脱气步骤得以最高效地实现，如果基体被宽敞的空间围绕——低泵送剖面相当大地降低气体去除的效率。

本发明提出了用以避免那些缺点并同时允许除气器的紧凑设计的设备和过程。

附图说明

现在将借助于附图来进一步举例说明本发明。附图示出了：

图1以分割显示示意性地且简化地示出了腔室的实施例以及根据本发明的设备的实施例，腔室的实施例示出了在两个位置中的腔室，本发明的设备尤其是用于工件除气，基本上根据实际实现；

图2示出了对于两种气体（即ar和he）而言在1mm气体间隙中的关于气体的热量传递对压力的相关性；

图3示意性地且简化地示出了根据本发明且在第一、关闭位置中操作根据本发明的方法的除气器设计的示例；

图4是在第二、打开位置中的图3的除气器。

具体实施方式

图3和4示出了根据本发明的具有关闭和打开的内腔室或容器1的除气器设计的示例。除气器包括外壳体3，具有用于将要处理的基体5的可加热内容器1。内围罩，即容器1被设计成类似于夹具（clam），具有可以如图3和4中所示的那样被分离或关闭的上壳1a和下壳1b。夹具或容器1被优化成当处于关闭状态时仅以几乎不具有周围空间的方式来接收并支撑基体5，基体5诸如晶片或复合基体（扇出（fan-out）基体）。下壳1b可以显示出销、球状支撑体或异形（contoured）表面，具有用以支撑将要处理的基体的器件。

上壳1a或下壳1b可以被固定安装到外壳体3，因此仅留下另一壳作为可移动部分。当然，人们还可以将根据本发明的除气器实现为夹具，即容器1，具有均作为容器1的一部分的可移动的两个壳1a、1b。

上壳和/或下壳1a、1b应包括用于将诸如ar、n2或he的工作气体引入到间隙中以增强热量传递的器件。

当被关闭时，上壳和下壳1a、1b包封某一容积。可以例如由vitono形环将上壳和下壳1a、1b的接触区域密封。替换地，可以将上壳和下壳1a、1b相遇所处的边缘理解成不是完全地不透气的——它们允许某一量的气体从由夹具形成的间隙逸出。取决于将要处理的基体5的类型，人们可以预见到类似于馈通部（feedthrough）的甚至另外的开口以允许更多的气体的泄漏。必须注意的是，气体的涌出并不是这些泄漏的目标，因为热传输是由保留在容积中的气体来实现的。然而，脱气分子和过量气体可以具有用以逸出的限定的路径。本领域的技术人员在这种情况下将使气体的供应限制成所需的最低可能流量。

壳1a、1b是由具有良好热容量和/或传导性的材料加工而成的，因此它们可缓冲和/或传递热量。它们两者可以被例如以电学方式加热，优选地被持续不断地加热，因此壳1a、1b允许向新插入到夹具（即容器1）中的基体5快速地释放热量。图3和4中未示出用于对基体进行除气的接入端口以及泵排气装置。

在优选实施例中，上壳1a将不会被主动地加热，而是显示出大的热质量。优选地，这将是经由绝缘柱（post）被固定地安装到外围罩3的顶部的那个。大的热质量将会提供用于任何新插入的基体5的热量贮器，并且将会同时吸收由被加热的下壳1b提供的任何过量热量。在打开夹具（即容器1）并因此将夹具分离之后，热的上壳1a将比之前距离远得多，并且因此立即不像先前那样那么主动地加热基体5。如果目标是允许快速的加热和冷却，则对于（被加热的）下壳1b人们可以选择具有低热质量的材料，因此支持一旦夹具1被打开就进行冷却。本领域的技术人员将适当地或按照将要执行的过程的需要来添加热量反射器或屏蔽件。

本发明的加热和除气过程将会至少包括以下步骤：

1）打开外壳体中的内围罩以接纳基体

2）例如借助于具有适当传输器件（钳具（gripper）、叉状件（fork）……）的输送装置（handler）或机器手（robot）将基体插入到除气器中

3）将基体放置在夹具的下部分（下壳）上或将下壳向上移动，从而提升输送装置的基体

4）从夹具去除输送装置

5）使壳关闭

6）引入工作气体以便热量传递

7）一旦基体已达到期望的温度，就将夹具打开

8）脱气分子逸出到外壳体中，并且因此而经由扩大的泵送剖面/泵送截面而被非常有效地泵送离开。

将上壳和下壳1a、1b加热可通过连续不断地向夹具供给功率来实现，对基体5的消散的热量将会是在基体的装载/卸载时间和/或空闲时间期间提供的。不用说，在实际操作期间使用增强的加热来施加功率分布也是可能的。本领域的技术人员将会根据将要加热的基体的需要来实现这一点。

本发明的实际实施例可以看起来是：

内腔室7（夹具的间隙）具有3mm的高度和320mm的直径。其容积在没有si晶片（基体）的情况下为241cm³。具有100mm的内高度和400mm的直径的外腔室3在减去内腔室的外尺寸（高度40mm、直径360mm）之后具有8494cm³的容积。通过打开内腔室1，已被用于填充内腔室的气体膨胀至35倍高的容积。该压力爆发（burst）可容易地被连接到外腔室的高真空泵吸取。

如果如图4中所示提供具有51mm的宽间隙7a，则可容易地泵送必须从基体脱气的材料。在高真空中，脱气材料处于分子流态（flowregime）中，并且遵循如图4中的虚线e所指示的直视（directsight）的路径。基体5还将会由于到外腔室3的水冷却壁的辐射而冷却。也以图4中的虚线e指示的该附加效果是想要的并且还要求内腔室（即容器1）的宽的打开间隙7a。

图1以分割显示示出了更接近于实际实现的实施例。图的左部分提出了“关闭夹具”状态，在“关闭夹具”状态中，真空泵9（“涡轮”）在正在经由下壳1b来供给-11-气体的同时主要作用在外壳体3的容积上。压力传感器15可以允许控制夹具的间隙7、7a内的实际压力。可安装高温计13以控制基体5的温度。图1示出了放置在夹具内的钩状部上的基体。图1的左侧提及闸阀（gatevalve）17，闸阀17建立了到另外的围罩的可密封接口，另外的围罩将容纳可用于基体的装载/卸载的外部输送装置。

图2示出了对于诸如ar和he的两种气体而言在1mm气体间隙中的关于气体的热量传递对压力的相关性。人们可获悉将此类1mm间隙中的ar压力从100增加至1000pa将不会相当大地增强热传递。使用he而不是ar将会允许在100pa处具有至少3倍高的热量传递，并且在1000pa处甚至具有比6倍高更大的热量传递。

还可使用除气器作为纯加热站，因为外围罩内的本发明的夹具在非除气基体的情况下也将会服务于其目的。相反地，同样的结构可作为冷却站提供沿另一方向的热量传递，在冷却站中，基体可以在更大围罩内的夹具中被有效地冷却。

对于纯加热和纯冷却两者以及除气实施例是有效的，因为对于夹具的间隙中的关于气体的热量传递是有用的小容积以机械方式膨胀至允许快速去除工作气体的较大容积。另外的脱气材料是否是被去除气体的一部分仅与基体在热量传递处理之后保留在打开的下壳中的时间有关。对于运输到下一处理站而言的准则将会是外壳体中的残余压力和/或基体的温度。

技术特征概括：

一种除气器装置，包括：

1.用以在真空围罩内接纳基体的容器（夹具）

2.围绕基体以使得能够实现快速气体填充和快速泵出的该夹具内的最小容积

3.基体被放置在夹具的顶板和底板（壳）的中间

4.基体被放置在底板中的3个球状体上以使基体到板的接触最小化并允许其在加热期间进行缓和（relaxation）

5.夹具包括具有两区加热器的被加热底板（下壳）

6.将被加热底板从基板热解耦以将其从腔室热解耦

7.夹具可选地具有未被加热的顶板，顶板具有用以储存热量的某一热质量，但是顶板以其他方式被从腔室热解耦

8.夹具能够打开多达至少50mm以使得能够实现对于脱气材料的高泵送速度

9.外腔室的容积是内腔室的容积的至少10倍高，优选地是内腔室的容积的>30倍高或者甚至>35倍高

10.外腔室的壁被水冷却并引向基体以使得能够通过辐射来实现热量交换

11.可以在与冷却器几乎相同的设计中使用所述装置，其中，底板中的加热板被水冷却板替换。

一种根据本发明的使用夹具除气器的方法：

1.顶板在模块的调节期间在优选地被填充有达到10mbar（1000pa）的he的夹具关闭位置中被加热

2.除气过程由2个步骤组成：

3.在夹具关闭的情况下加热

4.在夹具打开的情况下除气

5.为了加热，使夹具填充有达到10mbar的气体，优选地填充有he

对于除气步骤，夹具被尽可能地打开，从而提供脱气材料至泵的非常直接的路径。