专利名称：用于半导体加工设备的形状记忆合金顶升杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于升降诸如半导体晶片或平板显示基片等基片的顶升杆装置。
目前有各种设备用于半导体的离子注入，溅射，快速热处理(RTP)，光刻，化学汽相淀积(CVD)以及平板显示制造工艺，在这些工艺中完成蚀刻，除去抗蚀层，钝化，淀积等工艺过程。在这些系统中必须用顶升杆机构传送和/或支承基片。这种顶升杆机构可用于在基片的传输及对基片进行热、化学、光学或其它处理过程中暂时对基片进行支承。
在许多这种半导体制造工艺中都利用等离子体的产生。等离子体产生设备包括如共同拥有的美国专利No.4,340,462中所公开的平行板反应器，共同拥有的美国专利No.5,200,232中所公开的电子回旋共振系统(ECR)以及在共同拥有的美国专利No.4,948,458中所公开的电感耦合等离子体系统。在这些等离子体加工系统中，通常将欲被处理的基片支承在一个位于等离子体加工室的一部分内的基片座上。此外，传统上利用机械和/或静电夹紧机构将基片固定在基片座上。在美国专利No.4,615,755中公开了一种机械式夹紧系统的一个例子，在美国专利No.4,554,611中公开了一种静电夹持机构(ESC)的一个例子。
为了将一个基片，例如一个晶片传送到基片处理室内，传统上利用如在美国专利No.4,431,473，4,790,258，4,842,683及5,215,619等中所公开的机械手和顶升杆装置。为了将晶片降落到基片座上，传统上利用如美国专利No.4,431,473中所公开的顶升杆机构，其中四个顶升杆设置在一个与呈晶片形式的基片同心的圆形型板上。如
图1所示，晶片2被支承在一个机械手4上，一个具有四个顶升杆6的顶升杆机构8位于晶片的下方。如图2所示，该顶升杆机构可用于一个具有一入口装载锁合装置12，一个基片处理室14和一个出口装载锁合装置16的半导体处理设备10中。
顶升杆装置存在的一个问题在于它们是非常精密的，而且在很多情况下顶升杆极易被弄弯，例如，在维修基片座时，在对基片进行调整时，在机械手/静电夹持机构/夹紧系统出现故障时，以及对基片传送系统进行手工操作时，顶升杆都有可能被弯折。一旦出现弯折，必须将顶升杆卸下以便进行修复。通常，顶升杆组件必须被彻底更换，因为任何修复将要求非常精密、精确的操作。此外，与顶升杆的弯折相关的问题会造成(1)降低系统正常工作时间，(2)加长平均修复时间(MTTR)，(3)增加维修/部件成本，及(4)可能增大处理器中的微粒水平。
因此就需要一种有关顶升杆装置的技术，它具有更长的寿命，同时消除了顶升杆的现有技术中存在的缺陷。因此，一种其顶升杆具有较长的MTTR(平均修理时间)和/或可就地修理潜力的顶升杆装置将会克服在本技术领域这一长期存在的问题。
本发明提供了一种基片处理设备的顶升杆机构的顶升杆，其中每个顶升杆均由一种具有记忆形状的形状记忆合金制成。该形状记忆合金最好可由马氏体状态转变到奥氏体状态，同时，通过将顶升杆加热到一个该形状记忆合金转变到奥氏体状态的温度，可将该顶升杆从已变形的形状恢复到它所记忆的形状。形状记忆合金可具有一个例如高于或低于环境温度的马氏体-奥氏体的转变温度。
顶升杆最好支承于一个构成基片处理设备的部分基片座的升降台上，其中，升降台可沿竖直方向在上、下位置之间运动。升降台可以进行这样的运动，即，当升降台位于上面的位置时，顶升杆具有一个位于基片座的基片支承表面上方的上表面，而当升降台位于下面的位置时，顶升杆的上表面位于基片支承表面的下方。因而，当升降台从下面的位置移动到上面的位置时，部分顶升杆穿过基片座中的一个顶升杆孔。当顶升杆孔同时起着向基片的下侧提供热传送气体的作用时，为了允许适当的气体通过，顶升杆可具有一个填充顶升杆孔的55-75％的横截面。该顶升杆可以是一个被压配合在升降台内的线性延伸的圆柱销，升降台可以由如塑料、陶瓷或金属或它们的复合材料等各种材料制成。
本发明还提供了一种在一个基片处理室内将基片从一个支承表面移到另一个支承表面并任选地处理该基片的方法。在一个实施例中，所述方法包括(1)移动一个支承待处理的基片的机械手，使得该基片被传送到基片处理室内的一个进行处理的位置，(2)将具有多个顶升杆的升降台升高到一个上面的位置，在该位置处基片被支承于顶升杆的上端上，每个顶升杆实质上由一种具有已记忆的形状的形状记忆合金构成，(3)将机械手撤离基片，(4)将升降台降低到一个下部位置，在该位置处基片被支承在基片处理室内的基片座上，(5)将基片紧固在基片座上，(6)处理基片，(7)松开基片，(8)把升降台提升到上面的位置，和(9)将基片传送出基片处理室。
在另一个实施例中，在将基片从基片处理设备的一个处理位置传送到另一个处理位置的过程中，基片被支承于顶升杆上。例如，该方法包括(1)移动支承一待传送的基片的第一机械手，从而将基片从第一处理位置传送到一个中间待运位置，(2)将一个具有多个顶升杆的升降台升高到一个上面的位置，在该位置处，基片被支承在顶升杆的上端上，每个顶升杆实质上是由具有已记忆的形状的形状记忆合金构成的，(3)将第一机械手从基片撤离，(4)将一个第二机械手移到一个接受基片的位置，(5)将升降台降低到一个下面的位置，使得基片由第二机械手支承，以及(6)将基片从中间待运位置传送到一个第二处理位置。
利用由形状记忆合金做成的顶升杆可以完成这种传送或处理过程，其中该形状记忆合金可以在高于或低于环境温度的某一温度由马氏体状态转变为奥氏体状态，同时，通过对顶升杆加热或者在某一温度操作使顶升杆处于使形状记忆合金转变到奥氏体状态的温度的设备，可使顶升杆由变形的形状恢复到它所记忆的形状。因而，所述方法可包括通过将顶升杆加热到形状记忆合金从马氏体状态转变到奥氏体状态的温度而把至少一个顶升杆从变形的形状恢复到其所记忆的形状的恢复过程。
在于基片处理室内处理基片的情况下，基片的处理工序可在低温、环境温度或高温下进行。在这种方法中，当升降台从下面的位置移到上面的位置时，每一个顶升杆可以穿过一个位于水冷基片座内的顶升杆孔，而且每个顶升杆可具有一个占据顶升杆孔的55到75％的横截面。在销和孔之间的空间可允许在基片和基片座之间提供压缩的冷却气体，以便可以对基片进行温度控制。
图1表示一个现有技术的顶升杆机构的透视图，该机构可以和根据本发明的形状记忆合金顶升杆相结合；
图2是表示一个现有技术的半导体加工设备的剖视图；以及图3是表示一个根据本发明的顶升杆机构的剖视面。
本发明提供了一种用于基片处理设备的顶升杆机构，其中，该顶升杆具有极高的弹性和可进行热恢复的性能，这样可以不用从顶升杆装置上拆卸下受损的顶升杆就可将其重新矫直。根据本发明，顶升杆是由以镍-钛系统(例如，镍钛诺，一种含有53～57wt％镍的Ni、Ti合金，可含有或不含有其它合金元素)为基础的超弹性和/或形状记忆合金构成的。这种材料表现出“超弹性效应”，如果它经受一个足以引起实质性弯曲的机械应变(例如，超过3％的应变)，当引起应变的力一消除时，该材料就将立即恢复到其原来的形状。因而，在一个顶升杆装置中，可用一种超弹性合金的细丝构成一个顶升杆装置，它可以适应顶升杆极大的弯曲而不会造成它永久性的变形。此外，如果顶升杆发生变形，可用该合金的受热恢复性恢复该顶升杆的原始形状。
众所周知，超弹性效应是通过应力诱导马氏体的形成而产生的。这就是，当对一个呈现应力诱导马氏体的形状记忆合金在高于Ms的温度(从而奥氏体状态开始是稳定的)但在低于Md的温度(即使在应力下也可形成马氏体的最高温度)的情况下施加力时，它首先发生弹性变形，然后在一个临界应力，通过应力诱导马氏体的形成开始发生弹性相变。通过释放所加的应力，应力诱导马氏体发生相变回复到奥氏体，并且材料恢复到其原有的形状。从而，这种材料可以从大于3％并可能从高达6％或8％的应变弹性地复原，而绝大部分传统材料在经受1％的应变时便会发生永久形变。但是，如果应力足够大，使得形状记忆合金材料在去除应力之后停留在一个发生变形的形状时，只要该材料具有一个“记忆住”的形状，而且变形量不过大，则通过简单地将材料加热到其奥氏体状态就可使其恢复到它所记忆的初始形状。
在美国专利No.4,665,906和由T.W.Duerig等人发表于材料研究协会公报MRS Int′l Mtg.on Adv.Mats.，Vol.9(1980)上的题为“形状记忆效应的研究”的文章中，对形状记忆合金的效应和应力诱导奥氏体相变进行了讨论。此外，例如K.Otsuka在SPEY 14(1985年1月)中的题为“利用超弹性的节能材料的发展状况”一文中所描述的，形状记忆合金的热处理一般是通过在高温下进行固溶处理，接着在水中快速淬火，以便获得一个导致形状记忆效应出现的高温单一相。然而，这种合金的超弹性可通过将该材料进行老化以产生微细的析出物而得到提高，如Otsuka等人所指出的那样。
形状记忆合金从马氏体到奥氏体状态的相变温度可通过适当的形变热处理和/或形状记忆合金的合金化加以调节。例如美国专利No.4,894.100公开了一种Ni-Ti-V合金，其中，通过改变Ni/Ti比和V的含量可调节Ms温度。该′100号专利公开了通过将Ni/Ti比调节到0.96-1.02可获得20至70℃的Ms，而通过将Ni/Ti比调节到1.0-1.06可获得-150至20℃的Ms。当在冷加工后将这种合金在425-525℃的温度下进行热处理时，可获得-10至20℃的Ms。因此，根据本发明，可利用各种合金和对它们进行的形变热处理提供所述顶升杆。
根据本发明，顶升杆可以由一种形状记忆材料，例如镍钛诺，构成，通过适当的形变热处理将该材料形成一种记忆的形状。例如，所述顶升杆可以是一种线性延伸的圆柱形镍钛诺销，它具有一个不大于25℃，例如为5℃的Ms。但是，如果需要，所述顶升杆可具有大于25℃的Ms。根据一个优选实施例，所述顶升杆在这样一种环境下工作，在该环境下，顶升杆通常处于奥氏体状态下。因而，由于它具有形成应力诱导马氏体的能力，所述顶升杆将表现出超弹性效应。然而，所述顶升杆也可用于该顶升杆处于马氏体状态的环境下。在任何情况下，如果顶升杆在马氏体状态的形变超出了其弹性极限，只要简单地将该顶升杆加热到奥氏体状态就可使顶升杆恢复到它们所记忆的形状。
顶升杆装置可用于基片处理设备的各种部分，例如用于装载锁合装置和/或基片处理室内。基片可用机械手或其它合适的机械传送到这样一个位置，在该位置处顶升杆将基片提升，使其脱离机械手的一个支承表面，使机械手收回，并将基片降落到同一个或另一个机械手的一个表面上，或降落到一个基片座上，或其它类似的机构上。
基片处理室可用来对支承在基片座上的基片进行各种处理，例如蚀刻，淀积，除去抗蚀层，光刻，CVD，RTP，离子注入或溅射或类似的处理等等。例如，如果基片包括一个半导体晶片，则可在基片处理室内完成诸如多晶硅，氧化层或例如铝或钨等金属的蚀刻层。在氧化腐蚀的情况下，基片处理室内的温度可保持在0℃以下，例如大约-20℃。在这种情况下，如果顶升杆的Ms为5℃，则在蚀刻过程中，顶升杆将处于马氏体状态，这时，如果由于在将晶片传送入基片处理室或从其中传送出来时，或者使晶片与基片座接触或脱离时所进行的运动和/或支承而造成顶升杆变弯时，只要简单地令基片处理室将顶升杆加热到室温，顶升杆就会恢复到它们原来所记忆的笔直状态。因而，顶升杆将从马氏体状态相变到奥氏体状态，并由于马氏体到奥氏体的相变，顶升杆会自动变直。也可以采用其它技术，例如对顶升杆通以足够的电流或者用热风机对顶升杆加热来达到使其热恢复到它所记忆的形状的目的。
在基片处理室内对基片进行处理的过程中，可用任何适宜的约束装置将基片支承在基片座上。例如，基片座可装有一个静电夹持或ESC装置，用以将基片紧固在基片座上。或者，可装配一个机械夹紧机构将基片保持在基片座上。例如，如果基片包括一个半导体晶片，可将晶片用一个夹紧环紧固在基片座上。
在某些基片处理过程中，通常令氦气流过基片的下侧和基片座之间来冷却基片的背面或反面。为了将基片提升到基片座之上而使顶升杆穿过的孔可起着允许氦气流过基片座而与基片下侧相接触的辅助作用。根据本发明，当升降台组件位于底部位置时，顶升杆至少部分地保持在基片座上的孔内，而顶升杆与孔之间的空隙使得有足够的氦气流到基片的背面。
现参考下面的例子对本发明加以说明。然而，本发明可以以其它顶升杆装置加以实施。其中，不同的顶升杆尺寸、横截面、顶部几何形状和Ms温度以及顶升杆装置的部件对于本领域的工作人员来说都是一目了然的。
根据图3所示的本发明的一个实施例，顶升杆为具有Ms为5℃的镍钛诺。如图3所示，顶升杆20包括压配合到升降台22的四个孔中的细丝。升降台22包括一个中心孔24，一个螺栓通过该孔将升降台22连接到一个气动或机械致动机构26上。在所示的实施例中，升降台22的厚度约为0.2英寸，直径约为1.6英寸，顶升杆20位于由升降台22的外周缘向内约0.1英寸处。这样，顶升杆的对角线间距约为1.4英寸。升降台还包括一个定位孔28，用于当把升降台22组装到等离子体处理设备中时，使升降台22与致动机构26上的相应孔30对准。顶升杆的长度约为1英寸，半径约为0.03英寸。顶升杆穿过基片处理室内基片座34上的相应孔32，基片座上的这种孔的直径约为0.04英寸。因而，在顶升杆的周边和基片座上的孔32的内周边之间有足够的空隙，以便容许如氦气等的适当的冷却气体流过并与在基片处理室内进行处理的基片36的反面侧相接触。顶升杆的横截面与基片座上相应孔的横截面之比可以在55至75％的范围内，最佳选择大约为60％。然而，当不利用顶升杆孔在基片和基片座之间提供如氦气等的冷却气体时，在顶升杆与顶升杆孔之间可具有任意的间隙。
上面描述了本发明的原理、优选实施例和操作方式。然而，本发明不应被认为仅限于上面所讨论过的特定实施例。因此，上面所描述的实施例应被看作是解释性的而非限制性的，同时应当理解到，熟悉本领域的工作人员可以做出各种变型而不超出下面的权利要求书所界定的本发明的范围。
权利要求
1.一种基片处理设备的顶升杆机构中的顶升杆，所述顶升杆实质上由一种具有记忆形状的形状记忆合金构成。
2.如权利要求1所述的顶升杆，其特征在于，所述形状记忆合金可由马氏体状态相变到奥氏体状态，通过将所述顶升杆加热到形状记忆合金相变到奥氏体状态的温度，所述顶升杆可以从变形的形状恢复到它所记忆的形状。
3.如权利要求1所述的顶升杆，其特征在于，所述形状记忆合金是一种具有低于环境温度的从马氏体到奥氏体的相变温度的镍钛合金。
4.如权利要求1所述的顶升杆，其特征在于，所述顶升杆支承于构成基片处理室内基片座的一部分的升降台上，所述升降台可在上面的位置和下面的位置之间垂直运动，所述顶升杆具有一个上表面，当升降台位于上面的位置时，所述顶升杆的上表面位于基片座的基片支承表面的上方，而当所述升降台位于下面的位置时，所述顶升杆的上表面位于所述基片支承表面的下方。
5.如权利要求4所述的顶升杆，其特征在于，当所述升降台从所述下面的位置移动到所述上面的位置时，所述顶升杆的一部分穿过所述基片座上的一个孔。
6.如权利要求5所述的顶升杆，其特征在于，所述顶升杆具有一个填充所述顶升杆孔的55至75％的横截面。
7.如权利要求1所述的顶升杆，其特征在于，所述顶升杆支承在一个基片处理设备的升降台上，所述升降台可沿竖直方向运动。
8.如权利要求1所述的顶升杆，其特征在于，所述顶升杆是一个线性延伸的圆柱销，它被压配合到一个顶升杆机构的升降台上。
9.如权利要求8所述的顶升杆，其特征在于，所述升降台是由塑料、陶瓷或金属材料制成的。
10.一种在基片处理室内处理基片的方法，包括将待处理的基片移动到基片处理室内的一个处理位置上；将一个具有多个顶升杆的升降台提升到一个上面的位置，在该位置处，所述基片被支承在所述顶升杆的上端上，每一个所述顶升杆实质上由具有它所记忆的形状的形状记忆合金构成；将所述升降台降低到一个下面的位置，在该位置处，所述基片被支承在基片处理室内的一个基片座上；利用处理工艺处理所述基片；将所述升降台提升到上面的位置；以及将所述基片传送出基片处理室。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形状记忆合金是一种镍钛合金，它可由马氏体状态相变到奥氏体状态，通过将所述顶升杆加热到形状记忆合金相变到奥氏体状态的温度，所述顶升杆可以从一个变形的形状恢复到它所记忆的形状。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，处理基片的步骤在不高于0℃的温度下进行。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，处理基片的步骤在不低于0℃的温度下进行。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当升降台从下面的位置移动到上面的位置时，每一个所述顶升杆均通过一个位于基片座上的孔。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，每一个顶升杆均具有一个横截面，所述横截面至少相当于所述孔的横截面的55％。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，每一个顶升杆的横截面不大于所述孔的横截面的75％。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述顶升杆延伸穿过基片座上的孔，当升降台降低到下面的位置时，所述顶升杆的至少一部分位于所述孔内。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还进一步包括通过将顶升杆加热到所述形状记忆合金从马氏体状态相变到奥氏体状态的温度，使至少一个所述顶升杆从变形的形状恢复到它所记忆的形状。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形状记忆合金具有一个不低于25℃的从马氏体状态到奥氏体状态的相变温度。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述形状记忆合金具有一个高于25℃的从马氏体状态到奥氏体状态的相变温度。
21.一种在基片处理设备内传送基片的方法，包括将待处理的基片移动到基片处理设备的第一处理位置；将一个具有多个顶升杆的升降台提升到一个上面的位置，在该位置处，所述基片被支承在所述顶升杆的上端上，每一个所述顶升杆实质上是由具有它所记忆的形状的形状记忆合金构成的；通过把升降台降低到使基片被支承于支承表面上的下面位置，将基片移动到一个第二处理位置；将基片紧固到基片座上；利用处理工艺对基片进行处理；将基片松开；将升降台提升到上面位置；以及将基片传送出基片处理室。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述形状记忆合金是一种镍钛合金，它可以从一种马氏体状态相变到一种奥氏体状态，通过将所述顶升杆加热到所述形状记忆合金相变到奥氏体状态的温度，所述顶升杆可从变形的形状恢复到它所记忆的形状。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述形状记忆合金具有一个不低于25℃的马氏体到奥氏体的相变温度。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述形状记忆合金具有一个高于25℃的马氏体到奥氏体的相变温度。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述支承表面是一个可移动的机械手的上表面。
全文摘要
一种用于半导体加工设备中的顶升杆装置,其中,顶升杆是由形状记忆合金制成的。该顶升杆显示出超弹性/或形状记忆效应,从而使得这种顶升杆可以承受相当大的弯曲力而不产生永久形变,同时,当顶升杆发生变形时,通过简单地将该顶升杆加热到一个适当的温度就可以使其重新变直。
文档编号G03F7/20GK1209216SQ96180033
公开日1999年2月24日 申请日期1996年12月18日 优先权日1995年12月22日
发明者保罗·凯文·舒富勒波塔姆, 克里斯托弗·格里芬 申请人:兰姆研究公司