DE69836531T2

DE69836531T2 - Magnetisch aufgehängtes rotorsystem für eine rtp kammer

Info

Publication number: DE69836531T2
Application number: DE69836531T
Authority: DE
Inventors: V. James Fremont TIETZ; Benjamin Fremont BIERMAN
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: EP1744356A1; WO1998052214A2; EP0917731A2; JP2000515331A; WO1998052214A3; DE69836531D1; JP4709335B2; TW426873B; KR100611611B1; US6157106A; ATE347174T1; KR20000023849A; EP0917731B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kammern zur schnellen thermischen Behandlung (RTP – Rapid Thermal Processing), und insbesondere auf Grundelemente einer RTP-Kammer, die ein magnetisch schwebend gehaltenes Rotorsystem verwendet.
Die RTP-Systemtechnologien wurden entwickelt, um den Fertigungsdurchsatz von Wafern zu steigern, während ihre Handhabung minimiert wurde. Zu den Waferarten, auf die hier Bezug genommen wird, gehören solche für ultra-große integrierte Schaltungen (ULSI – Ultra-Large Scale Integrated). Die RTP bezieht sich auf mehrere unterschiedliche Verfahren, zu denen eine schnelle thermische Glühbehandlung (RTA – Rapid Thermal Annealing), die schnelle thermische Reinigung (RTC – Rapid Thermal Cleaning), die schnelle thermische chemische Gasphasenabscheidung (RTCVD – Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition), die schnelle thermische Oxidation (RTO – Rapid Thermal Oxidation) und die schnelle thermische Nitrierung (RTN – Rapid Thermal Nitridation) gehören.
Die Gleichförmigkeit des Verfahrens über der Oberfläche des Substrats während der thermischen Behandlung ist für die Herstellung von gleichförmigen Bauelementen ebenfalls kritisch. Beispielsweise sind bei der speziellen Anwendung der dielektrischen Gate-Bildung bei komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) durch RTO oder RTN die Dicke, die Wachstumstemperatur und die Gleichförmigkeit der Gate-Dielektrika kritische Parameter, welche die gesamte Bauelementleistung und Herstellungsausbeute beeinflussen. Gegenwärtig werden CMOS-Bauelemente mit dielektrischen Schichten hergestellt, die nur 60 bis 80 Å (10^–20 m) dick sind und deren Dickengleichförmigkeit innerhalb weniger Prozent gehalten werden muss. Dieses Gleichförmigkeitsniveau erfordert, dass Temperaturänderungen über dem Substrat während der Hochtemperaturbehandlung wenige Grad Celsius (°C) nicht überschreiten können. Deshalb sind Techniken, die die Temperaturungleichförmigkeit minimieren, von großer Bedeutung.
Bei einem RTP-Verfahren werden Wafer in eine Behandlungskammer bei einer Temperatur von mehreren Hundert °C in einer Umgebungsatmosphäre aus gasförmigem Stickstoff (N₂) geladen. Die Temperatur des Wafers wird auf Reaktionsbedingungen angehoben, gewöhnlich auf eine Temperatur im Bereich von etwa 850°C bis 1200°C. Die Temperatur wird unter Verwendung einer großen Anzahl von Wärmequellen gesteigert, beispielsweise Wolframhalogenlampen, die den Wafer durch Strahlung erhitzen. Vor, während und nach dem Temperaturanstieg können reaktive Gase eingeführt werden. Beispielsweise kann für das Wachsenlassen von Siliciumdioxid (SiO₂) Sauerstoff eingeführt werden.
Wie erwähnt, möchte man eine Temperaturgleichförmigkeit in dem Substrat während der Behandlung erreichen. Die Temperaturgleichförmigkeit sorgt für gleichförmige Prozessvariable in dem Substrat (beispielsweise Schichtdicke, spezifischer Widerstand und Ätztiefe) für verschiedene Prozessstufen, wozu die Filmabscheidung, Oxidwachstum und Ätzen gehören.
Zusätzlich ist eine Temperaturgleichförmigkeit in dem Substrat erforderlich, um durch Wärmespannung induzierte Waferschäden, wie Verwerfung, Defekterzeugung und Abgleiten, zu vermeiden. Diese Art von Schaden wird durch thermische Gradienten verursacht, die durch Temperaturgleichförmigkeit minimiert werden. Der Wafer kann häufig während der Hochtemperaturbehandlung kleine Temperaturunterschiede nicht tolerieren. Wenn beispielsweise der Temperaturunterschied über 1 bis 2°C/cm bei 1200°C ansteigen darf, ist es sehr wahrscheinlich, dass die daraus resultierende Spannung ein Abgleiten des Siliciumkristalls herbeiführt. Die sich ergebenden Abgleitebenen stören alle Bauelemente, durch die sie hindurchgehen. Um das Niveau der Temperaturgleichförmigkeit zu erreichen, sind zuverlässige Ist-Zeit-, Mehrpunkt-Temperaturmessungen für eine Temperaturregelung mit geschlossener Schleife erforderlich.
Ein Weg für das Erreichen einer Temperaturgleichförmigkeit besteht darin, das Substrat während der Behandlung zu drehen. Dies entfernt die Temperaturabhängigkeit längs des Azimut-Freiheitsgrads. Diese Abhängigkeit wird entfernt, da, wenn die Achse des Substrats kolinear zur Drehachse ist, alle Punkte längs irgendeines Rings des Wafers (auf irgendeinem beliebigen Radius) der gleichen Bestrahlungsstärke ausgesetzt sind. Durch Bereitstellen einer Anzahl von Pyrometern und eines Rückkoppelungssystems kann auch die restliche radiale Temperaturabhängigkeit ausgeschlossen und eine gute Temperaturgleichförmigkeit erreicht und über dem gesamten Substrat aufrechterhalten werden.
Ein Beispiel einer Bauweise eines mechanischen Rotationssystems, das heute in Verwendung ist, ist in 1 gezeigt. Das so gebaute System ist ähnlich zu denjenigen, die heutzutage von Applied Materials, Inc., Santa Clara, CA, benutzt und verkauft werden. Bestimmte Einzelheiten solcher Systeme ergeben sich aus dem US-Patent 5,155,336 mit dem Titel "Rapid Thermal Heating Apparatus and Method" (Schnelle thermische Heizvorrichtung und schnelles thermisches Heizverfahren), ausgegeben am 13. Oktober 1992 und übertragen auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Art eines mechanischen Rotationssystems ist der Substratträger drehbar an einer Lageranordnung angebracht, die ihrerseits mit einer vakuumdichten Antriebsanordnung gekoppelt ist. Beispielsweise zeigt 1 ein solches System. Auf einem Randring 14, der seinerseits mit einem Reibungssitz auf einem Zylinder 16 sitzt, ist ein Wafer 12 angeordnet. Der Zylinder 16 sitzt auf einer Leiste eines oberen Lagerlaufrings 21, der magnetisch ist. Der obere Lagerlaufring 21 ist innerhalb einer Vertiefung 39 angeordnet und läuft aufgrund einer Anzahl von Kugellagern 22 (von denen nur eines gezeigt ist) bezüglich einer unteren Lagerlauffläche 26 um. Die untere Lagerlauffläche 26 ist insgesamt an einem Kammerboden 28 angebracht. An dem Kammerboden 28 ist als Teil des Temperaturmesssystems (von dem Einzelheiten nicht gezeigt sind) ein wassergekühlter Reflektor 24 angeordnet. Angrenzend an den Teil des Kammerbodens 28, welcher der oberen magnetischen Lagerlauffläche 21 gegenüberliegt, ist ein Magnet 30 angeordnet. Der Magnet ist an einem von einem Motor angetriebenen Magnetring 32 angebracht.
Der Magnet 30 ist über den Kammerboden 28 mit einer magnetischen Lagerlauffläche 21 magnetisch gekoppelt. Durch den mechanisch um die zentrale Achse des Kammerbodens 28 umlaufenden Magneten 30 kann die obere Lagerlauffläche 21 zum Drehen gebracht werden, da sie mit dem Magneten 30 magnetisch gekoppelt ist. Insbesondere wird auf die obere Lagerlauffläche 21 an dem von einem Motor angetriebenen Magnetring 32 ein Drehmoment übertragen. Die Drehung der oberen magnetischen Lagerlauffläche 21 führt zu der gewünschten Drehung de Wafers 12 über den Zylinder 16 und den Randring 14.
Obwohl das System in der Lage ist, die beabsichtigte Funktion auszuführen, hat es einige Nachteile. Beispielsweise lässt sich ohne weiteres ersehen, dass der Gleit- und Rollkontakt, der den Kugellagern zugeordnet ist, zu einer Teilchenerzeugung in der Behandlungskammer führt. Die Teilchenerzeugung ergibt sich aufgrund des Kontakts zwischen den Kugellagern und den Laufflächen sowie aus dem erforderlichen Einsatz von Schmiermittel für das Lagersystem.
Als weiteres Beispiel erfordert das Lager- und Laufflächensystem einen komplizierten Lageraufbau mit vielen Zwischenverbindungen mit geringer Toleranz. Diese Zwischenverbindungen führen zu einem großen Wert eines Oberflächenbereichs, der für die Absorption von unerwünschten Gasen und Dämpfen zur Verfügung steht.
Ein anderer Nachteil ergibt sich, wenn komplizierte Drehmechanismen verwendet werden. Wenn die angestrebten weicheren und schnelleren Drehungen unter Verwendung von komplizierten Drehmechanismen erreicht werden, werden sie häufig durch reaktive Prozessgase in anderen Abschnitten der Kammer beschädigt. Der Grund dafür besteht darin, dass diese Mechanismen häufig besonders empfindlich, beispielsweise viele Zwischenverbindungen mit geringer Toleranz aufweisen, und nicht in der Lage sind, die Korrosion und andere Schäden auszuhalten, die durch heiße Prozessgase verursacht werden.
Ein diesbezüglicher Nachteil entsteht, wenn gasförmige Produkte der chemischen Reaktionen auf dem Wafer über ein Pumpsystem nicht vollständig abgeführt werden. Eine bestimmte Menge dieser Gase kann dem Pumpsystem entweichen und unerwünschterweise zu Bereichen unter der Ebene des Wafers strömen. Beispielsweise kann eine typische Siliciumabscheidung durch Reaktion von Trichlorsilan (TCS) und molekularem Wasserstoff (H₂) in einem Behandlungsbereich über dem Wafer entstehen. Diese reaktiven Gase können bestimmte Abschnitte der Behandlungskammer nachteilig beeinflussen.
Zu den so beeinträchtigten Bereichen gehören der Bereich, der die Vertiefung bildet, die das Lager-/Laufflächensystem enthält. Es können sich viele der empfindlichen Bauelemente, die zu der Rotation in Bezug stehen, in dieser Vertiefung befinden. Insbesondere können Schäden und Korrosion an den Lagern und außen an dem Zylinder durch das Vorhandensein von heißen Gasen in diesen Bereichen verursacht werden.
Ein weiteres Problem, das dem vorliegenden Rotationssystem zugeordnet ist, ist das Auftreten von Exzentrizitäten bei der Rotation. Gemäß 1 ist es beispielsweise üblich, dass eine drehangetriebene Anordnung, wie die Lauffläche 21, einen Zwischenzylinder 16 trägt, der seinerseits einen Wafer 12 über einen Randring 14 abstützt. Bei vorhandenen Systemen kann, wenn der Zwischenzylinder 16 an der angetriebenen Anordnung 21 nicht ausreichend festgelegt ist, der Zwischenzylinder 16 exzentrisch drehen, insbesondere wenn seine Verbindung mit der drehangetriebenen Anordnung 21 nicht kreissymmetrisch ist. D.h., mit anderen Worten, dass, wenn der Zwischenzylinder 16 in einem kreissymmetrischen Rahmen gehalten ist, er zu einer exzentrischen Rotation, insbesondere bei hohen Drehzahlen, neigt.
Ein weiterer Nachteil betrifft die Reinigung und die Reparatur. Komplizierte Lager- und Laufflächenrotationssysteme sind schwierig zu montieren und zu reinigen. Beispielsweise ist es schwierig, die zahlreichen Kugellager in einem solchen System zu demontieren und einzeln zu reinigen.
Deshalb wäre es nützlich, einen magnetischen Schwebeantrieb einzusetzen, der leicht zu reparieren ist, einen relativ unkomplizierten Aufbau hat, der leicht zu demontieren ist und stabile und weiche Rotationen mit hoher Drehzahl zulässt.
Die WO 97/03225 offenbart ein magnetisch schwebend gehaltenes drehendes System

– mit einem magnetisch permeablen Rotor,
– mit einer zylindrischen dünnen Wand, die zum Rotor konzentrisch ist und ihn umgibt, und
– mit einer magnetischen Statoranordnung angrenzend an die zylindrische dünne Wand,
– wobei die magnetische Anordnung so angeordnet ist, dass der radiale Abstand zwischen dem Rotor und der magnetischen Statoranordnung klein genug ist, dass ein von der Statoranordnung erzeugtes Magnetfeld den Rotor magnetisch in Schwebe hält, jedoch groß genug ist, dass der Rotor die dünne Wand unter Wärmeausdehnung körperlich nicht berührt.

Nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich ein solches System dadurch aus, dass der Rotor eine obere Fläche mit einer Vielzahl von Löchern aufweist und dass das System weiterhin eine Vielzahl von Positionierstiften, die in der Vielzahl von Löchern angeordnet sind, und einen Tragzylinder aufweist, der mit dem Rotor durch die Positionierstifte gekoppelt ist.
Die Ausführung der Erfindung kann ein oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Der radiale Abstand zwischen dem Rotor und der zylindrischen dünnen Wand kann zwischen 1,0 und 1,5 mm (0,04 und 0,06 Zoll) liegen. Die Dicke der zylindrischen dünnen Wand kann zwischen 1,3 und 3,8 mm (50 und 150 mils) liegen. Die zylindrische dünne Wand kann eine Wand einer Halbleiterbehandlungskammer sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
1 ist eine Schnittansicht eines Lager- und Rotationssystems nach dem Stand der Technik, das in einer RTP-Kammer verwendet wird.
2 ist eine Schnittansicht einer RTP-Kammer, die zur Schilderung des Standes der Technik aufgeführt ist und ein magnetisch schwebend gehaltenes Rotorsystem hat.
3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Teils des Rotorsystems, das nur zur Veranschaulichung des Standes der Technik eingeschlossen ist und insbesondere bestimmte Bauelemente des Rotorsystems zeigt.
4A ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Rotorsystems, des Stators und der zentralen Anordnung, die nur zur Schilderung des Standes der Technik eingeschlossen ist.
4B ist eine Seitenansicht eines Sensorgehäuses, die nur zur Schilderung des Standes der Technik eingeschlossen ist.
5 ist eine Draufsicht auf das Rotorsystem gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht des Rotorsystems der vorliegenden Erfindung insgesamt längs der Linie 6-6 von 5 und zeigt Einzelheiten des magnetischen Schwebesystems, wobei bei dieser Ansicht der Rotor sich in der Ruheposition befindet und die Sensorfenster berührt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 6.
8A und 8B zeigen Positionierstiftpositionen bei Rotorexpansion.
9 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Positionierstifte.
10 ist eine weitere vergrößerte Ansicht eines Teils von 7 und zeigt Gasströmungsrichtungen.
Ein Typ einer RTP-Vorrichtung ist in den US-Patentanmeldungen Ser. No. 08/359,302 mit dem Titel "Method and Apparatus for Measuring Substrate Temperatures" (Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Substrattemperaturen), eingereicht am 19. Dezember 1994 von Peuse et al., und No. 08/641,477 mit dem Titel "Method and Apparatus for Measuring Substrate Temperatures" (Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Substrattemperaturen), eingereicht am 1. Mai 1996 von Peuse et al., offenbart, die beide auf die Zessionarin der vorliegenden Erfindung übertragen sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bauelemente und Anpassungen für eine RTP-Kammer, die zur Verwendung mit einem magnetisch in Schwebe gehaltenen Substrat-Rotationsantrieb erforderlich sind. Der Antrieb hat drei Hauptkomponenten, die in den Kammeraufbau eingeschlossen sind, nämlich den Stator, die Rotoranordnung und die Sensoren. Dazu gehört auch ein Paket einer Fernelektronik. Der Rotor wird in einer abgedichteten Kammer durch ein magnetisches Kommutationsfeld, das von dem Stator erzeugt wird, drehbar gehalten, aufgehängt und gedreht. Die Sensoren messen die vertikale und horizontale Position des Rotors sowie die Drehzahl des Rotors.
Insbesondere zeigt 2 eine RTP-Behandlungskammer 100 zur Behandlung eines scheibenförmigen Substrats aus Silicium (Si) mit einem Durchmesser von 12 Zoll (300 mm). Das Substrat 117 ist innerhalb der Kammer 100 auf einem Drehsystem 111 angeordnet und wird durch ein Heizelement 110 beheizt, das sich direkt über dem Substrat 117 befindet.
Wie nachstehend näher erläutert wird, ist das Substrat 117 so gezeigt, dass es auf einem Randring 119 angeordnet ist, der sich auf dem Tragzylinder 115 befindet. Der Tragzylinder 115 ist auf dem Rotor 113 angeordnet. Von dem Randring 119 aus erstreckt sich ebenfalls eine damit rotierende Randringerweiterung 121. Der Randring 119, der Tragzylinder 115, die mitrotierende Randringerweiterung 121 und der Rotor 113 sind die Hauptkomponenten des Rotorsystems 111.
Das Heizelement 110 erzeugt eine Strahlung 112, die in die Behandlungskammer 100 durch eine wassergekühlte Quarzfensteranordnung 114 eintreten kann. Die Fensteranordnung kann sich etwa 25 mm über dem Substrat befinden. Unter dem Substrat 117 befindet sich ein Reflektor 153, der auf einer zentralen Anordnung 151 angebracht ist, der eine insgesamt zylindrische Basis hat. Der Reflektor 153 kann aus Aluminium bestehen und hat eine hochreflektive Oberflächenbeschichtung 120. Zum Schutz des Reflektors kann eine Reflektorabdeckung 155 (in 6, 7 und 10 gezeigt) verwendet werden. Bestimmte Einzelheiten einer solchen Reflektorabdeckung sind in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Quartz Reflector Cover" (Quarzreflektorabdeckung), eingereicht am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung und auf die Zessionarin der vorliegenden Anmeldung übertragen, offenbart. Eine Unterseite 165 des Substrats 117 und die Oberseite des Reflektors 153 bilden einen reflektierenden Hohlraum 118 zur Steigerung des effektiven Emissionsvermögens des Substrats.
Die Trennung zwischen Substrat 117 und Reflektor 153 ist variabel. Bei Behandlungssystemen, die für Siliciumwafer mit 12 Zoll ausgelegt sind, kann die Entfernung zwischen dem Substrat 117 und dem Reflektor 153 zwischen etwa 3 mm und 20 mm, und vorzugsweise zwischen etwa 5 mm und 8 mm liegen. Das Verhältnis von Breite zu Höhe des Hohlraums 118 sollte größer als etwa 20:1 sein.
Die Temperaturen an lokalisierten Bereichen 102 des Substrats 117 werden von einer Vielzahl von Temperatursonden gemessen (von denen in 2 nur drei gezeigt sind). Jede Temperatursonde hat Lichtleiter 126 aus Saphir mit einem Durchmesser von etwa 2 mm (0,080 Zoll) und Leitungen 124, die etwas größer sind, damit die Lichtleiter leicht in die Leitungen eingeführt werden können. Die Lichtleiter 126 sind mit Pyrometern 128 über Faseroptiken 125 verbunden, die ein Signal erzeugen, das die gemessene Temperatur anzeigt. Eine Art, wie diese Temperaturmessung erreicht wird, ist in den Patentanmeldungen offenbart, auf die vorstehend unter dem Titel "Method and Apparatus für Measuring Substrate Temperatures" (Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Substrattemperaturen) Bezug genommen wurde.
Insgesamt über dem Substrat 117 befindet sich ein Behandlungsbereich 163. In dem Behandlungsbereich 163 und in einem bestimmten Ausmaß in anderen Bereichen der Kammer werden Prozessgase in Verbindung mit der Temperatursteuerung des Substrats 117 über Lampen 110 verwendet, um chemische Reaktionen auf dem Substrat 117 zu leiten. Zu diesen Reaktionen gehören, jedoch ohne Beschränkung darauf, die Oxidation, die Nitrierung, das Filmwachstum, usw.. Die Prozessgase treten gewöhnlich in den Behandlungsbereich 163 durch eine Gaskammer oder einen Gasduschkopf aus, der sich über oder auf der Seite des Behandlungsbereichs 163 befindet. In 2 treten diese Gase aus einem Gaseinlass 177 ein. Erforderlichenfalls können Prozessgase aus der Kammer abgepumpt oder durch ein Pumpsystem 179 bekannter Auslegung abgeführt werden.
Das Substrat 117 ist im Allgemeinen ein Siliciumwafer mit großem Durchmesser. Es können auch Wafer aus anderen Materialien verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt, gilt die hier erörterte Ausführung für einen Wafer von 300 mm, die Erfindung zieht jedoch auch einen Drehantrieb für einen Wafer mit irgendeiner Größe einschließlich 200 mm, 450 mm sowie für kleinere oder größere Wafer in Betracht.
Ein zentrale Anordnung 151 hat einen Umwälzkreislauf mit Kammern 146, die durch Kühlmitteleinlässe 185 (siehe 7) beschickt werden, durch welche ein Kühlmittel wie ein Kühlgas oder eine Flüssigkeit zirkuliert, wodurch der Reflektor 153 gekühlt wird. Durch die zentrale Anordnung 151 kann Wasser, das üblicherweise 23°C hat, umgewälzt werden, um die Temperatur des Reflektors 153 gut unter der des erhitzten Substrats 117 (beispielsweise 150°C oder weniger) zu halten.
3 zeigt eine detailliertere perspektivische Ansicht des Rotorsystems 111. Insbesondere ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Drehrahmens gezeigt, beispielsweise eines magnetisch in Schwebe gehaltenen Rotorsystems 111. Das Rotorsystem 111 befindet sich im Einsatz teilweise in einer Rotorvertiefung 116 (in 6, 7 und 11 gezeigt). Das Rotorsystem 111 trägt ein Substrat 117 mit Hilfe eines Randrings 119 und dreht das Substrat 117 unter den Heizlampen 110 (in 2 gezeigt), um für eine Temperaturgleichförmigkeit zu sorgen.
An dem Innenseitenbereich des Randrings 119 befindet sich eine Leiste 134 zum Halten des Substrats 117. Die Leiste 134 liegt in einem Bereich um den Innenumfang des Randrings 119 herum, der niedriger als der Rest des Randrings 119 ist. Auf dieser Leiste kontaktiert der Randring 119 das Substrat um den Substrataußenumfang herum, wodurch die gesamte Unterseite 165 des Substrats 117 mit Ausnahme eines kleinen Ringbereichs um den Außenumfang herum freiliegt. Der Randring 119 kann eine radiale Breite von etwa 19 mm (0,75 Zoll) für ein Substrat von 300 mm haben. Um die thermischen Diskontinuitäten zu minimieren, die am Rand des Substrats 117 während der Behandlung auftreten können, besteht der Randring 119 aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie das Substrat, beispielsweise aus Si oder Siliciumcarbid (SiC).
Der Randring 119, der teilweise angrenzend an das Substrat 117 angeordnet ist, wird einer Korrosion aufgrund einer unmittelbaren Nähe zu dem Behandlungsbereich 163 ausgesetzt, wo Reaktionsgase Material auf dem Substrat 117 abscheiden. Der Randring 119 ist gegen eine solche Korrosion resistent.
Der Randring 119 ist so angeordnet, dass er eine lichtdichte Abdichtung mit einem Tragzylinder 115 bildet. Ausgehend von der unteren Fläche des Randrings 119 ist eine zylinderförmige Lippe oder Einfassung 109 angeordnet, die einen Innendurchmesser hat, der etwas größer als der Außendurchmesser des Tragzylinders 115 ist, so dass sie über den Tragzylinder 115 passt und eine lichtdichte Abdichtung bildet. Natürlich kann die Einfassung 109 an den Tragzylinder 115 auf vielfache andere Weisen angeschlossen sein.
Da der Randring 119 einen äußeren Radius hat, der größer als der Radius des Tragzylinders 115 ist, erstreckt er sich radial über den Tragzylinder 115 hinaus. Diese ringförmige Aufweitung des Randrings 119 über den Tragzylinder 115 hinaus wirkt als Trennwand, die teilweise verhindert, dass Streulicht in den reflektierenden Hohlraum 118 eintritt. Um die Möglichkeit, dass Streulicht in den reflektierenden Hohlraum 118 eintritt, weiter zu reduzieren, kann der Randring 119 mit einem Material beschichtet sein, das die Strahlung absorbiert, die von dem Heizelement 110 (beispielsweise Silicium) erzeugt wird. Die Absorption sollte so gewählt werden, dass sie wenigstens in dem Wellenlängenbereich der Pyrometer auftritt, beispielsweise bei etwa 0,8 bis 1,1 μm. Um den Betrag des Streulichts, das in den Hohlraum 118 eintritt, weiter zu reduzieren, kann eine mitrotierende Randringerweiterung 121 verwendet werden, was nachstehend beschrieben wird.
Der Tragzylinder 115 kann beispielsweise aus Quarz bestehen und mit Si beschichtet sein, um ihn in dem Frequenzbereich der Pyrometer 128, insbesondere in dem Bereich von etwa 0,8 bis etwa 1,1 μm, opak zu machen. Die Si-Beschichtung auf dem Tragzylinder 115 wirkt als eine Trennwand, um Strahlung von äußeren Quellen auszusperren, die die Pyrometertemperatur messung beeinträchtigen könnte. Zu den bevorzugten Eigenschaften des Tragzylinders 115 gehören die folgenden. Er sollte aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Ein Wertebereich für die Leitfähigkeit, der sich als geeignet erwiesen hat, liegt zwischen etwa 1,5 und etwa 2,5 (J-kg-m)/(m²-s-°C). Ein weiteres Erfordernis besteht darin, dass der Tragzylinder 115 aus einem Material hergestellt sein sollte, das thermisch stabil und inert für die Arten von Chemikalien ist, die bei der Behandlung verwendet werden. Beispielsweise ist der Tragzylinder 115 zweckmäßigerweise aus Materialien hergestellt, die gegen Chlorverbindungen resistent sind. Ein weiteres Erfordernis besteht darin, dass die Wand des Tragzylinders 115 dünn ist. Beispielsweise kann die Abmessung "x" des Tragzylinders 115 zwischen etwa 1,3 und 3,8 mm (50 und 150 mils), und insbesondere bei etwa 2,5 mm (100 mils) liegen. Eine solche Dicke macht es möglich, dass der Tragzylinder 115 ein relativ geringes Gewicht, wodurch sein Rotationsträgheitsmoment verringert wird, und eine geeignete Wärmeleitfähigkeit hat. Der Tragzylinder 115 kann von einem Rotor 113 getragen werden. Zusätzlich wird so der Tragzylinder 115 lang (Abmessung "y"), so dass die Wärme- und Lichtmenge, die die drehenden Bauelemente, einschließlich den Rotor 113, von dem Behandlungsbereich 163 aus erreichen, verringert werden können. D.h., dass der Tragzylinder 115 so lang gestaltet wird, dass Wärme und Licht eine große Entfernung durchqueren müssen, um den Bereich der drehenden Bauelemente zu erreichen. Ein geeigneter Wertebereich für y kann von etwa 55 mm (2,2 Zoll) bis etwa 7,4 mm (2,9 Zoll) betragen.
Der Rotor 113 ist das Bauelement, auf das die Magnetkraft zum Schwebenlassen des Rotorsystems 111 wirkt. Insbesondere wird durch einen Statoranordnung 127 (siehe 2 und 4A), die Permanentmagneten (für das Anheben) und Elektromagneten (für die Steuerung) aufweist, ein Magnetfeld erzeugt. Zusammen wirken sie so, dass das Rotorsystem 111, wie es nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, zum Schweben gebracht wird. Alternativ können die Permanentmagneten innerhalb der zentralen Anordnung 151 angeordnet werden. Mit einem solchen magnetisch in Schwebe gehaltenen System werden stabilere und weichere Rotationen sowie Drehzahlen erreicht. Die Art von Stator und Magnetanordnung kann die Bauweise haben, wie sie in der US-Patentanmeldung Ser. No. 08/548,692 mit dem Titel "Integrated Magnetic Levitation and Rotation System" (Integriertes magnetisches Schwebe- und Rotationssystem) von Stephen Nicols, et al., übertragen auf SatCon, Inc., beschrieben ist.
Der Rotor 113 kann einen "C"-förmigen Querschnitt haben und aus einem magnetisch permeablem Material hergestellt sein, beispielsweise aus kaltgewalztem Stahl, wie rostfreiem Stahl 17-4 PHSS oder der Serie 400. Es ist nicht nötig, dass das Material ein Permanentmagnet ist. Der Rotor 113 kann vorteilhafterweise kammerfrei und steif sein, um Verwindungen bei hohen Drehzahlen Widerstand entgegenzusetzen. Der Rotor 113 kann kreisförmig sein. Seine obere Fläche kann einen Kreisumfang haben.
Auf die Oberfläche des Rotors 113 kann auch eine Beschichtung aufgebracht werden, beispielsweise eine Tantalbeschichtung (Ta). Diese Art der Beschichtung ergibt für den Rotor 113 einen bestimmten Korrosionsschutz. Eine typische Ta-Beschichtung kann beispielsweise 0,015 Zoll dick sein und mit einem Plasmasprühbeschichtungsprozess aufgebracht werden.
Gemäß 3 hat der Tragzylinder 115 einen ersten Flansch 104, einen zweiten Flansch 143 und einen dritten Flansch 106. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, können der erste Flansch 104 und der zweite Flansch 143 vorteilhafterweise in Vertikalrichtung so versetzt sein, dass der Tragzylinder 115 einen schmalen örtlichen Querschnitt beibehält. Obwohl jeder Flansch nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, ist hier zu erwähnen, dass der erste Flansch 104 eine ko-rotierende Randringerweiterung 121 trägt, sich der zweite Flansch 143 zu einer Reflektorseitenwand 122 (beispielsweise in 7 und 10 gezeigt) erstreckt, um einen minimalen Freiraum zwischen den beiden zu ermöglichen, und der dritte Flansch 106 dazu verwendet wird, den Tragzylinder 115 durch Reibung an den Rotor 113 zu montieren.
4A zeigt weitere Bauelemente des RTP-Systems mit einer Rotorvertiefung 116 und einer zentralen Anordnung 151. Gezeigt ist auch ein Gehäuse 181, das die Rotorvertiefung 116 teilweise begrenzt. Die Rotorvertiefung 116 wird auch insgesamt von der Basis der Kammer 100 gebildet. In der Rotorvertiefung 116 befindet sich die zentrale Anordnung 151, die den Reflektor 153 und eine Reflektorabdeckung 155 (in 6, 7 und 10 gezeigt) aufweist.
An der zentralen Anordnung 151 ist ferner ein Sensorsystem angebracht, um die Position des Rotors 113 bezüglich der Statoranordnung 127 zu erfassen. Ein Rückkoppelungssystem, wie es im Einzelnen nachstehend beschrieben wird, wird dazu verwendet, kleine Änderungen in der Leistung der elektromagnetischen Windungen der Statoranordnung 127 zum Halten des Rotors 113 in Drehung und in der allgemeinen Mitte der Rotorvertiefung 116 bereitzustellen.
Die zentrale Anordnung 151 hat insbesondere einen oder mehrere Sensoren 101, 101' usw. für die x-Position und einen oder mehrere Sensoren 157, 157' für die y-Position sowie einen oder mehrere Sensoren 103, 103', 103'', 103''' für die z-Position. Diese Sensoren haben Sensorgehäuse, wie sie im Einzelnen in 4B gezeigt sind.
4B zeigt eine Seitenansicht eines x-Sensorgehäuses 128, ist jedoch insgesamt für die Beschreibung der y- und z-Sensoren sowie Sensorgehäuse verwendbar. Das Sensorgehäuse 128 ist gasdicht, so dass Prozess- und Spülgase die Sensorinnenseite nicht kontaktieren und nachteilig beeinflussen. Das Sensorgehäuse 128 ist insgesamt in der Wand der zentralen Anordnung 151 angeordnet und so gebaut und angeordnet, dass der Sensor in ihm dem zu messenden Gegenstand (dem Rotor) zugewandt ist. In diesen Figuren sind zwei x-Positionssensoren und zwei y-Positionssensoren gezeigt, die um den Umfang der zentralen Anordnung 151 auf der Höhe des Rotors 113 angeordnet sind. Längs der Basis der zentralen Anordnung 151 sind vier z-Positionssensoren angeordnet, die so nach oben weisen, dass sie die vertikale Position des Rotors 113 messen. Die Sensoren messen die horizontale und vertikale Position des Rotors, ohne in die Kammer einzudringen oder eine Drahtführung in die Kammer zu erfordern.
Der Sensor 101 ist insgesamt in der Mitte des Sensorgehäuses 128 gezeigt und so ausgerichtet, dass er dem Rotor 113 zugewandt ist. Der Sensor 101 kann eine kapazitive Bauweise haben, um die Rotorposition dadurch zu messen, dass sie durch eine Sensorabdeckung 188 hindurch erfasst wird, die durch einen O-Ring 201 an Ort und Stelle gehalten wird. Insbesondere erfassen die kapazitiven Sensoren die Kapazität zwischen einer Metallelektrode innerhalb des Sensors und dem metallischen Rotor. Durch Messen von Änderungen dieser Kapazität können Änderungen in der Rotorentfernung von den Sensoren bestimmt werden. Einzelheiten des Sensors und der zugehörigen Elektronik sind nicht gezeigt, da sie zum Wissensstand des Fachmanns gehören. Die Abdeckung 188 kann eine Dicke im Bereich von etwa 0,25 mm (10 mils) bis etwa 0,76 mm (30 mils) haben, und insbesondere etwa 0,50 mm (20 mils) dick sein. Insbesondere sollte der Sensor 101 innerhalb etwa 60 mils des Rotors 113 liegen, um die Rotorposition wirksam zu erfassen. Der Sensor 101 übermittelt seine Messungen der Rotorposition über ein Kabel 189. Das Kabel 189 ist an einen Stecker 211 angeschlossen, dessen Aufbau nachstehend im Einzelnen beschrieben wird.
Die Abdeckung 188 kann aus einem prozesskompatiblen, nicht leitenden Material (beispielsweise einem Polyamidimid, wie Torlon or Vespel) gebaut sein. Dadurch, dass die Abdeckung 188 aus solchen Materialien besteht, kann sie auch als Ablagesitz dienen. D.h., dass, wenn der Rotor 113 zur Ruhe kommt, er sich im Allgemeinen an einer Wand der zentralen Anordnung 151 aufgrund der Permanentmagneten in dem Stator 127 festhält. In dem Fall, in welchem der Rotor 113 auf der Abdeckung 188 zur Ruhe kommt, kontaktiert er die zentrale Anordnung 151 nicht direkt. Dies kann von Bedeutung sein, weil, da beide Komponenten aus Metall bestehen, ein direkter Kontakt häufig Metallteilchen und Staub freisetzt.
Zur Positionseinstellung des Sensors 101 wird ein Gewindeschema verwendet. Es wird ein Doppelsatz von Gewinden so verwendet, dass Lageeinstellungen ausgeführt werden können, ohne das Kabel 189 um seine Längsachse umständlich zu drehen und unerwünschte Verwicklungen herbeizuführen. Ein Satz von Sensorgewindegängen 191 schraubt den Sensor 101 in einen Sensorjustierer 197. Ein erster Stopfen 211 verhindert eine Überdrehung des Justierers 197 in einer Sensorhalterung 199. Die Sensorgewinde 191 können eine Feinganghöhe haben, beispielsweise in einem Bereich von etwa 20 bis 32 Gewindegänge pro Zoll. Ein Satz von Justierergewindegängen 193 schraubt den Sensorjustierer 197 in die Sensorhalterung 199. Ein zweiter Stopfen 209 verhindert eine Überdrehung der Sensorhalterung 199 in die zentrale Anordnung 151. Die Justierergewindegänge 193 können eine größere Ganghöhe, beispielsweise in einem Bereich von etwa 12 bis 18 Gewindegänge pro Zoll, haben. Die Sensorhalterung 199 ist in die Wand 213 der zentralen Anordnung 151 durch Sensorhaltegewinde 195 geschraubt. Das vorstehende Doppelschraubsystem ermöglicht eine Verschiebung des Sensors, ohne den Sensor zu überdrehen, was zu verdrillten Sensorleitungen führen würde.
Eine Sensorauslegung, die gezeigt hat, dass sie zu akzeptablen Ergebnissen führt, hat zwei diametral gegenüberliegende x-Positionssensoren, zwei diametral gegenüberliegende y-Positionssensoren und vier z-Positionssensoren, die sich 90° weg von der Basis der Rotorvertiefung 116 befinden. Eine Draufsicht auf ein solches System ist in 5 gezeigt. In dieser Figur sind die zwei x-Positionssensoren 101 und 101' mit rechten Winkeln zu den beiden y-Positionssensoren 157 und 157' gezeigt. Die vier z-Positionssensoren 103, 103', 103'' und 103''' sind als am Umfang um die Basis des Rotors 113 herum angeordnet gezeigt. Der radiale Abstand der z-Positionssensoren 103 von der Mitte der Rotorvertiefung 116 kann gerade größer als der Innenradius des Rotors 113 sein. Wie jedoch in 3 gezeigt ist, kann der Rotor 113 Laschen 186 haben, die das Gewicht des Rotors 113 verringern. Die radiale Entfernung der z-Positionssensoren 103 von der Mitte der Rotorvertiefung 116 ist vorteilhafterweise so beschaffen, dass die Sensoren 103 den Aussparungsbereich zwischen den Laschen 186 nicht sehen. Ansonsten können die Sensoren 103 fehlerhafte Ablesungen geben.
Das vorstehend beschriebene Gesamtsystem ist in einer Querschnittsansicht in 6 gezeigt.
Gemäß der erweiterten Querschnittsansicht von 7 hat die zentrale Anordnung 151 in der Nähe ihrer Basis ein Anordnungswiderlager 167, das insgesamt ein relativ dicker Anbringabschnitt ist. In gleicher Weise hat die zylindrische dünne Wand 129 ein Hohlraumwiderlager 169, das ebenfalls ein insgesamt relativ dicker Anbringabschnitt ist. Das Hohlraumwiderlager 169 ist an dem Anordnungswiderlager 167 angebracht, um für die Kammer 100 eine abgedichtete vakuumdichte Basis zu bilden. Diese Anbringungsanordnung kann durch eine Reihe von Bolzen 203 erreicht werden, obwohl Klemmen und andere Anbringverfahren, die der Fachmann kennt, ebenfalls Verwendung finden können.
Wenn die zentrale Anordnung 151 aus der Rotorvertiefung 116 beispielsweise für die Wartung entfernt werden soll, wird das Anordnungswiderlager 167 von dem Hohlraumwiderlager 169 demontiert. Die zentrale Anordnung 151 kann dann entfernt werden. Da alle Sensoren an der zentralen Anordnung 151 angebracht sind, werden ihre Relativpositionen durch das Entfernen der zentralen Anordnung 151 aus der Rotorvertiefung 116 nicht gestört. Deshalb besteht keine Notwendigkeit für eine Neukalibrierung der Sensoren, wie es der Fall wäre, wenn die relativen Sensorpositionen beim Entfernen der zentralen Anordnung verändert würden. Bei einigen früheren Systemen wurden einige der Sensoren an einem Abschnitt der Kammer montiert, die ein Stück mit dem Hohlraumwiderlager bildet, während andere Sensoren an einem Abschnitt der Kammer montiert wurden, die ein Stück mit dem Anordnungswiderlager bildet. Wenn die zentrale Anordnung aus der Kammer entfernt wurde, benötigten die Sensoren eine Neukalibrierung. Dieser Vorteil der Beseitigung der Notwendigkeit für die Neukalibrierung ist einer der Vorteile der Erfindung.
Die Rotorvertiefung 116 kann breit genug ausgeführt werden, so dass beim Entfernen des Rotorsystems 111 eine Handreinigung möglich ist. D.h., dass der freie Raum zwischen der zylindrischen dünnen Wand 129 und dem Tragzylinder 115 so beschaffen sein kann, dass ein Reinigungswerkzeug eingeführt werden kann, um Teilchen und Rückstände zu entfernen.
Der Umwälzkreislauf und die Kammern 146 ziehen ebenfalls Wärme aus der zylindrischen dünnen Wand 129, der Statoranordnung 127 und dem Rotor 113 ab. Insbesondere kann Wärme von diesen Bauelementen durch Abstrahlung auf die Kammern 146 entfernt werden. Dies ist besonders bezüglich des Rotors 113 wichtig, weil, wenn der Rotor 113 in Schwebe gehalten wird, es schwierig ist, über herkömmliche Methoden zu kühlen. Wie nachstehend erörtert, kann ein Spülgas vorgesehen werden, um die Ableitung von Wärme von dem Rotor 113 zu den Kammern 146 zu steigern.
Wie in 7, 8A und 8B gezeigt ist, greift der Flansch 106 des Tragzylinders 115 durch Reibung an einer Vielzahl von flexiblen Positionierstiften 123 (siehe auch 5) an, die im Reibungssitz in einer Vielzahl von Löchern 204 in einer oberen Umfangsfläche 113a des Rotors 113 angebracht sind. Die Positionierstifte 123 können beispielsweise aus Teflon (PTFE) oder Vespel hergestellt sein. Eine Auslegung, die sich als akzeptabel erwiesen hat, verwendet vier Positionierstifte 123. Jeder Positionierstift 123 hat einen ihn umschließenden Positionierstift-O-Ring 105 im Allgemeinen an seinem untersten Teil. Der O-Ring 105 verstärkt und versteift den Positionierstift 123 gegen übergroße Biegungen. Jeder Positionierstift 123 ist durch einen Stiftstecker 159 festgelegt, von denen eine gleiche Anzahl insgesamt mit gleichem Abstand um die obere Fläche 113a des Rotors 113 herum angeordnet ist. Der Stiftstecker 159 ist mit Reibsitz auf gewindefreie Weise in ein entsprechendes Loch in der oberen Fläche des Rotors 113 eingesetzt.
Durch den Eingriff des dritten Flansches 106 mit den Positionierstiften 123 wird der Tragzylinder 115 an dem Rotor 113 in einer sicheren, jedoch flexiblen Weise gehalten. Die Vielzahl von Löchern 204 in der Oberfläche 113a bildet einen Kreis, dessen Radius insgesamt größer als der Radius des Tragzylinders 115 ist. Eine Drehung des Rotors 113 führt zu einer entsprechenden Drehung des Tragzylinders 115. Die Reibpassung des dritten Flansches 106 mit Hilfe der Positionierstifte 123 ist fest genug, dass der Tragzylinder 113 auf den Positionierstiften 123 nicht rutscht oder springt, wenn der Rotor 113 auf Betriebsdrehzahl gebracht wird.
Die Verwendung der Positionierstifte 123 gewährleistet, dass sich der Tragzylinder 115 nicht in exzentrischer Weise während der Behandlung dreht. Wie vorher erwähnt, wird der Rotor 113 während der Behandlung erhitzt. Somit dehnt er sich aus, und sein Durchmesser nimmt zu. Die Positionierstifte 123, die flexibel sind, erlauben diese Ausdehnung.
8A zeigt den Tragzylinder 115, wie er auf dem Positionierstift-O-Ring 105 sitzt, wenn der Rotor 113 kalt ist. Der Positionierstift 113 kann mit einem Winkel so gebogen werden, dass die Fläche, mit der er mit dem dritten Flansch 106 in Kontakt kommt, nahezu vertikal ist.
Wenn während der Behandlung der Durchmesser des Rotors 113 größer wird, wird der Winkel, mit dem der Positionierstift 123 gebogen wird, kleiner, bis der Positionierstift 123 nahezu vertikal ist. Diese Situation ist in 8B gezeigt. Trotz des vergrößerten Winkels kann der Positionierstift 123 noch mit dem dritten Flansch 106 in Kontakt stehen und den Tragzylinder 115 fest am Rotor 113 halten. Die Entfernung, über die sich der Positionierstift 123 bewegen kann, wenn sich der Rotor 113 erhitzt, kann etwa 0,50 bis 0,76 mm (20 bis 30 mils) betragen.
Zusätzlich ist zu erwähnen, dass die Reibpassung der Positionierstifte 123 über die Stiftstecker 159 fest genug dafür ist, dass die Positionierstifte 123 den Eingriff mit den Löchern 204 in dem Rotor 113 auch bei hohen Drehzahlen und selbst trotz der Tatsache nicht lösen, dass sie ohne Gewinde installiert sind. Durch Vermeiden der Gewindeverbindung tragen die Löcher 204 nicht zu einem großen Oberflächenbereich bei, über den Gase absorbieren können, um die Kammer zu verunreinigen. In den Fällen, in denen der Rotor 113 eine Beschichtung hat, überzieht die Beschichtung auch ein gewindefreies Loch leichter als ein mit Gewinde versehenes. Schließlich führen die Positionierstifte 123 aufgrund der Relativbewegung und aufgrund von Reibung zwischen dem Tragzylinder 115 und dem Rotor 113 zu einer Reduzierung der Erzeugung von metallischen Teilchen.
Bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in 9 gezeigt ist, ist ein Tragzylinder 115' mit einem Rotor 113' auf andere Weise gekoppelt. Hier hat der Tragzylinder 115' eine Kreisnut 187 um seinen unteren Umfang herum. Von Reibpassungshalterungen der oberen Fläche 113a' des Rotors geht eine Vielzahl von Positionierstiften 123' aus und greift in die Nut 187 an einer Anzahl von unterschiedlichen Stellen. Die Positionierstifte 123' können die Form von Verbindungsbolzen ähnlich zu den Positionierstiften 123' haben. Diese Ausführungsform hat den Vorteil eines noch schmaleren Gasstromwegs zwischen dem Hohlraum 119 und dem Rotorsystem 111 (der durch den Pfeil 175 in 10 gezeigt ist und nachstehend beschrieben wird). Da darüber hinaus ein großer Betrag des Oberflächenbereichs des Tragzylinders 115 sich nahe an den Wasserkammern 146 bei dieser Ausgestaltung befindet, kann eine beträchtliche Wärmemenge aus dem Tragzylinder 115 abgezogen werden.
Gemäß 7 wird der erste Flansch 104 als Träger für die ko-rotierende Randringerweiterung 121 verwendet. Die ko-rotierende Randringerweiterung 121 hat insgesamt eine Kegelstumpfform und erstreckt sich radial von dem ersten Flansch 104 nach außen zu der Seite der Kammer 100. Die Reibpassung der ko-rotierenden Randringerweiterung 121 auf dem ersten Flansch 104 gewährleistet, dass sich die ko-rotierende Randringerweiterung 121 mit dem Tragzylinder 115 ohne Springen oder Rutschen dreht.
Der Freiraum zwischen der ko-rotierenden Randringerweiterung 121 und einer Lagerabdeckung 161 darunter ist klein und kann in einem Bereich von etwa 30 bis 90 mils liegen. Aufgrund dieses kleinen Freiraums ist die Menge an Prozessgasen, die aus dem Behandlungsbereich 163 nach unten zum Rotorsystem 111 und seinen zugehörigen Bauelementen strömen kann, minimiert. Auf diese Weise dient die ko-rotierende Randringerweiterung 121 auch zu einer thermischen Isolierung der Bauelemente in der Rotorvertiefung 116 gegenüber der Wärme, die in dem Behandlungsbereich 163 erzeugt wird.
Die ko-rotierende Randringerweiterung 121 kann aus Quarz oder anderen Materialien, wie Graphit, Siliciumcarbid, Keramik, usw. hergestellt werden. Durch Herstellen der ko-rotierenden Randringerweiterung 121 aus solchen Materialien kann es keine große Menge der Strahlungsenergie der Lampen absorbieren. Dies kann wichtig sein, da eine solche Absorption die ko-rotierende Randringerweiterung 121 erhitzen kann, was die Verdampfung von heißen reaktiven Spezies von seiner Oberfläche zurück in den Behandlungsbereich 163 steigern würde. Natürlich kann es, entsprechend den Forderungen an den Prozess, erwünscht sein, dass die Lampen die ko-rotierende Randringerweiterung 121 erhitzen. In diesem Fall kann die ko-rotierende Randringerweiterung 121 beispielsweise aus Graphit hergestellt werden. Weitere Einzelheiten zu der ko-rotierenden Randringerweiterung finden sich in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Co-Rotating Edge Ring Extension for Use in a Semiconductor Processing Chamber" (Ko-rotierende Randringerweiterung zur Verwendung in einer Halbleiterbehandlungskammer), eingereicht am gleichen Tag und übertragen auf die Zessionarin der vorliegenden Erfindung.
Bei einer anderen Ausgestaltung sorgt die Dicke der Flansche 104, 106 und 143 für einen Steifigkeitsgrad für den Tragzylinder 115, um Verwerfungen zu verhindern, die die Rundheit beeinträchtigen. Insbesondere kann der Tragzylinder 115, wie vorstehend erwähnt, hauptsächlich aus einem dünnen Quarzmaterial aufgebaut und schädlichen Prozessbedingungen und hohen Drehzahlen ausgesetzt sein. Um Verformungen des Tragzylinders 115 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, ihn mit Bereichen erhöhter Festigkeit und Steifigkeit zu versehen. Die Dicke der Flanschabschnitte 104, 143 und 106 trägt zur Bereitstellung dieses beträchtlichen Ausmaßes an Festigkeit bei.
Wie vorstehend erwähnt und wie insbesondere in 7 gezeigt ist, steht der zweite Flansch 143 von zwischen dem Tragzylinder 115 zu der Reflektorseitenwand 122 der zentralen Anordnung 151 hin vor. Dadurch erreicht der zweite Flansch 143 eine Anzahl von Zielen. Zunächst schränkt er Gase, die nahe an der Unterseite 165 des Substrats 117 vorhanden sein können, dahingehend ein, dass sie nach unten zum Rotor 113 und zu seinen zugehörigen Bauelementen strömen. Als Zweites versteift, wie erwähnt, der Flansch 143 den Tragzylinder 115 und sorgt für mehr Festigkeit, was während hoher Drehzahlen besonders wichtig ist. Drittens sperrt der Flansch 143 unerwünschtes Licht aus, das aus dem Behandlungsbereich 163 austritt und das ansonsten nach unten zu den Sensoren 101, 101', 103–103''' und 157, 157' strahlen könnte. Viertens ermöglicht der kleine Freiraum zwischen dem zweiten Flansch 143 und der Reflektorseitenwand 122, dass etwas Wärme aus dem Tragzylinder 115 zu der Reflektorseitenwand 122 abgeleitet wird. Diese Wärme wird dann durch den Umwälzkreislauf in der zentralen Anordnung 151 entfernt.
Wie vorstehend erwähnt, wird ein zylindrischer Teil der Rotorvertiefung 116 von einer zylindrischen dünnen Wand 129 begrenzt. Die Dicke der zylindrischen dünnen Wand 129 kann kleiner als ein Millimeter sein. Der obere Umfang der zylindrischen dünnen Wand der zylindrischen dünnen Wand 129 ist mit einem dünnen Wandflansch 171 verbunden. Der Boden der zylindrischen dünnen Wand 129 wird durch das Hohlraumwiderlager 169 gebildet. Der dünne Wandflansch 171, die zylindrische dünne Wand 129 und das Hohlraumwiderlager 169 können vorteilhafterweise aus einem einzigen Stück aus rostfreiem Stahl bestehen, worauf hier als Gehäuse 181 Bezug genommen wird. Obwohl die zylindrische dünne Wand 129 als vertikale Wand gezeigt ist, können auch andere Winkel verwendet werden. Jedoch wird eine vertikale Auslegung bevorzugt, um eine Verformung oder ein Kollabieren der zylindrischen dünnen Wand 129 zu vermeiden. Eine vertikale Auslegung kann auch einfacher in der Herstellung sein.
Die zylindrische dünne Wand 129 bildet eine Grenze zwischen dem Rotor 113 und der Statoranordnung 127. Insbesondere muss sich der Rotor 113, damit er durch die Statoranordnung 127 magnetisch schwebend gehalten wird, körperlich nahe an der Statoranordnung 127 für die Ausbildung einer effizienten magnetischen Kommunikation befinden (wegen der quadratisch umgekehrten Natur der elektromagnetischen Felder). Die gesamte Entfernung zwischen der Statoranordnung 127, die das magnetische Feld erzeugt, und dem Rotor 113 kann durch die Stärke der Magneten auf weniger als etwa 2,5 mm begrenzt werden. Die Verwendung der zylindrischen dünnen Wand 129 ermöglicht eine Positionierung des Rotors 113 nahe genug an der Statoranordnung 127, um effektiv durch die magnetischen Felder, die von der Statoranordnung 127 erzeugt werden, in Schwebe gehalten zu werden.
Obwohl sich der Rotor 113 vernünftig nahe an der Statoranordnung 127 befinden muss, muss auch ein Freiraum für die thermische Expansion des Rotors 113 und im Hinblick auf Positionierungsfehler des Steuersystems verfügbar sein. Wenn das Substrat 117 durch Lampen 110 erhitzt wird, nehmen die zentrale Anordnung 151 und das Rotorsystem 111 aufgrund von Leitung und Strahlung ebenfalls Wärme auf. Dieses Erwärmen führt zu einer geringen thermischen Expansion des Rotors 113. Wenn der Rotor 113 zu nahe an der zylindrischen dünnen Wand 129 angeordnet ist, kann die Wärmeausdehnung dazu führen, dass der Rotor 113 während der Drehung gegen die zylindrische dünne Wand 129 schlägt, was zu einer potenziellen Beschädigung des Substrats 117, des Rotorsystems 111 und der zylindrischen dünnen Wand 129 führen kann. Da sowohl das Rotorsystem 111 als auch die zylindrische dünne Wand 129 hochempfindliche und maschinell genau bearbeitete Bauelemente sind (wie vorstehend erwähnt, kann die zylindrische Wand 129 weniger als einen Millimeter dick sein), können solche Kollisionen zu sehr kostspieligen Reparaturen führen. Darüber hinaus können solche Kollisionen eine beträchtliche Menge an Metallstaubverunreinigung in der Kammer verursachen.
Somit ist der Spielraum zwischen der zylindrischen dünnen Wand 129 und dem Rotor 113 ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung. Ein Spielraum, von dem sich gezeigt hat, dass er zufrieden stellende Ergebnisse in einem System mit einem Substrat von 300 mm liefert, liegt bei etwa 1 mm bis 1,5 mm (0,040 bis 0,060 Zoll), und insbesondere bei etwa 1,1 mm (0,045 Zoll). Diese Abmessungen basieren auf einem Rotordurchmesser von etwa 343 mm (13,5 Zoll), wobei jedoch auch andere Rotordurchmesser ebenfalls vorgesehen werden können. Somit würde, wenn der verwendete Spielraum 1,1 mm (0,045 Zoll) beträgt, der Innendurchmesser der zylindrischen dünnen Wand 129 etwa 34,3 mm (13,590 Zoll) betragen. Ein solcher Spielraum ist in der Lage, einen Anstieg in der Rotortemperatur von 100°C aufzunehmen, wie er in einem System auftreten kann, bei welchem die Rotortemperatur von 20°C auf 120°C im Verlauf eines Prozesses ansteigt.
Wie in 7 gezeigt ist, kann ein Spülgas in dem Hohlraum 118 durch einen Spülgaseinlass oder Injektor 147 eingeführt werden. Der Spülgaseinlass 147 ist mit einer Gasversorgung (nicht gezeigt) verbunden. Zusätzliche Einzelheiten bezüglich des Spülgassystems finden sich in der US-Patentanmeldung Ser. No. 08/687,166, "Method and Apparatus for Purging the Back Side of a Substrate During Chemical Vapor Processing" (Verfahren und Vorrichtung zum Spülen der Rückseite eines Substrats während einer chemischen Gasphasenbehandlung), eingereicht am 24. Juli 1996, und "Method and Apparatus for Purging the Back Side of a Substrate During Chemical Vapor Processing" (Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen der Rückseite eines Substrats während einer chemischen Gasphasenbehandlung), eingereicht am gleichen Tag damit und beide übertragen auf die Zessionarin der vorliegenden Anmeldung.
Das Spülgas kann in den Hohlraum 118 strömen gelassen werden. Gemäß 10 ist der Spülgasweg durch den ersten Gaswegpfeil 175 gezeigt. Dieses Spülgas strömt nach unten zwischen der Reflektorseitenwand 122 und dem Tragzylinder 115. Dann strömt das Spülgas nach unten zu der zentralen Anordnung 151 und dem Rotor 113. Anschließend strömt das Spülgas um den Rotor 113 herum und nach oben angrenzend an die zylindrische dünne Wand 129. Daraufhin strömt das Gas zwischen der Lagerabdeckung 161 und der ko-rotierenden Randringerweiterung 121. Dabei wird das Spülgas durch Viskosität längs der ko-rotierenden Randringerweiterung 121 gezogen. Die hohe Drehzahl der ko-rotierenden Randringerweiterung 121 trägt zu diesem Effekt bei. Anschließend tritt das Spülgas in einen Gasauslasskanal 183 ein und wird durch ein Pumpsystem 179 entfernt. In dem Fall, in welchem etwas von dem Spülgas aus dem Hohlraum 118 zu dem Behandlungsbereich 163 beispielsweise aufgrund von Ungenauigkeiten in dem Randring 119 im Leckstrom fließt, können diese Gase auch längs der ko-rotierenden Randringerweiterung 121 mitgezogen und entfernt werden.
Dieses Spülgas gewährleistet, dass ein fortdauernder Gegendruck aufrechterhalten wird, so dass keine Abscheidung auf der Rückseite 165 des Substrats 117 erfolgt. Ein geeigneter Gegendruck kann etwa 13,3 Pa (100 mTorr) betragen, obwohl dieser Druck je nach Prozess variiert.

Claims

Magnetisch schwebend gehaltenes drehendes System (111) – mit einem magnetisch permeablen Rotor (113), – mit einer zylindrischen dünnen Wand (129), die zum Rotor (113) konzentrisch ist und ihn umgibt, und – mit einer magnetischen Statoranordnung (127) angrenzend an die zylindrische dünne Wand (129), – wobei die magnetische Anordnung so angeordnet ist, dass der radiale Abstand zwischen dem Rotor (113) und der magnetischen Statoranordnung (127) klein genug ist, dass ein von der Statoranordnung (127) erzeugtes Magnetfeld den Rotor (113) magnetisch in Schwebe hält, jedoch groß genug ist, dass der Rotor die dünne Wand (129) unter Wärmeausdehnung körperlich nicht berührt, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rotor (113) eine obere Fläche (113a) mit einer Vielzahl von Löchern (204) aufweist und – dass das System weiterhin eine Vielzahl von Positionierstiften (123), die in der Vielzahl von Löchern angeordnet sind, und einen Tragzylinder (115) aufweist, der mit dem Rotor (113) durch die Positionierstifte (123) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem der radiale Abstand zwischen dem Rotor (113) und der zylindrischen dünnen Wand (129) zwischen 1,0 und 1,5 mm (0,04 und 0,06 Zoll) liegt.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Dicke der zylindrischen dünnen Wand (129) zwischen 1,3 und 3,8 mm (50 und 150 mils) liegt.
System nach Anspruch 1, bei welchem die zylindrische dünne Wand (129) eine Wand einer Halbleiterbehandlungskammer ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Positionierstifte (123) gewindefrei in einer Reibpassung in der Vielzahl von Löchern (204) angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Löcher (204) auf einem Kreis mit einem Radius angeordnet sind, der größer als der Radius des Tragzylinders (115) ist.
System nach Anspruch 5, bei welchem die Positionierstifte (123) eine Vielzahl von Positionierstiftsteckern (159) aufweisen, die mit einer Reibpassung in der Vielzahl von Löchern (204) angeordnet sind.