在受控空气中传输衬底的设备 【相关申请的交叉引用】
本专利申请基于2004年4月21日提交的法国专利申请No.04/50 751，并要求该专利申请的优先权，在此引用该专利申请的内容以供参考。
【技术领域】
本发明涉及在为了制造半导体和微电子机械系统(MEMS)而进行的处理中对衬底进行的各工作步骤之间，在净室内保藏并移动诸如半导体晶片或者掩模之类的衬底。
背景技术
在制造半导体和MEMS的过程中，在使衬底避免受到仍存在于净室的大气中的污染的小环境密闭室内传输诸如硅晶片或者掩模之类的衬底。
当前，在通常称为标准机械接口(SMIF)盒的底部开口密闭室内传输直径为200毫米(mm)的硅晶片。
在通常被称为标准前开口通用盒(FOUP)地前开口密闭室内传输直径为300mm的硅晶片。
已经设计出适于传输单衬底晶片的小环境密闭室。
通常，在各处理步骤之间，半导体晶片或者其它晶片要在半导体制造单元内保留几个星期。在该时间段内，需要使半导体或者其它晶片免于任何受到污染的风险，这就是通过在小环境密闭室内传输并保藏这些晶片，保证它们与净室内的大气隔离的原因。
当在各工作站之间移动时，小环境密闭室必须与任何外部电源断开。在该时段内，小环境密闭室本身必须能够保持围绕它所密封的衬底的受控空气。这样就需要在小环境密闭室内具有可用能源以及用于保持受控空气的泵送系统，该受控空气的气压非常低，即与通向处理室的传送与装载室内的气压处于同一个数量级。
在现行的半导体制造标准中，通常使得晶片的活性表面朝上放置来保存要保护的半导体晶片，但是，可以通过使得活性表面朝上或者朝下保存掩模。例如，用于进行远紫外线(EUV)蚀刻的掩模具有朝下的活性表面。因此，需要一种能够兼容其活性表面朝上或者朝下放置的衬底、能够兼容小环境密闭室可以与其耦合以获得长期存储的调节站并且能够兼容通向处理室的传送和装载室的入口/出口结构的小环境密闭室。
【发明内容】
因此，本发明解决的第一个问题是，设计一种小环境密闭室，其保证有效地保护其所密封的衬底，同时仍可以容易地兼容其活性表面朝上的衬底和其活性表面朝下的衬底。必须以简单、廉价的方式确保兼容性。
本发明要解决的第二个问题是，设计一种小环境密闭室，其具有足够小的尺寸和足够长的持续时间，以在传输衬底的各步骤期间保持受控空气，而且还可以在将衬底保藏适当时长的各步骤期间保持受控空气。
因此，本发明提供了用于在受控空气中传输衬底的设备，该设备包括具有内部空腔的小环境密闭室。
根据本发明的第一方面，为了解决第一个问题，可以使衬底取朝向相反方向的位置，即活性表面朝上或者活性表面朝下，为了便于生产，本发明提出了一种小环境密闭室，其包括：
外壳，朝向相对的第一主表面和第二主表面敞开，并具有用于插入和取出衬底的可关闭侧开口；
第一主壁，适于根据衬底活性表面的取向装配并固定到第一主表面和第二主表面之一上，并以密封方式封闭该主表面；
第二主壁，适于根据衬底活性表面的取向装配并固定到第一主表面和第二主表面之一上，并以密封方式封闭该主表面，将第一主壁和第二主壁安装在与含有该衬底的平面平行的平面上；以及
机载泵送装置，具有连接到小环境密闭室的内部空腔的入口，并用于在小环境密闭室的内部空腔中保持受控的真空度。
因此，以模块方式，使主壁具有不同且可交换的功能。这也使得制造小环境密闭室更容易。
为了解决在与小尺寸的小环境密闭室断开时保持真空度的问题，应当使用也具有机载电源的小环境密闭室的机载泵送系统。由于小环境密闭室是密封的，所以泵送能力可以比较小，仅足以在期望的时间段内保持适当的真空。因此，可以设想使用微型泵，例如由多个单独的热流逸单元构成的微型泵，假设气压较低，该单独的热流逸单元就以满意的方式运行。然而，存在的困难是，这样的泵不能将抽吸的气体直接传送到空气中，因此，需要与该微型泵的出口串联的主泵，然后，它自己将抽吸的气体传送到空气中。这样就需要电源，该电源具有足够容量，以便既对微型泵供电，又对主泵供电，这样就增大了含有该微型泵、主泵以及电源的小环境密闭室的尺寸和重量。因此，不可能设计体积和重量均足够小的组件。
为此，在有利的实施例中，本发明提出：
微型泵，其入口连接到小环境密闭室的内部空腔；
主真空保留室，与小环境密闭室的内部空腔隔离，与外部空气隔离，连接到微型泵的出口，并具有使其连接到外部泵送设备的可关闭主泵送孔；以及
电源，用于对微型泵供电，以使其工作。
为了在小环境密闭室内产生适当的真空度，将主泵送孔连接到外部泵送设备，并使微型泵和外部泵送设备同时工作。此后，断开并关闭主泵送孔，从而保持以这种方式形成的真空度。因此，该小环境密闭室是独立的。微型泵保持内部空腔中的受控真空度，将气体传送到其气压逐渐升高的保留室内。
因此，自然地可以提供其体积大到足以确保其内部气压升高得更缓慢的保留室。然而，为了避免过度地增大该组件的总体积，有利的是，该保留室的体积不大于为确保随着微型泵将气体从小环境密闭室内的空腔泵送到该保留室内而逐渐升高的该保留室内的气压在满意的时长内一直足够低，即一直低于导致该微型泵不能再传送由其抽吸的气体的最高气压阈值。
如上所述，有利的是，微型泵可以包括多个单独的热流逸泵送单元。这种热流逸泵送单元利用了努森于20世纪90年代描述的热流逸效应，因此，当两个续接容器通过横断面尺寸非常小、其半径小于所涉及的气体分子的平均自由程的通路相连时，以及该通路的两端处于不同温度时，在两个续接容器之间产生压差。在该小尺寸通路上，分子在分子条件下移动，并因此由于温度差在该通路的两端产生的不同气压。在分子条件下，当达到热平衡时，该通路两端的气压的比值等于相应温度的比值的平方根。然后，当分子到达与通路的一端相邻的容器时，其运动处于粘性介质条件下，而且不再返回该通路。这样就产了泵送的效果。
单个单元的压缩比较小，但是为了达到适当的压缩比和适当的泵送能力，可以增加串联和/或并联的单元的数量，以获得气流。
因此，在断开时，这种小环境密闭室适于保持足够长时间的真空度，即其具有足够长的持续时间，这是因为微型泵消耗的能量较少，也是因为一个事实，即在断开时，在密闭室工作所需要的期望的时长期间，不需要使用主泵输送空气。
有利的是，该设备还可以包括调节站：
适于容纳小环境密闭室，并适于与主泵送孔相连；以及
包括主泵和控制装置，用于从保留室抽吸气体，以在保留室以及小环境密闭室的内室中产生适当真空度。
该优点在于，在调节之前的步骤期间，调节站可以在小环境密闭室内产生低压空气，在于随后在小环境密闭室内使其内部空气与净室内的环境空气分离，并在于在小环境密闭室与调节站分离时，在适当条件下，利用机载电源供电的微型泵足以在足够的时长内保持内部空气。
在该调节站，主泵最好与连接装置配合，用于将其入口连接到小环境密闭室的保留室。因此，通过首先利用微型泵，然后利用主泵泵送空气，可以调节小环境密闭室内的空气，该微型泵和主泵是串联的。
在有利的实施例中：
微型泵使用电能；
小环境密闭室的电源包括用于存储电能的装置；以及
调节站包括供电装置和用于对小环境密闭室的电源进行充电的电连接装置。
上述布置适于确保密闭室具有足够长的持续时间。
实际上，为了容纳微型泵和电源，可以提供第二主壁，以具有：微型泵，其入口连接到小环境密闭室的内部空腔；电源，用于对该微型泵供电；以及保留室，连接到微型泵的出口，并具有可关闭主泵送孔。
在特定实施例中，第一主壁具有利用热流逸工作的去污板以及用于冷却所述去污板的装置。
实际上，需要将上述去污板平行于衬底的活性表面布置，使其面向且尽可能靠近该活性表面。
在有利的实施例中，用于利用热流逸冷却去污板的装置包括一个或者多个珀耳贴元件冷源。
在使用热流逸去污板时，也可以配备与颗粒捕集装置相配的热流逸去污板。该颗粒捕集装置可以捕获到达热流逸去污板附近的入射颗粒，从而实现改善的去污效果。
有利的是，在保留室内提供吸附元件，该吸附元件吸附气体分子，因此有助于在保留室内保持足够低的气压。
作为一种补充或选择，可以放置与位于小环境密闭室内的空腔中的空气相接触的吸附元件。因此，作为微型泵的补充或者替代，该吸附元件用于吸附气体分子，从而有助于在内部空腔中保持真空，并提供分子去污。
应当理解用于确保小环境密闭室具有足够长的持续时间的装置，特别是保留室、电源以及微型泵本身构成可以单独使用装置的发明，该装置使相同的小环境密闭室用于容纳其活性表面朝上或者朝下的衬底的。
【附图说明】
根据下面参考附图对特定实施例所做的说明，本发明的其它目的、特征和优点将变得明显，其中：
图1是构成本发明第一实施例的、适于传输或者存储其活性表面朝上的衬底的小环境密闭室的概要侧面视图；
图2示出了为了传输或存储其活性表面朝下的衬底而修改的图1所示的结构；
图3示出了图1所示的小环境密闭室的变型；
图4示出了用于将晶片支承在本发明的传输设备内的静电夹持器的细节；以及
图5示出了与调节站相连的图1所示的实施例中的小环境密闭室。
【具体实施方式】
在图1所示的实施例中，本发明的小环境密闭室1包括适合于容纳并密封半导体行业所用的一类衬底3，例如半导体晶片或者掩模的内部空腔2。
根据要密封的衬底3的尺寸，选择内部空腔2的尺寸，最好保证内部空腔2的尺寸仅稍大于衬底3的尺寸，以确保围绕衬底3的空气的体积相对较小，并因此而在长期断开期间更容易保持满意的状态。
有利的是，内部空腔2具有适于匹配盘形半导体晶片3的轮廓的圆柱形部分。然而，该形状还适于密封具有方形轮廓的掩模。
内部空腔2被防漏壁包围，该防漏壁包括外围壁4a、第一主壁8以及第二主壁9。第一主壁和第二主壁位于与容纳该衬底的平面平行的平面上。
在图1所示的实施例中，第一主壁8构成顶壁，而第二主壁9构成小环境密闭室1的底壁。
在同一个实施例中，小环境密闭室1具有机载泵送装置，其用于使小环境密闭室1的内部空腔2保持受控的真空。
图1示出了构造小环境密闭室1的细节，特别是使同样的小环境密闭室结构用于密封并传输其活性表面朝上或朝下的衬底3的装置。
作为例子，外壳4构成外壁4a以及凸缘4b，凸缘4b封闭了顶主表面5和底主表面6的一小部分外围部分。因此，外壳4是朝向第一主表面5和第二主表面6敞开的。
第一主壁8适于根据衬底活性表面的取向装配并固定到第一主表面5和第二主表面6之一上，并以密封方式封闭该主表面。
同样，第一主壁9适于根据衬底活性表面的取向装配并固定到第一主表面5和第二主表面6之一上，并以密封方式封闭该主表面。
在图1中，第一主壁8装配到第一主表面5，而第二主壁9装配到第二主表面6。
围绕主表面5和6上的开口，垫圈10保证第一主壁8与外壳4之间是密封的，而垫圈11保证第二主壁9与外壳4之间是密封的。
在本发明的实施例中，机载泵送装置包括微型泵12，该微型泵12具有连接到小环境密闭室1的内部空腔2的入口12a。电源16用于对微型泵12提供能源，以使它工作。将与小环境密闭室1的内部空腔2隔离并与外部空气隔离的保留室13连接到微型泵12的出口12b。如下所述，保留室13具有使其连接到外部泵送装置的可关闭主泵送孔15。
通过提供与内部空气接触并与控制装置16a相连的传感器装置12c，可以控制内部空腔2内的空气。如果期望这样，则根据传感器装置12c输出的信号，控制装置16a可以对从电源16送到微型泵12的电力进行控制。
还可以为小环境密闭室配备跟踪能力控制单元20，该小环境密闭室具有用于监控并存储小环境密闭室1内发生的事件的装置。
有利的是，微型泵12可以是由多个单独的泵送单元构成的热流逸微型泵，其中一些泵送单元是串联的，多个串联组件可以并联，以获得预定应用所期望的流速和压缩比特性。
为了产生压缩效应，各热流逸泵送单元分别具有可以由适于供电的电阻构成的热源。因此，小环境密闭室1的电源16具有用于存储电力的装置，例如，可再充电电池。
可以在内部空腔6与保留室13之间的中间壁上直接实现各热流逸泵送单元。无须将所有单元连接到公共入口孔12a和公共出口孔12b。实际上，可以提供与分布在中间壁区域上的各入口孔和出口孔相连的各热流逸泵送单元的不同组。
保留室13的用途是在小环境密闭室1与外部电源断开时，采集微型泵12从内部空腔2抽取的气体分子。例如，这些气体分子可能从小环境密闭室1各壁面的脱气中、从插入小环境密闭室1的衬底3的脱气中、或者从小环境密闭室1各壁的泄漏气体中产生。尽管小环境密闭室1与外部电源是断开的，但是传送到保留室13内的气体分子仍使保留室13内的气压逐渐升高，从而大于为了将衬底3保持在合适的空气中而在内部空腔2所期望的气压。保留室13的体积必须足以确保在断开期间结束时，保留室13内的气体分子的压力继续保持低于微型泵12可以接受的最大下游气压阈值，即超过该阈值，微型泵12不能再将气体分子泵送到保留室13内。
实际上，在微型泵12的出口处于1托(Torr)气压下的情况中，微型泵12可以使内部空腔2中保持约10毫托(mTorr)的真空度。
在图1所示的实施例中，第二主壁9包含微型泵12。微型泵12容纳在使保留室13与小环境密闭室1的内部空腔2隔离的中间壁内。外壁14使保留室13与外部空气隔离。外壁14包括用于耦合到调节站的可关闭主泵送孔15。
诸如蓄电池之类的电源16也可以位于在第二主壁9内，以对微型泵12供电，并对传感器装置12c和控制装置16a供电。
图1所示的实施例中的第一主壁8具有利用热流逸工作的去污板17，该板构成小环境密闭室1的内部空腔2的顶板，并平行于并朝向衬底的活性表面而布置。由电源19供电的冷源18使热流逸去污板17保持低温。因此，冷源18和电源19包含在承载热流逸去污板17的第一主壁8内。
最好将热流逸去污板17可拆卸地安装在小环境密闭室1上，以便可以从小环境密闭室1临时抽出，或者利用另一个去污板更换。可以通过卸下整个第一主壁8来抽出去污板17，或者仅通过可关闭侧开口7来卸下去污板17。通过利用氮气吹扫和/或通过加热，可以脱离小环境密闭室1更新去污板17。
可关闭侧开口7的结构适于以常规的方式与自动外部开启与关闭装置配合，并与用于处理衬底3的装置配合，从而插入或者取出衬底3。因此，可关闭侧壁7通常具有不对称结构，因此，不能翻转小环境密闭室1以便同样地与朝上或者朝下的主壁8和9一起使用，这样将不能调节和传输其主表面朝上或者朝下的衬底3。
为了实现这种可能性，图1所示的包括3个主要部分，即外壳4以及装配到其上的第一主壁8和第二主壁9的一般结构是相对于水平中板对称的，使得第一主壁8位于外壳4的顶面5或者底面6上。这样，在使主壁8和9位于外壳4的顶部或者底部时，可以节省由可关闭侧开口7构成的输入-输出结构，而不必改变该结构的取向。
因此，图1示出了小环境密闭室1的位置，其中第一主壁8装配到第一主表面5，而第二主壁9装配到第二主表面6。
相反，图2示出了在其第二主表面6上容纳第一主壁8，而在其第一主表面5上容纳第二主壁9的相同的外壳结构4。
因为第一主壁8和第二主壁9以相反方向围绕同一个外壳4，所以对于其活性表面朝上的衬底3，可以将去污板17布置在衬底3之上，对于其活性表面朝下的衬底3，可以将去污板17布置在衬底3之下。
现在参考图5，图5示出了包括上述小环境密闭室1和调节站22的本发明的整个设备的实施例。
调节站22适于容纳小环境密闭室1，并适于连接主泵送孔15。为此，调节站22具有适于以密封方式连接到主泵送孔15的连接装置26。在小环境密闭室1耦合到调节站22时，连接装置26耦合到主泵23的入口，主泵23与控制装置24相连，用于从保留室13抽吸气体。然后，主泵23与微型泵12串联，以形成气流，这样可以在小环境密闭室1的内部空腔2内形成合适的气压，例如，约10毫托(mTorr)的气压。主泵23必须能够基本达到该10毫托的工作气压。
应当理解保留室13的存在使微型泵12能在小环境密闭室1被断开的时间内正常地工作，而不需要在小环境密闭室1上有机载主泵，因此也不需要用于对这种机载主泵供电的装置。
仍参考图5，主泵23与诸如管线26之类的连接装置配合，该管线26用于将其入口27连接到小环境密闭室1的保留室13。为此，在小环境密闭室1耦合到调节站22时，管线26适于耦合到可关闭主泵送孔15。在未连接到小环境密闭室1时，再一次关闭可关闭主泵送孔15，以保持保留室13以及内部空腔2内的真空度。
主泵23与控制装置24相连，控制装置24用于对从小环境密闭室1抽吸气体进行控制，以在连接小环境密闭室1时，产生适当真空度。调节站22还具有用于对小环境密闭室1的电源16进行充电的装置25。为此，在调节站22上配备电连接装置28，而在小环境密闭室1上配备辅助电连接装置28a。在调节站22上配备控制装置29，以控制在小环境密闭室内实现的真空度，为此，该控制装置29与位于小环境密闭室1内的诸如传感器装置12c之类的状态传感器相连。
图3示出了本发明的小环境密闭室1的第二实施例，其中第二主壁9的结构相同，但是第一主壁8的结构不同。在该实施例中，第一主壁8没有热流逸去污板，但是却具有可以使用户观察小环境密闭室1的内部情况的透明窗口21。
在具有保留室13的实施例中，通过配备保留室13以含有适于吸附气体分子的吸附元件30(图1)，可以有效地延长保留室13的有效时长，因此有助于在保留室13内保持低压。
沸石是适合制造吸附元件30的材料的例子。沸石是具有规则的、较大的微孔的适当结构的晶化碱性硅铝酸盐，其中阳离子象在液体中一样运动。这就产生了交换、吸附以及催化能力。沸石构成用于确定各大内部空腔的固体结构，在这些内部空腔内，可以吸附分子。利用分子可以通过的孔口，将这些空腔互连在一起。由于结晶性质，孔和空腔的尺寸都是规则的，而且非常小，利用这种开口尺寸，该结构可以吸附对应于开口尺寸的某些分子，而不能吸附更大的其它分子。因此，根据要吸附的气体分子的大小，选择适当的沸石。
作为一种选择，可以利用通常用于构造吸气剂泵的任何其它材料构造吸附元件30。
如图1所示，作为一种选择或补充，在具有热流逸去污板17的实施例中，可以配备用于捕获入射颗粒的颗粒捕集装置31。
颗粒捕集31位于热流逸去污板17的活性表面即朝向衬底3的面上。
实际上，热流逸去污板17可以由因为入射颗粒粘附其上而本身具有颗粒捕集特性的材料构成。作为一种选择或补充，可以对热流逸去污板17进行使其具有颗粒捕集特性的适当的表面处理。
例如，热流逸去污板17的活性表面可以是加在热流逸污板17本身上的由适当材料构成的薄表面膜的外表面。
在本发明的另一个实施例中，可以利用吸气剂泵代替第二主壁9上的微型泵12和保留室13。如图1所示，可以使吸气剂泵的吸附元件32位于第二主壁9中。最好将吸附元件32制造为可拆卸的，以便在使用一段时间后，在小环境密闭室外对其进行更换和/或更新，应当理解该更新需要将吸附材料加热到较高温度，该温度可能使小环境密闭室1老化。应该选择在下降到相对较低的温度时具有满意的吸附特性的吸附元件，以避免消耗机载电源。
在上升到高温时，吸附元件32通常具有解吸特性，而在处于低温时，则具有吸附特性。因此，当吸附元件32位于小环境密闭室1之外时，通常可以通过，对其充分加热来更新吸附元件32。有利的是，在吸附元件32仍相对较热，即其温度高到足以使其具有满意的吸附特性但低于导致解吸特性的温度时，可以将其插入小环境密闭室1：吸附元件32和内部空腔2内的气体的逐渐冷却使内部空腔2内的气压逐渐降低，因此，当在小环境密闭室1内传输和/或存储衬底时，对泵送性能和在空腔2内保持受控的真空度有所帮助。
在上述所有实施例中，应当将衬底3支承在密闭室的内部空腔2内。在传输密闭室时，必须适当地支承衬底3，以避免发生破坏衬底3的风险，并避免发生擦伤衬底3的风险，因为这样可能产生污染衬底3的主表面的颗粒，例如为形成构成半导体组件的图形而加工的半导体晶片面的颗粒。同时，需要支承装备，以消耗少许能量，从而避免缩短传输密闭室的持续时间。
特别有利的是，为此，使用静电夹持器40，用于将衬底3支承在内部空腔2内的水平位置上。
图4示出了静电夹持器40的详细结构。该静电夹持器包括确定电绝缘夹持结构42的夹持板41，衬底3压在电绝缘夹持结构42上。夹持板41具有通过连接器45a和45b与夹持控制电路45电连接的多个电极43和44。例如，用其厚度为微米数量级的各薄膜绝缘层46和47覆盖电极43和44，而且电极43和44由绝缘板48承载，而绝缘板48本身由固定在外壳44上的金属板49承载。
夹持控制电路45对电极43和44施加电压，以对着夹持面42静电夹持衬底3。例如，由其基本频率为几十赫兹，而其幅值为1000伏数量级的方波脉冲构成该夹持电压。
由于与衬底3的耦合是静电的，所以夹持控制电路45发出的电能非常小，因此满足本发明对衬底传输密闭室的要求，从而具有较长的持续时间。
对电极43和44供电可以保证静电夹持衬底3，而中断供电则可以保证立即释放衬底3。因此，在夹持或者释放静电夹持器时不会产生摩擦，所以不释放污染颗粒。
本发明并不局限于上面详细说明的实施例，本发明包括本领域普通技术人员能力范围内的任何变型和推广。