BE1006988A3

BE1006988A3 - Inrichting voor gebruik in het domein van snelle uitgloeitechniek.

Info

Publication number: BE1006988A3
Application number: BE9300360A
Authority: BE
Original assignee: Imec Inter Uni Micro Electr
Priority date: 1993-04-13
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 1995-02-07

Abstract

De inrichting omvat een kamer met een met reflectorplaten beklede binnenwand, een kwartsbuis welke in de kamer is aangebracht om een plakdrager erin binnen te halen, en een warmtebron welke is aangebracht om de kwartsbuis en een daarin binnengehouden halgeleiderplak te bestralen. De kwartsbuis is cilindervormig en in de kamer vertikaal geplaatst met een drager erin voor het ondersteunen van een plak zodnig dat deze in de dwarsrichting van de kwartsbuis wordt binnengehouden en met daarrond ten minste één groep stralende lampen.

Description

INRICHTING VOOR GEBRUIK IN HET DOMEIN

VAN SNELLE UITGLOEITECHNIEK

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor gebruik in het domein van snelle uitgloeitechniek
(Rapid Thermal Processing (RTP), in het bijzonder om halfgeleiderplakken te verwarmen voor de behandeling ervan.

De bekende inrichtingen voor het behandelen van halfgeleiderplakken bestaan uit een platte rechthoekige kamer met een reeks parallelle lineaire halogeenlampen aan de boven- en onderkant ervan, waarbij die lampen een rechthoekige kwartsbuis bestralen, welke een te behandelen halfgeleiderplak inhoudt.

Het nadeel van deze bekende inrichtingen bestaat erin dat deze een ongelijkmatige hoekverdeling van de temperatuur veroorzaakt in de plak. Het is aan te nemen dat dergelijke ongelijkmatige temperatuurverdeling het gevolg is van het inrichten van de lampen alsook van de vorm van de kwartsbuis en van de weerkaatsende wanden van de kamer.

Een verder nadeel van de bekende platte rechthoekige kamer bij RTCVD processen bestaat in het volgende. De gasstroming gebeurt normaal parallel met de plak. Dit veroorzaakt een gaslediging in de richting van de gasuitgang en bovendien een ongewenste afzetting van reactieve produkten op de binnenwand van de kwartsbuis. Bij gasbehandeling van een plak met diameter groter dan 100 mm is een kwartsbuis van meer dan 10 mm dikte nodig om aan de druk van het vacuüm te weerstaan .

Een dergelijke dikte maakt het moeilijk het kwarts koel te houden omdat kwarts een laag thermisch geleidingsvermogen bezit.

Ten doel stelt de onderhavige uitvinding de bovenvermelde nadelen van de bekende inrichtingen te verhelpen.

Een verder doel van de uitvinding is een inrichting voor het verwarmen van een halfgeleiderplak te verschaffen, welke de verwarming beheerst in meerdere zones van een plak.

Deze doelen worden verwezenlijkt door een inrichting welke in de conclusies is gedefinieerd.

In het bij zonder is de kwartsbuis in de kamer cilindervormig en vertikaal geplaatst met een drager erin voor het ondersteunen van een plak zodanig dat deze in de dwarsrichting van de kwartsbuis wordt binnengehouden en met daarrond ten minste één groep stralende lampen.

De uitvinding heeft als voordeel dat de verdeling van de lampenstraling in verscheidene groepen het mogelijk maakt een multizone verwarming in de te verwarmen plak te bekomen en een dynamische controle van de verwarming uit te voeren door elke groep lampen afzonderlijk te sturen.

Verder dient er te worden onderstreept dat de uitvinding het voordeel biedt dat het temperatuurgebied voor uniforme, dynamische bestraling uitgebreid wordt naar lagere temperaturen en bovendien in vacuüm kan plaatsvinden door het schikken van de lampengroepen en/of door het moduleren van de reflectiviteit van de kamer
(door bv. het aanbrengen van zwarte strips op de goud coating).

Een verder belangrijk voordeel van de inrichting volgens de uitvinding is dat de in de kwartsbuis horizontaal gelegen plak boven en onder vrij is om andere dingen te kunnen doen, bv. technologische manipulaties of in situ metingen.

De uitvinding zal thans nader worden uiteengezet aan de hand van de bijgaande tekeningen.

Figuren 1 en 2 zijn een axiale resp. dwarse doorsnede van een uitvoeringsvoorbeeld volgens de uitvinding, en Figuren 3 t.e.m. 10 geven curven weer, welke de werking illustreren van een inrichting volgens de uitvinding.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting volgens de uitvinding is in figuren 1 en 2 schematisch weergegeven. Met verwijzingsgetal 11 is een kamer aangeduid waarvan de binnenwand met weerkaatsende platen 12 is bekleed, b.v.b. vergulde platen. In de kamer 11 is een overeind staande kwartsbuis 13 aangebracht en daarbinnen wordt een plakdrager 14 voorzien welke van onder in de kwartsbuis 13 komt te staan. De drager is zodanig ingericht dat deze een plak 10 in de dwarsrichting van de buis 13, d.w.z. horizontaal, draagt. De kwartsbuis
13 is door een symmetrisch verdeelde warmtebron 15 omringd. In de weergegeven uitvoeringsvoorbeeld is de warmtebron uit lineaire halogeenlampen 15a en 15b samengesteld, die horizontaal in groepen van zes worden aangebracht zoals in het bijzonder uit figuur 2 voortvloeit.

De lampen in een groep vormen aldus, van boven gezien, een hexagonale omtrek rond de kwartsbuis 13. Zodoende wordt de uitstraling van een plak 10 door een grotere oppervlakte van de kwartsbuis geabsorbeerd. Hierdoor wordt het verwarmen van de kwartsbuis en een ongewenste afzetting van produkten op de binnenwand ervan in grote mate verhinderd.

Figuur 1 toont vij f groepen lampen welke op regelmatige afstand van elkaar in de lengte richting van genoemde buis 13 worden verdeeld. Een groep, nl. groep A, wordt ter hoogte van de plak 10 aangebracht, de andere groepen, nl. groepen B resp. C, worden symmetrisch aangebracht boven en onder groep A. De afstand tussen de middenvlakken van twee achtereenvolgende groepen is bijvoorbeeld 60 mm. Het totale vermogen van elke groep lampen wordt afzonderlijk gestuurd. Hierdoor wordt een voordelige multizone temperatuurverdeling in de plak bekomen.

De lampen in elke groep worden op twee niveaus ingericht en op elk niveau worden drie lampen 15a resp. 15b aangebracht, die een driehoekige omtrek volgen. De driehoekige omtrek van de lampen op een eerste van deze twee niveaus, bvb. de lampen 15a, wordt met een hoek van 60[deg.] verschoven ten opzichte van de driehoekige omtrek van de lampen op het tweede niveau, bvb. de lampen 15b.

De weerkaatsende platen die de binnenwand van de kamer bekleden lopen parallel met de lampen rond de kwartsbuis 13 en volgen zodoende eveneens een hexagonaal omtrek. De weerkaatsende platen worden verkoeld.

Aan het uiteinde van de kwartsbuis 13 is nog een roestvrije stalenreflector 16 voorzien welke kegelvormig is zodat directe meervoudige weerkaatsingen tussen de halfgeleiderplak 10 en de onderplaat worden vermeden, waarbij de effectieve emissiviteit van de plak onafhankelijk blijft van de ruwheid van de plakoppervlakte. De onderreflector 16 is met een opening 17 voorzien voor het doorlaten van een pyrometer.

De kamer 11 heeft een doorgang 18 aan de bovenkant ervan voor het inlaten van een gas binnen de kwartsbuis

13. Meerdere uitlaatopeningen worden op voordelige wijze met een hoeksymmetrie in de onderplaat voorzien. Zodoende wordt een symmetrische gasstroming bekomen.

Experimentele metingen werden op een kamer uitgevoerd zoals in figuren 1 en 2 afgebeeld. Wegens de positionering van de groepen lampen, is het te verwachten dat groep A & B voornamelijk de verticale zijkanten van de halfgeleiderplak bestraalt terwijl met groep C vooral een meer gelijkmatige bestraling van de hele plak te verwachten is. Figuur 3 toont de temperatuurverhoging in het midden van de plak met het maximum vermogen voor iedere lampengroep. Daaruit blijkt dat groep C de meest efficiënte verwarming geeft als gevolg van de breedere

van de bestendige temperatuur van de plak onder bestraling van groep A & B, groep C en alle lampengroepen met een atmosferische druk met een N2 debiet van 1 l/min. De vermogens bij de drie metingen werden zodanig ingesteld dat de temperatuur in het midden van de plak
870[deg.]C was. De temperaturen werden gemeten met een in de plak ingebouwde thermokoppel. Uit de curven blijkt duidelijk dat de temperatuur in verscheidene zones van de plak apart kan worden ingesteld, waarbij een multizone regeling bereikt wordt. Groep A & B veroorzaakt een overwarming van de zijkanten van de plak, terwijl groep C een onderverwarming van de zijkanten veroorzaakt. Wanneer alle lampengroepen met hetzelfde vermogen worden gestuurd, is de temperatuur van de zijkanten lichtjes lager.

Hierdoor kan een perfecte gelijkmatige temperatuurverdeling worden bekomen door een optimale vermogenverdeling onder de lampengroepen in te stellen.

Figuur 5 illustreert de temperatuurverdeling in plakken die worden geoxydeerd onder 950[deg.]C bij bestraling door groep A & B gedurende 300 sec., onder 1100[deg.]C bij bestraling door alle groepen gedurende 120 sec. en onder
895[deg.]C bij bestraling door groep C gedurende 600 sec. Als gevolg van een lange behandelingstijd hierbij, geeft de meting van de oxydedikte een goede schatting van de gelijkmatigheid van de bestendige temperatuur van de plak. Opgemerkt wordt dat de radiale verdeling van de oxydedikte in f iguur 5 in overeenstemming is met de metingen die in figuur 4 worden weergegeven.

Uit de figuren 4 en 5 blijkt dat groep A & B voor het compenseren van het toenemende verlies langs de zijkanten van de plak kan worden gebruikt. Experimenteel werd bemerkt dat de beste temperatuurverdeling bekomen wordt voor temperaturen boven 900[deg.]C met een vermogenverhouding van 70 % voor groep C bij vergelijking met groep A & B. Onder 900[deg.]C wordt de optimale vermogenverhouding sterk afhankelijk van de temperatuur zoals uit figuur 6 blijkt. Met deze optimale vermogenverhoudingen ligt het temperatuurverschil tussen het midden en de zijkanten van de plak binnen &#65533; 1,5[deg.]C. Uit deze resultaten vloeit voort dat een gelijkmatige temperatuurverdeling met de inrichting volgens de uitvinding kan worden bekomen binnen een beperkt temperatuurgebied.

Bij bestraling door groep A & B alleen werd de temperatuurverdeling gelijkmatig binnen &#65533; 1[deg.]C met een temperatuur van 730[deg.]C in het midden van de plak zoals uit figuur 7 blijkt, waarin de temperatuurverdeling voor verschillende vermogenverhoudingen is weergegeven. Figuur 8 toont het temperatuurverschil tussen het midden van de plak en de zijkanten ervan bij korte tijd behandeling. Bij bestendige temperatuur is het verschil bijna nul. Tijdens de temperatuurveranderingen treedt echter een verschil op : de temperatuur aan de zijkanten is veel hoger dan in het midden van de plak bij opwarming en omgekeerd bij verkoeling. Het temperatuurverschil tijdens verkoeling is een ernstig probleem in de toepassingen omdat het maximum temperatuurverschil in werkelijkheid bij een hogere temperatuur plaatsheeft dan tijdens verwarming.

Een dergelijke ongelijkmatigheid tijdens de temperatuurveranderingen werd gecompenseerd door een dynamische temperatuurregeling toe te passen. De bedoeling was de zijkanten zo weinig mogelijk door groep C te laten oververwarmen tijdens verwarming en het toenemende verlies aan de zijkanten tijdens verkoeling door groep A & B te laten compenseren. Hiertoe worden groep C en groep'A & B in stijgende mode gestuurd tijdens initiale verwarming resp. verkoeling. Hierdoor werd het temperatuurverschil binnen &#65533; 5[deg.]C behouden.

Een factor van betekenis in een verwarmingskamer is het convectieverlies. Ten einde dit verlies in een kamer volgens de uitvinding te evalueren werd de temperatuurverdeling op een plak in vacuüm gemeten. De metingen zijn in figuur 10 afgebeeld. Hieruit blijkt dat, in vacuüm, groep C een gelijkmatige verwarming geeft terwijl de andere groepen een oververwarming van de zijkanten veroorzaken. In vacuüm wordt de temperatuur in het midden van de plak ongeveer 15[deg.]C hoger dan onder atmosferische druk. Het relatief verschil tussen de temperaturen gemeten in vacuüm en onder atmosferische druk is afhankelijk van de radius. Bij vergelijking met figuur 4 blijkt uit de curven van figuur 10 dat de verandering van het convectieverlies langs de radius van een kamer volgens de uitvinding meer beperkt is dan in een klassieke kamer.

Dit resultaat is nogal begrijpelijk omdat de hoogte van de kamer volgens de uitvinding veel groter is dan deze van de bekende kamer. Ook werd gevonden dat onder atmosferische druk een overheersend natuurlijk convectiemechanisme ontstaat in plaats van een gedwongen convectie.

Claims

CONCLUSIES

1. Inrichting voor gebruik in het domein van snelle gloeitechniek omvattende een kamer met een met reflectorplaten beklede binnenwand, een kwartsbuis welke in de kamer is aangebracht om een plakdrager erin binnen te halen, en een warmtebron welke is aangebracht om de kwartsbuis en een daarin binnengehouden halfgeleiderplak te bestralen,

daardoor gekenmerkt, dat genoemde kwartsbuis cilindervormig en in de kamer vertikaal geplaatst is, dat de plakdrager zodanig ingericht wordt dat een te bestralen plak in de dwarsrichting van genoemde kwartsbuis wordt binnengehouden en dat de warmtebron uit ten minste één groep stralende lampen bestaat, die de kwartsbuis omringen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt, dat de stralende lampen uit lineaire lampen bestaan, welke zodanig worden aangebracht dat zij, rond genoemde kwartsbuis, een hexagonale omtrek vormen.

3. Inrichting volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt, dat de stralende lampen in genoemde één groep op twee niveaus worden verdeeld, waarbij drie lineaire lampen op elk niveau worden aangebracht, die een driehoekige omtrek volgen en waarbij genoemde driehoekige omtrek op een eerste niveau met 60[deg.] verschoven is ten opzichte van de driehoekige omtrek van de lampen op het tweede niveau.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, daardoor gekenmerkt, dat meerdere groepen lampen worden aangebracht welke op regelmatige afstand van elkaar in de lengterichting van genoemde kwartsbuis verdeeld worden.

5. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, daardoor gekenmerkt, dat het open uiteinde van genoemde kwartsbuis door een kegelvormige reflector gesloten wordt, welke met een centrale opening is voorzien voor het doorlaten van een meetinstrument.

6. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, daardoor gekenmerkt, dat de kamer middelen omvat om de reflectiviteit van de wanden ervan te moduleren.

7. Gebruik van een inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, daardoor gekenmerkt, dat elk lampengroep afzonderlijk wordt gestuurd zodanig dat een dynamische controle van de verwarming wordt uitgevoerd.