DD249569A1

DD249569A1 - RADIATION HEATING SYSTEM, ESPECIALLY FOR DISCS SUBSTRATE

Info

Publication number: DD249569A1
Application number: DD29072086A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Koegler; Lothar Zollfrank; Matthias Voelskow; Thomas Uhlig; Guenter Hofmann
Original assignee: Mikroelektronik Zt Forsch Tech
Priority date: 1986-05-29
Filing date: 1986-05-29
Publication date: 1987-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsbeheizungsanlage fuer vorzugsweise scheibenfoermige Substrate, die fuer Waermebehandlungsprozesse in der Halbleitertechnologie, insbesondere zur grossflaechigen SOI-Substratherstellung bei der Erzeugung mikroelektronischer Halbleiterbauelemente, eingesetzt wird. Ziel der Erfindung ist es, eine derartige Anlage zu schaffen, die eine durch homogenitaetsstoerende Rueckwirkungen nicht beeinflusste homogene Erwaermung durch ein Strahlungsangebot, das fuer alle Punkte der dem Licht ausgesetzten Oberflaeche des zu behandelnden Substrats das gleiche ist, gewaehrleistet. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die im Strahlungsraum der Strahlungsbeheizungsanlage angeordnete stationaere Strahlungsquelle aus zwei oder mehreren Ebenen zueinander gekreuzten und einzeln ansteuerbaren stabfoermigen Strahlungskoerpern besteht und in ihrer Ausdehnung groesser als die Flaeche des zu behandelnden Substrats ist.The invention relates to a radiation heating system for preferably disc-shaped substrates, which is used for heat treatment processes in semiconductor technology, in particular for large-scale SOI substrate production in the production of microelectronic semiconductor devices. The aim of the invention is to provide such a system which ensures homogeneous heating not affected by homogeneity-repulsive effects by a radiation supply which is the same for all points of the surface exposed to the light of the substrate to be treated. The object is achieved according to the invention in that the stationary radiation source arranged in the radiation space of the radiation heating system consists of two or more planes crossed and individually controllable rod-shaped radiation bodies and is larger in size than the surface of the substrate to be treated.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsbeheizungsanlage, insbesondere für scheibenförmige Substrate, die für Wärmebehandlungsprozesse in der Halbleitertechnologie, insbesondere zur großflächigen SOI-Substratherstellung bei der Erzeugung mikroelektronischer Halbleiterbauelemente eingesetzt wird.The invention relates to a radiation heating system, in particular for disc-shaped substrates, which is used for heat treatment processes in semiconductor technology, in particular for large-area SOI substrate production in the production of microelectronic semiconductor devices.

Characteristic of the known technical solutions

Zur Wärmebehandlung von scheibenförmigen Substraten, insbesondere zur großflächigen SOI-Substratherstellung mit wegen der geringen thermischen Trägheit und guten Steuerbarkeit vorteilhafter Strahlung energiereicher Lichtquellen ist eine Strahlungsbeheizungsanlage bekannt, die im wesentlichen aus einem Strahlungsraum mit stationärer Strahlungsquelle und einem beweglichen Strahlungsheizer besteht (E. Wiesner; Wiss. Fortschr. 35 [1985] 4. S..94; vgl. auch Appl. Phys. Letters 40 [1982] S. 156 und Appl. Phys. Letters 41 [1982] S. 186).For the heat treatment of disk-shaped substrates, in particular for large-surface SOI substrate production with low energy inertia and good controllability advantageous radiation high-energy light sources, a radiation heating system is known, which consists essentially of a radiation space with a stationary radiation source and a mobile radiant heater (E. Wiesner, Wiss Progress 35 [1985] 4 p. 94; see also Appl. Phys. Letters 40 [1982] p. 156 and Appl. Phys. Letters 41 [1982] p.

Am Boden des Strahlungsraumes ist eine aus mehreren stabförmigen Halogenlampen, die flächenhaft angeordnet sind, bestehende stationäre Strahlungsquelle angebracht. Über dieser stationären Strahlungsquelle ist eine Substrathalterung angebracht, durch die das Substrat, insbesondere mittels einer Quarzplatte oberhalb der Strahlungsquelle, thermisch isoliert gelagert wird. Um bei der Wärmebehandlung des Substrates eine homogene Erwärmung durch eine isotrope Einstrahlung der stationären Strahlungsquelle auf die Oberfläche der Substratrückseite dadurch zu erreichen, daß jeder Punkt der dem Licht ausgesetzten Substratoberfläche das gleiche Strahlungsangebot erhält, ist der Strahlungsraum mit hochreflektierenden Wänden ausgekleidet.At the bottom of the radiation space a stationary radiation source consisting of several rod-shaped halogen lamps, which are arranged in a planar manner, is attached. About this stationary radiation source, a substrate holder is mounted, through which the substrate, in particular by means of a quartz plate above the radiation source, is stored thermally insulated. In order to achieve a homogeneous heating during the heat treatment of the substrate by an isotropic irradiation of the stationary radiation source on the surface of the substrate back side in that each point of the substrate surface exposed to light receives the same radiation supply, the radiation space is lined with highly reflective walls.

Mit einer dreipunktgelagerten Verstelleinrichtung wird der aus-einer in einem elliptischen Spiegel angeordneten stabförmigen Halogenlampe bestehende bewegliche Strahlungsheizer oberhalb des Strahlungsraumes in Bezug auf die Probenoberfläche justiert.With a three-point adjustment of existing from a arranged in an elliptic mirror rod-shaped halogen lamp existing movable radiant heater above the radiation space with respect to the sample surface is adjusted.

Die Beweglichkeit des Strahlungsheizers wird mittels einer Führungseinrichtung in einer parallel zur Ebene des Substrats liegenden Ebene gewährleistet. Bei der SOI-Substratherstellung wird das Substrat durch die stationäre Strahlungsquelle von der Unterseite her homogen bis in die Nähe des Schmelzpunktes vorgewärmt. Anschließend wird mittels des strichförmig auf die Oberfläche des Substrats fokussieren Lichts des beweglichen Strahlungsheizers, wobei der Abstand des beweglichen Strahlungsheizers zur Substratoberfläche mit der Verstelleinrichtung derart eingestellt wird, daß die Oberfläche des Substrats in der Brennlinie dös elliptischen Spiegels liegt, die Schmelztemperatur überschritten.The mobility of the radiant heater is ensured by means of a guide device in a plane lying parallel to the plane of the substrate. In the SOI substrate production, the substrate is preheated homogeneously from the underside to near the melting point by the stationary radiation source. Subsequently, the light of the movable radiant heater, which is focused on the surface of the substrate in a line shape, whereby the distance of the movable radiant heater to the substrate surface is adjusted with the adjusting device such that the surface of the substrate lies in the focal line of the elliptical mirror, exceeds the melting temperature.

Wird der Lichtstreifen über die gesamte Substratoberfläche geführt, läßt sich eine auf einem isoliertem Siliziumsubstrat abgeschiedene polykristalline Siliziumschicht sukzessive so aufschmelzen, daß sie hinter der Schmelzfront zu recht perfekten einkristallinen Gebieten erstarrt.If the light stripe is guided over the entire substrate surface, a polycrystalline silicon layer deposited on an insulated silicon substrate can be melted successively so that it solidifies behind the melt front to quite perfect monocrystalline regions.

Ein derartiges Bauprinzip für die Strahlungsbeheizungsanlage hat den Nachteil, daß, bedingt durch die unterschiedlich starke thermische Rückwirkung einerseits von dem stark erhitzten Substrat und andererseits von den hochreflektierenden, jedoch kalten Wänden, auf die stationäre Strahlungsquelle, die stationäre Strahlungsquelle thermisch inhomogen beeinflußt und somit das Strahlungsangebot nicht in jedem Punkt der Oberfläche des Substrats das gleiche ist.Such a construction principle for the radiant heating system has the disadvantage that, due to the different degrees of thermal feedback on the one hand from the highly heated substrate and on the other hand from the highly reflective, but cold walls, to the stationary radiation source, the stationary radiation source thermally inhomogeneously influenced and thus the radiation supply not the same in every point of the surface of the substrate.

Dadurch bildet sich auf dem scheibenförmigen Substrat ein Temperaturgradient zum Rand des Substrats hin aus. Die Folge dieses Temperaturgradienten sind Spannungen im Substratmaterial, die zu Strukturfehlern und zu Verbiegungen führen. Für die Herstellung von mikroelektronischen Halbleiterbauelementen sind daher die Randzonen des Substrats ungeeignet, so daß es zu einer Verringerung der Ausbeute kommt.As a result, a temperature gradient forms on the disk-shaped substrate toward the edge of the substrate. The consequence of this temperature gradient are stresses in the substrate material, which lead to structural defects and to bending. For the production of microelectronic semiconductor components, therefore, the edge zones of the substrate are unsuitable, so that there is a reduction in the yield.

Die gleichen nachteiligen Folgen treten bei einer bekannten Strahlungsbeheizungsanlage, die vorzugsweise für Ausheilprozesse eingesetzt wird, auf. Diese Anlage besteht im wesentlichen aus einem Strahlungsraum in dem eine Substrathalterung mit einem das zu behandelnde Substrat aufnehmenden Substratteller und eine Strahlungsquelle aus mehr^. ?n Halogenlampen angeordnet sind.The same adverse consequences occur in a known radiant heating system, which is preferably used for annealing processes on. This plant consists essentially of a radiation space in which a substrate holder with a substrate to be treated receiving substrate plate and a radiation source of more ^. Are arranged halogen lamps.

Die Strahlungsquelle ist in einem konstanten Abstand zur Oberfläche des Substrats angebracht.The radiation source is mounted at a constant distance from the surface of the substrate.

Um die genannten Nachteile bei Substratbeheizungsanlagen zu vermeiden, ist es bekannt, um das zu behandelnde Substrat einen Schutzring anzuordnen oder das Substrat auf einer Unterlagenscheibe mit einer größeren lateralen Ausdehnung als das Substrat zu lagern.In order to avoid the mentioned disadvantages in substrate heating systems, it is known to arrange a protective ring around the substrate to be treated or to support the substrate on a backing plate with a larger lateral extent than the substrate.

Weiterhin ist es bekannt, durch eine Vergrößerung des Abstandes der Strahlungsquelle zum Substrat eine Verringerung der nachteiligen inhomogenen Erwärmung des Substrats zu erreichen.Furthermore, it is known to achieve a reduction of the disadvantageous inhomogeneous heating of the substrate by increasing the distance between the radiation source and the substrate.

Alle diese bekannten Mittel zur Homogenisierung des Erwärmungsvorganges sind durch eine Reihe anderer nachteiliger Wirkungen gekennzeichnet. So kommt es infolge der verringerten Aufheizgeschwindigkeit zu einem verringerten Substratdurchsatz.All of these known means for homogenizing the heating process are characterized by a number of other adverse effects. So it comes as a result of the reduced heating rate to a reduced substrate throughput.

Desweiteren treten eine verringerte verfügbare Strahlungsleistung, ein erhöhter Energieverbrauch und eine Steigerung der Anlagenkosten auf.Furthermore, reduced available radiant power, increased energy consumption and increased equipment costs occur.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine Strahlungsbeheizungsanlage insbesondere für scheibenförmige Substrate, die eine homogene Erwärmung, durch ein für alle Punkte der der Strahlung ausgesetzten Substratoberfläche gleich starkes Strahlungsangebot, unter Vermeidung eines sich ausbildenden Temperaturgradienten, der beispielsweise zu Spannungen im Substrat führt, gewährleistet einen hohen Substratdurchsatz und einen geringen Energieverbrauch garantiert.The aim of the invention is a radiation heating system, in particular for disc-shaped substrates, the homogeneous heating, by a for all points exposed to the radiation substrate surface radiation supply, while avoiding a temperature gradient that leads, for example, to voltages in the substrate, ensures a high substrate throughput and low energy consumption guaranteed.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsbeheizungsanlage insbesondere für scheibenförmige Substrate anzugeben, bei der die homogene Erwärmung durch ein Strahlungsangebot, das für alle Punkte der dem Licht ausgesetzten Oberfläche des zu behandelnden Substrats das gleiche ist, nicht durch homogenitätsstörende thermische Rückwirkungen des heißen Substrats auf die Strahlungsquelle behindert wird.The invention has for its object to provide a radiation heating system, especially for disc-shaped substrates, in which the homogeneous heating by a radiation supply, which is the same for all points of the exposed surface of the substrate to be treated, not by homogeneity disturbing thermal repercussions of the hot substrate the radiation source is obstructed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die im Strahlungsraum der Strahlungsbeheizungsanlage, die sich im wesentlichen aus einem Strahlungsraum mit stationärer Strahlungsquelle und einer aus Trägerelementen bestehenden Substrathalterung, die einen thermisch isolierenden und das Substrat aufnehmenden Substratteller in einem konstanten Abstand über der stationären Strahlungsquelle lagert zusammensetzt, angeordnete stationäre Strahlungsquelle aus zwei oder mehreren Ebenen zueinander gekreuzten und einzeln ansteuerbaren stabförmigen Strahlungskörpern besteht und in ihrer Ausdehnung größer als die Fläche des zu behandelnden Substrats ist. Die einzelnen stabförmigen Strahlungskorper sind mit einem derartigen Abstand zueinander angeordnet, der eine gegenseitige Beeinflussung der Strahlungsquellen ausschließt und eine homogene Erwärmung der stationären Strahlungsquelle somit garantiert. Der Abstand der Strahlungsquellen voneinander beträgt dabei mindestens das Zehnfache ihres Durchmessers. Das Substrat befindet sich mindestens in dem gleichen Abstand über der oberen Ebene der Strahlungsquellen oder mindestens in dem gleichen Abstand zwischen den Ebenen der Strahlungsquelle. Durch eine differenzierte Leistungsansteuerung jedes einzelnen Strahlungskörpers wird eine radiale Strahlungsintensitätsverteilung eingestellt, die dem auf der Substratoberfläche ausgebildeten Temperaturgradienten entgegenwirkt. Diese Einstellung der Strahlungsintensität erfolgt mittels eines Probesubstrats, bei dem insbesondere mit einer Infrarotkamera der Temperaturgradient ermittelt und durch die Leistungsregelung jedes einzelnen Strahlungskörpers die Temperaturunterschiede kompensiert werden, das heißt nach der Leistungseinstellung der Strahlungskorper ist das Strahlungsangebot für alle Punkte der der Strahlung ausgesetzten Oberfläche des Pr- besubstrats das Gleiche. Es ist offensichtlich, daß die Einstellung der radialen Strahlungsintensität auch ohne Probescheibe direkt an einem oder jedem zu behandelnden Substrat durchführbar ist.According to the invention the object is achieved in that in the radiation space of the radiant heating system, which consists essentially of a radiation space with stationary radiation source and consisting of support elements substrate holder, which stores a thermally insulating and the substrate receiving substrate plate at a constant distance above the stationary radiation source , Stationary radiation source arranged consists of two or more planes crossed and individually controllable rod-shaped radiation bodies and in their extent is greater than the surface of the substrate to be treated. The individual rod-shaped Strahlungskorper are arranged with such a distance from each other, which excludes mutual interference of the radiation sources and thus guarantees a homogeneous heating of the stationary radiation source. The distance of the radiation sources from each other is at least ten times their diameter. The substrate is at least the same distance above the top level of the radiation sources or at least the same distance between the planes of the radiation source. By a differentiated power control of each individual radiation body, a radial radiation intensity distribution is set which counteracts the temperature gradient formed on the substrate surface. This adjustment of the radiation intensity takes place by means of a sample substrate, in which the temperature gradient is determined, in particular by means of an infrared camera, and the temperature differences are compensated by the power control of each individual radiation body, that is, after the power setting of the radiation body, the radiation supply for all points of the surface of the Pr exposed to the radiation - substrate the same thing. It is obvious that the setting of the radial radiation intensity can also be carried out without a sample disc directly on one or each substrate to be treated.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Strahlungsbeheizungsanlage für die Herstellung von SOI-Substraten näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to a radiation heating system for the production of SOI substrates.

In der dazugehörigen Zeichnung zeigenIn the accompanying drawing show

Fig. 1: die Strahlungsbeheizungsanlage Fig. 2: die SubstrathalterungFig. 1: the radiation heating system Fig. 2: the substrate holder

Die Strahlungsbeheizungsanlage für die Herstellung von SOI-Substraten (Fig. 1) besteht im wesentlichen aus einem Strahlungsraum 1 mit stationärer Strahlungsquelle 3 und einem beweglichen Strahlungsheizer 5. Oberhalb des Strahlungsraumes 1 ist mit einer dreipunktgelagerten Verstelleinrichtung 4 der aus einer in einem elliptischen Spiegel angeordneten stabförmigen Halogenlampe bestehende und mittels einer Führungseinrichtung 6 in einer parallel zu der Substratoberfläche liegenden Ebene bewegliche Strahlungsheizer 5 angebracht.The radiation heating installation for the production of SOI substrates (FIG. 1) consists essentially of a radiation space 1 with a stationary radiation source 3 and a mobile radiant heater 5. Above the radiation space 1, with a three-point adjustment device 4, the rod-shaped arrangement is arranged in an elliptical mirror Halogen lamp existing and by means of a guide device 6 in a plane parallel to the substrate surface level movable radiant heater 5 is attached.

Das zu behandelnde Siliziumsubstrat ist mit einer auf einer Siliziumdioxidschicht abgeschiedenen polykristallinen Siliziumschicht mit darüberliegender Deckschicht aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid bedeckt und wird mit einer Substrathalterung 2 in dem Strahlungsraum 1 der Strahlungsbeheizungsanlage gelagert. Die aus Trägerelementen 7 bestehende Substrathalterung 2 (Fig. 2), die mit einer aus Quarzglas gefertigten und das Siliziumsubstrat 8 aufnehmenden Substratteller 9 versehen ist, lagert das Siliziumsubstrat in einem definierten und konstanten Abstand über der stationären Strahlungsquelle 3. Die Strahlungsquelle 3 besteht aus in zwei Ebenen zueinander gekreuzt angeordneten stabförmigen Halogenlampen. Um eine homogene Erwärmung dieser Strahlungsquelle zu garantieren, sind die einzelnen stabförmigen Halogenlampen in einem derartigen Abstand zueinander angebracht, der eine gegenseitige Beeinflussung ausschließt. Der Abstand beträgt dabei mindestens das Zehnfache des Heisv^ndeldurchmessers. Jede einzelne Halogenlampe ist unabhängig von den anderen in ihrer Leistung über Spannungsregler steuerbar, wodurch eine radiale Strahlungsintensitätsverteilung der Strahlungsquelle 3 erreicht werden kann. Ist das Siliziumsubstrat 8 mittels der Substrathalterung 2 in den Strahlungsraum 1 eingebracht, wird es mit der stationären Strahlungsquelle 3 von der Rückseite auf etwa 1200⁰C vorgeheizt. Um eine homogene Erwärmung des Siliziumsubstrats zu erzielen, die nicht durch homogenitätsstörende thermische Rückwirkungen des heißen Substrats auf die Strahlungsquelle behindert wird, wird mittels einer Infrarotkamera die Temperaturverteilung auf der Siiiziumsubstratoberfläche ermittelt und eine dementsprechende radiale Strahlungsintensitätsverteilung der Strahlungsquelle eingestellt. Dazu wird die Leistung jeder einzelnen Halogenlampe über die Spannungsregler so lange reguliert, bis mittels der Infrarotkamera eine homogene Temperaturverteilung auf der Substratoberfläche, d. h. ein für alle Punkte der dem Licht der Halogenlampen ausgesetzten Substratoberfläche gleich starkes Strahlungsangebot nachgewiesen wird.The silicon substrate to be treated is covered with a polycrystalline silicon layer deposited on a silicon dioxide layer with overlying silicon dioxide and silicon nitride top layer and is mounted with a substrate holder 2 in the radiation space 1 of the radiation heating system. The substrate holder 2 consisting of carrier elements 7 (FIG. 2), which is provided with a substrate plate 9 made of quartz glass and accommodating the silicon substrate 8, stores the silicon substrate at a defined and constant distance above the stationary radiation source 3. The radiation source 3 consists of two levels crossed each other arranged rod-shaped halogen lamps. In order to guarantee a homogeneous heating of this radiation source, the individual rod-shaped halogen lamps are mounted at such a distance from each other, which excludes mutual interference. The distance is at least ten times the Heisvna ndeldurchmessers. Each individual halogen lamp is independent of the others in their performance via voltage regulator controllable, whereby a radial radiation intensity distribution of the radiation source 3 can be achieved. If the silicon substrate 8 is introduced into the radiation space 1 by means of the substrate holder 2 , it is preheated with the stationary radiation source 3 from the rear side to approximately 1200 ^° C. In order to achieve homogeneous heating of the silicon substrate, which is not impeded by homogeneity-disturbing thermal repercussions of the hot substrate on the radiation source, the temperature distribution on the Siiiumsiumsubstratoberfläche is determined by means of an infrared camera and set a corresponding radial radiation intensity distribution of the radiation source. For this purpose, the power of each individual halogen lamp via the voltage regulator is regulated until the infrared camera a homogeneous temperature distribution on the substrate surface, ie an equal exposure for all points of the light of the halogen lamps exposed substrate surface radiation is detected.

Anschließend wird das Licht des Stahlungsheizers 5 durch den elliptischen Spiegel auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats strichförmig fokussiert. In der Brennlinie des Spiegels, die durch Verstellen der Höhe des Strahlungsheizers 5 eingestellt, in der Ebene des Siliziumsubstrats 8 liegt, wird auf der polykristallinen Siliziumoberfläche die Schmelztemperatur überschritten, jedoch die darunterliegende Siliziumscheibe nicht aufgeschmolzen.Subsequently, the light of the radiation heater 5 is focused by the elliptical mirror on the surface of the silicon substrate in a line shape. In the focal line of the mirror, which is adjusted by adjusting the height of the radiant heater 5, in the plane of the silicon substrate 8, the melting temperature is exceeded on the polycrystalline silicon surface, but the underlying silicon wafer is not melted.

Durch Bewegen des Strahlungsheizers 5 mittels der Führungseinrichtung 6 über das Siliziumsubstrat 8 hinweg wird sukzessive die polykristalline Siliziumschicht aufgeschmolzen und erstarrt hinter der Schmelzfront zu einkristallinem Silizium.By moving the radiation heater 5 by means of the guide device 6 over the silicon substrate 8, the polycrystalline silicon layer is successively melted and solidifies behind the melt front to monocrystalline silicon.

Claims

Radiant heating system, in particular for disc-shaped substrates, which consists essentially of a radiation space with highly reflective walls, in which a radiation source and a thermally insulated substrate holder is arranged, characterized in that the radiation source arranged in the radiation space of two or more planes crossed and individually controllable rod-shaped radiation bodies exists and in its extent is greater than the substrate surface.

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