DE10101548C1 - Reaktionskammer zur Bearbeitung einer Substratscheibe und Verfahren zum Betrieb derselben - Google Patents

Abstract

Bei einer Reaktionskammer zur Bearbeitung einer Substratscheibe, mit einem Scheibenhalter (12) zur Aufnahme der Substratscheibe (16), einer oberhalb des Scheibenhalters (12) angeordneten Konvektionsplatte (40) zur Unterdrückung von Konvektionsbewegungen über der Substratscheibe (16) und einer an einer Seitenfläche der Reaktionskammer angeordneten Gasverteilerplatte (20) zur Verteilung einströmender Prozeß- oder Spülgase ist eine an der Gasverteilerplatte (20) angebrachte Strömungsplatte (30) vorgesehen, die sich im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Gasverteilerplatte (20; 120) erstreckt. Dadurch wird eine schnelle und effiziente Spülung der Reaktionskammer ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktionskammer zur Bearbeitung einer Substratscheibe, mit einem Scheibenhalter zur Aufnahme der Substratscheibe, einer oberhalb des Schei­ benhalters angeordneten Konvektionsplatte zur Unterdrückung von Konvektionsbewegungen über der Substratscheibe und einer an einer Seitenfläche der Reaktionskammer angeordneten Gas­ verteilerplatte zur Verteilung einströmender Prozeß- oder Spülgase.

In der Halbleiterfertigung wird eine immer größere Zahl von thermisch aktivierten Prozessen, wie z. B. Ausheilen, thermi­ sche Oxidation oder auch CVD (Chemical Vapour Deposition) in Einscheibenanlagen durchgeführt. Ein Grund dafür liegt darin, daß der im Vergleich zum Batchbetrieb geringere Durchsatz bei höherer Temperatur durch eine kürzere Prozeßzeit kompensiert oder sogar überkompensiert werden kann. Dieser Trend ver­ stärkt sich bei Übergang zu größeren Scheibendurchmessern beispielsweise von 200 mm auf 300 mm wesentlich. Ein weiterer Grund in darin zu suchen, daß in Einscheibenprozessen oft ex­ klusive Prozeßbedingungen vorliegenden, die eine Stapelpro­ zessierung nicht mehr in Frage kommen lassen.

Ein grundlegendes Problem ist bei solchen Prozessen das Er­ reichen einer gleichförmigen Temperatur über der zu bearbei­ tenden Substratscheibe, insbesondere bei Scheiben mit großen Durchmessern von 200-300 mm, wie sie in der Halbleiterfer­ tigung zunehmend verwendet werden. Dieses Problem wurde mit Konvektionsbewegungen in Verbindung gebracht, die durch un­ terschiedliche Temperaturen an der Substratscheibe und an den Wänden der Reaktionskammer verursacht werden. Zur Unterdrüc­ kung dieser Konvektionsbewegungen wird in der DE 197 47 164 A1 vorgeschlagen, oberhalb der Substratscheibe eine Konvektionsplatte anzuordnen, die im Fall eines rotierbaren Scheibenhal­ ters gemeinsam mit diesem rotierbar ist. Um die Konvektions­ bewegungen wirksam unterdrücken zu können, darf der Abstand zwischen Konvektionsplatte und Scheibenhalter nicht zu groß gewählt werden. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen 5 und 10 mm. In diesem Bereich sind die Konvektionsbewegungen wirk­ sam eliminiert, ohne daß Wechselwirkungen zwischen Substrat­ scheibe und Konvektionsplatte auftreten.

Um eine bessere Prozeßgleichförmigkeit zu erzielen, ist die zu bearbeitende Substratscheibe auf einer tellerförmigen Trä­ gerplatte montiert, die mit einer Rotationsgeschwindigkeit von typischerweise 10-100 upm (Umdrehungen pro Minute) ro­ tiert wird. Dabei befindet sich die Substratscheibe mit der Trägerplatte in der Regel während der gesamten Dauer des Pro­ zeßzyklus in Rotation. Nur zum Beladen und Entladen der Sub­ stratscheibe wird die Rotation angehalten.

Zur Zuführung von Prozeß- und Spülgasen weisen derartige Re­ aktionskammern oft einen Gaseinlaß in Form einer Gasvertei­ lerplatte auf, welche das Gas möglichst gleichmäßig über eine gesamte Seitenfläche der Kammer verteilt. Dies wird üblicher­ weise durch eine Anordnung von Öffnungen erreicht, die gleichmäßig über die Gasverteilerplatte verteilt sind. Nach Beendigung eines Bearbeitungsschrittes wird das Prozeßgas über einen an der gegenüberliegenden Seite der Reaktionskam­ mer angeordneten Gasauslaß abgesaugt, und die Kammer wird, falls notwendig, mit einem Spülgas gespült.

Beispielsweise wird bei einem Einscheiben RTP (Rapid Thermal Processing)-Reaktor, der unter anderem zur RTO (Rapid Thermal Oxidation) eingesetzt wird, die Reaktionskammer nach dem Oxi­ dationsvorgang mit Stickstoff gespült. Eine möglichst voll­ ständige Entfernung des Sauerstoffes ist dabei eine wesentli­ che Voraussetzung für eine hohe Ausbeute bei den nächsten Schritten des Prozeßzyklus. Da der Durchsatz einer solchen Anlage erheblich von der Spülzeit mitbestimmt wird, ist es wesentlich, die Spülzeit bis zum Erreichen einer akzeptablen Sauerstoffkonzentration zu minimieren.

In der oben beschriebenen Reaktionskammer trat nun nach der Einführung einer Konvektionsplatte zum Erreichen einer größe­ ren Temperaturgleichförmigkeit über der Substratscheibe das Problem auf, daß die Spülzeit deutlich verlängert werden muß­ te um den Sauerstoff aus der Kammer zu entfernen. Nachdem ei­ ne Erhöhung des Spülflusses bis auf etwa 100 slm (Standard Liter pro Minute) nicht zu einer ausreichenden Abführung des Sauerstoffes führte, mußte die Spülzeit von zuvor wenigen Se­ kunden bis auf einen Zeitdauer von einer Minute erhöht wer­ den. Eine derart lange Spülzeit stellt jedoch bereits einen wesentlichen Teil der gesamten Prozeßzeit dar und ist somit wirtschaftlich nicht akzeptabel.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Reaktionskammer derart weiterzuentwic­ keln, daß im Anschluß an einen Behandlungsschritt ein gründ­ licher Spülschritt schnell durchgeführt werden kann. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Reakti­ onskammer angegeben werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Reaktionskammer nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß weist eine gattungsgemäße Reaktionskammer ei­ ne an der Gasverteilerplatte angebrachte Strömungsplatte auf die sich im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Gasver­ teilerplatte erstreckt.

Es wurde durch den gegenwärtigen Erfinder gefunden, daß die unzureichende Gasspülung in gattungsgemäßen Reaktionskammern vor allem den Bereich zwischen der Substratscheibe und der Konvektionsplatte betrifft und von einer walzenförmigen Zir­ kulationsbewegung vor der Gasverteilerplatte herrührt. Bei der Geometrie der herkömmlichen Reaktionskammer hat die Gasströmung dann die Neigung, wegen des geringeren Strömungs­ widerstandes an den Seiten des Stapels Scheibenhal­ ter/Substratscheibe/Konvektionsplatte vom Gaseinlaß zum Ga­ seinlaß zu laufen. Es resultiert eine Rezirkulationsbewegung zwischen den Platten, die zu geschlossenen Flußlinien und da­ mit zu Bereichen, in denen Gase relativ lange Zeit gefangen sind, führt.

Es hat sich weiter gezeigt, daß dieser Effekt durch die Rota­ tionsbewegung der Platten, die in der Regel auch während des Spülvorgangs stattfindet, noch gesteigert wird. Dazu kommt, daß der Abstand zwischen dem Scheibenhalter und der Konvekti­ onsplatte relativ klein gehalten werden muß, um die Konvekti­ onsbewegungen über der Substratscheibe unterdrücken zu kön­ nen. Daraus resultiert ein relativ hoher Strömungswiderstand für den Fluß zwischen Substratscheibe und Konvektionsplatte, der die vorgenannte Problematik verstärkt.

Die genannte Zirkulationsbewegung wird durch die nunmehr zu­ sätzlich vorgesehene Strömungsplatte unterdrückt und die Gasströmung vermehrt in den Bereich zwischen Substratscheibe und Konvektionsplatte geführt. Durch die veränderten Strö­ mungsverhältnisse in der Reaktionskammer gelangt das Spülgas besser in den besonders kritischen Bereich zwischen Substrat­ scheibe und Konvektionsplatte, was die erforderliche Spülzeit deutlich verkürzt.

Bevorzugt wird die Strömungsplatte etwa in Höhe der Konvekti­ onsplatte an der Gasverteilerplatte angebracht, so daß sich die Strömungsplatte von der Gasverteilerplatte zur Konvekti­ onsplatte hin erstreckt und nur einen relativ kleinen Zwi­ schenraum für durchströmendes Gas läßt. Dadurch wird die Gasströmung besonders effektiv in den Raum zwischen Substrat­ scheibe und Konvektionsplatte geführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zwischenraum zwischen Strömungsplatte und Konvektionsplatte groß genug, daß ausreichend Spülgas durch diesen Zwischenraum in den Be­ reich oberhalb der Konvektionsplatte gelangt, um auch dort eine ausreichende Spülwirkung zu erzielen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verlauf der kammerinneren Kante der Strömungsplatte der Form der Kon­ vektionsplatte angepaßt, derart, daß über einen weiten Be­ reich ein gleichmäßiger Abstand zwischen Konvektionsplatte und Strömungsplatte erreicht wird. Ist beispielsweise die Konvektionsplatte kreisförmig, so kann die Strömungsplatte die Form eines Rechtecks mit einer kreissegmentförmigen Aus­ sparung aufweisen. Durch diese Maßnahme wird ersichtlich ein besonders großer Anteil der Gasströmung in den Bereich zwi­ schen der Substratscheibe und der Konvektionsplatte geführt, allerdings nimmt bei abnehmendem Abstand zwischen Strömungs­ platte und Konvektionsplatte auch der Spülgasfluß in den Be­ reich oberhalb der Konvektionsplatte ab. Form und Größe der Strömungsplatte werden daher zweckmäßig so auf die Geometrie der Reaktionskammer abgestimmt, daß sowohl in den Bereich zwischen Substratscheibe und Konvektionsplatte, als auch in den Bereich oberhalb der Konvektionsplatte ausreichend Spül­ gas gelangt.

Zweckmäßig weist die Gasverteilerplatte eine Mehrzahl von über die Plattenflächen verteilte Gasaustrittsöffnungen auf. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gasaus­ trittsöffnungen ausschließlich in dem Bereich unterhalb der Strömungsplatte angeordnet, so daß Prozeß- und Spülgase nur unterhalb der Strömungsplatte in die Reaktionskammer einströ­ men. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Abstand zwischen Strömungsplatte und Konvektionsplatte so groß ist, daß von unten ausreichend Spülgas in den Raum ober­ halb der Konvektionsplatte gelangt. Ist dieser Zwischenraum jedoch klein, ist es meist vorteilhafter, auch oberhalb der Strömungsplatte Gasaustrittsöffnungen in der Gasverteiler­ platte vorzusehen.

Da die Substratscheibe in der Regel von der Oberseite und/oder Unterseite mit einem Lampenfeld beheizt wird, ist es vorteilhaft, die Gasverteilerplatte und/oder die Strömungs­ platte aus Quarzglas auszubilden. Es kann weiterhin zweckmä­ ßig sein, die Gasverteilerplatte und die Strömungsplatte ein­ stückig zu fertigen.

Im Betrieb wird eine Substratscheibe in der Reaktionskammer bearbeitet, indem eine Substratscheibe in die Kammer einge­ bracht wird, ein Prozeßgas wie beispielsweise Sauerstoff der Kammer zugeführt wird, ein Bearbeitungsschritt an der Sub­ stratscheibe, beispielsweise eine RTO durchgeführt wird, und anschließend die Kammer durch Zuführen eines Spülgases, wie beispielsweise Stickstoff, über die Gasverteilerplatte ge­ spült wird.

Bevorzugt wird zur Erhöhung der Prozeßuniformität der Schei­ benhalter während des Durchführens des Bearbeitungsschrittes rotiert. Für den Schritt des Spülens der Kammer hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Rotation der Sub­ stratscheibe während des Spülens der Kammer abgeschaltet wird.

Obwohl nachfolgend überwiegend auf die Benutzung der Reakti­ onskammer im Zusammenhang mit der Halbleiterfertigung abge­ stellt, ist die beschriebene Reaktionskammer zur Bearbeitung einer Substratscheibe und das Verfahren zum Betrieb derselben auch bei der Abscheidung dünner Schichten auf Substraten aus Glas oder Kunststoff einsetzbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wer­ den. Dabei sind jeweils nur die für das Verständnis der Er­ findung wesentlichen Elemente dargestellt, wobei die Abmes­ sungen in den Figuren nicht maßstäblich sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Ausfüh­ rungsform;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 4 eine Aufsicht auf die in Fig. 3 dargestellte Aus­ führungsform.

Fig. 1 zeigt einen Einscheiben-RTP-Reaktor 10, der unter an­ derem zur RTO eingesetzt wird. Ein Wafer 16 ist über Pins 14 auf einer Rotationsplatte 12 abgelegt. Der Wafer 16 wird von der Ober- und Unterseite von einer Reihe nicht gezeigter Lam­ pen beheizt, die von dem Kammerinneren durch Quarzplatten 18 abgetrennt sind. Zur Unterdrückung von durch die Aufheizung hervorgerufenen Konvektionsbewegungen auf dem Wafer 16 ist oberhalb des Wafers, im Abstand von einigen Millimetern eine Konvektionsplatte 40 angeordnet.

Die Prozeß- und Spülgase strömen durch einen Gaseinlaß ein, der an einer Seite der Kammer durch die Gasverteilerplatte 20 gebildet ist. Die Gasverteilerplatte 20 weist eine Vielzahl von regelmäßig über die Fläche der Platte verteilte Öffnungen 22 auf. In der Höhe der Konvektionsplatte 40 ist an der Gas­ verteilerplatte 20 eine rechteckige Strömungsplatte 30 ange­ bracht, die sich in einer Ebene senkrecht zur Gasverteiler­ platte in Richtung auf die Konvektionsplatte 40 hin er­ streckt. Zwischen Strömungsplatte 30 und Konvektionsplatte 40 ist ein ausreichend großer Zwischenraum 34 gelassen, so daß oberhalb der Strömungsplatte 30 keine Öffnungen in der Gas­ verteilerplatte vorgesehen sind.

Im Betrieb wird nach dem Durchführen der Oxidation das Innere der Reaktionskammer 10 mit Stickstoff gespült. Die Strömungs­ richtung des einströmenden Stickstoffgases ist in Fig. 1 schematisch mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet. Die Strömungsplatte 30 stellt durch ihre Form und Anordnung si­ cher, daß eine ausreichende Menge Spülgas in den Bereich 32 zwischen dem Wafer 16 und der Konvektionsplatte 40 geführt wird. Das Spülgas und das abgezogene Prozeßgas verlassen die Kammer über den Gasauslaß 26.

Die verbesserte Spülung insbesondere im Bereich zwischen Wa­ fer 16 und Konventionsplatte 40 wurde auch in dreidimensiona­ len transienten Simulationen des Spülvorgangs bestätigt. Da­ bei wurde die Geometrie der Reaktionskammer in einem Modell nachgebildet und die Strömungsprozesse numerisch simuliert. Als Simulationsergebnis wird die räumliche Verteilung von Prozeß- und Spülgas als Funktion der Spülzeit erhalten.

Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Strömungsplatte 130 eine deutlich größere Fläche ein­ nimmt. Um den Zwischenraum 134 zwischen der Konvektionsplatte und der Strömungsplatte klein und gleichmäßig zu halten, ist die Strömungsplatte 130 in ihrer Form der scheibenförmigen Konvektionsplatte 40 angepaßt und hat die Form eines Recht­ ecks mit einer kreissegmentförmigen Aussparung. Dadurch wird ein gleichförmiger geringer Abstand zwischen der kammerinne­ ren Kante 136 der Strömungsplatte 130 und der Konvektions­ platte 40 erreicht, so daß ein großer Anteil des einströmen­ den Spülgases in den Bereich 32 zwischen Substratscheibe und Konvektionsplatte 40 geführt wird.

Bei dieser Ausführungsform ist der Anteil der Gasströmung 124, der von unten über den Zwischenraum 134 in den Bereich oberhalb der Konvektionsplatte 40 gelangt, gering. Dabei sind in der Gasverteilerplatte 120 neben den Öffnungen 122 auch oberhalb der Strömungsplatte 130 Öffnungen 123 vorgesehen, die eine ausreichende Spülung des oberhalb der Konvektions­ platte 40 gelegenen Bereiches sicherstellen.

Insgesamt wurde durch die Einführung der Strömungsplatte 30 oder 130 eine deutliche Verringerung der erforderlichen Spül­ zeit erreicht, beispielsweise von einer Zeit von einer Minute auf eine Zeit von unterhalb 20 Sekunden.

Eine weitere Verbesserung des Spülverhaltens wurde dadurch erzielt, daß die üblicherweise während des ganzen Prozeßzy­ klus laufende Rotation des Scheibenhalters während des Spül­ vorgangs abgeschaltet wurde. Beispielsweise wurde die Rotati­ on innerhalb der ersten sechs Sekunden des Spülvorgangs line­ ar von 60 upm auf 0 upm reduziert. Dadurch ergaben sich be­ sonders günstige Spülergebnisse und kurze Spülzeiten.

Claims (10)

1. Reaktionskammer zur Bearbeitung einer Substratscheibe, mit
einem Scheibenhalter (12) zur Aufnahme der Substratscheibe (16),
einer oberhalb des Scheibenhalters (12) angeordneten Kon­ vektionsplatte (40) zur Unterdrückung von Konvektionsbewegun­ gen über der Substratscheibe (16) und
einer an einer Seitenfläche der Reaktionskammer angeordne­ ten Gasverteilerplatte (20; 120) zur Verteilung einströmender Prozeß- oder Spülgase,
gekennzeichnet durch eine an der Gasverteilerplatte (20; 120) angebrachte Strö­ mungsplatte (30; 130), die sich im wesentlichen in einer Ebe­ ne senkrecht zur Gasverteilerplatte (20; 120) erstreckt.

2. Reaktionskammer nach Anspruch 1, bei der die Strömungs­ platte (30; 130) etwa in Höhe der Konvektionsplatte (40) an der Gasverteilerplatte (20; 120) angebracht ist.

3. Reaktionskammer nach Anspruch 2, bei der sich die Strö­ mungsplatte (30; 130) bis nahe an die Konvektionsplatte (40) erstreckt.

4. Reaktionskammer nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Verlauf der kammerinneren Kante (136) der Strömungsplatte (130) der Form der Konvektionsplatte (40) angepaßt ist, um einen gleichmäßigen Abstand zwischen Konvektionsplatte (40) und Strömungsplatte(130) zu erreichen.

5. Reaktionskammer nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Gasverteilerplatte (20; 120) eine Mehrzahl von über die Plattenfläche verteilte Gasaustrittsöffnungen (22; 122, 123) aufweist.

6. Reaktionskammer nach Anspruch 5, bei der die Gasvertei­ lerplatte (20) Gasaustrittsöffnungen (22) nur unterhalb der Strömungsplatte (30) aufweist.

7. Reaktionskammer nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Gasverteilerplatte (20; 120) und/oder die Strömungsplatte (30; 130) aus Quarz bestehen.

8. Reaktionskammer nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Gasverteilerplatte (20; 120) und die Strömungsplatte (30; 130) einstückig gefertigt sind.

9. Verfahren zur Bearbeitung einer Substratscheibe in einer Reaktionskammer nach einem der vorigen Ansprüche, mit den Schritten:

• - Einbringen einer Substratscheibe in die Kammer;
• - Zuführen eines Prozeßgases in die Kammer;
• - Durchführen eines Bearbeitungsschrittes an der Substrat­ scheibe; und
• - Spülen der Kammer durch Zuführen eines Spülgases über die Gasverteilerplatte.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Scheibenhalter während des Durchführen des Bearbeitungsschrittes an der Sub­ stratscheibe rotiert wird, und die Rotation der Substrat­ scheibe während des Spülens der Kammer abgeschaltet wird.