DE10119741A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Prozeßgasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Prozeßgasen

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Abstract

Um auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff zu ermöglichen, bei dem das Mischungsverhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff genau steuer- und reproduzierbar ist, sieht die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, vor, bei dem bzw. bei der Sauerstoff zur Bildung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung in einer Brennkammer verbrannt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbeson­ dere Halbleitersubstraten.
Computerchips sowie andere elektronische Bauteile werden auf Halbleiterscheiben, sogenannten Wafern, gefertigt. Dazu sind viele Arbeits­ schritte und Prozesse notwendig, wie z. B. Strukturierung, Lithographie, lo­ nenimplanation, Ätzen oder Beschichten. Beschichtungsprozesse werden häufig während einer thermischen Behandlung der Wafer bei einer vorgege­ benen Prozeßgasatmosphäre durchgeführt. Dabei ist es bekannt, ein Prozeß­ gas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff für eine sauerstoffreiche Naßoxidation der Wafer zu verwenden. Das sauerstoffreiche Prozeßgas ist insbesondere für den Aufbau dicker Oxidschichten bis 2000 Angström bei ge­ ringem thermischen Budget, sowie zur Herstellung dünner Gate-Oxide mit ei­ ner Schichtdicke von kleiner als ungefähr 40 Angström geeignet. Ferner ist eine wasserstoffreiche Naßoxidation bekannt, bei der das Prozeßgas aus Wasserdampf und Wasserstoff besteht. Das wasserstoffreiche Prozeßgas ist besonders zur selektiven Oxidation von Gate-Stacks mit Metallgates bzw. Metallgatekontakten geeignet.
Für die Herstellung des sauerstoffreichen Prozeßgases und des wasserstoff­ reichen Prozeßgases (d. h. ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff bzw. Wasserstoff) wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Das sauerstoffreiche Prozeßgas wurde beispielsweise in einem Brenner mit einer Brennkammer hergestellt, in der Sauerstoff und Wasserstoff verbrannt wurden, um Wasserdampf herzustellen. Für die Verbrennung wurde immer mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt, als mit dem Wasserstoff verbrannt werden konnte. Hierdurch entstand ein Sauerstoffüberschuß, so daß ein Pro­ zeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff gebildet wurde. Dieses Prozeßgas wurde anschließend über eine entsprechende Leitung in eine Pro­ zeßkammer zum Behandeln eines Halbleiterwafers geleitet. In die Leitung konnte zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet werden, um den Sauerstoffgehalt in dem Prozeßgas einzustellen.
Für die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozeßgases wurde in der Ver­ gangenheit Wasserstoffgas mit Wasserdampf vermischt, wobei der Wasser­ dampf durch das Verdampfen von destilliertem Wasser erzeugt wurde. Dieses Verfahren erlaubt jedoch keine hohen Gasflüsse. Darüber hinaus ist das Ver­ hältnis aus Wasserdampf und Wasserstoff nicht genau steuer- und reprodu­ zierbar. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß dabei häufig Verunreinigungen auftreten.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt daher der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ehe Vorrichtung zu schaffen, die auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff ermögli­ chen, bei dem das Mischungsverhältnis Wasserdampf und Wasser genau steuer- und reproduzierbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Erzeugen ei­ nes Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleiter­ substraten, dadurch gelöst, daß Sauerstoff zur Bildung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung in einer Brennkammer verbrannt wird. Bei diesem Verfahren lassen sich hohe Gasflüsse für das Prozeßgas erreichen. Darüber hinaus ist das Verhältnis zwischen Wasserdampf und Wasserstoff genau steuer- und reproduzierbar, da die Menge des entstehenden Wasserdampfs direkt proportional zu dem eingeleiteten und mit dem Wasserstoff verbrannten Sauerstoff ist. Darüber hinaus entsteht bei der Verbrennung reiner Wasserdampf, so daß das Pro­ zeßgas eine hohe Reinheit aufweist.
Anstelle von Sauerstoff kann allgemein ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. NO oder O3, verwendet werden, ebenso kann anstelle von Wasserstoff ein Wasserstoff oder ein Wasserstoffisotop enthaltendes Gas, wie z. B. NH3, Deuterium oder NO3, verwendet werden.
Um sicherzustellen, daß der gesamte Sauerstoff in der Brennkammer ver­ brannt wurde, wird die Anwesenheit von unverbranntem Sauerstoff stromab­ wärts von der Brennkammer detektiert. Sollte stromabwärts von der Brenn­ kammer unverbrannter Sauerstoff detektiert werden, wird gemäß einer Aus­ führungsform der Erfindung das Verfahren unterbrochen, da der unverbrannte Sauerstoff mit dem in dem Prozeßgas befindlichen Wasserstoff eine Knall­ gasmischung bilden könnte. Aus diesem Grund wird vorzugsweise auch ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet, wenn stromabwärts von der Brenn­ kammer unverbrannter Sauerstoff detektiert wird, um die Gefahr der Bildung von Knallgas stromabwärts von der Brennkammer zu vermeiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird stromabwärts von der Brennkammer Wasserstoff in das Prozeßgas eingeleitet, wodurch sich die Wasserstoffkonzentration im Prozeßgas beliebig einstellen läßt. Vorzugsweise wird das Verhältnis Wasserstoff zu Wasserdampf zwischen der Stöchiometri­ schen Verbrennung (0% H2) und 1000/l (0,1% H2O) eingestellt.
Vorteilhafterweise wird die Brennkammer vor dem Verbrennen von Sauerstoff mit reinem Wasserstoff gefüllt, und Sauerstoff wird erst zum Auslösen der Verbrennung eingeleitet, um zu verhindern, daß sich in der Brennkammer Knallgas bildet, das nach dem Auslösen der Verbrennung nicht vollständig verbrannt wird und aus der Brennkammer austritt. Vorteilhaft wird vor dem Füllen mit Wasserstoff die Brennkammer und/oder das nachfolgende Gassy­ stem Inertgas (z. B. N2, He oder Ar) gespült, um etwaigen Luftsauerstoff zu entfernen.
Für die Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases in derselben Anlage wird vorzugsweise das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Brenn­ kammer während der Verbrennung geändert. Hierdurch läßt sich auf einfache und kostengünstige Weise von einem wasserstoffreichen Prozeßgas zu einem sauerstoffreichen Prozeßgas wechseln, sofern dies für einen nachfolgenden Prozeß gewünscht ist. Ferner lassen sich hierdurch unter Verwendung der­ selben Vorrichtung unterschiedliche Prozesse in nachgeschalteten Vorrich­ tungen, wie beispielsweise getrennten Schnellheizanlagen oder allgemein Anlagen zur thermischen Behandlung von Substraten (Halbleitern), unterstüt­ zen. Um sicherzustellen, daß beim Wechsel zwischen der Erzeugung eines wasserstoffreichen und eines sauerstoffreichen Prozeßgases keine Knallgase erzeugt werden, wird für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrische Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt. Durch die stöchiometrische Verbrennung wird der zuvor überschüssige Wasserstoff durch den entstehenden Wasserdampf aus der Kammer verdrängt. Erst wenn der komplette Wasserstoff verdrängt ist, wird der Sauerstoffgehalt weiter er­ höht, um eine sauerstoffreiche Verbrennung vorzusehen. Hierdurch wird si­ chergestellt, daß in der Brennkammer keine Knallgase gebildet werden und/oder in nachgeschaltenen Gassystemen, wie z. B. der Prozeßkammer von Schnellheizanlagen. Dabei kann zur Sicherheit die Konzentration von un­ verbranntem Sauerstoff und/oder Wasserstoff überwacht werden, so daß si­ chergestellt ist, daß ein etwaiges Sauerstoff-Wasserstoffgemisch unterhalb der Explosionsgrenze ist, welche von Druck, Temperatur und weiteren Para­ metern (wie z. B. UV-Bestrahlung) abhängt.
Für eine genaue Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem sauerstoffrei­ chen Prozeßgas wird vorzugsweise stromabwärts von der Brennkammer zu­ sätzlicher Sauerstoff eingeleitet. Vorzugsweise wird das Verhältnis Sauerstoff zu Wasserstoff zwischen 0% (vollständige Verbrennung oder 100% H2O) und 100% (0,1% H2O) eingestellt.
Um eine Erzeugung von Knallgas in der stromabwärts von der Brennkammer befindlichen Leitung zu verhindern, wird eine Sauerstoffzuleitung stromab­ wärts von der Brennkammer verriegelt, wenn in der Brennkammer ein was­ serstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird. In der gleichen Weise wird vorzugs­ weise eine Wasserstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verrie­ gelt, wenn in der Brennkammer ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird. Darüber hinaus werden die Wasserstoffzuleitung und die Sauerstoffzuleitung gegeneinander verriegelt, d. h. daß immer maximal eine der beiden Zuleitun­ gen geöffnet ist. Für eine Veränderung des Prozeßgases wird vorzugsweise stromabwärts von der Brennkammer ein weiteres Fluid in das Prozeßgas ein­ geleitet, um unterschiedliche Mechanismen bei der nachfolgenden Substrat­ behandlung fördern zu können. Das weitere Fluid kann ein für den nachfol­ genden thermischen Prozeß zur Prozessierung von Halbleiterwafern reaktives oder inertes Gas sein oder ein Gemisch aus solchen Gasen (z. B. Ar, N2).
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird in der Brennkammer zunächst ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt, indem Sauerstoff in einer wasser­ stoffarmen Umgebung verbrannt wird, und anschließend wird das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in der Brennkammer zum Varbrennen von Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung verändert. Somit kann wahlweise mit der Herstellung eines wasserstoff- oder sauerstoffreichen Pro­ zeßgases gestartet werden, und es kann anschließend beliebig zwischen der Herstellung dieser beiden Prozeßgase gewechselt werden, ohne den Brenner abschalten zu müssen.
Wenn in der Brennkammer eine sauerstoffreiche Verbrennung erfolgt, wird das Verfahren vorzugsweise unterbrochen und/oder es wird ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet, wenn stromabwärts von der Brennkammer unver­ brannter Wasserstoff durch eine Vorrichtung zur Detektion von Wasserstoff (z. B. einen Wasserstoffsensor) detektiert wird. Hierdurch wird die Bildung einer Knallgasmischung stromabwärts von der Brennkammer verhindert.
Bei einem Wechsel von einer Verbrennung von Sauerstoff in einer wasser­ stoffarmen Umgebung zu einer wasserstoffreichen Umgebung wird vorzugs­ weise für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrische Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt, um sicherzustellen, daß die Brennkammer nur Wasserdampf und keinen unverbrannten Sauerstoff oder Wasserstoff enthält.
Um die Bildung von Knallgasen zu verhindern, wird die Brennkammer vor­ zugsweise vor dem Verbrennungsvorgang mit einem inerten Gas gespült.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Prozeßgas vorzugs­ weise zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbleiterwafers oder Halbleitermaterials verwendet und innerhalb eines Behandlungszyklus zwi­ schen einem wasserstoffreichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas ge­ wechselt. Unter Behandlungszyklus soll verstanden werden, daß der Halblei­ ter (z. B. Halbleiterwafer) einem Temperatur-Zeit-Zyklus ausgesetzt wird, wel­ cher wenigstens ein Erwärmen und ein Abkühlen des Halbleiters umfaßt. Der Halbleiter, der üblicherweise in Substratform vorliegt, kann Si umfassen, und ein III-V, II-VI, oder IV-IV Halbleiter sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbeiterwafers verwendet, und bei aufeinan­ derfolgenden thermischen Behandlungszyklen zwischen einem wasserstoff­ reichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt. Vorzugsweise wird während eines thermischen Behandlungszyklus die Konzentration von Wasserstoff oder Sauerstoff in dem Wasserdampf des Prozeßgases verän­ dert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch eine Vorrich­ tung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, ins­ besondere Halbleitersubstraten, gelöst, die einen Brenner mit einer Brenn­ kammer, wenigstens eine Sauerstoffzuleitung und wenigstens eine Wasser­ stoffzuleitung in die Brennkammer, eine Zündeinheit zum Zünden einer Sau­ erstoff/Wasserstoff-Mischung in der Brennkammer und eine Steuereinheit aufweist, die derart steuerbar ist, daß zur Bildung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff der Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung gezündet und vollständig verbrannt wird. Bei der Vorrichtung er­ geben sich die schon oben genannten Vorteile.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Brenner; und
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Substratbehandlungs­ vorrichtung, in die eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeß­ gases gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners 1, in dem Sauer­ stoff und Wasserstoff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem wasserdampfhaltigen Gas verbrannt werden.
Der Brenner 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das im Inneren eine Brennkammer 5 umfaßt. Die Brennkammer 5 weist einen Einlaß 7 auf, der mit einer ersten Gas-Einlaßleitung 8 in Verbindung steht. Die erste Gas-Einlaßleitung 8 steht mit einer Zuleitung 10 in Verbindung, über die, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, Wasserstoff in den Brenner 1 eingeleitet wird.
Im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 ist auch eine zweite Gas-Einlaßleitung 12 vorgesehen. Die zweite Gas-Einlaßleitung 12 erstreckt sich wenigstens teilweise in der ersten Gas-Einlaßleitung 8 und ist als sogenannte Lanze aus­ gebildet. Über die zweite Gas-Einlaßleitung wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, Sauerstoff in den Brenner 1 eingeleitet. Die zweite Einlaßlei­ tung 12 weist ein Auslaßende 14 auf, das im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 angeordnet ist, so daß eine Vermischung der über die beiden Einlaßleitun­ gen 8, 12 eingeleiteten Gase schon im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 er­ folgt, bevor die Mischung in die Brennkammer eintritt.
Der Bereich der ersten Einlaßleitung 8, in den sich die zweite Einlaßleitung 12 öffnet, ist von einem Heizring 17 umgeben, um die entstehende Sauerstoff/ Wasserstoff-Gasmischung in diesem Bereich über ihre Zündtemperatur zu erwärmen und zu entzünden. Alternativ kann auch eine andere Vorrichtung zum Zünden der Mischung vorgesehen werden.
Im Gehäuse 3 des Brenners 1 ist ferner ein UV-Detektor 20 vorgesehen, der auf einen Verbrennungsbereich des Sauerstoff/Wasserstoff-Gasgemisches gerichtet ist, um den Brennvorgang zu überwachen. Da Sauerstoff und Was­ serstoff mit einer sichtbaren Flamme verbrennen, kann der UV-Detektor bei einem Meßbereich von 260 nm den Brennvorgang überwachen. Der UV- Detektor ist mit einer entsprechenden Steuervorrichtung gekoppelt, die die Gaszufuhr über die Einlaßleitungen 8 und 12 sperrt, sofern der Detektor fest­ stellt, daß die Flamme erlischt.
Die Brennkammer 5 weist auch ein Auslaßende 21 auf, das mit einer Auslaß­ leitung 24 in Verbindung steht, die, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert wird, mit einer Schnellheizanlage oder allgemein einer Prozeßkammer zum thermischen Behandeln von Halbleitern in Verbindung steht.
In der Auslaßleitung 24 ist ein nicht näher dargestellter Sauerstoff- und Was­ serstoffsensor oder eine entsprechende Detektiervorrichtung vorgesehen, um unverbrannten Sauerstoff bzw. unverbrannten Wasserstoff in der Leitung 24 zu detektieren.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 30 zum Be­ handeln von Halbleiterwafern, in die der Brenner 1 gemäß Fig. 1 integriert ist.
Die Vorrichtung 30 weist einen Prozeßgaserzeugungsteil 31 und z. B. eine Schnellheizanlage 32 auf, in der wenigstens ein Halbleiterwafer angeordnet ist und thermisch behandelt wird. Die Schnellheizanlage 32 besitzt beispiels­ weise einen Aufbau, wie er aus der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden DE-A-199 05 524 bekannt ist, die insofern zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Die Auslaßleitung 24 des Brenners 1 steht mit einem Einlaß einer Prozeßkammer der Schnell­ heizanlage 32 in Verbindung, um in dem Brenner 1 erzeugte Prozeßgase in die Schnellheizanlage leiten zu können.
Der Prozeßgaserzeugungsteil 31 der Vorrichtung 30 weist den Brenner 1, ei­ ne elektronische Steuereinheit 34, sowie eine Vielzahl von Mass Flow Con­ trollern bzw. Gasströmungssteuereinheiten 36 bis 41 auf, die jeweils durch die Steuereinheit 34 angesteuert werden, um eine kontrollierte Gasströmung dorthindurch vorzusehen.
Der Mass Flow Controller 36 weist eine Gaszuleitung 43, sowie eine Auslaß­ leitung 44 auf. Die Zuleitung 43 steht mit einer Gasquelle in Verbindung. Die Auslaßleitung 44 steht zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizvorrich­ tung 32 mit der Leitung 24 in Verbindung, um ein zusätzliches Gas in das in dem Brenner 1 erzeugte Prozeßgas einzuleiten, das im nachfolgenden Pro­ zeß benötigt wird.
Der Mass Flow Controller 37 weist eine Zuleitung 46 sowie eine Auslaßleitung 47 auf. Die Zuleitung 46 steht mit einer Quelle eines inerten Gases, wie bei­ spielsweise Stickstoff oder Argon, in Verbindung. Die Auslaßleitung 47 steht mit der Zuleitung 10 der ersten Einlaßleitung 8 des Brenners 1 sowie mit der zweiten Einlaßleitung 12 des Brenners 1 in Verbindung.
Der Mass Flow Controller 38 weist ein Zuleitung 50 sowie eine Auslaßleitung 51 auf. Die Zuleitung 50 steht mit einer Sauerstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung, während die Auslaßlei­ tung 51 mit der zweiten Einlaßleitung 12 des Brenners 1 in Verbindung steht.
Der Mass Flow Controller 39 weist ein Einlaßleitung 54 auf, die mit einer Wasserstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes wasserstoffhaltiges Gas in Verbindung steht, sowie eine Auslaßleitung 55, die mit der Zuleitung 10 in Verbindung steht.
Der Mass Flow Controller 40 steht mit einer Einlaßleitung 58 sowie einer Auslaßleitung 59 in Verbindung. Die Zuleitung 58 ist mit einer Sauerstoff­ quelle oder mit einer Quelle für ein anderes sauerstoffhaltiges Gas verbun­ den, während die Auslaßleitung 59 zwischen dem Brenner 1 und der Schnell­ heizanlage 32 mit der Leitung 24 in Verbindung steht.
Der Mass Flow Controller 41 wiederum weist eine Zuleitung 62 sowie eine Auslaßleitung 63 auf. Die Zuleitung 62 steht mit einer Wasserstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes wasserstoffhaltiges Gas in Verbindung, wäh­ rend die Auslaßleitung 63 zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizanlage 32 mit der Leitung 24 in Verbindung steht.
Wie zuvor erwähnt, werden die Mass Flow Controller 36 bis 41 über die Steu­ ereinheit 34 angesteuert, so daß sie entweder kontrollierte Mengen an Gas von ihren jeweiligen Zuleitungen zu ihren jeweiligen Auslaßleitungen leiten oder geschlossen sind.
Die Funktion des Prozeßgaserzeugungsteils 31 und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb desselben wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Vor der Erzeugung eines Prozeßgases sind zunächst alle Mass Flow Con­ troller 36 bis 41 geschlossen. Anschließend wird der Mass Flow Controller 37 angesteuert, um inertes Gas über die Zuleitung 10 sowie die zweite Einlaß­ leitung 12 in den Brenner 1 einzuleiten. Hierdurch werden die Zuleitungen 10, 12, der Brenner 1 sowie die Auslaßleitung 24 und gegebenenfalls die Prozeß­ kammer der Schnellheizanlage 32 mit inertem Gas gespült, um sicherzustel­ len, daß sich in dem Brenner 1, der Leitung 24 sowie der Schnellheizanlage 32 kein Sauerstoff oder Wasserstoff befinden. Ferner können unkontrollierte Reaktionen mit Restgasen, wie z. B. Luft, vermieden werden.
Nach einer vorgegebenen Spülzeit wird der Mass Flow Controller 37 ge­ schlossen. Nun wird über den Mass Flow Controller 39 Wasserstoff über die Zuleitung 10 in den Brenner 1 eingeleitet, wobei wenigstens die Brennkammer 5 und gegebenenfalls teilweise auch die Leitung 24 und die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 mit reinem Wasserstoff gefüllt wird. Hierbei kann die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs beliebig gesteuert werden. Wenn die Brennkammer vollständig mit Wasserstoff gefüllt ist, wird die Heizvorrich­ tung 17 aktiviert und über den Mass Flow Controller 38 und die zweite Ein­ laßeinleitung 12 wird nun Sauerstoff in die Brennkammer 5 eingeführt. Der Sauerstoff wird beispielsweise mit einer zeitlichen Verzögerung von fünf Se­ kunden gegenüber dem Wasserstoff eingeleitet. Wenn der Sauerstoff anfängt, aus dem Auslaßende 14 der zweiten Einlaßleitung 12 auszutreten, wird der Sauerstoff sofort gezündet und gemeinsam mit dem Wasserstoff verbrannt. Dabei ist es wichtig, daß die Heizvorrichtung 17 zu diesem Zeitpunkt die er­ forderliche Temperatur schon erreicht hat, um zu verhindern, daß sich in der Brennkammer 5 eine größere Menge an Knallgas durch die Vermischung von Sauerstoff und Wasserstoff bildet. Beispielsweise erhitzt die Heizvorrichtung 17 den Bereich am Auslaßende 14 der Einlaßleitung 12 auf 700°C. Bei der Verbrennung entsteht eine Flamme, die in die Brennkammer 5 hineinragt und durch den UV-Detektor detektiert wird.
Die Steuereinheit 34 stellt die Strömung des Wasserstoffs und des Sauer­ stoffs in die Brennkammer 5 über die Mass Flow Controller 38 und 39 derart ein, daß mehr Wasserstoff vorhanden ist, als für die Verbrennung des Sauer­ stoffs erforderlich ist, so daß der Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Um­ gebung verbrannt wird. Durch die Verbrennung des Sauerstoffs und des Was­ serstoffs wird in der Verbrennungskammer 5 Wasserdampf erzeugt, der ge­ meinsam mit dem überschüssigen Wasserstoff durch die Leitung 24 in die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 geleitet wird. Das Prozeßgas kann mit hohem Fluß von bis zu 30 slm (Standardliter pro Minute) hergestellt und in die Prozeßkammer geleitet werden. Wie zuvor erwähnt, befindet sich in der Leitung 24 ein Sauerstoffsensor, der die Anwesenheit von unverbranntem Sauerstoff in der Leitung 24 detektiert. Wenn unverbrannter Sauerstoff in der Leitung 24 detektiert wird, gibt der Sensor ein Warnsignal an die Steuereinheit 34 ab, da Sauerstoff in der Leitung 24 gemeinsam mit dem überschüssigen Wasserstoff ein Knallgas bilden kann, das beim Einleiten in die Prozeßkam­ mer der Schnellheizanlage 32 explodieren und somit den darin befindlichen Wafer und gegebenenfalls auch die Prozeßkammer selbst beschädigen kann. Nach Erhalt des Warnsignals schickt die Steuereinheit 34 entsprechende Si­ gnale an die Mass Flow Controller 38 und 39, um diese zu schließen und so­ mit die Erzeugung von Prozeßgas in dem Brenner 1 zu unterbrechen. Alter­ nativ oder auch zusätzlich kann über den Mass Flow Controller 37 inertes Gas in den Brenner 1 und in die Leitung 24 eingeleitet werden, um die Bildung von Knallgas in dem Brenner 1 zu vermeiden und um diesen erneut zu spülen.
Wenn in der Leitung 24 kein unverbrannter Sauerstoff detektiert wird, kann über den Mass Flow Controller 41 und die Leitung 63 zusätzlicher Wasserstoff in das in der Leitung 24 befindliche Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff eingeleitet werden, um den Wasserstoffgehalt in dem Pro­ zeßgas auf einen gewünschten Wert zu erhöhen. Darüber hinaus kann, sofern dies gewünscht ist, über den Mass Flow Controller 36 ein weiteres Gas in das Prozeßgas aus Wasserdampf und Wasserstoff eingeleitet werden. Die dabei entstehende Prozeßgasmischung wird nun zur Behandlung eines Halbleiter­ wafers in die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 eingeleitet. Die Pro­ zeßkammer der Schnellheizanlage 32 wird zunächst mit dem Prozeßgas durchspült, bevor die thermische Behandlung des Wafers gestartet wird. Bei­ spielsweise wird die Prozeßkammer mit dem Dreifachen ihres eigenen Volu­ mens gespült, was beispielsweise 60 Sekunden benötigt. Erst dann wird die thermische Behandlung des in der Prozeßkammer befindlichen Wafers be­ gonnen. Der Wafer befindet sich während des Durchspülens auf einer niedri­ gen Temperatur von 20°C bis 560°C, um eine Selbstentzündung des Prozeß­ gases zu vermeiden, das zu Beginn noch in einer undefinierten Zusammen­ setzung vorliegen kann. Ferner will man verhindern, daß der Wafer bereits mit dem noch nicht endgültig definierten Prozeßgas reagiert. Die obere Tempe­ ratur des Wafers hängt dabei vom Prozeß und von der Art des Wafers ab. Sie kann z. B. bei metallbeschichteten Wafern kleiner als 250°C oder sogar klei­ ner als 100°C sein, um Oxidations- bzw. Reaktionsprozesse in eventuell un­ definierten Prozeßgasen zu verhindern. In der Prozeßkammer kann dann eine wasserstoffreiche Naßoxidation, beispielsweise zur selektiven Oxidation von Gate-Stacks mit Metallgates bzw. Metall-Gate-Kontakten durchgeführt wer­ den.
Wenn es für den Prozeß in der Schnellheizanlage 32 notwendig ist, nach dem wasserstoffreichen Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff ein sauerstoffreiches Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff vorzusehen, kann die Verbrennung des Sauerstoffs in einer wasserstoffrei­ chen Atmosphäre zu einer Verbrennung in einer wasserstoffarmen Atmosphä­ re geändert werden. Hierfür steuert die Steuereinheit 34 die Mass Flow Con­ troller 38 und 39 zunächst derart an, daß Sauerstoff und Wasserstoff mit ei­ nem stöchiometrischen Verhältnis in die Brennkammer 5 des Brenners 1 ein­ geleitet werden. Hierdurch kommt es zu einer stöchiometrischen Verbren­ nung, bei der reiner Wasserdampf erzeugt wird und keine Restprodukte ver­ bleiben. Die stöchiometrische Verbrennung wird solange fortgeführt, bis der überschüssige Wasserstoff aus der vorhergehenden wasserstoffreichen Ver­ brennung aus der Brennkammer 5 und gegebenenfalls der Prozeßkammer der Schnellheizanlage verdrängt wird. Nun kann die über den Mass Flow Con­ troller 38 eingeleitete Sauerstoffmenge erhöht werden, so daß eine sauerstoff­ reiche Verbrennung erfolgt, d. h. es ist mehr Sauerstoff vorhanden als mit dem Wasserstoff verbrannt werden kann, so daß ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff gebildet wird. Diese Mischung aus Wasser­ dampf und Sauerstoff kann nun über die Leitung 24 in die Schnellheizanlage 32 geleitet werden. Über den Mass Flow Controller 40 kann darüber hinaus zusätzlicher Sauerstoff in die Leitung 24 eingeleitet werden, um das Sauer­ stoffverhältnis in dem Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff in gewünschter Weise zu erhöhen. In analoger Weise kann von der Erzeu­ gung eines sauerstoffreichen Prozeßgases auch wieder zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Prozeßgases zurück gewechselt werden, wobei wiederum eine Zwischenphase vorgesehen ist, bei der in Brennkammer 5 eine stöchio­ metrische Verbrennung erfolgt.
Natürlich kann der Brenner 1 auch so gestartet werden, daß er zunächst ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt und gegebenenfalls anschließend zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Prozeßgases gewechselt wird.
Der prozeßgaserzeugende Teil 31 der Vorrichtung 30 ist somit in der Lage, Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und wahlweise Sauerstoff oder Wasserstoff herzustellen. Durch die Mass Flow Controller 40 und 41 kann je­ des beliebige Mischungsverhältnis von Wasserdampf zu Sauerstoff oder Wasserdampf zu Wasserstoff in dem Prozeßgas eingestellt werden.
Die Steuereinheit 34 ist derart ausgelegt, daß sie die Mass Flow Controller 40 und 41 immer gegeneinander verriegelt, da die gleichzeitige Einleitung von Wasserstoff und Sauerstoff in die Leitung 24 zur Bildung eines Knallgases führen würde. Ferner ist es auch möglich, die Mass Flow Controller 40, 41 mechanisch derart zu koppeln, daß sie gegeneinander verriegelt sind, d. h. daß jeweils immer nur eine der beiden Mass Flow Controller 40, 41 geöffnet sein kann. Die Steuereinheit 34 sieht ferner vor, daß der Mass Flow Controller 40 immer dann geschlossen ist, wenn im Brenner 1 eine wasserstoffreiche Verbrennung erfolgt, da auch bei der Einleitung von Sauerstoff in ein Prozeß­ gas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff ein Knallgas erzeugt wer­ den würde. In analoger Weise wird der Mass Flow Controller 41 derart ge­ steuert, daß er immer geschlossen ist, wenn in dem Brenner 1 eine sauer­ stoffreiche Verbrennung erfolgt.
Zur Erhöhung der Sicherheit ist, wie schon oben erwähnt, ein Sauerstoff- und Wasserstoffsensor in der Leitung 24 vorgesehen, der unvebrannten Sauer­ stoff bzw. unverbrannten Wasserstoff in der Leitung detektiert. Wenn nach einer wasserstoffreichen Verbrennung im Brenner Sauerstoff in der Leitung 24 detektiert wird, deutet dies auf einen Fehler hin, und es besteht die Gefahr, daß in der Leitung 24 und/oder der Prozeßkammer der nachgeschaltenen Schnellheizanlage 32 Knallgas gebildet wird. Daher schickt der entsprechen­ de Sensor ein Warnsignal an die Steuereinheit 34, die den Prozeß unterbre­ chen kann und gegebenenfalls inertes Gas in den Brenner einleitet.
Dies gilt in analoger Weise, wenn nach einer sauerstoffreichen Verbrennung im Brenner 1 unverbrannter Wasserstoff in der Leitung 24 detektiert wird.
Die Vorrichtung 30 ist nun in der Lage, einen Halbleiterwafer in der Schnell­ heizanlage 32 mit einem wasserstoffreichen und/oder sauerstoffreichen was­ serdampfhaltigen Prozeßgas zu prozessieren. Es ist möglich, während eines einzelnen thermischen Behandlungszyklus zwischen wasserstoffreichem und sauerstoffreichem wasserdampfhaltigen Prozeßgas umzuschalten. Natürlich ist es auch möglich, mehrfach während eines thermischen Behandlungszyklus zwischen diesen beiden Prozeßgasen umzuschalten. Eine Umschaltung kann auch zwischen aufeinanderfolgenden thermischen Behandlungszyklen inner­ halb einer Prozeßkammer erfolgen.
Die Vorrichtung wurde zuvor anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben, ohne jedoch auf das konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Beispielsweise kann der Prozeßgaserzeugungsteil 31 mit mehreren Schnellheizanlagen 32 (oder allgemein Prozeßkammern zum Pro­ zessieren von Halbleiterwafern) verbunden sein, die parallel mit gleichen oder sequentiell mit gleichen oder unterschiedlichen Prozeßgasmischungen ver­ sorgt werden. Beispielsweise könnte eine Schnellheizanlage jeweils ein sau­ erstoffreiches, wasserdampfhaltiges Prozeßgas benötigen, während in der anderen Schnellheizanlage jeweils ein wasserstoffreiches, wasserdampfhalti­ ges Prozeßgas benötigt wird. Der Brenner 1 könnte somit sequentiell für bei­ de Anlagen verwendet werden, ohne die Notwendigkeit, den Brenner zwi­ schen der Versorgung der einen Anlage und der anderen Anlage auszu­ schalten und gegebenenfalls mit inertem Gas zu spülen, da beliebig zwischen der Erzeugung eines sauerstoffreichen und eines wasserstoffreichen, wasser­ dampfhaltigen Prozeßgases gewechselt werden kann. Der Brenner kann mit Überdruck oder Unterdruck betrieben werden, wobei ein Betrieb mit Unter­ druck von Vorteil ist, da Gas durch den Unterdruck in der Brennkammer zum Auslaß geleitet wird. Diese Richtungsgebung wiederum führt zu einem gleichmäßigen Brennverhalten.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ebenso Ausführungsbeispiele, die sich aus der Kombination und/oder dem Austausch von Merkmalen der zuvor be­ schriebenen Beispiele ergeben. Ferner sei darauf hingewiesen, daß statt ei­ nes Halbleiters oder eines Substrats ein beliebiges Objekt mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren oder Vorrichtung erzeugtem Prozeßgas prozessiert werden kann, wobei die Prozessierung nicht aus­ schließlich auf thermische, d. h. Temperatur-Zeit-Behandlungszyklen be­ schränkt ist.
In Vorrichtungen, in denen das Objekt beispielsweise mittels elektromagneti­ scher Strahlung geheizt wird, kann es sich auch um Strahlungsleistung-Zeit- Behandlungszyklen handeln.

Claims (28)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Sub­ straten, insbesondere Halbleitersubstraten, bei dem Sauerstoff zur Bil­ dung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung in einer Brennkammer verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab­ wärts von der Brennkammer die Anwesenheit von unverbranntem Sau­ erstoff detektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah­ ren unterbrochen wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer un­ verbrannter Sauerstoff detektiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Sauerstoff detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromabwärts von der Brennkammer Wasserstoff in das Prozeßgas eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennkammer vor dem Verbrennen von Sauer­ stoff mit reinem Wasserstoff gefüllt wird, und Sauerstoff erst zum Aus­ lösen der Verbrennung eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Brennkammer wäh­ rend der Verbrennung geändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wech­ sel zwischen der Erzeugung eines wasserstoffreichen und eines sauer­ stoffreichen Prozeßgases für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrischen Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durch­ geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß nach der Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases stromabwärts von der Brennkammer zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Sauerstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt wird, wenn in der Brennkammer ein wasser­ stoffreiches Prozeßgas erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Wasserstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt wird, wenn in der Brennkammer ein sauerstoff­ reiches Prozeßgas erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromabwärts von der Brennkammer ein weiteres Fluid in das Prozeßgas eingeleitet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Brennkammer zunächst ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird, indem Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung verbrannt wird, und das Verhältnis von Sauerstoff zu Was­ serstoff in der Brennkammer zum Verbrennen von Sauerstoff in eine wasserstoffreiche Umgebung verändert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Erzeugung des sauerstoffreichen Prozeßgases stromabwärts von der Brennkammer die Anwesenheit von unverbrann­ tem Wasserstoff detektiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 8 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unterbrochen wird, wenn stromabwärts von der Brennkam­ mer unverbrannter Wasserstoff detektiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Wasserstoff detektiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem Wechsel von einer Verbrennung von Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung zu einer wasserstoffreichen Umge­ bung für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrische Verbren­ nung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennkammer vor dem Verbrennungsvorgang mit einem inerten Gas gespült wird.
19. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenig­ stens eines Halbleiterwafers verwendet wird und innerhalb eines Be­ handlungszyklus zwischen einem wasserstoffreichen und einem sauer­ stoffreichen Prozeßgas gewechselt wird.
20. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenig­ stens eines Halbleiterwafers verwendet wird, und bei aufeinanderfol­ genden thermischen Behandlungszyklen zwischen einem wasserstoff­ reichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von Wasserstoff oder Sauerstoff in dem Prozeßgas wäh­ rend eines thermischen Behandlungszyklus verändert wird.
22. Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstrate, mit einem eine Brenn­ kammer (5) aufweisenden Brenner (1), wenigstens einer Sauerstoffzu­ leitung (12) und wenigstens einer Wasserstoffzuleitung (8) in die Brennkammmer (5), eine Zündeinheit (17) zum Zünden einer Sauer­ stoff/ Wasserstoff-Mischung in der Brennkammer (5) und eine Steuer­ einheit (34), die derart steuerbar ist, daß zur Bildung eines Prozeßga­ ses aus Wasserdampf und Wasserstoff der Sauerstoff in einer wasser­ stoffreichen Umgebung gezündet und vollständig verbrannt wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Sauerstoff- und/oder Wasserstoffsensor in einer Auslaßleitung (24) des Brenners (1).
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch eine mit einer Auslaßleitung (24) des Brenners (1) verbundene Wasserstofflei­ tung (63).
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch eine mit einer Auslaßleitung (24) des Brenners (1) in Verbindung stehende Sauerstoffleitung (59).
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffleitung und die Wasserstoffleitung gegeneinander verrie­ gelt sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit derart steuerbar ist, daß die Verbren­ nung in der Brennkammer (5) von einer wasserstoffreichen Verbren­ nung zu einer sauerstoffreichen Verbrennung verändert wird.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auslaßleitung (24) mit wenigstens einer Prozeßkam­ mer zur thermischen Behandlung von Halbleiterwafern verbunden ist.
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