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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung Halbleitersubstraten.
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Computerchips sowie andere elektronische Bauteile werden auf Halbleiterscheiben, sogenannten Wafern, gefertigt. Dazu sind viele Arbeitsschritte und Prozesse notwendig, wie z. B. Strukturierung, Lithographie, Ionenimplanation, Ätzen oder Beschichten. Beschichtungsprozesse werden häufig während einer thermischen Behandlung der Wafer bei einer vorgegebenen Prozeßgasatmosphäre durchgeführt. Dabei ist es bekannt, ein Prozeßgas 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 geringem thermischen Budget, sowie zur Herstellung dünner Gate-Oxide mit einer 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.
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Für die Herstellung des sauerstoffreichen Prozeßgases und des wasserstoffreichen Prozeßgases (d. h. ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff bzw. Wasserstoff) wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
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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 Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff gebildet wurde. Dieses Prozeßgas wurde anschließend über eine entsprechende Leitung in eine Prozeßkammer zum Behandeln eines Halbleiterwafers geleitet. In die Leitung konnte zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet werden, um den Sauerstoffgehalt in dem Prozeßgas einzustellen.
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Für die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozeßgases wurde in der Vergangenheit Wasserstoffgas mit Wasserdampf vermischt, wobei der Wasserdampf durch das Verdampfen von destilliertem Wasser erzeugt wurde. Dieses Verfahren erlaubt jedoch keine hohen Gasflüsse. Darüber hinaus ist das Verhältnis aus Wasserdampf und Wasserstoff nicht genau steuer- und reproduzierbar. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß dabei häufig Verunreinigungen auftreten.
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Ferner ist aus der
EP 0 307 621 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur druckgesteuerten katalytischen Verbrennung von brennbaren Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff für die Erzeugung thermischer Energie bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird Wasserstoff mit Sauerstoff in einer überstöchiometrisch sauerstoffreichen Umgebung unter der Wirkung eines Palladium Katalysators in Wasser umgewandelt.
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Aus der
US 3 630 956 A ist ein Verfahren zum Erzeugen von Gasen mit kontrollierten Konzentrationen von Wasserdampf bekannt, wobei ein trockenes Trägergas mit Wasserdampf angereichert werden soll. Hierfür wird eine Mischung aus dem Trägergas, Sauerstoff und Wasserstoff über einen Katalysator geleitet, der den Sauerstoff und den Wasserstoff katalytisch in Wasserdampf umwandelt. Eine katalytische Umwandlung von Sauerstoff und Wasserstoff zur Erzeugung von Wasserdampf ist auch aus der
JP 11 204 511 A und der
JP 06 333 918 A bekannt.
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Die
US 5 257 926 A beschreibt einen externer Brenner und ein Verfahren zur Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff zur Erzeugung von Wasserdampf. Die Vorrichtung und das Verfahren sind speziell so ausgelegt, dass Wasserstoff immer vollständig verbrennt, um Stromabwärts des Brenners unverbrannten Wasserstoff zu vermeiden.
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Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine Behandlung von Halbleiterwafern in einem wasserstoffreichen Prozeßgas aus Wasserdampf und Wasserstoff ermöglichen. Das Prozeßgas sollte auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar und das Mischungsverhältnis von Wasserdampf und Wasserstoff genau steuer- und reproduzierbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Halbleiterwafern nach Anspruch 1 bzw. 20 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten, wird wenigstens ein Prozeßgas zur Behandlung der Substrate in einer ersten Kammer erzeugt und anschließend in eine Prozeßkammer geleitet. Die erste Kammer ist eine Brennkammer und zur Bildung des Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff wird Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung in der Brennkammer verbrannt wird, wobei mehr Wasserstoff vorhanden ist als für die Verbrennung von Sauerstoff erforderlich ist (nachfolgend auch als Verbrennung in überstöchiometrisch wasserstoffreicher Umgebung bezeichnet). 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 propartional zu dem eingeleiteten und mit dem Wasserstoff verbrannten Sauerstoff ist. Darüber hinaus entsteht bei der Verbrennung reiner Wasserdampf, so daß das Prozeßgas eine hohe Reinheit aufweist.
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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.
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Um sicherzustellen, daß der gesamte Sauerstoff in der Brennkammer verbrannt wurde, wird die Anwesenheit von unverbranntem Sauerstoff stromabwärts von der Brennkammer detektiert. Sollte stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Sauerstoff detektiert werden, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Verfahren unterbrochen, da der unverbrannte Sauerstoff mit dem in dem Prozeßgas befindlichen Wasserstoff eine Knallgasmischung bilden könnte. Aus diesem Grund wird vorzugsweise auch ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Sauerstoff detektiert wird, um die Gefahr der Bildung von Knallgas stromabwärts von der Brennkammer zu vermeiden.
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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 Stöchiometrischen Verbrennung (0% H2) und 1000/1 (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 Gassystem Inertgas (z. B. N2, He oder Ar) gespült, um etwaigen Luftsauerstoff zu entfernen.
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Für die Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases in derselben Anlage wird vorzugsweise das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Brennkammer 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 derselben Vorrichtung unterschiedliche Prozesse in nachgeschalteten Vorrichtungen, wie beispielsweise getrennten Schnellheizanlagen oder allgemein Anlagen zur thermischen Behandlung von Substraten (Halbleitern), unterstützen. 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 erhöht, um eine sauerstoffreiche Verbrennung vorzusehen. Hierdurch wird sichergestellt, 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 unverbranntem Sauerstoff und/oder Wasserstoff überwacht werden, so daß sichergestellt ist, daß ein etwaiges Sauerstoff-Wasserstoffgemisch unterhalb der Explosionsgrenze ist, welche von Druck, Temperatur und weiteren Parametern (wie z. B. UV-Bestrahlung) abhängt.
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Für eine genaue Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem sauerstoffreichen Prozeßgas wird vorzugsweise stromabwärts von der Brennkammer zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet. Vorzugsweise wird das Verhältnis Sauerstoff zu Wasserstoff zwischen 0% (vollständige Verbrennung oder 100% H2O) und 100% (0,1% H2O) eingestellt.
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Um eine Erzeugung von Knallgas in der stromabwärts von der Brennkammer befindlichen Leitung zu verhindern, wird eine Sauerstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt, wenn in der Brennkammer ein wasserstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird. In der gleichen Weise wird vorzugsweise eine Wasserstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt, 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 Zuleitungen geöffnet ist. Für eine Veränderung des Prozeßgases wird vorzugsweise stromabwärts von der Brennkammer ein weiteres Fluid in das Prozeßgas eingeleitet, um unterschiedliche Mechanismen bei der nachfolgenden Substratbehandlung fördern zu können. Das weitere Fluid kann ein für den nachfolgenden thermischen Prozeß zur Prozessierung von Halbleiterwafern reaktives oder inertes Gas sein oder ein Gemisch aus solchen Gasen (z. B. Ar, N2).
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird in der Brennkammer zunächst ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt, indem Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung verbrannt wird, und anschließend wird das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in der Brennkammer zum Verbrennen von Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung verändert. Somit kann wahlweise mit der Herstellung eines wasserstoff- oder sauerstoffreichen Prozeßgases gestartet werden, und es kann anschließend beliebig zwischen der Herstellung dieser beiden Prozeßgase gewechselt werden, ohne den Brenner abschalten zu müssen.
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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 unverbrannter 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.
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Bei einem Wechsel von einer Verbrennung von Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung zu einer wasserstoffreichen Umgebung wird vorzugsweise 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.
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Um die Bildung von Knallgasen zu verhindern, wird die Brennkammer vorzugsweise vor dem Verbrennungsvorgang mit einem inerten Gas gespült.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Prozeßgas vorzugsweise zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbleiterwafers oder Halbleitermaterials verwendet und innerhalb eines Behandlungszyklus zwischen einem wasserstoffreichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt. Unter Behandlungszyklus soll verstanden werden, daß der Halbleiter (z. B. Halbleiterwafer) einem Temperatur-Zeit-Zyklus ausgesetzt wird, welcher 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.
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Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbeiterwafers verwendet, und bei aufeinanderfolgenden thermischen Behandlungszyklen zwischen einem wasserstoffreichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt. Vorzugsweise wird während eines thermischen Behandlungszyklus die Konzentration von Wasserstoff oder Sauerstoff in dem Wasserdampf des Prozeßgases verändert.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, gelöst, die einen Brenner mit einer Brennkammer, wenigstens eine Sauerstoffzuleitung und wenigstens eine Wasserstoffzuleitung in die Brennkammer, eine Zündeinheit zum Zünden einer Sauerstoff/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 ergeben sich die schon oben genannten Vorteile.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Brenner; und
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2 ein schematisches Blockdiagramm einer Substratbehandlungsvorrichtung, in die eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners 1, in dem Sauerstoff und Wasserstoff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem wasserdampfhaltigen Gas verbrannt werden.
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Der Brenner 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das im Inneren eine Brennkammer 5 umfaßt. Die Brennkammer 5 weist einen Einlaß 7 auf, de 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.
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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 ausgebildet. Über die zweite Gas-Einlaßleitung wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, Sauerstoff in den Brenner 1 eingeleitet. Die zweite Einlaßleitung 12 weist ein Auslaßende 14 auf, das im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 angeordnet ist, so daß eine Vermischung der über die beiden Einlaßleitungen 8, 12 eingeleiteten Gase schon im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 erfolgt, bevor die Mischung in die Brennkammer eintritt.
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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.
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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 Wasserstoff 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 feststellt, daß die Flamme erlischt.
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Die Brennkammer 5 weist auch ein Auslaßende 21 auf, das mit einer Auslaßleitung 24 in Verbindung steht, die, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert wird, mit einer Schnellheizanlage oder allgemein einer Prozeßkammer zum thermischen Behandeln von Halbleitern in Verbindung steht.
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In der Auslaßleitung 24 ist ein nicht näher dargestellter Sauerstoff- und Wasserstoffsensor oder eine entsprechende Detektiervorrichtung vorgesehen, um unverbrannten Sauerstoff bzw. unverbrannten Wasserstoff in der Leitung 24 zu detektieren.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 30 zum Behandeln von Halbleiterwafern, in die der Brenner 1 gemäß 1 integriert ist.
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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 beispielsweise 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 Schnellheizanlage
32 in Verbindung, um in dem Brenner
1 erzeugte Prozeßgase in die Schnellheizanlage leiten zu können.
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Der Prozeßgaserzeugungsteil 31 der Vorrichtung 30 weist den Brenner 1, eine elektronische Steuereinheit 34, sowie eine Vielzahl von Mass Flow Controllern bzw. Gasströmungssteuereinheiten 36 bis 41 auf, die jeweils durch die Steuereinheit 34 angesteuert werden, um eine kontrollierte Gasströmung dorthindurch vorzusehen.
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Der Mass Flow Controller 36 weist eine Gaszuleitung 43, sowie eine Auslaßleitung 44 auf. Die Zuleitung 43 steht mit einer Gasquelle in Verbindung. Die Auslaßleitung 44 steht zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizvorrichtung 32 mit der Leitung 24 in Verbindung, um ein zusätzliches Gas in das in dem Brenner 1 erzeugte Prozeßgas einzuleiten, das im nachfolgenden Prozeß benötigt wird.
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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 beispielsweise 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.
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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 Auslaßleitung 51 mit der zweiten Einlaßleitung 12 des Brenners 1 in Verbindung steht.
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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.
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Der Mass Flow Controller 40 steht mit einer Einlaßleitung 58 sowie einer Auslaßleitung 59 in Verbindung. Die Zuleitung 58 ist mit einer Sauerstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes sauerstoffhaltiges Gas verbunden, während die Auslaßleitung 59 zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizanlage 32 mit der Leitung 24 in Verbindung steht.
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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, während die Auslaßleitung 63 zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizanlage 32 mit der Leitung 24 in Verbindung steht.
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Wie zuvor erwähnt, werden die Mass Flow Controller 36 bis 41 über die Steuereinheit 34 angesteuert, so daß sie entweder kontrollierte Mengen an Gas von ihren jeweiligen Zuleitungen zu ihren jeweiligen Auslaßleitungen leiten oder geschlossen sind.
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Die Funktion des Prozeßgaserzeugungsteils 31 und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb desselben wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 näher erläutert.
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Vor der Erzeugung eines Prozeßgases sind zunächst alle Mass Flow Controller 36 bis 41 geschlossen. Anschließend wird der Mass Flow Controller 37 angesteuert, um inertes Gas über die Zuleitung 10 sowie die zweite Einlaßleitung 12 in den Brenner 1 einzuleiten. Hierdurch werden die Zuleitungen 10, 12, der Brenner 1 sowie die Auslaßleitung 24 und gegebenenfalls die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 mit inertem Gas gespült, um sicherzustellen, 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.
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Nach einer vorgegebenen Spülzeit wird der Mass Flow Controller 37 geschlossen. 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 Heizvorrichtung 17 aktiviert und über den Mass Flow Controller 38 und die zweite Einlaßeinleitung 12 wird nun Sauerstoff in die Brennkammer 5 eingeführt. Der Sauerstoff wird beispielsweise mit einer zeitlichen Verzögerung von fünf Sekunden 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 erforderliche 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.
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Die Steuereinheit 34 stellt die Strömung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in die Brennkammer 5 über die Mass Flow Controller 38 und 39 derart ein, daß mehr Wasserstoff vorhanden ist, als für die Verbrennung des Sauerstoffs erforderlich ist, so daß der Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung verbrannt wird. Durch die Verbrennung des Sauerstoffs und des Wasserstoffs wird in der Verbrennungskammer 5 Wasserdampf erzeugt, der gemeinsam 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 Prozeßkammer 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 Signale an die Mass Flow Controller 38 und 39, um diese zu schließen und somit die Erzeugung von Prozeßgas in dem Brenner 1 zu unterbrechen. Alternativ 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.
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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 Prozeßgas 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 Halbleiterwafers in die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 eingeleitet. Die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 wird zunächst mit dem Prozeßgas durchspült, bevor die thermische Behandlung des Wafers gestartet wird. Beispielsweise wird die Prozeßkammer mit dem Dreifachen ihres eigenen Volumens gespült, was beispielsweise 60 Sekunden benötigt. Erst dann wird die thermische Behandlung des in der Prozeßkammer befindlichen Wafers begonnen. Der Wafer befindet sich während des Durchspülens auf einer niedrigen Temperatur von 20°C bis 560°C, um eine Selbstentzündung des Prozeßgases zu vermeiden, das zu Beginn noch in einer undefinierten Zusammensetzung vorliegen kann. Ferner will man verhindern, daß der Wafer bereits mit dem noch nicht endgültig definierten Prozeßgas reagiert. Die obere Temperatur des Wafers hängt dabei vom Prozeß und von der Art des Wafers ab. Sie kann z. B. bei metallbeschichteten Wafers kleiner als 250°C oder sogar kleiner als 100°C sein, um Oxidations- bzw. Reaktionsprozesse in eventuell undefinierten 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 werden.
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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 wasserstoffreichen Atmosphäre zu einer Verbrennung in einer wasserstoffarmen Atmosphäre geändert werden. Hierfür steuert die Steuereinheit 34 die Mass Flow Controller 38 und 39 zunächst derart an, daß Sauerstoff und Wasserstoff mit einem stöchiometrischen Verhältnis in die Brennkammer 5 des Brenners 1 eingeleitet werden. Hierdurch kommt es zu einer stöchiometrischen Verbrennung, bei der reiner Wasserdampf erzeugt wird und keine Restprodukte verbleiben. Die stöchiometrische Verbrennung wird solange fortgeführt, bis der überschüssige Wasserstoff aus der vorhergehenden wasserstoffreichen Verbrennung aus der Brennkammer 5 und gegebenenfalls der Prozeßkammer der Schnellheizanlage verdrängt wird. Nun kann die über den Mass Flow Controller 38 eingeleitete Sauerstoffmenge erhöht werden, so daß eine sauerstoffreiche 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 Wasserdampf 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 Sauerstoffverhältnis in dem Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff in gewünschter Weise zu erhöhen. In analoger Weise kann von der Erzeugung 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 stöchiometrische Verbrennung erfolgt.
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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.
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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 jedes beliebige Mischungsverhältnis von Wasserdampf zu Sauerstoff oder Wasserdampf zu Wasserstoff in dem Prozeßgas eingestellt werden.
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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 Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff ein Knallgas erzeugt werden würde. In analoger Weise wird der Mass Flow Controller 41 derart gesteuert, daß er immer geschlossen ist, wenn in dem Brenner 1 eine sauerstoffreiche Verbrennung erfolgt.
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Zur Erhöhung der Sicherheit ist, wie schon oben erwähnt, ein Sauerstoff- und Wasserstoffsensor in der Leitung 24 vorgesehen, der unvebrannten Sauerstoff 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 entsprechende Sensor ein Warnsignal an die Steuereinheit 34, die den Prozeß unterbrechen kann und gegebenenfalls inertes Gas in den Brenner einleitet.
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Dies gilt in analoger Weise, wenn nach einer sauerstoffreichen Verbrennung im Brenner 1 unverbrannter Wasserstoff in der Leitung 24 detektiert wird.
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Die Vorrichtung 30 ist nun in der Lage, einen Halbleiterwafer in der Schnellheizanlage 32 mit einem wasserstoffreichen und/oder sauerstoffreichen wasserdampfhaltigen 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 innerhalb einer Prozeßkammer erfolgen.
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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 Prozessieren von Halbleiterwafern) verbunden sein, die parallel mit gleichen oder sequentiell mit gleichen oder unterschiedlichen Prozeßgasmischungen versorgt werden. Beispielsweise könnte eine Schnellheizanlage jeweils ein sauerstoffreiches, wasserdampfhaltiges Prozeßgas benötigen, während in der anderen Schnellheizanlage jeweils ein wasserstoffreiches, wasserdampfhaltiges Prozeßgas benötigt wird. Der Brenner 1 könnte somit sequentiell für beide Anlagen verwendet werden, ohne die Notwendigkeit, den Brenner zwischen der Versorgung der einen Anlage und der anderen Anlage auszuschalten und gegebenenfalls mit inertem Gas zu spülen, da beliebig zwischen der Erzeugung eines sauerstoffreichen und eines wasserstoffreichen, wasserdampfhaltigen Prozeßgases gewechselt werden kann. Der Brenner kann mit Überdruck oder Unterdruck betrieben werden, wobei ein Betrieb mit Unterdruck von Vorteil ist, da Gas durch den Unterdruck in der Brennkammer zum Auslaß geleitet wird. Diese Richtungsgebung wiederum führt zu einem gleichmäßigen Brennverhalten.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt ebenso Ausführungsbeispiele, die sich aus der Kombination und/oder dem Austausch von Merkmalen der zuvor beschriebenen Beispiele ergeben. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Prozessierung nicht ausschließlich auf thermische, d. h. Temperatur-Zeit-Behandlungszyklen beschränkt ist.
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In Vorrichtungen, in denen das Objekt beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung geheizt wird, kann es sich auch um Strahlungsleistung-Zeit-Behandlungszyklen handeln.
