DE102004060557A1

DE102004060557A1 - Flash lamp mirror arrangement

Info

Publication number: DE102004060557A1
Application number: DE200410060557
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Voelskow; Wolfgang Anwand; Wolfgang Dr. Skorupa
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-29
Also published as: DE112005003465A5; WO2006063563A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blitzlampenspiegelanordnung als Teil einer Strahlungsbeheizungsanordnung zur kurzzeitigen Erwärmung von vorzugsweise scheibenförmigen Halbleitersubstraten mittels stabförmiger Blitzlampen. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blitzlampenspiegelanordnung vorzuschlagen, die eine homogene und schnelle Erwärmung von Halbleitersubstraten bei unwesentlich erhöhten Anlagenkosten ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens über die gesamte Substratoberfläche mehrere Blitzlampen einzeln justierbar in jeweils einem hohlzylinderförmigen Spiegel parabelförmigen Querschnitts angeordnet sind und dass die einzelnen Spiegel im Winkel zueinander und ihrer Höhe zum Substrat justierbar angeordnet sind, wobei die Lage der Blitzlampen parallel zueinander, bezogen auf ihre Längsachse, und zu den Substraten ist.The invention relates to a flashlamp mirror assembly as part of a radiation heating arrangement for the short-term heating of preferably disc-shaped semiconductor substrates by means of rod-shaped flashlamps. DOLLAR A The invention has for its object to provide a flashlamp mirror assembly that allows a homogeneous and rapid heating of semiconductor substrates at immaterial increased system costs. DOLLAR A The invention includes that at least over the entire substrate surface a plurality of flashlamps individually adjustable in each case a hollow cylindrical mirror parabolic cross-section are arranged and that the individual mirrors are arranged at an angle to each other and their height to the substrate adjustable, the position of the flashlamps parallel to each other, relative to its longitudinal axis, and to the substrates.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blitzlampenspiegelanordnung als Teil einer Strahlungsbeheizungsanordnung zur kurzzeitigen Erwärmung von vorzugsweise scheibenförmigen Halbleitersubstraten mittels stabförmiger Blitzlampen.The The invention relates to a flashlamp mirror assembly as part of a Radiation heating arrangement for short-term heating of preferably disc-shaped Semiconductor substrates by means of rod-shaped flash lamps.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden zunehmend sogenannte RTP-Prozessschritte (rapid thermal processing) anstelle der konventionellen Ofentemperung eingesetzt. Innerhalb dieser Methoden besitzt die rapide Erhitzung von Halbleitersubstraten mit Hilfe von intensiver optischer Strahlung, beispielsweise der von Blitzlampen, gegenüber der weit verbreiteten Kurzzeitausheilung in Halogenlampenanlagen eine Reihe gravierender Vorteile (Panknin, D.; Stoemenos, J.; Eickhoff, M.; Heera, V.; Voelskow, M.; Skorupa, W., The beneficial role of flash lamp annealing on the epitaxial growth of the 3C-SiC on Si, Appl. Surf. Sc. 184 (2001) 377–382). Zum ersten erfolgt hierbei, aufgrund der kurzzeitig verfügbaren, extrem hohen Leistung derartiger Lampen bis in den Megawattbereich, verglichen mit der Leistung von Halogenlampen im Kilowattbereich, eine ultraschnelle Aufheizung der Substrate. Zum zweiten besitzen derartige Lampen keine Trägheit wie Glühlampen, d.h., sobald die Entladung erlischt, kühlt sich die Probe aufgrund von Wärmestrahlung sehr schnell ab. Ein Problem, welches sich bei der Blitzlampenbestrahlung, wie auch bei allen anderen, auf einer Anordnung von mehreren Lampen basierenden Strahlungsheizungen, gegenüber der Temperung in konventionellen Rohröfen ergibt, ist die Erzielung einer einheitlichen Temperatur (Temperaturhomogenität) über die gesamte Halbleiteroberfläche bei maximaler Ausnutzung der Lichtenergie.at The production of semiconductor devices are becoming increasingly so-called RTP process steps (rapid thermal processing) instead of conventional furnace annealing used. Within these methods, the rapid heating of Semiconductor substrates by means of intense optical radiation, For example, the flash lamps, compared to the widespread short-term annealing in Halogen lamps a number of serious advantages (Panknin, D .; Stoemenos, J .; Eickhoff, M .; Heera, V .; Voelskov, M .; Skorupa, W., The beneficial role of flash lamp annealing on the epitaxial growth of the 3C-SiC on Si, Appl. Surf. Sc. 184 (2001) 377-382). To the first takes place, due to the short-term available, extremely high power of such lamps up to the megawatt range, compared to the power of halogen lamps in the kilowatt range, an ultrafast heating of the substrates. For the second own such lamps no inertia like light bulbs, that is, as soon as the discharge ceases, the sample cools due to of heat radiation very quickly. A problem with flashbulbs, as with all others, on an arrangement of several lamps based radiant heaters, compared to the annealing in conventional Tube Furnaces results in the achievement of a uniform temperature (temperature homogeneity) over the entire semiconductor surface at maximum utilization of light energy.

Insbesondere jedoch bei der Blitzlampenbestrahlung, mit Prozesszeiten im Bereich von Millisekunden, und dem aufgrund der kurzen Zeit nicht stattfindenden lateralen Temperaturausgleich während der Bestrahlung, führen Bestrahlungsinhomogenitäten zu extremen thermischen Spannungen innerhalb der Scheiben, was wiederum zu bleibender Verbiegung oder sogar zum Bersten derselben führen kann. Aber schon eine geringe Verbiegung kann dazu führen, dass nachfolgende photolithographische Prozessschritte bei der Bauelementeherstellung nicht mehr durchführbar sind.Especially however, in flash lamp irradiation, with process times in the range of milliseconds, and due to the short time not taking place lateral temperature compensation during the Irradiation, lead Bestrahlungsinhomogenitäten to extreme thermal stresses within the discs, which in turn can lead to permanent bending or even bursting of the same. But even a slight bend can cause subsequent photolithographic Process steps in the device manufacturing are no longer feasible.

Die Erhöhung der Homogenität der Lichteinstrahlung bei Blitzlampenanlagen dient somit in hohem Maße der Erhöhung der Ausbeute in der Bauelementeherstellung.The increase homogeneity The light irradiation in flash lamp systems thus serves in high Dimensions of increase the yield in component manufacturing.

Üblicherweise wird die Erhöhung der Homogenität bei der Blitzlampenbestrahlung durch einen großen Abstand der Lampen zu den zu bestrahlenden Scheiben und durch ein entsprechend ausgedehntes Lampenfeld (Mehrfaches des Scheibendurchmessers) erreicht. Die damit zwangsläufig verbundene notwendige Vergrößerung der Bestrahlungskammer und des Lampenfeldes und damit auch der Kondensatorbatterie, als Energiequelle für die Blitzlampen, führt jedoch zu einer außerordentlichen Steigerung der Anlagekosten.Usually will be the increase homogeneity when the flash lamp irradiation by a large distance of the lamps to the to be irradiated discs and by a correspondingly extended Lamp field (multiple of the disc diameter) reached. The so inevitably associated necessary enlargement of the Irradiation chamber and the lamp field and thus also the capacitor bank, as an energy source for the flashlamps, leads but to an extraordinary increase the investment costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blitzlampenspiegelanordnung vorzuschlagen, die eine homogene und schnelle Erwärmung von Halbleitersubstraten bei unwesentlich erhöhten Anlagenkosten ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a flashlamp mirror assembly to propose a homogeneous and rapid heating of semiconductor substrates at insignificantly increased Plant costs enabled.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst.According to the invention Problem solved by the features set out in the claims.

Dabei ist wesentlich, dass jede einzelne zylinderförmige Lampe mit ihrer Achse justierbar im Brennpunktes eines parabelförmigen Zylinderspiegels angeordnet ist und außerdem jede Spiegel/Lampe-Einheit parallel zur benachbarten angeordnet ist, wobei die einzelnen Einheiten in ihrem Abstand zueinander und in ihrem Abstand zur Probe und der axialen Ausrichtung frei justierbar sind. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die durch die parabelförmigen Spiegel erzeugten, in ihrer Intensität homogenen einzelnen Lichtbündel durch Justierung der einzelnen Spiegel so auf die Probe zu positionieren, dass sich eine einheitliche, gleichmäßig beleuchtete Fläche ergibt.there is essential that every single cylindrical lamp with its axis adjustable arranged in the focal point of a parabolic cylinder mirror is and besides each mirror / lamp unit is arranged parallel to the adjacent one is, with the individual units in their distance from each other and freely adjustable in their distance from the sample and the axial orientation are. This will be the possibility created by the parabolic mirrors, in their intensity homogeneous single light beam by adjusting the individual mirrors so as to position the sample, that results in a uniform, uniformly illuminated area.

Bei der Projektion des Lichtes auf das Substrat werden zwei Fälle unterschieden:

– Das Licht aller Blitzlampen wird gebündelt. Damit wird die Substratoberfläche mit einer hohen Energiedichte bestrahlt. Die mit einem Blitz modifizierte Fläche ist klein.
– Das Licht der Blitzlampen wird parallel auf das Substrat projiziert. Die in dieser Anordnung erreichbaren Energiedichten sind geringer, jedoch kann die gleichzeitig bestrahlte Fläche nahezu beliebig vergrößert werden.

At the projection of light on a substrate two cases are distinguished:

- The light of all flash lamps is bundled. Thus, the substrate surface is irradiated with a high energy density. The area modified with a flash is small.
- The light of the flash lamps is projected parallel to the substrate. The energy densities achievable in this arrangement are lower, but the surface irradiated at the same time can be increased almost arbitrarily.

Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Blitzlampenspiegelanordnung gegenüber den herkömmlichen Anordnungen mit einem einzigen Spiegel besteht in der Eliminierung des Intensitätsabfalles zum Rand der zu bestrahlenden Scheibe hin, wie er bei ei nem Feld aus freiliegenden parallelen Lampen zwangsläufig zu beobachten ist. Die Lampenlänge sollte dabei mindestens das Doppelte des Durchmessers der zu bestrahlenden Scheiben betragen, damit auch die Homogenität der Bestrahlung in Richtung der Lampenachsen gewährleistet ist.Of the significant advantage of the flash lamp mirror assembly described across from the conventional one Single mirror arrays consist of elimination intensity drop to Edge of the disk to be irradiated out, as he in egg nem field exposed parallel lamps is inevitably observed. The Lamp length should be while at least twice the diameter of the irradiated Slices amount, thereby also the homogeneity of the irradiation in direction ensures the lamp axes is.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Gesamtenergie des Lichtimpulses nicht oder kaum erhöht werden muss.One Another advantage is that the total energy of the light pulse is not or hardly raised must become.

Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.below the invention is based on an embodiment explained in more detail.

In der zugehörigen Zeichnung zeigenIn the associated Show drawing

1 die Anordnung der Spiegel in einem Winkel zueinander und 1 the arrangement of the mirrors at an angle to each other and

2 die Anordnung der Spiegel eng nebeneinander. 2 the arrangement of the mirrors close together.

Über einem massiven Probenhalter 1, im wesentlichen bestehend aus einer wassergekühlten, geschlossenen und im Inneren mit Schutzgas durchströmten Aluminiumkonstruktion, sind in einem Halbrund stabförmige Blitzlampen 5 angeordnet, wobei sich jede Blitzlampe 5 einzeln und justierbar in der Brennlinie jeweils eines wassergekühlten Parabolspiegel befindet. Dadurch erzeugt jede Lampe-Spiegel-Anordnung einen rechteckförmigen, homogen Streifen paralleler Lichtstrahlen. Jede einzelne Spiegel-Lampe-Konstruktion ist außerdem schwenkbar in einer Achse parallel zur Spiegelachse angebracht, wodurch sich die rechteckförmigen Lichtstreifen so nebeneinander auf dem Substrat 4 justieren lassen, dass sich eine geschlossene und mit gleichmäßiger Intensität ausgeleuchtete Fläche ergibt.Over a massive sample holder 1 , consisting essentially of a water-cooled, closed and traversed inside with inert gas aluminum construction, are in a semicircular rod-shaped flash lamps 5 arranged, with each flash lamp 5 individually and adjustably located in the focal line of each of a water-cooled parabolic mirror. As a result, each lamp-mirror arrangement produces a rectangular, homogeneous strip of parallel light beams. Each individual mirror-lamp construction is also pivotally mounted in an axis parallel to the mirror axis, whereby the rectangular strips of light so juxtaposed on the substrate 4 adjust to give a closed area illuminated with uniform intensity.

Der Probenhalter 1, in dessen Inneren das Substrat 4 wärmeisoliert auf Quarzröhrchen gelagert ist, besitzt außer dem Quarzfenster 3 zur Transmission des Blitzlampenlichtes ein zweites, gegenüberliegendes Quarzfenster 2 zur Transmission des Lichtes von Halogenlampen 6, welche zur Vorheizung der Proben vor dem Blitz dienen.The sample holder 1 , in the interior of which the substrate 4 thermally insulated on quartz tubes, except the quartz window 3 to transmit the flash lamp light, a second, opposite quartz window 2 for the transmission of light from halogen lamps 6 , which serve to pre-heat the samples before the flash.

Es lassen sich aber auch in dieser Spiegelanordnung zwecks Erhöhung der Energiedichte auf bestimmten Substratbereichen oder zur intensiven Bestrahlung kleinerer Substrate 4 durch Schwenken der Spiegel zwei oder mehrere Lichtstreifen übereinander auf dem Substrat 4 positionieren.But it can also be in this mirror arrangement in order to increase the energy density on certain substrate areas or for intensive irradiation of smaller substrates 4 by pivoting the mirrors two or more strips of light on top of each other on the substrate 4 position.

2 zeigt den konstruktiv am wenigsten aufwendigen Fall der dicht nebeneinander angebrachten Spiegel mit parallelem Lichtaustritt, wobei die maximale Energiedichte auf dem Substrat 4 durch die Ausmaße der Spiegel und der Lampenparameter begrenzt ist Der Probenhalter 1 ist wie in 1 ausgeführt gestaltet. 2 shows the constructively least expensive case of closely mounted mirror with parallel light emission, the maximum energy density on the substrate 4 limited by the dimensions of the mirrors and the lamp parameters is the sample holder 1 is like in 1 designed designed.

Die Blitzlampen 5 werden elektrisch gespeist von Hochleistungskondensatoren, welche ihre Energie durch eine Kombination mit Induktivitäten impulsförmig abgeben. Die Lichtimpulszeiten können dabei zwischen 500 μs und 20 ms gezielt eingestellt werden. Der Energieeintrag durch die Blitzlampen 5 in die Substrate 4 liegt typischerweise im Bereich von 100 Joule/cm². Mit Hilfe der Halogenheizung kann das Substrat 4 im Bereich von einigen Hundert Grad bis 1100 °C vorgeheizt werden. Die Substratdurchmesser betragen üblicherweise zwischen 100 mm und 200 mm. Die Temperatur der Substratoberfläche am Ende des Lichtimpulses beträgt typischerweise 1400 C.The flashbulbs 5 are electrically powered by high-power capacitors, which emit their energy in a pulsed manner by a combination with inductors. The light pulse times can be adjusted between 500 μs and 20 ms. The energy input through the flashlamps 5 into the substrates 4 is typically in the range of 100 joules / cm ² . With the help of the halogen heater, the substrate 4 be preheated in the range of a few hundred degrees to 1100 ° C. The substrate diameters are usually between 100 mm and 200 mm. The temperature of the substrate surface at the end of the light pulse is typically 1400 C.

Claims

Flash lamp mirror arrangement, for the heat treatment of substrates ( 4 ) by means of rod-shaped flashlamps ( 5 ) in front of a mirror, characterized in that at least over the entire substrate surface several flash lamps ( 5 ) are individually adjustable in each case a hollow cylindrical mirror parabolic cross-section are arranged and that the individual mirrors at an angle to each other and their height to the substrate ( 4 ) are arranged adjustable, the position of the flash lamps ( 5 ) parallel to each other with respect to their longitudinal axis and to the substrates ( 4 ).

Flash lamp mirror assembly according to claim 1, characterized characterized in that the mirrors are made of metal with a polished surface.

Flash lamp mirror assembly according to claim 1, characterized characterized in that the mirrors are provided with a cooling device is.

Flash lamp mirror assembly according to claim 3, characterized characterized in that the cooling device from cooling fins for the air cooling consists.

Flash lamp mirror assembly according to claim 3, characterized characterized in that the cooling device as a cooling tube is formed within the mirror.