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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleitersubstraten, mit einem Prozessraum, der von zum Halbleitersubstrat parallelen ersten Wänden, und wenigstens einer seitlichen, mit den ersten Wänden verbundenen zweiten Wand begrenzt ist, einer im Prozessraum angeordneten Substrathalteeinrichtung, die einen Substrataufnahmebereich für ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat im Prozessraum definiert, und Aufheizelementen, die im Prozessraum zwischen wenigstens einer der ersten Wände und dem Substrataufnahmebereich angeordnet sind.
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Schnellheizanlagen, sogenannte RTP-Systeme zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern sind für die Halbleiterherstellung bekannt. Beispiele solcher Anlagen sind in den US-Patenten
US 5 359 693 A und
US 5 580 830 A beschrieben.
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In Schnellheizanlagen werden Halbleitersubstrate thermischen Prozessen in unterschiedlichen Prozessgasatmosphären ausgesetzt, um vorbestimmte Behandlungsergebnisse zu erreichen. Die Prozesskammer ist häufig quaderförmig ausgebildet, um eine gleichmäßige mit der Symmetrie der Kammer zusammenwirkende Aufheizung der Halbleitersubstrate mit stabförmigen Aufheizelementen zu gewährleisten, während die aufzuheizenden Objekte meist scheibenförmig und rund sind, meist Halbleiterwafer, vorzugsweise aus Silizium, Germanium, SiGe, SiC, GaAs oder InP.
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Thermische Prozesse in Schnellheizanlagen sind meist Einzelscheibenprozesse, die in der Regel durch schnelle Aufheiz- und Abkühlvorgänge charakterisiert sind. Die Temperatur des Halbleiterwafers sollte zu jedem Zeitpunkt des thermischen Prozesses über der gesamten Halbleiterfläche gleich sein. Um die gewünschten Prozessergebnisse zu erhalten, müssen RTP-Systeme daher einen Halbleiterwafer nach einer vorgegebenen Temperatur-Zeitkurve aufheizen, ihn für eine vorgegebene Zeitdauer auf einer bestimmten Temperatur halten (Steady-State-Phase), und schließlich nach einer häufig ebenfalls vorgegebenen Temperatur-Zeitkurve wieder abkühlen. Spike-Applikationen (schnelle Ausheilprozesse) erfordern besonders rasche Aufheiz- und Abkühlvorgänge. Der Wafer muß innerhalb von wenigen Sekunden auf Prozesstemperatur (600–1200°C) gebracht und wieder abgekühlt werden.
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Bei solchen Prozessen tritt das Problem auf, dass der Wafer während der Aufheizphase, während der er mit sehr hoher Intensität bestrahlt wird, inhomogen aufgeheizt wird. Grund hierfür sind Ein- und Mehrfachreflexionen der Primärstrahlung (Strahlung die von den Aufheizelementen, meist Halogen- und/oder Bogenlampen emittiert wird) an den hochreflektiven Kammerwänden, die den Wafer umgeben. Dies bewirkt, dass die wirksame Strahlungsdichte der Strahlung der Aufheizelemente (Primärstrahlung) am Halbleiterscheibenrand höher ist als in der Scheibenmitte, da die Halbleiterscheibenmitte im Gegensatz zur reflektierenden Kammer einen weitaus größeren Teil der Strahlung absorbiert, als die Kammerwände. Dies hat zur Folge, dass der Rand des Halbleitersubstrats stärker aufgeheizt wird, als dessen Mitte. Der momentane Temperaturunterschied zwischen Waferrand und Wafermitte kann dabei leicht 40 Grad Celsius oder mehr betragen.
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Hat der Wafer schließlich seine Solltemperatur erreicht und soll auf einer Temperatur gehalten oder wieder abgekühlt werden, werden die Aufheizelemente entsprechend zurückgeregelt, so dass nun die Eigenstrahlung des aufgeheizten Wafers gegenüber der Primärstrahlung der Aufheizelemente dominiert. Beim Abkühlen werden die Lampen häufig sogar ganz abgeschaltet. Nun tritt der umgekehrte Effekt ein: Bedingt durch die Eigenstrahlung des Wafers über seine Oberfläche kühlt der Waferrand schneller aus, als die Wafermitte. Grund hierfür ist, dass die seitliche Kammerbegrenzung weiter vom Scheibenrand des Wafers entfernt ist, als die Reflektoren, die die von der Scheibenmitte emittierte Strahlung auf den Wafer zurückreflektieren. Dies bewirkt, dass die von den Außenzonen des Wafers abgestrahlte thermische Energie in der Nähe des Waferrandes im Allgemeinen erst nach Mehrfachreflexionen und Streuung an den weiter entfernten Reflektorwänden statistisch in zumeist flachem Winkel auf irgendein Oberflächenelement des Wafers auftrifft. Bei jeder Reflexion geht Energie durch Absorption am Reflektor verloren. Somit werden die Randbereiche des Wafers durch die reflektierte Wafereigenstrahlung in der Phase, in welcher die Waferstrahlung gegenüber der Lampenstrahlung dominiert, weniger aufgeheizt, als die Wafermitte, deren Abstrahlung durch die oberhalb und unterhalb des Halbleitersubstrats angeordneten Reflektoren unmittelbar auf die Scheibenmitte zurückreflektiert wird. Weiterhin weist die Oberfläche des Wafers an ihrer seitlichen Randbegrenzung eine zusätzliche Oberfläche auf, die ebenfalls thermische Energie abstrahlt. Diese thermische Energie wird nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit nach Multireflexionen wieder auf diese Randoberfläche zurückreflektiert. Somit wirken beide Effekte in die gleiche Richtung, was zur Folge hat, dass nun der Waferrand kälter als die Wafermitte wird.
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Der Temperatur-Zeit-Verlauf am Halbleiterscheibenrand unterscheidet sich also auf Grund dieses dynamischen Verhaltens vom Temperatur-Zeit-Verlauf der Halbleiterscheibenmitte.
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Dieses Problem kann mit unterschiedlichen Mitteln kompensiert werden:
Frühe Ansätze (siehe z. B.
US 5 399 523 A ) sehen eine Prozesskammer vor, die von einer rautenförmig um die Prozesskammer sich erstreckenden Reflektorkammeranordnung, deren spitze Winkel oberhalb und unterhalb der Wafermitte liegen, umgrenzt wird, oder eine quaderförmige Reflektorkammeranordnung, bei denen die Aufheizelemente und die oberen und unteren Reflektoren sehr weit vom Wafer entfernt angeordnet sind. Diese Ausführungsformen führen zu einer sehr voluminösen Reflektorkammeranordnung, die aus Platz- und Energiegründen nicht praktikabel ist. Es wurde auch vorgeschlagen, die Kammerwände absorbierend zu machen, damit eine Rückreflexion der Strahlung auf den Wafer vermieden wird. Dies erfordert jedoch eine weitaus höhere Strahlungsleistung, die, je nach Prozesstemperatur des Wafers, das doppelte bis dreifache der bei reflektierender Kammeranordnung aufzuwendenden Leistung beträgt. Die Folge davon ist eine signifikante Verkürzung der Lebensdauer der Aufheizelemente.
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Heute wird in vielen Fällen ein Ring aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der Wafer um den Wafer gelegt. Der Ring ist vom Wafer nur wenige Millimeter beabstandet. Das hat den Effekt, dass beim Aufheizen die mit den Aufheizelementen bestrahlte Gesamthalbleiterfläche künstlich vergrößert wird. Da den Waferrand weniger direkt an den Kammerwänden reflektierte zusätzliche Lampenstrahlung trifft, bildet sich während der Aufheizphase ein geringerer Temperaturgradient zwischen Waferrand und Wafermitte aus, als ohne Ring. Andererseits wirkt sich dies auch im Steady-State und beim Abkühlen des Wafers günstig aus, da der Ring, wenn die Lampen ausgeschaltet sind, einen Teil seiner thermischen Strahlung effektiv an den Rand des Wafermaterials abgeben kann.
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Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist es, dass sie mit relativ aufwendigen mechanischen Mitteln realisiert werden muß. So benötigt der Ring zusätzliche Auflageflächen im Schnellheizsystem. Ein weiterer Nachteil tritt vorwiegend bei großen Wafern auf (derzeit 30,5 cm (12 Zoll)). Beim thermischen Behandeln von solchen Wafern müssen stückweise Ringsegmente um den Wafer gelegt werden, da ganze Waferringe in der erforderlichen Größe industriell nicht zur Verfügung stehen, was den mechanischen Aufwand (weitere Auflageflächen etc.) weiter erhöht. Ein anderer Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass sich die thermischen und optischen Eigenschaften des Rings zeitlich ändern können, da er, im Gegensatz zum Wafer nach dem Prozess im Ofen verbleibt. Dies kann bewirken, dass die thermische Homogenität zwischen Waferrand und Wafermitte sich im Lauf der Zeit ändert, was zu einer Änderung der Prozessergebnisse führen kann.
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Ein anderer Ansatz versucht das Problem dadurch zu lösen, dass die Aufheizelemente unterschiedlich angesteuert werden. So kann der thermische Gradient zwischen Wafermitte und Waferrand dadurch verringert werden, dass die Waferrandregionen beim Aufheizvorgang schwächer aufgeheizt werden, als die Wafermitte, und während eines Steady-State-Prozessschritts stärker aufgeheizt werden, als die Wafermitte. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Abstrahlelemente (z. B. Punktlampen oder Stablampen) über und/oder unter dem Wafer zum Einsatz kommen, die am Waferrand anders angesteuert werden, als in der Wafermitte. Bei Stablampen muß aus Symmetriegründen der Wafer während des Prozesses gedreht werden. Eine Anordnung von Stablampen oberhalb und unterhalb des Wafers mit optional zusätzlichen Stablampen an den Kammerseitenwänden kann beispielsweise in mehrere Lampengruppen eingeteilt werden, von denen ein Teil mehr die Wafermitte bestrahlt, und ein anderer Teil mehr für die Waferrandbereiche zuständig ist. Die zusätzliche Verwendung eines Waferrings zur weiteren Reduzierung des thermischen Gradienten ist ebenfalls denkbar. Aktuell wird das Problem des sich zwischen Waferrand und Wafermitte ausbildenden thermischen Gradienten durch eine Kombination von Waferring, rotierendem Wafer, und gruppenweiser Ansteuerung der (stabförmigen) Aufheizelemente gelöst. Dies ist einerseits technisch aufwendig, andererseits zeigt die Anwendung in der Praxis, dass während der Steady-State-Phase eines Prozesses die äußeren Lampen bei thermischen Prozessen, die hohe Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erfordern, oft an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden müssen, während die inneren, mehr über und/oder unter der Wafermitte angeordneten Lampenbänke mit weniger als halber Lampenleistung zum thermischen Prozess beitragen, um den thermischen Gradienten hinreichend gut zu kompensieren. Dies hat den Effekt einer erschwerten Temperaturregelung zur Folge. Bei schnellen dynamischen Prozessen, die nur wenige Sekunden dauern, tritt in Verbindung mit stabförmigen Aufheizelementen darüber hinaus das Problem auf, dass das Halbleitersubstrat nicht schnell genug gedreht werden kann, um die erforderliche thermische Homogenität über der Halbleiterscheibe während sämtlicher Phasen des thermischen Prozesses zu gewährleisten.
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Aus der
US 2005/0 272 228 A1 ist ferner eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleitersubstraten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Mithin zeigt sie eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleitersubstraten, mit einem Prozessraum, der von zum Halbleitersubstrat im Wesentlichen parallelen ersten Wänden, und wenigstens einer seitlichen, mit den ersten Wänden verbundenen zweiten Wand begrenzt ist, einer im Prozessraum angeordneten Substrathalteeinrichtung, die einen Substrataufnahmebereich für ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat im Prozessraum definiert, Aufheizelementen, die im Prozessraum zwischen wenigstens einer der ersten Wände und dem Substrataufnahmebereich angeordnet sind, und wenigstens einer Blende zwischen dem Substrataufnahmebereich und den Aufheizelementen, die die von den Aufheizelementen in Richtung des Substrataufnahmebereichs emittierte Strahlung begrenzt.
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Ferner zeigt die
DE 198 52 321 A1 eine optische Strahlungs-Messvorrichtung innerhalb einer RTP-Kammer, bei der ein fächerförmiger Kanalkörper vorgesehen ist, um die Strahlung einzelner Strahlungsquellen ermitteln zu können.
US 2002/0 068 422 A1 zeigt einen Substrathalter aus Quarz, das im Wesentlichen für die Strahlung von Aufheizelementen transparent ist. Aus der
US 5 762 713 A ist ein RTP-Lampendesign bekannt. Die
DE 199 52 017 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten mit einem kippbaren Kompensationsring, der vorgesehen ist um über den eigentlichen Substratumfang hinaus eine im wesentlichen kontinuierliche Substratfläche zu simulieren und dadurch Randeffekt zu kompensieren. Aus der
JP S63-227014 A ist ebenfalls eine Lampenheizung für eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Halbleitersubstraten bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von scheibenförmigen Halbleitersubstraten, insbesondere Halbleiterwafern, bereitzustellen, die geeignet ist mit einfachen technischen Mitteln den in Schnellheizsystemen auftretenden thermischen Gradienten zwischen Halbleitersubstratrand und Halbleitersubstratmitte effektiv zu kompensieren.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Insbesondere ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Blende auf ihrer dem Substrataufnahmebereich zugewandten Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist, so dass ein Teil der vom äußeren Bereich des Halbleitersubstrats emittierten Strahlung auf den äußeren Bereich des Halbleitersubstrats zurückreflektiert wird. Dies ist besonders im Hinblick auf die Abkühlphase von Vorteil, da damit der Tendenz entgegengewirkt wird, dass sich die Randbereiche des Halbleitersubstrats schneller abkühlen als der mittlere Bereich des Substrats. Durch die Reflektion an der Blende wird vom Halbleitersubstrat emittierte Strahlung insbesondere auf den äußeren Bereich desselben rückreflektiert, so dass der Außenbereich des Substrats weniger schnell und Idealerweise in gleicher Weise abkühlt wie der mittlere Bereich des Substrats. Ferner ist die Blende im Strahlengang zwischen den Aufheizelementen und dem Substrataufnahmebereich so angeordnet, dass ein oder mehrere Wandabschnitte auf der wenigsten einen zweiten Wand zwischen dem Substrataufnahmebereich und der Blende zumindest teilweise von der die Blende in Richtung Substrataufnahmebereich passierenden direkten Strahlung der Aufheizelemente abgeschirmt ist. Dadurch wird der Tendenz einer zu schnellen Aufheizung der Außenbereiche des Substrats im Vergleich zu dem mittleren Bereich entgegengewirkt. Die Blende an sich bewirkt eine seitliche Begrenzung der Strahlung, die auf den Substrataufnahmebereich und damit auf das Halbleitersubstrat gerichtet ist. Dies ermöglicht es die Strahlintensität auf einfache Weise so einzustellen, dass eine möglichst gleichmäßige Aufheizung des Halbleitersubstrats erreicht wird.
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Vorteilhafterweise ist die Blende mit wenigstens einer der zweiten Wände fest verbunden, so dass die Blende in den Prozess hineinragt und dadurch eine Blendenöffnung bildet, mit der die auf das Halbleitersubstrat fallende Strahlung begrenzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist nicht nur auf einer Seite des Substrataufnahmebereichs und damit des aufzuheizenden Halbleitersubstrats eine Blende vorgesehen, sondern auch auf der gegenüberliegenden Seite, so dass die Strahlung auch auf der anderen Seite des Halbleitersubstrats entsprechend begrenzt wird, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn auf beiden Seiten Aufheizelemente zum Aufheizen des Halbleitersubstrats vorgesehen sind. Die Blende weist vorzugsweise eine runde Blendenöffnung und gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung eine solche Form auf, damit der Rand der Blendenöffnung der äußeren Begrenzung des scheibenförmigen Halbleitersubstrat entspricht, bzw. ähnlich und/oder konzentrisch ist.
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Vorzugsweise ist die Blende oder wenigstens eine der Blenden für die von den Aufheizelementen abgegebene Strahlung undurchlässig. Vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der wenigstens eine der Blenden so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass zwischen der Blende und dem Substrataufnahmebereich ein umlaufender Prozessraum-Bereich zwischen der wenigstens einen zweiten Wand und dem Substrataufnahmebereich nicht von der direkten Strahlung der Aufheizelemente erreichbar ist.
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Insbesondere im Zusammenhang mit den zuvor genannten Merkmalen der Abschirmung eines Wandbereichs und eines umlaufenden Prozessraum-Bereichs, aber auch unabhängig hiervon ist es vorteilhaft, wenn der Wandabschnitt bzw. dessen dem Prozessraum zugewandte Oberfläche aus einem reflektierenden Material besteht oder mit einem solchen beschichtet ist. Dadurch ergibt sich wiederum während der Abkühlphase eine bezüglich des Substrat-Mittelbereiches verzögerte Abkühlung, weil die vom Substrat und insbesondere dessen Randbereichen abgegebene Strahlung teilweise an dem reflektierenden Material auf die Randbereiche des Substrats zurückreflektiert wird. Vorzugsweise ist die Blendenöffnung so gewählt, dass die durch sie hindurchtretende, von den Aufheizelementen abgegebene Strahlung auf ein im Substrataufnahmebereich angeordnetes Halbleitersubstrat auftrifft und erst die an ihm reflektierte und/oder durch das Substrat transmittierte Strahlung auf die Kammerwände auftrifft und dort reflektiert wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Blende einen umlaufenden reflektierenden Bereich auf ihrer dem Substrataufnahmebereich zugewandten Seite auf. Dies verringert wiederum die zu starke Abkühlung der Randbereiche während der Abkühlphase, weil durch den reflektierenden Randbereich der Blende Strahlung auf die Randbereiche des Substrats zurückreflektiert wird und dessen Abkühlung verzögert. Vorzugsweise weist der umlaufende reflektierende Bereich der Blende eine für optische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 50 nm und 3000 nm diffuse Reflexion auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Innenwände des Prozessraums wenigstens auf Teilen ihrer Oberflächen mit einer metallischen, reflektierenden Schicht versehen oder bestehen aus metallischen, reflektierenden Materialien, die optische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 500 nm und 3000 nm diffus reflektieren. Die zum Aufheizen eines Substrats erforderliche Energie und/oder die für den Aufheizvorgang erforderliche Zeit kann dadurch verringert werden.
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Vorteilhafterweise besteht die Blende aus Aluminium, das eine gute Reflexion in dem genannten Wellenlängenbereich bietet. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, auf der zum Substrataufnahmebereich hinweisenden Oberfläche der Blende entlang ihres Umfangs Oberflächenelemente vorzusehen, die vom Substrataufnahmebereich unterschiedlich weit beabstandet sind. Dadurch ist es möglich, lokal unterschiedliche Reflexionsbereiche zu schaffen und dementsprechend lokal unterschiedliche Aufheiz- und Abkühl-Gegebenheiten zu ermöglichen. Darüber hinaus können damit Einflüsse des in der Seitenwand angeordneten Türschachts, durch welchen der Prozessraum be- oder entladen wird, kompensiert werden.
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Die Aufheizelemente sind vorzugsweise Halogenlampen und/oder Bogenlampen, wobei diese beispielsweise Stablampen sind, deren Längsachsen im Wesentlichen parallel zur inneren Oberfläche wenigstens einer der ersten Wände angeordnet sind. Die Aufheizelemente sind dabei oberhalb und/oder unterhalb des Substrataufnahmebereichs angeordnet. Vorzugsweise ist die Substrathalteeinrichtung drehbar im Prozessraum angeordnet, um gleichmäßige Aufheiz- und Abkühlverhältnisse zu schaffen.
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Der Wandabschnitt umschließt den Substrataufnahmebereich vorzugsweise zumindest stückweise kreisförmig. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass der Wandabschnitt den Substrataufnahmebereich umschließt und eine Querschnittsfläche aufweist, deren äußere Begrenzung der äußeren Begrenzung des Halbleitersubstrats entspricht. Dadurch wird wiederum eine gleichmäßigere Aufheizung und Abkühlung im Randbereich des Substrats erreicht. Dieser Vorteil kann auch durch die Ausführungsform der Erfindung erreicht oder noch verbessert werden, wonach der Abstand zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Wandabschnitt mindestens 70% und höchstens 130% des Abstands zwischen Halbleiterelement und der einen ersten Wand beträgt.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, den Abstand der Blende zum Substrataufnahmebereich einstellbar zu gestalten. Eine Einstellung der Blendenöffnung beispielsweise mittels eines verschlußartigen Blendenrands, ist insbesondere dann sehr vorteilhaft, wenn die Radien oder Abmessungen der zu behandelnden Halbleitersubstrate unterschiedlich sind, oder wenn die Aufheizung und Abkühlung der Substrate über die Substratfläche hinweg, beispielsweise bei unterschiedlicher Aufheizung oder Abkühlung des Randbereichs des Substrats gegenüber seinem Mittelbereich, unterschiedlich vorgenommen werden soll.
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Vorteilhafterweise weist die Blende eine Kühlung auf, um ein zu starkes Aufheizen der Blende während der Bestrahlung durch die Aufheizelemente zu verhindern. Vorteilhaft ist weiterhin die Anbringung einer Quarzplatte zwischen dem Substrataufnahmebereich und den Aufheizelementen im Prozessraum. Auch weisen die dem Prozessraum zugewandten Seiten der ersten Wände vorzugsweise wenigstens eine absorbierende und/oder wenigstens eine weitere, reflektierende Oberfläche auf.
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Im folgenden werden einige Bezeichnungen definiert:
Eine Oberfläche wird als ”reflektierend” bezeichnet, wenn sie wenigstens 70% der auf sie auftreffenden Strahlung reflektiert.
Eine Oberfläche wird als ”hochreflektierend” bezeichnet, wenn sie wenigstens 90% der auf sie auftreffenden Strahlung reflektiert.
Eine Oberfläche wird als ”absorbierend” bezeichnet, wenn sie höchstens 30% der auf sie auftreffenden Strahlung reflektiert.
Eine Oberfläche wird als ”diffus reflektierend” bezeichnet, wenn sie die auf sie treffende Strahlung bei Wellenlängen von weniger als 3 μm streuend reflektiert.
Eine Achse/Ebene/Oberfläche wird als ”im wesentlichen parallel” zu einer anderen Achse/Ebene/Oberfläche bezeichnet, wenn sie mit der anderen Achse/Ebene/Oberfläche einen Schnittwinkel von weniger als 8 Grad aufweist.
Unter dem ”äußeren Bereich eines Halbleitersubstrats” soll der Teil eines Halbleitersubstrats verstanden werden, der sich außerhalb einer parallel zum Substratrand verlaufenden Linie befindet, deren überall gleicher Abstand zum Substratrand so bestimmt wird, dass der von der Linie umschlossene Bereich (der mittlere Bereich des Halbleitersubstrats) und der von der Linie ausgeschlossene Bereich des Halbleitersubstrats etwa die gleiche Oberflächengröße aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dem Fachmann sind jedoch Ausgestaltungen und Abwandlungen der Beispiele, sowie Kombinationen der offenbarten Ausführungsformen möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere auch im Zusammenhang mit anderen Einsatzgebieten oder Verfahren, als den hier beschriebenen mit Vorteil einsetzbar.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Ausführung einer thermischen Prozesskammer zur schnellen thermischen Behandlung von Halbleitersubstraten im Querschnitt.
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2a den Querschnitt einer herkömmlichen thermischen Prozesskammer in der Draufsicht durch die obere Lampenanordnung hindurch.
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2b die erfindungsgemäße Ausführung der thermischen Prozesskammer von 1 in der Draufsicht entlang der Schnittlinie A---A.
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1 zeigt die Prozesskammer 1 eines Schnellheizsystems zur thermischen Behandlung von Halbleiterwafern im Querschnitt. In der Prozesskammer 1 befindet sich der Prozessraum 3, 5, 7 bestehend aus einem oberen Lampenraum 3, einem unteren Lampenraum 5 und einem Reaktionsraum 7. Oberer und unterer Lampenraum weisen jeweils eine Reihe von Aufheizelementen 9, 11 auf, welche vorzugsweise stabförmig ausgeführt sind, aber auch als Punktlampen oder Flächenstrahlelemente ausgeführt sein können. Die Aufheizelemente sind vorzugsweise Halogenlampen und/oder Bogenlampen. Der Reaktionsraum 7 weist eine Substrathalteeinrichtung 13 auf, welche einen Substrataufnahmebereich 15 definiert, in welchen ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat, wie beispielsweise ein Siliziumwafer durch einen Türschacht 17 aufgenommen werden kann. Im Reaktionsraum können Gaseinlässe und Gasauslässe (nicht eingezeichnet) angeordnet sein, durch welche Prozessgas auf das Halbleitersubstrat geleitet werden kann. Oberer und unterer Lampenraum können vom Reaktionsraum 7 durch in der Prozesskammer 1 angeordnete transparente Elemente 19, 21 aus beispielsweise Quarzglas oder Saphir getrennt sein. Die transparenten Elemente können Bereiche aufweisen, die opak sind, so dass hindurchtretendes Licht gestreut wird, sowie Bereiche aufweisen, bei der die hindurchtretende Strahlung nicht gestreut wird. Der Prozessraum wird von ersten Wänden 23, 25, beispielsweise einer oberen Lampenplatte 23 und einer unteren Lampenplatte 25 in seiner Höhe begrenzt. Seitlich wird der Prozessraum von zweiten Wänden 27, 29, den Seitenwänden begrenzt, wobei die Seitenwand 29 die Öffnung 17 zum Be- und Entladen der Reaktionskammer aufweist. Erste und zweite Wände können Bereiche auf ihren dem Prozessraum 3, 5, 7 zugewandten Oberflächen aufweisen, die absorbierend sind, sowie Bereiche die reflektierend sind, wobei die reflektierenden Bereiche hochreflektierende Teilbereiche aufweisen können. Die reflektierenden Oberflächen können so beschaffen sein, dass sie eine diffuse Reflexion aufweisen oder glanzreflektierend sind. Die Wände sind gekühlt, vorzugsweise mit einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser. Sie sind aus Metall, wie beispielsweise Edelstahl, Kupfer, Kupferberyllium, Aluminium oder Messing gefertigt und können reflektierende Oberflächen aus vorzugsweise Gold oder Aluminium aufweisen. Sie können aber auch mit einer keramischen oder nichtmetallischen Beschichtung versehen sein.
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Im Prozessraum, vorzugsweise in thermischem Kontakt mit den Seitenwänden 27, 29 und/oder mechanisch fest mit ihnen verbunden, befinden sich Blenden 31, 32, die vorzugsweise zwischen den Aufheizelementen 9, 11 und den transparenten Elementen bzw. Bereichen 19, 21 angeordnet sind, die aber alternativ auch im Reaktionsraum 7 zwischen den transparenten Elementen 19, 21 und dem Substrataufnahmebereich 15 angeordnet sein können. Die Blenden sind vorzugsweise aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium gefertigt und können mit einer eigenen Kühlung, beispielsweise einer Wasserkühlung versehen sein. Die Blenden können eine Anschrägung in Richtung des Substrataufnahmebereichs aufweisen. Teilbereiche, vorzugsweise umlaufende Teilbereiche der dem Substrataufnahmebereich zugewandten Oberflächen der Blenden sind reflektierend, insbesondere hochreflektierend und/oder diffus reflektierend ausgebildet. Die Blendenöffnung kann kreisförmig sein, wenn beispielsweise Halbleiterwafer oder scheibenförmige runde Halbleitersubstrate prozessiert werden. Vorzugsweise hat die Blendenöffnung die gleiche Form wie das zu prozessierende Halbleitersubstrat, ist also beispielsweise bei rechteckigen Halbleitersubstraten rechteckig, bei quadratischen Halbleitersubstraten quadratisch ausgebildet, wobei vorteilhafterweise die äußeren Begrenzungslinien des Halbleitersubstrats und die Umrißlinie der Blendenöffnung zueinander im wesentlichen parallel sind. Die Blendenöffnung kann beispielsweise einstellbar, auch während eines Prozesses einstellbar ausgeführt sein.
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Der Abstand zwischen Blende und Substrataufnahmebereich kann ebenfalls einstellbar, insbesondere auch während eines thermischen Prozesses einstellbar ausgeführt sein, um einen individuell auf das thermisch zu behandelnde Halbleitersubstrat abgestimmten thermischen Prozess zu bekommen. Waferscheiben können beispielsweise in ihren äußeren Randbereichen andere optische Eigenschaften aufweisen, als in den mittleren Bereichen. So weisen beispielsweise strukturierte Halbleiterwafer in den Randbereichen, in denen sich keine Chipstrukturen mehr befinden, häufig eine höhere Reflektivität für optische Strahlung auf, als in den anderen Bereichen. Dies hat zur Folge, dass der äußere Rand bei homogener Strahlung schwächer aufgeheizt wird, als die anderen Bereiche des Halbleitersubstrats. Dies führt zu einem scheibenindividuellen Temperaturgradienten zwischen Waferrand und Wafermitte. Ein solcher Gradient kann durch Einsatz einer in ihrem Abstand zum Substrataufnahmebereich beweglich angeordneten Blende kompensiert werden. So kann durch Bewegung der Blende auf das Halbleitersubstrat hin beispielsweise eine Fokussierung der Reflexion der vom Halbleitersubstratrand abgestrahlten Energie auf einen schärfer umgrenzten Randbereich des Halbleitersubstrats hin erzielt werden.
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Die nach innen gerichteten Oberflächen der Seitenwände 27, 29 weisen Bereiche 35, 36 auf, die zwischen ersten Wänden 23, 25 und Blenden 31, 32 angeordnet sind, sowie Bereiche 38, 39, die zwischen Blenden und Substrataufnahmebereich angeordnet sind, jedoch nicht notwendigerweise den Seitenwandabschnitt zwischen Blende und Substrataufnahmebereich in seiner gesamten Höhe erfassen müssen. Die Bereiche 38, 39 können einen kreisförmigen, oder stückweise kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wenn beispielsweise runde Halbleitersubstrate wie z. B. Siliziumhalbleiterwafer thermisch behandelt werden sollen. Die Seitenwände können in den Bereichen 38, 39 beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein, oder entlang ihrer zum Querschnitt senkrechten Flächen in den Bereichen um das Halbleitersubstrat herum eine Wölbung nach außen aufweisen. Die Bereiche 38, 39 weisen jedoch vorzugsweise um das Halbleitersubstrat herum eine Querschnittsfläche auf, die der Fläche des scheibenförmigen Halbleitersubstrats ähnlich ist, also beispielsweise bei rechteckigen Halbleitersubstraten eine rechteckige, bei quadratischen Halbleitersubstraten eine quadratische Querschnittsfläche. Das Halbleitersubstrat wird vorteilhafterweise so im Substrataufnahmebereich 15 des Reaktionsraums 7 angeordnet, dass die äußeren Begrenzungslinien des Halbleitersubstrats und die Bereiche 38, 39 der Oberflächen der Seitenwände 27, 28 zueinander im wesentlichen parallel sind, und im halben bis eineinhalbfachen, vorteilhafterweise etwa gleichen Abstand zum Halbleitersubstrat angeordnet sind, wie die ersten Wände. Besonders vorteilhafterweise werden die ersten und zweiten Wände in den Bereichen, die im direkten Sichtbereich des Halbleitersubstrats angeordnet sind, mit ähnlichen reflektierenden Eigenschaften versehen.
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2a zeigt den Querschnitt einer herkömmlichen thermischen Prozesskammer in Höhe des Substrataufnahmebereichs in der Draufsicht. Die darüber liegenden Aufheizelemente 9 sind schematisch dargestellt, um ihre Position über dem Halbleitersubstrat zu markieren. Im Substrataufnahmebereich 15 des Reaktionsraums 7 ist das scheibenförmige Halbleitersubstrat angeordnet. Die Seitenwände 27, 29 sind um das Halbleitersubstrat herum angeordnet mit rechtwinklig zueinander um den Substrataufnahmebereich 15 herum stehenden nach innen weisenden Seitenwandoberflächen 38, 39. Durch den Türschacht 17 an der Seitenwand 29 kann das Halbleitersubstrat in den Reaktionsraum 7 eingebracht bzw. daraus entnommen werden.
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2b zeigt die erfindungsgemäße Ausführung der thermischen Prozesskammer von 1 in der Draufsicht entlang der Schnittlinie A---A. Die Aufheizelemente 9 befinden sich oberhalb der Schnittlinie und sind schematisch dargestellt, um ihre Position über dem Halbleitersubstrat zu markieren. Im Substrataufnahmebereich 15 des Reaktionsraums 7 ist das scheibenförmige Halbleitersubstrat angeordnet und von einer sich um das Substrat herum erstreckenden Seitenwand 27, 29 mit kreisförmigem Querschnitt, deren Rundung nur durch den Türschacht 17 unterbrochen ist, umgrenzt. Das Halbleitersubstrat kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung mit einer geringeren Anzahl von Aufheizelementen aufgeheizt werden, als in der in 2a dargestellten Ausführung. Die in der Draufsicht schematisch dargestellte untere Blende 32 unterhalb des Substrataufnahmebereichs ist mit der Seitenwand 27, 29 verbunden.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Vorrichtung erläutert:
Nachdem ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat (Wafer) durch den Türschacht 17 in den Substrataufnahmebereich 15 gelegt worden ist, wird der Türschacht verschlossen. Der Wafer wird nun durch die Aufheizelemente 9, 11 erwärmt. Dabei wird die direkte Strahlung der Aufheizelemente in Richtung auf die Seitenwandoberflächen 38, 39 durch die Blenden 31, 32 seitlich so begrenzt, dass die auf die Seitenwandoberflächen 38, 39 direkt emittierte Strahlung stark reduziert wird. Dies bewirkt, dass der Anteil der Strahlung, die von den Aufheizelementen an den Seitenwandoberflächen 38, 39 in Richtung auf den Waferrand reflektiert wird, nur sehr gering ist, was zur Folge hat, dass der Waferrand während der Aufheizphase etwa die gleiche Strahlungsenergie erhält, wie die Wafermitte und somit am Rand während der Aufheizphase etwa die gleiche Temperatur aufweist, wie in der Wafermitte. Somit kann der bei Aufheizvorgängen auftretende unerwünschte Effekt eines gegenüber der Wafermitte heißeren Waferrands durch den Einsatz einer Blende zwischen Aufheizelementen und Substrataufnahmebereich vermieden werden.
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Während der Steady-State- und der anschließenden Abkühlphase des Halbleitersubstrats werden die Aufheizelemente zurückgeregelt oder vollkommen ausgeschaltet, so dass in diesen Phasen die thermische Strahlung des Halbleitersubstrats gegenüber der Strahlung der Aufheizelemente dominiert. Dies hat zur Folge, dass die thermische Strahlung des aufgeheizten Halbleitersubstrats, die von den Halbleitersubstraträndern in Richtung der Seitenwandoberflächen 38, 39 sowie in Richtung auf die zum Halbleitersubstrat hin gerichteten Oberflächen der Blenden 31, 32 abgestrahlt wird, wieder auf die Randbereiche des Halbleitersubstrats zurückreflektiert wird. Dies bewirkt, dass die vom Waferrand emittierte Strahlung den Waferrand während des Abkühlvorgangs mit etwa der gleichen Abkühlrate abkühlt, wie die Wafermitte. Dies hat zur Folge, dass der Waferrand während der Abkühlphase etwa die gleiche Temperatur aufweist, wie die Wafermitte. Somit kann der bei Abkühlvorgängen üblicherweise auftretende unerwünschte Effekt eines gegenüber der Wafermitte kälteren Waferrands durch den Einsatz einer zwischen Aufheizelementen und Substrataufnahmebereich angeordneten Blende mit einer zum Substrataufnahmebereich hin gerichteten reflektierenden Oberfläche vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prozesskammer
- 3
- oberer Lampenraum
- 5
- unterer Lampenraum
- 7
- Reaktionsraum
- 9
- Aufheizelemente
- 11
- Aufheizelemente
- 13
- Substrathalteeinrichtung
- 15
- Substrataufnahmebereich
- 17
- Türschacht
- 19
- transparentes Element
- 21
- transparentes Element
- 23
- obere Lampenplatte
- 25
- untere Lampenplatte
- 27
- Seitenwand
- 29
- Seitenwand
- 31
- Blende
- 32
- Blende
- 35
- Bereich der Seitenwand
- 36
- Bereich der Seitenwand
- 38
- Bereich der Seitenwand
- 39
- Bereich der Seitenwand
