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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, mit einem gegenüber Wärmestrahlung im Wesentlichen transparenten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten und einem das Prozessrohr radial umgebenden Widerstandsheizelement.
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In der Halbleitertechnik sind unterschiedlichste Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Halbleitersubstraten bekannt, die einerseits einzelne Wafer thermisch behandeln oder Chargen von Halbleitersubstraten. Bei Einzelbehandlungsvorrichtungen werden häufig Strahlungsquellen, wie Halogen- oder Bogenlampen zur thermischen Behandlung der Halbleitersubstrate eingesetzt. Bei einer thermischen Behandlung einer Charge von Halbleiterwafern werden hingegen in der Regel Widerstandsheizelemente aus Metall eingesetzt.
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Um die Charge an Halbleiterwafern oder anderem thermisch zu behandelnden Material, wie zum Beispiel Kristallen, Keramiken, Sinterwerkstoffen, Glas etc., gegenüber dem metallischen Widerstandsheizelement zu schützen, sind sie in der Regel in einem Prozessrohr aus beispielsweise Quarzglas, Siliziumkarbid oder einem Borosilicatglas 3.3, wie Duran® der DURAN Group GmbH, aufgenommen. Darüber hinaus kann in dem Prozessrohr eine gewünschte Prozessgasatmosphäre kontrolliert eingestellt werden.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass metallische Widerstandsheizelemente metallische Verunreinigungen in die Umgebung abgeben. Diese können insbesondere bei hohen Temperaturen über die Zeit hinweg durch das Prozessrohr hindurch diffundieren und unerwünschte Verunreinigungen der Halbleitersubstrate hervorrufen. Es ist daher bekannt, doppelwandige Prozessrohre mit einem Innenrohr und einem Außenrohr vorzusehen, die dazwischen einen Spalt bilden, der mit einem Gas gespült werden kann. Eine solche Aufteilung des Prozessrohrs verringert zwar die Gefahr, dass Metalle durch die zwei Prozessrohre hindurch in den inneren Prozessraum diffundieren, führt jedoch zu einem teuren Aufbau des Prozessrohrs. Darüber hinaus wird durch das Vorsehen dieser zwei Prozessrohre das metallische Widerstandsheizelement weiter von den zu prozessierenden Halbleitersubstraten entfernt, wodurch sich eine ineffizientere Aufheizung derselben ergibt.
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Aus der
US 2007 0 215 596 A1 ist eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Substraten, mit einem Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten und mit einem das Prozessrohr radial umgebenden Widerstandsheizelement aus einem metallfreien Werkstoff bekannt. Bei dem Widerstandsheizelement handelt es sich um ein metallfreies Grundsubstrat insbesondere aus Graphit, das von einem dielektrischen, isolierenden Material eingekapselt ist.
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Die
US 2008 0 092 812 A1 zeigt eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung einzelner Wafer mit ober- und unterhalb eines Prozessraums zur Aufnahme eines einzelnen Wafers angeordneten Heizelementen. Die Heizelemente können unter anderem als metallfreie, streifenförmige Widerstandsheizelemente aus Graphit ausgebildet sein, die mit einer Siliziumkarbidschicht überzogen sind.
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Aus der
DE 10 2007 047 330 A1 ist eine Heizeinrichtung für eine Vakuumanlage bekannt, die streifenförmige Widerstandsheizelemente, beispielsweise aus CFC, einsetzt, um eine Wärmespeichereinrichtung so aufzuheizen, das sie in Randbereichen eine höhere Wärmeleistung abgeben kann als in sonstigen Bereichen.
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Ferner sei auf die
GB 908 667 A hingewiesen, die eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, mit einem Prozessbehälter zur Aufnahme eines Substrats, einer Substrataufnahme im Prozessbehälter und einem die Substrataufnahme radial umgebenden Widerstandsheizelement aus Graphit innerhalb des Prozessbehälters zeigt. Das Widerstandsheizelement besitzt eine Rohrform mit einer Vielzahl von Einschnitten zur Bildung eines nicht-linearen Strompfades zwischen Kontaktpunkten für eine elektrische Kontaktierung des Widerstandsheizelements.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine Vorrichtung des eingangs genannten Typs vorzusehen, die wenigstens einen der zuvor genannten Nachteile beseitigt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten mit einem Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Halbleitersubstraten, einem das Prozessrohr radial umgebenden Widerstandsheizelement und einem Gehäuse vorgesehen, das das Widerstandsheizelement gasdicht umgibt und gegenüber der Umgebung isoliert. Das Widerstandsheizelement besteht aus einem metallfreien Werkstoff und weist eine Rohrform mit wenigstens einem Einschnitt auf, wobei der wenigstens eine Einschnitt so angeordnet ist, dass er einen linearen Strompfad zwischen Kontaktpunkten für eine elektrische Kontaktierung des Widerstandsheizelement unterbindet und somit wenigstens ein nicht-linearer Strompfad gebildet wird. Die Vorrichtung weist ferner Mittel zum Erzeugen eines Vakuums oder einer Schutzgasatmosphäre in dem Gehäuse auf.. Durch Vorsehen eines metallfreien Werkstoffs für das Widerstandsheizelement kann die Gefahr der Diffusion von Metallen in den Prozessraum innerhalb des Prozessrohrs verhindert werden. Dieses kann wiederum aufgrund der nun nicht mehr bestehenden Gefahr optional einwandig ausgebildet werden, wodurch das Widerstandsheizelement näher zu den Halbleitersubstraten platziert werden kann. Die spezielle Form erlaubt auch eine nähere Anordnung an die Substrate und ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung derselben innerhalb des Prozessrohrs. Das Gehäuse schützt die Umgebung gegenüber der Heizleistung des Widerstandsheizelements und das Widerstandsheizelement gegenüber der Umgebung. Durch die Mittel zum Erzeugen eines Vakuums oder einer Schutzgasatmosphäre in dem Gehäuse kann das Widerstandsheizelement aus metallfreiem Werkstoff gegenüber Sauerstoff geschützt werden. In einer sauerstofffreien Atmosphäre besitzen manche solcher Werkstoffe eine thermische Stabilität in einem Temperaturbereich weit über 2000°C, was für die meisten thermischen Behandlungsschritte für Halbleitersubstrate mehr als ausreichend ist. In einer Sauerstoffatmosphäre sinkt diese thermische Stabilität jedoch wesentlich ab. Daher sollte das Widerstandsheizelement bei thermischen Behandlungen, die eine Temperatur erfordern, die oberhalb der thermischen Stabilität des Widerstandsheizelements in einer Sauerstoffatmosphäre liegt, in einer sauerstofffreien Atmosphäre oder auch im Vakuum gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Widerstandsheizelement wenigstens eines der folgendes Materialien auf: Graphit, Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) und SiC. Diese Materialien lassen sich mit hoher Reinheit in einer beliebigen Form herstellen, und sind sehr temperaturbeständig. Sie besitzen jeweils einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber metallischen Elementen, so dass sie eine große Formstabilität besitzen und somit viele thermische Zyklen durchlaufen können. Als Heißleiter erlauben sie hohe Aufheizraten schon bei geringen Temperaturen und selbst bei geringen Spannungen. Darüber hinaus besitzen diese Materialien gegenüber Metallen eine geringere Dichte, so dass sie bei vergleichbaren Strukturen eine geringere thermische Masse aufweisen, wodurch weniger Energie zum Aufheizen und Kühlen derselben notwendig ist. Insbesondere lassen sich auch schnellere Heiz- und Kühlraten erreichen. Dies kann speziell bei PV Anlagen (PECVD/POCI3) zu einer Verringerung der Prozesszeit führen.
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Um die thermische Masse des Widerstandsheizelements zu verringern, ist es vorzugsweise als Folienheizelement ausgebildet. Als Folienheizelement ist hier ein flächiges Element mit einer geringen Dicke im Vergleich zur Breite und Länge desselben gemeint. Unter einem flächigen Element mit einer geringen Dicke soll im Folgenden ein Flächiges Element verstanden werden, dessen Dicke maximal 10 Prozent seiner Breite und Länge beträgt. Vorzugsweise beträgt die Dicke des flächigen Elements jedoch weniger als 3% seiner Breite und Länge. Das Folienheizelement kann z. B. aus einem CFC-Formteil (Platte, Rohr ...) mit geringer Wandstärke oder in Form gebrachter Graphitfolie gefertigt sein. Für einen möglichst guten und gleichmäßigen Wärmeeintrag umgibt das Widerstandsheizelement das Prozessrohr über seine Längserstreckung im Wesentlichen vollständig. Als im Wesentlichen vollständig wird hier ein Bereich von größer 80%, bevorzugt größer 90% radialer Abdeckung bezeichnet.
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Das Prozessrohr kann beispielsweise aus Glas, insbesondere Quarzglas oder Borosilicatglas 3.3 wie zum Beispiel Duran®, oder SiC oder Graphit bestehen, welche jeweils eine hohe Reinheit aufweisen und die erforderliche thermische Stabilität besitzen können.
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Vorzugsweise besteht das Widerstandsheizelement aus einem Material, das bis zu einem ersten Temperaturbereich ein Heißleiter-Verhalten zeigt, und über dem ersten Temperaturbereich ein Kaltleiter-Verhalten zeigt. Dies ermöglicht eine effiziente und rasche Aufheizung des Widerstandsheizelements bei niedrigen Temperaturen und geringen Spannungen. Das Ändern des Verhaltens verhindert, dass das Widerstandsheizelement primär entlang eines schmalen Strompfades lokal aufgeheizt wird, und sorgt daher für eine verbesserte Temperaturverteilung innerhalb des Widerstandsheizelements. Vorzugsweise ist der erste Temperaturbereich niedriger oder gleich einem Temperaturbereich, bei dem das Widerstandsheizelement üblicherweise betrieben wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Prozessrohr für Wärmestrahlung des Widerstandsheizelements im Wesentlichen transparent.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine perspektivische Schnittansicht einer Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Halbleitersubstraten;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Widerstandsheizelement, das in der Vorrichtung gemäß 1 eingesetzt ist;
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3A–C unterschiedliche Ausführungsformen von Widerstandsheizelementen, die in der Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Halbleitersubstraten gemäß 1 eingesetzt werden können.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Begriffe, wie oben, unten, rechts und links beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht einschränkend zu sehen, obwohl sie eine bevorzugte Ausrichtung darstellen können.
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1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer Heizvorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Substraten 2. Die Heizvorrichtung 1 besteht aus einem Prozessrohr 4, einem Widerstandsheizelement 6, sowie einem Gehäuse 8.
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Das Prozessrohr 4 ist beispielsweise in bekannter Weise ein Glasrohr, das beispielsweise aus Quarzglas oder Borsilicatglas 3.3, wie beispielsweise Duran® aufgebaut ist. Das Prozessrohr kann aber beispielsweise auch aus SiC oder Graphit bestehen. Das Prozessrohr 4 besitzt einen runden Querschnitt und ist an einem Ende 10 verschlossen, während das andere Ende offen sein kann, um zum Beispiel eine Charge von Halbleitersubstraten 2, die üblicherweise in einer entsprechenden Halterung vorgesehen sind, in das Prozessrohr 4 einführen und aus diesem entnehmen zu können. Im Nachfolgenden bezieht sich die Beschreibung auf die Behandlung von Halbleitersubstraten, obwohl auch andere Substrate in der Heizvorrichtung 1 behandelt werden können.
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Das offene Ende des Prozessrohrs 4 kann in geeigneter Weise während einer thermischen Behandlung verschlossen werden. Ferner können Zu- und/oder Ableitungen für Prozessgase vorgesehen sein, um im Inneren des Prozessrohrs 4 eine gewünschte Prozessgasatmosphäre einstellen zu können.
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Das Prozessrohe 4 ist benachbart zu dem geschlossenen Endbereich 10 radial von dem Widerstandsheizelement 6 umgeben. Dabei erstreckt sich das Widerstandsheizelement 6 über einen Längenbereich des Prozessrohrs 4, in dem die Charge von Halbleitersubstraten während der thermischen Behandlung aufgenommen wird.
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Das Widerstandsheizelement 6, das in perspektivischer Ansicht in 2 zu erkennen ist, besteht aus einem geeigneten, metallfreien Material, wie beispielsweise Graphit, kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC), SiC oder einem anderen geeigneten metallfreien Material. Dabei ist wichtig, dass das gewählte Material eine für die thermische Behandlung von Halbleitersubstraten ausreichende thermische und mechanische Stabilität besitzt, d. h. dass es bei der erforderlichen Prozesstemperatur noch immer mechanisch stabil ist. Obwohl das Widerstandsheizelement als ein einzelnes Element dargestellt ist, kann es auch mehrteilig ausgebildet sein. Es könnten auch mehrere der dargestellten Widerstandsheizelemente 6 in Axialrichtung benachbart vorgesehen sein. Hierdurch könnten mehrere Heizzonen über die Länge des Prozessrohrs hinweg vorgesehen werden.
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Wie in 2 zu erkennen ist, besitzt das Widerstandsheizelement 6 eine Rohrform, in der Einschnitte 12 vorgesehen sind. An den entgegen gesetzten Endbereichen des Widerstandsheizelements 6 ist jeweils ein Kontaktelement 14 vorgesehen, um eine elektrische Kontaktierung des Widerstandsheizelements 6 zu ermöglichen.
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Die Einschnitte 12 sind in Längsrichtung des Widerstandsheizelements 6 zwischen den Kontaktelementen 14 vorgesehen, und sind so angeordnet, dass ein nicht-linearer Strompfad zwischen den Kontaktpunkten der Kontaktelemente 14 vorgesehen wird. Die Einschnitte sollten dabei so angeordnet sein, dass während des Betriebs Strom durch große Bereiche des Widerstandsheizelements strömt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen.
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Der Innendurchmesser des Widerstandsheizelements 6 ist so bemessen, dass das Prozessrohr 4 darinnen aufgenommen werden kann, wie in 1 zu erkennen ist. Dabei sollte das Widerstandsheizelement 6 so bemessen sein, dass nur ein geringer Spalt zwischen dem Prozessrohr 4 und dem Widerstandsheizelement 6 gebildet wird. Dieser sollte einen mechanischen Kontakt zwischen Prozessrohr 4 und Widerstandsheizelement 6 verhindern und gleichzeitig eine gute Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und/oder Konvektion dazwischen ermöglichen.
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Die Dicke des Widerstandsheizelements 6 ist im Vergleich zu den Breiten- und Längenabmessungen des Widerstandsheizelements 6 sehr dünn gewählt, so dass das Widerstandsheizelement 6 insgesamt als Folienheizer bezeichnet werden kann. Die Dicke sollte so gewählt werden, dass eine ausreichende mechanische Stabilität des Widerstandsheizelements 6 erreicht wird.
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Wie in 1 zu erkennen ist, umgibt das Widerstandsheizelement 6 das Prozessrohr 4 im Wesentlichen vollständig über seine Länge hinweg in radialer Richtung. Eine radiale Abdeckung ist nur im Bereich der Einschnitte 12 nicht gegeben. Hierdurch ist ein guter und gleichmäßiger Wärmeeintrag in das Innere des Prozessrohrs 4 möglich. Es können aber, wie erwähnt, auch mehrere Heizelemente 6 vorgesehen sein, welche unterschiedliche Temperaturbereiche innerhalb des Prozessrohres 4 erzeugen können, oder eine Hauptheizung und jeweils eine stärkere Endheizung um Verluste an den Enden auszugleichen.
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Das Gehäuse 8 ist ebenfalls am Endbereich 10 des Prozessrohrs 4 vorgesehen. Das Gehäuse 8 umgibt das Widerstandsheizelement 6 vollständig, sowie einen Teil des Prozessrohrs 4. Das Gehäuse 8 besitzt eine Endwand 16, benachbart zu dem geschlossenen Ende 10 des Prozessrohrs 4, sowie eine entgegengesetzte Endwand 18. Die Endwand 18 besitzt eine Mittelöffnung zur Durchführung des Prozessrohrs 4, wie in 1 zu erkennen ist. Die Öffnung in der Endwand 18 ist so bemessen, dass das Prozessrohr 4 engpassend darin aufgenommen ist. Es können zwischen dem Prozessrohr 4 und der Endwand 18 Dichtmittel vorgesehen sein, um den Innenraum des Gehäuses 8 luftdicht abzuschließen. Zu dem Innenraum des Gehäuses 8 können nicht dargestellte Zu- bzw. Ableitungen vorgesehen sein, über die im Innenraum ein Vakuum und/oder eine bestimmte Gasatmosphäre, insbesondere eine Schutzgasatmosphäre eingestellt werden kann. Die Kontaktelemente 4 sind durch einen radialen Wandteil des Gehäuses 8 herausgeführt, und zwar wiederum in einer gasdichten Art und Weise, um die Gasatmosphäre innerhalb des Gehäuses 8 nicht zu beeinträchtigen.
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Das Gehäuse 8 ist aus einem geeigneten, vorzugsweise metallfreien Material, das einerseits eine thermische Isolierung des Widerstandsheizelements vorsehen kann, und ferner in der Lage ist, eine gewünschte Gasatmosphäre im Inneren zu halten. Der Innenraum kann mit geeignetem Isoliermaterial ausgekleidet sein.
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Die 3A bis C zeigen jeweils perspektivische Darstellungen von alternativen Konfigurationen für das Widerstandsheizelement 6. In den 3A bis C werden dieselben Bezugszeichen wie zuvor verwendet, sofern dieselben oder äquivalente Bauteile beschrieben werden.
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Das Widerstandsheizelement 6 gemäß 3A besitzt wiederum eine Rohrform, in der ein einzelner Einschnitt 12 vorgesehen ist. Der Einschnitt 12 erstreckt sich spiralförmig zwischen den Endbereichen des Widerstandsheizelements 6. An den Endbereichen ist jeweils wiederum ein Kontaktelement 14 vorgesehen. Durch den spiralförmigen Einschnitt 12 wird daher ein spiralförmiger Strompfad zwischen den Kontaktelementen 14 gebildet.
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Auch das Widerstandsheizelement 6 gemäß 3B besitzt im Wesentlichen eine Rohrform, in der größere Bereiche ausgenommen sind. Die Rohrform wird dabei durch streifenförmige sich längs erstreckende Segmente 20 gebildet, die in einer Umfangsrichtung der Rohrform benachbart liegen. Benachbarte Segmente sind jeweils an einem ihrer Enden über sich in Umfangsrichtung erstreckende Segmente 22 miteinander verbunden. Dabei sind die sich radial erstreckenden Segmente 22 jeweils abwechselnd an entgegengesetzten Endbereichen des Widerstandsheizelements 6 vorgesehen, um einen serpentinenartigen Aufbau der Segmente 20, 22 vorzusehen. Wiederum sind Kontaktelemente 14 vorgesehen, die bei dieser Ausführungsform jedoch an demselben Ende des Widerstandsheizelements 6 vorgesehen sind. Das Widerstandsheizelement ist bei 24 aufgeschnitten, um sicherzustellen, dass ein zwischen den Kontaktelementen 14 strömender Strom dem Serpentinenpfad folgt.
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3C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Widerstandsheizelements 6, das wiederum eine Rohrform bildet, in der Einschnitte 12 vorgesehen sind. In den Endbereichen sind wiederum Kontaktelemente vorgesehen. Die Einschnitte 12 sind derart angeordnet, dass zwischen den Kontaktelementen 14 zwei im Wesentlichen parallele und nicht lineare Strompfade gebildet werden.
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Im Nachfolgenden wird nunmehr der Betrieb der Heizvorrichtung 1 näher erläutert.
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Zunächst wird eine Charge von Halbleiterwafern 2 in das Prozessrohr 4 eingeführt, und in den Bereich des Widerstandsheizelements 6 gebracht. Anschließend wird das Prozessrohr 4 geschlossen und eine gewünschte Prozessgasatmosphäre darinnen eingestellt. Dann wird das Widerstandsheizelement 6 über die Kontaktelemente 4 mit Strom beaufschlagt, und auf eine gewünschte Prozesstemperatur aufgeheizt. Alternativ ist es auch möglich, dass das Widerstandsheizelement 6 schon vorab auf einer gewünschten Standby-Temperatur gehalten wird. Diese kann der Prozesstemperatur entsprechen oder auch darunter liegen. Die Temperatur des Widerstandsheizelements 6 kann beispielsweise über ein nicht dargestelltes Pyrometer abgetastet werden. Die oben genannten Materialien, insbesondere Graphit und CFC sind sogenannte Heißleiter, deren Widerstand mit ansteigender Temperatur zunächst absinkt. Daher ist es möglich, selbst bei geringen Spannungen, rasche Aufheizraten vorzusehen. Bei einer erhöhten Temperatur ändert sich dann üblicherweise die Heißleiter-Eigenschaft zu einer Kaltleiter-Eigenschaft. Durch die Materialwahl sind große Oberflächenbelastungen des Heizmaterials möglich, und sie weisen gegenüber metallischen Heizelementen eine geringere thermische Masse auf, was deren Aufheizung erleichtert. In dem Gehäuse 8 ist eine sauerstofffreie Gasatmosphäre eingestellt, entweder über ein Vakuum und/oder Einleitung eines entsprechenden Gases, insbesondere eines Schutzgases, so dass die gewählten Materialien für das Widerstandsheizelement 6 eine ausreichende thermische Stabilität vorsehen.
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Nachdem das Widerstandsheizelement 6 auf die vorbestimmte Prozesstemperatur aufgeheizt und für eine vorbestimmte Dauer auf dieser gehalten wurde, wird es anschließend abgekühlt, um die Behandlung der Halbleiterwafer 2 zu beenden. Alternativ ist es auch möglich, das Widerstandheizelement 6 auf die Standby-Temperatur zu bringen bzw. auf dieser zu halten. Anschließend werden die Halbleiterwafer 2 wieder aus dem Prozessrohr 4 entnommen.
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Die vorliegende Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, ohne auf diese konkreten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Insbesondere kann sich die Struktur und Form der einzelnen Elemente von der dargestellten Struktur und Form unterscheiden.
