DE102012202099A1

DE102012202099A1 - Verfahren zum Abkühlen von Scheiben aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE102012202099A1
Application number: DE102012202099A
Authority: DE
Inventors: Hannes Hecht
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-14
Also published as: WO2013120696A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abkühlen von heißen Scheiben aus Halbleitermaterial, beispielsweise nach einem Epitaxieprozess, bei der die Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlprozesses vor einer Metallkontamination geschützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von heißen Scheiben aus Halbleitermaterial, beispielsweise nach einem Epitaxieprozess, bei der die Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlprozesses vor einer Metallkontamination geschützt ist.
Epitaktisch beschichtete (epitaxierte) Scheiben aus Halbleitermaterial, z.B. Silicium, eignen sich für die Verwendung in der Halbleiterindustrie, insbesondere zur Fabrikation von hochintegrierten elektronischen Bauelementen wie z.B. Mikroprozessoren oder Speicherchips. Für die moderne Mikroelektronik werden Ausgangsmaterialien (Substrate) benötigt, die, neben den hohen Anforderungen unter anderem an globale und lokale Ebenheit sowie Defektfreiheit, nicht durch Fremdstoffe, z.B. Metalle, kontaminiert sind.
Nach dem Stand der Technik lässt sich eine Scheibe aus Halbleitermaterial durch eine Prozessfolge herstellen, die im Wesentlichen das Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze aus Halbleitermaterial, ein Auftrennen des Einkristalls in Scheiben (beispielsweise mittels einer Drahtsäge), ein Verrunden der mechanisch empfindlichen Kanten der Scheiben, die Durchführung eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen, sowie eine abschließende Politur umfasst. Ein Verfahren zur Herstellung einer Scheibe aus Halbleitermaterial ist beispielsweise in der Anmeldeschrift DE 2906470 A1 beschrieben.
Nach der abschließenden Politur einer oder beider Seiten der Scheibe aus Halbleitermaterial kann für spezielle Anwendungen eine Oberfläche der Scheibe aus Halbleitermaterial epitaktisch beschichtet werden. Dies kann entweder mit einer einkristallinen Schicht aus demselben Halbleitermaterial aus dem das Substrat besteht (homoepitaktische Beschichtung, beispielsweise eine einkristalline Siliciumschicht auf einem Siliciumsubstrat) geschehen, oder mit einer Schicht, dessen Material sich vom Substrat unterscheidet (heteroepitaktische Beschichtung).
Epitaxiereaktoren (Epi-Reaktoren), die insbesondere in der Halbleiterindustrie zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Scheibe aus Halbleitermaterial verwendet werden, sind beispielsweise in den Schriften EP 0 445 596 B1 und US 2008/0182397 A1 beschrieben.
Während sämtlicher Prozessschritte werden eine oder mehrere Scheiben aus Halbleitermaterial mittels Heizquellen, vorzugsweise mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise Lampen oder Lampenbänken erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls einem Dotiergas, ausgesetzt.
Als Auflage für die Scheibe aus Halbleitermaterial in einer Prozesskammer des Epitaxiereaktors dient ein Suszeptor, der beispielsweise aus Graphit, Siliciumcarbid oder Quarz besteht. Die Scheibe aus Halbleitermaterial liegt während des Abscheideprozesses auf diesem Suszeptor oder in Ausfräsungen des Suszeptors auf, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten und um die Rückseite der Scheibe aus Halbleitermaterial, auf der üblicherweise nicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas zu schützen.
Bei Scheiben aus Halbleitermaterial mit größeren Durchmessern (größer oder gleich 150 mm) werden üblicherweise Einzelscheibenreaktoren verwendet und die Scheiben aus Halbleitermaterial einzeln prozessiert, da sich dabei eine gute Gleichförmigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schichtdicken ergibt.
Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben sind beispielsweise in den Schriften DE 10025871 A1 sowie DE 10 2005 045 339 B4 beschrieben.
Nach der epitaktischen Beschichtung werden die noch heißen Scheiben aus Halbleitermaterial in einer Kühlstation unter Schutzgasatmosphäre abgekühlt. Die Patentschrift US 5,902,393 lehrt ein Verfahren zum Abkühlen von epitaxierten Scheiben aus Halbleitermaterial mit einem Wasserstoff-freien Trägergas.
Nachteilig bei der Kühlung einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial mit einem Kühlgas ist sowohl die Gefahr der Verunreinigung der Oberflächen durch Partikelaufwirbelung als auch die durch die Strömung bedingte ungleichmäßige Abkühlung.
Bevorzugt werden daher passiv kühlende Einrichtungen (über Strahlung) zur Abkühlung heißer Scheiben aus Halbleitermaterial nach der Epitaxie eingesetzt. Dabei wird die Geschwindigkeit, mit der die Wärme von einem Objekt, z.B. der epitaxierten Scheibe aus Halbleitermaterial, auf ein anderes Objekt, z.B. ein Kühlelement (Kühlkörper), übertragen wird unter anderem sowohl von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Objekten als auch dem Abstand beider Objekte zueinander bestimmt. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Objekten ist und je kleiner der Abstand beider Objekte zueinander ist, desto schneller findet ein Temperaturausgleich statt.
Die Geschwindigkeit der Abkühlung heißer Scheiben aus Halbleitermaterial nach der Epitaxie hängt zusätzlich auch noch von der Wärmeleitfähigkeit bzw. die thermische Kapazität des Kühlkörpers ab, d.h. wie gut und wie viel Wärmestrahlung der Kühlkörper aufnehmen kann. Bei einem ausreichend dimensionierten Kühlkörper ist dessen Wärmekapazität größer als die aufzunehmende Wärmeenergie der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial.
Bevorzugt werden Kühlkörper aus Stahl, Kupfer, Messing oder Aluminium gefertigt. Dabei kann das Metall noch mit einem anderen Metall, z.B. Nickel, überzogen werden.
Die Schrift WO 0016380 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abkühlung heißer epitaxierter Scheiben aus Halbleitermaterial von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur direkt in der Prozesskammer. Hierzu kann – in einer Ausführung des Verfahrens – die auf einem Träger befestigte Scheibe im Reaktorraum sehr nah (0,2–3 mm) an eine als Wärmesenke wirkende Fläche bewegt werden, so dass die Fläche die Wärmestrahlung der Scheibe aufnehmen kann.
In einer anderen Ausführung des in der Schrift WO 0016380 A1 beschriebenen Verfahrens wird die heiße epitaxierte Scheibe aus Halbleitermaterial so zwischen zwei Kühlkörpern positioniert, dass der Abstand zwischen der Scheibe und den beiden Kühlkörpern sehr gering ist (0,2–3 mm).
In einer weiteren in der Schrift WO 0016380 A1 beschriebenen Ausführungsform wird die heiße epitaxierte Scheibe aus Halbleitermaterial auf mindestens 3 Stiften (pins) horizontal in einer Kühlstation außerhalb des Reaktorraumes gelagert und ein bevorzugt kontinuierlich gekühlter Kühlkörper oberhalb der heißen Scheibe in einem geringen Abstand (0,2–3 mm) positioniert.
Die heißen Scheiben aus Halbleitermaterial sind aufgrund der Hitzeeinwirkung während des Epitaxieprozesses leicht gewölbt und „springen“ beim Abkühlen in ihre ursprüngliche (ebene) Form zurück. Aufgrund des für einen optimalen Wärmeüberganges sehr geringen Abstandes zwischen der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial und dem Kühlkörper (Kühlelement) besteht die Gefahr, dass die heiße epitaxierte Scheibe aus Halbleitermaterial während des „Springens“ mit der Oberfläche eines Kühlkörpers in Kontakt kommt und es somit zu einer unerwünschten Metallkontamination der Scheibe aus Halbleitermaterial kommen kann.
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass die Berührung der Scheibe aus Halbleitermaterial mit der Oberfläche des Kühlkörpers auch bei der horizontalen Positionierung der Scheibe auf Quarzstiften in der Kühlstation, wie beispielsweise in der Patentschrift WO 0016380 A1 beschrieben, auftreten kann.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein kostengünstiges und effektives Verfahren zur Abkühlung mindestens einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, die mindestens eine Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlprozesses vor einer möglichen Metallkontamination zu schützen, ohne den Abkühlprozess der Scheibe aus Halbleitermaterial negativ zu beeinflussen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Abkühlen einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial (5), umfassend das Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers (4), der Wärmestrahlung, die von der Scheibe abgegeben wird, aufnimmt und das Positionieren der Scheibe gegenüber einer Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) durch eine erste Platte (1), die aus einem Material gefertigt ist, das die Scheibe (5) bei Berührung nicht verunreinigt, bedeckt ist und zwischen der Platte (1) und einer Seitenfläche der Scheibe (5) ein Abstand h besteht.
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer in einem Einzelscheibenreaktor epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial detailliert erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich nicht nur auf das erläuternde Beispiel, sondern kann auch für die Abkühlung von mehreren Scheiben aus Halbleitermaterial verwendet werden, die beispielsweise in Mehrscheibenreaktoren epitaktisch beschichtet wurden oder im Rahmen des Herstellungsprozesses erhitzt worden sind. Hier sind beispielsweise die schnellen thermischen Bearbeitungsprozesse (Rapid Thermal Processing, RTP) wie die schnelle thermische Ausheilung (Rapid Thermal Annealing, RTA) oder die schnelle thermische Oxidation (Rapid Thermal Oxidation, RTO) zu nennen.
Zusätzlich wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der 1 bis 4 beschrieben, wobei bei den Darstellungen aus Gründen der Übersichtlichkeit die einzelnen Größenverhältnisse unbeachtet geblieben und nicht maßstabsgerecht wiedergegeben sind.
1 zeigt die durchschnittlichen Abkühlraten von Scheiben aus Silicium als Funktion der Zeit. Die untere Linie gibt die Abkühlrate von Siliciumscheiben wieder, die sich im Abstand h = 0,3 mm von einem nicht abgedeckten Kühlkörper befunden haben, wohingegen die obere Linie die Abkühlrate von Siliciumscheiben wiedergibt, die sich im Abstand h = 0,3 mm von einem mit einer Siliciumplatte (Dicke 0,8 mm) abgedeckten Kühlkörperoberfläche befunden haben.
2a zeigt die Aufsicht auf eine die kreisförmige Oberfläche eines Kühlkörpers abdeckende Platte 1, die von einem umlaufenden Ring 2 mit einem Außendurchmesser D formschlüssig begrenzt ist. Der Ring 2 besitzt bevorzugt auf der Ringinnenseite eine umlaufende Vertiefung 2a mit einem Außendurchmesser d, in die eine nicht gezeigte Scheibe aus Halbleitermaterial mit einem geeigneten Durchmesser gelegt wird, und sich die Scheibe aus Halbleitermaterial in einem Abstand h zur Platte 1 befindet. Der Ring 2 kann auf der Platte 1 aufliegen (2b), auf der planen Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 aufliegen (2c) oder in einer äußeren ringförmigen Vertiefung mit einer Oberfläche 3a in der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 aufliegen (2d).
3 zeigt schematisch bevorzugte Ausführungsformen des zur Auflage der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 dienenden Ringes 2 mit einer auf der Ringinnenseite liegenden Vertiefung (Pocket) 2a zur Aufnahme der Scheibe aus Halbleitermaterial 5, wobei die Auflagefläche 2a a) eben, b) konvex oder c) zur Ringinnenseite mit einem Neigungswinkel α (bezogen auf die Oberfläche des Kühlkörpers) hin geneigt ist. Zwischen der Platte 1 und der der Platte 1 gegenüberliegenden Seite der auf der Auflagefläche 2a aufliegenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 besteht ein Abstand h.
4 zeigt schematisch beispielhaft zwei Ausführungsformen zur Abkühlung einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zwischen zwei Kühlkörpern 4, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 während des Abkühlprozesses horizontal auf einem Ring 2 aufliegend zwischen einem oberen und einem unteren jeweils mit einer geeignet dimensionierten Platte 1 abgedeckten Kühlkörper 4 positioniert wird (4a) oder vertikal zwischen einem linken und einem rechten Kühlkörper 4, deren zu der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 weisenden Oberflächen 3 jeweils mit einer geeignet dimensionierten Platte 1 abgedeckt sind, durch einen geeigneten Träger (nicht eingezeichnet) positioniert wird (4b). In beiden Ausführungsformen ist der Abstand h bzw. h‘ zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und der jeweiligen Platte 1 gleich groß.
Nach der epitaktischen Beschichtung wird die etwa 400–950°C heiße Scheibe aus Halbleitermaterial vorzugsweise mit einem Greifroboter unter Schutzgasatmosphäre zur Abkühlung in eine Kühlstation umgelagert. Die Kühlstation kann sich sowohl im Reaktorraum des Epi-Reaktors als auch außerhalb, aber mit dem Epi-Reaktor verbunden, befinden.
Beispielsweise befindet sich bei dem Epi-Reaktor der Firma Applied Materials standardmäßig die Kühlstation zur Abkühlung der heißen epitaxierten Scheiben aus Halbleitermaterial neben dem eigentlichen Reaktorraum.
Die Kühlstation des Epi-Reaktors der Firma Applied Materials besteht aus einem mit einem Kühlmittel, z.B. Wasser, durchflossenen Metallkörper (Kühlkörper), in dessen Oberfläche Quarzstifte eingelassen sind. Die Scheiben aus Halbleitermaterial werden auf diese Quarzstifte gelegt um einen Kontakt und damit eine Kontamination zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial und Kühlkörper zu vermeiden.
Die Quarzstifte haben dabei eine Höhe von 0,56 mm, so dass sich zwischen dem Kühlkörper und der Scheibe aus Halbleitermaterial eine entsprechend hohe Schicht aus Schutzgas befindet.
Allgemein besteht eine Kühlstation bevorzugt im Wesentlichen aus einem geschlossenem Raum, in dem sich mindestens ein mit einem Kühlmittel durchflossener Metallkörper (Kühlkörper) 4 befindet, der die Wärmeenergie der mindestens einen heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 aufnimmt und an das Kühlmittel abgibt.
Bevorzugt besteht der Kühlkörper 4 aus vernickeltem Aluminium oder Edelstahl.
Bevorzugt wird ein Kühlkörper 4 mit einer ebenen Oberfläche 3. Die ebene Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 ist während des Abkühlprozesses der Vorder- oder der Rückseite der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandt.
Bevorzugt stehen während des Abkühlprozesses die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 und die Vorder- oder der Rückseite der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 parallel zu einander.
Bevorzugt ist die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 rund und hat den gleichen Durchmesser wie die abzukühlende Scheibe aus Halbleitermaterial 5. Besonders bevorzugt ist der Durchmesser der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 größer als der Durchmesser der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5. Darüber hinaus ist auch jede andere äußere Form der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 bevorzugt, wobei die Oberfläche 3 in ihrem kleinsten Querschnitt Q mindestens dem Durchmesser der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 entspricht.
Als Kühlmittel wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven, beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
Bei der Abkühlung der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer horizontalen Position wird die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gemäß dem Stand der Technik auf Stiften (pins), die bevorzugt aus Quarz gefertigt sind, oberhalb der Oberfläche (Oberseite) des Kühlkörpers gelagert.
Zur schnelleren Abkühlung kann die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auch horizontal zwischen zwei Kühlkörpern 4 so positioniert werden, dass die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gemäß dem Stand der Technik auf Stiften (pins), die bevorzugt aus Quarz gefertigt sind und eine Höhe h haben, oberhalb der Oberfläche 3 eines ersten unteren Kühlkörpers 4 gelagert wird und sich oberhalb der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 ein zweiter Kühlkörper 4 in einem Abstand h‘ befindet, wobei der Abstand h‘ bevorzugt der Höhe h der Quarzstifte entspricht.
Bei der Abkühlung der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer vertikalen Position wird die Scheibe gemäß dem Stand der Technik mittels eines geeigneten Trägers nahe an einen Kühlkörper 4 gebracht, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial den Kühlkörper 4 nicht berührt und die Vorder- oder Rückseite der Scheibe aus Halbleitermaterial bevorzugt parallel zur Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 ausgerichtet ist.
Die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 kann auch vertikal zwischen zwei Kühlkörpern 4 so positioniert werden, dass sich die Vorder- und die Rückseite der Scheibe aus Halbleitermaterial sich jeweils in einem gleichen Abstand h bzw. h‘ parallel zu den Oberflächen 3 der beiden Kühlkörper 4 befinden.
Generell ist der Kontakt der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 mit einem Metall zu vermeiden, da dies zur Kontamination der Scheibe mit Metallatomen führen würde.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Abkühlung einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird die möglicherweise in Kontakt kommende metallische Oberfläche des Kühlkörpers 4 mit einer Platte 1 abgedeckt.
Die Abdeckung des Kühlkörpers muss zwei Aufgaben erfüllen. Zum einen darf die Abdeckung keinen negativen Einfluss auf den Abkühlprozess einschließlich der Abkühlrate der heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 haben und zum anderen muss die Abdeckung eine Kontamination der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 mit Metallen sicher verhindern. Das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt beide Anforderungen.
Bevorzugt wird die Platte 1 zur Abdeckung der Oberfläche 3 eines Kühlkörpers 4 aus Silicium oder Saphir hergestellt. Beide Materialien beeinflussen die Abkühlrate der heißen Scheiben aus Halbleitermaterial 5 nicht merklich, wie umfangreiche Versuche der Erfinder gezeigt haben (1).
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers 0,05–2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm.
Nachfolgend wird zunächst eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abkühlung einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5 beschrieben, bei der die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer horizontalen Position abgekühlt wird.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Größe des Kühlkörpers 4 bevorzugt so gewählt, dass ein geeignet dimensionierter Kühlkörper 4 eine bzgl. des Durchmessers der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 geeignet dimensionierte Oberfläche 3 hat, die während des Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einem Abstand h gegenüberliegt.
Bevorzugt wird eine kreisförmige Oberfläche 3, wobei der Durchmesser D dieser kreisförmigen Oberfläche 3 bevorzugt größer als der Durchmesser der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 ist.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, die während des Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gegenüberliegt, durch eine geeignet geformte Platte 1 abgedeckt. Dabei liegt die Platte 1 plan auf der Oberseite 3 des Kühlkörpers auf (2b–2d).
Bevorzugt wird bei einer kreisförmigen Oberfläche 3 eines Kühlkörpers 4 eine kreisförmige Platte 1 zur Abdeckung verwendet.
Bevorzugt entspricht bei einem Kühlkörper 4, mit beispielsweise einer runden Oberfläche 3, der Durchmesser der Platte 1 zur Abdeckung der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 dem Durchmesser D der kreisförmigen Oberfläche 3 (2b).
Auf die die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 abdeckende Platte 1 wird in einer Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein – hinsichtlich des Durchmessers der abzukühlenden Scheibe aus Halbleitermaterial 5 – geeignet dimensionierter Ring 2 gelegt, der als Auflagefläche für die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 während des Abkühlvorganges dient (2b).
Besonders bevorzugt wird in einer anderen Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer runden Oberfläche 3 eines Kühlkörpers 4 der Durchmesser der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers 4 etwas kleiner als der Durchmesser D der kreisförmigen Oberfläche 3 gewählt, so dass, bei einer zentrierten Auflage der Platte 1 auf der der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandten Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, ein nicht abgedeckter Randstreifen aus Metall verbleibt.
Beträgt der Durchmesser D der kreisförmigen Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 beispielsweise 310 mm, so wird als Durchmesser der Platte zur Abdeckung beispielsweise 295 mm gewählt. Ein Kühlkörper 4 mit einer kreisförmigen Oberfläche 3 mit einem Durchmesser von 310 mm, eignet sich beispielsweise für die Kühlung von Scheiben aus Halbleitermaterial mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm.
Auf diesen Randstreifen aus Metall, der gemäß dem oben genannten Beispiel eine Breite von 15 mm hat, wird ein Ring 2 gelegt, der als Auflagefläche für die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial während des Abkühlvorganges dient.
Der Innendurchmesser des Ringes 2 wird in dieser anderen Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens so gewählt wird, dass der innere Rand des Ringes 2 mit der Abdeckplatte 1 bündig schließt, d.h. der Durchmesser der Platte 1 ist gleich dem Innendurchmesser des Ringes 2 (2c und 2d). Bevorzugt wird als Material für den Ring 2 Quarz verwendet. Ebenfalls bevorzugt wird der Ring 2 aus Siliciumcarbid (SiC) oder Saphir hergestellt. Die Dicke (Höhe) des Ringes 2 wird bevorzugt so gewählt, dass der Ring 2 eine größere Dicke hat als die Platte 1, die auf der der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandten Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 liegt. Dadurch ist gewährleistet, dass, bei Auflage einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auf den Ring 2, sich die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einem Abstand h zu der Platte 1 befindet.
Bevorzugt beträgt die Dicke (Höhe) des Ringes 0,5 bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 mm.
Die Auflagefläche 2a des Ringes für die Scheibe aus Halbleitermaterial ist bevorzugt eben (plan) (3a) oder konvex (3b), besonders bevorzugt zur Ringinnenseite hin geneigt (3c).
Besonders bevorzugt ist eine zur Ringinnenseite hin geneigte Auflagefläche 2a, wobei der Neigungswinkel α, bezogen auf die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, bevorzugt zwischen 0,1 bis 30°, besonders bevorzugt zwischen 1 bis 10° liegt. Bei einer zu Ringinnenseite geneigten Auflagefläche 2a ist die Kontaktfläche zwischen dem Ring 2 und der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 minimal.
Wird eine Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auf den Ring 2 gelegt, so befindet sich zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und der Platte 1 ein definierter Zwischenraum mit einer Höhe h, wobei h dem Abstand zwischen der auf der Oberseite 3 des Kühlkörpers 4 liegenden Platte 1 und der der Platte 1 zugewandten Seite der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 entspricht. Bevorzugt ist die Höhe h 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
In einer weiteren bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform weist der Kühlkörper 4 am Rand der Oberfläche 3, die während des Abkühlprozesses der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandt ist, eine umlaufende (ringförmige) Vertiefung mit einer Oberfläche 3a auf. In die umlaufende Vertiefung bzw. auf die Oberfläche 3a wird ein Ring 2 gelegt (2d).
Der Innendurchmesser des Ringes 2, der in der umlaufenden Vertiefung des Kühlkörpers 4 liegt, entspricht bevorzugt dem Innendurchmesser dieser umlaufenden Vertiefung des Kühlkörpers 4, so dass der Ring 2 durch die im Vergleich zur vertieften Oberfläche 3a erhöhten inneren Fläche 3 des Kühlkörpers 4 gegen ein Verrutschen gesichert ist. Die innere, gegenüber der Vertiefung erhabene Fläche 3 des Kühlkörpers 4 wird in dieser Ausführungsform mit der Platte 1 abgedeckt, wobei die Platte 1 bündig an den inneren Rand des Ringes 2 anschließt (2d).
Die Dicke (Höhe) des in der ringförmigen Vertiefung des Kühlkörpers 4 liegenden Ringes 2 wird so gewählt, dass eine auf dem Ring aufliegende Scheibe aus Halbleitermaterial 5 um die Höhe h höher ist, als die Oberfläche der Platte 1, die auf der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 liegt.
Bevorzugt beträgt die Dicke (Höhe) des Ringes 0,5 bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 mm.
Bevorzugt ist die Höhe h 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
Der Außendurchmesser des Ringes 2 entspricht bevorzugt dem Durchmesser D der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, so dass der Ring 2 bündig mit der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 abschließt.
Bevorzugt wird der Ring 2 mit dem Kühlkörper 4 verschraubt. Ebenfalls bevorzugt ist eine Fixierung des Ringes 2 durch Stifte, die in den Kühlkörper 4 eingelassen sind und in entsprechende Vertiefungen (Löcher) in der Unterseite des Ringes 2 passen.
Die Breite (= Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser) des Ringes 2 beträgt bevorzugt 5 bis 20 mm, besonders bevorzugt 10 bis 15 mm.
Bevorzugt weist die Oberfläche des Ringes 2 zusätzlich eine umlaufende (ringförmige) Vertiefung 2a (Pocket) auf der Ringinnenseite auf (3), in die die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 eingelegt werden kann und die damit als Auflagefläche für die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 dient.
Die Breite der umlaufende Vertiefung 2a auf der Ringinnenseite ist dabei durch einen Innendurchmesser (entspricht dem Innendurchmesser der ringförmigen Vertiefung des Kühlkörpers 4) und einem Außendurchmesser bestimmt. Der Außendurchmesser d dieser umlaufenden Vertiefung 2a auf der Ringinnenseite ist dabei geringfügig größer als der Durchmesser der Scheibe aus Halbleitermaterial 5, die in diese Vertiefung des Ringes 2 gelegt werden soll.
Beispielsweise liegt der Außendurchmesser d der umlaufenden Vertiefung 2a auf der Ringinnenseite zur Aufnahme einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 mit einem Durchmesser von 300 mm bevorzugt in einem Bereich von 302–320 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 302 bis 305 mm, wobei die Auflagefläche 2a in der ringförmigen Vertiefung bevorzugt eine Breite von 2 bis 5 mm hat.
Die ringförmigen Vertiefung 2a für die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 kann im erfindungsgemäßen Verfahren eben (3a), konvex (3b) oder zur Ringinnenseite hin geneigt (3c) sein.
Besonders bevorzugt ist eine zur Ringinnenseite hin geneigte Auflagefläche 2a, wobei der Neigungswinkel α, bezogen auf die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, bevorzugt zwischen 0,1° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 1° und 10° liegt. Bei einer zu Ringinnenseite geneigten Auflagefläche 2a ist die Kontaktfläche zwischen dem Ring 2 und der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 minimal.
Ebenfalls bevorzugt ist der Ring 2 mit Kanälen (Bohrungen) und oder Vertiefungen in der Oberfläche versehen, so dass der Gasraum, der sich zwischen der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und der Oberfläche der den Kühlkörper abdeckenden Platte 1 mit der Höhe h befindet, in Kontakt mit dem Gasraum der Kühlstation steht.
Ebenfalls bevorzugt ist im erfindungsgemäßen Verfahren die Verwendung von zwei oder mehr Ringteilstücken als Auflage für die Scheibe aus Halbleitermaterial, so dass zwischen den einzelnen Ringteilstücken ein definierter Abstand ist und die Ringteilstücke kreisförmig angeordnet sind. Die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 liegt hierbei auf den zwei bzw. mehr Ringteilstücken auf.
Die bevorzugten Formen der Auflageflächen 2a der Ringteilstücke entspricht dabei den in 3 dargestellten Formen.
Die durch einen vorangegangenen Prozessschritt, beispielsweise einer epitaktischen Beschichtung, thermisch aktivierte (heiße) Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird nach Abschluss dieses Prozessschrittes bevorzugt mit einem Roboterarm unter Schutzgasatmosphäre in die Kühlstation überführt und horizontal auf den Ring 2 bzw. in die ringförmige Vertiefung (Pocket) 2a des Ringes 2 gelegt, unter dem sich der mit einer Platte 1 abgedeckte, mit einem Kühlmittel durchfließbare Kühlkörper 4 befindet.
Durch den sich unter dem Ring 2 befindlichen Kühlkörper 4, der bevorzugt mit einem Kühlmedium durchströmt wird und der durch die aufliegende Platte 1 abgedeckt ist, kann die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit soweit abgekühlt werden, dass sie für die weiteren Prozessschritte schnell und kontaminationsfrei zur Verfügung steht.
In einer weiteren bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen von heißen Scheiben aus Halbleitermaterial 5 erfolgt die Abkühlung zwischen zwei Kühlkörpern 4, wobei die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 bevorzugt in einer horizontalen Position, auf einem Ring 2 aufliegend, abgekühlt wird (4a).
Bei dieser Variante werden für den unteren Kühlkörper 4 die bereits oben beschrieben Ausführungsformen der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers sowie des Ringes 2 als Auflagefläche für die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 bevorzugt.
Die zur Scheibe aus Halbleitermaterial 5 weisende Oberfläche 3 des zweiten (oberen) Kühlkörpers 4 ist mit einer Platte 1 aus Silicium oder Saphir abgedeckt.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte 1 zur Abdeckung des Kühlkörpers 0,05–2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm.
Die Platte 1 zur Abdeckung des zweiten Kühlkörpers 4 wird bevorzugt mit nichtmetallischen Schrauben oder Bolzen auf der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 befestigt. Ebenfalls bevorzugt ist das Aufkleben der Platte 1.
Die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird in dieser Ausführungsform mit einem Roboterarm auf den Ring 2 bzw. in die Auflagefläche 2a des Ringes 2 eingelegt, und ein zweiter Kühlkörper 4, der bevorzugt mit einem Kühlmedium durchflossen ist, bis auf eine Höhe h‘ auf die obere Seite der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 herabgesenkt.
Ebenfalls bevorzugt ist, dass die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial 5 mit einem Roboterarm auf den Ring 2 bzw. in die Auflagefläche 2a des Ringes 2 eingelegt, und ein zweiter Kühlkörper 4, der bevorzugt mit einem Kühlmedium durchflossen ist, sich bereits auf einer Höhe h‘ über der oberen Seite der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 befindet.
Bevorzugt entspricht der Abstand h‘ dem Abstand h, so dass der Abstand zwischen den die jeweiligen Oberflächen 3 der Kühlkörper 4 abdeckenden Platten 1 und den entsprechenden Seiten der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gleich ist.
Bevorzugt ist der Abstand h bzw. h‘ 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
Im erfindungsgemäßen Verfahren besteht der zweite (obere) Kühlkörper 4 aus demselben Material wie der untere Kühlkörper 4 und entspricht auch in seiner Dimensionierung und Form dem unteren Kühlkörper 4, so dass zu beiden Seiten ein gleichmäßiger Wärmeübergang von der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zu den beiden Kühlkörpern 4 gewährleistet ist.
Als Kühlmittel für beide Kühlkörper 4 wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven wie beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen zur Abkühlung mindestens einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial 5, bei der die Scheibe aus Halbleitermaterial 5 auf einem Ring 2 bzw. auf einer Auflagefläche 2a des Ringes 2 aufliegt, beschränken sich nicht allein auf eine horizontale Ausrichtung der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 und dem mindestens einen Kühlkörper 4, sondern kann auch für alle anderen beliebig geneigten Positionen (0–90° in Bezug auf eine horizontale Fläche) angewendet werden.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abkühlung einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 wird die Scheibe 5 mit einem geeigneten Träger vertikal oder in einer beliebigen Neigung (in Bezug auf eine horizontale Fläche) vor einem geeignet dimensionierten metallenen Kühlkörper 4, der bevorzugt von einem Kühlmittel durchströmt wird, in einem Abstand h so positioniert, dass die jeweiligen Flächen parallel zu einander sind. Der Abstand h beträgt bevorzugt 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
Bevorzugt besteht der Kühlkörper 4 aus vernickeltem Aluminium oder Edelstahl.
Die Größe des Kühlkörpers 4 wird bevorzugt so gewählt, dass ein geeignet dimensionierter Kühlkörper 4 eine in Bezug auf den Durchmesser der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 geeignet dimensionierte Oberfläche 3 hat, die während des Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 in einem Abstand h gegenüberliegt.
Die Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4, die während des Abkühlprozesses einer Seite einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5 gegenüberliegt, wird mit einer Platte 1 aus Silicium oder Saphir abgedeckt. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Form bzw. der Durchmesser der Platte 1 der Form bzw. dem Durchmesser der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4.
Die Platte 1 zur Abdeckung der Oberfläche 3 des Kühlkörpers 4 wird bevorzugt mit nichtmetallischen Schrauben oder Bolzen am Kühlkörper 4 befestigt. Ebenfalls bevorzugt ist das Aufkleben der Platte 1.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte 1 zur Abdeckung des zweiten Kühlkörpers 0,05–2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm.
Als Kühlmittel für den Kühlkörper 4 wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven wie beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
In einer weiteren Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen einer Scheibe aus Halbleitermaterial 5, wird die heiße Scheibe aus Halbleitermaterial mit einem geeigneten Träger vertikal oder in einer beliebigen Neigung (in Bezug auf eine horizontale Fläche) zwischen zwei, jeweils mit einer Platte 1, die aus Silicium oder Saphir besteht, bedeckten Oberflächen 3 von metallenen Kühlkörpern 4, die beide bevorzugt von einem Kühlmittel durchströmt werden, mittig mit einem Abstand h bzw. h‘ positioniert. Dabei gilt: h = h‘.
Bevorzugt ist der Abstand h bzw. h‘ 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 mm.
In dieser Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen beide Kühlkörper 4 bevorzugt aus demselben Material und sind in ihrer Dimensionierung und Form identisch, so dass zu beiden Seiten ein gleichmäßiger Wärmeübergang von der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zu den beiden Kühlkörpern 4 gewährleistet ist.
Bevorzugt bestehen beide Kühlkörper 4 aus vernickeltem Aluminium oder Edelstahl.
Die Form bzw. der Durchmesser der die der Scheibe aus Halbleitermaterial 5 zugewandten Oberflächen 3 der Kühlkörper 4 bedeckenden Platten 1 entsprechen jeweils der Form bzw. dem Durchmesser der Oberflächen 3 der Kühlkörper 4.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Platte zur Abdeckung des zweiten Kühlkörpers 0,05–2 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 mm.
Als Kühlmittel für den Kühlkörper wird bevorzugt Wasser verwendet. Ebenfalls bevorzugt ist der Zusatz von Additiven wie beispielsweise Glykol, zum Kühlmittel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2906470 A1 [0003]
EP 0445596 B1 [0005]
US 2008/0182397 A1 [0005]
DE 10025871 A1 [0009]
DE 102005045339 B4 [0009]
US 5902393 [0010]
WO 0016380 A1 [0015, 0016, 0017, 0019]

Claims

Verfahren zum Abkühlen einer heißen Scheibe aus Halbleitermaterial (5), umfassend das Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers (4), der Wärmestrahlung, die von der Scheibe abgegeben wird, aufnimmt und das Positionieren der Scheibe gegenüber einer Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) durch eine erste Platte (1), die aus einem Material gefertigt ist, dass die Scheibe (5) bei Berührung nicht verunreinigt, bedeckt ist und zwischen der Platte (1) und einer Seitenfläche der Scheibe (5) ein Abstand h besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe aus Halbleitermaterial (5) zwischen dem ersten Kühlkörper (4) und einem zweiten Kühlkörper (4) positioniert wird, die der Oberflächen der Scheibe jeweils gegenüberliegenden Oberflächen (3) der Kühlkörper (4) durch jeweils eine Platte (1) bedeckt sind und zwischen der jeweiligen Platte (1) und den jeweiligen, den Platten (1) gegenüberliegenden Seitenflächen der Scheibe (5) ein Abstand h und h‘ besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Oberfläche (3) bedeckende Platte (1) aus Silicium oder Saphir besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (1) eine Dicke von 0,05 bis 2 mm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe aus Halbleitermaterial (5) auf einem Ring (2) liegt, der Ring (2) sich auf einem ersten Kühlkörper (4) befindet und ein Abstand h zwischen der Platte (1) und der gegenüberliegenden Seitenfläche der Scheibe (5) besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (2) aus Quarz, Siliciumcarbid oder Saphir besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (2) in der Ringoberseite eine als Auflagefläche (2a) für eine Scheibe aus Halbleitermaterial (5) eine umlaufende Vertiefung (2a) zur Ringinnenseite hin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (2a) entweder parallel zur Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), konvex geformt oder zur Ringmitte hin geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ringmitte geneigte Fläche (2a) mit einem Winkel α zwischen 0,1 und 30°, bezogen auf die Oberfläche (3) des ersten Kühlkörpers (4), geneigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (2) aus zwei oder mehr Teilstücken besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand h bei einem ersten Kühlkörper (4), bzw. h und h‘ bei zwei Kühlkörpern (4), zwischen 0,1 und 5 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand h gleich dem Abstand h‘ ist.