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Die Erfindung betrifft eine Ofenanordnung, umfassend einen geschlossenen Industrieofen zur thermischen Prozessierung von Werkstücken, insbesondere von Halbleiterwafern, mit einer langgestreckten Prozesszone, der eine Prozessheizeinrichtung zugeordnet ist, einer Beschickungsöffnung zur Beschickung mit einer Werkstückcharge an einem ersten Ende und einer Fördereinrichtung zum Fördern der Werkstücke von der Beschickungsöffnung in die Prozesszone. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur thermischen Prozessierung von Halbleiterwafern in einem Industrieofen.
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Stand der Technik
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Rohröfen zur Durchführung von thermischen Prozessen, wie z. B. Diffusion, Oxidation, Annealing und Nitridierung von Halbleitersubstraten (insbesondere Siliziumwafern), sind seit langem bekannt und werden von verschiedenen spezialisierten Herstellern gebaut und geliefert.
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Diese Öfen weisen als zentrales Konstruktionselement ein Rohr aus Quarzglas oder Siliziumcarbid (SiC) auf, in das die zu prozessierenden Substrate (Wafer) eingebracht werden, in dem sich eine Prozesszone befindet. Das Rohr kann von außen mit Hilfe einer Heizkassette, welche aus elektrischen Heizwendeln und Isolationsmaterial besteht, auf Temperaturen zwischen ca. 600°C und 1200°C erhitzt werden. Werden Werkstücke (z. B. Wafer) in das Rohr gebracht, so erhitzen sich diese durch Konvektion und Strahlung auf eine ähnliche Temperatur. Typischerweise weist das Rohr an der einen Seite eine Reihe von Durchführungen zur Ein- und Ausleitung von Gasen und zur Aufnahme von Messfühlern auf, ist ansonsten aber an dieser Seite geschlossen.
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An der anderen Seite (nachfolgend bezeichnet als „erstes Ende”) ist das Rohr durch einen Deckel, typischerweise eine Platte oder einem Stopfen aus Quarzglas, verschlossen, lässt sich aber mit großem Querschnitt öffnen, um die zu prozessierenden Wafer einzubringen. Die Wafer werden dazu in gleichmäßigen Abstand in Boote aus SiC oder Quarzglas gestellt. Typischerweise werden mehrere hundert Wafer auf einem oder mehreren Booten in das Rohr eingebracht. Das Einbringen des Bootes oder der Boote geschieht mit Hilfe eines sogenannten Paddles, meist aus SiC. Dabei handelt es sich um einen Stab mit speziellem Profil, der es erlaubt, das Boot oder die Boote anzuheben und ins Rohr zu bringen.
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Bei sogenannten Softlanding-Systemen werden das oder die Boote im Rohr abgestellt, und das Paddle wird wieder entfernt, bei sogenannten Cantilever-Systemen bleibt das Paddle während des Prozesses am Boot.
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Das Einbringen der Wafer in das Rohr erfolgt in der Regel mit einer relativ geringen Vorschubgeschwindigkeit (z. B. von 200 mm/min.), damit der zeitliche Temperaturgradient auf den Wafern nicht zu hoch ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung wird eine Ofenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Gemäß einem Verfahrensaspekt der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schließt die Überlegung ein, dass das Einbringen der Wafer in das Rohr wesentlich schneller erfolgen könnte und das Rohr weniger stark abkühlen würde, wenn die Wafer im Moment des Einbringens bereits eine höhere Temperatur hätten. Hierauf beruht der Gedanke des Vorsehens einer an die Werkstücke bzw. Werkstückcharge angepassten Vorheizeinrichtung, die an oder in Förderrichtung vor dem ersten Ende des Industrieofens angeordnet ist, bzw. – unter Verfahrensaspekten – eines Vorheiz-Schrittes der Halbleiterwafer vor der Einführung in die eigentliche Prozesszone, und einer Vorheizung der Umgebungsluft.
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So kann zum einen der Bereich verlängert werden, in dem beim Einbringen in das Rohr die Erwärmung der Wafer stattfindet, bzw. analog beim Ausbringen die Abkühlung. Dies ermöglicht bei gleicher maximal erlaubter Temperaturänderungsrate eine schnellere Ein- und Ausbringung der Wafer in das Rohr bzw. aus dem Rohr. Weiterhin haben die Wafer beim Eintritt in das Rohr bereits eine höhere Temperatur und kühlen das Rohr daher nicht so stark ab. Da neben den einzubringenden Werkstücken bevorzugt auch die Luft vor dem Rohreingang erwärmt wird, verringert sich außerdem die Abkühlung durch Konvektion bei geöffnetem Rohr. Die gewünschte Prozesstemperatur wird schneller erreicht und/oder es besteht eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Rohres bei Start des chemisch-physikalischen Prozesses. Das schnellere Einbringen der Wafer und die kürzere Zeit, die benötigt wird, um die Prozesstemperatur zur erreichen, erlauben einen kürzeren Gesamtprozess. Die erzielbare bessere Temperaturhomogenität über die Wafer führt zu einer geringeren Streuung der Prozessergebnisse, und damit zu einem verbesserten Prozess.
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Unmittelbar vor dem Rohreingang befindet sich in der Regel eine sog. Scavenger- oder TGA-Box, ein in Edelstahl ausgeführter Kasten, der besonders stark abgesaugt wird, um bei geöffnetem Rohr die heißen Gase und die darin gegebenenfalls enthaltenen Reste von Prozessgasen effektiv abzutransportieren.
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In einer ersten Ausführungsform wird der Vorheizer als ein Ring oder Halbring von Strahlungs-Heizelementen (oder Lampenheizern) in der Scavengerbox vor dem Rohreingang installiert. Solche Strahlungs-Heizelemente lassen sich innerhalb von wenigen Sekunden ein- und ausschalten. Die meiste Zeit eines Prozess-Zyklus sind die Strahlungs-Heizelemente ausgeschaltet. Sie werden nur eingeschaltet, wenn das Rohr geöffnet ist, um Werkstücke ein- oder auszuladen.
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In einer Ausführung der Erfindung ist vor dem ersten Ende des Industrieofens eine Scavenger-Box angeordnet und die Vorheizeinrichtung innerhalb der Scavenger-Box positioniert.
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In einer ersten geometrischen Ausgestaltung der Vorheizeinrichtung ist diese, an die Gestalt der Prozesszone im Industrieofen angepasst, rohrförmig ausgebildet. Sie kann in dieser Konfiguration zweckmäßigerweise durch eine Mehrzahl von stab- oder ringförmigen Strahlungsheizern gebildet sein. In einer anderen geometrischen Ausgestaltung weist die Vorheizeinrichtung mindestens ein plattenförmiges Strahlungs-Heizelement auf. Noch spezieller weist die Vorheizeinrichtung eine Mehrzahl von, insbesondere vier, plattenförmigen Strahlungs-Heizelementen auf, die innenseitig von ebenen Außenwänden des Industrieofens, oder der Scavenger-Box angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführung umfasst der Ofen ein Boot zur Aufnahme der Werkstücke zu deren Einführung über die Beschickungsöffnung, und die Vorheizeinrichtung ist am Boot oder einem zugehörigen Paddle o. ä. angebracht. In einer speziellen Ausgestaltung umfasst die am Boot bzw. Paddle o. ä. angebrachte Vorheizeinrichtung ein kreissegmentförmiges oder mindestens ein plattenförmiges Strahlungs-Heizelement, bevorzugt als dreiplattenförmige Strahlungs-Heizelemente.
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In einer weiteren Ausführung ist – in grundsätzlich bekannter Art – der Industrieofen am zweiten Ende für Werkstücke geschlossen derart, dass die Beschickungsöffnung am ersten Ende auch zum Austrag der prozessierten Werkstücke vorgesehen ist, und am zweiten Ende ist eine Einlass- und/oder Auslassöffnung für Prozessgase vorgesehen. Bei dieser Ofenkonstruktion ist die weiter oben angesprochene optionale Nachbeheizung der Werkstücke nach ihrer Prozessierung und bei Entnahme aus dem Ofen mit ein und derselben Heizeinrichtung (die lediglich bei der Werkstückentnahme zusätzlich betrieben wird) unaufwendig möglich.
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Verfahrensaspekte der Erfindung ergeben sich im Wesentlichen ohne Weiteres aus den weiter oben erläuterten Vorrichtungsaspekten und bedürfen daher hier keiner nochmaligen Erläuterung.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
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1A und 1B schematische Längsschnittdarstellungen einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanordnung in zwei Prozessstufen,
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2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform während des Einführens der Werkstücke in die Prozesszone,
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1A und 1B zeigen schematisch eine Ofenanordnung 10, die einen konventionellen Rohrofen aus einem Quarzrohr 11 mit außenliegender Widerstandsheizung 12 und zwei Ein- und Auslässen 13a, 13b für Prozessgase und eine sog. Scavenger-Box 14 vor einer mit einem Deckel 11a des Quarzrohres verschließbaren Beschickungsöffnung umfasst. In einem Quarz-Boot 15 (welches auch aus SiC gefertigt sein kann) ist hochkant eine Vielzahl von Halbleiterwafern W gestapelt, und in dem in 1A gezeigten geschlossenen Zustand des Quarzrohres 11 und der hierdurch gebildeten Prozesszone werden diese unter Wärmezuführung über die Widerstandsheizung 12 thermisch prozessiert.
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An der Innenwandung der Scavenger-Box 14 und somit in Beschickungsrichtung vor dem Eingang der Prozesszone ist eine als Strahlungsheizer ausgebildete Vorheizeinrichtung 16 angeordnet.
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1B zeigt den Rohrofen im geöffneten Zustand des Quarzrohres 11 und mit halb eingefahrenem (oder ausgefahrenem) Boot 15 mit den Halbleiterwafern W. Zur Beschickung der Prozesszone oder zum Entnehmen der Halbleiterwafer aus jener ist das Boot 15 mit einem sog. Paddle 17 als Fördereinrichtung verbunden. Beim Beschicken der Prozesszone und optional auch beim Entnehmen der Halbleiterwafer aus jener wird die Vorheizeinrichtung 16 mit einer vorbestimmten Heizleistung betrieben, die in Verbindung mit der Einhaltung einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit des Bootes 15 sichert, dass die Halbleiterwafer W mit einer gewünschten Vorwärm-Temperatur in die Prozesszone gelangen, womit die weiter oben erläuterten Vorteile bei der weiteren Prozessführung erzielt werden bzw. beim Entladen weniger schnell abkühlen.
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Der Vorheizer 16 darf das Verschließen des Rohres 11 durch den Deckel 11a nicht behindern. Daher kann es sinnvoll sein, dass die Strahlungs-Heizelemente an einer Linear-Achse oder einem Drehgelenk befestigt werden, so dass sie automatisch in zwei Positionen gebracht werden können: In der einen Position befinden sie sich nah an den zu heizenden Objekten, in der anderen Position befinden sie sich außerhalb des Bereiches, der vom Deckel beim Verschließen des Rohres durchfahren wird.
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Es ist allerdings auch eine feste Installation der Strahlungs-Heizelemente in der Scavengerbox 14 möglich, sofern sich diese außerhalb des Bereiches befinden, der vom Deckel durchfahren wird. Im geöffneten Zustand kann der Deckel dabei möglicherweise als eine Seitenbegrenzung des Vorheizers 16 dienen und gleichzeitig die Strahlung abschirmen und selbst eine höhere Temperatur behalten.
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2 zeigt eine gegenüber der Ausführung nach 1A und 1B modifizierte Ofenanordnung 10', ebenfalls in schematischer Längsschnittdarstellung, und zwar wiederum während des Beschickens der Prozesszone mit den Halbleiterwafern. Der Aufbau des eigentlichen Rohrofens ist der gleiche, wie bei der ersten Ausführungsform und daher auch mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1A und 1B bezeichnet.
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Modifiziert ist jedoch die Scavenger-Box 14', die hier keine Vorheizeinrichtung enthält, und die Fördereinrichtung für die Werkstücke, die anstelle eines herkömmlichen Paddles ein Beschickungsgestell 17' aufweist, an dessen Oberseite eine modifizierte Vorheizeinrichtung 16' angebracht ist. Diese Vorheizeinrichtung 16' umfasst lediglich eine oberhalb der Halbleiterwafer W angeordnete, dafür aber gegenüber der Vorheizeinrichtung 16 deutlich verlängerte Strahlungsheizplatte, und sie ist aufgrund ihrer Fixierung am Gestell 17' (auch bezeichnet als Einfahrmaschine) gemeinsam mit den Halbleiterwafern in die Prozesszone einfahrbar bzw. aus jener herausfahrbar. Alternativ könnte die Vorheizeinrichtung auch unterhalb oder seitlich von Paddle und Wafern angebracht sein.
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Hierdurch kann die Einwirkdauer der Vorheizung oder, mit anderen Worten, die Dauer des Vorheizschrittes, verlängert und zudem die Wirkung der Vorheizeinrichtung 16' bis zu einem gewissen Grad mit jener der Prozessheizeinrichtung (Widerstandsheizung) 12 kombiniert werden. Bei der in 2 gezeigten Ausführung können nur Werkstoffe zum Einsatz kommen, die sehr hitzebeständig sind, wie beispielsweise Quarzteile. Zur Heizung können ebenfalls Strahlungs-Heizelemente verwendet werden. Dieser Aufbau kann daher etwas konstruktions- und kostenaufwendiger sein als der in 1A und 1B gezeigte, bietet aber hinsichtlich der Prozessführung weiter gespannte Möglichkeiten als jener.
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3 zeigt eine im Querschnitt ringförmige Ausführung der Vorheizeinrichtung 16 bei der Ofenanordnung 10, die im Längsschnitt wie in 1A und 1B dargestellt ist.
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4 zeigt eine modifizierte geometrische Konfiguration, die vier ebene Heizplatten 16a bis 16d umfasst, die jeweils parallel zu einer Umfangsfläche einer quaderförmig ausgebildeten Scavenger-Box 14 angeordnet sind. Zur Unterscheidung von der Ausführung nach 3 ist die Ofenanordnung insgesamt hier mit der Ziffer 10'' bezeichnet.
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Die in 5 gezeigte Ausführung geht zurück auf die in 2 im Längsschnitt gezeigte Konstruktion der Ofenanordnung 10', modifiziert diese jedoch dahingehend, dass statt einer einzelnen Heizplatte 16' über dem Boot 15 drei das Boot umgebende Heizplatten 16a', 16b' und 16c' vorgesehen sind. Wie die einzelne Heizplatte 16' in 2, werden diese Heizplatten gemeinsam mit dem Boot und den Halbleiterwafern W in die Prozesszone eingefahren.
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Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
