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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten für deren thermische Behandlung. Die Heizeinheit, die im nachfolgenden auch als Heizkassette bezeichnet wird, ist geeignet zum Erwärmen eines langgestreckten Prozessrohrs mit darin aufgenommenen Substraten, insbesondere Halbeiterwafern auf eine gewünschte Temperatur.
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In der Halbleitertechnik ist es bekannt, Wafer unterschiedlichsten Prozessschritten zu unterziehen, die häufig Prozesse aufweisen, bei der die Wafer auf eine bestimmte Temperatur gebracht und für eine vorbestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden. Dabei ist es wichtig, dass die Wafer jeden einzelnen Wafer über den Wafer hinweg gleichmäßig temperiert werden. Darüber ist es bei einer Chargenbehandlung auch erforderlich, dass jeder Wafer im Wesentlichen mit derselben Temperatur prozessiert wird. Eine gute Homogenität über jeden einzelnen Wafer hinweg aber auch über die Wafer einer Charge muss hierbei zum Teil für Prozesstemperaturen bis zu 1300°C gewährleistet werden.
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Zum Teil liegen die erlaubten Temperaturabweichungen bezüglich einer vorgegebenen Prozesstemperatur im Bereich von 0.5 °C oder gar darunter. Je nach Prozess werden die Wafer einzeln behandelt, was natürlich aufwändig und zeitraubend ist, oder in einer Charge. Bei der Chargenbehandlung haben sich zwei Systeme durchgesetzt, die in der Regel als Vertikalofen und Horizontalofen bezeichnet werden. Beim Vertikalofen werden die Wafer vertikal übereinander in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung gehalten. Solche Öfen werden häufig bei Prozessen eingesetzt, welche höhere Temperaturabweichungen erlauben. Beim Horizontalöfen werden die Wafer in der Regel aufrecht oder leicht geneigt in einem Waferboot stehend in einem sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Prozessrohr aufgenommen, das von einer Heizeinheit, die häufig als Heizkassette bezeichnet wird, radial umgeben ist.
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Auf einen solchen Horizontalofen beziehungsweise eine Heizeinheit hierfür bezieht sich die vorliegende Erfindung. Um über die Charge der in einem Waferboot stehenden Wafer hinweg eine gleichmäßige Temperatur vorzusehen ist die Heizeinheit in der Regel länger als ein Aufnahmebereich für die Wafer, um Temperaturvariationen an den Enden des Waferbootes zu vermeiden. Auch ist es bekannt, die Heizeinheit in einer Längsrichtung des Waferbootes zu segmentieren, um zum Beispiel über die Länge des Prozessrohres hinweg unterschiedliche Heizleistung zur Verfügung stellen zu können. Hierdurch soll über einen sich in Horizontalrichtung erstreckenden Aufnahmeraum für die Wafer hinweg eine gleichmäßige Temperatur vorgesehen werden. Auch wenn sich solche System zum Teil in der Vergangenheit als sehr robust erwiesen haben, entstehen durch immer größer werdende Wafer und erhöhte Homogenitätsanforderungen neue Herausforderungen. Desto größer die Wafer werden, desto schwieriger wird es über den Wafer hinweg eine entsprechende Homogenität vorzusehen, da in Vertikalrichtung Temperaturgradienten, die bisher nicht relevant waren nun doch relevant werden können. Aber auch über eine Charge hinweg wird es schwieriger eine Homogenität aufrecht zu erhalten. Je größer die Substrate sind desto größer ist der Bereich über den Randeffekte an den Enden des Waferbootes auftreten können. Zwar ließe sich dies gegebenenfalls über ein entsprechende Verlängerung des Prozessrohres und eine entsprechende Verlängerung der Heizeinheit kompensieren, doch würde die einerseits zu sehr langen Prozessrohen und andererseits auch zu einer unnötig langen Heizeinheit, die entsprechend mit Leistung versorgt werden muss führen.. Ein derartiges Vorgehen hat aber unter anderem die folgenden Nachteile: Die Stellfläche der Anlage wird größer, oder die Anzahl der zu behandelnden Wafer reduziert sich, wobei auf die Gegebenheiten in gängigen Reinräumen beachtet werden müssen. Die Bruchwahrscheinlichkeit und gleichzeitig die Kosten für die Prozessrohre steigen bei immer längeren Rohren Signifikat und die Mechanik für den Transport der Waferboote müsste aufgrund der Hebelkräfte immer größer Dimensioniert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Heizeinheit für eine Horizontalofen vorzusehen, die ein oder mehrere der oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet. Erfindungsgemäß ist eine Heizeinheit nach Anspruch 1 oder 8 oder ein Horizontalofen nach Anspruch 10 vorgesehen.
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Die Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten, weist gemäß einer Ausführungsform folgendes auf: wenigstens zwei als Teilrohr ausgebildete zueinander weisende Elemente, die als oberes und unteres Element in Vertikalrichtung übereinander liegen und die geeignet sind das Prozessrohr derart dazwischen Aufzunehmen, dass sie das Prozessrohr wenigstens teilweise radial umgeben, wobei die oberen und unteren Elemente jeweils wenigstens ein individuell ansteuerbares Heizelement derart aufweisen, das sowohl in Vertikalrichtung übereinander liegende und in Längsrichtung des Prozessrohrs benachbart zueinander liegende Heizelemente vorgesehen sind; und eine Steuereinheit die konfiguriert ist zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuern der Heizelemente. Eine solche Ausgestaltung der Heizeinheit ermöglicht einen wenigstens teilweisen Ausgleich vertikaler Temperaturgradienten, die insbesondere bei immer größeren Substraten zu Problemen führen können. Durch die Trennung der Elemente mit jeweils eigenen Heizelementen wird ein Crosstalk zwischen den Heizzonen reduziert.
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Bevorzugt weist die Heizeinheit eine Vielzahl von oberen Elementen und eine Vielzahl von unteren Elementen auf, wobei die oberen und unteren Elemente zueinander weisend angeordnet sind und jeweils wenigstens ein Heizelement aufweisen, wobei die oberen Elemente einerseits und die unteren Elemente andererseits derart nebeneinander liegend angeordnet sind, das sie in Längsrichtung eines Prozessrohrs benachbart liegen, wenn es zwischen den oberen und unteren Elementen aufgenommen ist. Hierdurch ergibt sich zwischen der Aufteilung in obere und untere Heizzonen noch eine weitere Aufteilung von in Längsrichtung benachbarten Heizzonen, um über einen Aufnahmebereich im Prozessrohr hinweg eine homogene Temperatur einstellen zu können. Die Trennung in einzelne Elemente verringert wiederum einen Crosstalk zwischen den Heizzonen.
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Statt einer Vielzahl von oberen und unteren Elementen können auch wenigstens ein oberes Element und wenigstens ein unteres Elementen vorgesehen sein, die jeweils wenigstens zwei in Längsrichtung des jeweiligen Elements nebeneinander liegende, separat ansteuerbare Heizelemente aufweisen. Auch dies ermöglich in Längsrichtung unterschiedliche Heizzonen vorsehen zu können..
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Für eine Kostengünstige Herstellung können die unteren und oberen Elemente jeweils im Wesentlichen gleich aufgebaut sein. Insbesondere können die Elemente als Halbrohre ausgebildet sein, die geeignet sind ein dazwischen aufgenommenes Prozessrohr über einen Winkelbereich von wenigstens 320°, insbesondere von 340° radial zu umgeben.
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Bei einer Ausführungsform weist die Heizeinheit ferner wenigstens ein sich senkrecht zur Längserstreckung der oberen und unteren Elemente erstreckendes Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem Heizelement auf, wobei das Endelement an oder benachbart zu einem Ende der zueinander weisenden Anordnung von oberen und unteren Elementen angeordnet ist. Ein solches Endelement ermöglicht über die Länge des Prozessrohrs hinweg eine homogenere Temperatureinstellung ohne Randeffekte. Diese werden üblicherweise unter anderem durch eine Verlängerung des Prozessrohrs ausgeglichen, was aber zu übermäßig langen Prozessrohren führen kann. Bevorzugt sind an oder benachbart zu jedem Ende der Anordnung von zueinander weisenden Elementen ein Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem Heizelement aufweist.
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Bei einer alternativen ausführungsform weist die Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten folgendes auf: wenigstens eine Vielzahl von separat ansteuerbaren ersten Heizelementen, die einen rohrförmigen Aufnahmeraum bilden, um das Prozessrohr über wenigstens einen Teil seiner Länge aufzunehmen und wenigsten teilweise radial zu umgeben; wenigstens ein Endelement mit einer Wärme reflektierenden Oberfläche und/oder wenigstens einem zweiten Heizelement, das sich im Wesentlich senkrecht zu einer Längserstreckung des rohrförmigen Aufnahmeraums erstreckt, und eine Steuereinheit zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuern der Heizelemente.
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Die Endelemente können auch ohne eine Aufteilung der radial umgebenden Heizelemente in obere und untere Heizzonen zu einer Homogenisierung einer Temperaturverteilung in Längsrichtung der Kammer beitragen. Bevorzugt ist auch bei dieser Ausführungsform benachbart zu jedem Ende des rohrförmigen Aufnahmeraums ein Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem zweiten Heizelement vorgesehen..
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Ein Horizontalofen zum thermischen Behandeln von Substraten, weist insbesondere ein langgestrecktes im Wesentlichen horizontal angeordnetes Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Wafern; eine Türeinheit an einem Ende des Prozessrohrs zum Öffnen und Schließen des Endes; und eine Heizeinheit des oben beschriebenen Typs auf. Bevorzugt ist ein Endelement des oben beschriebenen Typs an der Innenseite der Türeinheit und ein weiteres Endelement am dem Türmechanismus entgegengesetzten Ende des Prozessrohrs angebracht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Heizeinheit gemäß der Erfindung;
- 2 eine schematische Längsschnitt durch einen Horizontalofen mit einer Heizeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Teilbereichs des Horizontalofens gemäß 2.
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In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen und dienen primär zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Diese Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen soweit sie nicht ausdrücklich beansprucht werden. Weiter bedeuten die Ausdrücke „im Wesentlichen“, „ungefähr“, „etwa“ und ähnliche Ausdrücke, dass Abweichungen von +/-10% bzw. +/-10°, bevorzugt +/-5% bzw. +/-5°, vom genannten Wert zulässig sind.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Heizeinheit 1 für ein Prozessrohr 3 eines Horizontalofens 5, der in den 2 und 3 dargestellt ist. Die Heizethheit 1 wird im Wesentlichen durch eine Vielzahl von teilrohrförmigen oberen Elementen 8, eine Vielzahl von teilrohrförmigen unteren Elementen 10, sowie optionalen Endelementen 12 gebildet, die um ein Proessrohr 3 eines Horizontalofens herum platzierbar sind. Die unteren und oberen Elemente 8, 10 weisen jeweils wenigsten ein nicht näher dargestelltes Widerstands-Heizelement, bevorzugt an der Innenseite des jeweiligen Elements auf, oder die Elemente 8, 10 selbst bilden Widerstands-Heizelemente. Die Elemente 8, 10 sind insbesondere als identische Halbrohre geformt, die geeignet sind einen rohrförmigen Aufnahmeraum für das Prozessrohr 3 dazwischen zu bilden. In einer zusammengebauten Konfiguration sind die Elemente 8, 10 zueinander weisend und vertikal übereinanderliegend derart angeordnet, dass sie das Prozessrohr 3 über eine vorbestimmte Länge radial in einem Winkelbereich von wenigstens 320°, bevorzugt von wenigstens 340° radial umgeben. Dabei können die oberen und unteren Elemente 8, 10 beabstandet zueinander und mit einer thermischen Isolierung dazwischen gehalten werden. Bevorzugt sind die Elemente im Wesentlichen gleich aufgebaut und dimensioniert. Hierdurch wird ein modularer Aufbau einer beliebig langen Heizeinheit aus gleichen Teilen ermöglicht, was die Herstellung wesentlich vereinfacht. In der Darstellung sind fünf Paare aus oberen und unteren Elementen 8, 10 gezeigt. Dadurch werden in Längsrichtung fünf unterschiedliche Heizzonen gebildet, die in auch noch in obere und untere Heizzonen unterteilt sind. Mithin ergeben sich hier zehn Heizzonen.
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Bei einer Ausführungsform ist es aber auch möglich statt separater oberer und unterer Elemente ein durchgängiges Rohrelement vorzusehen, welches die Aufnahme eines Prozessrohrs 3 erlaubt. Ein solches Rohrelement kann in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung benachbarte und separat ansteuerbare Heizelemente aufweisen.
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In 1 sind auch Endelemente 12 dargestellt, die an oder benachbarten zu dem rohrförmigen Aufnahmeraum der oberen und unteren Elemente 8, 10 angeordnet sind. Die Endelemente 12 weisen zum Aufnahmeraum weisend eine Wärmestrahlung hochreflektierende Oberfläche und/oder ein Heizelement auf. Dabei kann die Wärmestrahlung hochreflektierende Oberfläche beispielsweise aus poliertem Aluminium oder Stahl oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Bei der Ausführung mit einem Heizelement kann dieses zum Beispiel aus ein einzelnes Heizelement oder auch als eine zum Beispiel konzentrische Anordnung separat ansteuerbarer Heizelemente ausgebildet sein.
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2 zeigt einen Horizontalofen 5 mit einem Prozessrohr 3 und einer Heizeinheit 1 des zuvor beschriebenen Typs. Die Elemente 8, 10 sind das Prozessrohr 3 radial umgebend und in Längsrichtung benachbart zueinander angeordnet. Die Elemente 8, 10 sind von einer geeigneten Isolierung 15 und einem Gehäuseelement 16umgeben, wie es in der Technik üblich ist. Das Prozessrohr 3 besitzt ein erstes geschlossenes Ende 17 mit einer gewölbten Form und Gasleitungsstutzen 18. Am Ende 17 des Prozessrohrs 1 ist ein Endelement 12 der Heizeinheit 1 angebracht, wobei das Endelement 12 ein aktives Heizelement 19 direkt benachbart zum Ende 17 des Prozessrohrs und eine Isolierung 20 aufweist.
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Das andere Ende 24 des Prozessrohrs 3 ist offen, kann aber über eine Türeinheit 26 geöffnet und geschlossen werden. Am inneren Ende der Türeinheit 26 ist ein Endelement 12, das sich in einer geschlossenen Position der Türeinheit 26 in das Prozessrohr 3 hinein erstreckt. vorgesehen ist. Das Endelement 12 weist wiederum aktives Heizelement 29 auf, das in das Prozessrohr 3 hinein weist sowie eine Isolierung 30 an der Rückseite des Heizelements 29.
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Im inneren des Prozessrohrs 3 ist ein Waferboot 32 mit einer Vielzahl von Wafern 33 dargestellt, das in Längsrichtung des Prozessrohrs 3 ungefähr mittig angeordnet ist. Zu den Enden 17, 24 des Prozessrohrs 3 ist das Waferboot 32 beabstandet angeordnet. Der mittlere Bereich des Prozessrohrs der ca. 50 -60 % der Länge des Prozessrohrs einnimmt wird nachfolgend auch als Wafer-Aufnahmebereich definiert. Dieser Bereich erstreckt sich ungefähr über die Längserstreckung der drei mittleren der fünf in Längsrichtung benachbarten Heizzonen, die durch die oberen und unteren Elemente 8, 10 gebildet werden. Hier ist im Betrieb die homogenste Temperaturverteilung möglich, und
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3 zeigt eine Schnittansicht durch eine solche Heizzone, in der ein oberes Element 8 in Kombination mit einem unteren Element 10 eine (Längs-) Heizzone bilden, die auch noch in eine obere und unterer Heizzone aufgeteilt ist. Ferner sind in 3 auch noch zwei Temperatursensoren 36, 37 dargestellt, wobei der Temperatursensor 36 innerhalb des Prozessrohrs angeordnet ist und der Temperatursensor 37 außerhalb des Prozessrohrs. Insbesondere ist der Temperatursensor 37 in einem Bereich zwischen zueinander weisenden Endbereichen der oberen und unteren Elemente 8, 10 angeordnet.
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Im Betrieb wird ein Waferboot 32 mit Wafern 33 in den Wafer-Aufnahmebereich geladen. Anschließend wird das Prozessrohr 3 über die Türeinheit 26 geschlossen. Das Prozessrohr 3 und die darin aufgenommenen Wafer werden über die Heizeinheit 1 auf eine gewünschte, Temperatur gebracht und es wird eine gewünschte Gasatmosphäre im Prozessrohr 3 eingestellt, um die Wafer 33 zu prozessieren, wie es in der Technik üblich ist.
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Über die Aufteilung der Heizeinheit 1 in obere und untere Heizzonen in Kombination mit in Längsrichtung benachbarten Heizzonen lässt sich die Temperatur über den Wafer-Aufnahmebereich hinweg sehr homogen einstellen. Selbst bei großen Wafern, wie zum Beispiel 30 Zoll Wafern (76,2 cm) konnten insbesondere durch die Aufteilung in oberer und untere Heizzonen vertikale Temperaturgradienten ausgeglichen werden. Durch die zusätzlichen Endelemente 12 können ferner in Längsrichtung des Prozessrohrs auftretenden Endeffekten entgegengewirkt werden, sodass die Endelemente 12 zu einer homogenen Temperaturverteilung im Wafer-Aufnahmebereich beitragen.
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Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Insbesondere können die Endelemente 12 auch ohne eine Aufteilung der radial um das Prozessrohr herum angeordneten in obere und untere Elemente eingesetzt werden. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
