DE112010003998T5

DE112010003998T5 - Vorrichtung und Verfahren zur verbesserten Steuerung des Erwärmens und Abkühlens vonSubstraten

Info

Publication number: DE112010003998T5
Application number: DE112010003998T
Authority: DE
Inventors: Blake Koelmel; Norman L. Tam; Joseph M. Ranish
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-10-25
Also published as: KR101767068B1; CN102576676A; JP2016178322A; US9552989B2; TWI445092B; TW201133633A; TW201442119A; CN108615674A; KR20120082017A; JP2013507775A; JP2018190991A; WO2011044407A2; US20140004716A1; TWI534901B; JP6742366B2; US8548311B2; US20100074604A1; WO2011044407A3

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zum Bearbeiten von Substraten und Steuern des Erwärmens und Abkühlens von Substraten beschrieben. Eine Strahlungsquelle, die Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich liefert, erwärmt das Substrat innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches, wobei das Substrat in einem zweiten Wellenlängenbereich innerhalb des ersten Wellenlängenbereiches und innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches strahlungsabsorbierend ist. Ein Filter hindert mindestens einen Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches daran, das Substrat zu erreichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft allgemein die thermische Bearbeitung von Substraten. Insbesondere betreffen spezielle Ausführungsformen der Erfindung die Pyrometrie während der schnellen thermischen Bearbeitung eines Halbleiters.
STAND DER TECHNIK
Schnelle thermische Bearbeitung (rapid thermal processing, RTP) ist eine gut entwickelte Technologie zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen, bei welcher das Substrat, zum Beispiel ein Siliziumwafer, in einer RTP-Kammer mit optischer Strahlung hoher Intensität bestrahlt wird, um das Substrat schnell auf eine relativ hohe Temperatur zu erwärmen, um einen Prozess in dem Substrat thermisch zu aktivieren. Nachdem das Substrat thermisch bearbeitet worden ist, wird die Strahlungsenergie abgeführt, und das Substrat kühlt schnell ab. RTP als solche ist energieeffizient, da die das Substrat umgebende Kammer nicht auf die erhöhten Temperaturen erwärmt wird, die erforderlich sind, um das Substrat zu bearbeiten, und nur das Substrat erwärmt wird. Anders ausgedrückt, während der RTP befindet sich das bearbeitete Substrat nicht im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, nämlich der Kammer.
Die Herstellung von integrierten Schaltungen aus Silizium oder von anderen Wafern erfordert zahlreiche Schritte des Aufbringens von Schichten, des photolithographischen Strukturierens der Schichten und des Ätzens der strukturierten Schichten. Es wird Ionenimplantation angewendet, um aktive Bereiche in dem halbleitenden Silizium zu dotieren. Der Fertigungsablauf umfasst außerdem thermisches Ausheilen der Wafer für viele Verwendungszwecke, darunter Ausheilen von Implantationsschäden und Aktivierung der Dotanten, Kristallisation, thermische Oxidation und Nitridation, Silicidierung, chemische Dampfphasenabscheidung, Vapor-Phase Doping, thermische Reinigung u. a.
Obwohl das Ausheilen in frühen Stadien der Siliziumtechnologie typischerweise das Erwärmen mehrerer Wafer über lange Zeiträume in eine Temperofen (Ausheilofen) beinhaltete, wird RTP zunehmend angewendet, um die sogar noch strengeren Anforderungen an die Bearbeitung von Substraten mit immer kleineren Parametern der Schaltungseigenschaften zu erfüllen. RTP wird typischerweise in Einzelwaferkammern durch Bestrahlen eines Wafers mit Licht von einer Anordnung von Hochintensitätslampen durchgeführt, das auf die Vorderseite des Wafers gerichtet ist, auf der die integrierten Schaltungen ausgebildet werden. Die Strahlung wird von dem Wafer mindestens teilweise absorbiert und erwärmt ihn rasch auf eine gewünschte hohe Temperatur, zum Beispiel über 600°C, oder bei einigen Anwendungen über 1000°C. Die Strahlungsheizung kann schnell ein- und ausgeschaltet werden, um den Wafer über einen relativ kurzen Zeitraum, zum Beispiel von einer Minute, oder zum Beispiel von 30 Sekunden, spezieller von 10 Sekunden und noch spezieller von einer Sekunde, steuerbar zu erwärmen. Temperaturänderungen in Kammern für die schnelle thermische Bearbeitung (RTP-Kammern) können mit Geschwindigkeiten von mindestens etwa 1°C pro Sekunde bis 50°C pro Sekunde und mehr, zum Beispiel mindestens 100°C pro Sekunde oder mindestens 150°C pro Sekunde, erfolgen.
Während gewisser Prozesse können niedrigere Temperaturen, zum Beispiel von weniger als 600°C, erforderlich sein. Eine Temperatur eines Substrats in einer Bearbeitungskammer kann unter 400°C liegen und kann möglicherweise nur 175°C betragen. Ein Beispiel solcher Prozesse ist das Bilden von Siliciden auf Siliziumwafern. Die Qualität und Leistungsfähigkeit der Bearbeitung eines Substrats wie etwa eines Siliziumwafers in einer Kammer hängt zum Teil von der Fähigkeit ab, eine exakte Temperatursteuerung des Wafers oder Substrats zu gewährleisten und aufrechtzuerhalten. Außerdem würde jede Verbesserung bei der Abkühlgeschwindigkeit des Substrats einen wichtigen Fortschritt bei der schnellen thermischen Bearbeitung von Substraten darstellen. Dementsprechend sind Systeme und Verfahren wünschenswert, um eine bessere Steuerung der Erwärmung von Substraten zu ermöglichen und/oder die Abkühlgeschwindigkeit von Substraten in thermischen Bearbeitungskammern zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG
Bei einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Substrats eine Wärmequelle zum Liefern von Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich und zum Erwärmen des Substrats innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches, wobei das Substrat in einem zweiten Wellenlängenbereich innerhalb des ersten Wellenlängenbereiches und innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches strahlungsabsorbierend ist; einen Prozessbereich, der einen Substrathalter enthält, um das Substrat zu tragen; und ein Filter, das zwischen dem Substrathalter und der Wärmequelle angeordnet ist, um Strahlung von der Wärmequelle zu filtern, derart, dass mindestens ein Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches nicht von dem Substrat absorbiert wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Filter ein reflektierendes Fenster, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird, so dass das Abkühlen des Substrats mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgt als dann, wenn nicht verhindert wird, dass die Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches von dem Substrat absorbiert wird. Bei einer Ausführungsform umfasst das Filter ein reflektierendes Fenster, welches Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches reflektiert, und der zweite Wellenlängenbereich ist ein vorbestimmter Wellenlängenbereich, welcher auf dem Absorptionsgrad des Substrats in Abhängigkeit von der Temperatur basiert.
Bei einer speziellen Ausführungsform umfasst das Substrat Silizium, und der zweite Wellenlängenbereich weist eine untere Grenze auf, die größer als etwa 1000 nm ist. Bei weiteren speziellen Ausführungsformen weist der zweite Wellenlängenbereich eine untere Grenze von etwa 1000 nm und eine obere Grenze von etwa 1300 nm auf, oder eine untere Grenze von etwa 1000 nm und eine obere Grenze von etwa 1200 nm.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Filter ein absorbierendes Fenster, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird. Bei einer Ausführungsform umfasst das Substrat Silizium, und der zweite Wellenlängenbereich weist eine untere Grenze auf, welche über etwa 900 nm liegt.
Bei einer speziellen Ausführungsform umfasst die Wärmequelle Lampen, und der zweite Wellenlängenbereich ist auf der Basis der Zusammensetzung des Substrats und der maximalen Emission der Wärmequelle in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie ausgewählt, um eine verbesserte Vorhersagbarkeit der Erwärmung des Substrats in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie zu erzielen.
Bei speziellen Ausführungsformen, welche ein reflektierendes Fenster verwenden, dient das reflektierende Fenster dazu, einen vorausgewählten prozentualen Anteil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches und einen anderen vorausgewählten prozentualen Anteil der Strahlung innerhalb eines dritten Wellenlängenbereiches, der von dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist, zu blockieren.
Bei anderen speziellen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner einen Prozessor, welcher die Energiemenge und das Zeitintervall, während dessen den Lampen Energie zugeführt wird, um eine vorbestimmte maximale Heizelementtemperatur zu erzeugen, steuert, um ein optimiertes Abkühlungsprofil für die Lampe zu verschaffen, um die Wärmeexposition eines Substrats in dem Prozessbereich zu verringern.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats in einer Kammer für schnelle thermische Bearbeitung (RTP-Kammer), welches umfasst: schnelles Erwärmen des Substrats mit einer Wärmequelle, welche Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich erzeugt, innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches, wobei das Substrat in einem zweiten Wellenlängenbereich innerhalb des ersten Wellenlängenbereiches und innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches strahlungsabsorbierend ist; und Filtern von Strahlung von der Wärmequelle, derart, dass mindestens ein Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches nicht von dem Substrat absorbiert wird.
Bei speziellen Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt das Filtern von Strahlung von der Wärmequelle durch ein reflektierendes Fenster, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird, und das Abkühlen des Substrats erfolgt mit einer höheren Geschwindigkeit als dann, wenn nicht verhindert wird, dass die Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches von dem Substrat absorbiert wird. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist der zweite Wellenlängenbereich ein vorbestimmter Wellenlängenbereich, welcher auf dem Absorptionsgrad des Substrats in Abhängigkeit von der Temperatur basiert.
Bei speziellen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst das Substrat Silizium, und der zweite Wellenlängenbereich weist eine untere Grenze auf, die größer als etwa 1000 nm ist, zum Beispiel eine untere Grenze von etwa 1000 nm und eine obere Grenze von etwa 1300 nm, oder, spezieller, eine untere Grenze von etwa 1000 nm und eine obere Grenze von etwa 1200 nm.
Bei einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Filtern von Strahlung von der Wärmequelle durch ein absorbierendes Fenster, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird.
Bei anderen speziellen Ausführungsformen des Verfahrens enthält das Fenster ferner einen Absorber, der dazu dient, mindestens einen Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches daran zu hindern, das Substrat zu erreichen, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird. Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens enthält das Fenster ferner einen Absorber, der dazu dient, mindestens einen Teil der Strahlung oberhalb einer bestimmten Wellenlänge daran zu hindern, das Substrat zu erreichen, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird.
Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst das Substrat Silizium, und der zweite Wellenlängenbereich weist eine untere Grenze auf, welche über etwa 900 nm liegt.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Wärmequelle Lampen, und der zweite Wellenlängenbereich ist auf der Basis der Zusammensetzung des Substrats und der maximalen Emission der Wärmequelle in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie ausgewählt, um eine verbesserte Vorhersagbarkeit der Erwärmung des Substrats in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie zu erzielen, verglichen mit dem Fall, wenn die Filterung nicht durchgeführt wird. Das Verfahren kann ferner das Steuern der Energiemenge und des Zeitintervalls, während dessen den Lampen Energie zugeführt wird, um eine vorbestimmte maximale Heizelementtemperatur zu erzeugen, umfassen, um ein optimiertes Abkühlungsprofil für die Lampe zu verschaffen, um die Wärmeexposition eines Substrats in der Kammer zu verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kammer zur schnellen thermischen Bearbeitung (RTP-Kammer) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 zeigt eine andere Schnittdarstellung einer RTP-Kammer gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3A und 3B zeigen Diagramme der Filtertransmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Wärmequelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
5A ist eine schematische Teilschnittansicht einer Bearbeitungskammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5B ist eine schematische Teilschnittansicht einer Bearbeitungskammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine schematische Teilschnittansicht einer Bearbeitungskammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt zwei Diagramme von Strahlungsfilter-Charakteristiken gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt ein Diagramm mit Kurven der Strahlungsabsorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
9 zeigt ein Diagramm mit Kurven der Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
10 zeigt die Verteilung der Lampenstrahlung über gewissen Wellenlängen;
11 zeigt die Absorption von Strahlung durch ein Substrat über gewissen Wellenlängen;
12 zeigt Charakteristiken der Filtertransmission für verschiedene Beschichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
13A–D zeigen die Verteilung des Absorptionsgrades der Strahlung durch ein Substrat in Abhängigkeit von Quellenleistung, Temperatur und Wellenlängen bei Anwendung einer ersten Filterbeschichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
14A–D zeigen die Verteilung des Absorptionsgrades der Strahlung durch ein Substrat in Abhängigkeit von Quellenleistung, Temperatur und Wellenlängen bei Anwendung einer zweiten Filterbeschichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevor verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion oder die Prozessschritte beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung dargelegt sind. Die Erfindung kann in anderen Ausführungsformen verwirklicht und auf verschiedene Weise praktisch umgesetzt oder ausgeführt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung wird eine thermische Bearbeitungskammer zur Bearbeitung eines Substrats wie etwa eines Halbleiterwafers bereitgestellt. Die Wafertemperatur wird durch Strahlungspyrometrie gemessen. Die Wafertemperatur kann durch Strahlungspyrometrie bestimmt werden, indem das Emissionsvermögen (Emissivität) des Substrats bestimmt wird und bekannte Strahlungsgesetze angewendet werden, um ein Pyrometer für genaue Temperaturmessungen zu kalibrieren. Die Strahlung innerhalb der Bandbreite oder des Wellenlängenbereiches des Pyrometers, welche von der Wärmequelle (z. B. den Lampen) stammt, hat einen störenden Einfluss auf die Interpretation des Pyrometersignals, wenn diese Strahlung von dem Pyrometer detektiert wird. Dies kann auf das Entweichen von Quellenstrahlung in der Kammer, welche das Pyrometer erreicht, zurückzuführen sein, oder auf Quellenstrahlung, welche das Pyrometer erreicht, wenn der Wafer ”durchlässig” gegenüber Quellenstrahlung ist. Dies kann zum Beispiel bei Siliziumwafern während eines Betriebs der Kammer bei Temperaturen auftreten, die unter 450°C oder bei nur 25°C liegen.
1 zeigt schematisch eine Kammer zur schnellen thermischen Bearbeitung (RTP-Kammer) 10. Peuse et al. beschreiben weitere Einzelheiten dieses Typs eines Reaktors und seiner Messgeräteausrüstung in den US-Patentschriften Nr. 5,848,842 und 6,179,466 . Ein Wafer 12, zum Beispiel ein Halbleiterwafer wie etwa ein Siliziumwafer, der thermisch bearbeitet werden soll, wird durch das Ventil oder den Zugangskanal 13 in den Prozessbereich 18 der Kammer 10 eingeführt. Der Wafer 12 wird an seinem Umfang von einem Substrathalter getragen, der bei dieser Ausführungsform als ein Randring 14 dargestellt ist, der eine ringförmige geneigte Auflage 15 aufweist, welche die Ecke des Wafers 12 berührt. Ballance et al. beschreiben den Randring und seine Stützfunktion in der US-Patentschrift Nr. 6,395,363 umfassender. Der Wafer ist so ausgerichtet, dass bearbeitete Merkmale 16, die in einer Vorderfläche des Wafers 12 bereits ausgebildet sind, nach oben gewandt sind, bezogen auf das nach unten gerichtete Schwerefeld, zu einem Prozessbereich 18 bin, der auf seiner Oberseite durch ein lichtdurchlässiges Quarzfenster 20 definiert ist. Im Gegensatz zu der schematischen Darstellung stehen die Merkmale 16 meist nicht wesentlich bezüglich der Oberfläche des Wafers 12 vor, sondern stellen eine Strukturierung innerhalb und in der Nähe der Ebene der Oberfläche dar. Drei Hubstifte 22 können angehoben und abgesenkt werden, um die Rückseite des Wafers 12 zu stützen, wenn der Wafer zwischen einem Paddel oder Roboterblatt (robot blade) (nicht dargestellt) übergeben wird, das den Wafer in die Kammer und auf den Randring 14 bringt. Eine Strahlungsheizvorrichtung 24 ist über dem Fenster 20 positioniert, um Strahlungsenergie in Richtung des Wafers 12 zu lenken und ihn so zu erwärmen. In dem Reaktor oder der Bearbeitungskammer 10 weist die Strahlungsheizvorrichtung eine große Anzahl, wobei 409 eine beispielhafte Anzahl ist, von Wolfram-Halogenlampen hoher Intensität 26 auf, die in jeweiligen reflektierenden Rohren 27 positioniert sind, die in einer sechseckigen, dicht gepackten Anordnung über dem Fenster 20 angeordnet sind. Die Anordnung von Lampen 26 wird manchmal als der Lampenkopf (lamphead) bezeichnet. Jedoch können stattdessen auch andere Strahlungsheizvorrichtungen verwendet werden. Im Allgemeinen beinhalten diese eine Widerstandsheizung, um die Temperatur der Strahlungsquelle schnell zu erhöhen. Zu den Beispielen geeigneter Lampen gehören Quecksilberdampflampen, die eine Hülle aus Glas oder Siliziumdioxid aufweisen, die einen Glühfaden umgibt, und Blitzlampen, welche eine Hülle aus Glas oder Siliziumdioxid umfassen, die ein Gas wie etwa Xenon umgibt, welches eine Wärmequelle liefert, wenn dem Gas Energie zugeführt wird. Der Begriff ”Lampe”, wie er hier verwendet wird, soll Lampen umfassen, die eine Hülle aufweisen, welche eine Wärmequelle umgibt. Als ”Wärmequelle” einer Lampe wird ein Material oder Element bezeichnet, welches die Temperatur des Substrats erhöhen kann, zum Beispiel ein Glühfaden oder ein Gas, dem Energie zugeführt werden kann.
Der Begriff ”schnelle thermische Bearbeitung” (rapid thermal processing) oder ”RTP”, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Vorrichtung oder einen Prozess, die bzw. der in der Lage ist, einen Wafer mit Geschwindigkeiten von etwa 50°C/Sekunde und höher gleichmäßig zu erwärmen, zum Beispiel mit Geschwindigkeiten von 100°C bis 150°C/Sekunde und 200°C bis 400°C/Sekunde. Typische Abkühlgeschwindigkeiten in RTP-Kammern liegen im Bereich von 80–150°C/Sekunde. Einige Prozesse, die in RTP-Kammern durchgeführt werden, erfordern Temperaturabweichungen innerhalb des Substrats von weniger als ein paar Grad Celsius. Somit muss eine RTP-Kammer eine Lampe oder ein anderes geeignetes Heizsystem und eine Heizsystemsteuerung enthalten, die in der Lage sind, eine Erwärmung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100°C bis 150°C/Sekunde und 200°C bis 400°C/Sekunde durchzuführen, was Kammern für schnelle thermische Erwärmung von anderen Typen thermischer Kammern unterscheidet, welche kein Heizsystem und Heizsteuerungssystem aufweisen, das zu einer schnellen Erwärmung mit diesen Geschwindigkeiten in der Lage ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch zum Flash-Annealing (Blitz-Ausheilen) angewendet werden. Der Begriff ”Flash-Annealing”, wie er hier verwendet wird, bezeichnet das Ausheilen (Annealing) einer Probe in weniger als 5 Sekunden, insbesondere von weniger als 1 Sekunde, und bei einigen Ausführungsformen in Millisekunden.
Es ist wichtig, die Temperatur in dem gesamten Wafer 12 so zu steuern, dass sie einer in engen Grenzen definierten, einheitlichen Temperatur in dem gesamten Wafer 12 entspricht. Ein passives Mittel, um die Einheitlichkeit zu verbessern, enthält einen Reflektor 28, der sich parallel zu einem und über einen Bereich erstreckt, der größer als der Wafer 12 ist und der Rückseite des Wafers 12 zugewandt ist. Der Reflektor 28 reflektiert wirksam Wärmestrahlung, die von dem Wafer 12 ausgesendet wird, zurück zu dem Wafer 12. Der Abstand zwischen dem Wafer 12 und dem Reflektor 28 kann innerhalb des Bereiches von 3 bis 9 mm liegen, und das Aspektverhältnis der Breite zur Dicke des Hohlraums ist vorteilhafterweise größer als 20. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Reflektorplatte angewendet, um das scheinbare Emissionsvermögen eines Substrats wie etwa eines Wafers zu verbessern. Der Reflektor 28, welcher von einer Goldbeschichtung oder einem mehrschichtigen dielektrischen Interferenzspiegel gebildet sein kann, bildet im Grunde einen Schwarzkörperhohlraum an der Rückseite des Wafers 12, welcher bestrebt ist, Wärme von wärmeren Abschnitten 12 des Wafers 12 zu kühleren Abschnitten umzuverteilen. Bei anderen Ausführungsformen, wie sie zum Beispiel in den US-Patentschriften Nr. 6,839,507 und 7,041,931 offenbart sind, kann der Reflektor 28 eine unregelmäßigere Oberfläche aufweisen, oder er kann eine schwarz oder anders gefärbte Oberfläche aufweisen. Der Schwarzkörperhohlraum ist mit einer Strahlung ausgefüllt, deren Verteilung gewöhnlich als eine Planck-Verteilung beschrieben werden kann und die der Temperatur des Wafers 12 entspricht, während die Strahlung von den Lampen 26 eine Verteilung aufweist, die der wesentlich höheren Temperatur der Lampen 26 entspricht. Der Reflektor 28 kann auf einen wassergekühlten Träger 53 aufgebracht sein, der aus Metall besteht, um Wärme von überschüssiger Strahlung von dem Wafer abzuleiten, insbesondere während der Abkühlung. Dementsprechend weist der Prozessbereich der Bearbeitungskammer mindestens zwei im Wesentlichen parallele Wände auf, von denen eine erste ein Fenster 20 ist, das aus einem strahlungsdurchlässigen Material wie etwa Quarz hergestellt ist, und eine zweite Wand 53 im Wesentlichen parallel zu der ersten Wand ist, aus Metall hergestellt ist und im Wesentlichen nicht durchlässig ist.
Ein Weg, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern, besteht im Abstützen des Randrings 14 auf einem drehbaren Zylinder 30, welcher mit einem außerhalb der Kammer positionierten drehbaren Flansch 32 magnetisch gekoppelt ist. Ein Rotor (nicht dargestellt) dreht den Flansch 32 und dreht folglich den Wafer um seine Mittelachse 34, welche zugleich die Mittellinie der im Allgemeinen symmetrischen Kammer ist.
Ein anderer Weg, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern, besteht in der Aufteilung der Lampen 26 in Bereiche, die im Allgemeinen ringförmig um die Mittelachse 34 herum angeordnet sind. Steuerschaltungen variieren die Spannung, die den Lampen 26 in den verschiedenen Bereichen zugeführt wird, um dadurch die radiale Verteilung der Strahlungsenergie an die Erfordernisse anzupassen. Eine dynamische Steuerung der in Bereiche aufgeteilten Heizung wird durch ein oder mehrere Pyrometer 40 bewirkt, die über ein oder mehrere optische Lichtrohre 42, die so positioniert sind, dass sie durch Öffnungen in dem Reflektor 28 hindurch der Rückseite des Wafers 12 zugewandt sind, so geschaltet sind, dass sie die Temperatur entlang eines Radius des rotierenden Wafers 12 messen. Die Lichtrohre 42 können aus verschiedenen Strukturen ausgebildet sein, darunter Saphir, Metall und Siliziumdioxidfasern. Eine computergestützte Steuereinrichtung 44 empfängt die Ausgänge der Pyrometer 40 und steuert dementsprechend die Spannungen, die den verschiedenen Ringen von Lampen 26 zugeführt werden, um dadurch die Intensität und das Muster der Strahlungsheizung während der Bearbeitung dynamisch zu steuern. Pyrometer messen im Allgemeinen eine Lichtstärke in einem schmalen Wellenlängenband von zum Beispiel 40 nm in einem Bereich von etwa 700 bis 1000 nm. Die Steuereinrichtung 44 oder eine andere Apparatur wandelt die Lichtstärke über die wohlbekannte Planck-Verteilung der Spektralverteilung des Lichtes, das von einem bei der betreffenden Temperatur gehaltenen schwarzen Körper ausgestrahlt wird, in eine Temperatur um. Die Pyrometrie wird jedoch durch das Emissionsvermögen des Abschnitts des Wafers 12 beeinträchtigt, welcher abgetastet wird. Das Emissionsvermögen ε kann zwischen 1 für einen schwarzen Körper und 0 für einen perfekten Reflektor variieren und ist somit ein inverses Maß des Reflexionsvermögens R = 1 – ε der Rückseite des Wafers. Obwohl die Rückseite eines Wafers typischerweise gleichförmig ist, so dass ein gleichmäßiges Emissionsvermögen zu erwarten ist, kann die Zusammensetzung der Rückseite in Abhängigkeit von einer früheren Bearbeitung auch variieren. Die Pyrometrie kann verbessert werden, indem zusätzlich ein Emissometer integriert wird, um den Wafer optisch abzutasten, um das Emissionsvermögen oder Reflexionsvermögen des Abschnitts des Wafers, dem es gegenüberliegt, in dem relevanten Wellenlängenbereich zu messen, und indem der Steuerungsalgorithmus innerhalb der Steuereinrichtung 44 das gemessene Emissionsvermögen berücksichtigt.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Trennung zwischen dem Substrat 12 und dem Reflektor 28 von dem gewünschten Wärmefluss für das gegebene Substrat 12 abhängig. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 12 in einem größeren Abstand von dem Reflektor 28 angeordnet sein, um den Wärmefluss zu dem Substrat zu verringern. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Substrat 12 näher an dem Reflektor 28 angeordnet sein, um den Wärmefluss zu dem Substrat 12 zu erhöhen. Die genaue Position des Substrats 12 während der Erwärmung des Substrats 12 und die Verweildauer in einer bestimmten Position hängen von der gewünschten Größe des Wärmeflusses zu dem Substrat 12 ab.
Bei einer anderen Ausführungsform, wenn sich das Substrat 12 in einer niedrigeren Position in der Nähe des Reflektors 28 befindet, erhöht sich die Wärmeleitung von dem Substrat 12 zu dem Reflektor 28 und verbessert den Kühlprozess. Die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit begünstigt wiederum einen optimalen Ablauf der RTP. Wenn das Substrat 12 näher an dem Reflektor 28 positioniert ist, verringert sich der Grad der thermischen Exposition proportional hierzu. Die in 1 dargestellte Ausführungsform ermöglicht es, den Träger des Substrats 12 leicht in verschiedenen vertikalen Positionen innerhalb der Kammer schweben zu lassen, um eine Steuerung der thermischen Exposition des Substrats zu ermöglichen. Es versteht sich, dass die in 1 dargestellte Konfiguration nicht als einschränkend anzusehen ist. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf Konfigurationen beschränkt, bei denen die Wärmequelle oder die Lampe auf eine Seite oder Fläche des Substrats gerichtet sind und die Pyrometer auf die gegenüberliegende Seite des Wafers gerichtet sind.
Wie oben angemerkt, wird die Wafertemperatur in dem Prozessbereich einer Bearbeitungskammer gewöhnlich durch Strahlungspyrometrie gemessen. Obwohl Strahlungspyrometrie höchst genau sein kann, kann Strahlung, welche sich innerhalb der Bandbreite des Strahlungspyrometers befindet und welche von der Wärmequelle stammt, die Interpretation des Pyrometersignals störend beeinflussen, wenn diese Strahlung von dem Pyrometer detektiert wird. In RTP-Systemen von Applied Materials wird dieser Störeinfluss durch das Prozess-Kit und durch den Wafer selbst auf ein Minimum begrenzt. Das Prozess-Kit koppelt den Wafer mit dem Rotationssystem. Es kann einen Stützzylinder enthalten, welcher in 1 als 30 dargestellt ist. Es kann außerdem einen Stützring enthalten, welcher in den Figuren nicht dargestellt ist, welcher jedoch bei gewissen Konfigurationen von Bearbeitungskammern verwendet werden kann. Ein solcher Stützring ist im Prinzip ein Hilfs-Randring, welcher den Randring stützt, der in 1 als 14 dargestellt ist.
Im Allgemeinen kann ein oder können mehrere Pyrometer 40, wie in 1 dargestellt, auf eine solche Weise positioniert sein, dass das Substrat oder der Wafer 12 die Strahlungsquelle 26 gegenüber dem Pyrometer abschirmt. Ein Substrat wie etwa ein Wafer ist für Wellenlängen, die etwa 1100 nm betragen oder größer sind, weitgehend strahlungsdurchlässig. Dementsprechend besteht ein Weg, die Strahlung der Wärmequelle daran zu hindern, das Pyrometer zu erreichen, darin, die Strahlung bei Wellenlängen zu messen, bei denen das Substrat im Wesentlichen undurchlässig gegenüber der Wellenlänge sein kann. Für einen Siliziumwafer können solche Wellenlängen bei etwa 1100 nm und darunter liegen. Trotzdem können, wie oben angemerkt, die Prozess-Kits Quellenstrahlung ”durchsickern lassen”, und nicht alle Wafer sind bei der Pyrometer-Bandbreite undurchlässig, insbesondere wenn der Wafer niedrigere Temperaturen, von etwa 450°C und darunter, aufweist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Temperatur etwa 400°C und weniger betragen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Temperatur etwa 250°C und weniger betragen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Temperatur hoch sein und kann über dem Schmelzpunkt des Substrats, wie etwa eines Wafers, der in der Kammer bearbeitet wird, liegen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine Lösung für die von der Wärmequelle stammende Strahlung, die entweder ”durchsickert” oder durch das Substrat durchgelassen wird, darin, zu verhindern, dass die Quellenstrahlung in der Pyrometer-Bandbreite den Wafer erreicht. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Strahlung in der Pyrometer-Bandbreite zu der Quelle zurück reflektiert. Dies kann geschehen, indem das Fenster 20 in 1, welches die Wärmequelle von dem Prozessbereich 18 trennt, mit einem Material 51 beschichtet wird, welches die Strahlung in der Pyrometer-Bandbreite reflektiert und gleichzeitig ermöglicht, dass eine ausreichende Quellenstrahlung für die Erwärmung das Fenster 20 passiert. Ein Film aus einer reflektierenden Beschichtung 50 kann auf der Seite des Fensters angebracht werden, welche der Wärmequelle zugewandt ist, wie in 1 dargestellt. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Material 51 eine reflektierende Schicht 51 sein, die auf der dem Substrat zugewandten Seite des Fensters 20 angebracht ist, wie in 2 dargestellt. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine reflektierende Schicht auf beiden Seiten des Fensters angebracht sein. Bei einer speziellen Ausführungsform ist das gesamte Fenster 20 vollständig mit einer reflektierenden Schicht bedeckt, und es ist keine Lücke oder Öffnung in der Beschichtung vorhanden. Anders ausgedrückt, das Fenster 20, das eine reflektierende Schicht ohne Unterbrechung in der reflektierenden Schicht auf dem Fenster 20 umfasst, trennt das Substrat von der Wärmequelle. Es ist kein durchlässiges Segment in dem Fenster 20 vorhanden, welches die zusammenhängende reflektierende Schicht auf dem Fenster 20 trennt oder unterbricht.
Dadurch, dass das Fenster 20 mit einer reflektierenden Beschichtung in einem Bereich von Wellenlängen bedeckt wird, bei welchen ein Pyrometer empfindlich ist, erreicht im Wesentlichen keine Strahlung in diesem Wellenlängenbereich, welche direkt von der Wärmequelle kommt, das Pyrometer. Dementsprechend kommt, wenn das Pyrometer Strahlung in dem Wellenlängenbereich detektiert, die Strahlung nur oder im Wesentlichen nur von dem Substrat, selbst wenn das Substrat für den betreffenden Wellenlängenbereich durchlässig ist, zum Beispiel bei einem Siliziumwafer, der bei Temperaturen unter etwa 400°C bearbeitet wird, und spezieller unter etwa 250°C. Die Verwendung der reflektierenden Schicht verbessert die Genauigkeit des Pyrometers.
Bei einer Ausführungsform kann das Fenster 20 von der Kammer entfernt werden und mit einer oder mehreren Schichten der reflektierenden Schicht bedeckt werden. Das Reflexionsverhalten des Films hängt von den ausgewählten Materialien, der Anzahl der Schichten und der Dicke der Schichten ab. Prozesse und Anbieter von Leistungen zur Bereitstellung von Fenstern mit dünnen Schichten einer reflektierenden Schicht zur Reflexion in einem festgelegten Wellenlängenbereich sind bekannt. Ein Anbieter solcher Beschichtungs-Dienstleistungen ist zum Beispiel JDS Uniphase. Materialien, welche in einer reflektierenden Schicht bei einer Ausführungsform des Films verwendet werden können, können abwechselnde Schichten aus einer im Allgemeinen beliebigen Kombination von dielektrischen Materialien mit hohem Index und niedrigen Index sein, welche im Wesentlichen durchlässig für den größten Teil der Strahlung sind, die von der Wärmequelle ausgesendet wird, wie etwa Titandioxid-Siliziumdioxid oder Tantaloxid-Siliziumdioxid. Bei einer Ausführungsform besteht die reflektierende Schicht aus SiO₂- und Ta₂O₅-Schichten. Bei einer anderen Ausführungsform besteht die reflektierende Schicht aus SiO₂ und TiO₂. Bei einer speziellen Ausführungsform umfasst die äußerste Schicht SiO₂.
Bei einer Ausführungsform können die Schichten mehrere (dünne) Schichten aus optisch durchlässigen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufweisen, welche manchmal als dielektrische Spiegel bezeichnet werden. Die Schichten können auf ein Substrat wie etwa ein Fenster 20 aufgebracht sein. Ein mehrschichtiger dielektrischer Spiegel kann als ein reflektierendes Filter arbeiten, in dem Strahlung reflektiert wird. Strahlung kann selektiv reflektiert werden, in Abhängigkeit, neben anderen Elementen, von der Wellenlänge der Strahlung, dem Einfallswinkel der Strahlung, Eigenschaften des aufgebrachten dielektrischen Materials, darunter dem Brechungsindex des aufgebrachten dielektrischen Materials, der Dicke jeder Schicht, der Anzahl der Schichten mit den verschiedenen Dicken und der Anordnung der Schichten. Die Filtereigenschaften eines mehrschichtigen dielektrischen Spiegels können durch ein Diagramm veranschaulicht werden, wie das Diagramm 300 von 3A. Ein solches Diagramm zeigt den Transmissionsgrad der Strahlung in Prozent, bezogen auf die einfallende Strahlung, in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung. Wie aus 3A ersichtlich ist, wird innerhalb eines Bereiches von etwa 700 nm bis 1200 nm keine Strahlung durchgelassen, während zum Beispiel deutlich oberhalb von 1200 nm mehr als 95% der Strahlung durchgelassen werden. Dieses Filter, welches in 3A dargestellt ist, kann als ein Bandsperrfilter oder ein Kerbfilter (Notch-Filter) charakterisiert werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform muss nur das Fenster 20 als Teil des Prozessbereiches beschichtet sein. Ferner ist bei einer speziellen Ausführungsform das Fenster vollständig beschichtet, ohne Öffnungen in der Schicht. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Fenster 20 herausnehmbar. Hierdurch kann eine Instandhaltung der Beschichtung durch Reparatur oder erneute Aufbringung des Films oder ein Austausch des Fensters gegen ein Ersatzfenster relativ leicht vorgenommen werden. Bei speziellen Ausführungsformen ist die Wand 53 nicht beschichtet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Pyrometer verwendet, um relativ niedrige Temperaturen unter etwa 400°C oder unter etwa 250°C bis etwa 175°C durch Detektieren von Strahlung mit dem Pyrometer in einem Wellenlängenbereich von etwa 700–1100 nm zu messen. Der Bereich der Wellenlängen, die von einer Wärmequelle in einer Bearbeitungskammer ausgestrahlt werden, reicht gewöhnlich von unter 700 nm bis über 5,5 Mikrometer. Materialien wie Quarz werden bei Wellenlängen über 5,5 Mikrometer undurchlässig. Wenn Strahlung mit Wellenlängen zwischen etwa 700–1100 nm zurück zu der Wärmequelle reflektiert wird, ist noch immer ausreichend Strahlung mit anderen Wellenlängen von der Quelle verfügbar, um das Substrat auf Temperaturen unter etwa 400°C zu erwärmen.
Bei einer Ausführungsform ist die reflektierende Schicht ein Breitband-Reflexionsfilter. Bei einer Ausführungsform arbeitet es als ein Reflexionsfilter mit einem maximalen Reflexionsverhältnis von etwa 100% oder mit einem maximalen Verhältnis von Reflexion zu Transmission von etwa nicht weniger als 1000 in einem Bereich von 700 nm bis 1100 nm. Eine relative Bandbreite ist hierin definiert als
wobei λ_center die Wellenlänge bei dem arithmetischen Durchschnitt von λ_high und λ_low ist. Hierbei wird λ_low bestimmt als die Wellenlänge, oberhalb welcher die gemessene Reflexion 50% der gemessenen einfallenden Strahlung beträgt, und λ_high wird bestimmt als die Wellenlänge, unterhalb welcher die gemessene Reflexion 50% der gemessenen einfallenden Strahlung beträgt.
Dieser Aspekt ist in 3A und 3B dargestellt, welche eine modellierte Kennlinie des Transmissionsgrades eines Filters gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen. 3A zeigt den Transmissionsgrad auf einer linearen Skala als eine Funktion der Wellenlänge. 3B zeigt den Transmissionsgrad auf einer logarithmischen Skala. Der Pfeil 303 bezeichnet in beiden Diagrammen den 50%-Punkt zur Bestimmung der relativen Bandbreite dieses Filters. Die relative Bandbreite dieses Filters beträgt am 50%-Punkt etwa 500 nm.
Die Reflexionseigenschaften einer mehrschichtigen reflektierenden Schicht hängen von der Wellenlänge der Strahlung ab. Das Verhältnis von Reflexion zu Transmission hängt außerdem von dem Einfallswinkel (Angle of Incidence, AOI) von einer Quelle zur Oberfläche des Films ab. Bei einer Ausführungsform ist eine reflektierende Schicht für ein Verhältnis von Reflexion zu Transmission auf der Basis einer Strahlung, die eine Lampe verlässt, mit einem AOI von nicht mehr als 45° ausgelegt.
Bei einer Ausführungsform ist ein Filter, welches den größten Teil einer Quellenstrahlung durchlässt und die Strahlung der Pyrometer-Bandbreite reflektiert, entweder auf der äußeren oder auf der inneren oder auf beiden Flächen eines Fensters angeordnet, welches eine Wärmequelle von der oben vorgesehenen Bearbeitungskammer trennt. Der Begriff ”Fenster”, wie er hier verwendet wird, bezeichnet Material zwischen dem Substrat und der Wärmequelle. Bei Ausführungsformen, bei welchen die Wärmequelle eine Lampe ist, soll der Begriff ”Fenster” die Lampenhülle beinhalten, welche typischerweise aus Quarz oder einem beliebigen anderen geeigneten Material hergestellt ist.
Somit kann bei einer weiteren Ausführungsform das Filter auch auf der inneren oder äußeren Fläche einer Hülle einer Strahlungsquelle oder auf beiden Flächen angeordnet sein. Eine Darstellung dieses Aspekts zeigt 4, mit einer Schicht 401 außerhalb einer Hülle 402 auf einer Lampe 400. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Wirkungsgrad der Wärmequelle dadurch erhöht werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Leistungsfähigkeit eines Pyrometers in einem festgelegten Wellenlängenbereich verbessert werden, indem ein Absorbermaterial zu der reflektierenden Schicht hinzugefügt wird, in einer Schicht zwischen zwei reflektierenden Schichten des Films. Der Absorber kann auch Teil des Substrats sein, auf das eine reflektierende Schicht aufgebracht wird, in der Form eines Dotierungsstoffes oder Zusatzmaterials. Somit kann das Substrat, auf welches die Schicht aufgebracht wird, teilweise absorbierend sein. Das Substrat, auf das die reflektierende Schicht aufgebracht wird, kann auch mit einem Material dotiert werden, welches die Absorptionseigenschaften des Substrats verbessert. Das Substrat mit der reflektierenden Schicht ist ein Fenster wie das Fenster 20 in 1 und 2. Bei anderen Ausführungsformen kann ein absorbierendes Fluid zwischen einem Paar von Fensterscheiben vorgesehen sein. Der Absorber muss etwas in der Pyrometer-Bandbreite absorbieren, kann jedoch auch in anderen Spektralbereichen absorbieren, wenn auch nicht so viel in dem Bereich der Strahlungsquelle. Da die zwei reflektierenden Filme, entweder auf gegenüberliegenden Seiten eines einzigen Fensters oder auf zwei getrennten Fenstern, die voneinander beabstandet angeordnet sind, wie ein Spiegelkabinett für die Pyrometer-Bandbreite wirken können, wird die Gesamtwirkung der Absorption verstärkt. Jedes beliebige Material, das Strahlung in der Pyrometer-Bandbreite absorbiert, bis zu einem Umfang etwas, jedoch weniger als ein paar Prozent über dem Strahlungsspektrum, welches Quarz passiert (ca. 0,4 bis 4 Mikrometer), ist geeignet. Bei einer Ausführungsform sind Seltenerdoxide ein ausgezeichneter Kandidat dafür, als ein Absorbermaterial zu der reflektierenden Schicht oder dem Substrat zugegeben zu werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Bandpass-Absorber (wie etwa Si), welcher mehr Quellenstrahlung als Pyrometerstrahlung durchlässt, zu der Schicht oder dem Substrat zugegeben werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein allgemeines absorbierendes Material zu der Schicht zugegeben werden, zum Beispiel Kohlenstoff, Metalle, andere Oxide, die mit den Schichtmaterialien oder Fenstermaterial (Substratmaterial) mischbar sind. Fenstermaterialien können Quarz, Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Gläser oder andere, im Wesentlichen transparente Keramiken umfassen.
5A und 5B zeigen schematisch das Prinzip der Hinzufügung eines Absorbermaterials zu einem Filter. Wie in 5A dargestellt, enthält die Kammer 500 eine Wärmequelle 502, welche ein Lampenkopf sein kann, und ein Fenster 508 mit einer ersten oder oberen Fläche, die der Wärmequelle 502 zugewandt ist, und einer zweiten oder unteren Fläche, die einem Wafer 512 zugewandt ist, welcher durch Strahlung über einen Strahlungsweg erwärmt wird, der durch Pfeile 504 dargestellt ist. Wie oben angemerkt, können eine oder zwei reflektierenden Beschichtungen, welche dielektrische mehrschichtige Filter sein können, auf dem Fenster 508 vorgesehen sein, von denen jede Strahlung in einem Band von Strahlungswellenlängen reflektiert, in welchem ein Pyrometer arbeitet. Dieser Typ einer Filteranordnung kann als ein ”Kerbfilter” beschrieben werden, wobei eine Kerbe ein Reflexionsband bezeichnet. Bei einer ersten Ausführungsform kann eine erste reflektierende Beschichtung in der Form eines dielektrischen mehrschichtigen Kerbfilters 506 nur auf der oberen Fläche des Fensters 508 angeordnet sein. Dieses mehrschichtige Kerbfilter 506 kann als ein ”oberer Filterstapel” bezeichnet werden, wobei der Stapel von mehreren dielektrischen Schichten gebildet wird. Die Position ”oben” ist durch die Tatsache definiert, dass das Filter sich auf derjenigen Fensterseite befindet, welche von dem Wafer 512 am weitesten entfernt ist. Bei einer zweiten Ausführungsform ist eine zweite reflektierende Beschichtung in der Form eines dielektrischen mehrschichtigen Kerbfilters 510 nur auf der unteren Fläche des Fensters 508 angeordnet. Dieses mehrschichtige Kerbfilter 510 kann als ein ”unterer Filterstapel” bezeichnet werden, wobei der Stapel von mehreren dielektrischen Schichten gebildet wird. Die Position ”unten” ist durch die Tatsache definiert, dass das Filter sich auf derjenigen Fensterseite befindet, welche dem Wafer 512 am nächsten ist. Bei der in 5A dargestellten Ausführungsform sind sowohl ein oberer Filterstapel 506 als auch ein unterer Filterstapel 510 auf das Fenster 508 aufgebracht.
Wie oben erläutert, wird das einzelne dielektrische mehrschichtige Filter oder werden die dualen dielektrischen mehrschichtigen Filter aufgebracht, um zu verhindern, dass Strahlung in einem ausgewählten Wellenlängenbereich, die von der Wärmequelle erzeugt wird, in die Bearbeitungskammer eintritt, wo der Wafer 512 bearbeitet wird. Dies stellt sicher, dass Strahlung in dem ausgewählten Bereich, welche von einem Pyrometer wie etwa einem Pyrometer 40 in 1 detektiert wird, höchstwahrscheinlich Strahlung ist, die von dem Wafer erzeugt wurde. Dies kann erreicht werden, indem entweder ein einzelnes Kerbfilter oder duale Kerbfilter mit einer reflektierenden Kerbe verwendet werden, welche den gesamten Reflexionsbereich abdeckt.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können duale Filter wie etwa ein oberes Filter 506 und ein unteres Filter 510 einander überlappende oder additive reflektierende Bereiche aufweisen. Ein Beispiel einer solchen Überlappungsanordnung ist in 7 dargestellt, in welcher 701 eine Approximation einer Charakteristik des Transmissionsgrades als Funktion der Wellenlänge eines ersten Filters zeigt. Dieses Filter lässt, wie aus 701 ersichtlich, Strahlung in einem Bereich von Wellenlängen, die kleiner als λ₂ und größer als λ₃ sind, vollständig oder nahezu vollständig durch. Es reflektiert Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen λ₂ und λ₃ vollständig oder nahezu vollständig. Ein zweites Filter, das durch 702 dargestellt ist, reflektiert Strahlung vollständig oder nahezu vollständig in einem Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und λ₄, wobei λ₁ < λ₂ < λ₄ < λ₃. Infolgedessen bewirkt die Verwendung der zwei Filter mit Charakteristiken, wie sie in 701 und 602 dargestellt sind, auf der Oberseite und der Unterseite des Fensters eine kombinierte Reflexion von Strahlung in einem Bereich von λ₁ bis λ₃. Dementsprechend erreicht im Wesentlichen keine oder nur eine begrenzte Menge an Strahlung in einem Wellenlängenbereich von λ₁ bis λ₃, die von dem Lampenkopf erzeugt wird, den Wafer, wenn zwei Filter mit den komplementären Kerben verwendet werden. Die Anwendung einer solchen komplementären Vorgehensweise kann vorteilhaft sein, um die einzelnen Filter zu erzeugen, und kann eine bessere Gesamt-Filtercharakteristik liefern.
Wie oben erläutert, kann, wenn die dielektrischen mehrschichtigen Spiegel auf beide Seiten des Fensters aufgebracht werden, dies einen ”Spiegelkabinett”-Effekt hervorrufen. Im Hinblick auf 5A kann der ”Spiegelkabinett”-Effekt für obere und untere Filter 506 und 510 eintreten, die denselben reflektierenden Wellenlängenbereich haben, oder wenn die zwei Filter eine wesentliche Überlappung in dem reflektierenden Wellenlängenbereich aufweisen. Durch Minimierung der Überlappung in dem reflektierenden Wellenlängenbereich, wenn zwei Filter 506 und 510 verwendet werden, kann der ”Spiegelkabinett”-Effekt minimiert werden. Ein ”Spiegelkabinett”-Effekt fängt Strahlungsenergie von Strahlung in dem reflektierenden Wellenlängenbereich der Filter zwischen den Spiegeln innerhalb des Fensters ein, was möglicherweise nicht wünschenswert ist. Wie oben erläutert, kann ein strahlungsabsorbierendes Material in dem Fenster enthalten sein, welches wenigstens Strahlungsenergie in dem reflektierenden Wellenlängenbereich der dielektrischen Spiegel absorbiert. Es kann ein Material verwendet werden, welches Strahlung in einem breiten Wellenlängenbereich absorbiert, oder ein Material, welches Strahlung in einem begrenzten Bereich wie etwa dem reflektierenden Wellenlängenbereich absorbiert. Bei einer Ausführungsform wird bei Verwendung eines in einem breiten Bereich absorbierenden Materials genug absorbierendes Material verwendet, um den ”Spiegelkabinett”-Effekt in dem reflektierenden Wellenlängenbereich ausreichend zu dämpfen, ohne die Energieübertragung von dem Lampenkopf zu der Bearbeitungskammer in dem nichtreflektierenden Bereich wesentlich zu beeinträchtigen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Fenstermaterial, welches Quarz sein kann, mit einem absorbierenden Material dotiert sein. Dies ist in 5A durch die gestrichelten Linien 516 dargestellt. Um die Verluste von Breitband-Energie zu begrenzen sowie die Überhitzung des Fensters zu verhindern, kann die Konzentration von absorbierendem Material in dem Fenster auf weniger als etwa 5 Gew.-% begrenzt werden, oder bei spezielleren Ausführungsformen auf weniger als etwa 1 Gew.-% oder weniger.
Bei einer anderen Ausführungsform, die in 5B dargestellt ist, kann eine oder können mehrere Schichten eines absorbierenden Materials, das wenigstens den reflektierenden Wellenlängenbereich der Filter enthält, auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Fensters vorgesehen sein. Dies ist in 5B als 514 und 518 dargestellt. Der Zweck der absorbierenden Schicht ist es, reflektierte Strahlung zu dämpfen. Zu diesem Zweck sollten gemäß einer Ausführungsform absorbierende Schichten 514 und 518 zwischen reflektierenden Beschichtungen 506 und 510 und der Hauptmasse des Fenstermaterials angeordnet sein. Eine absorbierende Schicht kann eine Schicht wie etwa eine Filmschicht sein, welche auf das Fenster aufgebracht wird, bevor die reflektierenden dielektrischen Schichten aufgebracht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine absorbierende Schicht Teil einer Dotierschicht des Quarzfensters sein. Eine solche Schicht kann auch eine Gradientenschicht sein. Dementsprechend wird von dem Fenster kommende Strahlung in dem reflektierenden Wellenlängenbereich, bevor sie in den dielektrischen Stapel eintritt, gedämpft, bevor sie zurück reflektiert wird, und wird dann nach Reflexion nochmals gedämpft, bevor sie wieder in das Fenster eintritt.
Bei einer anderen Ausführungsform können mehrere Fenster gestapelt zwischen der Wärmequelle und dem Substrat angeordnet sein. Somit können zwei oder mehr Fenster angeordnet sein, wobei jedes der Fenster eine oder mehrere reflektierende Beschichtungen aufweist. Eines oder mehrere der Fenster 508 können einen Absorber aufweisen, wie oben für 5A und 5B beschrieben wurde, oder wie unten unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird. Fenster unterschiedlicher Typen, zum Beispiel ein oder mehrere Fenster jedes Typs in 5A, 5B und/oder 6, können zwischen der Wärmequelle und dem Substrat gestapelt angeordnet sein. Die Fenster können voneinander beabstandet angeordnet sein, oder sie können aneinander anliegen.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, kann ein Fenster wie etwa das Fenster 20 von 1 und 2 ein Verbundfenster 618 sein, das zwei Fensterelemente 608 und 609 umfasst, welche mit einem Zwischenraum zwischen den Fenstern vorgesehen sein können. Das Fenster ist zwischen einer Wärmequelle 602 und einem Substrat 612 angeordnet, welches durch Strahlung über einen durch Pfeile 604 dargestellten Strahlungsweg erwärmt wird. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind beide Fensterelemente 608 und 609 in dem Verbundfenster 618 durchlässig für einen breiten Bereich von Strahlung, mit Ausnahme eines ersten Wellenlängenbandes von Strahlung innerhalb des breiten Bereiches, für welches das Fenster absorbierend ist. Dies kann erreicht werden, indem ein Fenster mit geringen Anteilen eines Absorbers dotiert wird. Die äußeren Flächen (wobei ”innen” als zwischen den zwei Fenstern definiert ist) sind mit reflektierenden Beschichtungen 606 und 611 versehen, welche im Wesentlichen für Strahlung in dem ersten Wellenlängenband von Strahlung reflektierend sind. Bei alternativen Ausführungsformen können die reflektierenden Beschichtungen 606 und 611 auf die inneren Flächen aufgebracht sein, anstatt auf die äußeren Flächen aufgebracht zu sein, oder zusätzlich dazu. Wenn bei dieser Ausführungsform das Licht die erste äußere Beschichtung 606 passiert, passiert es das erste Fenster 608 des Verbundfensters, einen Zwischenraum und das zweite Fenster 609 des Verbundfensters, wird von der Beschichtung 611 des zweiten Fensters reflektiert, passiert dann in umgekehrter Richtung das zweite Fenster, den Zwischenraum und wieder das erste Fenster, usw. Diese Konfiguration maximiert die Anzahl, wie oft Licht ein Fenster (mit Absorber) pro Reflexion passieren müsste – 2 Durchgänge pro Reflexion – und minimiert andererseits die Menge an Absorber, welche benötigt wird. Dementsprechend kann der Zwischenraum zwischen den Fenstern 606 und 609 mit einem Licht absorbierenden Fluid 614 gefüllt sein, welches ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann. Das Fluid 614 kann außerdem für eine Kühlung des Verbundfensters 618 sorgen. Falls ein höherer Absorptionsgrad erwünscht ist, kann das Fenster 608 mit einem Absorber 616 dotiert werden, und/oder das Fenster 609 kann mit einem Absorber 619 dotiert werden. Das Fluid 614 kann dem Zwischenraum durch ein System zugeführt werden, das eine Pumpe umfassen kann, welche die Flüssigkeit oder das Gas durch den Zwischenraum pumpt. Das System kann außerdem ein Temperatursteuersystem aufweisen, welches die Temperatur der Flüssigkeit oder des Gases steuert und somit dazu dienen kann, die Temperatur des Fensters zu steuern. Dem Gas oder der Flüssigkeit kann absorbierendes Material zugegeben werden, um den ”Spiegelkabinett”-Effekt zu verringern. Diese absorbierenden Materialien können ein Seltenerdmaterial oder ein beliebiges anderes geeignetes absorbierendes Material sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Verbundfenster angewendet werden, welches mindestens zwei Fenster enthält, wobei jede Seite jedes Fensters mit einem mehrschichtigen dielektrischen reflektierenden Filter mit einem spezifischen Bereich von reflektierenden Wellenlängen versehen ist. Bei einem solchen Verbundfenster wird die Gesamt-Filtercharakteristik dann durch die Summierung von bis zu vier einzelnen Filtercharakteristiken jedes Stapels von dielektrischen Schichten erhalten. Falls ein Verbundfenster mehr als zwei einzelne Schichten umfasst, kann die Gesamt-Filtercharakteristik aus den einzelnen Filtern gebildet werden, die jeweils auf einer Seite eines Fensters erzeugt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines Verbundfensters, das mindestens ein erstes und ein zweites Fenster umfasst, kann ein erstes, äußeres Fenster ein durchlässiges Fenster sein. Ein zweites Fenster mit einer reflektierenden Beschichtung kann zwischen dem Prozessbereich und dem ersten Fenster positioniert sein. Das erste Fenster kann Schutz vor chemischem und/oder mechanischem Verschleiß des zweiten Fensters und/oder von dessen Beschichtung bieten.
Es versteht sich, dass in den Figuren die Wärmequelle über dem Substrat positioniert ist und das Pyrometer unter der Wärmequelle angeordnet ist. Andere Konfigurationen der Bearbeitungskammer sind möglich, werden in vollem Umfang in Betracht gezogen und liegen im Schutzbereich dieser Erfindung. Zum Beispiel kann eine Bearbeitungskammer eine Wärmequelle unter einem Substrat und ein über einer Wärmequelle positioniertes Pyrometer aufweisen. Diese und andere Varianten der Positionierung von Substrat, Wärmequelle und Pyrometer in einer Bearbeitungskammer sind möglich und werden in Betracht gezogen, ohne dass sie die hier beschriebenen Aspekte der Erfindung grundsätzlich beeinflussen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine zweite Wand 53, wie in 1 und 2 dargestellt, anstelle einer Metallwand ein Fenster umfassen, welches strahlungsdurchlässig ist. Ein solches zweites Fenster ist im Wesentlichen durchlässig für Wärmestrahlung, welche von einem zweiten Lampenkopf zugeführt werden kann, der eine ähnliche Funktion wie der Lampenkopf 24 in 1 und 2 besitzt. Hierbei ist das zweite Fenster im Wesentlichen parallel zu einem Substrat wie etwa einem Wafer und trennt den Prozessbereich von dem zweiten Lampenkopf. Dementsprechend kann bei einer solchen Konfiguration das Substrat wie etwa ein Wafer von mindestens zwei Seiten erwärmt werden. Das zweite Fenster kann bei einer weiteren Ausführungsform eine reflektierende Schicht aufweisen, welche in einer der Konfigurationen oder Ausführungsformen des ersten Fensters vorliegen kann. Bei einer Ausführungsform, welche zwei Fenster mit zwei Lampenköpfen enthält und somit ein Substrat wie etwa einen Wafer auf zwei Flächen einer Strahlung aussetzt, kann die Anordnung des Pyrometers ebenfalls modifiziert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann sich ein Pyrometer in oder auf oder hinter einer Wand befinden, welche im Wesentlichen senkrecht zu einem Fenster mit einer reflektierenden Schicht ist, wie es oben offenbart wurde. In diesem Falle ist das Pyrometer von einer Seite aus auf ein Substrat wie etwa einen Wafer gerichtet, und nicht von oben oder unten. Um ausreichend Strahlung von einem Substrat einzufangen, kann man verschiedene Ausführungsformen der Positionierung eines Pyrometers verwenden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Pyrometer in oder hinter einer Öffnung einer Seitenwand positioniert sein, die in einer zu dem Substrat wie etwa einem Wafer parallelen Ebene angeordnet ist, wobei die Ebene höher oder niedriger als die Ebene des Substrats verläuft. Dies ermöglicht es, dass das Pyrometer dem Substrat unter einem Winkel zugewandt ist, wodurch ermöglicht wird, ausreichend Strahlung von einer Fläche des Substrats aufzufangen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Lichtrohr, wie etwa ein Quarzrohr, durch ein Loch in einer Seitenwand in den Prozessbereich der Kammer hinein eingeführt sein. Hierbei befindet sich das Loch in einer zu dem Substrat parallelen Ebene, und die Ebene befindet sich über oder unter der Ebene des Substrats. Ein Lichtrohr kann auf eine solche Weise angeordnet sein, dass das Ende des Lichtrohres in dem Prozessbereich parallel zu einer Fläche des Substrats ist. Bei einer anderen Ausführungsform des Lichtrohres kann das Lichtrohr in den Prozessbereich parallel zu einer Fläche des Substrats wie etwa eines Wafers eintreten. Das Lichtrohr kann auf der Seite innerhalb der Prozesskammer mit einer Biegung versehen sein, so dass es im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche des Substrats ist und sich über oder unter dieser befindet.
Bei einer weiteren Ausführungsform können bei Ausführungsformen, die zwei Fenster mit zwei Lampenköpfen oder Wärmequellen aufweisen, beide Fenster mit einem Absorber dotiert und mit einer reflektierenden Beschichtung bedeckt sein. Bei einer weiteren Ausführungsform einer Kammer mit zwei Fenstern und zwei Lampenköpfen oder Wärmequellen kann jedes Fenster ein Verbundfenster sein, wie oben beschrieben.
Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, kann ein Filter vorgesehen werden, um zu verhindern, dass Strahlung aus einem vorbestimmten Wellenlängenbereich das Pyrometer erreicht, oder um solche Strahlung zu minimieren, wodurch eine genauere Messung der Temperatur des Substrats gewährleistet wird. Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich wird, kann es wünschenswert sein, ein Filter vorzusehen, um zu verhindern, dass Strahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches den Wafer oder das Substrat in der Bearbeitungskammer erreicht, oder um solche Strahlung zu minimieren. Somit kann ein Filter vorgesehen sein, welches verhindert, dass Strahlung innerhalb gewisser Wellenlängenbänder das Substrat oder den Wafer erreicht, oder diese Strahlung minimiert. Diese Strahlungsfilterung kann getrennt von oder in Verbindung mit der Filterung von Licht von den Pyrometern, wie oben beschrieben, durchgeführt werden. Wenn Licht gefiltert wird, um zu verhindern, dass Strahlung einer gewissen Bandbreite das Substrat erreicht, kann eine bessere Steuerung der Substrattemperatur während der Erwärmung des Wafers oder Substrats erzielt werden. Eine solche Steuerung der Erwärmung kann genutzt werden, um eine besser vorhersagbare Erwärmung des Substrats zu gewährleisten, insbesondere im Verhältnis zu der abgestrahlten Leistung der Wärmequelle, welche bei speziellen Ausführungsformen Widerstandslampen sind, wie etwa Wolfram-Halogenlampen. Es ist äußerst wünschenswert, eine vorhersagbare Beziehung zwischen der abgestrahlten Leistung der Wärmequelle und der Ist-Temperatur des Wafers bereitzustellen. Eine solche Beziehung kann durch Filtern vorbestimmter Bandbreiten von Strahlung, so dass sie das Substrat oder den Wafer nicht erreichen, bereitgestellt werden. Ferner kann eine Steuerung der Erwärmung vorgesehen werden, indem die den Lampen zugeführte Leistung verändert wird. Durch Modellierung und mit Hilfe empirischer Daten können eine optimale Lampenleistung und optimale Filtercharakteristiken erreicht werden, um eine optimierte Steuerung des Erwärmungsprofils von Substraten zu gewährleisten. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Abkühlgeschwindigkeit von Substraten besser gesteuert werden, indem ein Filter vorgesehen wird, welches verhindert, dass Strahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches das Substrat erreicht, nachdem die Stromversorgung der Wärmequelle ausgeschaltet worden ist, bzw. welches diese Strahlung minimiert. Bei speziellen Ausführungsformen fällt der vorbestimmte Wellenlängenbereich mit oder ohne Überlappungen mit dem Bandlückenbereich des Substratmaterials zusammen. Eine solche Filterung während der Abkühlung ist bei Prozessen der spitzenförmigen Erwärmung (spike heating) von Nutzen, wo eine schnelle Abkühlung und Erwärmung der Substrate erwünscht ist. Es ist klar, dass die Prinzipien des Vorsehens eines Filters, um zu verhindern, dass Strahlung das Pyrometer erreicht, des Bereitstellens des Vorsehens eines Filters, um zu verhindern, dass Strahlung das Substrat während der Erwärmung des Substrats erreicht, wenn die Lampen eingeschaltet sind, und des Vorsehens eines Filters, um zu verhindern, dass Strahlung das Substrat erreicht, nachdem die Lampenleistung ausgeschaltet worden ist, getrennt realisiert werden können, oder dass zwei oder mehr dieser Filterverfahren oder -systeme zusammen realisiert werden können.
In einer RTP-Kammer erwärmen Lampen in einem Lampenkopf 24, wie in 1 dargestellt, einen Wafer, welcher von flüssigkeitsgekühlten Kammerwänden umgeben sein kann. Die von den Lampen emittierte Strahlungsenergie wird, wie in 1 dargestellt, durch das Quarzfenster 20 hindurch, welches zwischen dem Lampenkopf 24 und dem Wafer 12 liegt, zu dem Wafer 12 übertragen. Bei Thermal-Spike-Prozessen (Temperaturspitzen-Prozessen), wie etwa Spike-Annealing (Spike-Ausheilung, Spitzen-Ausheilung), bei denen die Wafertemperatur sehr schnell auf eine Zieltemperatur erhöht wird und danach sehr schnell gesenkt wird (um eine Temperaturspitze zu bilden), ist oft eine scharfe Spitze erwünscht. Die Leistungsfähigkeit der Bauelemente hängt davon ab, dass die Wafer die Zieltemperatur erreichen und dabei eine möglichst kurze Zeit (Verweilzeit) der Zieltemperatur oder einer ihr nahen Temperatur ausgesetzt sind. Dieses Temperaturverhalten ist erforderlich, um das thermische Budget zu verringern, die Auswirkung von Mängeln während der Bearbeitung zu minimieren und eine Diffusion von Spezies und/oder andere physikalische Erscheinungen, welche die Leistungsfähigkeit der Bauelemente beeinträchtig, zu verhindern. Daher ist es wünschenswert, um die Verweilzeit zu minimieren, hohe Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten zu erzielen, und jede Verbesserung hinsichtlich der Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit während der thermischen Bearbeitung ist erwünscht.
Für eine Thermal-Spike-Bearbeitung ist das Erzielen beschleunigter Abkühlgeschwindigkeiten, insbesondere bei Temperaturen von weniger als oder von etwa 500°C, ohne eine Hilfskühlung der Kammerwände vorzusehen oder ohne den Wafer näher an die Kammerwände zu bewegen, oft teuer oder physikalisch kompliziert, oder es erfordert eine physische Veränderung der Kammer, welche ein Benutzer einer Bearbeitungskammer wahrscheinlich nicht akzeptieren würde. Außerdem wird bei höheren Temperaturen, zum Beispiel bei Wafertemperaturen, die größer als oder ungefähr gleich 600°C sind, der Wärmefluss primär von Strahlung dominiert, und nicht von Wärmeleitung oder Konvektionsflüssen, welche bei niedrigeren Wafertemperaturen dominieren.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Kammer kann in einer herkömmlichen Kammer für schnelle thermische Bearbeitung ein durchsichtiges Fenster 20 zwischen den Lampen und dem Wafer angeordnet sein, und Licht von den Lampen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Winkeln und unterschiedlicher Intensität passiert dieses Fenster, um den Wafer zu erwärmen. Der Emissionsgrad (und Absorptionsgrad) von Halbleitersiliziumwafern variiert mit Wellenlänge und Temperatur stark. Beispielsweise ist ein Wafer aus intrinsischem Silizium für Temperaturen unter 300°C durchlässig für Strahlung mit Wellenlängen über 1,2 μm. Wenn sich der Wafer aus intrinsischem Silizium auf Temperaturen über 300°C erwärmt, beginnt er, mehr Strahlungsenergie bei Wellenlängen über 1,2 μm zu absorbieren. Diese Veränderlichkeit trifft für Wafer aus intrinsischem Silizium, dotierte Wafer, Siliziumwafer, die Filme, Nitride oder Oxide enthalten, oder andere Wafertypen zu, obwohl die einzelnen Wafertypen Emissionscharakteristiken haben können, die sich wesentlich voneinander unterscheiden. Wenn sich der Wafer erwärmt, verschiebt sich die Wellenlänge, bei der die meiste Lichtenergie absorbiert wird, zu den längeren Wellenlängen hin. Dies ist in 8 dargestellt, welche in einem Diagramm 800 Kurven des Absorptionsgrades als Funktion der Wellenlänge der Strahlung für p-dotiertes Silizium für verschiedene Temperaturen des Wafers zeigt. Es sind Kurven für eine Wafertemperatur von 300°C, 400°C, 500°C und für 600°C dargestellt.
Gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz verschiebt sich, wenn die Lampen immer heißer werden, die Wellenlänge, bei der die maximale Emission (Peak-Emission) stattfindet, zu immer kürzeren Wellenlängen hin: Wellenlänge, bei der die maximale Emission stattfindet = 2898 [μm·K]/Temp [K]. Dies ist in 9 dargestellt, welche in einem Diagramm 900 eine Reihe von Kurven der relativen spektralen Emissionsleistung zeigt, welche von der angelegten Lampenspannung abhängen. Es sind 7 Kurven 901; 902; 903; 904; 905; 906 und 907 mit von Kurve 901 bis Kurve 909 zunehmender angelegter Spannung dargestellt, wobei die Kurve 909 eine Lampe repräsentiert, die in der Nähe der oberen Auslegungsspannung für die Lampe betrieben wird. Die Kurven sind typisch für einen mit Inkandeszenz (Weißglühen) erwärmten Lampenkopf. Die Lampen verwenden einen Glühfaden, welcher durch eine angelegte Spannung erwärmt wird. Je höher die Spannung ist, desto höher ist die Temperatur des Glühfadens. Die Kurven 901, 902, 903, 904, 905, 906 und 907 veranschaulichen das Wiensche Verschiebungsgesetz und zeigen, dass die Wellenlänge, bei welcher die maximale Strahlungsemission auftritt, sich bei höherer Lampenspannung und somit höherer Lampentemperatur zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt.
Es ist relativ schwierig, die Erwärmung und Abkühlung von Halbleitersubstraten wie etwa Siliziumwafern durch Strahlung in einem Wellenlängenband von 1–1,3 Mikrometern genau zu steuern. Dies gilt insbesondere bei einer Erwärmung auf Temperaturen unter etwa 600°C, unter etwa 500°C oder unter etwa 400°C. Silizium, einschließlich von dotiertem Silizium, absorbiert leicht Strahlung bei Temperaturen unter etwa 600°C, unter etwa 500°C oder unter etwa 400°C, und innerhalb des Wellenlängenbereiches von etwa 1 bis etwa 1,3 Mikrometern (1000 nm bis etwa 1300 nm), welche die Erwärmung des Wafers dominieren und sich nachteilig auf die Abkühlung auswirken kann, da der Wafer dann weiterhin Strahlung von der Wärmequelle absorbiert, wenn die Wärmequelle ausgeschaltet ist. Bei einer Ausführungsform kann, wenn ein Substrat wie etwa ein Siliziumwafer mit Strahlung erwärmt wird, zum Beispiel durch Widerstandslampen wie etwa Glühlampen, welche Strahlung in einem gewissen Wellenlängenband in einer Kammer, wie in 1 dargestellt, erzeugen, eine Erwärmung innerhalb eines vorbestimmten Bandes oder Bereiches von Wellenlängen vermieden oder wenigstens vermindert werden, indem ein Filter zwischen dem Substrat und den erwärmenden Lampen vorgesehen wird, wobei das Filter mindestens einen Teil der Strahlung, die von dem Lampenkopf in dem Wellenlängenbereich von etwa 1–1,3 Mikrometern erzeugt wird, blockiert oder vermindert, oder wenigstens im Wesentlichen verhindert, dass diese Strahlung das Substrat erreicht. Durch Blockieren oder wesentliches Reduzieren der Erwärmung innerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbereiches, bei welchem das Substrat Energie absorbiert, innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches kann ein Typ einer Temperatursteuerung ΔT/ΔP mit besserer Linearität während der schnellen Erwärmung des Substrats aufrechterhalten werden, wobei ΔT eine Temperaturänderung des Substrats ist und ΔP eine Änderung der Lampenleistung ist, wenn Strahlung mit einer Wellenlänge, die dem vorbestimmten Wellenlängenbereich entspricht, herausgefiltert wird und den Wafer nicht erreicht. Bei einer Ausführungsform kann eine Filterung erreicht werden, indem als eine Beschichtung auf dem Fenster 20 eine Filterbeschichtung, wie oben erläutert, verwendet wird, so dass das beschichtete Filter eine wesentliche Menge von Strahlung in einer unerwünschten Bandbreite, zum Beispiel in einem Wellenlängenband von 1–1,3 Mikrometern, daran hindert, durch das Fenster transmittiert zu werden und das Substrat zu erreichen. Somit erfüllt das reflektierende Fenster die Funktion eines Filters, und der Begriff ”Filter”, wie er hier verwendet wird, bezeichnet das Blockieren wenigstens eines Teils der Strahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches. Ein Filter kann ein reflektierendes Filter oder ein absorbierendes Filter sein. Ein reflektierendes Filter kann vorgesehen werden, indem ein Stapel von dielektrischen Schichten auf die Oberfläche des Quarzfensters aufgebracht wird, wie oben erläutert. Die Filtercharakteristiken sind auch in diesem Falle durch die aufgebrachten Materialien der dielektrischen Schichten, die Anzahl der Schichten und deren Dicke definiert. Nachdem der während eines Prozesses zu blockierende Wellenlängenbereich bestimmt worden ist, welcher von dem Temperaturbereich des Prozesses, der Zusammensetzung des Substrats und der von den Lampen erzeugten Strahlung abhängt, kann ein Filter entworfen und hergestellt werden, um den vorbestimmten Wellenlängenbereich zu blockieren. Ein solches Filter kann von einer Reihe von Firmen bezogen werden, zum Beispiel von JDS Uniphase, Milpitas, California. Es ist klar, dass dasselbe Prinzip des Entwerfens eines Filters angewendet werden kann, um ein Filter zu entwerfen und bereitzustellen, welches unerwünschte Strahlung daran hindert, das Substrat zu erreichen, nachdem die Stromversorgung der Wärmequelle ausgeschaltet worden ist.
10 veranschaulicht in einem Diagramm 1000 graphisch ein Beispiel einer Verteilung von Strahlungsenergie, die von einem Lampenkopf erzeugt wird, mit Wellenlängen größer als 1,2 Mikrometer und Wellenlängen kleiner als 1,2 Mikrometer in Abhängigkeit von der Lampenspannung. 11 veranschaulicht in einem Diagramm 1100 graphisch ein Beispiel der Absorption von Strahlung größer als 1,2 Mikrometer und kleiner als 1,2 Mikrometer durch Silizium in Abhängigkeit von der Temperatur des Siliziums. Wie aus 11 ersichtlich ist, ist deutlich mehr als die Hälfte der Strahlung, die von einer Lampe bei Betriebsspannungen von etwa 40% der Maximalspannung oder weniger erzeugt wird, Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1,2 Mikrometern. Die Erwärmung von Silizium bei Temperaturen um oder unter 400°C findet durch Strahlung mit einer Wellenlänge statt, die kleiner als 1,2 Mikrometer ist. Bei niedrigen Temperaturen (400°C oder weniger) und niedrigeren Lampenspannungen (40% oder weniger) wird ein wesentlicher Teil der Energie, die von dem Lampenkopf abgestrahlt wird, nicht von dem Substrat absorbiert, um das Substrat zu erwärmen.
Es wäre wünschenswert, die Wellenlänge der durch das Substrat oder den Wafer absorbierten Strahlung weiter zu begrenzen, auf unter den Grenzwert von 1 Mikrometer, der durch die Bandlücke der intrinsischen Absorption des Substratmaterials bestimmt ist, um Probleme mit der Temperatursteuerung zu verhindern. Dies kann erreicht werden, indem ein reflektierendes oder absorbierendes Filter verwendet wird, welches Licht oberhalb einer Wellenlänge λ1 und unterhalb von λ2 reflektiert und somit ein Kerb- oder Sperrfilter bildet, wie weiter oben erläutert.
12 zeigt die Transmissionskurven 1201, 1202, 1203, 1204 und 1205 von 5 verschiedenen reflektierenden Filtern gemäß beispielhaften Ausführungsformen. 12 zeigt, dass alle Filter wenigstens die Strahlung in dem Band von 900 nm bis 1100 nm sperren. Im Gegensatz zu einem Fenster, welches nicht Strahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches blockiert oder absorbiert, ermöglichen die in 12 dargestellten Fenster, wenn sie zwischen der Wärmequelle und dem Substrat angeordnet sind, nur einer begrenzten Menge an Strahlung, den Wafer zu erreichen. Diese Strahlung liegt in einem begrenztem Wellenlängenbereich, verglichen mit der Verwendung eines Fensters, welches in dem gesamten Wellenlängenbereich der Wärmequelle durchlässig ist. Um dieselbe Menge an Wärme zu liefern, wie bei der Verwendung eines so genannten durchlässigen Fensters, müssen die Lampen eine größere Lampenspannung verwenden, wenn ein Fenster, das dazu ausgebildet ist, Strahlung innerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbereiches zu blockieren, zwischen dem Substrat und der Wärmequelle angeordnet wird.
Es wird nach wie vor auf 12 Bezug genommen; in einem Versuch wurde ein mit der Filterbeschichtung 1203 beschichtetes Fenster 20 verwendet. Diese Beschichtung filtert einen wesentlichen Teil der Strahlung zwischen 700 und 1200 nm heraus und filtert somit teilweise Strahlung in dem Band von 1–1,3 Mikrometer. Durch Anordnen dieses Filters zwischen den Lampen einer RTP-Kammer und einem Substrat verbessert sich die Linearität des Erwärmungsprozesses, was eine bessere Steuerung der Erwärmung und eine schnellere Erwärmungssteuerung durch eine Steuereinrichtung ermöglicht. Die Steuereinrichtung kann von der verbesserten Linearität des Prozesses durch eine Einstellung profitieren, welche ihr ermöglicht, schneller zu reagieren. Dies kann erreicht werden, indem ein oder mehrere voreingestellte Parameter der Lampen-Steuereinrichtung, wie etwa die Höhe der Spannung oder die Dauer der Spannung, die an eine Widerstandsheizungs-Lampe angelegt wird, neu eingestellt werden. Derartige voreingestellte Parameter können durch einen Prozessor implementiert werden, welcher das Erwärmungsprofil der Lampen steuert. Bei einer Ausführungsform steuert der Prozessor die Energiemenge und das Zeitintervall der Energiezufuhr zu den Lampen, um eine vorbestimmte maximale Heizelementtemperatur zu erzeugen und um ein optimiertes Abkühlungsprofil für die Lampe zu gewährleisten, um die thermische Exposition eines Substrats in der Kammer zu verringern. Für ein System oder eine Vorrichtung, das bzw. die Widerstandslampen wie etwa Wolfram-Halogenlampen enthält, steuert der Prozessor die Höhe der Spannung und die Zeit, während der die Spannung an die Lampen angelegt wird, derart, dass das Heizelement, welches ein Lampenglühfaden ist, eine maximale vorbestimmte Temperatur erreicht. Die maximale vorbestimmte Temperatur ist eine optimierte Temperatur, die aus Berechnungen und/oder empirischen Studien bestimmt wird und eine Temperatur ist, welche ein optimiertes Abkühlungsprofil gewährleistet, welches wiederum die thermische Exposition des Substrats gegenüber Strahlung während der Abkühlung der Lampen minimiert. Somit ist klar, dass, nachdem eine maximale vorbestimmte Heizelementtemperatur bestimmt worden ist, die Abkühlgeschwindigkeit des Heizelements und die Wärme, die von dem Heizelement während der Abkühlung erzeugt wird, weniger Strahlung hervorruft, welche das Substrat erreicht und die optimale Abkühlung des Substrats beeinträchtigt.
Zum Beispiel kann aufgrund des besseren linearen Verhaltens der Verstärkungsfaktor der Steuereinrichtung erhöht werden. Da die Linearität des Systems besser ist, kann mit einem höheren Verstärkungsfaktor die Steuereinrichtung, welche ein PID-Regler oder eine andere geeignete Steuereinrichtung sein kann, nunmehr das System so steuern, dass es schneller einen Ziel-Sollwert erreicht. In der Situation mit höherer Nichtlinearität, bei Verwendung eines Fensters ohne ein reflektierendes oder absorbierendes Filter, würde eine Steuereinrichtung mit einem höheren Verstärkungsfaktor ein instabileres System erzeugen, entweder mit mehr Überschwingung des Ziels oder ein wirklich instabiles System, und würde sicherlich nicht einen Ziel-Sollwert in einer kürzeren Zeit erreichen. Weitere Versuche zeigen, dass sich die Leistungsfähigkeit und Steuerbarkeit der Kammer weiter verbessern, wenn man ein Filter mit einer höheren Cut-Off-Wellenlänge λ2 verwendet. Die Filterbeschichtung 1203 führt zum Beispiel zu einem besseren Verhalten als 1202.
Zum Beispiel kann das beschichtete Filter als Teil eines Bausatzes vorgesehen sein, um das Niedertemperaturverhalten einer Kammer zu verbessern. Ein Benutzer kann ein vorhandenes ”durchlässiges” Filter, welches nicht dazu ausgebildet ist, Strahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches zu blockieren, gegen das Filter austauschen, welches ein Fenster mit einer reflektierenden Beschichtung und/oder einem Absorber ist. Der Austausch des durchlässigen Fensters gegen ein Filter-Fenster kann mit einer Änderung der Einstellungen der Steuereinrichtung kombiniert werden, welche eine Erhöhung der Einstellung des Verstärkungsfaktors des Lampenreglers beinhalten kann. Ein Benutzer einer Vorrichtung zur thermischen Bearbeitung kann einen Verstärkungsfaktor des Lampenreglers manuell einstellen, oder alternativ dazu aus einem Menü eine Einstellung auswählen, welche einen geeigneten Verstärkungsfaktor liefert, der im Zusammenwirken mit dem Filterfenster bewirkt, ein optimales Erwärmungsprofil zu erreichen. Das Menü kann als ein Menü der Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche einen Prozessor und eine Benutzerschnittstelle enthalten kann, um die geeigneten Parameter für ein bestimmtes Fenster auszuwählen. Eine solche Benutzerschnittstelle kann eine programmierbare Verknüpfungssteuerung sein, die einen Prozessor enthält, der den Verstärkungsfaktor und andere Steuerungsparameter der Lampe einstellt, wie etwa die Höhe und/oder Dauer der Spannung, die an die Lampe angelegt wird. Andere Verfahren, um eine Einstellung einer Steuereinrichtung entsprechend einer Filtercharakteristik eines neuen Fensters zu ändern, können ebenfalls angewendet werden.
Dementsprechend wird eine Bearbeitungskammer zur Bearbeitung eines Halbleitersubstrats in einem definierten oder vorbestimmten Temperaturbereich unter Verwendung eines Filters zwischen einer strahlenden Wärmequelle und dem Substrat bereitgestellt, wobei das Halbleitersubstrat eine Energiebandlücke aufweist, welche bewirkt, dass das Substrat Strahlung in einem Band von Wellenlängen zwischen λ_low und λ_high absorbiert, und wobei das Filter wenigstens einen Teil der Strahlung in dem Band zwischen λ_low und λ_high der strahlenden Quelle daran hindert, das Substrat zu erreichen, wodurch die Linearität und/oder die Geschwindigkeit des Erreichens eines Ziel-Sollwerts einer Steuereinrichtung oder eines Steuersystems, welche bzw. welches das Temperaturverhalten des Substrats steuert, verbessert wird. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat ein Siliziumsubstrat. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat ein dotiertes Siliziumsubstrat. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat ein p-dotiertes Siliziumsubstrat. Bei einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich das Band zwischen λ_low und λ_high zwischen 1 und 1,3 Mikrometern. Bei einer weiteren Ausführungsform liegt der definierte Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600°C. Bei einer weiteren Ausführungsform liegt der definierte Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 500°C. Bei einer weiteren Ausführungsform liegt der definierte Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 400°C. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der definierte Temperaturbereich niedriger als 400°C. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Verwendung des Filters kombiniert mit einer Einstellung der Steuereinrichtung, um eine schnellere Ansprechzeit beim Erreichen einer Zieltemperatur zu erzielen. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ein PID-Regler. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Einstellung der Steuereinrichtung eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors.
Die Wirkungen der Filterbeschichtungen, die in 12 dargestellt sind, sind in 13 für das durch die Kurve 1203 charakterisierte Filter und in 14 für das durch die Kurve 1205 charakterisierte Filter weiter veranschaulicht. 13A–D und 14A–D zeigen die Auswirkung einer erhöhten Lampenspannung. Wenn sich die Spannung der Lampe erhöht, wird die Lampe heißer und beginnt, mehr in niedrigeren Wellenlängen zu strahlen. Zum Beispiel erfährt, wie aus 13A–D ersichtlich, wenn ein Filter mit einem reflektierenden Band oder Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,7–1,2 Mikrometer verwendet wird, der Wafer nahezu keinen Beitrag zur Erwärmung von Strahlung in diesem Wellenband, da sie herausgefiltert wird. Bei Temperaturen unter 400°C dominiert der Beitrag von Strahlung im Bereich von 0,4–0,7 Mikrometer den Erwärmungsprozess.
14A–C veranschaulichen die Auswirkungen einer Erhöhung der Filterbandbreite um etwa 0,15 Mikrometer im Vergleich zu dem Filter von 13A–D. Die Strahlung in dem Bereich von 0,7–1 Mikrometer trägt nun wesentlich bei, und jene Strahlung in dem Bereich von 1,21–1,33 Mikrometer wird nahezu vollständig herausgefiltert. Dies steht im Einklang mit einer verbesserten Linearität des Erwärmungsprozesses durch Herausfiltern von zusätzlicher Strahlung in dem Wellenlängenbereich von 1–1,3 Mikrometer.
Wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich ist, kann eine spektrale Filterung oder Kerbfilterung angewendet werden, um die Vorhersagbarkeit oder Linearität des Erwärmungsprofils eines Substrats in einer thermischen Bearbeitungskammer im Hinblick auf die den Lampen zugeführte Leistung zu verbessern. Dasselbe Prinzip der Filterung von Wellenlängen innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches kann angewendet werden, um das Abkühlungsprofil zu verbessern, nachdem die Stromversorgung der Wärmequelle ausgeschaltet worden ist. Es ist klar, dass eine Filterung während der Abkühlung, wenn die Stromversorgung der Lampen ausgeschaltet ist, getrennt von oder zusammen mit einer Filterung während der Erwärmung durchgeführt werden kann, um die Linearität oder Vorhersagbarkeit der Erwärmung während der Erwärmung zu verbessern. Wenn beide Typen der Steuerung gewünscht werden (während der Erwärmung und während der Abkühlung), können getrennte Filter verwendet werden, oder es kann ein einziges Filter mit dem vorbestimmten Wellenlängenbereich oder den vorbestimmten Wellenlängenbereichen verwendet werden. Ein Blockieren der Strahlung während der Abkühlung kann während einer thermischen Bearbeitung vorn Typ eines ”Spike”-Prozesses von Nutzen sein. Während eines thermischen ”Spike”-Prozesses in einer Bearbeitungskammer erwärmen sich die Lampen schnell, um die Wafertemperatur rasch zu erhöhen, doch selbst wenn die an die Lampen angelegte Spannung schlagartig auf 0 verringert wird, benötigen die Lampen noch eine gewisse Zeit, um abzukühlen, und strahlen noch auf den Wafer, während sie sich abkühlen. Wenn der Wafer noch abgestrahlte Energie von den sich abkühlenden Lampen absorbiert, ist die Abkühlgeschwindigkeit des Wafers nicht so hoch wie dann, wenn der Wafer keine Energie von den sich abkühlenden Lampen absorbiert.
Ein Weg, um die Energiemenge zu verringern, welche der Wafer von den sich abkühlenden Lampen weiterhin empfängt, besteht darin, ein optisches Filter (zum Beispiel eine reflektierende Beschichtung auf dem Fenster, oder einen absorbierenden Dotierungsstoff in dem Fenstermaterial selbst) zwischen den Lampen und dem Wafer anzubringen, welches längere Lichtwellenlängen (zum Beispiel Wellenlängen die kürzer als der Rand das Absorptionsbandes für das Substratmaterial sind) daran hindert, den Wafer zu erreichen. Da das Fenster einen wesentlichen Teil der Strahlung daran hindert, den Wafer zu erreichen, müssen die Lampen bei höheren Spannungen betrieben werden, um dieselben Erwämungsgeschwindigkeiten zu erreichen (was bedeutet, dass die maximale Emission bei kürzeren Wellenlängen auftritt). Wenn die Lampen ausgeschaltet werden, kühlen die Lampen ab, und die Wellenlänge der maximalen Emission der sich abkühlenden Lampen beginnt dann, sich in Richtung längerer Wellenlängen zu verschieben, und wenn die Wellenlänge der maximalen Emission den Rand des optischen Filters überquert (z. B. 1,2 Mikrometer für ein Siliziumsubstrat), ”sieht” der Wafer die abgestrahlte Energie der sich abkühlenden Lampen nicht mehr, und der Wafer kühlt dann schneller ab. Wenn ein Filter dafür ausgebildet ist, Licht > 0,9 Mikrometer zu blockieren, werden sogar noch höhere Spannungen benötigt, um dieselben Erwärmungsgeschwindigkeiten zu erreichen, und die Abkühlgeschwindigkeit des Wafers ist sogar noch höher, da die Wellenlänge der maximalen Emission der sich abkühlenden Lampen die Wellenlänge von 9 Mikrometer eher überquert, als sie 1,2 Mikrometer überquert. Dies wird in 9 anhand der verschiedenen Kurven veranschaulicht. Ein weiterer Effekt ist, dass, um denselben Pegel der abgestrahlten Leistung zu erreichen, die Lampen in dem Fall mit Filterung mit höheren Temperaturen betrieben werden müssen als in dem Fall ohne Filterung. Da die abgestrahlte Leistung (P) mit den Glühfadentemperaturen (T) durch die Beziehung P(T) = T^4 verknüpft ist, und da die Abkühlgeschwindigkeiten (T') der Glühfadentemperatur bei höheren Glühfadentemperaturen T größer ist, ist die Geschwindigkeit der Verringerung der abgestrahlten Leistung (P') für Lampenglühfäden, welche sich bei höheren Temperaturen abzukühlen beginnen, wesentlich größer.
Für eine Lampe, welche in einer Bearbeitungskammer mit einem Filter beschrieben wird, sind höhere Betriebstemperaturen erforderlich. Damit die Leistung der gefilterten Strahlungsquelle, welche das Substrat erreicht, gleich der Leistung der ungefilterten Strahlungsquelle ist, muss die Betriebsleistung der Quelle (der Lampe) wesentlich höher sein als für die ungefilterte Quelle, und die Lampe erreicht dann eine wesentlich höhere Temperatur. Zum Beispiel zeigt ein einfaches Leistungsmodell, dass, wenn Strahlung in einem Wellenlängenband von 750–1200 nm durch ein Filter auf einem Fenster in einer Bearbeitungskammer entfernt wird, wie oben erläutert wurde, die gefilterte Quelle (die Lampe, die in Kombination mit dem beschichteten Fenster in der Kammer arbeitet) möglicherweise bei einer um etwa 525°C höheren Temperatur betrieben werden muss, um dieselbe Strahlungsleistung wie die ungefilterte Quelle aufzuweisen. Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der Abkühlung eines Körpers mit einer höheren Temperatur auf eine gewisse Temperatur höher ist, als dann, wenn dieser Körper eine niedrigere Temperatur hat. Man kann daher den Abkühlungseffekt beeinflussen, indem man die Temperatur der Quelle (der Lampe) erhöht und einen wesentlichen Teil der Strahlung filtert, welche das Substrat erreichen wird.
Somit kann das optische Filter auf spezifische Prozesse und Wafertemperaturen abgestimmt werden, um eine optimale Leistungsfähigkeit zu erreichen. Es ist eine ganze Reihe von Ausführungsformen denkbar, bei denen das Fenster Wellenlängen von > 0,7 Mikrometer bis > 2,0 Mikrometer blockiert. Es kann auch wünschenswert sein, das Filter mehrere Segmente des Spektrums mit variierenden Intensitäten blockieren und transmittieren zu lassen (d. h. 99,9% Blockierung für 0,75–1 Mikrometer und > 80% Blockierung für > 1,5 Mikrometer), um die optimale Balance zwischen Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit für eine gegebene Wafertemperatur und einen gegebenen Wafertyp zu finden. Wenn zum Beispiel bei 5% Lampenspannung zu viel von den Lampen abgestrahlte Leistung von dem Wafer ”gesehen” wird, um auf die gewünschte Temperatur (zum Beispiel 200°C) zu steuern, kann die Steuerung der Wafertemperatur auf die besagte Temperatur schlecht, unmöglich oder unerreichbar sein. Durch Verwendung des Filters, um einen Teil der Leistung von den Lampen zu blockieren, könnte die Ziel-Wafertemperatur (zum Beispiel 200°C) mit durchschnittlichen Lampenbereichen von 5% oder 10% oder höher angesteuert werden, je nachdem, wie viel Strahlungsintensität das Filter blockiert. Ein anderer Vorteil dieses Effektes ist, dass mit dem Filter der Nennspannungspegel, der an den Lampen erforderlich ist, um die Zieltemperatur zu erreichen, sich dem Mittelpunkt des Steuerbereiches des Lampentreibers nähert. Wenn zum Beispiel der Steuerbereich des Lampentreibers 5%–100% ist, dann liegt der Mittelpunkt des Steuerbereiches bei 52,5%. Wenn die Steuereinrichtung versucht, die Temperatur bei einer Nennspannung von 7% zu steuern, dann hat die Steuereinrichtung nur einen Bereich von –2% am unteren Ende, bevor sie die untere Sättigung erreicht. Falls jedoch die Nennsteuerspannung, die erforderlich ist, um dieselbe gewünschte Temperatur zu erreichen, auf 10% erhöht werden kann, verfügt die Steuereinrichtung nun über einen Bereich von –5% am unteren Ende, bevor sie die untere Sättigung erreicht. Für eine Steuereinrichtung mit einem Bereich von 0–100% ist der optimale Nennwert 50%.
Die verbesserte Kühlwirkung durch Strahlung kann an einer tatsächlichen Erwärmungsspitze nachgewiesen werden, die eine verbesserte Abkühlgeschwindigkeit durch Strahlung allein durch Verwendung eines Filters und ohne zusätzliche Kühlvorrichtung zeigt. Durch Verwendung eines Filterfensters sollte die Spitze auch einen verbesserten Anstieg für die Erwärmung eines Wafers zeigen, aufgrund der weiter oben beschriebenen verbesserten Linearisierung durch Blockieren von Strahlung, die der Bandlücke des Substratmaterials entspricht. Im Vergleich dazu hat eine standardmäßige Erwärmungsspitze ein recht flaches Aussehen, und es ist ein im Wesentlichen flaches Abklingen oder Abnehmen der Temperatur von der Maximaltemperatur aus vorhanden. Dies liegt an der fehlenden Filterung von Wellenlängen durch das Fenster, welche zu einer fortgesetzten Erwärmung des Substrats beitragen, nachdem die Lampen ausgeschaltet worden sind. Eine positive Wirkung der Verwendung eines Kerb- oder Bandsperrfilters, welches Strahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches blockiert, ist, dass ein solches System eine recht steile Temperaturänderung erzeugt, die einen schnelleren Temperaturanstieg und eine relativ schnelle Abkühlung ermöglicht, verglichen mit dem Fall, wenn das Filter nicht vorhanden ist. Die Verbesserungen bei der Erwärmung und Abkühlung sind nicht nur darauf zurückzuführen, dass Strahlung von den Lampen daran gehindert wird, die Pyrometer in ihren Betriebswellenlängen zu erreichen. Eine weitere Verbesserung wird auch durch eine bessere Steuerbarkeit und schnellere Abkühlung erreicht, indem die geeigneten Filter verwendet werden, um zu verhindern, dass unerwünschte Strahlung das Substrat erwärmt, nachdem die Lampen ausgeschaltet werden. Dies lässt sich nachweisen, indem für das Sperrband des Filters unterschiedliche obere und untere Cut-Off-Wellenlängen verwendet werden. Ein besseres Blockieren von Strahlung in dem Wellenlängenband, das der Bandlücke des Substrats entspricht, und ein zusätzliches Blockieren von Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer als die der Bandlücke entsprechende obere Wellenlängengrenze ist, bewirken sowohl eine bessere Steuerbarkeit als auch eine verbesserte Abkühlung im Vergleich zu Filtern, welche keine solche Charakteristik haben.
Dementsprechend kann ein Filter in der Form eines Fensters verwendet werden, das eine reflektierende Beschichtung und/oder einen Absorber enthält, welche bzw. welcher auf einer einzigen Seite oder auf beiden Seiten eines Fensters aufgebracht sein kann, und das eine Filtercharakteristik aufweist, welche im Wesentlichen verhindert, dass Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge von einer Wärmequelle ein Substrat erreicht. Dies verbessert die Steuerbarkeit des Erwärmungsprozesses des Substrats, wenn die Wärmequelle eingeschaltet ist, und erhöht die Abkühlgeschwindigkeit eines Wafers, nachdem die Wärmequelle ausgeschaltet worden ist.
Die Bezugnahme auf ”eine Ausführungsform”, ”gewisse Ausführungsformen” oder ”eine oder mehrere Ausführungsformen” innerhalb dieser Beschreibung bedeutet, dass ein bestimmtes in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes Merkmal, eine Struktur, ein Material oder eine Eigenschaft in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Daher bezieht sich die Verwendung von Ausdrücken wie ”bei einer oder mehreren Ausführungsformen”, ”bei gewissen Ausführungsformen” oder ”bei einer Ausführungsform” an verschiedenen Stellen innerhalb dieser Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform der Erfindung. Ferner können die speziellen Merkmale, Strukturen, Materialien oder Eigenschaften bei einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede beliebige geeignete Art und Weise kombiniert werden.
Obwohl die Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, dienen diese Ausführungsformen selbstverständlich nur der Veranschaulichung der Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel versteht es sich, dass, obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen für Kammern für schnelle thermische Bearbeitung beschrieben wurden, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung für verschiedenartige Kammern für thermische Bearbeitung angewendet werden können und die vorliegende Erfindung nicht auf schnelle thermische Bearbeitung beschränkt ist. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne die Grundidee und den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Änderungen mit einschließt, welche im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente enthalten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5848842 [0037]
US 6179466 [0037]
US 6395363 [0037]
US 6839507 [0040]
US 7041931 [0040]

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen eines Substrats, welche umfasst: eine Wärmequelle zum Liefern von Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich und zum Erwärmen des Substrats innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches, wobei das Substrat in einem zweiten Wellenlängenbereich innerhalb des ersten Wellenlängenbereiches und innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches strahlungsabsorbierend ist; einen Prozessbereich, der einen Substrathalter enthält, um das Substrat zu tragen; und ein Filter, das zwischen dem Substrathalter und der Wärmequelle angeordnet ist, um Strahlung von der Wärmequelle zu filtern, derart, dass mindestens ein Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches nicht von dem Substrat absorbiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filter ein reflektierendes Fenster umfasst, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird, so dass das Abkühlen des Substrats mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgt als dann, wenn nicht verhindert wird, dass die Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches von dem Substrat absorbiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filter ein reflektierendes Fenster umfasst, welches Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches reflektiert, und der zweite Wellenlängenbereich ein vorbestimmter Wellenlängenbereich ist, welcher auf dem Absorptionsgrad des Substrats in Abhängigkeit von der Temperatur basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Substrat Silizium umfasst und der zweite Wellenlängenbereich eine untere Grenze, die größer als etwa 1000 nm ist, und eine obere Grenze von etwa 1300 nm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filter ein absorbierendes Fenster umfasst, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmequelle Lampen umfasst und der zweite Wellenlängenbereich auf der Basis der Zusammensetzung des Substrats und der maximalen Emission der Wärmequelle in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie ausgewählt ist, um eine verbesserte Vorhersagbarkeit der Erwärmung des Substrats in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie zu erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das reflektierende Fenster dazu dient, einen vorausgewählten prozentualen Anteil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches und einen anderen vorausgewählten prozentualen Anteil der Strahlung innerhalb eines dritten Wellenlängenbereiches, der von dem zweiten Wellenlängenbereich verschieden ist, zu blockieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung ferner einen Prozessor umfasst, welcher die Energiemenge und das Zeitintervall, während dessen den Lampen Energie zugeführt wird, um eine vorbestimmte maximale Heizelementtemperatur zu erzeugen, steuert, um ein optimiertes Abkühlungsprofil für die Lampe zu verschaffen, um die Wärmeexposition eines Substrats in dem Prozessbereich zu verringern.
Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats in einer Kammer für schnelle thermische Bearbeitung, welches umfasst:: schnelles Erwärmen des Substrats mit einer Wärmequelle, welche Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich erzeugt, innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches, wobei das Substrat in einem zweiten Wellenlängenbereich innerhalb des ersten Wellenlängenbereiches und innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiches strahlungsabsorbierend ist; und Filter von Strahlung von der Wärmequelle, derart, dass mindestens ein Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches nicht von dem Substrat absorbiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Filtern von Strahlung von der Wärmequelle durch ein reflektierendes Fenster erfolgt, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird, und wobei das Abkühlen des Substrats mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgt als dann, wenn nicht verhindert wird, dass die Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches von dem Substrat absorbiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite Wellenlängenbereich ein vorbestimmter Wellenlängenbereich ist, welcher auf dem Absorptionsgrad des Substrats in Abhängigkeit von der Temperatur basiert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Filter von Strahlung von der Wärmequelle durch ein absorbierendes Fenster erfolgt, das dazu dient, die Transmission mindestens eines Teils der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches zu dem Substrat zu verhindern, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fenster ferner einen Absorber enthält, der dazu dient, mindestens einen Teil der Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches daran zu hindern, das Substrat zu erreichen, wenn die Wärmequelle nach dem Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur von weniger als etwa 600°C ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Wärmequelle Lampen umfasst und der zweite Wellenlängenbereich auf der Basis der Zusammensetzung des Substrats und der maximalen Emission der Wärmequelle in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie ausgewählt ist, um eine verbesserte Vorhersagbarkeit der Erwärmung des Substrats in Abhängigkeit von der den Lampen zugeführten Energie zu erzielen, verglichen mit dem Fall, wenn die Filterung nicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner das Steuern der Energiemenge und des Zeitintervalls, während dessen den Lampen Energie zugeführt wird, um eine vorbestimmte maximale Heizelementtemperatur zu erzeugen, umfasst, um ein optimiertes Abkühlungsprofil für die Lampe zu verschaffen, um die Wärmeexposition eines Substrats in der Kammer zu verringern.