DE19737802A1 - Thermal treatment especially of semiconductor wafers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Be handeln von Substraten, insbesondere von Halbleitersub straten oder -wafern, bei dem wenigstens ein Substrat in einer Reaktionskammer mit wenigstens einer Heizquelle aufgeheizt wird, wobei eine Platte parallel zu dem zu be handelnden Substrat vorgesehen ist. Die Erfindung be trifft weiterhin eine Vorrichtung für eine thermische Be handlung von Substraten, mit einer Reaktionskammer, we nigstens einer Heizquelle und einer Platte, die parallel zu dem zu behandelnden Substrat angeordnet ist.The invention relates to a method for thermal loading deal with substrates, especially semiconductor sub straten or wafers, in which at least one substrate in a reaction chamber with at least one heating source is heated, with a plate parallel to the be acting substrate is provided. The invention be continues to hit a device for thermal loading handling of substrates, with a reaction chamber, we at least a heat source and a plate that is parallel is arranged to the substrate to be treated.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art ist aus der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden DE 44 37 361 C be kannt. Darüber hinaus sind Schnellheizverfahren und -sy steme aus den auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden Druckschriften DE 40 12 615 C, DE 42 23 133 C oder der DE 44 14 391 A, sowie aus den US-Patentschriften 5 226 732, 5 359 693 und 5 628 564 bekannt. Weitere Schnellheizver fahren und -Vorrichtungen sind in den Veröffentlichungen J. Nackos: 2nd International Rapid Thermal Conference, RTP '94. Monterey CA, Proc. p. 421-428 (1994), Arun K. Nanda, Terrence J. Riley, G. Miner et al: "Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Metrologies for 0,25 µm Technology Thermal Applications" Part 11, Presentation at the Rapid Thermal and Integrated Processing Conference MRS Spring Meeting '96, San Fran cisco CA und Terrence F. Riley, Arun K. Nandam G. Miner et al.: "Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Methodologies for 0,25 µm Technology Thermal Applications" Part I.lbid sowie aus der Veröffentlichung R. Bremsensdorfer, S. Marcus and Z. Nenyei: "Patters Related Nonuniformities During Rapid Thermal Processing", Presentation at the Rapid Thermal and Integrated Processing Conference MRS Spring Meeting '96, San Francisco CA und der nachveröffentlichten Druch schrift Z. Nenyei, G. Wein, W. Lerch, C. Grunwald, J. Gelpey and S. Wallmüller: "RTP Development Requirements", presented at RTP '97 Conference Sept. 3-5, 1997 New Orle ans beschrieben, wobei für letztere beiden Aufsätze einer der Erfinder dieser Anmeldung Mitautor ist. Bei sämtli chen dieser Verfahren und Vorrichtungen ist es schwierig und, wenn überhaupt, nur mit hohem Aufwand möglich, die für den Behandlungsprozeß sowie für deren Steuerung und Regelung erforderliche Substrattemperatur in der benötig ten Genauigkeit zu bestimmen. Die Temperaturermittlung ist insbesondere deshalb schwierig, weil die Wärmestrah lung des zu behandelten Substrats, beispielsweise eines Halbleiterwafers, von der reflektierten Strahlung der Heizquelle(n), etwa von der Lampenstrahlung getrennt wer den muß, da die reflektierte Strahlung das Meßergebnis beeinflußt. Darüber hinaus ändert sich die Wärmestrahlung des Wafers mit dessen Emissivität, die bzw. deren Ände rung a priori nicht bekannt ist. Um die Temperaturmessung möglichst genau durchführen zu können, sind aufwendige selektive Filter erforderlich, die die Lampenstrahlung in einem schmalen optischen Frequenzband im Bereich der Meß wellenlänge unterdrücken soll. Auch müssen unterschiedli che Emissivitäten möglichst gut kompensiert werden. Dar über hinaus werden die Meßergebnisse nicht nur durch die reflektierte Lampenstrahlung, sondern auch durch die Transmission des zu behandelnden Substrats beeinflußt, so daß durch die dadurch entstehende Hintergrundstrahlung eine ausreichend genaue Messung der Substrattemperatur schwierig ist. Darüber hinaus werden die mit pyrometri schen Meßverfahren erhaltenen Meßergebnisse auch durch Interferenzeffekte auf den Oberflächen der Substrate ver fälscht, die durch dünne Schichten auf den Substratober flächen entstehen.A method and a device of this type is known from the DE 44 37 361 C going back to the same applicant knows. In addition, there are rapid heating processes and systems systems based on the same applicant Publications DE 40 12 615 C, DE 42 23 133 C or the DE 44 14 391 A, and from US Pat. Nos. 5,226,732, 5,359,693 and 5,628,564. More Schnellheizver Driving and devices are in the publications J. Nackos: 2nd International Rapid Thermal Conference, RTP '94. Monterey CA, Proc. p. 421-428 (1994), Arun K. Nanda, Terrence J. Riley, G. Miner et al: "Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Metrologies for 0.25 µm Technology Thermal Applications " Part 11, Presentation at the Rapid Thermal and Integrated Processing Conference MRS Spring Meeting '96, San Fran cisco CA and Terrence F. Riley, Arun K. Nandam G. Miner et al .: "Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Methodologies for 0.25 µm Technology Thermal Applications "Part I.lbid as well the publication R. Bremsensdorfer, S. Marcus and Z. Nenyei: "Patters Related Nonuniformities During Rapid Thermal Processing ", Presentation at the Rapid Thermal and Integrated Processing Conference MRS Spring Meeting '96, San Francisco CA and the post-published Druch written by Z. Nenyei, G. Wein, W. Lerch, C. Grunwald, J. Gelpey and S. Wallmüller: "RTP Development Requirements", presented at RTP '97 Conference Sept. 3-5, 1997 New Orle ans, with one for the latter two articles the inventor of this application is a co-author. At all These methods and devices make it difficult and, if at all, only with great effort, the for the treatment process and for its control and Regulation required substrate temperature in the required to determine accuracy. The temperature determination is particularly difficult because the heat beam development of the substrate to be treated, for example one Semiconductor wafers, from the reflected radiation of the Heat source (s), for example separated from the lamp radiation because the reflected radiation is the measurement result influenced. In addition, the heat radiation changes of the wafer with its emissivity, the or their changes a priori is not known. To measure the temperature To be able to perform as accurately as possible is time-consuming Selective filter required, which the lamp radiation in a narrow optical frequency band in the area of measurement suppress wavelength. Also different emissivities are compensated for as well as possible. Dar In addition, the measurement results are not only the reflected lamp radiation, but also by the Transmission affected by the substrate to be treated, so that due to the background radiation a sufficiently accurate measurement of the substrate temperature is difficult. In addition, those with pyrometri measurement results obtained by measuring methods Interference effects on the surfaces of the substrates ver fakes that through thin layers on the substrate top areas arise.
Neben wellenlängenselektiven und intensitätsmodulations selektiven Verfahren, wie sie beispielsweise die aus der US-Patentschrift 507 605 bekannte sogenannte "Ripple- Technik" beinhaltet, sind weiterhin wellenvektorselektive Pyrometrie-Verfahren bekannt, die die Hintergrundstrah lung in einem größeren Energiebereich selektieren. Bei diesem Verfahren wird die Winkelverteilung der gesamten Lampenstrahlung mit verschiedenen Reflektorformen charak teristisch gerichtet, und die Temperaturmessung erfolgt aus einer Richtung, in der die Hintergrundstrahlung ihr Minimum hat.In addition to wavelength selective and intensity modulation selective processes, such as those from the US 507 605 known so-called "Ripple- Technology "are still wave vector selective Pyrometry process known to the background beam Select a larger energy range. At This procedure uses the angular distribution of the whole Lamp radiation with different reflector shapes charak teristically directed, and the temperature measurement takes place from a direction in which the background radiation Minimum.
Bei all diesen bekannten Verfahren ist die Unterdrückung der Hintergrundstrahlung, wenn überhaupt, nur mit großem Aufwand möglich, um die Substrattemperatur für die Steue rung des Behandlungsverfahrens ausreichend gut steuern zu können.In all of these known methods is suppression the background radiation, if at all, only with great Effort possible to determine the substrate temperature for the tax control the treatment process sufficiently well can.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum schnellen thermischen Be handeln von Substraten anzugeben bzw. zu schaffen, mit dem bzw. mit der eine zuverlässige Bestimmung der Substrattemperatur in einem breiten Temperaturbereich auf einfache Weise möglich ist.The invention is therefore based on the object, a Ver drive and a device for rapid thermal loading act to specify or create substrates with with which a reliable determination of Substrate temperature in a wide temperature range simple way is possible.
Ausgehend von dem eingangs genannten, aus der DE 44 37 361 C2 bekannten Verfahren, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Temperatur im Zwischenraum zwi schen dem Substrat und der Platte zur Ermittlung der Tem peratur optisch ermittelt wird. Mit diesem bekannten Ver fahren wird die die Temperaturmessung nachteilig beein flussende Hintergrundstrahlung, die durch Reflexions-, Transmissions- und Interferenzeffekte entstehen, weitge hend von der eigentlichen Substratemission getrennt, so daß sehr gute, unbeeinflußte Meßergebnisse erzielt werden können.Starting from the above, from DE 44 37 361 C2 known method, the task is solved in that the temperature in the space between between the substrate and the plate to determine the tem temperature is determined optically. With this known ver driving will adversely affect the temperature measurement flowing background radiation caused by reflection, Transmission and interference effects arise, widely separated from the actual substrate emission, see above that very good, uninfluenced measurement results are achieved can.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung bilden die Substrate, die Platte und der Zwischen raum zwischen dem Substrat und der Platte einen Hohlraum strahler, dessen Temperatur optisch gemessen wird. Der Hohlraumstrahler sorgt dafür, daß von außen auftretende Beeinflussungen bei der Temperaturermittlung weitgehend vermieden werden, da die Temperatur des Substrats direkt gemessen und kontrolliert wird, im Gegensatz zur herkömm lichen Verfahren. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Temperaturmessung durch Reflexionen oder Transmissionen der Substrate oder Platten oder durch optische dünne Schichten auf den Substratoberflächen, seien sie auf der Vorder- oder auf der Rückseite des Substrats oder der Platte, oder deren Änderungen gestört oder beeinflußt werden kann.According to a very advantageous embodiment of the inven Form the substrates, the plate and the intermediate space between the substrate and the plate a cavity radiator whose temperature is measured optically. Of the Cavity emitter ensures that those appearing from the outside Influences in temperature determination largely avoided because the temperature of the substrate is direct is measured and controlled, in contrast to conventional process. In this way it is avoided that the Temperature measurement through reflections or transmissions of the substrates or plates or by optical thin Layers on the substrate surfaces, be they on the Front or back of the substrate or the Disk, or its changes disturbed or affected can be.
Vorzugsweise wird die im Hohlraumstrahler bzw. im Zwi schenraum zwischen dem Substrat und der Platte auftre tende Strahlung durch ein Loch in der Platte, das vor zugsweise in der Plattenmitte angeordnet ist, austritt, gemessen und zur Ermittlung des Temperatur ausgewertet. Die aus dem Loch austretende Strahlung wird dabei vor zugsweise mit einem Pyrometer gemessen und ausgewertet. Eine dabei gegebenenfalls erforderliche Kalibrierung ist in der üblichen, herkömmlichen Weise durchführbar.Preferably in the cavity radiator or in the Zwi space between the substrate and the plate radiation through a hole in the plate in front of it is preferably arranged in the middle of the plate, exits, measured and evaluated to determine the temperature. The radiation emerging from the hole is in front preferably measured and evaluated with a pyrometer. A calibration that may be required is feasible in the usual, conventional manner.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Strahlung nach Austritt aus dem Loch so fokussiert, daß die vom Rand des Loches ausgehende Strahlung von der Meßvorrichtung nicht erfaßt wird. Die Meßvorrichtung "sieht" daher den Rand des Loches der Platte nicht, so daß die Meßergebnisse durch die Randbe reiche des Loches nicht nachteilig beeinflußt werden.According to a further advantageous embodiment of the Invention is the radiation after emerging from the hole so focused that the one coming from the edge of the hole Radiation is not detected by the measuring device. The Measuring device therefore "sees" the edge of the hole Plate not, so that the measurement results by the Randbe rich of the hole can not be adversely affected.
Vorzugsweise erfaßt bzw. mißt die Meßvorrichtung, vor zugsweise ein Pyrometer, die aus dem Zwischenraum zwi schen dem Substrat und der Platte austretende Strahlung in einer ausgewählten Frequenz. Die Messung ist jedoch vorteilhafterweise auch in einem schmalbandigen und ins besondere auch in einem breitbandigen Frequenzbereich mit Vorteil möglich.The measuring device preferably detects or measures preferably a pyrometer, which from the space between radiation emerging from the substrate and the plate at a selected frequency. The measurement is however advantageously also in a narrow band and ins especially in a broadband frequency range Advantage possible.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Substrat und der Platte ein thermisches Gleichgewicht besteht. Dies läßt sich mit Vorteil dadurch erreichen, daß sowohl die der Platte abgewandte Seite des Substrats, als auch die dem Substrat abgewandte Seite der Platte jeweils von Heizstrahlern bestrahlt werden, so daß eine doppelseitige Heizung vorliegt. Vorteilhaft ist es dabei insbesondere auch, die oberen und die unteren Heizstrahler bzw. Lam penbänke unabhängig voneinander zu steuern bzw. zu re geln, um ein thermisches Gleichgewicht einstellen zu kön nen. Dadurch ergibt sich eine der idealen Schwarzkörper strahlung angenäherte Strahlung des Hohlraumstrahlers, die von äußeren Einflüssen im wesentlichen freigehalten werden kann.It is very advantageous if between the substrate and the plate has a thermal equilibrium. This can be achieved with advantage that both the side of the substrate facing away from the plate, as well as the side of the plate facing away from the substrate Radiant heaters are irradiated, so that a double-sided There is heating. It is particularly advantageous also, the upper and lower radiant heaters or lam to control pen banks independently of each other apply in order to be able to establish a thermal equilibrium nen. This creates one of the ideal black bodies radiation approximate radiation from the cavity radiator, which are kept essentially free from external influences can be.
Eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Platte und/oder das Substrat opak ist, trägt zur Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei, da dadurch der Hohlraumstrahler zusätzlich stabilisiert wird.An embodiment of the invention in which the plate and / or the substrate is opaque, contributes to improvement of the method according to the invention, since thereby the Cavity heater is additionally stabilized.
Ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung, die aus der auf dieselbe Anmelderin zurückgehende DE-44 37 361 C bekannt ist, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, daß die Platte ein Loch zum Austritt der im Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Platte auftretenden Strahlung aufweist. Die zuvor im Zusammen hang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile treten auch bei der erfindungsgemäßen Vorrich tung ein.Starting from the device mentioned at the outset DE-44 37 361 C, which goes back to the same applicant is known, the task is inventively also solved in that the plate has a hole for exit that in the space between the substrate and the plate radiation occurring. The previously together Hang described with the inventive method Advantages also occur with the device according to the invention tion.
Vorzugsweise wird durch das Substrat, die Platte und dem Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Platte ein Hohlraumstrahler gebildet, der eine Bestimmung der Substrattemperatur ermöglicht, ohne daß dabei äußere Ein flüsse, Reflexions- und Transmissionseigenschaften oder Änderungen der Substratoberfläche störend in Erscheinung treten.Preferably, the substrate, the plate and the Clearance between the substrate and the plate Cavity radiator formed, which is a determination of the Substrate temperature allows without external A flows, reflection and transmission properties or Changes in the substrate surface appear disruptive to step.
Die aus dem Loch der Platte austretende Strahlung wird durch eine optische Meßeinrichtung, vorzugsweise ein Py rometer, gemessen und zur Ermittlung der Substrattempera tur ausgewertet, wobei dies für eine ausgewählte Fre quenz, oder in einem schmaleren oder breiteren Frequenz band der Strahlung je nach den vorhandenen Gegebenheiten und Erfordernissen durchführbar ist.The radiation emerging from the hole in the plate becomes by an optical measuring device, preferably a Py rometer, measured and to determine the substrate temperature tur evaluated, this for a selected Fre quenz, or in a narrower or wider frequency bound the radiation depending on the existing circumstances and requirements can be carried out.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen dem Substrat und der Platte bezüglich ihrer Durchmesser klein. Umso größer der Platten- und Substratdurchmesser ist, und umso kleiner der Abstand zwischen Platte und Substrat gewählt ist, de sto idealer Eigenschaften des Hohlraumstrahlers ergeben sich, weil dadurch die Randbereiche des durch Platte und Substrat gebildeten Hohlraumstrahlers praktisch vernach lässigbar sind. Zur Verbesserung der Hohlraumstrahler-Ei genschaften ist es weiterhin vorteilhaft, sowohl auf der Substrat- als auch auf der Plattenseite der Substrat- Platten-Anordnung wenigstens jeweils einen Heizstrahler bzw. Einzellampen anzuordnen, die gegebenenfalls und vor zugsweise auch unabhängig von- einander gesteuert werden können, um der Substrat-Platten-Anordnung ein möglichst gutes thermisches Gleichgewicht zu geben.According to a particularly advantageous embodiment of the Invention is the distance between the substrate and the Plate small in diameter. The bigger the Plate and substrate diameter, and the smaller the distance between plate and substrate is selected, de ideal properties of the cavity radiator themselves, because by doing so the edge areas of the through plate and Cavity emitter formed substrate practically vernach are casual. To improve the cavity egg properties, it is still advantageous both on the Substrate as well as on the plate side of the substrate Plate arrangement at least one radiant heater or to arrange individual lamps, if necessary and before can also be controlled independently of one another can to the substrate-plate arrangement as possible to give good thermal balance.
Die Meßergebnisse werden gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung zusätzlich verbessert, wenn zwi schen der Meßvorrichtung und dem Loch, vorzugsweise di rekt vor dem Loch, ein Breitwinkel-Objektiv vorgesehen ist, so daß keine vom Lochrand ausgehende Strahlung auf die Meßvorrichtung oder das Pyrometer fällt, wodurch eine nachteilige Beeinflussung des Meßergebnisses durch Rand bereiche des Loches vermieden werden. The measurement results are according to a further embodiment tion form of the invention additionally improved when between rule the measuring device and the hole, preferably di right in front of the hole, a wide-angle lens is provided is so that there is no radiation emanating from the edge of the hole the measuring device or the pyrometer falls, causing a adverse influence on the measurement result by edge areas of the hole can be avoided.
Vorteilhaft ist es weiterhin, Lichtleitungen zur Strah lungsübertragung zwischen dem Substratloch und der Meß vorrichtung vorzusehen.It is also advantageous to use light lines to the beam transmission between the substrate hole and the measurement device.
Unter dem Begriff Substrate sind in diesem Zusammenhang Halbleiterwafer, Masken, Platten, sowie alle Objekte zu verstehen, die oder deren Oberfläche einer thermischen Behandlung unterzogen werden.The term substrates are used in this context Semiconductor wafers, masks, plates, and all objects too understand the surface of a thermal Undergo treatment.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Fi gur erläutert, die eine schematische Querschnittsdarstel lung einer Schnellheizvorrichtung wiedergibt.The invention is described below with reference to a preferred one Embodiment with reference to the only Fi gur explained, which is a schematic cross-sectional representation development of a rapid heating device.
In einer verspiegelten Kammer 1 befindet sich eine Reak torkammer 2, die vorzugsweise aus Quarzglas hergestellt ist. Auf der Ober- und auf der Unterseite der Reaktions kammern 2 sind Heizquellen 3 in Form von Lampen angeord net. Die Reaktorkammer 2 weist ein Gaszuführungsrohr 4 zum Einleiten eines Reaktionsgases und eine Kammertür 5 zum Ein- und Ausbringen eines Substrats 6, im vorliegen den Fall eines Halbleiterwafers von 150 bis 200 mm Durch messer, auf. Auf einem Quarz-Substratträger 7 befindet sich eine von ihm durch Abstandshalter 8 beabstandet Platte 9, die auch als Hotliner-Platte bezeichnet wird und vorzugsweise denselben Durchmesser, also 150 oder 200 mm, wie das Substrat 6 aufweist. Parallel zur Hotliner- Platte 9 und in einem Abstand von vorzugsweise 5 bis 6 mm von ihr ist das Substrat 6 in der Reaktorkammer 2 ange ordnet. Konzentrisch zur Hotliner-Platte 9 ist ein Kom pensationsring 10 vorgesehen mit dem eine bessere thermi sche Homogenität erreichbar werden kann. In der Nähe ei ner Eintrittsöffnung 11 der Gaszuführung 4 befinden sich Gasverteilerplatten 13. In a mirrored chamber 1 there is a reactor chamber 2 , which is preferably made of quartz glass. On the top and on the bottom of the reaction chambers 2 , heating sources 3 in the form of lamps are net angeord. The reactor chamber 2 has a gas supply pipe 4 for introducing a reaction gas and a chamber door 5 for introducing and removing a substrate 6 , in the present case a semiconductor wafer with a diameter of 150 to 200 mm. On a quartz substrate carrier 7 there is a plate 9 spaced from it by spacers 8 , which is also referred to as a hotliner plate and preferably has the same diameter, ie 150 or 200 mm, as the substrate 6 . Parallel to the hotliner plate 9 and at a distance of preferably 5 to 6 mm from it, the substrate 6 is arranged in the reactor chamber 2 . Concentric to the hotliner plate 9 , a compensation ring 10 is provided with which better thermal homogeneity can be achieved. Gas distributor plates 13 are located in the vicinity of an inlet opening 11 of the gas supply 4 .
Die zuvor beschriebene Schnellheizvorrichtung, sowie de ren Einzelheiten und Funktionsweisen sind aus der bereits erwähnten, auf dieselbe Anmelderin zurückgehende DE 44 37 361 C2 bekannt, so daß darauf verwiesen wird. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird diese Druckschrift in sofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.The quick heater described above, as well as de Ren details and functions are already from the mentioned, going back to the same applicant DE 44 37 361 C2 is known, so that reference is made to it. Around To avoid repetition, this publication is in if made to the content of the present application.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Mitte der Hotliner-Platte 9 eine Bohrung oder ein Loch 14 ausgebildet, das einen Durchmesser von vorzugsweise 1 bis 2 mm aufweist und durch das Strahlung aus dem Zwischen raum 15 zwischen dem Substrat 6 und der Hotliner-Platte 9 austritt, und durch ein Breitband-Objektiv 16, also durch eine Optik für große Seewinkel, aus der Reaktorkammer 2 und danach aus der Kammer 1 in den Außenraum gelangt und, gegebenenfalls nach Durchgang durch wenigstens eine wei tere Linse oder ein weiteres Linsensystem 17, auf ein Py rometer 18 fällt.In the illustrated embodiment, a hole or hole 14 is formed in the center of the hotliner plate 9 , which preferably has a diameter of 1 to 2 mm and by the radiation from the space 15 between the substrate 6 and the hotliner plate 9 emerges, and through a broadband lens 16 , that is, through optics for large sea angles, from the reactor chamber 2 and then from the chamber 1 to the outside and, if necessary, after passing through at least one further lens or another lens system 17 a py rometer 18 falls.
Die Reaktorkammer 2 und die Hotliner-Platte 9 bilden mit einander einen Hohlraumstrahler, der auf Grund seiner re lativen Abgeschlossenheit eine Strahlung enthält, die im wesentlichen unabhängig von äußeren Einflüssen, wie der Lampenstrahlung, Reflexionen, Oberflächenbeschaffenheiten des Substrats 6 oder der Hotliner-Platte 9 oder einer sonstigen Hintergrundstrahlung ist. Der Hohlraumstrahler kommt dem Ideal eines schwarzen Strahlers umso näher, je größer der Durchmesser des Substrats 6 und der Hotliner- Platte 9 und umso kleiner der Abstand dazwischen ist. Da durch werden die Hohlraumstrahler-Eigenschaften praktisch unabhängig von dem Randbereich.The reactor chamber 2 and the hotliner plate 9 together form a cavity radiator which, owing to its relative latitude, contains radiation which is essentially independent of external influences, such as lamp radiation, reflections, surface properties of the substrate 6 or the hotliner plate 9 or any other background radiation. The cavity radiator comes closer to the ideal of a black radiator, the larger the diameter of the substrate 6 and the hotliner plate 9 and the smaller the distance between them. Because of the cavity emitter properties are practically independent of the edge area.
Die Erfindung wurde zuvor anhand eines bevorzugten Aus führungsbeispiels beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch Ausgestaltungen, Modifikationen und Abwandlungen möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Beispielsweise ist es möglich, die Hotliner-Platte 9 auch auf der anderen Seite des Substrats 6 als dies im darge stellten Ausführungsbeispiel der Fall ist, anzuordnen. Insbesondere ist es auch möglich, auf der der Hotliner- Platte 9 abgewandten Seite des Substrats 6 eine weitere Platte vorzusehen, insbesondere dann, wenn ein Behand lungsprozeß eines wenig dotierten Halbleitersubstrats un ter 600°C durchgeführt werden soll. Durch die zusätzli che Platte wird die Lampenstrahlung auch von oben abge schirmt. Das gesamte Substrat 6 befindet sich daher in einem einen schwarzen Körper darstellenden Hohlraum mit dem Vorteil, daß strukturbedingte thermische und Prozeß- Inhomogenitäten noch vollständiger ausgeschlossen sind. Darüber hinaus ist es zusätzlich möglich, ein Thermoele ment vorzusehen, das auf dem Quarzträger in der Weise an geordnet ist, daß die nach unten weisenden Seiten der Substrate 6 mit diesem Thermoelement in Berührung kommen. Die Meßgenauigkeit der Kontakt-Thermoelemente ist dabei auf Grund der Hotliner-Platte 9 wesentlich besser, da diese die Thermoelement-Kontaktstelle, an der das Ther moelement mit dem Substrat 6 in Berührung steht, gegen über der Lampenstrahlung abschirmt. Die Temperaturmessung mit dem Kontakt-Thermoelement ist daher zuverlässiger und weniger fehlerbehaftet. Die Messung der Substrattempera tur mit wenigstens einem Kontakt-Thermoelement ist insbe sondere im Niedertemperaturbereich, also um und unterhalb von 600°C vorteilhaft, jedoch auch bei Hochtemperatur-Pro zeßschritten oder bei sich schrittweise ändernden Tempe raturen verwendbar.The invention has been described with reference to a preferred exemplary embodiment. However, refinements, modifications and modifications are possible for the person skilled in the art without thereby departing from the inventive idea. For example, it is possible to arrange the hotliner plate 9 on the other side of the substrate 6 than is the case in the exemplary embodiment shown. In particular, it is also possible to provide a further plate on the side of the substrate 6 facing away from the hotliner plate 9 , in particular when a treatment process of a lightly doped semiconductor substrate is to be carried out at below 600 ° C. The lamp plate is also shielded from above by the additional plate. The entire substrate 6 is therefore in a cavity which represents a black body, with the advantage that structure-related thermal and process inhomogeneities are excluded even more completely. In addition, it is additionally possible to provide a thermocouple element which is arranged on the quartz carrier in such a way that the downward-facing sides of the substrates 6 come into contact with this thermocouple. The measuring accuracy of the contact thermocouples is much better due to the hotliner plate 9 , since this shields the thermocouple contact point at which the thermocouple is in contact with the substrate 6 against the lamp radiation. The temperature measurement with the contact thermocouple is therefore more reliable and less prone to errors. The measurement of the substrate temperature with at least one contact thermocouple is particularly advantageous in the low temperature range, i.e. around and below 600 ° C, but can also be used with high-temperature processes or with gradually changing temperatures.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungen zur Emissionskompensation durch wenigstens eine Platte (9) - nachfolgend als Hotliner bezeichnet - weiter erläu tert, aus denen sich zusätzliche Vorteile, Einzelheiten und Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben, und sie noch klarer zum Ausdruck bringen. In the following, the invention is further explained by means of embodiments for emission compensation by means of at least one plate ( 9 ) - hereinafter referred to as a hotliner - from which additional advantages, details and possible embodiments of the invention result and which express them even more clearly.
Für einen optischen Stahl gilt in jedem Punkt seines Weges der Erhaltungssatz
For an optical steel, the conservation law applies in every point of its path
α + τ + ρ = 1 (1)
α + τ + ρ = 1 (1)
mit
α Absorptionskoeffizient
τ Transmissionskoeffizient
ρ Reflektionskoeffizient
oder in Worten, der Strahl wird entweder absorbiert, transmittiert oder reflektiert. Des
weiteren gilt für die Emissivität ε das Kirchhoffsche Gesetz
With
α absorption coefficient
τ transmission coefficient
ρ reflection coefficient
or in words, the beam is either absorbed, transmitted or reflected. Kirchhoff's law also applies to emissivity ε
α = ε (2)
α = ε (2)
Emissivität, Reflektivität und Transmission sind also korrespondierende Größen
Emissivity, reflectivity and transmission are therefore corresponding quantities
ε = 1 - ρ -τ (3)
ε = 1 - ρ -τ (3)
oder
or
ε = 1 - ρ für τ = 0 (4).ε = 1 - ρ for τ = 0 (4).
Die von Temperatur und Wellenlänge abhängige emittierte Wärmestrahlung eines schwar
zen Strahlers wird durch die Plancksche Strahlungsdichte
The thermal radiation emitted by a black radiator, which is dependent on temperature and wavelength, is determined by Planck's radiation density
beschrieben. Wafer sind i.a. selektive Strahler, d. h. die emittierte Strahldichte muß mit der
wellenlängen-abhängigen Emissivität ε(λ) < 1 skaliert werden, also
described. Wafers are generally selective emitters, ie the emitted radiance must be scaled with the wavelength-dependent emissivity ε (λ) <1
K'λ(T) = ε(λ)Kλ(T) (6)
K ' λ (T) = ε (λ) K λ (T) (6)
oder aber
or but
K'λ(T) = (1- ρ(λ) - τ(λ))Kλ(T) (7)
K ' λ (T) = (1- ρ (λ) - τ (λ)) K λ (T) (7)
K'λ(T) = (1 - ρ(λ))Kλ(T) für τ = 0 (8).K ' λ (T) = (1 - ρ (λ)) K λ (T) for τ = 0 (8).
Betrachtet wird ein System bestehend aus einem Hotliner und einem darüber liegenden Wafer. Die Transmission τhl des Hotliners ist aufgrund seiner hohen Dotierung gleich Null. Für Si-Wafer gilt dies abhängig von der Dotierung erst ab Temperaturen oberhalb von etwa 600-700°C. Es wird angenommen, daß sich der Si-Wafer in diesem Temperaturbereich befindet, also τw = 0 ist. In der Mitte des Hotliners sitzt ein kleines Loch durch das Strahlung nach außen treten kann. Dadurch bekommt der Hotliner lokal eine gewisse (sehr kleine) Transmission τhl.A system consisting of a hotliner and an overlying wafer is considered. The transmission τ hl of the hotliner is zero due to its high doping. For Si wafers, this only applies depending on the doping from temperatures above about 600-700 ° C. It is assumed that the Si wafer is in this temperature range, ie τ w = 0. There is a small hole in the center of the hotliner through which radiation can escape. This gives the hotliner a certain (very small) transmission τ hl locally.
Die Intensitäten der von Wafer und Hotliner emittierten Wärmestrahlung Ihl und Iw in
einem schmalen optischen Band um λ0 hängen über die Emissivitäten εhl = εhl(λ0) und
εw = εw(λ0) mit der entsprechenden Schwarzkörperstrahlung IBB zusammen. Es gilt also
The intensities of the thermal radiation I hl and I w emitted by the wafer and hotliner in a narrow optical band around λ 0 depend on the emissivities ε hl = ε hl (λ 0 ) and ε w = ε w (λ 0 ) with the corresponding blackbody radiation I BB together. So it applies
Iw = εw Iw,BB = (1 - ρw) Iw,BB (9)
I w = ε w I w, BB = (1 - ρ w ) I w, BB (9)
bzw.
respectively.
Ihl = εhl Ihl, BB = (1 - ρhl) Ihl, BB (10).I hl = ε hl I hl, BB = (1 - ρ hl ) I hl, BB (10).
Das Funktionsprinzip kann man nun folgendermaßen erklären. Der Wafer emittiert gemäß
seiner Temperatur Wärmestrahlung mit der Intensität Iw. Diese trifft auf den Hotliner,
durch dessen Loch ein Anteil von
The principle of operation can now be explained as follows. According to its temperature, the wafer emits heat radiation with the intensity I w . This hits the hotliner, through the hole of which a portion of
I0 = τhl Iw (11)
I 0 = τ hl I w (11)
austritt. Die restliche Strahlung wird entsprechend dem Reflektionskoeffizienten des Hot
liners ρhl reflektiert, trifft wieder auf den Wafer, wird dort wieder entsprechend dem
Reflektionskoeffizienten des Wafers ρw reflektiert und trifft wieder auf den Hotliner. Zu
dem bereits ausgetretenem Anteil addiert sich also ein zweiter Anteil
exit. The remaining radiation is reflected according to the reflection coefficient of the hot liner ρ hl , hits the wafer again, is reflected there again according to the reflection coefficient of the wafer ρ w and hits the hot liner again. So a second part is added to the part that has already left
I0,1 = τhl (1 + ρhl ρw) Iw (12).I 0.1 = τ hl (1 + ρ hl ρ w ) I w (12).
Der reflektierte Anteil macht wieder einen Umlauf und trifft wieder auf den Hotliner usw.,
also
The reflected portion makes a round again and hits the hotliner, etc. again
I0, 1, 2, . . . = τhl (1 + ρhl ρw + (ρhl ρw)2 + . . .) Iw (13)
I 0, 1, 2,. . . = τ hl (1 + ρ hl ρ w + (ρ hl ρ w ) 2 +...) I w (13)
Es ergibt sich also eine geometrische Reihe
So there is a geometric series
die wegen ρhl ρw < 1 konvergiert:
which converges because of ρ hl ρ w <1:
Analog kann man die vom Hotliner emittierte Strahlung in Betracht ziehen die nach
erstmaliger Reflektion am Wafer denselben Verlauf nimmt wie die des Wafers, also nur
noch einmal mit ρw multipliziert werden muß:
Analogously, one can take into account the radiation emitted by the hotliner, which after the first reflection on the wafer takes the same course as that of the wafer, i.e. only has to be multiplied by ρ w :
Ein Pyrometer sieht aus dem Loch eine Strahlungsintensität
A pyrometer sees radiation intensity from the hole
austreten. Es wird angenommen, daß die Hotliner-Platte und der Wafer identische Tempe
ratur haben. Dies impliziert, daß auch Schwarzkörperstrahlungen von Wafer und Hotliner
als gleich
emerge. It is believed that the hotliner plate and the wafer have identical temperatures. This implies that blackbody radiation from wafers and hotliners is considered the same
Iw, BB = Ihl, BB = IBB (21)
I w, BB = I hl, BB = I BB (21)
angenommen werden können. Das Pyrometer sieht also jetzt die Intensität
can be accepted. The pyrometer now sees the intensity
Iges ist also weder von den optischen Eigenschaften des Hotliners, noch von denen des Wafers abhängig, sondern nur noch von der bei einer bestimmten optischen Wellenlänge ausschließlich temperaturabhängigen Schwarzkörperstrahlung IBB.I tot is therefore neither dependent on the optical properties of the hotliner nor on those of the wafer, but only on the black body radiation I BB, which is exclusively temperature-dependent at a specific optical wavelength.
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19737802A DE19737802A1 (en) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | Thermal treatment especially of semiconductor wafers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19737802A DE19737802A1 (en) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | Thermal treatment especially of semiconductor wafers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19737802A1 true DE19737802A1 (en) | 1999-03-11 |
Family
ID=7840632
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DE19737802A Withdrawn DE19737802A1 (en) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | Thermal treatment especially of semiconductor wafers |
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Country | Link |
---|---|
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal | ||
8165 | Publication of following application cancelled |