DE2722545A1 - Vorrichtung zum heizen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Heizen
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen mit einer auf einem elektrisch isolierenden Träger aufgebrachten planeren Heiz@schlange. Solche Vorrichtungen sind z.B. für Servierwagen bekannt oder die bekannten H@ckscheibenheizungen.
• Erfindungsgemäß besteht die Heizschlange aus polykristallinen Silizium.
• Dies hat den großen Vorteil, daß die in der Halbleitertechnologie bekannten Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten für solche Vorrichtungen verwendet werden können. Weiterhin besteht ein Vorteil darin, daß durch die Schichtdicke der Widerstand und damit die Heizleitung eingestellt werden kann.
• Im folgenden werden die Vorteile bei der Anwendung einer solchen Heizvorrichtung in der Halbleitertechnologie selbst beschrieben.
• In der Halbleitertechnologie werden fast sämtliche Hochtemperaturschritte (Diffusionen, Oxydationen, Passivierungen, Temperungen) in Diffusionsöfen durchgeführt. Es ist nicht ungewöhnlich, daß zur Herstellung einer integrierten Schaltung 10 bis 15 derartige Ofenprozesse benötigt werden. Übliche Diffusionsöfen bestehen aus einem waage@echten Keramikrohr, daß eine Heizspirale aus einem geeigneten metallischen Werkstoff trägt. Die zu heizenden Halbleiterscheiben stehen meist senkr@cht in einem Quareschlitten, der in ein Quarzrohr eingeschoben wird. Dieses Quarzrohr führt die zur Durchführung des Ofenprozesses benötigten Reaktionsgase zu und soll außerdem Verunreinigungen fernhalten.
• Das Rohr steckt oft nicht direkt im Keramikrohr des Heizelemente, sondern ist gegen dieses durch ein weiteres Rohr geschützt.
• Horizontale Diffusionsöfen haben eine Reihe von Nachteilen: 1. Die Halbleiterscheiben stehen aus Kapazitätsgründen freitragend senkrecht. Das führt bei großen Scheiben (ab 5 cm #) bei den benötigten hohen Temperaturen von meist über 100000 zu Verwerfungen und Durchbiegen bzw. hohen Verspannungen der Sobeiben, die häufige Ausfallursache durob Bruoh oder niobt tolerierbare Unebenheit sind.
• 2. Da der Gasstrom das Rohr in Längsrichtung passiert, trifft er frontal auf die senkrecht stehenden Scheiben auf. Die ersten Scheiben in Schlitten sind daduroh für eine Diffusion unbrauchbar, alle folgenden Scheiben unterliegen einer Veratmung des Reaktionsgases und der Absohattung durch die vorhergehenden Scheiben.
• 3. Die Scheiben müssen von Hand aus den heute üblichen Stapelmagazinen in die Quarzschlitten umgeladen werden. Das ist teuer und erhöht die Gefahr von Bruch oder Verunreinigung.
• 4. Die große thermische Masse des Ofens verbietet im allgemeinen eine kontrollierte Abkühlung wie sie heute in der Technologie gefordert wird. Vielmehr wird dazu der Schlitten langsam aus der beißen Zone herausgefahren. Diese Methode ist aufwendig, mit ihr kann eine ftlr alle Scheiben gleiche konstante Abkühlrate nicht erzielt werden.
• 5. Das Quarzrohr ist hoißor als die Scheiben. Ee set daher ein Problem, seine Durchlässigkeit für Fremdionen (Na, Metalle), die die Eigensobaften der Scheiben stark beeinträchtigen, hinreichend klein zu halten.
• 6. Die heißeste Stelle des Ofens ist die Heizwicklung. Dies führt zum Abdampfen von Metallionen, zu Verlusten bei der Wärmeübertragung auf die zu heizenden Scheiben und zu starker Wärmeabstrahlung in die umgebende Raumluft, damit auch zu unnötigem Energieverbrauch.
• 7. Um viele Scheiben gleichzeitig bearbeiten zu können, muß die Temperatur des Ofens über eine bestimmte Länge konstant sein.
• Wegen der offenen Rohrenden müssen die Endpunkte der heißen Zone dann auf nooh höherer Temperatur sein ("Dreizonenregelung"), mit entsprechenden Nachteilen (vgl. Punkte 1 und 4).
• 8. Wegen der Dreizonenregelung beträgt die nutzbare Länge eines Diffusionsofens nur etwa 25 % seiner Gesamtlänge. Lange Keramik- und Quarzrohre sind unbandlich, bruchgefährbet und t@@@r.
• Bruchstellen in Quarzrohren sind während des Betriebes nur so@@er festzustellen. Das Auswechseln eines Rohres erfordert wegen der langsam Ankühlung mindestens einen Tag.
• Diese Probleme werden vermieden, wenn: 1. Die Sohoiben flach liegen, 2. der Gasestrom, parallel zu den Scheiben verläuft, 3. Der Scheibenträger kompatibel mit den Magazinen ist, 4. die Heizung geregelt werden kann, weil die thermische Masse gering ist, 5. die Heizquelle im Rohr liegt, das Quarzrohr aber kalt bleibt, 6. der Scheibenträger direkt geheist wird, unter Vermeidung von metallischen Leitern.
• 7. jede Scheibe einzeln geheizt wird, 8. das Rohr kurz sein kann.
• Alle diese Eigenschaften besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung, die im weiteren beschrieben und für deren spezielle Anwendung "Diffusionsstapel" genannt worden soll. Sein wesentlichen Element ist ein Heiztisch z.B. aus Quarz für eine einzelne Halbleiterscheibe beliebiger Größe oder Form, der durch eine planare Heizschlange aus polykristallinen Silizium @@ Ort der Scheibe beheizt wird. Eine mögliche Ausführungsform ist in Bild 1 dargestellt. Di6 Heizschlange (1) ist (z.B. durob Aufdampfen) direkt auf der Unterseite des Quarztisches 2 angebracht, wodurch Wärmeverluste gering gehalten werden. Wesentlich ist, daß nur die Heizschlange heiß wird, nicht die Zuleitungen 3. Diese müssen deshalb einen sehr geringen elektrischen Widerstand besitzen.
• Das wird erreicht durob starke Vergrößerung des Querschnitts, starke Dotierung des Siliziums, oder beides. Die Heizschlange muß gegen die Reaktionsgase gut geschützt sein, damit Veränderungen der Temperatur während des Betriebs vermieden werden.
• Das kann erreicht werden durch gasdichten Abschluß (Umkleidung mit Quarz, Bild 2), durch Betrieb unter Schutzgas (z.B. @2), oder durch Abdeckung durch eine passivierende Oberflächenschicht (si 02' 3i3N4, SiC).
• Bild 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines "Diffusionsstapels". Die einzelnen Tische (4) sind durch Quarzscheiben 5 gegeneinander abgestütztm damit die Halbleiterscheiben 6 eingeschoben werden können. Die Tische sind elektrisch dadurch in Reihe geschaltet, daß die Quarzscheiben Kontaktstifte 7 enthalten (wieder aus polykristallinem Silizium). Auch die Stromzuführung von außen erfolgt durch poly-Silizium-Bahnen 8, die in der Halterung 9 erst gut gekühlt werden (Kühlschlangen 10 oder Luftstrom), ehe der Übergang auf Kabel 11 erfolgt. Die Stapelhöhe ist beliebig. Einzelne Tische können Thermoelemente 12 aufneben. In der gezeichneten Anordnung ist die Temperaturverteilung über verschiedene Tische nicht regelbar, vielmehr wird die Regelung auf gleichmäßige Temperatur bei der Herstellung des Stapels durch Trimmen der einzelnen Heizschlangen durchgeführt.
• Das geschieht sehr einfach durch Dickenänderung (Ätzen, Oxydation) auch am fertigen Tisch. Es können auch weitere Zuleitungen für eine Dreizonenregelung vorgesehen werden.
• Eine mögliche betriebsfertige Anordnung ist in Bild 3 dargestellt.
• In der Darstellung ist die Vorderwand entfernt, die Wärmeiaolation der Kammer und die Kühlung der Halterung 9 sind nrobt ge -zeichnet. Das Gas strömt breitflächig von vorn nach hinten so durch die Ofenkammer, daß alle Scheiben 6 gleichmäßig umströmt wcrdn, An der linken Wand sind die Zuleitungen fur den Heizstrom 11 und die Thermoelemente 12 angeordnet, von rechts wird der "Diffusionsstapel" beschickt.
• Nach dem gleichen Prinzip der "integrierten Heizung" durch eine "planare" Heizschlange können zahlreiche andere Geräte hergestellt werden, bei denen hohe Temperaturen benötigt werden.
• Schon im Haushalt sind vielfältige Anwendungen denkbar: Heizplatten, Warmhalteplatten, Kochtöpfe, Pfannen, Raumheizkörper usw.
• L e e r s e i t e

Claims (3)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Vorrichtung zum Heizen von mit einer auf einem elektrisch isolierenden Träger aufgebrachten planaren Heizschlange d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Heizschlange aus polykristallinem Silizium besteht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Beizeoblange aufgedampft ist.
3. 3. Vorrichtung naob Anspruob 1.

   g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Anwendung bei der Herstellung von Halbleiterelementen.