DE3234999A1 - Verfahren zur bearbeitung von siliziumplaettchen - Google Patents
Verfahren zur bearbeitung von siliziumplaettchenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung von Siliziumplattchen in einer Prozeßkammer.
Die Prozeßkammer wird aufeinanderfolgend mit verschiedenen Atmosphären unter Druck beaufschlagt, insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich, zur Oxidation von Siliziumplattchen bzw. deren Oberfläche bei hohen Temperaturen
und hohen Drücken.
Es ist bekannt, Siliziumplattchen mit Hilfe eines Verfahrens zu oxidieren, das als sogenannte thermische
Oxidation bekannt ist und bei hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgeführt wird. Die Temperaturen können
etwa zwischen 700 und 10000C und die Drücke zwischen 5 und 25 bar (at) betragen. Das Verfahren wird in einem
rohrförmigen Behälter ausgeführt, der einen abnehmbaren Verschluß oder Deckel hat. Zunächst wird der rohrförmige
Behälter mit einer reinigenden Atmosphäre ausgespült, wenn die Siliziumplattchen, die hochkant und aufrechtstehend auf einem "Schiff" angeordnet sind, in den rohrförmigen
Behälter eingeladen werden. Dann wird der rohrförmige Behälter mit einer Reihe verschiedener Prozeßatmosphären
auf einen Prozeßdruck gebracht. Jede Prozeßatmosphäre verdrängt eine vorhergehende Atmosphäre bis
auf einen mit einer solchen Prozeßatmosphäre verbleibenden Rest, wobei sich die Konzentration mit der Zeit verringert.
In einem typischen Fall ist oder enthält die Reinigungsatmosphäre Stickstoff, der unter den gegebenen Bedingungen
als inert angesehen werden kann, wenngleich
manche Anzeichen für seine Reaktivität unter dioson Bedingungen
vorhanden sind; eine der Prozeßatmospharen ist oder enthält trockenen Sauerstoff, der ein langsam wirkendes
Oxidiermittel ist, und eine andere Prozeßatmosphäre ist oder enthält Dampf, der ein schnellwirkendes Oxidiermittel
ist. In dem gleichen Fall kann trockener Sauerstoff zunächst bei rascher Strömungsgeschwindigkeit, so daß die
Verdrängung der aus Stickstoff bestehenden Reinigungsatmosphäre gefördert wird, und danach bei langsamer Geschwindigkeit,
sobald erst einmal die Reinigungsatmosphäre im wesentlichen verdrängt worden ist, eingeführt werden, um
den trockenen Sauerstoff zu schonen. Der trockene Sauerstoff bewirkt die langsame Ausbildung eines dünnen Films
aus Siliziumdioxid auf dem Plättchen. Danach kann Dampf bei einer langsamen Geschwindigkeit eingeführt werden,
die durch die natürlichen Notwendigkeiten der verfügbaren Apparatur begrenzt ist, so daß eine rasche Ausbildung
des dünnen Films von Siliziumdioxid bewirkt wird- Auch kann auf den Dampf trockener Sauerstoff folgen, auf den
wiederum Stickstoff folgt, worauf der rohrförmige Behälter
vom Druck entlastet wird.
Eine bekannte Apparatur, in der das vorstehend beschriebene Verfahren zur thermischen Oxidation von Siliziumplättchen
ausgeführt werden kann, ist in dem U.S.-Patent 4 253 417 beschrieben. Bei dieser ist der rohrförmige Behälter
in einem Außenbehälter eingeschlossen, der außerhalb
des rohrförmigen Behälters unter Druck gesetzt wird, so daß die Drücke außerhalb und innerhalb des rohrförmigen
Behälters bis auf eine kleine Druckdifferenz ausgeglichen werden und eine Undichtheit des rohrförmigen Behälters
sich nur wenig auswirkt und der rohrförmige Behälter aus Quarz, Silizium oder anderem zerbrechlichem Material
bestehen kann. Andere Arten bekannter Apparaturen, in denen ähnliche Verfahren praktiziert werden können, sind in den
U.S.-Patenten 4 018 184 und 4 167 915 beschrieben.
In dem oben erwähnten Verfahren zur thermischen Oxidation von Siliziumplattchen, wie es bisher ausgeführt
wurde, war die Ungleichmäßigkeit der Oxidation der Plättchen ein Problem von schwerwiegender Bedeutung. Es wurde
gefunden, daß die dünnen Filme aus Siliziumdioxid, die auf den Plättchen gebildet wurden, wenn diese hochkant
und aufrecht stehen, in der oxidierenden Atmosphäre angeordnet wurden, merkliöhe Gradienten der Dicke aufwiesen,
wobei sich die dickereKTejle an den oberen Kanten der
Plättchen und dünnere Teile an den unteren Kanten der Plättchen befanden. Auch wurde dies Problem noch verschlimmert
bei höheren Drücken (20 bis 20 bar) des schon erwähnten Gesamtbereichs hoher Drücke {5 bis 25 bar) und
bei niedrigeren Temperaturen (700 bis 800° C) des Gesamtbereichs
der erwähnten hohen Temperaturen (700 bis 1000° C).
Da der Prozeß thermisch aktiviert wurde mit der Folge, daß der Prozeß bei höheren Temperaturen rascher und bei
niedrigeren Temperaturen weniger rasch fortschreitet, waren die früheren Bemühungen/ sich mit dem Problem auseinanderzusetzen
darauf gerichtet, die Isolation, die Lenkung der Strömung und die Beheizung durch geeignete Maßnahmen zu
verbessern, mit denen, wie gefunden worden war, die Ungleichmäßigkeit der Temperatur der die Plättchen umhüllenden
oxidierenden Atmosphäre herabgesetzt, gesteuert oder gar beseitigt werden konnte, um das Problem zu erleichtern.
Die Temperatur der oxidierenden Atmosphäre in dem oberen und unteren Bereich des rohrförmigen Behälters läßt sich,
ohne in diesen einzudringen, durch an dem rohrförmigen Behälter angeordnete Thermoelemente messen.
Es hat sich indessen herausgestellt, daß das Problem
allein durch Maßnahmen dieser Art zwar erleichtert, aber nicht beseitigt werden kann. Es wurde vielmehr gefunden,
daß die auf den Plättchen gebildeten dünnen Filme aus Siliziumoxid an den oberen Plättchenrändern dicker und
an den unteren Plättchenrändern dünner ausfallen, selbst wenn die Temperatur der die Plättchen umhüllenden oxidierenden
Atmosphäre oben und unten gleichmäßig ist und selbst, wenn die Temperatur der oxidierenden Atmosphäre
an den unteren Rändern der Plättchen höher und an den oberen Rändern der Plättchen niedriger ist.
Ändere Bemühungen, das Problem in den Griff zu bekommen, waren darauf gerichtet, die Turbulenz der Strömung
der oxidierenden Atmosphäre zu fördern. Jedoch ist
eine Turbulenz der Strömung der oxidierenden Atmosphäre
nur schwierig wirksam durchführbar, insbesondere, wenn die oxidierende Atmosphäre Dampf unter hohen Drücken
ist oder enthält.
Für ein konstantes Volumen eines idealen Gases ist die Dichte des Gases proportional der Zahl der Gasmoleküle
und dem Molekulargewicht des Gases. Für konstanten Druck, konstantes Volumen und konstante Temperatur ist
die Zahl der Gasmoleküle unabhängig von der Art des Gases. Somit ist die Dichte des Gases proportional dem
Molekulargewicht des Gases bei konstantem Druck, konstantem Volumen und konstanter Temperatur. Die Dichte einer
Mischung von zwei, drei oder mehr Gasen bei konstantem Druck, konstantem Volumen und konstanter Temperatur ist
proportional der Summe der jeweiligen Produkte der Molekulargewichte und der Molfraktionen ihrer Komponenten.
Alle Molekulargewichte sind hier, soweit sie angeführt werden, in abgerundeten Zahlen angegeben. Das Molekulargewicht
einer bestimmten Atmosphäre, die aus einem Gas besteht, bezieht sich auf sein Molekulargewicht und
das Molekulargewicht einer bestimmten Atmosphäre in Form einer Mischung von Gasen bezieht sich auf das mittlere
Molekulargewicht der Mischung.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Oxidation von Siliziumplattchen durch das oben beschriebene
Verfahren eine Ungleichmäßigkeit der Oxidation
nicht nur auf die bereits erörterte Ungleichmäßigkeit der
Temperatur, sondern auch auf die Schichtenbildung der Gase in der Prozeßkammer zurückzuführen ist in eine Atmosphäre
von einer gegebenen Dichte, eine Atmosphäre einer untorschiedlichen
Dichte bis auf einen Rest verdrängt, der mit der Atmosphäre von der gegebenen Dichte verbleibt und
seine Konzentration mit der Zeit verringert, besonders, wenn die unterschiedliche Dichte niedriger ist als die
gegebene Dichte und besonders, wenn eine turbulente Strömung nicht erreicht wird. Daraus ergab sich der Schluß,
daß eine Schichtenbildung von Dampf und Sauerstoff die Entstehung eienr Dampfschicht zur Folge hat, deren Molekulargewicht
18 beträgt und die sich über einer Sauerstoffschicht bildet, die ein Molekulargewicht von 32 hat, wenn
eine oxidierende Atmosphäre aus Dampf eine vorherige Atmosphäre aus Sauerstoff bis auf einen Rest von Sauerstoff
verdrängt, der mit der oxidierenden Atmosphäre von Dampf verbleibt und seine Konzentration mit der Zeit verringert,
worauf die Dampfschicht die Plättchen rasch oxidiert, während
die Sauerstoffschicht die Plättchen langsam oxidiert.
Es wurde ferner der Schluß gezogen, daß eine sich ändernde Grenze zwischen den Schichten vorhanden ist, bis der Sauerstoff
im wesentlichen verdrängt ist, wodurch sich die Unterschiede oder Gradienten der Dicke erklären lassen.
Demgemäß betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren, bei dem Siliziumplättchen in einer Prozeßkammer
bearbeitet werden, die mit einer Atmosphäre X auf einen
gegebenen Druck gebracht wird, und bei dem eine Atmosphäre Y bei dem gleichen Druck die Atmosphäre X bis auf einen
Rest verdrängt, der mit der Atmosphäre X verbleibt und seine Konzentration mit der Zeit verringert. Insbesondere,
aber nicht ausschließlich, kann das Verfahren ein solches sein, bei dem die Atmosphäre Y eine oxidierende Atmosphäre
ist, welche Dampf enthält oder aus Dampf besteht.
Das kennzeichnende Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Atmosphäre X ein Molekulargewicht hat, das annähernd
gleich dem Molekulargewicht der Atmosphäre Y ist, wodurch die Gasschichtenbildung in der Prozeßkammer sehr klein gehalten
wird. Die Dichte der Atmosphäre X entspricht annähernd der Dichte der Atmosphäre Y bei konstantem Volumen, bei konstantem
Druck und konstanter Temperatur.
Wie schon erwähnt, kann die Atmosphäre Y eine oxidierende Atmosphäre sein, welche Dampf ist oder enthält. Wenn die
Atmosphäre Y aus Dampf besteht, beträgt ihr Molekulargewicht 18. Im Vergleich zu trockenem Sauerstoff, einem langsamen
Oxidiermittel, ist Dampf ein rasches Oxidiermittel. Die Atmosphäre X kann aus einem Gas mit einem Molekulargewicht
bestehen, das annähernd dem Molekulargewicht der Atmosphäre Y entspricht, oder aus zwei, drei oder mehreren
Gasen in einer Vormischung, deren mittleres Molekulargewicht annähernd dem Molekulargewicht der Atmosphäre Y entspricht.
Das mittlere Molekulargewicht ist gleich der Summe der entsprechenden Produkte der Molekulargewichte und der
Molfraktionen der Mischungskomponenten.
Bei Zusammensetzung mehrerer Gase von ungleichartigem
Molekulargewicht (die sich um 5 oder mehr Atommasseneinheiten unterscheiden), die unter den in der Prozeßkammer
vorgefundenen Bedingungen nicht miteinander reagieren, muß die Atmosphäre X vorgemischt werden, um eine Schichtenbildung
ihrer Gase zu vermeiden, wenn ihre Gase getrennt voneinander, sei es gleichzeitig, sei es nacheinander,
eingeführt werden sollten, da andernfalls eine Schichtenbildung dieser Gase auftreten würde. Wenn ihre
Gase vorgemischt werden, erreichen sie ihre Zustände höchster Entropie, bei der eine Entmischung der Gase
nicht eintritt.
In analoger Weise muß die Atmosphäre Y, wenn die Prozeßatmosphäre aus mehreren Gasen von ungleichartigen
Molekulargewichten zusammengesetzt ist, die unter den in der Prozeßkammer herrschenden Bedingungen nicht miteinander
reagieren, ebenfalls vorgemischt werden, um eine Schichtenbildung ihrer Gase zu vermeiden.
Die Atmosphäre X kann reaktiv sein und sie kann dann aus Sauerstoff bestehen oder Sauerstoff enthalten.
Sie kann auch eine Vormischung aus Helium und Sauerstoff sein. Eine Vormischung aus Helium und Sauerstoff in gleichen
Molfraktionen von 0,50 ist insofern vorteilhaft, als sie ein Molekulargewicht von 18 hat, was auch das
Molekulargewicht von Dampf ist. Wahlweise kann sie Wasserstoff aufweisen. Die Druckatmosphäre kann inert sein und
aus Stickstoff bestehen oder Stickstoff enthalten, das unter vielen Verfahrensbedingungen, wie sie hier von Interesse
sind, inert ist. So kann sie aus einer Vormischung von Helium und Stickstoff bestehen. Eine Vormischung von Helium
in einem Molverhältnis von 0,42 und Stickstoff in einem
Molverhältnis von 0,58 hat ebenfalls ein Molekulargewicht von 18. Wahlweise kann sie eine Vormischung von inerten
Gasen sein, welche Edelgase sein können, wie z.B. eine Vormischung von Helium und Argon.
Neon hat ein Molekulargewicht von 20. Das ist eine Annäherung an das Molekulargewicht von Dampf. Nach der Erfindung
ist es auch in Betracht zu ziehen, daß Neon als Druckatmosphäre benutzt werden kann, wenn die oxidierende Atmosphäre
Dampf ist.
Tn der Zeichnung ist zur Veranschaulichung der Erfindung schematisch eine Apparatur mit einem rohrförmigen Behälter
dargestellt, der ein die zu oxidierenden Siliziumplattchen haltendes Schiff enthält. Der Behälter,in dem das Verfahren
gemäß der Erfindung ausgeführt werden kann, ist an Quellen der Bestandteile einer Vormischung aus Sauerstoff und Helium,
Dampf und Stickstoff sowie an einer Austrittsöffnung angeschlossen
.
Die Apparatur 1.0, in welcher das durch die Erfindung verbesserte Verfahren vorzugsweise ausführbar ist, enthält
einen rohrförmigen Behälter 20 mit abnehmbarer Verschlußkappe 22, der ein Schiff 28 enthält, in dem zu
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oxidierende Siliziumplättchen 3O gehalten werden. Jedes
Plättchen wird hochkant und in aufrechter Lage gehalten. Die abnehmbare Verschlußkappe 22 kann entfernt werden,
um das Schitf 20 und die Siliziumplättchen 30 einiühren und herausnehmen zu können. Der rohrförmige Behalter
20 ist an einem Einlaß 32 über ein Ventil 34 mit einer Quelle 36 von Stickstof!:, über ein Ventil 44 mit einer
Quelle 46 einer Vormischung von Helium und Sauerstoff und über ein Ventil 54 mit einer Quelle 56 von Dampf
verbunden, der aurch Verkochen von entionisiertem Wasser hergestellt worden ist. Die Ventile 34, 44 und
54 sind mit dem Einlaß 32 über einen Verteiler b8 verbunden.
Der rohrförmige Behälter 20 ist an einem Auslaß 62,der in der abnehmbaren Verschlußkappe 22 vorgesehen
ist, über ein Ventil 64 mit einer Austrittsölfnung 66
verbunden. £s Können geeignete Isolier-Stromungsienkungsuna
Beheizungseinrichtungen vorgesehen werden, welche die Ungleichmäßigkeit aer Temperatur herabsetzen,
steuern oder beseitigen, aoer außernalb des Umfangs dieser Erfindung liegen. Die Apparatur i0 kann hmsichtlxch
anderer Einzelheiten, die tür die vorliegende Erfindung nicht wesentlicn sina, mit derjenigen nach dem U.S.-Patent
4 253 417 übereinstimmen.
Die durch die Quelle 46 gelieferte Vormischung weist gleiche Molfraktionen von Helium und Sauerstoff, nämlich
je 0,50 auf, so daß die Vormischung ein mittleres Mole-
ft
kulargewicht von 18 hat, was dem Molekulargewicht von
Dampf entspricht.
Bevor das Schiff 28 und die zu oxidierenden Siliziumplattchen
30 in den rohrförmigen Behälter 20 eingeführt werden, wird der rohrförmige Behälter 20 mit
Stickstoff gereinigt, der den rohrförmigen Behälter bei Atmosphärendruck durchspült, während das Schiff
und die Siliziumplattchen 30 in den rohrförmigen Behälter 2O eingeführt werden.
Nachdem der rohrförmige Behälter 20 auf diese Weise gereinigt worden ist, und das Schiff 20 und die zu oxidierenden
Siliziumplattchen in ihn eingeführt worden
sind, wird der rohrförmige Behälter 20 geschlossen, worauf der Behälter 20 auf einen gegebenen Druck gebracht
wird, der zwischen 5 und 25 bar liegen kann. Dies geschieht aufeinanderfolgend mit Stickstoff aus
der Quelle 36 und mit der Vormischung aus Helium und Sauerstoff aus der Quelle 46. Die Vormischung wird
zunächst mit rascher Geschwindigkeit eingeführt, so daß die Verdrängung des Stickstoff aus dem rohrförmigen
Kessel 20 beschleunigt wird, und danach mit langsamer Geschwindigkeit um das Helium und den Sauerstoff zu
konservieren bzw. zu schonen. Die Vormischung verdrängt also den Stickstoff aus dem rohrförmigen Behälter 20
2r> bis aus einen Rest von Stickstoff, der mit der Vormischung
von Helium und Sauerstoff verbleibt und seine Konzentration mit der Zeit verringert. Der in der Vor-
mischung trockene Sauerstoff bewirkt eine langsame Oxidation der Plättchen 30. Eine Schichtbildung zwischen
dem Rest von Stickstoff und der Vormischung ist vernachlässigbar wegen der raschen wirksamen Verdrängung
des Stickstoffs durch die Vormischung.
Nachdem der rohrförmige Behälter 20 mit dor Vormischung
unter Druck gesetzt worden ist, wird der rohrföi—
mige Behälter 20 mit Dampf aus der Quelle 56 bis zu dem gleichen Druck beaufschlagt, der Dampf verdrängt also
die Vormischung aus dem rohrförmigen Behälter 20, bis auf einen Rest, der mit dem Dampf verbleibt und seine
Konzentration mit der Zeit verringert. Da das mittlere Molekulargewicht der Vormischung dem Molekulargewicht
des Dampfes annähernd entspricht, wird eine Gasschichtenbildung in dem rohrförmigen Behälter 20 äußerst klein
gehalten, so daß sie nicht zu einer ungleichmäßigen Oxidation der Plättchen 30 beitragen kann.
Nachdem der rohrförmige Behälter 20 auf diese Weise mit Dampf unter Druck gesetzt ist, kann der rohrförmige
Behälter 20 wiederum mittels der Vormischung von Helium und Sauerstoff auf denselben Druck gebracht werden, wobei
die Gasschichtenbildung in dem rohrförmigen Behälter
20 wiederum äußerst gering gehalten wird.
Der gegebene Druck, auf den der rohrförmige Behälter
20 auf diese Weise aufeinanderfolgend mit Stickstoff,
mit der Vormischung aus Helium und Sauerstoff und mit Dampf unter Druck gesetzt wird, kann zwischen 5 und
bar liegen. Solche Drücke werden hier als hohe Drücke angesehen, sie sind aber nicht kritisch für die Erfin-
dung. Es wird aber in dem rohrförmigen Behälter 20 während seiner aufeinanderfolgenden Beaufschlagung mit
Stickstoff, der Vormischung, Dampf usw. stets annähernd derselbe Druck aufrechterhatlen. Strömungs- und Druckregler
üblicher Art (nicht dargestellt) und andere gebräuchliche Einrichtungen (gleichfalls nicht dargestellt),
die mit den Ventilen 34, 44, 54 und 64 zusammenwirken, können dazu benutzt werden, den Druck herzustellen,
aufrechtzuerhalten und zu überwachen. KJ Wenngleich vorstehend hauptsächlich hohe Drucke
erörtert wurden, kann das neue verbesserte Verfahren gemäß der Erfindung auch bei niedrigen Drücken einschließlich
atmosphärischem Druck, von Nutzen sein.
Claims (18)
1. Verfahren zur Bearbeitung von Siliziumplättchen in einer Prozeßkammer, die aufeinanderfolgend mit einer
Atmosphäre X unter Druck gesetzt wird, und bei dem eine Atmosphäre Y die Atmosphäre X bis auf einen Rest verdrängt,
der mit der Atmosphäre Y verbleibt und seine Konzentration mit der Zeit verringert, dadurch gekennzeichnet,
daß die Molekulargewxchte der Atmosphäre X und der Atmosphäre Y annähernd einander entsprechend gewählt
werden, so daß die Schichtbildung der Gase in der Prozeßkammer möglichst gering gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre Y eine oxidierende Atmosphäre ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierende Atmosphäre Dampf aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierende Atmosphäre aus Dampf besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre Y eine Vormischung mehrerer Gase
ist, die unter den in der Prozeßkammer herrschenden Bedingungen nicht miteinander reagieren.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X aus einem Gas mit einem Molekulargewicht besteht, das annähernd dem Molekulargewicht
der Atmosphäre Y entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X aus mehreren Gasen in
einer Vormischung besteht, deren mittleres Molekulargewicht annähernd dem Molekulargewicht der Atmosphäre Y entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X reaktiv ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Atmosphäre X Sauerstoff aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X eine Vormischung von Helium und Sauerstoff
ist.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X inert ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X Stickstoff aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X ein Edelgas aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X eine Vormischung von
Edelgasen aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre X Wasserstoff aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Atmosphäre X Helium aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre Y eine oxidierende Atmosphäre
von Dampf und die Atmosphäre X Neon ist.
18. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre Y Dampf und die Atmosphäre X
eine Vormischung aus Helium und Sauerstoff in gleichen Molfraktionen ist.
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