DE3441887C1

DE3441887C1 - Ofen fuer die Waermebehandlung von Halbleiter-Substraten

Info

Publication number: DE3441887C1
Application number: DE3441887A
Authority: DE
Inventors: Christopher J. Lightwater Surrey Bayne; Geoffrey North Camberley Surrey Hayward; Karl A. Dipl.-Ing. 6451 Neuberg Schülke
Original assignee: Heraeus Quarzschmelze GmbH; Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1985-10-17
Also published as: GB2167541A; GB2167541B; GB8522835D0; JPS61125013A; US4775317A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen für die Wärmebehandlung von Halbleiter-Substraten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche vertikal betriebene Ofenanlage für die Wärmebehandlung von Halbleiter-Substraten ist aus der US-PS 4412 812 bekannt. Die in den Ofen einhängbare Trageanordnung weist einen Rahmen auf, in den bei horizontaler Lage die einzelnen Horden eingesetzt werden. In vertikaler in dem Ofen aufgehängter Stellung der Trageanordnung sind die Horden mit den Substratscheiben durch eine an den Substratscheiben anliegende Stange gesichert, die ihrerseits an von der Trageanordnung vorstehenden, über die Substratscheiben hinausragende Stege geführt ist. In dieser Betriebsstellung sind die Substratscheiben im wesentlichen horizontal, d. h. senkrecht zur Ofenachse, ausgerichtet und stellen in dieser horizontalen Ausrichtung einen erheblichen Strömungswiderstand für längs durch das Ofenrohr hindurchgeleitete Prozeßgase dar. Weiterhin ist die Trageanordnung hinsichtlich der unterschiedlichen Horden und Substratscheiben praktisch nicht variabel.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vertikal betriebenen Ofen zu schaffen, der einen strömungsgünstigen Aufbau aufweist und dessen Trageanordnung für die Aufnahme der Horden weitgehendst variabel ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In diese Trageanordnung können — entsprechend dimensioniert — Trägerhorden für Halbleiter-Substrate eingesetzt werden, wie sie z. B. aus dem DE-GM 80 21 868 . bekannt sind. Dadurch, daß die Substratscheiben in den Horden mit den Substratscheiben in vertikaler Richtung, d. h. in Richtung der Achse des Prozeßrohres, weisen, ist der Strömungsweg in vertikaler Richtung in dem Ofen weitgehendst frei. Die einzelnen Halbleiter-Substratscheiben können praktisch ungehindert; beispielsweise von einem Prozeßgas, gleichmäßig umströmt werden. Weiterhin wird gerade durch die vertikale Anordnung der Substratscheiben in dem Ofen eine Verbiegung der Scheiben bei der Erwärmung infolge der Eigenlast ausgeschlossen. Durch die Anordnung der Horden übereinander mit den darin, vertikal stehenden Halbleiter-Substraten wird weiterhin erreicht, daß auch bei Substratscheiben unterschiedlichen Durchmessers der Ofenraum vorteilhaft ausgenutzt wird. Die Trageelemente, auf denen die einzelnen Horden ruhen, werden in einem solchen Fall so an den Tragekörpern angeordnet, daß die darauf ruhenden Horden bzw. die Halbleiterscheiben der jeweils unteren Horde unmittelbar an die darüber liegende Horde angrenzen, ohne daß hierbei Zwischenraum vergeben wird.

Bevorzugt weist die Trageanordnung des Ofens vier Tragekörper auf, die die Eckpunkte eines Vierecks oder eines Rechtecks bildend angeordnet sind. Mit diesen vier Tragekörpern wird ein äußerst stabiler Aufbau der

Trageanordnung erreicht. Auf einfache Weise können bei einer solchen Trageanordnung mit vier vertikalen Tragekörpern die übereinander gehaltenen Trageelemente so positioniert werden, daß die Substratscheiben von Lage zu Lage bzw. von Horde zu Horde alternierend in Ost-West- oder Nord-Süd-Richtung weisen. Hierdurch wird insbesondere eine gleichmäßige Gasströmung erreicht.

Besonders vorteilhaft sind Trageelemente in Form von Hülsen mit daran fest verbundenen im rechten Winkel zur Achse der Hülse verlaufenden Querbalken, die die Tragekörper umschließen und in beliebiger Höhe entlang der Tragekörper feststellbar sind. Besonders vorteilhaft können hierbei geschlossene Hülsen sein, die den Tragekörpern so angepaßt sind, daß sie sich auf is diese, etwa von deren freiem Ende aus, aufstecken lassen. Falls die Trageanordnung, wie bereits erwähnt, vier Tragekörper aufweist, wird durch zwei Querbalken auf denen die Horde ruht, mit jeweils zwei Hülsen, die jeweils zwei benachbarte Tragekörper verbinden, einerseits eine gleichmäßige Lastverteilung auf die einzelnen Tragekörper erzielt, andererseits wird die Trageanordnung versteift. Bei abwechselnd übereinander in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung angeordneten Horden erfolgt gleichzeitig eine Versteifung aller vier Tragekörper ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen. Falls die vier Tragekörper die Eckpunkte eines Vierecks bildend angeordnet sind, lassen sich für die Anordnung der Horden sowohl in der einen Richtung als auch in der anderen Richtung gleiche Trageelemente einsetzen. Sollten die einzelnen übereinander angeordneten Horden nicht alternierend in ihrer Richtung in die Trageanordnung eingesetzt werden, kann eine Aussteifung der Tragekörper zweckmäßigerweise auch durch zusätzliche Verbindungselemente erfolgen, die dann jeweils zwischen zwei Tragekörpern, die nicht über einen gemeinsamen Querbalken in Verbindung stehen, vorgesehen sind. Diese Verbindungselemente weisen ähnlich der Trageelemente zwei über eine Stange miteinander verbundene Hülsen auf, die sich auf die Tragekörper aufschieben lassen.

Einzelne übereinander angeordnete Trageelemente lassen sich durch Abstandsrohre, die auf die einzelnen Tragekörper zwischen die Hülsen zweier Trageelementc aufgesteckt werden, voneinander beabstanden. Die Länge der Abstandsrohre kann entsprechend dem Durchmesser der Substratscheiben und damit der erforderlichen lichten Weite zwischen den Trageelementen gewählt werden. Derartige Abstandsrohre können in abgestuften Längen bevorratet werden. Die Festigkeit der Tragekörper und der Querbalken kann dadurch erhöht werden, daß diese durch Rohre gebildet werden, in denen ein Verstärkungsstab aus Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, verläuft. ·

Ein kompakter und strömungstechnisch günstiger Ofen kann erzielt werden, indem das vertikal angeordnete beheizbare Prozeßrohr einen in etwa rechteckigen, den äußeren Abmessungen der Trageanordnung angepaßten Querschnitt aufweist.

Bei einem Ofen mit stationärem Prozeßrohr und darin ein- und ausführbarer Trageanordnung wird an den unteren Enden der Tragekörper eine Abschluß-Stützscheibe fest angebracht, die über den Außenumfang der Tragearme vorsteht und auf denen die Hülsen der Trageelemente, der Verbindungselemente oder die Abstandsrohre aufliegen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Beispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Trageanordnung mit vier Tragekörpern, die an ihren unteren Enden eingespannt sind,

Fig.2 in teilweise geschnittener Darstellung zwei Tragekörper mit daran angeordneter Trägerhorde und F i g. 3 eine Trageanordnung, bei der die Tragekörper an ihrem oberen Ende eingespannt sind, mit zwei darin eingesetzten Trägerhorden.

Die in F i g. 1 gezeigte Trageanordnung 1 weist vier Tragekörper 2 auf, die die Eckpunkte eines Vierecks bildend in einem Einspannkopf 3 eingespannt gehalten werden. Über die Tragekörper 2 geschoben liegt auf dem Einspannkopf 3 eine Verschlußplatte 4, vorzugsweise aus Metall, mit einer Auflage aus Quarzglas auf, auf die sich ein Ofenrohr 5 aus Quarz, in dieser Darstellung ausschnittsweise gezeigt, aufsetzt. Auf der Verschlußplatte 4 liegt ein Isolator 6 auf, beispielsweise aus Quarzglas und Quarzwolle, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Quarzrohres 5 angepaßt ist. Je nach Bedarf kann in die Trageanordnung 1 eine (siehe Fig. 1) oder mehrere (siehe Fig. 3) Horden 7 mit einer Vielzahl von Halbleiter-Substratscheiben 8 eingesetzt werden. Wie aus F i g. 2 deutlich wird, werden die Horden 7 jeweils von zwei Trageelementen 9' abgestützt. Für die Trageanordnung 1 mit vier Tragekörpern 2 geeignete Trageelemente 9 weisen jeweils zwei Hülsen 10 auf, die im Abstand zweier Tragekörper 2 über einen Querbalken 11 miteinander verbunden sind. Der Innendurchmesser der Hülsen 10 in Form eines Rohrabschnittes ist so gewählt, daß sich die Hülsen 10 leicht von dem freien Ende der Tragekörper 2 aus auf diese aufstecken lassen. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2, in dem die Trageanordnung 1 nur zwei Tragekörper 2 aufweist, ist jeweils eine einzelne Hülse 10' etwa mittig an dem die Horden 7 unterstützenden Querbalken 11' befestigt. Die Querbalken 11,11' sind in diesem Ausführungsbeispiel Rohre mit rundem Querschnitt, in denen zusätzlich ein Verstärkungsstab 12 aus Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, verläuft.

Bevorzugt werden in die Trageanordnung sogenannte Stabhorden, wie sie auch in dem Ausführungsbeispiel gezeigt sind, eingesetzt. Solche aus zwei unteren Längsstäben 13 und zwei oberen Längsstäben 14, die mit Querrohren 15 an den Enden miteinander verbunden sind, aufgebaute Stabhorden, haben den Vorteil, daß die unteren Längsstäbe 13 gleichzeitig als Widerlager für die Querbalken 11, 11' der Trageelemente 9, 9' dienen können, die ein seitliches Verschieben der Horden auf den Trageelementen 9,9' wirksam verhindern.

Je nach Bedarf werden zur Aussteifung der Trageanordnung 1 zwischen den Tragekörpern 2, die ohnehin nicht schon durch einen Querbalken 11 eines Trageelementes 9 miteinander in Verbindung stehen, ein Verbindungselement 16 angeordnet. Dieses Verbindungselement 16 weist ähnlich der Trageelemente 9 zwei Hülsen 17 auf, die auf die Tragekörper 2 aufsteckbar sind und im Abstand der zu verbindenden Tragekörper über einen Stab 18 miteinander verbunden sind. Bei einer Trageanordnung 1 mit vier Tragekörpern 2 werden die Tragekörper 2 in der einen Richtung über die Querbalken 11 und in der anderen Richtung über die Verbindungselemente 16 verstrebt, während bei einer Trageanordnung 1 mit zwei Tragekörpern (siehe F i g. 2) die Tragekörper 2 nur über die Verbindungselemente 16 versteift werden. Gerade bei einer Trageanordnung mit vier Tragekörpern 2 sind die Verbindungselemente 16 insbeson-

dere dann entbehrlich, wenn mehrere Horden übereinander abwechselnd in Nord-Süd- bzw- Ost-West-Richtung angeordnet sind, so daß die Tragekörper 2 alternierend paarweise miteinander verbunden sind.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, werden einzelne übereinander angeordnete Horden 7 mittels auf die Tragekörper 2 aufgeschobenen Abstandsrohren 19 voneinander beabstandet. Die Länge dieser Abstandsrohre 19 ist so gewählt, daß jeweils zwei benachbarte Trageelemente 9 bzw. deren Hülsen 10 derart voneinander beabstandet sind, daß die auf den Querbalken 11 aufliegenden Horden 7 bzw. die darin eingesetzten Substratscheiben 8 ohne großen Zwischenraum aneinander grenzen. Je nach Bedarf kann entlang der einzelnen Tragekörper 2 aufeinanderfolgend ein Verbindungselement 16, ein Trageelement 9, ein Abstandsrohr 19, wiederum ein Trageelement 9, ein Abstandsrohr 19, ein Verbindungselement 16 usw. aufgeschoben sein. Falls es erforderlich ist, zwischen zwei übereinander angeordneten Horden 7 ein weiteres Verbindungselement 16 anzuordnen, kann die Länge der Abstandsrohre 19 entsprechend variiert werden, um die Horden 7 mit den Halbleiter-Substratscheiben 8 platzsparend unterzubringen.

Während es sich bei der Trageanordnung nach F i g. 1 um eine stehende Anordnung handelt, d.h. in diesem Fall sind die Tragekörper 2 stehend mit ihren freien Ende nach oben weisend eingespannt, handelt es sich bei der Trageanordnung nach F i g. 3 um eine hängende Anordnung, d. h. die Tragekörper 2 sind an ihren oberen, nicht dargestellten Enden hängend eingespannt. In der letzteren Ausführung weisen die Tragekörper 2 an ihren unteren, freien Enden jeweils eine Abschluß-Stützscheibe 20 auf, auf die sich die einzelnen Horden bzw. Verbindungselemente und Trageelemente abstützen. Um hier ein auseinanderwandern der Tragekörper 2 unter Einwirkung der daran abgestützten Last zu verhindern, ist direkt auf den Abschluß-Scheiben 20 aufliegend als unterstes Teil ein Verbindungselement 16 vorgesehen.

Der baukastenartige Aufbau der Trageanordnung mit den einzelnen sich gleichenden Bauelementen in Form der Trageelemente 9,9', der Verbindungselemente 16, 16' und der Abstandsrohre 19, die in abgestuften Größen bevorratet werden können, läßt sich die Anordnung je nach Bedarf in einfacher Weise variieren. Es besteht auch die Möglichkeit, lediglich eine Horde etwa mittig in die Trageanordnung einzusetzen, wie in F i g. 1 gezeigt, wozu als unterstes Element auf den Isolator 6 bzw. auf. die Verschlußplatte 4 Abstandsrohre 19 aufgesteckt sind.

Während das Ofenrohr 5 gemäß F i g. 1 einen runden Querschnitt aufweist, ist eine vorteilhafte Variante hierzu in einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt zu sehen, wie er durch die unterbrochenen Linien 21 auf dem Isolator 6 angedeutet ist. Mit einem solchen Querschnitt ist der Prozeßraum der Trageanordnung angepaßt; es verbleiben keine allzu großen freien Querschnittsbereiche, entlang denen ein Prozeßgas unwirksam strömen könnte.

Die Substratscheiben 8 sind in der Trageanordnung 1 in vertikaler Richtung ausgerichtet und können so von allen Seiten gleichmäßig umströmt werden. Bei mehreren übereinander in die Trageanordnung eingesetzten Horden 7 wird die Strömung noch begünstigt, wenn die Horden 7 alternierend in ihrer Richtung gehalten werden. In der gezeigten Trageanordnung können ohne weiteres vier bis fünf Horden gleichzeitig untergebracht werden, wenn man davon ausgeht, daß der Durchmesser solcher Substratscheiben 8 bis 200 mm beträgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ofen für die Wärmebehandlung von Halbleiter-Substraten, insbesondere zur Diffusion, mit einem vertikal stehenden beheizbaren Quarzrohr und mit einer aus Stäben oder Rohren aufgebauten Trageanordnung, in die eine oder mehrere, die scheibenförmigen Substrate mit Abstand und im wesentlichen parallel zueinander aufnehmende Horde(n) eingesetzt ist (sind), dadurch gekennzeichnet, daß die Trageanordnung (1) mindestens zwei vertikale, parallel zueinander ausgerichtete stab- oder rohrförmige Tragekörper (2) aufweist, an denen jeweils mindestens ein Trageelement (9; 9') angeordnet ist, auf denen die Horde (7) so aufgesetzt ist, daß die Substratscheiben (8) in der Horde (7) bei der Behandlung im wesentlichen in vertikaler Richtung weisen.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Tragekörper (2) vorgesehen sind, die die Eckpunkte eines "Vierecks oder Rechtecks bilden.

3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageelemente (9; 9') die Tragekörper (2) umschließende Hülsen (10; 10) mit daran fest verbundenen horizontal verlaufenden Querbalken (11; 11') sind.

4. Ofen nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Querbalken (11) mit jeweils zwei Hülsen (10), jeweils zwei benachbarte Tragekörper (2) verbindend, angeordnet sind, wobei die Querbalken (11) etwa parallel zueinander ausgerichtet sind.

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Tragekörper (2) eine der Anzahl der Horden (7) entsprechende Zahl von Trageelementen (9; 9') angeordnet ist, und daß die Trageelemente (9; 9') zweier übereinander angeordneter Horden (7) eines Tragekörpers (2) durch jeweils ein Abstandsrohr (19) voneinander getrennt sind.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei Tragekörpern (2), die nicht über einen gemeinsamen Querbalken (11) in Verbindung stehen, ein die entsprechenden Tragekörper (2) verbindendes Verbindungselement (16) angeordnet ist

7. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (16) zwei Hülsen (17) aufweist, die mit einem stab- oder rohrförmigen Körper fest miteinander verbunden sind.

8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragekörper (2) und/oder die Querbalken (11; 11') Rohre sind, in denen ein Verstärkungsstab (12) aus Keramikmaterial verläuft.

9. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragekörper (2) und/oder die Querbalken (11; 11') aus Quarzgut oder Quarzglas bestehen.

10. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vertikal angeordnete, beheizbare Prozeßrohr (5) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

11. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageanordnung (1) in das Prozeßrohr ein- und ausführbar angeordnet ist.

12. Ofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Prozeßrohr (5) ein- und ausführbare Trageanordnung (1) an den unteren Enden der Tragekörper (2) jeweils eine über deren Außenumfang zumindest teilweise überstehende, fest angeordnete Abschluß-Stützscheibe (20) aufweist.

13. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageanordnung (1) im Prozeßrohr (5) drehbar angeordnet ist.