DE3627598A1

DE3627598A1 - Strahlungsheizung zum erhitzen eines substrates

Info

Publication number: DE3627598A1
Application number: DE19863627598
Authority: DE
Inventors: Anton Dr Rer Nat Casel; Erich Dr Rer Nat Kasper; Horst Ing Grad Kibbel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1986-08-14
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1988-02-18
Anticipated expiration: 2006-08-15
Also published as: DE3627598C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsheizung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für das Verfahren der Molekularstrahl-Epitaxie zum Auf wachsen mehrerer einkristalliner Halbleiterschichten ist es von Bedeutung, daß das Halbleiter-Substrat auf eine dem Material entsprechende Temperatur von 773-1173 K aufge heizt wird. Insbesondere die Kinetik des Dotierstoffein baus erfordert eine über der gesamten Substratfläche konstante Temperatur. Soll z. B. eine Silizium(Si)-Scheibe im Hoch- oder Ultrahochvakuum durch Strahlung beheizt werden, so besteht eine technische Lösung darin, Heizung und zu beheizendes Material in einem parallelen Abstand zu positionieren. Die von der Heizung emittierte Strahlung wird an der Si-Scheibe teilweise reflektiert, teilweise durchstrahlt sie die Scheibe, teilweise wird sie von der Scheibe absorbiert und heizt sie somit auf eine bestimmte Temperatur auf.

Eine derartige Strahlungsheizung wird in der Druckschrift von S. N. Finegan, R. G. Swartz, J. H. McFee, "A UHV compatible round wafer heater for silicon molecular beam epitaxy", J. Vac. Technol. B 1(2), 1983, S. 497-500, beschrieben.

Weitere vorbekannte Lösungen zum Beheizen von Halbleiter- Substraten sind die Beheizung des Substrates durch direk ten Stromdurchgang oder die Kontaktierung des Substrates auf einer Heizfläche durch metallische Verbindungen. Diese bekannten Substratbeheizungen haben jedoch den Nachteil, daß die Temperatur des Substrates nicht in dem Maße kon stant ist, daß die für die Bauelementenherstellung geforder te Toleranz der Dotierung eingehalten werden kann.

Um ein Substrat mit einer Strahlungsheizung, die nur aus einer Heizfläche mit konstanter Temperatur besteht, gleichmäßig zu beheizen, muß die Heizungsfläche sehr viel größer sein als die Substratfläche. Bei einem Abstand Heizung-Substrat von 10 mm müßte der Heizungsradius unge fähr 35 mm größer sein als der Radius einer zu beheizenden Si-Scheibe, um ein Temperaturprofil des Substrates mit Temperaturschwankungen von weniger als ± 5 K zu erhalten. Das hat zur Folge, daß die Heizungsanordnung viel zu großflächig ist und die Vakuumanlage einer unnötig großen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Außerdem wird eine geometrisch günstige Anordnung von in situ Analyseeinrich tungen erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungs heizung für eine Hoch- und Ultrahochvakuum-Apparatur anzugeben, so daß das beheizte Substrat eine laterale, konstante Temperatur von ± 5 K besitzt und die Größe der Heizungsfläche ungefähr gleich der zu beheizenden Sub stratfläche ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unter ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß unter der technisch einfach zu realisierenden Bedingung einer im wesentlichen konstanten Temperatur der Flächenheizung 2, ein Substrat 1 gleitlinienfrei, d. h. ohne plastische Kristallverformungen, beheizt werden kann. Diesen Effekt erzielt man durch einen unterhalb des Substrates angebrachten Strahlungsreflektor 3 und durch einen Trägerkörper 4, auf dem das Substrat aufliegt (gleichzeitig radiale Fixierung) und der aus dem gleichen Material besteht wie das Substrat. Durch geeig nete Materialkombination können die Reflexions-, Emissions- und Absorptionskoeffizienten des Strahlungsreflektors 3, der Flächenheizung 2 und des Substrates 1 so untereinander abgestimmt werden, daß ein gewünschtes Temperaturprofil im Substrat erreicht wird. Es wird ein günstiges Flächenver hältnis Heizung/Substrat erzielt, so daß die Vakuumanlage lediglich einer geringen thermischen Belastung ausgesetzt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf schemati sche Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt die Heizungsanordnung und die durch den Strahlungsreflektor 3 für verschiedene Tempera turen erzeugten Temperaturprofile des Substrats 11;

Fig. 2 zeigt den Flächenheizkörpr 2 mit Strahlungsre flektor 3 und den Trägerkörper 4, auf dem das Substrat aufliegt.

Gemäß Fig. 1 sind Flächenheizung 2 und Substrat 1, z. B. eine Si-Scheibe, parallel im Abstand von ungefähr 10 mm angeordnet. Der Flächenheizkörper 2 besteht beispielsweise aus Graphit mit einer mäanderförmig verlaufenden Wider standsheizung. Über der Heizfläche wird dadurch eine annähernd konstante Temperatur erzeugt. Die Fläche des Heizkörpers 2 ist vorteilhafterweise nur geringfügig größer (maximal 5 mm) als die der zu beheizenden Si- Scheibe 1, so daß ein günstiges Flächenverhältnis Heizung/ Substrat gegeben ist.

Ohne den Strahlungsreflektor (3) erhält man auf dem Sub strat ein Temperaturprofil, das aufgrund des Geometrie faktors am Substratrand stark abfällt. Der Strahlungsre flektor 3, der z. B. aus Tantal oder Molybdän besteht, ist im Abstand von ungefähr 3 mm unterhalb des Substrates 1 angebracht und reflektiert die von "oben" einfallende Strahlung (Strahlung vom Substrat und von der Heizfläche). Im Bereich des Strahlungsreflektors 3 wird dadurch die Tempe ratur des Flächenheizkörpers 2 und des Substrates 1 er höht. Das hat eine Überkompensation des Temperaturprofils des Substrates zur Folge. In Fig. 1 ist die gemessene Temperatur des Substrates T _s gegen den Abstand x vom Heizungsrand für verschiedene Heizflächentemperaturen aufgetragen. Der vom Strahlungsreflektor 3 im Substrat 1 hervorgerufene Temperaturgradient kann zu unerwünschten plastischen Kristallverformungen, sogenannten Gleitlinien, führen. Führt man einen ringförmigen Si-Trägerkörper 4 gemäß Fig. 2 ein, so liegt nur der Trägerring in dem durch den hohen Temperaturgradienten gefährdete Bereich, während das nun entsprechend kleinere Substrat im homogenen Tempe raturbereich liegt. Dadurch erreicht man, daß das Substrat gleitlinienfrei beheizt wird. Die lateralen Temperatur schwankungen im Substrat betragen maximal ± 5 K.

Der Trägerkörper 4 hat den weiteren Vorteil, daß dadurch der Übergang Halbleiter/Metall außerhalb des Substrates liegt.

Um einen unnötigen Wärmeverlust des Substrates zu vermei den, ist die Substratträgerringhalterung so gewählt, daß der Trägerring nur an seinem Randbereich mit möglichst geringer Auflagefläche gehalten wird, z. B. durch eine in der Halterung angebrachte keilförmig verlaufende Nut.

Eine technisch aufwendigere Lösung der Erfindung läßt sich durch einen Flächenheizkörper 2 mit mindestens zwei Heiz kreisen mit separater Regelung realisieren. Der Tempera turverlauf in der Flächenheizung 2 ist so gewählt, daß auch am Rand des Substrates 1 keine Gleitlinien auftreten und die Temperaturschwankungen im Substrat ± 5 K nicht überschreiten.

Außerdem kann der Trägerkörper 4 zusätzlich geheizt wer den, so daß gegebenenfalls auf den Strahlungsreflektor 3 verzichtet werden kann. Ferner ergibt sich dadurch die Option, die Fläche des Heizkörpers kleiner als die Sub stratfläche zu gestalten.

Claims

1. Strahlungsheizung zum lateralen Erhitzen eines Sub strates (1), wobei oberhalb des waagerecht angeordneten Substrates (1) mindestens ein Flächenheizkörper (2) ange bracht ist, insbesondere für eine Hoch- und Ultrahochva kuum-Apparatur, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Substrates (1) mindestens ein Strahlungsreflektor (3) vorhanden ist, derart, daß durch die reflektierte Strah lung des Flächenheizkörpers (2) an dem Substrat (1) ein einstellbares Wärmeprofil entsteht.

2. Strahlungsheizung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fläche des Flächenheizkörpers (2) im wesentlichen gleich der Substratfläche (1) ist und daß der Abstand zwischen Substrat (1) und Flächenheizkörper (2) in Abhängigkeit von dem zu erzeugenden Wärmeprofil gewählt ist.

3. Strahlungsheizung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenheizkörper (2) mindestens aus einer mäanderförmig verlaufenden Wider standsheizung besteht und im wesentlichen eine konstante Temperatur über der Heizfläche besitzt.

4. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsre flektor (3) derart angeordnet ist, daß das Temperaturpro fil im wesentlichen den Randbereich des Substrates (1) beeinflußt.

5. Strahlungsheizung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) durch seinen Trägerkörper (4) gehalten wird, der aus dem gleichen Material wie das Substrat (1) besteht.

6. Strahlungsheizung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4) als Trägerring ausgebildet ist, auf dem das Substrat mit dem Rand aufliegt und daß Flächenheizkörper (2), Strahlungsreflek tor (3) sowie der Trägerring derart aufeinander abgestimmt sind, daß im Substrat (1) Temperaturschwankungen von weniger als ± 5 K auftreten.

7. Strahlungsheizung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Materialkombination der Reflexions-, Emissions- bzw. Absorp tionskoeffizient des Strahlungsreflektors (3), der Flächen heizung (2) und des Substrates (1) das Wärmeprofil gezielt beeinflußt wird.

8. Strahlungsheizung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4) durch eine Zusatzheizung geheizt wird, mit welcher das Wärmeprofil einstellbar ist.

9. Strahlungsheizung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenheizkörper (2) sowie der Strahlungsreflektor (3) Bestandteile einer Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage sind.