DE3922833A1

DE3922833A1 - Ofen zur waermebehandlung von halbleiterscheiben und verfahren zum betrieb desselben

Info

Publication number: DE3922833A1
Application number: DE19893922833
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Soehlbrand
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-09
Filing date: 1989-07-09
Publication date: 1991-01-10
Also published as: DE3922833C2; DE8908382U1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen zur Wärme behandlung von Halbleiterscheiben mit in der Hülle des Reaktionsraumes vorgesehenen Ein- und Auslaßöffnungen für die Prozeßgase und einer im Reaktionsraum starr oder rotierend angeordneten Tragevorrichtung für die zu behandelnden Halbleiterscheiben.

Bei solchen, allgemein als Diffusionsöfen bezeichneten Öfen, die als Horizontal- und Vertikalöfen bekannt sind, besteht die Forderung nach Reproduzierbarkeit der Verfahrensergebnisse bei hoher Qualität und ge ringen Toleranzen.

Systembedingt herrscht in einem solchen Diffusionsofen entweder eine Horizontalströmung oder, beim Vertikalo fen, eine vertikale Strömung der Prozeßgase vor, die, wegen der fehlenden Isothermie im Reaktionsraum, im wesentlichen durch Konvektion und Laminarität bestimmt wird. Es stellt sich somit während des Prozeßablaufes eine ungleiche Verteilung der Prozeßgase ein. Dies hat die geringe Reproduzierbarkeit und erhebliche Unifor mitätsschwankungen zur Folge.

Bei den bekannten Diffusionsöfen zur Behandlung von Halbleiterscheiben wird auf die Strömungsverhältnisse im Reaktionsraum keinerlei gezielter Einfluß ausgeübt. Dies hat seinen Grund darin, daß die Strömungsverhält nisse im Reaktionsraum praktisch völlig unbekannt sind, was zur Folge hat, daß Konvektion und Laminari tät die Strömung der Prozeßgase im Reaktionsraum be stimmen. Auch das sogen. Injektionsrohr hat allein keine wesentlichen Fortschritte in dieser Richtung gebracht. Erst mit dem DE-GM 88 01 785 wurde eine Verbesserung der Strömungsverhältnisse und Isothermie im Reaktionsraum eines Horizontalofens erzielt. Mit der DE-Patentanmeldung P 39 06 075.6 ist das Problem der Strömungskinetik in Vertikalöfen, und bei sinnge mäßer Anwendung, auch in Horizontalöfen wesentlich verbessert worden.

Die Submikrontechnologie stellt inzwischen jedoch derart hohe Anforderungen an die Strukturerzeugung auf Halbleiterscheiben die wiederum zu ihrer Herstellung eine geeignete Prozeßtechnologie erfordern, die über das bisher bekannte Maß hinausgehen, weil praktisch sämtliche Prozeßparameter von Halbleiterscheibe zu Halbleiterscheibe in jeder gefahrenen Charge identisch sein müssen und somit - 0 tendierende Toleranzen bedingen. Eine solche Präzision ist aber mit den be kannten Diffussionsöfen und Verfahren nicht zu erzie len.

Es hat sich gezeigt, daß die Prozeßresultate bei der Behandlung von Halbleiterscheiben in Diffussionsöfen allgemein dann weiter verbessert werden können, wenn auf die im Reaktionsraum herrschenden Strömungsver hältnisse geachtet und entsprechender Einfluß auf die Strömungskinetik im Reaktionsraum genommen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der oben geschilderten Art so zu verbessern, daß eine Prozeßgasströmung im Reaktionsraum des Ofens erzwungen wird, die frei von Konvektionsströmungen und Laminarität ist, und bei gegebener Isothermie, eine vollkommen gleichmäßige Umspülung der zu behandelnden Halbleiterscheiben erreicht.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, gelöst.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß durch die Vermeidung jeder Konvektionsströmung und Laminarität der Prozeßgase im Reaktionsraum des Diffusionsofens und damit einer vollkommen gleichmäßigen Durchströmung des Reaktionsraumes mit Durchmischung der Gase, auch eine gleichmäßige Umspülung der zu behandelnden Halbleiter scheiben erreicht wird, was sich in der nunmehr per fekten Reproduzierbarkeit der Prozeßergebnisse und geringen Toleranzen bei hoher Qualität der Strukturen Halbleiterscheiben zeigt, wobei diese Resultate durch gezielte Steuerung der einzelnen Prozeßparameter, die frei wählbar, steuerbar und regelbar sind, noch zu sätzlich beeinflußt und verbessert werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand lediglich Aus führungsbeispiele darstellenden Zeichnungen näher er läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Vertikalofen,

Fig. 2 einen Schnitt durch Fig. 1 in Richtung A-B und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Horizontalofen.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Ofen zur Wärmebehand lung von Halbleiterscheiben besteht im wesentlichen aus einem Prozeßgasvorwärmer 1 mit beispielsweise 24 auf den Kreisbogen verteilten Einlaßdüsen, die in einen von dem äußeren Prozeßrohr 3 und dem inneren Prozeßrohr 4 umschlossenen Ringraum 2 münden. In der Wand des inneren Prozeßrohres 4 sind mehrere Reihen Gaseinlaßdüsen 5 vorgesehen, die die Verbindung vom Ringraum 2 zum Reaktionsraum 6 darstellen und dem Durchtritt der Prozeßgase von diesem Ringraum 2 in den Prozeßraum 6 dienen. Diese Gaseinlaßdüsen sind in der Wand des inneren Prozeßrohres 4 derart verteilt, daß nur die Wandfläche hinter und neben den innerhalb des Reaktionsraumes 6 installierten Gasabsaugrohren 7 davon frei bleibt. Die Gaseinlaßdüsen sind nicht axial ausgerichtet, sondern schräg in beliebige Richtungen, um eine gute Verwirbelung der in den Reaktionsraum 6 eintretenden Gase zu erreichen und jedwelche Konvek tionsströmung und Laminarität darin auszuschließen.

Die zu behandelnden Halbleiterscheiben 8 sind auf einem Träger 10, beispielsweise einer Horde, angeord net, der auf einem um die Strecke A³-²B gem. Fig. 2 exzentrisch im Reaktionsraum 6 rotierenden Drehtisch 9 montiert ist. Die Exzentrizität des Drehtisches 9 im Reaktionsraum 6 wirkt sich zusätzlich vorteilhaft auf die Umspülung der Halbleiterscheiben 8 mit Prozeßgasen aus.

Mit 11 ist ein Thermoelementschutzrohr bezeichnet, mit 12 der äußere Ringraum des Ofens. Außerhalb des äuße ren Ringraumes 12 sind die Heizelemente 13 angeordnet, die den Reaktionsraum 6 völlig umschließen, um in demselben eine Isothermie zu erreichen. Weitere Heiz elemente befinden sich oberhalb der Abschlußplatte 17. Die äußere Heizelementkühlung ist mit 14 bezeichnet und die Ummantelung des Ofens mit 15.

Die Halbleiterscheiben 8 drehen sich mit dem Träger 9 im Gasstrom, dazu sind sie auf einem Support 16 schräg in den Reaktionsraum 6 gestellt, wodurch die Umspülung mit den Prozeßgasen noch intensiver wird.

Die Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Ofen konven tioneller, horizontaler Bauart. Dies zeigt, daß die Erfindung bei solchen Öfen generell eingesetzt werden kann und nicht etwa auf solche vertikaler Bauart, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, beschränkt ist. Auch bei diesem Ofen, der im wesentlichen Aufbau dem des DE-Gm 88 01 785 entspricht, also einen isothermalen Reaktionsraum 25 besitzt, in dem die zu behandelnden Halbleiterscheiben 36 auf einer sogen. Cantilever schaufel 37 angeordnet sind, sind die Gasaustrittsöff nungen 26 in der Wand des inneren Prozeßrohres 23 angeordnet. Die als Jet-Düsen ausgebildeten Gaseinlaß öffnungen 26 sind auch hier nicht auf die Achse des Reaktionsraumes 25 ausgerichtet, sondern zu dieser desorientiert.

Die Heizkassette 22 umgibt das äußere Prozeßrohr 21, wobei noch ein Heizkassettenmantelrohr 20 zwischenge schaltet ist, um einen äußeren, Kühl-Spül-Raum 35 zu schaffen, der über den Auslaßstutzen 27 bzw. 34 mit dem Außentrum in Verbindung steht. In dem Ofenab schlußsystem 18 ist, ebenso wie in das Prozeßrohrabschlußsystem 29 ein Heizsystem integriert, um das Prozeßrohr 23 vollständig mit der Heizeinrich tung zu umschließen und so den eigentlichen isotherma len Reaktionsraum 25 schaffen.

Die Prozeßgasmischung wird den Gaseinlaß 28 dem Ring raum 24 zugeführt, um von dort durch die Gaseinlaßöff nungen 26 in den Reaktionsraum 25 zu strömen, wo sie, frei von Konvektion und Laminarität, in turbulenter Strömung mit der Oberfläche der zu behandelnden Halb leiterscheiben 36 in innige Berührung kommen. Der Cantilever 30 kann zusätzlich beweglich ausgebildet sein, um die Wirkung der Prozeßgase noch zu intensi vieren. Die jeweiligen Stellungen der Halbleiterschei ben 36 bei der Hin- und Herbewegung des Cantilevers 30 sind gestrichelt dargestellt. Die Prozeßgase ver lassen den Reaktionsraum wieder durch mehrere, Gasaus trittsöffnungen aufweisende, Saugrohre 38.

Mit 31 ist eine Montageplatte bezeichnet und mit 32 eine Wasserringkühlung. Eine Luftringkühlung 33 bringt zusätzliche Kühlleistung.

Die Antriebe für den Drehtisch 9 und den Cantilever 30 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen, ebenso wie Details des Ofens, in den Abbildungen nicht darge stellt.

Claims

1. Ofen zur Wärmebehandlung von Halbleiterscheiben mit in der Hülle des Reaktionsraumes vorgesehenen Ein- und Auslaßöffnungen für die Prozeßgase und einer im Reak tionsraum starr oder rotierend angeordneten Tragevor richtung für die zu behandelnden Halbleiterscheiben, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (5) als mindestens eine Lochreihe in der Wand des inneren Prozeßrohres (4) angeordnet sind, die Gasauslaß öffnungen (7a) in mehreren im Reaktionsraum (6) in der Nähe des Prozeßrohres (4) installierten Absaugrohren (7) vorgesehen sind, während die Wand des Prozeßrohres (4) im Bereich der Absaugrohre (7) frei von Gaseinlaß öffnungen (5) und die Wand der Absaugrohre (7) zur Wand des Prozeßrohres (4) hin frei von Gasauslaß öffnungen (7a) ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugrohre (7) oben verschlossen sind.

3. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßöffnungen (5) bezüglich der räumlichen Achse des Reaktionsraumes (6) gleichsinnig desorientiert angeordnet sind.

4. Ofen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (9) mit den zu behandelnden Halbleiter scheiben (8) im Reaktionsraum (6) außermittig angeord net ist.

5. Ofen nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (9) mit den zu behandelnden Halbleiterscheiben (8) mit einem Antrieb für eine Relativbewegung gegenüber dem Prozeßrohr (4) ausgerüstet ist.

6. Ofen nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugrohre (7) nahe dem Prozeßgasvorwärmer (1) installiert sind.

7. Verfahren zum Betrieb des Ofens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgase vor Eintritt in den Reaktionsraum gemischt und vorgewärmt werden, anschließend durch den Ringraum (2) von unten nach oben strömend geleitet und nach Eintritt in den Reaktionsraum durch die Gaseinlaßöffnungen diesen, frei von Konvektionsströmungen und Laminarität, gleichmäßig rotierend in Richtung auf die Absaugrohre durchströmen, dabei die schräg zur Strömungsrichtung angeordneten zu behandelnden Halbleiterscheiben umspülen und durch die Gasauslaßöffnungen und die Saugrohre, abwärts durchströmend, wieder verlassen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die zu behandelnden Halbleiterscheiben im Prozeßgasstrom bewegt werden.