DE3933423C2 - Vorrichtung zur Wärmebehandlung, insbesondere für LCD-Substratplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung in Form einer flachen beheizten Platte. Derartige Vorrichtungen dienen zum Wärmebehandeln von z. B. Halbleiterwafern oder von Flüssigkristall­ (LCD)-Substratplatten.

Solche Wärmebehandlungsprozesse werden bisher in Öfen oder auf sogenannten "Hot­ plates" ausgeführt. Hotplates sind sehr gleichmäßig beheizte Heizplatten, auf deren Auflagefläche die plattenförmigen Bau­ teile aufgelegt werden. In der Regel ist die Hotplate noch durch eine Haube abdeckbar. Derartige Vorrichtungen werden insbeson­ dere zum Wärmebehandeln von Halbleiterwafern verwendet.

Öfen, wie auch Hotplates, haben den Nachteil relativ großer Tem­ peraturänderungsträgheit. So dauert das Aufheizen und Abkühlen des wärmezubehandelnden plattenförmigen Bauteiles meist viel länger, als die Zeitspanne dauert, während der das Bauteil auf der Ziel­ temperatur zu halten ist. Dieser Nachteil wird dann besonders deutlich, wenn das Bauteil während der Wärmebehandlung unter Schutzgas zu halten ist. Es kann dann nicht bereits bei relativ hoher Temperatur der Vorrichtung entnommen werden, da dann an Luft unerwünschte Oxidationsprozesse stattfinden würden. Proble­ matisch ist außerdem, daß vor dem Beginn der Wärmebehandlung in Schutz­ gas zunächst das Ofenvolumen oder das Volumen zwischen Hotplate und Abdeckhaube zu evakuieren ist. Erst dann wird Schutzgas ein­ gefüllt. Wenn eine sehr reine Schutzgasatmosphäre erforderlich ist, ist der Evakuierprozeß und Schutzgas-Befüllprozeß unter Umständen mehrfach auszuführen.

Ein weiterer gemeinsamer Nachteil von Ofen und Hotplate ist, daß diese Vorrichtungen praktisch nicht an Änderungen in der Form zu behandelnden Bauteile angepaßt werden können. Es werden daher in der Regel Vielzwecköfen bzw. Vielzweck-Hotplates ver­ wendet.

Zusätzlich von Nachteil ist bei Hotplates, daß deren Heizvor­ richtungen relativ schnell ortsabhängig ihre Heizeigenschaften ändern, wodurch es erforderlich ist, die Heizeinrichtungen re­ lativ häufig auszuwechseln, um ein einigermaßen gleichmäßiges Temperaturprofil zu erhalten.

Aus DE 34 18 769 A1 ist eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleiterwafern bekannt, bei der das zu behandelnde plattenförmige Bauteil direkt auf die sog. Hotplate aufgelegt ist und während der Behandlung in dieser Lage verbleibt. Um die oxidationsgefährdete Beschichtung des plattenförmigen Bauteils während der Wärmebehandlung zu schützen, wird ein Inertgas durch einen das Bauteil auf der Hotplate abdeckenden Deckel geleitet, seitlich an den Umrandungen des Bauteils und der Hotplate vorbeigeführt und unterhalb der Hotplate von einer Absauganordnung abgezogen. Zur reaktiven Bearbeitung der Beschichtung der Waferplatte kann dem Inertgas auch ein Reaktionsgas zugesetzt sein.

Aus DE 29 50 967 C2 ist für sich eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einem Durchlaufofen bekannt. Dabei sind die Metallteile auf einem gasdurchlässigen Boden aufgeschichtet. Die Wärmebehandlung der durch den Ofen bewegten Metallteile erfolgt derart, daß ein erhitztes Trägergas, welchem ein Reaktionsgas zugesetzt sein kann, durch den porösen Boden geleitet wird. Dieses Gas, welches die auf dem Boden aufliegenden Metallteile durchströmt, wird oberhalb der Metallteile von einer Absaugvorrichtung abgezogen.

Aus JP 63-82 99 B4 ist eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleiterwafern bekannt, bei welcher der jeweilige Wafer von einer Halterung im Inneren eines geschlossenen Ofens mit gleichem Abstand zu der Ofenwandung gehaltert ist. Jede der beiden parallel zu den Oberflächen des Halbleiterwafers liegenden Wandungen weist eine den bekannten Hotplates entsprechende Heizvorrichtung auf. Während des Wärmebehandlungsprozesses ist das Innere des Ofens mit Reaktionsgas gefüllt.

Es bestand demgemäß die Aufgabe, eine Wärmebehandlungsvorrichtung anzugeben, die ein gleichmäßiges Beheizen eines plat­ tenförmigen Bauteiles und ein schnelles Erwärmen und Abkühlen desselben zuläßt.

Als Lösung weist die erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung die im Anspruch 1 angeführten Merkmale auf.

Die Heizeinrichtung kann dabei innerhalb der gelochten Platte angeordnet sein, so daß das Gas dann beheizt wird, wenn es durch die Gasleitungen strömt. Selbst wenn dann in unterschiedlichen Bereichen etwas unterschiedlich geheizt wird, wirkt sich dies am wärmezubehandelnden Bauteil nicht allzu stark aus, da sich die Gasströme aus ver­ schiedenen Gasleitungen durch Mischen und damit die gesamte zu beheizende Gasmenge im wesentlichen dieselbe Temperatur aufweist.

Von besonderem Vorteil ist es jedoch, die Heizeinrichtung ge­ sondert von der gelochten Platte anzuordnen, so daß die gelochte Platte nur die in ihre Auflagefläche mündenden Gasleitungen aufweist. Dies hat zum einen den Vorteil, daß allen Gasleitungen Gas aus einem gemeinsamen Volumen zugeführt wird, was gewährleistet, daß die Temperatur über die gesamte Behandlungsfläche konstant ist. Weiter­ hin besteht der Vorteil, daß die Wärmekapazität der gelochten Platte sehr klein gehalten werden kann, wodurch besonders schnelle Aufheiz­ und Abkühlzeiten erreicht werden können. Es ist jedoch anzumer­ ken, daß selbst dann, wenn die Heizeinrichtung in die gelochte Platte integriert ist, schnellere Aufheiz- und Abkühlzeiten erreich­ bar sind, als unter Verwendung bisheriger Hotplates, da die Wärmeübertragung zwischen gelochter Platte und plattenförmigem Bau­ teil nicht durch unmittelbare Wärmeleitung, sondern durch Kon­ vektion erfolgt. Sind die Heizeinrichtungen abgeschaltet, bleibt zwar noch das Hauptplattenvolumen noch relativ heiß, jedoch wird das Gas in den Leitungen nicht mehr allzu stark aufgeheizt, was dazu führt, daß das plattenförmige Bauteil stärker abkühlt als die gelochte Platte.

Die gelochte Platte kann aus beliebigem Material, insbesondere Kunststoff, Keramik oder, vorzugsweise, Metall, bestehen. Ist die Heizeinrichtung gesondert von der gelochten Platte angeordnet, ist letztere ein äußerst einfaches und billiges Bauteil, so daß es leicht möglich ist, die Vorrichtung durch Verwenden von gelochten Platten mit unterschiedlicher Geometrie an plattenförmige Bauteile mit unterschiedlicher Umfangskontur anzupassen.

Ein weiterer bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß für die Wärmebehandlung unter Schutzgas keine Evakuierprozesse mehr erforderlich sind, vorausgesetzt, es ist eine Schicht zu behandeln, die sich nur auf einer Oberflä­ che des plattenförmigen Bauteiles befindet. In diesem Fall wird das plattenförmige Bauteil mit der luftempfindlichen, wärmezubehandelnden Schicht nach unten auf die gelochte Platte gelegt. Strömt nun Schutzgas durch die Gasleitungen in die gelochte Platte, ist die zu behandelnde Schicht vor Sauerstoffzutritt geschützt. Luft könnte nämlich nur durch den Spalt zwischen der Oberfläche der gelochten Platte und dem Umfang des aufgelegten Bauteiles an die empfindliche Schicht gelangen, jedoch strömt durch diesen Spalt das Schutzgas aus, wodurch der Sauerstoffzutritt verwehrt ist.

Das plattenförmige Bauteil wird auf die gelochte Platte direkt aufgelegt, wonach es im Betrieb auf einem Gas­ strom über der Temperplatte schwebt. Um es beim Schweben in einer festgelegten Position zu halten, können Seitenbewegungen entweder durch entsprechende Gestaltung des Gasflusses begrenzt werden, oder es können Begrenzungsstücke verwendet werden, die vorzugsweise so ausgebildet sind, daß sie die von ihnen nicht begrenzten Auflagebereiche abdecken, so daß dort kein Gas aus den in die Auflagefläche mündenden Gasleitungen austreten kann.

Anhand der Fig. 1 bis 4 werden Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmebehandlung beschrieben:

Fig. 1 schematischer Querschnitt durch eine gelochte Platte mit gesonderter Heizeinrichtung;

Fig. 2 schematischer Querschnitt durch eine gelochte Platte mit angesetzter Labyrinth-Heizeinrichtung;

Fig. 3 schematischer Querschnitt durch eine gelochte Platte mit Begrenzungsstücken;

Fig. 4 schematischer Querschnitt durch eine gelochte Platte mit ungleicher Gasströmung.

Die Vorrichtung zur Wärmebehandlung gemäß Fig. 1 besteht aus einer gelochten Platte 10 mit Abstandsstücken 11, einer Abdeckhaube 12, einer Gasverteilungskammer 13 und einer Heizeinrichtung 14. Die gelochte Platte 10 wird von zahlreichen Gasleitungen 15 durchsetzt, die in die Auflagefläche 16 der Platte münden. Die Gasvertei­ lungskammer 13 ist dicht an die Unterseite der gelochten Platte 10 angesetzt. Sie wird von der Heizeinrichtung 14 mit beheiztem Gas, z. B. Stickstoff als Schutzgas, versorgt. Aus der Gasver­ teilungskammer 13 strömt das beheizte Gas in die Gasleitungen 15.

Die Abstandsstücke 11 sind am Rand der Auflagefläche 16 ange­ ordnet. Auf sie ist in der Darstellung gemäß Fig. 1 als wärmezubehandlendes plattenförmiges Bauteil eine LCD-Substratplatte 17 auf­ gelegt, die eine auszuhärtende Orientierungsschicht 18 trägt. Die Substratplatte 17 liegt so auf den Abstandsstücken 11, daß die Orientierungsschicht 18 nach unten zeigt. Der Abstand zur Auflagefläche 16 beträgt etwa 1 mm. Wenn die Orientierungs­ schicht 18 aus einem oxydationsempfindlichen Material besteht, z. B. Polyphenylen, muß zur Wärmebehandlung Schutzgas verwendet werden.

Die LCD-Substratplatte 17 wird von unten durch das aus den Gas­ leitungen 15 strömende erhitzte Gas erwärmt, und von oben durch das heiße Gas, das sich zwischen Auflagefläche 16 und Abdeck­ haube 12 befindet. Die Abdeckhaube 12 besteht vorzugsweise aus reflektierendem und gut wärmeisolierendem Material. Ist die Behandlungszeit bei der Zieltemperatur, z. B. 2 Minuten bei 410°C oder 5 Minuten bei 400°C zur Wärmebehandlung von Polyphenylen, abgelaufen, wird die Abdeckhaube 12 abgenommen und die Heizein­ richtung 14 wird abgeschaltet, so daß kühleres Gas durch die Gasleitungen 15 strömt. Es muß jedoch noch für einige Zeit Schutzgas verwendet werden, nämlich solange, bis die LCD-Sub­ stratplatte 17 eine Temperatur erreicht hat, bei der die dünne Orientierungsschicht 18 nicht mehr oxydationsempfindlich ist. Dann kann zum Abkühlen bis auf die Entnahmetemperatur Luft als Kühlgas verwendet werden.

Die Abdeckhaube 12 muß nicht notwendigerweise verwendet werden. Insbesondere dann, wenn nur eine dünne Schicht auf einem Sub­ strat geringer Wärmeleitfähigkeit und/oder hoher Wärmekapazität nur kurzzeitig zu erhitzen ist, reicht es aus, das Erhitzen dieser Schicht durch den unmittel­ bar auf die Schicht treffenden Gasstrom vorzunehmen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist angenommen, daß die gelochte Platte 10 nur geringe Wärmekapazität aufweist, so daß sie kaum zu einer Temperaturänderung des durch die Gasleitun­ gen 15 strömenden Gases beiträgt. Regelschwingungen in der Tem­ peraturregelung des Heizgases wirken sich dann fast unmittel­ bar auf die Temperungstemperatur aus.

Dies ist bei der Anordnung gemäß Fig. 2 vermieden, die sich durch eine Labyrinth-Gasverteilungskammer 13.2 mit Gasleitwän­ den 19 möglichst hoher Wärmekapazität auszeichnet. Wenn das von der (in Fig. 2 nicht dargestellten) Heizeinrichtung zugeführte Gas in die Labyrinth-Gasverteilungskammer 13.2 einströmt, wer­ den aufgrund des langen Strömungsweges in der Kammer und auf­ grund der hohen Wärmekapazität der Kammer Temperatur-Regel­ schwingungen geglättet.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wurde abweichend vom Schutzanspruch davon ausgegangen, daß das zu behandelnde plattenförmige Bauteil auf Abstandsstücke 11 aufgelegt wird. Man nutzt erfindungsgemäß jedoch den bekannten Gaskisseneffekt, um das plattenförmige Bau­ teil in Abstand über der Auflagefläche 16 der gelochten Platte 10 zu halten. Es muß hierbei dafür gesorgt werden, daß das Bauteil seitlich nicht verrutschen kann. Die Fig. 3 und 4 ver­ anschaulichen zwei Ausführungsformen von Wärmebehandlungs-Vorrichtungen mit Einrichtungen zum Verhindern des seitlichen Verschiebens aufgelegter schwebender plattenförmiger Bauteile.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist ein Begrenzungsstück 20 mit einer Innenaussparung vorhanden, deren Umfang geringfügig größer ist als der Außenumfang einer in die Aussparung gelegten LCD-Substratplatte 17. Dadurch kann die Substratplatte 17 zwar über die Oberfläche 16 der gelochten Platte 10 gehoben werden, je­ doch kann sie seitlich nicht verrutschen. Das Begrenzungsstück 20 begrenzt aber nicht nur die Bewegung des aufgelegten platten­ förmigen Bauteils 17, sondern es sorgt zugleich dafür, daß Gaslei­ tungen 15, durch die kein Gas strömen soll, da sie sich außer­ halb des Bereichs des aufgelegten plattenförmigen Bauteils 17 be­ finden, abgedeckt werden. Hierzu verfügt das Begrenzungsstück 20 über einen entsprechenden ebenen Bereich, der auf der Auflage­ fläche in demjenigen Bereich aufliegt, der nicht von der Ausspa­ rung umschlossen wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die Gasleitungen 15 in der gelochten Platte 10 mit nach außen hin abnehmendem gegensei­ tigem Abstand angeordnet. Dadurch strömt am Rand der gelochten Platte 10 mehr Gas als in ihrer Mitte, was dafür sorgt, daß ein aufgelegtes plattenförmiges Bauteil 17 - z. B. wieder eine LCD-Substratplatte oder ein Halbleiterwafer - in einer mittleren Lage über der gelochten Platte 10 zentriert gehalten wird. Der Zen­ triereffekt kann auch durch Schrägstellen der Gasströmung am Rand und/oder durch größere Strömungsquerschnitte am Rand als in der Mitte unterstützt werden.

Die Ausführungsformen können in vielfacher Art und Weise abge­ wandelt werden. So muß die Gasverteilung nicht notwendigerweise mit Hilfe einer Gasverteilungskammer 13 erfolgen, sondern es ist z. B. auch möglich, jeweils eine Reihe von Gasleitungen 15 über eine gesonderte Versorgungsleitung mit Gas zu versorgen. Die Gasleitungen 15 gehen dann nicht ganz durch die gelochte Platte 10 durch, sondern sie münden jeweils in eine zugehörige Ver­ sorgungsleitung. Wie schon eingangs beschrieben, muß die Heiz­ einrichtung 14 nicht als gesondertes Bauteil angeordnet sein, sondern sie kann in die gelochte Platte 10 integriert sein oder auch in der Gasverteilungskammer angeordnet sein, vorausgesetzt daß eine solche vorhanden ist.

Soll ein seitliches Verschieben eines aufgelegten plattenförmi­ gen Bauteils 17 durch eine Begrenzungsanordnung begrenzt werden, muß diese nicht aus einem einzelnen Begrenzungsstück 20 mit einer Mittenaussparung bestehen, sondern es können auch mehrere getrennte Begrenzungsstücke, z. B. Stifte verwendet werden, die in die Öffnungen nicht benötigter Gasleitungen eingesetzt wer­ den.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Halbleiterwafern oder Flüssigkristall-Substratplatten,

• - mit einer gelochten Platte (10), in deren Auflagefläche (16) zahlreiche Gasleitungen (15) münden,
• - mit einer Gasverteiltung (13) zur Zuführung von Gas zu den Gasleitungen (15) und
• - mit einer Heizeinrichtung (14) zum Beheizen des Gases,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß das der Wärmebehandlung zu unterziehende plattenförmige Bauteil (17) während der Wärmebehandlung oberhalb der gelochten Platte (10) auf einem von dem durch die Platte (10) strömenden Gasstrom gebildeten Gaspolster aufliegt und
• - daß Mittel vorhanden sind, die eine Bewegung des plattenförmigen Bauteils (17) quer zur Strömungsrichtung der Gasströme in den Gasleitungen (15) ausschließen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung der Querbewegung des plattenförmigen Bauteils (17) die Gasleitungen (15) so ausgebildet sind, daß der Fluß der austretenden Gas von der Mitte zum Rand der Auflagefläche (16) hin zunimmmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung der Querbewegung des plattenförmigen Bauteils (17) mindestens ein Begrenzungsstück (20) auf der Auflagefläche (16) der gelochten Platte (10) angeordnet ist, das eine Innenaussparung mit einem Umfang freiläßt, der geringfügig größer als der Außenumfang des plattenförmigen Bauteils (17) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Begrenzungsstück (20) den Auflagenbereich der gelochten Platte (10) abdeckt, der nicht für die Innenaussparung vorgesehen ist.