DE4140387C2 - Vorrichtung und Verfahren zur verformungsfreien Bearbeitung von Halbleitermaterialscheiben in schnellen thermischen Prozessen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur verformungsfreien Bearbeitung von Halbleitermaterialscheiben in schnellen thermischen ProzessenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
verformungsfreien Bearbeitung von Halbleitermaterialscheiben,
nachfolgend Substratscheiben genannt, die bei der halbleiter
technologischen Einscheibenbearbeitung im Rahmen thermischer
Kurzzeitprozesse und in Verbindung mit Prozessen der Zonen
schmelzrekristallisation Anwendung finden und beispielsweise aus
der US 5 011 794 bekannt sind.
Voraussetzung für die Anwendung thermischer Kurzzeitprozesse in
Bauelementetechnologien der Mikroelektronik ist die Unter
bindung des Auftretens plastischer Verformungen der Substrat
scheibe im Verlaufe des Bearbeitungsprozesses. Dazu ist es
notwendig, die Ausbildung lokaler Temperaturdifferenzen über
der Substratscheibe zu verhindern, d. h. die Wärmeverteilung auf
der zu bearbeitenden Substratscheibe homogen zu gestalten.
Mit dem Wärmeeintrag in die Substratscheibe im Verlaufe eines
schnellen thermischen Prozesses kommt es naturgemäß zur Aus
bildung radialer Temperaturgradienten infolge der erhöhten
Wärmeabstrahlung über die Randfläche der Substratscheibe. Die
damit verbundenen lokalen Temperaturunterschiede, insbesondere
im Randbereich, führen bei genügend großen Temperatur
differenzen zur plastischen Verformung der Substratscheibe.
Diese Verformungen wiederum führen zu unkontrollierten Wärme
kontakten infolge undefinierter Kontaktverhältnisse zwischen
Substratscheibenauflage und Substratscheibe. Innerhalb der
Substratscheibe können sich so erhebliche stationäre Tempe
raturinhomogenitäten ausbilden, die weitere plastische Verfor
mungen der Substratscheibe nach sich ziehen.
Um dieser plastischen Verformung der Substratscheibe zu be
gegnen, ist es notwendig, die Wärmeverteilung auf derselben
homogen zu gestalten. Dieser Sachverhalt ist verbunden mit
hohen Anforderungen an die Führung derartiger Prozesse und
verlangt einen entsprechenden apparatetechnischen Aufwand. Der
Homogenisierung der Wärmebilanz der Substratscheibe dienen
beispielsweise spezielle Ausgestaltungen des Beleuchtungs
systems. Je nach gerätetechnischem Gesamtkonzept gelangen dabei
reflektierende und/oder absorbierende Rezipientenkammerwände
zur Anwendung.
Der Reduzierung der Wärmeabstrahlung am Scheibenrand und damit
der Verhinderung plastischer Verformungen der Substratscheibe
dient auch die Anordnung eines zylinderförmigen Ringes,
vorzugsweise aus gleichartigem Halbleitermaterial, der die zu
bearbeitende Substratscheibe unmittelbar umgibt. Die Anwendung
von Dreipunktauflagesystemen für die zu erwärmende Substrat
scheibe schließt undefinierte Kontaktverhältnisse zwischen
Scheibenauflage und Substratscheibe und damit ungewollte Wärme
kontakte aus.
Aus US 5 011 794 ist eine Vorrichtung zur verformungsfreien
Bearbeitung von Substratscheiben in schnellen thermischen
Prozessen bekannt, wobei die thermische Prozessierung in einem
Isolationsbehältnis zwischen oberen und unteren Lampen
anordnungen erfolgt. Die Auflage und die Substratscheibe sind
beweglich innerhalb des Isolierbehältnisses angeordnet.
Eine temperierbare Werkstückhalterung mit Mitteln zur
Übertragung eines Unterdrucks an ein Werkstück, insbesondere
eine Substratscheibe, ist in DD 252 707 A1 beschrieben. Zur
Erzeugung des Vakuums verfügt deren Aufnahmeplatte über
Bohrungen, die über einen Sammelkanal mit einer Bohrung in
einem zentralsymmetrischen Mittelzapfen verbunden sind.
Nachteil der bisher bekannten technischen Lösungen ist, daß ein
wirksamer Ausgleich der Wärmeabstrahlung der erwärmten
Substratscheibe nicht im erforderlichen Maße, der Verhinderung
von plastischen Verformungen der Substratscheibe dienend,
gewährleistet ist, und zwar vermehrt mit zunehmendem Durch
messer der zu bearbeitenden Substratscheiben. Erklärbar ist
dies durch Inhomogenitäten der Wärmestrahlung ausgehend vom
Lampenfeld, Inhomogenitäten in der Scheibendicke des zu
erwärmenden Ausgangsmaterials und der bereits im Ausgangs
material vorhandenen Scheibenunebenheiten.
Zusätzliche, zum schnellen thermischen Prozeß notwendig
werdende Temperaturbelastungen, wie beispielsweise durch Zonen
schmelzrekristallisationsprozesse mittels Laser oder Streifen
heizer verursacht, führen zur Ausbildung tangentialer Tempe
raturgradienten in Ziehrichtung des Lasers oder Streifen
heizers. Die dabei für die Durchführung des Rekristalli
sationsprozesses technologisch bedingten lokalen Temperatur
unterschiede im Bereich um die Schmelzzone, führen in nahezu
jedem Fall zur plastischen Verformung der Substratscheibe. Zur
Verringerung dieser Temperaturdifferenz im Bereich um die
Schmelzzone wird die zu bearbeitende Substratscheibe bis etwa
1100°C vorgeheizt. Durch eine weitere, lokale Anhebung der
Vorheiztemperatur der Substratscheibe in einem variierbaren
Bereich um die Schmelzzone kann der tangentiale Temperatur
gradient in Ziehrichtung nochmals reduziert werden. Durch den
beim Rekristallisationsprozeß notwendigen Energieeintrag in die
zu rekristallisierende Schicht über deren Oberfläche treten
technologiebedingt Temperaturdifferenzen, die plastische Ver
formungen der Substratscheibe nach sich ziehen, auf. Zur
Schaffung der durch den Rekristallisationsprozeß angestrebten
monokristallinen Struktur ist die Aufrechterhaltung dieser
Temperaturdifferenz im Bereich um die Schmelzzone auch techno
logisch erforderlich. Die damit initiierten plastischen Verfor
mungen der Substratscheibe können mit herkömmlichen technischen
Mitteln nicht vermieden werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und
ein damit zusammenhängendes Verfahren zur verformungsfreien
Bearbeitung von Substratscheiben zu schaffen, die eine pla
stische Verformung derselben, hervorgerufen durch die sich im
Prozeß der Erwärmung/Abkühlung und/oder verfahrensbedingter
Temperaturänderungen auf der Substratscheibe ausbildenden
lokalen Temperaturdifferenzen, weitgehend ausschließen.
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine Vor
richtung und ein Verfahren zur verformungsfreien Bearbeitung
von Substratscheiben in schnellen thermischen Prozessen
anzugeben, die bei Auftreten von Verformungskräften, ausgelöst
durch lokale Temperaturunterschiede in der Substratscheibe,
diesen entgegenwirken.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die der Oberfläche der Substratscheibenauflage
abgewandte Oberfläche auf einer der Stirnflächen eines aus für
Wärmestrahlung durchlässigen Materials bestehenden zylinder
förmigen Ringes aufliegt, dessen innerer Durchmesser etwa
gleich groß dem der zu erwärmenden Substratscheibe ist, und
dieser mit seiner weiteren Stirnfläche auf einer für die
Wärmestrahlung durchlässigen Platte angeordnet ist und daß die
Substratscheibenauflage in Richtung Oberfläche der Substrat
scheibe im Bereich der durch den Ring umgebenden Fläche vakuum
vermittelnde Aussparungen aufweist, die die Oberfläche der
Substratscheibe mit dem sich durch den Ring ausbildenden, das
Vakuum an die Aussparungen vermittelnden Raum zwischen Auflage
und Platte verbinden.
Der Anwendung der Vorrichtung zur verformungsfreien Bearbeitung
von Substratscheiben in schnellen thermischen Prozessen dient
ein Verfahren, durch das die zu bearbeitende Substratscheibe im
Verlaufe ihrer Erwärmung bei einer Temperatur im Bereich von
etwa zwei Dritteln der Schmelztemperatur TM in K mit einer der
durch die lokalen Temperaturdifferenzen in der Substratscheibe
verursachten Verformungskraft entgegenwirkenden Vakuum beaufsch
lagt wird und daß diese Vakuumbeaufschlagung über den weiteren
Erwärmungsprozeß und unmittelbar nachfolgende Scheibenbear
beitungsprozesse bis hin zur Abkühlung der Substratscheibe auf
eine Temperatur im Bereich der Hälfte der Schmelztemperatur TM
in K des Halbleitermaterials erhalten bleibt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur
näher erläutert.
Die Vorrichtung besteht aus einer Substrat
scheibenauflage 1, einem Hohlzylinder 2 aus Quarzglas und einer
Quarzglasscheibe 4. Die als Substratscheibenauflage 1 dienende
Quarzglasplatte 5 liegt auf der kreisringförmigen Stirnfläche
des zylinderförmigen Ringes 2 auf. Mit seiner zweiten kreis
ringförmigen Stirnfläche liegt der Hohlzylinder 2 auf der
Quarzglasscheibe 4, deren eine Oberfläche zu dem auf der
Zeichnung nicht dargestellten Lampenfeld gerichtet ist. Die
Elemente der Vorrichtung, die Substratscheibenauflage 1, der
Hohlzylinder 2 mit Quarzglasplatte 5 und die Quarzglasscheibe 4
sind derart zueinander angeordnet, daß sie eine gemeinsame
Rotationsachse aufweisen. Das hohlzylindrische Zwischenstück 2
weist eine Ausnehmung 3 auf, die zusammen mit den Ausnehmungen
6 in der Substratscheibenauflage 1 ein zur Substratscheibe 7
vakuumvermittelndes System ausbilden.
Die derartige Vorrichtung, angewandt bei der Einscheiben
bearbeitung im Rahmen schneller thermischer Prozesse, ist in
der Lage, den Temperaturabfall im Scheibenrandbereich, der
infolge erhöhter Wärmeabstrahlung vom Substratscheibenrand der
Substratscheibe 7 auftritt, zu verringern, da im Randbereich 5
der Vorrichtung durch den Hohlzylinder 2 eine zusätzliche, mit
dem Randbereich der Halbleitermaterialscheibe 7 korrespon
dierende Wärmekapazität angeordnet ist.
Die Anordnung dieser Wärmekapazität verringert die durch
erhöhte Wärmeabstrahlung vom Scheibenrand auftretenden Tempera
turinhomogenitäten in der Substratscheibe 7. Treten danach in
der Substratscheibe 7 im Verlaufe des schnellen thermischen
Scheibenbearbeitungsprozesses Temperaturinhomogenitäten auf, so
wirkt das im Zustand der Plastizität der Substratscheibe 7 auf
diese wirkende Vakuum der durch die Temperaturinhomogenitäten
frei werdenden Verformungskraft entgegen. Derartige Temperatur
inhomogenitäten in der Substratscheibe 7 treten verstärkt bei
der Anwendung von Zonenschmelzrekristallisationsprozessen auf.
Das an der Scheibe 7 anliegende schwache Vakuum von ca. 88260 Pa (0,9 at)
reicht aus, die durch Temperaturinhomogenitäten frei werdenden
Verformungskräfte der Substratscheibe 7 zu kompensieren. Um die
Auswirkungen stationärer und instationärer Temperaturinhomo
genitäten der Substratscheibe 7, die auch in der Phase der
Abkühlung der Substratscheibe 7 nach Beendigung des thermischen
Bearbeitungsprozesses auftreten, zu vermeiden, bleibt das
Vakuum über die gesamte Phase der Plastizität der zu bearbei
tenden Substratscheibe 7 erhalten. Dabei wird das Vakuum in der
Erwärmungsphase bei einer Temperatur der Substratscheibe 7 von
ca. 850°C der Scheibenoberfläche zugeführt. Die Zuführung wird
in der Abkühlphase der Substratscheibe 7 bei einer Scheiben
temperatur von ca. 570°C unterbrochen. Durch die Herstellung
einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Substratscheibe 7
und Substratscheibenauflage 1 im Verlaufe des schnellen
thermischen Prozesses im genannten Temperaturbereich können in
der Substratscheibe 7 auftretende thermische Spannungen nicht
relaxieren. So wird die Ebenheit der Substratscheibe 7 durch
die Ebenheit der Substratscheibenauflage 1 geprägt.
Claims (2)
1. Vorrichtung zur verformungsfreien Bearbeitung von Halblei
termaterialscheiben, nachfolgend Substratscheiben, in schnellen
thermischen Prozessen, bestehend aus einer für Wärmestrahlung
durchlässigen Substratscheibenauflage, auf deren einer, im
wesentlichen kreisförmigen Oberfläche die Substratscheibe zum
Zwecke der Erwärmung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die dieser Oberfläche abgewandte Oberfläche der Substrat
scheibenauflage (1) auf einer der Stirnflächen eines aus für
Wärmestrahlung durchlässigen Materials bestehenden zylinder
förmigen Ringes (2) aufliegt, dessen innerer Durchmesser etwa
gleich dem der zu erwärmenden Substratscheibe (7) ist, und
dieser mit seiner weiteren Stirnseite auf einer für Wärme
strahlung durchlässigen Platte (5) angeordnet ist und daß die
Substratscheibenauflage (1) in Richtung Oberfläche der
Substratscheibe (7) im Bereich der durch den Ring (2) umgebenen
Fläche vakuumvermittelnde Aussparungen (6) aufweist, daß die
Oberfläche der Substratscheibe (7) mit dem sich durch den Ring
(2) ausbildenden, das Vakuum über die Ausnehmungen (3, 6)
vermittelnden Raum zwischen Auflage (1) und Platte (3)
verbinden.
2. Verfahren zur verformungsfreien Bearbeitung von Substrat
scheiben in schnellen thermischen Prozessen, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu bearbeitende Substratscheibe (7) im
Verlaufe ihrer Erwärmung bei einer Temperatur im Bereich von
ca. zwei Dritteln der Schmelztemperatur TM in K mit einem der
durch die lokalen Temperaturdifferenzen in der Substratscheibe
(7) verursachten Verformungskraft entgegenwirkenden Vakuum
beaufschlagt wird und daß diese Vakuumbeaufschlagung über den
weiteren Erwärmungsprozeß bis hin zur Abkühlung der Substrat
scheibe (7) auf eine Temperatur im Bereich der Hälfte der
Schmelztemperatur TM in K des Halbleitermaterials erhalten
bleibt.
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| US5444217A (en) * | 1993-01-21 | 1995-08-22 | Moore Epitaxial Inc. | Rapid thermal processing apparatus for processing semiconductor wafers |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| DD252707A1 (de) * | 1986-09-17 | 1987-12-23 | Akad Wissenschaften Ddr | Temperierbare werkstueckhalterung |
| US5011794A (en) * | 1989-05-01 | 1991-04-30 | At&T Bell Laboratories | Procedure for rapid thermal annealing of implanted semiconductors |
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1991
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