DE4407377C2 - Reaktionskammer eines Schnellheizsystems für die Kurzzeittemperung von Halbleiterscheiben und Verfahren zum Spülen der Reaktionskammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktionskammer eines Schnellheizsystems für die Kurzzeittemperung von Halbleiterscheiben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Reaktionskammer ist bspw. aus der JP 61-129834 A bekannt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spülen der Reaktionskammer.

Die Kurzzeittemperung (engl. Rapid Thermal Processing - RTP) ist eine vielseitige optische Heizmethode. Sie ist sowohl für Halbleiterprozesse, als auch die thermische Behandlung verschiedener Materialien, die die Form einer dünnen Scheibe besitzen, geeignet. Voraussetzung dabei ist eine gewisse Absorption im sichtbaren oder nahe Infrarotbereich. RTP-Anlagen erlauben schnelle Änderungen der Prozeßtemperatur und Gasatmosphäre für unterschiedliche Materialbehandlungen. RTP erlaubt eine Reduzierung des thermischen Budgets (Temperatur · Zeit), sowie das Einfrieren metastabiler Strukturen aufgrund der Möglichkeit großer Abkühlraten.

Die Schnellheizsysteme sind relativ neue Anlagen, deren Entwicklung vor 10 bis 15 Jahren begann. Sie waren anfangs nur in Forschung und Entwicklung eingesetzt. Die Anforderung des hohen Durchsatzes stand dabei nicht im Vordergrund. Der Schwerpunkt der Anlagenentwicklung war die Art der Heizung, die möglichst hohe thermische Homogenität und die Reduktion des "thermischen Budgets" bei verschiedenen Prozessen.

In den letzten Jahren sind die industriellen Anwendungen der verschiedenen Schnellheizmethoden stark gewachsen. Anlagen mit immer größerem Durchsatz sind mehr und mehr gefragt. Um die Kapazität solcher Anlagen zu erhöhen, werden eine erhöhte Heizleistung, schnelleres Scheibenhandling und effektivere Kühlung eingesetzt.

Die Prozeßzeit einer Industrieanlage beträgt 90-180 s pro Scheibe. Dabei wird die notwendige thermische Behandlung vom Schaltkreisentwickler und vom Prozeßtechnologen fest vorgeschrieben.

Ein notwendiger Prozeßschritt bei den meisten Prozessen nach dem Einfahren einer Scheibe und nach dem Schließen der Tür stellt die Vorspülung des Reaktors dar. Die effektive Ausspülung der Luftverunreinigung nach jeder Öffnung der Reaktortür ist dabei sehr wichtig. Als Beispiel stehen die Titan- und Kobaltsilizidprozesse. Zur Spülung vor dem Heizprozeß wird Stickstoff oder anderes Prozeßgas verwendet. Die kürzeste Vorspülzeit in den besten kommerziellen Reaktoren ist für die Silizidprozesse min. 30 s. Sie wird mit guter Gasverteilung in der Kammer und mit relativ starker Spülung erreicht.

Die meisten Anlagen haben einen schmalen, rechteckigen Quarzreaktor. Vakuumkammern sind flach und oval geformt. Die Öffnung des Reaktors wird mit einer Klapp- oder Hebetür beim Scheibenhandling pneumatisch geöffnet und geschlossen. Die Tür wird aus Edelmetall hergestellt und ist manchmal mit einer Quarzplatte an der Innenseite des Reaktors bedeckt.

Bei allen Reaktoren, die auf diesem Prinzip basieren, ist die schmale Reaktoröffnung während des Scheibenhandlings im gesamten Querschnitt offen. Das Spülgas wird von hinten eingelassen und an der Türseite in die Vent-Leitung abgeleitet. Diese Konstruktion hat sich deshalb etabliert, weil in der Heizkammer nicht nur die Scheiben, sondern auch die wesentlich größeren Scheibenträger und zusätzliche Anordnungen, wie ein Siliziumring und Gasverteilerplatten eingesetzt werden. Diese Teile müssen schnell und leicht austauschbar sein. Die Geometrie der Kammeröffnung ist dementsprechend ausgelegt.

Wir haben erkannt, daß bei jeder Öffnung der bereits auf eine bestimmte Temperatur erwärmten Kammer eine horizontale "Schornsteinwirkung" zustande kommt. Der Austritt des warmen Spülgases konzentriert sich am oberen Teil der horizontalen Öffnung. Die Austrittsgeschwindigkeit ist hier größer und entsprechend dem Bernoulli Gesetz strömt unten kalte Luft in die Kammer. Diese Luftverunreinigung der Kammer ist die Ursache für das bisher nicht zu unterschreitende Minimum der Vorspülzeit. Ein konventionaler Quarzreaktor und die qualitative Gasströmung wird in Fig. 1 dargestellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Reaktionskammer eines Schnellheizsytems und ein Spülverfahren anzugeben, mit denen eine Erhöhung des Durchsatzes gegenüber den bekannten Reaktionskammern möglich ist.

Bezüglich der Reaktionskammer wird die Aufgabe gemäß dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Reaktionskammer die Öffnung einen wesentlich kleineren Querschnitt hat, als der Querschnitt der zweiten Wand ist. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gemäß dem Patentanspruch 5 dadurch gelöst, daß nach dem Einsetzen der Halbleiterscheibe in die Reaktionskammer die Reaktionskammer vor der Heizung erst für eine vorgegebene Zeit mit laminarer Prozeßgasströmung gespült wird und die Spülung dann für eine zweite vorgegebene Zeit mit turbulenter Strömung fortgesetzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Reaktionskammer sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4, eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Anspruch 6 angegeben.

Im Sinne der Erfindung verringern wir an der Tür den Querschnitt der Öffnung der Reaktorkammer mit einem Einsatz. Der Ausschnitt ist soweit reduziert, wie es das zuverlässige Handling der Halbleiterscheiben erlaubt. Diese Öffnung muß jeweils an die ausgewählte Scheibengröße und die Abmessungen der Schaufel eines Roboters angepaßt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen konventionellen Quarzreaktor und qualitativ die Gasströmung,

Fig. 2 einen Türeinsatz für einen Schnellheizreaktor mit enger Öffnung, und

Fig. 3 einen Quarzreaktor mit dem Türeinsatz nach Fig. 2 und Austritt der warmen Spülgase.

Als Beispiel wird ein Einsatz für das Handling von 150 mm Scheiben in Fig. 2 gezeigt. Die Anordnung wird in Fig. 3 dargestellt. Eine weitere mögliche Realisierung ist eine Verbindung der Verengung in diesem Sinne mit der Reaktorkammer. Dann müssen Träger und andere zusätzliche Teile von hinten eingesetzt werden können. Die Handhabung eines austauschbaren Einsatzes ist aber einfacher.

Die kleine vertikale Abmessung der Öffnung im Einsatz verringert stark den erwähnten horizontalen "Schornstein Effekt" und reduziert die Lufteinströmung in den Reaktor bei jeder Türöffnung. Wenn zusätzlich die Spülung des Reaktors bei jeder Öffnung der Tür kontinuierlich aufrecht erhalten wird, erreicht man wegen des reduzierten Ausgangsquerschnitts eine leichte Erhöhung des Druckes im Reaktor. Die Rückströmung der Luft wird so weitgehend ausgeschlossen. Dazu ist sogar eine gewöhnliche Spülrate von 5-15 slm ausreichend.

Angenommen, daß ohne Türeinsatz nach dem Schließen der Tür die Gasspülung sprunghaft auf etwa 10-20 slm eingestellt ist, wird die Luftverunreinigung, die anfangs in der Nähe der Tür starker konzentriert ist, im ganzen Volumen der Reaktorkammer homogener verteilt. Die Ursache bei dieser Spülrate ist die Turbulenz der Strömung und ein gewisses Rückprallen der Gasmasse von der Tür. Bei einer turbulenten Strömung wird die Konzentration der Luftverunreinigung nur durch Verdünnung verringert.

Bei einer Spülrate von 2-5 slm kann man die Gasströmung bei entsprechender Gasverteilung noch laminar halten. Man braucht aber mehr Zeit für die effektive Spülung, da das auszuspülende Volumen relativ groß zur Spülrate ist. Eine laminare Strömung in einem konventionellen schmalen Reaktor ergibt, auf das nötige Spülgasvolumen bezogen, wesentlich effektivere Spülung als die turbulente Methode durch Verdünnung.

Ein Optimum in Zeit und Spülgasverbrauch wird dadurch erreicht, daß der Türeinsatz mit dynamischem Gasfluß kombiniert wird. Man beginnt dementsprechend die Vorspülung mit laminarer Strömung. Die größte Luftkonzentration an der Tür wird erst durch laminare Strömung ausgedrängt. Dann wird die Spülrate kontinuierlich erhöht bis sich die Strömung in die turbulente Phase umwandelt. Von hier an kann man eine große Spülrate für eine kurze Zeit einsetzen.

Beispiel 1

• a) Kammervolumen: 2-2,5 l, Querschnitt: z. B. 300 × 25 mm².
• b) An der Öffnung der Kammer wird der Querschnitt mit Hilfe eines Einsatzes auf etwa 25% reduziert.
• c) Vorspülschritt 1: 3-4 slm Stickstofffluß für 5 s
  Vorspülschritt 2: Spülrate in weiteren 5 s auf 15 slm linear erhöht
  Vorspülschritt 3: 20 slm Stickstoff Spülung für 5 s
• d) Bei für Handling geöffneter Tür wird eine Spülrate von 15 slm immer aktiviert.

Durch diese Spülmethode können die höchsten Anforderungen erfüllt werden.

Beispiel 2

Für Titansilizid Prozesse ist es genügend, wenn unter den sonst in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen nur der Spülschritt 1 für 5-10 s verwendet wird.

Der Vorteil der verbesserten Spülmethoden ist der größere Durchsatz und der kleinere Gasverbrauch. Der Türeinsatz wird vorteilhaft aus Quarz, aus Polysilizium oder aus Siliziumkarbid hergestellt.

Die Analyse der Gasströmungen in der Schnellheizkammer ist eine komplexe Aufgabe. Das Ergebnis wird durch die geometrischen Abmessungen der Kammer und der Scheibe stark beeinflußt. Dazu kommt noch die schnelle Änderung der Scheibentemperatur und die inhomogene Umgebungstemperatur.

Die wassergekühlte kalte Tür hat eine asymmetrische Wirkung auf die Homogenität der Scheibentemperatur. Sie absorbiert lokal mehr Wärmestrahlung von der Scheibe als die Umgebung von anderen Richtungen. Andererseits kühlt das Prozeßgas während der Heizung an der Tür stärker ab. Bei kleinen Prozeßgasspülraten, die gerade bei höherer Scheibentemperatur programmiert werden, erzeugt die kalte Tür eine innere Gaszirkulation zwischen der Tür und der heißen Scheibe. In der Nähe der Tür wird also die Scheibe zusätzlich mehr gekühlt.

Die Verwendung eines Türeinsatzes reduziert diese Effekte und hilft auch bei der Optimierung der Temperaturhomogenität der Scheibe während der Schnellheizprozesse.

Claims (6)

1. Reaktionskammer eines Schnellheizsystems für die Kurzzeittemperung von Halbleiterscheiben, bei der die Kammer eine Mehrzahl von Wänden hat, bei der wenigstens eine Wand transparent für Licht ist, bei der wenigstens eine zweite Wand eine durch eine Tür verschließbare Öffnung für die Handhabung der Scheiben hat und bei der Zu- und Ableitungen für Gase vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung einen wesentlich kleineren Querschnitt hat, als der Querschnitt der zweiten Wand ist.

2. Reaktionskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierte Öffnung nur die Handhabung der Halbleiterscheiben erlaubt.

3. Reaktionskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in einem austauschbaren Einsatz angeordnet ist.

4. Reaktionskammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung mit der Kammer fest verbunden ist.

5. Verfahren zum Spülen der Reaktionskammer eines Schnellheizsystems für die Kurzzeittemperung von Halbleiterscheiben, bei der die Kammer eine Mehrzahl von Wänden hat, bei der wenigstens eine Wand transparent für Licht ist, bei der wenigstens eine zweite Wand eine durch eine Tür verschließbare Öffnung für die Handhabung der Scheiben hat und bei der Zu- und Ableitungen für Gase vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Halbleiterscheibe in die Reaktionskammer die Reaktionskammer vor der Heizung erst für eine vorgegebene Zeit mit laminarer Prozeßgasströmung gespült wird und die Spülung dann für eine zweite vorgegebene Zeit mit turbulenter Strömung fortgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung einen wesentlich kleineren Querschnitt hat, als der Querschnitt der zweiten Wand ist.