DE4437361C2 - Verfahren und Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere HalbleiterbauelementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die optische
Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere
Halbleiterbauelemente, und dient der
Reduktion der thermischen Inhomogenitäten, wenn die Materialien verschiedene
Strukturen mit verschiedenen optischen Eigenschaften haben.
Das Schnellheizverfahren ist eine sehr vielseitige optische Heizmethode. Es
findet Einsatzmöglichkeiten vor allem auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie. Als
Heizquellen werden meistens Wolfram-Halogen oder andere Lampen eingesetzt. So
erfolgt das Aufheizen der Bauelemente durch Bestrahlung mit sichtbarem und
infrarotem Licht.
Schnellheizanlagen, welche auch als RTP-Anlagen bezeichnet werden
("Rapid Thermal Processing"-Anlagen), ermöglichen für verschiedene
Materialbehandlungen kontrollierte, schlagartige Änderungen der Temperatur und
der Spülgasatmosphäre. Durch diese Methode kann die thermische
Gesamtbelastung einer Temperaturbehandlung reduziert werden.
Viele RTP-Anlagen bieten Möglichkeiten zur thermischen Behandlung
unstrukturierter, homogener, scheibenförmiger Materialien, z. B. Halbleiter
scheiben an. Weisen solche Scheiben unterschiedliche Materialien oder
Beschichtungen in einer geometrisch oder chemisch strukturierten Form auf,
wie z. B. Prozeßscheiben in der Halbleitertechnologie, reagieren sie auf die
schnelle radiative Heizung mit relativ großen strukturinduzierten, thermischen
Inhomogenitäten.
Aus der DE 42 23 133 C2 ist
eine Methode für die defektarme, schnelle thermische Behandlung
empfindlicher Bauelemente bekannt. Die Anforderungen der
"subhalbmikrometer"-integrierten Schaltkreisentechnologie sind seitdem
sprunghaft größer geworden. Hier reicht die defektarme Schnellheizmethode nicht
aus. Strukturbedingte thermische Inhomogenitäten müssen bis zur
physikalisch möglichen Grenze reduziert werden.
Anlagenbedingte thermische Inhomogenitäten konnten in den letzten
Jahren durch verschiedene Maßnahmen entsprechend den wachsenden
Anforderungen reduziert werden. Diese Maßnahmen bestanden z. B. in der
unabhängigen Kontrolle der einzelnen Lampen, der zirkularen Lampenanordnung,
der von den Kontrollparametern unabhängigen Leistungskontrolle und der Rotation
der Scheiben.
Bei der Reduktion der Struktureffekte gibt es mehr Schwierigkeiten.
Geometrisch strukturierte, optische Dünnschichten auf der Scheibenober
fläche können einen Teil der Strahlungsenergie zur konstruktiven oder destruktiven
Interferenz führen und dadurch strukturbestimmte Temperatur-Inhomogenitäten
hervorrufen.
Eine geometrische oder chemische Strukturierung der verschiedenen,
optisch nicht durchsichtigen Beschichtungen der Scheibe kann auch zu Temperatur-
Inhomogenitäten führen, wenn sie in ihren Elektronenkonfigurationen große
Unterschiede aufweisen, d. h. unterschiedlich absorbieren.
Bekannte Methoden für die Reduktion der strukturbedingten thermischen
Inhomogenitäten sind die unabhängige Kontrolle der Lampenleistung sowie die
unabhängige Kontrolle der oberen und der unteren Lampenbänke bei den
Anlagen, in denen die Scheiben gleichzeitig von oben und von unten geheizt
werden können. Solche Methoden sind auch in dem oben erwähnten Patent DE
42 23 133 C2 beschrieben.
Die Entstehung und Reduktion der Struktureffekte in Schnellheiz
systemen scheint komplizierter zu sein, als es bisher in der entsprechenden
Fachliteratur beschrieben ist. Darüberhinaus hat die Reduktion der
Struktureffekte in konventionellen Schnellheizsystemen physikalische Grenzen.
Um schnelle Aufheizraten und eine hohe Substrattemperatur gewähr
leisten zu können, muß die Farbtemperatur der Lampen wesentlich größer sein als
die einzustellende Scheibentemperatur. Zudem ist die genannte, emittierende
Oberfläche der heißen Wolframspiralen der Lampen kleiner als die Oberfläche der
Reflektoren der Heizkammer, in der die Strahlung durch mehrfache Reflexionen
verteilt wird.
Dadurch wird auch eine größere Lampenleistung, d. h. auch eine
größere Farbtemperatur der Lampen benötigt. Ein Nachteil der bedeutend
höheren Farbtemperatur der Lampen besteht darin, daß das Absorptionsspektrum
und das Emissionsspektrum einer Halbleiterscheibe in der optischen Heizkammer
nicht übereinstimmt. Da während der optischen Heizung der radiative
Energietransfer dominiert, wird ein großer Unterschied zwischen dem
Absorptionsspektrum und dem Emissionsspektrum der Scheiben bzw. der
verschiedenen Strukturen auf der Scheibe immer zu strukturbedingten thermischen
Inhomogenitäten führen.
Identische vertikale Dünnschicht-Strukturen mit verschiedenen lateralen
Abmessungen werden vor allem deshalb andere transiente Temperaturwerte
aufweisen, weil die thermische Kapazität der direkten Umgebung von der Größe der
Oberflächenstruktur abhängig ist.
So entstehen "passive" strukturbedingte thermische Inhomogenitäten, die in
der Fachliteratur bekannt sind, bei kleineren Strukturen jedoch vernachlässigt
werden.
Die chemischen Festkörperreaktionen (z. B. Silizid-Prozesse oder
Oxidation) und die physikalischen Struktur-Umwandlungen (z. B. "implant
anneal"), die in Verbindung mit den Schnellheizprozessen ablaufen, sind
meistens exothermische Prozesse. Manche allotropische Umwandlungen sind
endotherm.
Diese Reaktionen sind entsprechend der Strukturierung lokalisiert. So
entstehen "aktive" strukturinduzierte thermische Inhomogenitäten. Die lokale
Temperatur wird zudem noch von der Geschwindigkeit der Festkörper-
Umwandlung beeinflußt, die wiederum von der Strukturgröße abhängt. Über diese
Effekte haben wir in der RTP-Literatur keine Hinweise gefunden.
Bei den konventionellen thermischen Prozessen, in denen der konvektive
(oder konduktive) Energie-Transfer dominiert und in denen die Aufheizrate der
Scheiben klein (1-10°C/Minute) ist, können keine bedeutenden strukturbedingten
thermische Inhomogenitäten auftreten, da hier genug Zeit zur Erholung vorhanden
ist. Bei den herkömmlichen Schnellheizprozessen werden Aufheizraten von
10-100°C/s gewählt. Ist die gewünschte Reaktionstemperatur erreicht, wird die
Temperatur konstant gehalten ("steady state" Temperaturschritt). Multistep
Temperierungen werden ähnlich ausgeführt. Mit großer Sorgfalt wird darauf
geachtet, daß Testprozesse mit unstrukturierten Scheiben während der ganzen
Heizperiode
eine homogene Temperaturverteilung ergeben. Es wird weniger darauf
geachtet, wie stark die transienten Struktureffekte auftreten und wie sie reduziert
werden können. Die thermischen Reaktionen, die bei den konventionellen
Schnellheizprozessen ausgeführt werden, haben oft ihre größte
Reaktionsgeschwindigkeit am Anfang des "steady state" Temperaturschrittes.
Innerhalb der nächsten 1-100 s erreichen sie eine Sättigung. Gute Beispiele
hierfür sind die Ti- oder Co-silizide Prozesse. Ein großer Teil der Reaktionswärme
entwickelt sich in den ersten Sekunden. Noch wichtiger ist, daß durch die
Festkörperreaktion an der Oberfläche neue chemische Verbindungen oder andere
alltropische Modifikationen zustande kommen, wodurch sich das lokale
Absorptionsvermögen plötzlich sehr stark ändern kann. Unter solchen Bedingungen
können lokale Temperaturunterschiede verstärkt werden. Festkörperreaktionen
werden bei verschiedenen Strukturgrößen mit verschiedener Geschwindigkeit
ablaufen und unter Umständen bei den kleinsten Strukturen nicht in gewünschtem
Maß ablaufen.
Aus der JP 60-211 947 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die optische Schnellheizung empfindlicher Bauelemente
bekannt, wobei eine Halbleiterscheibe indirekt geheizt wird.
Dabei wird eine Graphitplatte durch eine Lampenanordnung von
einer Seite geheizt und vermittelt damit indirekt die Heizung der
auf der anderen Seite der Graphitplatte beabstandet angeordneten
Halbleiterscheibe. Der Abstand zwischen der Graphitplatte und der
Halbleiterscheibe ist nicht näher definiert, und die
Graphitplatte ist wesentlich größer als das Strahlungsfeld der
Lampenanordnung. Daher ist eine homogene Temperaturverteilung
weder entlang der Graphitplatte noch in der Halbleiterscheibe
möglich. Im Falle von nur einseitiger Heizung kann die von der
Technologie vorgeschriebene Aufheizgeschwindigkeit und die
wirtschaftliche Kapazitätserforderung der Fertigung nicht erfüllt
werden.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur schnellen thermischen Behandlung empfindlicher
Bauelemente, insbesondere von Bauelementen der Halbleiterindustrie
bereitzustellen, mit welchem und mit welcher aktive und passive strukturbedingte
thermische Inhomogenitäten verringert werden können.
Die empfindlichen Bauelemente sind in der Halbleiterindustrie meistens
integrierten Schaltkreisen (Chips) auf Halbleiterscheiben, meistens auf Silizium-
Scheiben. In einer modernen, integrierten Schaltkreisenfabrik (Chip-Fertigung) das
Grundmaterial ist ein 200 mm große Silizium Scheibe.
Die strukturbedingten thermischen Inhomogenitäten werden erfindungsgemäß
dadurch reduziert, daß in die Heizkammer unter oder über
der Scheibe eine dünne, lichtabsorbierende Platte gelegt wird. Diese Platte ist so
groß wie die Scheiben oder im Durchmesser 1-2 mm größer. Die einzelnen
Halbleiterscheiben werden immer nacheinander entweder über oder unter diesen
Platten aufgeheizt. Die Platten arbeiten als "Licht-Transformator."
Die Verwendung einer "Licht-Transformator"-Platte unter der
Halbleiterscheibe löst das Problem der Temperaturkontrolle von
rückseitenbeschichteten Scheiben. Ein monochromatisches Pyrometer läßt sich
erfolgreich einsetzen. Die Halbleiterscheibe soll nicht mit der zusätzlichen Platte in
Kontakt kommen. Die bekannte Substrat-Holder Platte, die in Kontakt mit der
Scheibe verwendet wird, ist kein Gegenstand dieser Erfindung. Die Platte ist in der
Nähe der Scheibe in einer Entfernung von 1-10 mm, vorzugsweise 5-6 mm
angebracht.
Die "Licht-Transformator"-Platte behält ihre Emissivitäts- und Reflektivität
konstant im Laufe der Produktion und die Temperatur der Halbleiterscheibe folgt der
kontrollierten Temperatur der Platte.
Die Verwendung einer "Licht-Transformator" Platte über der Halbleiterscheibe
verhindert die direkte Bestrahlung der Frontseite der Scheiben. Die Strahlung der
Lampen wird auch durch die Platte absorbiert, und die größere Farbtemperatur der
Lampen wird auf eine kleinere Farbtemperatur der Platte umgesetzt, die gleichzeitig
eine homogene Flächenemission gewährleistet. Die Platte ist in der Nähe der
Scheibe in einer Entfernung von 1-10 mm angebracht. Je kleiner diese Entfernung
ist, desto stärker nähert sich die Aufheizrate der Platten an. So wird der radiative,
primäre Energiefluß nicht nur auf kleinere Farbtemperaturen transformiert, sondern
auch zum Teil in einen konvektiven Energietransport umgewandelt. Dadurch können
die strahlungsbedingten strukturinduzierten Temperaturinhomogenitäten erheblich
reduziert werden. Die Platten können aus Si, SiC, SiC-beschichtetem Graphit
oder aus BN hergestellt werden.
Das kleinere Volumen des Quarzreaktors, das für eine schnelle Kontrolle der
Spülgasatmosphäre wichtig ist, und die Reinheitsvorteile der "Warmwand-
Reaktoren" gegenüber der "Heißwand-Reaktoren" werden beibehalten.
Der Einsatz der zusätzlichen lichtabsorbierenden Platte ist für die
Massenfertigung von integrierten Schaltkreisen in solchen Schnellheizsystemen
vorteilhaft, wo die Halbleiterscheiben gleichzeitig von oben und von unten bestrahlt
werden können. Vorteilhaft ist auch, wenn die obere und die untere Heizung
unabhängig voneinander kontrollierbar sind.
Selbst die Verwendung von nur einer zusätzlichen Platte verringert ein wenig
die Kapazität einer solchen Anlage. Diese Verringerung kann aber noch gut
kompensiert werden, z. B. auch dadurch, daß eine reduzierte Heizung der
zusätzlichen Platte auch während der Handlingszeit aufrecht erhalten wird.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für den Einsatz von einer "Licht-Transformator" Platte
angegeben. Diese lichtabsorbierende Platte hat eine ähnliche Geometrie wie die
aufzuheizende Produktionsscheibe.
Die Produktionsscheibe (Halbleiterscheibe) ist hier mit "A" bezeichnet. "B" ist
die untere "Licht-Transformator" Platte, im Ausführungsbeispiel aus Silizium oder aus Siliziumkarbid.
Der Abstand zwischen der Produktionsscheibe und der unteren Platte ist 5 mm,
um ein einfaches Handling der Scheibe gewährleisten zu können. "C" ist ein
Schutzring aus Silizium für die Kompensation des größeren Energieverlustes am
Randgebiet der Produktionsscheibe. Es ist darauf zu achten, daß die vertikale
(lokale) Wärmekapazität der ganzen Anordnung überall gleich ist. Wenn z. B. beide,
die Produktionsscheibe und die lichtabsorbierende Platte gleich dicke Silizium
scheiben sind, ist der Ring zweimal so dick wie die erwärmten Si-Scheiben.
Ein Abstand von 3 mm zwischen dem Rand der Produktionsscheibe und dem
inneren Perimeter des Ringes ist angemessen.
In Fig. 1 ist "D" ein Trägerrahmen aus Quarz, "E" ist der Quarzreaktor, "F"
bezeichnet die Lampen für die Heizung, "G" ist die hochreflektierende Heizkammer
mit Löchern für eine Preßluftkühlung und "H" bezeichnet die Tür des Reaktors.
Die Erfindung ermöglicht somit die Schnellheizbehandlung empfindlicher,
elektronischer Bauelemente mit einer erheblichen Reduktion der thermischen
Inhomogenitäten. Die Reproduzierbarkeit der Heizprozesse wird dadurch verbessert,
daß unter der Produktionsscheibe eine thermisch stabile und in der Geometrie
ähnliche lichtabsorbierende Platte verwendet wird. Die Heizung der
Halbleiterscheibe erfolgt dementsprechend von unten, durch die von unteren
Lampen geheizte lichtabsorbierende Platte und von oben direkt durch die Lampen.
Die lichtabsorbierende Platte ist thermisch stabil und behält ihre Emissivität konstant.
Die enge Annäherung der Platte und der Scheibe resultiert in einer gemeinsamen,
radiativen und konvektiven Energiekopplung zwischen den beiden. So eine genaue
Temperaturkontrolle der stabilen Platte definiert die Temperatur der
Halbleiterscheibe auch dann, wenn die monochromatische Emissivität der
Halbleiterscheiben variiert wird.
Die strukturbedingten, lateral thermischen Inhomogenitäten - als alternative
Lösung - werden dadurch reduziert, daß die lichtabsorbierende Platte über der
Produktionsscheibe verwendet wird. Diese Lösung ist dann vorteilhaft, wenn die
Produktionsscheiben identische Rückseiten-Emissivität haben und so die
reproduzierbare Heizungskontrolle mit konventionellen Methoden gewährleistet
werden kann.
Claims (5)
1. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere
Halbleiterbauelemente, bei dem unter dem
aufzuheizenden Bauelement (A) in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch
stabile und in der Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte (B) verwendet wird und
die Heizung des Bauelements von oben durch obere Lampen der
Schnellheizanlage und von unten durch die von unteren Lampen geheizten
lichtabsorbierende Platte erfolgt.
2. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere
Halbleiterbauelemente, bei dem oberhalb des aufzuheizenden
Bauelements in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch stabile und in der
Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte verwendet wird und die Heizung des
Bauelements von unten durch untere Lampen der Schnellheizanlage und von oben
durch die von oberen Lampen geheizten lichtabsorbierenden Platte erfolgt.
3. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere
Halbleiterbauelemente, bei der unter dem aufzuheizenden
Bauelement in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch
stabile und in der Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte angeordnet ist und daß zur
Heizung des Bauelements oberhalb von ihm obere Lampen der
Schnellheizanlage und unterhalb von ihm die von unteren Lampen geheizten
lichtabsorbierende Platte angeordnet sind.
4. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere
Halbleiterbauelemente, bei der oberhalb des aufzuheizenden Bauelements
in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch stabile und in der
Geometrie ähnlich lichtabsorbierende Platte angeordnet ist und daß zur Heizung des Bauelements
unterhalb von ihm untere Lampen der Schnellheizanlage und oberhalb von ihm
die von oberen Lampen geheizten lichtabsorbierende Platte angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Schutzring (C) aus Silizium für die
Kompensation des größeren Energieverlustes am Randgebiet des zu
behandelnden Bauelements bzw. der lichtabsorbierenden Platte
angeordnet ist.
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