DE4440000C1 - Verfahren zum Tempern von Halbleiterscheiben und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auf­ heizen von Halbleiterscheiben in Temperprozessen, sowie eine Vor­ richtung zur Ausführung des Verfahrens.

Halbleiterwafer müssen für Diffusions- oder Legierprozesse in Zeitintervallen von wenigen Sekunden möglichst homogen auf Temperaturen zwischen 350°C und 700°C gebracht werden. Ein Problem ist dabei, die Wärmeübertragung so schnell und homo­ gen durchzuführen, daß der Halbleiterwafer während des Auf­ heizens stets überall dieselbe Temperatur aufweist. Die Wärme muß dabei auf eine zwar im wesentlichen ebene Oberfläche des Wafers übertragen werden, geringfügige Unebenheiten der Ober­ fläche führen aber dazu, daß eine ausreichend innige Berüh­ rung für den Wärmeübergang ohne Verformung des Wafers zumeist nicht möglich ist. Bei zu hohem aufgewendetem Druck, durch den eine elastische Verformung des Wafers bewirkt werden kann, kann der Wafer beschädigt werden. Es werden daher übli­ cherweise die Wafer mit Wärmestrahlern aufgeheizt, wobei die Absorptionseigenschaft des Halbleitermateriales ausgenutzt wird. Das hat aber zur Voraussetzung, daß mittels geeigneter Vorversuche mit Wafern von reproduzierbarem Absorptionsver­ halten die erzielbare Temperatur in Abhängigkeit von der Heizdauer ermittelt werden muß. Statt dessen können die Wafer auf eine sehr schnell aufzuheizende Heizfläche gelegt werden, wobei dann allerdings die Wärmeübertragung inhomogen je nach Enge des Kontaktes erfolgt.

In der EP 0 561 634 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Ausheilen einer auf einem Substrat aus Glas aufge­ brachten Polysiliziumschicht beschrieben. Um eine Temperatur zuzulassen, die höher ist als die Schmelztemperatur des Substrates, wird das Substrat mit der auszuheilenden Polysi­ liziumschicht nach unten flach auf die Oberfläche eines Bades aus mittels einer Heizung geschmolzenen Zinns, Zinks oder Bleis gelegt. Als Schutzschicht für das Polysilizium ist als Beispiel eine Schicht aus Siliziumdioxid auf dieser Schicht angegeben. In der JP 61-174642 A ist ein Verfahren zum Tem­ pern von Halbleiterscheiben beschrieben, bei dem die Halblei­ terscheiben in ein Bad aus geschmolzenem B₂O₃, das sich in einem Behälter aus Quarz befindet, eingetaucht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung auf Halbleiterwafer an­ zugeben, bei der die Wärme so gleichmäßig auf den Wafer über­ tragen wird, daß die Aufheizung weitestgehend homogen er­ folgt, und gleichzeitig eine Beschädigung des Wafers vermie­ den wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wafer in einem flüssigen Bad aus einem in dem interessierenden Temperaturbe­ reich flüssigen Material erhitzt. Dafür sind z. B. Gallium, Indium oder Blei geeignet. Der Halbleiterwafer wird mit der Oberfläche eines in einer Wanne befindlichen Bades aus diesem Material in Berührung gebracht. Mit dem Wafer wird dabei etwas von der Flüssigkeit verdrängt, aber nicht so viel, daß der Wafer ganz eintaucht; es wird nur soviel Material ver­ drängt, daß ein inniger Kontakt zwischen dem flüssigen Mate­ rial und dem Wafer an jeder Stelle der eingetauchten Oberflä­ che des Wafers garantiert ist. Die Flüssigkeit kann auf die Temperatur aufgeheizt werden, auf die der Wafer aufgeheizt werden soll. Es wird zweckmäßigerweise so viel Flüssigkeit verwendet, daß die Wärmekapazität der Flüssigkeit ausreicht, um zusammen mit der Heizvorrichtung eine sekundenschnelle Aufheizung des Wafers zu ermöglichen. Die Flüssigkeit muß da­ zu eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Bei Galli­ um, Indium oder Blei ist das in ausreichendem Maß der Fall.

Um den Wafer durch die Flüssigkeit nicht zu verunreinigen, ist zwischen der Flüssigkeit und dem Wafer auf der Oberseite der geheizten Flüssigkeit eine Trennschicht aufgebracht die aus kleinen festen Teilchen besteht. Es kann sich dabei um ein Pulver, ein körniges Pulver oder um Plättchen oder Splitter oder dgl. handeln. Bei Verwendung von heißem Gallium oder Indium als wärmeleitende Flüssigkeit eig­ net sich eine darauf aufgebrachte Trennschicht aus Kohlen­ stoff. Der Kohlenstoff kann z. B. in Form von Kohlepulver, Kohlegranulat oder als Graphitpulver vorliegen. Kohlenstoff hat den Vorteil, daß er von flüssigem Gallium oder Indium nicht benetzt wird. Die pulverige oder körnige Kohleschicht bildet daher eine wirkungsvolle Trennschicht zwischen dem flüssigen Material und dem geringfügig eingetauchten Wafer. Dadurch, daß der Wafer geringfügig eingetaucht wird, also ei­ nen Teil des flüssigen Materiales verdrängt, wird ein guter Wärmeübergang homogen über die gesamte Oberfläche des Wafers bewirkt. Die Trennschicht verhindert dabei, daß der Wafer von dem flüssigen Material benetzt und verunreinigt wird. Das Material der Trennschicht, in diesem Beispiel Kohlenstoff, wird ebenfalls wärmeleitend gewählt. Auch wenn das Pulver oder Granulat der Trennschicht nicht in eine so innige Berüh­ rung mit dem Wafer gebracht werden kann, wie das bei einer Flüssigkeit möglich ist, wird dadurch, daß die Trennschicht nur sehr dünn hergestellt wird, erreicht, daß das aufheizende Material sich ausreichend eng an den Wafer anschmiegen kann, weil die Eigenschaft der Flüssigkeit die Eigenschaft der pulverigen oder körnigen Schicht bei weitem überwiegt. Vorteilhaft als Trennschicht ist insbesondere eine Schicht aus einem Oxid des flüssigen Materiales. Eine dünne Oxidschicht (z. B. Bleioxid, Indiumoxid), die z. B. durch Oxidation des Materiales an der der Luft ausgesetzten Oberfläche entsteht, ermöglicht einen besonders gleichmäßigen Kontakt zwischen dem aufheizenden Material und einer unebenen Oberseite des Wafers. Blei läßt sich dafür besonders gut verwenden, weil es an Luft sehr schnell oxidiert.

In der beigefügten Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Schema komplett dargestellt. Die Halbleiterscheiben 1 befin­ den sich zunächst einem Probentisch 8 im Innern eines von einem Schutzgas durchströmten Reaktorraumes. In einer z. B. durch einen Schieber 7 verschlossenen separaten Kammer können die Pro­ zeßparameter für die Wärmeübertragung zunächst ohne Anwesen­ heit der Halbleiterscheiben eingestellt werden. Dort befindet sich eine Wanne 4, d. h. ein vorzugsweise flacher, mit einer Heizung 5 versehener Behälter, der mindestens die Abmessungen der Halbleiterscheiben aufweist. In dieser Wanne 4 befindet sich das wärmeleitende Material 3, im Ausführungsbeispiel Indium oder Gallium, das in dem Druck- und Temperaturbereich, der für die Temperprozedur vorgesehen ist, flüssig ist. Die Oberfläche dieses wärmeleitenden Materiales 3 ist mit einer Trennschicht 2 aus einem von dem Material 3 nicht benetzten pulverigen oder körnigen ebenfalls wärmeleitenden Material oder einem die Oberfläche vollständig bedeckenden Oxidbelag bedeckt. Diese Trennschicht 2 schützt die Halblei­ terscheiben 1 vor Verunreinigung durch die Flüssigkeit 3. Als Heizung 5 ist hier ein Thermoelement vorgesehen. Die Halbleiterscheiben werden mit einem Greifarm 6 von dem Probentisch 8 über die Wanne 4, die hier im Querschnitt dargestellt ist, bewegt und auf die Oberfläche der wärmelei­ tenden Materialien 2, 3 flach aufgelegt, so daß sich eine große Oberfläche der Halbleiterscheibe mit der geheizten Flüssigkeit berührt. Geringfügiges Eintauchen in die Mate­ rialien 2, 3 bewirkt einen homogen über die Fläche vorhande­ nen innigen Kontakt, der eine gleichmäßige Wärmeübertragung über die gesamte Halbleiterscheibe ermöglicht. Es ist mög­ lich, mit der Heizung 5 das wärmeleitende Material 3 in der Wanne 4 erst dann aufzuheizen, wenn die Halbleiterscheibe 1 bereits damit in Kontakt gebracht worden ist. Vorteilhaft ist es aber, wenn das wärmeleitende Material 3 bereits vorher auf die Temperatur gebracht worden ist, auf die die Halblei­ terscheibe aufgeheizt werden soll. Wenn die Wärmekapazität des geheizten Materiales ausreichend groß gewählt wird, wird die Temperatur dieses Wärmebades nur geringfügig absinken, wenn der Wafer in die Flüssigkeit getaucht wird. Die gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Wafer zunächst durch den Schieber 7 von der Kammer mit der Wanne 4 getrennt sind, hat den Vorteil, daß die gewünschte Temperatur zunächst eingestellt werden kann und dann das Aufheizen des Wafers besonders schnell durch Eintauchen in die bereits heiße Flüssigkeit erfolgen kann. Die Wafer werden daher der hohen Temperatur des Temperprozesses nur während einer definierten kurzen Zeit ausgesetzt. Nachdem die Halbleiterscheibe 1 von der Flüssigkeit abgehoben ist, kann sie in einem Schutzgasstrom, der in der Zeichnung durch nach rechts weisende Pfeile dargestellt ist, abkühlen.

Die Form der Wanne 4 ist nicht im einzelnen festgelegt, son­ dern in der Größe nur durch die Größe der Wafer bestimmt. Als flüssiges wärmeleitendes Material 3 kommt jedes Material in Frage, das in dem betreffenden Temperaturintervall bei dem herrschenden Druck flüssig ist und mit dem Halbleitermaterial und ggf. vorhandenen Metallisierungen nicht chemisch rea­ giert, also den Wafer nicht zersetzt. Ggf. kann auch ein che­ misch aggressiver Stoff verwendet werden, wenn die Halblei­ terscheiben durch die Trennschicht 2 aus chemisch trägem Material geschützt werden. Die Bauart der Heizung 5 ist kei­ nen grundsätzlichen Einschränkungen unterworfen. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können insbesondere auch bei Halbleiterscheiben, die nicht ganz eben sind, angewendet werden. Das flüssige wärmeleitende Material paßt sich in idealer Weise jeder Oberflächengestalt an und ermöglicht so über den gesamten Wafer hinweg eine gleichmä­ ßige Wärmezufuhr.

Claims (8)

1. Verfahren zur Wärmeübertragung auf Halbleiterscheiben, bei dem

• a) ein wärmeleitendes Material (3), das bei einem vorgesehe­ nen Druck in einem Intervall, das die für die Wärmeüber­ tragung auf eine Halbleiterscheibe als maximal vorgesehene Temperatur umfaßt, flüssig ist, in einer Wanne (4) mit mindestens den Abmessungen einer Halbleiterscheibe auf ei­ ne für die Wärmeübertragung vorgesehene Temperatur aufge­ heizt wird, wobei die Oberfläche dieses wärmeleitenden Ma­ terials (3) mit einer ununterbrochenen Schicht aus einem weiteren Material (2) bedeckt ist, das von dem wärmelei­ tenden Material (3) nicht benetzt wird, das in Form von im Verhältnis zur Größe dieser Oberfläche sehr kleinen Teil­ chen, die im gesamten vorgesehenen Druck- und Temperatur­ bereich fest bleiben, vorliegt und das ebenfalls wärmelei­ tend ist,
• b) die Halbleiterscheibe (1) mit einer ihrer großen Oberflä­ chen mit der Oberfläche dieses weiteren Materials (2) in Berührung gebracht wird und
• c) mit der Halbleiterscheibe so viel Material in der Wanne verdrängt wird, daß eine für Wärmeleitung ausreichend in­ nige Berührung gleichmäßig über die gesamte Halbleiter­ scheibe bewirkt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als wärmeleitendes Material (3) Gallium oder Indium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als wärmeleitendes Material (3) Blei verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das weitere Material pulverig oder körnig ist oder Plättchenform hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das weitere Material Kohlenstoff ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Oberfläche des wärmeleitenden Materials (3) mit einer ununterbrochenen Schicht aus einem Oxid dieses Materi­ als (2) bedeckt wird.

7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der
eine Wanne mit mindestens den Abmessungen einer Halbleiter­ scheibe (1) vorhanden ist,
eine Heizung (5) vorhanden ist, mit der in dieser Wanne ent­ haltenes Material (3) aufgeheizt werden kann, und
diese Wanne in einer separaten Kammer im Innern eines Reak­ torraumes angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der
ein Schieber (7) vorhanden ist, mit dem die separate Kammer verschlossen werden kann,
ein Probentisch (8) zur Aufnahme von Halbieiterscheiben au­ ßerhalb dieser Kammer vorhanden ist und
ein Greifarm (6) vorhanden ist, mit dem eine Halbleiterschei­ be von diesem Probentisch über die Wanne (4) bewegt und auf die Oberfläche von darin enthaltenen wärmeleitenden Materia­ lien (2, 3) flach aufgelegt werden kann.