DE60021302T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstoffes mit elektromagnetischer Strahlung in einer kontrollierten Atmosphäre - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstoffes mit elektromagnetischer Strahlung in einer kontrollierten Atmosphäre Download PDF

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Description

  • Technischer Bereich der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung oder zum Bilden eines Materials mittels elektromagnetischer Strahlung und in einer kontrollierten Atmosphäre oder unter Vakuum/Unterdruck im Innern einer Reaktions-Kammer, wobei das Ensemble einer ersten Bestrahlung im Infraroten unterworfen wird, welche ein schnelles Erwärmen bis zu einer vordefinierten Temperatur hervorruft, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften des auf einem Substrat aufgebrachten Materials zu modifizieren, oder ein Depot des Materials auf diesem Substrat zu realisieren.
  • Stand der Technik
  • Das Material wird im Allgemeinen auf einem Träger angeordnet, welcher von einem Substrat, mit gegebenenfalls dazwischen liegenden Unter-Schichten gebildet wird. Das Substrat wird im Bereich der Mikro-Elektronik im Allgemeinen aus Silizium gebildet, aber es kann gleichermaßen aus einem anderen Material, insbesondere aus Polymer, aus Glas oder aus Keramik realisiert sein. Die Unter-Schichten können von sehr verschiedenen Naturen sein, und im Vorfeld mittels einer geeigneten Technik auf dem Substrat ausgebildet werden. Ein Unter-Schicht-Beispiel kann durch eine gedruckte Schaltung, oder einen isolierenden Überzug gebildet werden.
  • Zum Modifizieren der physikalisch-chemischen Eigenschaften eines Materials muss man es einem Glühen bei hoher Temperatur, im Allgemeinen höher als 1000°C, mit den bekannten Heiz-Techniken unterwerfen. Wenn das Substrat oder die Unter-Schichten fragil sind, ist es aufgrund des Risikos der Zerstörung des Substrates oder der Unter-Schichten trotzdem nicht möglich, eine erhöhte Temperatur zu verwenden.
  • Im Bereich der Mikro-Elektronik werden die schnellen thermischen Behandlungs-Anwendungen, wie das RTP-Glühen und das Dampf-Phase-Deponieren RTCVD in Spezial-Öfen unter Unterdruck/Vakuum oder in einer kontrollierten Atmosphäre ausgeführt. Im Falle des RTP wird ein schnelles Erwärmen des Materials auf eine vorbestimmte Temperatur erhalten, um in der Folge die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials, sei es während des Aufrechterhaltens der Temperatur, sei es während des Absenkens der Temperatur, zu modifizieren. Im Falle des RTCVD erlaubt ein schnelles Erwärmen einer mit gasförmigen reaktiven Spezien im Kontakt stehenden Oberfläche, durch Reaktion zwischen den gasförmigen Spezien und der erwärmten Oberfläche eine dünne Schicht eines Materials auf dieser Oberfläche zu deponieren.
  • Die schnellen thermischen Behandlungen müssen stabil und reproduzierbar sein, und intervenieren im Allgemeinen in mit Lampen infraroter IR-Strahlung und kalten Wänden ausgestatteten Öfen.
  • Im Verlauf des Ablaufs der thermischen Behandlungen ist die während des schnellen Erwärmens erreichte Maximal-Temperatur sehr hoch, und kann, in Abhängigkeit von der Art der Anwendungen, zwischen 1000°C und 2000°C umfasst sein. Die Skala der zum Behandeln geeigneten Materialien ist daher begrenzt, da zunehmend mehr Substrate nicht dazu vorgesehen sind, hohen Temperaturen zu widerstehen, insbesondere solche auf Basis von Polymeren, Materialien mit niedrigem Schmelz-Punkt, Trägern von CMOS-Komponenten etc...
  • Es ist andererseits die Wirkung von ultravioletter UV-Strahlung bekannt, bestimmte chemische Zusammensetzungen unter Einwirkung der UV-Photonen-Strahlung zu modifizieren oder zu zersetzen. Unter den Quellen von UV-Photonen unterscheidet man klassische Xenon-, Quecksilber-, Deuterium-UV-Lampen, welche eine breite spektrale Bande aufweisen, welche zwischen 100–800 nm umfasst ist, und eine verhältnismäßig geringe Leistung aufweisen. Es existieren andererseits Laser vom Typ CO2, Nd:YAG, Ar, Excimer, welche kostspielige Emittenten darstellen, welche eine schmale zentrale Bande, und eine reduzierte räumliche Auflösung von der Größenordnung einiger cm2 aufweisen.
  • Das Dokument US-A-4837484 beschreibt eine UV-Entladungs-Lampe, welche eine schmale spektrale Auflösung, eine hohe Leistung und eine große räumliche Auflösung von mehreren zehn cm2 als Vorteile aufweist. Diese UV-Lampen enthalten Excimer-Gase oder Excimer-Gas-Mischungen, welche gebildet werden aus:
    Ar2*, Kr2*, Xe2*, F2*, Cl2*, Br2*, I2* ArF*, ArCl*, KrCl*, XeCl*, HgNe*, HgAr*, HgKr*, HgXe*.
  • Das Dokument US-A-5441569 beschreibt eine Behandlungs-Vorrichtung für Depots dünner Schichten, welche zwei Laser verwendet, wovon einer vom Typ CO2 und der andere vom Excimer-Typ ist, mit einer Wellenlänge von 248 nm. Hierbei weisen die Laser kleine Behandlungs-Flächen auf, und die Vorrichtung ist frei von Infrarot-Heizung.
  • Das Dokument US-A-5863327 betrifft eine Behandlungs-Vorrichtung, welche, eine Infrarot(IR)-Strahlungs-Quelle und eine Quelle ultravioletter Strahlung aus UV-Lampen verwendet, welche Wellenlängen aufweisen, welche zwischen 50 nm und 300 nm umfasst sind. Die räumliche Auflösung ist nicht präzisiert.
  • Ziel der Erfindung
  • Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Oberflächen-Behandeln in Betrieb zu setzen, welches im Absenken der Temperatur der Behandlung oder des Bildens des Materials besteht, um die Festigkeit des Substrats oder der Unter-Schichten, unabhängig von ihren Naturen oder Zusammensetzungen, nicht zu ändern.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass:
    • – im Innern der genannten Reaktions-Kammer eine zweite UV-Strahlung mittels Ultraviolett vom Excimer-Typ, welche unabhängig von der Wellenlänge der UV-Strahlung eine spektrale Auflösung von weniger als 40 nm aufweist, verwendet wird, um einen Photonen-Fluss hervorzubringen, welcher zum Modifizieren der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials (M) oder zum Bilden der Ablagerung geeignet ist,
    • – die Exponier-Dauer der zweiten UV-Strahlung kleiner ist als diejenige der ersten IR-Strahlung,
    • – die Behandlungs-Temperatur in Abhängigkeit von der Natur des Materials zwischen 70°C und 800°C umfasst ist.
  • Die kombinierte Wirkung der Infrarot-(Be)strahlung und der zweiten Excimer-Ultraviolett-(Be)strahlung ermöglicht es, die Behandlungs-Temperatur in Abhängigkeit vom Material-Typ und vom Substrat-Typ abzusenken. Man könnte auf diese Weise für das Substrat und die Unter-Schichten Materialien verwenden, welche thermische Festigkeiten aufweisen, welche kleiner sind als diejenigen von Silizium.
  • Bevorzugter Weise liegt die spektrale Auflösung der zweiten ultravioletten UV-Strahlung in der Größenordnung von 10 nm.
  • Gemäß eines anderen Merkmals der Erfindung schließt das Material, die Gas-Mischung oder die Flüssigkeit, welche(s) zu behandeln ist, eine Zusammensetzung ein, welche bei der Wellenlänge des Photonen-Flusses der zweiten Excimer-UV-Strahlung photochemisch empfindlich ist.
  • Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Behandlungs-Vorrichtung, welche umfasst:
    • – Infrarot-Emittenten, welche dazu vorgesehen sind, eine erste infrarote IR-Strahlung zu liefern/erhalten, welche ein schnelles Erwärmen des Substrats hervorruft,
    • – Ultraviolett-Lampen vom Excimer-Typ, welche dazu geeignet sind, eine zweite ultraviolette UV-Strahlung, welche eine spektrale Auflösung aufweist, welche geringer ist als 40 nm, zu emittieren, welche eine Modifikation der Eigenschaften des Materials, der Gas-Mischung oder der Flüssigkeit, welche(s) zu behandeln ist, hervorruft,
    • – Fenster, welche zwischen dem Substrat und den Infrarot-Emittenten und den Ultraviolett-Lampen zwischengeschaltet sind, und welche aus einem transparenten Material realisiert sind, welches die erste IR-Strahlung und die zweite UV-Strahlung passieren lässt,
    • – und Reflektoren, welche zwischen der Wand der Reaktions-Kammer und den Infrarot-Emittenten und den Ultraviolett-Lampen zwischengeschaltet sind, um eine optimale thermische Leistungs-Dichte auf dem Substrat zu erhalten.
  • Das Substrat ist/wird in der Zentral-Partie der Reaktions-Kammer angeordnet, wobei es den zwei entgegengesetzten Bestrahlungen der Infrarot-Emittenten und der Ultraviolett-Lampen vom Excimer-Typ unterworfen ist/wird.
  • Bevorzugter Weise umfasst die Reaktions-Kammer aus nicht-oxidierbarem Stahl mit gekühlter Doppel-Wand ein äußeres Pump-System, welches an einer ersten Öffnung angeschlossen ist, um unter Vakuum/Unterdruck oder unter Atmosphären-Druck zu arbeiten, und Injektions-Mittel, um einen Fluss neutralen oder reaktiven Gases durch eine zweite Öffnung in diese Kammer einzuführen.
  • Außer den Anwendungen zu thermischen Behandlungen des Materials, existieren zwei andere mögliche Anwendungen mit Absenken der Temperatur mittels einer Excimer-UV-Strahlung:
    • – die CVD-Technik zum Deponieren unter chemischem Dampf, welche(r) gasförmige Spezien mit einer Oberfläche reagieren lässt. Um die Reaktion durchzuführen, wird die Oberfläche durch die IR-Strahlung auf eine bestimmte Temperatur gebracht, unter Bildung einer Schicht von Material, welches aus der Reaktion der auf UV-Strahlung empfindlichen gasförmigen Spezien auf der Oberfläche des Substrats abgegeben wird;
    • – die Technik des Ablagerns mittels Zersetzens eines organometallischen Vorläufers eines Materials auf einem Träger, bestehend aus: Auftragen einer Schicht aus Flüssigkeit, Sol oder Gel, welche wenigstens eine organometallische Substanz enthält, welche auf die UV-Strahlung empfindlich ist. Unter der Einwirkung der UV-Strahlung zersetzt sich die organometallische Substanz in flüchtige Spezien und eine metallische Schicht oder etwas anderes, welche(s) auf dem Substrat anhaften bleibt. Die UV-Strahlung kann durch ein Infrarot-Erwärmen des Substrates vervollständigt werden.
  • Andere Vorteile und Merkmale kristallisieren sich klarer aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung heraus, welche als nicht-begrenzendes Beispiel angegeben wird, und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in welchen:
  • 1 eine schematische Ansicht der Behandlungs-Vorrichtung mittels kombiniertem IR- und UV-Erwärmen gemäß der Erfindung ist;
  • 2 eine identische Ansicht einer Ausführungs-Variante ist.
  • Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Gemäß 1 ermöglicht das in der Vorrichtung 10 ausgeführte Verfahren, die Behandlungs-Temperatur dank der simultanen Intervention zweier Strahlungs-Quellen im Innern der Reaktions-Kammer 12 des Ofens abzusenken. Das Material M ist im Allgemeinen auf einem Träger deponiert, welcher von einem Substrat 14, möglicherweise mit dazwischenliegenden Unter-Schichten S, gebildet wird. Die kombinierte Behandlung des Materials M auf dem Substrat 14 resultiert von einer ersten IR-Strahlung, welche von Infrarot-Emittenten 16 abgegeben wird, und einer zweiten UV-Strahlung, welche mittels Ultraviolett-Lampen vom Excimer-Typ 18 hervorgebracht wird. Das Substrat 14 ist bevorzugter Weise in der Mittel-Zone der Reaktions-Kammer 12 angeordnet, wobei es von den IR-Emittenten 16 und den UV-Lampen 18 umgeben/eingerahmt ist.
  • Der von den Infrarot-Emittenten 16 erzeugte Energie-Fluss kann mehrere zehn kW erreichen, was es ermöglicht, das Substrat 14 schnell mittels Bestrahlung zu erwärmen, und es über eine gegebene Zeit bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten.
  • Der Photonen-Fluss der zweiten UV-Strahlung, welche(r) aus den Ultraviolett-Lampen 18 vom Excimer-Typ emittiert wird, welche der ersten IR-Strahlung gegenüberliegt/gegenüberliegen, wirkt auf die exponierte Oberfläche ein, und bewirkt ein Modifizieren der Eigenschaften des Materials M (Aktivieren, Verdichten, Zersetzen etc ...). Er kann 200 mW/cm2 erreichen.
  • Die Expositions-Dauer der zweiten UV-Strahlung hängt von den Eigenschaften des zu behandelnden Materials M und den benötigten endgültigen Merkmalen ab. Die spektrale Auflösung der ultravioletten UV-Strahlungs-Lampen vom Excimer-Typ wird geringer als 40 nm gewählt, unabhängig von der Wellenlänge der von den Lampen 18 emittierten UV-Strahlung.
  • Das Einwirken der zwei Bestrahlungen mit IR und UV auf das Material M erlaubt es, eine gute Homogenität des Erwärmens und der Ultraviolett-Bestrahlung auf der gesamten Oberfläche des Substrats 14 zu erhalten. Hieraus resultiert eine thermische Behandlung bei niedriger Temperatur, vorausgesetzt, dass das Glühen durch die zweite UV-Strahlung unterstützt wird. Auf diese Weise kann in einer solchen Reaktions-Kammer 12 eine große Skala an Materialien behandelt werden. Die Behandlungs-Temperatur ist in einer Spannweite von 70°C bis 800°C angeordnet.
  • Die Reaktions-Kammer 12 besteht aus nicht-oxidierbarem Stahl mit gekühlter Doppel-Wand 20 und weist eine kontrollierte Atmosphäre auf. Ein externes Pump-System 22 ist an einer ersten Öffnung 24 der Reaktions-Kammer 12 angeschlossen, um unter Atmosphären-Druck zu arbeiten, oder den internen Druck bis zu sekundären Vakua/Unterdrucken abzusenken.
  • Ein Fluss von Gas 26 (neutral, reaktiv oder eine Gas-Mischung) kann mittels Injektions-Mitteln durch eine zweite Öffnung 28 in die Reaktions-Kammer 12 eingeführt werden, um Behandlungen unter inerter oder reaktiver Atmosphäre zu realisieren.
  • Unter reaktiver Atmosphäre befindet sich die freigelegte Oberfläche des Substrats, welche vom Substrat 14 gebildet wird, welches gegebenenfalls mit Unter-Schichten S überzogen/beschichtet ist, im Kontakt mit gasförmigen Spezien, mittels welcher sie reagieren kann, sei es, um eine dünne Schicht zu bilden, sei es, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberfläche zu modifizieren. Die zweite UV-Strahlung favorisiert diese Reaktion.
  • Wenn das Material eine bei der Wellenlänge der Excimer-UV-Photonen photochemisch empfindliche Zusammensetzung ist, kann sie zersetzt werden (im Falle organometallischer Substanz) um eine dünne Metall-Schicht zu bilden, oder verdichtet (im Falle ferroelektrischer Substanzen oder Silizium-Oxiden), um ihre Eigenschaften zu modifizieren.
  • Unter Bezug auf die 2 sind die Fenster 30, 32 zwischen dem Substrat 14 und den Infrarot-Emittenten 16 und den Ultraviolett-Lampen 18 zwischengeschaltet. Sie ermöglichen, die Infrarot-Emittenten 16 und die Ultraviolett-Lampen 18 von der Reaktions-Kammer 12 zu isolieren, und sind aus einem transparenten Material realisiert, welches die erste IR-Strahlung und die zweite UV-Strahlung durchtreten lässt. Reflektoren 34, 36 sind zwischen der Wand 20 der Reaktions-Kammer 12 und den Infrarot-Emittenten 16 und den Ultraviolett-Lampen 18 angeordnet, um eine optimale thermische Leistungs-Dichte auf dem Substrat 14 zu erhalten.
  • Das Fenster 32 der Ultraviolett-Lampen 18 kann durch ein rings jeder Lampe angeordnetes Gegen-Rohr ersetzt werden. Die Anwesenheit des Gegen-Rohrs erlaubt es, mittels eines kleinen Fensters, welcher in den Reflektor 36 eingearbeitet ist, ein Ziellinie-Pyrometer für eine Temperatur-Regulation des Substrats zu realisiseren.
  • Das Substrat 14 ruht bevorzugter Weise auf einem Aufnahme-Element 40 auf Graphit-Basis, welches dazu vorgesehen ist, die erste IR-Strahlung zu absorbieren.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bearbeitung oder Bildung eines Werkstoffs (M) durch elektromagnetische Strahlung und in kontrollierter Atmosphäre oder unter Vakuum in einer Reaktionskammer (12), wobei das Ganze einer ersten Infrarot IR-Strahlung ausgesetzt wird, die eine schnelle Erwärmung bis auf eine vorbestimmte Temperatur bewirkt, wodurch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des auf einem Substrat (14) angeordneten Werkstoffs (M) verändert werden oder sich der Werkstoff (M) auf diesem Substrat absetzt, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Reaktionskammer (12) gleichzeitig eine zweite Ultraviolett UV-Strahlung vom Excimer Typ, mit einer Spektralauflösung unter 40 nm unabhängig von der Wellenlänge der UV-Strahlung, eingesetzt wird, in der Weise, dass ein geeigneter Photonfluss entweder zur Veränderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Werkstoffs (M) oder zur Bildung der genannten Ablagerung entsteht, wobei die Dauer der Bestrahlung mit der zweiten UV-Strahlung kürzer als die der ersten IR-Strahlung ist, in der Weise, dass eine Behandlungstemperatur von 70 bis 800°C je nach Art des Werkstoffs (M) eingesetzt wird.
  2. Verfahren zur Behandlung oder Bildung eines Werkstoffs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralauflösung der zweiten UV-Strahlung mit Ultraviolett bei etwa 10 nm liegt.
  3. Verfahren zur Behandlung eines Werkstoffs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Verbindung mit photochemischer Empfindlichkeit auf die Wellenlänge des Photonflusses der zweiten Excimer UV-Strahlung einschließt, welcher Werkstoff ein Gel, Sol, Feststoff oder eine Flüssigkeit sein kann.
  4. Verfahren zur Behandlung eines Werkstoffs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Ablagerung durch die zweite, die Excimer UV-Strahlung mittels eines reaktiven Gases erfolgt, das mit der Oberfläche des Substrat reagiert, um eine dünne Schicht herzustellen, wobei dieses Gas eine Verbindung mit photochemischer Empfindlichkeit einschließt.
  5. Vorrichtung zur Behandlung oder Bildung eines Werkstoffs (M) durch elektromagnetische Strahlung und in kontrollierter Atmosphäre oder unter Vakuum in einer Reaktionskammer (12) und umfassend Infrarotsender (16), die dazu bestimmt sind, eine erste Infrarot IR-Strahlung zu erzeugen, die eine schnelle Erwärmung des Substrats (14) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst: – Ultraviolettlampen (18) der Excimer-Art, die geeignet sind, eine zweite Ultraviolett UV-Strahlung mit einer Spektralauflösung unter 40 nm auszustrahlen, die eine Veränderung der Eigenschaften des zu behandelnden Werkstoffs bewirkt, – Gläser (30, 32), die zwischen dem Substrat (14) und den Infrarotsendern (16) und den Ultraviolettlampen (18) angeordnet sind und die aus einem transparenten Material bestehen, das sowohl die erste IR-Strahlung als auch die zweite UV-Strahlung durchlässt, – und Reflektoren (34, 36), die zwischen der Wand (20) der Reaktionskammer (12) und den Infrarotsendern (16) und den Ultraviolettlampen (18) angeordnet sind, um auf dem Substrat (14) eine optimale Wärmeleistungsdichte zu erzeugen.
  6. Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (14) im zentralen Bereich der Reaktionskammer (12) angeordnet ist, wobei es den zwei entgegengesetzten Strahlungen der Infrarotsender (16) und der Ultraviolettlampen (18) der Art Excimer ausgesetzt wird.
  7. Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (12) aus rostbeständigem Stahl mit einer gekühlten Doppelwand (20) besteht und ein außerhalb liegendes Pumpsystem (22), das an eine erste Öffnung (24) angeschlossen ist, um unter Vakuum oder atmosphärischem Druck zu arbeiten, sowie Mittel zur Einleitung eines Stroms (26) aus neutralem oder reaktivem Gas durch eine zweite Öffnung (28) in die Kammer umfasst.
  8. Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (14) auf einem Suszeptorelement (40) auf Basis von Graphit angeordnet ist, die die erste IR-Strahlung absorbieren soll.
DE60021302T 1999-04-26 2000-04-14 Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstoffes mit elektromagnetischer Strahlung in einer kontrollierten Atmosphäre Expired - Lifetime DE60021302T2 (de)

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