DE60312203T2

DE60312203T2 - Schnellheizender durch erzwungene konvektion gestützter ofen

Info

Publication number: DE60312203T2
Application number: DE60312203T
Authority: DE
Inventors: Woo Sik Palo Alto Yoo
Original assignee: WaferMasters Inc
Current assignee: WaferMasters Inc
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: KR100728408B1; WO2004044962A1; US6952889B2; US20040083621A1; KR20050083837A; EP1559133B1; DE60312203D1; TWI237293B; EP1559133A1; TW200407946A; JP2006505947A

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Geräte für die Halbleiterherstellung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, die bei der Bearbeitung von Halbleiterwafern verwendet werden.
2. Beschreibung der verwandten Gebiete
Bei der Bearbeitung von Halbleiterbauteilen ist es äußerst wünschenswert, die Wärmebehandlung, der die Bauteile während der Bearbeitung unterzogen werden, genau zu steuern.
In der Halbleiterbranche verlangen Fortschritte in der Entwicklung von Halbleiterbauteilen mit kleineren Abmessungen die Entwicklung neuer Bearbeitungs- und Herstellungsverfahren. Ein solches Bearbeitungsverfahren ist als Rapid Thermal Processing (Rasches thermisches Prozessieren, RTP) bekannt. Das RTP-Verfahren verkürzt die Zeit, die ein Halbleiterbauteil bei der Bearbeitung hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Das RTP-Verfahren umfasst typischerweise das Bestrahlen des Halbleiterbauteils oder -wafers mit ausreichend Energie, um die Temperatur des Wafers rasch zu erhöhen und das Halten der Temperatur während einer Zeitperiode, die lang genug ist, um einen Fertigungsprozess erfolgreich auszuführen, jedoch Probleme wie die ungewollte Dotierstoffdiffusion vermeidet, die andernfalls bei einem längeren Aussetzen an hohe Bearbeitungstemperaturen auftreten würden.
Ein Typ von Heizvorrichtung und -verfahren weist eine Heizungseinheit zwischen einer Gaskammer und der Prozesskammer auf, wobei Gas in die Gaskammer eintritt, durch Öffnungen in der Heizungseinheit strömt, von den Heizungselementen innerhalb der Heizungseinheit erwärmt wird und schließlich in die Behandlungskammer strömt. Beispiele dieses Typs sind in U.S. Pat. Nr. 6,183,565 und U.S. Veröffentlichung N. 2002/0002951 offenbart. Ein weiterer Typ, wie beispielsweise in U.S. Veröffentlichung Nr. 2001/0053508 beschrieben, nutzt eine Heizplatte in einer Prozesskammer, die in Abschnitte unterteilt ist, wobei jeder Abschnitt eine Heizungseinheit enthält. Gas wird erwärmt, wenn es in die Kammer eintritt, die von der Heizplatte erwärmt wurde.
Aus den oben genannten Gründen besteht Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zum isothermen Verteilen einer Temperatur auf der Oberfläche eines Halbleiterbauteils während dem raschen thermischen Prozessieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Heizvorrichtung und ein Heizverfahren bereit, um während der Bearbeitung bei einem veränderlichen Bereich von Bearbeitungstemperaturen und -drücken eine Temperatur isotherm auf der Oberfläche eines Halbleiterbauteils oder -wafers zu verteilen. Die Erfindung stellt einen potenziell bruchfreien RTP-Prozess bereit.
Es wird ein Ofen bereitgestellt mit einer Prozesskammer, die einen Hohlraum definiert, der dazu konfiguriert ist, eine Bearbeitungsröhre darin aufzunehmen. Der Ofen umfasst außerdem eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen, die vorteilhaft darin angeordnet sind. Die Heizelemente können über den ganzen Ofen angeordnet und eng beieinander ausgerichtet werden, um für eine gleichmäßige Heiztemperaturverteilung zu sorgen. Die Widerstandsheizelemente können so positioniert werden, dass sie die Bearbeitungsröhre umgeben und für zweiseitige Erwärmung während der Bearbeitung sorgen. Vorteilhafterweise können die Heizelemente mit einem Wärme diffundierenden Material bedeckt sein, das für die Abgabe der von den Widerstandsheizelementen bereitgestellten Wärmeenergie mit gleichmäßiger Temperatur sorgt.
In einem Aspekt der Erfindung gibt es eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Wafers während der Bearbeitung, wobei die Vorrichtung eine Prozesskammer umfasst, gekennzeichnet durch: eine Bearbeitungsröhre, die einen Bearbeitungsbereich definiert, der in der Prozesskammer angeordnet ist, wobei die Bearbeitungsröhre eine erste Wand und eine zweite Wand, die einen Hohlraum dazwischen definieren und einen Einlass zum Einführen von einem Gas in den Hohlraum aufweist, wobei die zweite Wand eine Vielzahl von darauf gebildeten Löchern umfasst, um das Bearbeitungsgas aus dem Hohlraum in den Bearbeitungsbereich zu leiten; und eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen, die angrenzend an die Bearbeitungsröhre angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bearbeitungsröhre zwischen den Heizelementen und der Bearbeitungskammer befindet, wobei ein Wärmeenergieausgang von den Widerstandsheizelementen dazu konfiguriert ist, das durch den Hohlraum strömende Gas zu erwärmen, wobei das durch den Hohlraum strömende Gas den Hohlraum durch die Vielzahl von Löchern verlässt, um die Temperatur eines in der Bearbeitungsröhre angeordneten Wafers konvektiv zu verändern.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Wafers während der Bearbeitung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung eine Prozesskammer umfasst, gekennzeichnet durch eine Bearbeitungsröhre, die einen Bearbeitungsbereich definiert, der in der Prozesskammer angeordnet ist, wobei die Bearbeitungsröhre eine erste Wand und eine zweite Wand, die einen Hohlraum dazwischen definieren und einen Einlass zum Einführen von einem Gas in den Hohlraum aufweist, wobei die zweite Wand eine Vielzahl von darauf gebildeten Löchern umfasst, um das Bearbeitungsgas aus dem Hohlraum in den Bearbeitungsbereich zu leiten; und eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen, die angrenzend an die Bearbeitungsröhre angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bearbeitungsröhre zwischen den Heizelementen und der Bearbeitungskammer befindet, wobei ein Wärmeenergieausgang von den Widerstandsheizelementen dazu konfiguriert ist, das durch den Hohlraum strömende Gas zu erwärmen, wobei das durch den Hohlraum strömende Gas den Hohlraum durch die Vielzahl von Löchern verlässt, um die Temperatur eines in der Bearbeitungsröhre angeordneten Wafers konvektiv zu verändern.
Glücklicherweise kann es sich in der vorliegenden Erfindung bei der raschen thermischen Prozessierung um ein potenziell bruchfreies Bearbeitungsverfahren für vielerlei verschiedene Temperaturen und Zeitbereiche handeln, insbesondere in der Nähe des Waferrands.
Im Bearbeitungsbereich werden keine beweglichen Teile, wie Hebezapfen oder Waferschleudern benötigt, um den Wafer zu laden und es werden auch keine anderen komplizierten und teuren Komponenten wie Reflektoren, Stellantriebe oder komplizierte Leistungstransformatoren und Steuerungen benötigt. Da der Ofen weder große Lampen zum Heizen noch bewegliche Teile benötigt, können die Größe des Ofens sowie das Volumen des Bearbeitungsbereichs gegenüber anderen Öfen erheblich verringert werden. Das geringere Volumen und die geringere Größe sind aus den nachfolgend erläuterten Gründen von besonderem Vorteil.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen betrachet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Abbildung einer Seitenansicht einer Ausführungsform eines Halbleiterwafer-Bearbeitungssystems, das eine repräsentative Umgebung der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Ofens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine vereinfachte Abbildung einer Bearbeitungskammer mit einer Bearbeitungsröhre gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine vereinfachte Abbildung eines Abschnitts der Bearbeitungsröhre von 3;
5 ist ein Graph, der die Auswirkung der vorliegenden Erfindung auf die Wafererwärmung veranschaulicht; und
6 ist ein Graph, der die Auswirkung der vorliegenden Erfindung auf die Waferabkühlung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Abbildung einer Seitenansicht einer Ausführungsform eines Halbleiterwafer-Bearbeitungssystems 100, das eine repräsentative Umgebung der vorliegenden Erfindung darstellt; Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die Verwendung mit oder in irgendeinem bestimmten Waferbearbeitungssystem beschränkt ist.
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Bearbeitungssystem 100 eine Ladestation 102, die mehrere Plattformen 104 aufweist, um eine Waferkassette 106 zu tragen und nach oben in eine Ladeschleuse 108 zu bewegen. Bei der Waferkassette 106 kann es sich um eine herausnehmbare Kassette handeln, die entweder manuell oder mit fahrerlosen Transportfahrzeugen (Automatic Guided Vehicle, AGV) in eine Plattform 104 geladen wird. Bei der Waferkassette 106 kann es sich auch um eine feste Kassette handeln und in diesem Fall werden Wafer unter Verwendung herkömmlicher Umgebungsroboter oder Ladevorrichtungen (nicht abgebildet) in die Kassette 106 geladen. Wenn sich die Waferkassette 106 in der Ladeschleuse 108 befindet, werden Ladeschleuse 108 und Transferkammer 110 auf Umgebungsdruck gehalten oder sie werden mit einer Pumpe 112 auf einen Unterdruck evakuiert. Ein Roboter 114 in der Transferkammer 110 dreht sich zur Ladeschleuse 108 und nimmt einen Wafer 116 aus der Kassette 106 auf. Ein Ofen 120, der ebenfalls unter Umgebungsdruck oder unter Unterdruck stehen kann, nimmt den Wafer 116 vom Roboter 114 durch einen Schieber 118 auf.
Der Roboter 114 fährt dann zurück und anschließend schließt der Schieber 118, um die Bearbeitung des Wafers 116 zu beginnen. Nachdem der Wafer 116 bearbeitet wurde, öffnet der Schieber 118, damit der Roboter 114 den Wafer 116 aufnehmen und entfernen kann.
Als Option können zusätzliche Öfen zum Bearbeitungssystem 100 hinzugefügt werden, beispielsweise der Ofen 122. Gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Öfen 120 und 122 um RTP-Reaktoren, wie sie bei der thermischen Ausheilung verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann es sich bei den Reaktoren 120 und 122 auch um andere Typen von Reaktoren handeln, beispielweise um solche, wie sie für Dotierstoffdiffusion, thermische Oxidation, Nitridation, chemische Gasphasenabscheidung und ähnliche Prozesse verwendet werden. Die Reaktoren 120 und 122 sind allgemein horizontal gegeneinander versetzt, in einer Ausführungsform sind die Reaktoren 120 und 122 jedoch vertikal gegeneinander versetzt (d.h. übereinander gestapelt), um die vom System 100 beanspruchte Stellfläche zu minimieren.
Die Reaktoren 120 und 122 sind an die Transferkammer 110 geschraubt und werden außerdem von einem Tragrahmen 124 getragen. Prozessgase, Kühlmittel und elektrische Anschlüsse können unter Verwendung von Anschlüssen 125 durch das hintere Ende der Reaktoren bereitgestellt werden.
Wie in 2 gezeigt, kann der Ofen 200 allgemein eine Bearbeitungskammer 208 mit geschlossenem Ende umfassen, die einen inneren Hohlraum 210 definiert. In diesem inneren Hohlraum 210 ist eine Bearbeitungsröhre 212 angeordnet. Äußerlich kann es sich bei dem Ofen 200 um eine metallische Hülle 202 aus Aluminium oder einem ähnlichen Metall handeln, die eine an einer Seite der Hülle 202 bereitgestellte Öffnung hat, die dazu konfiguriert ist, den Wafer 116 zur Bearbeitung aufzunehmen. Der Ofen 200 kann ein Wärmeisoliermaterial, wie beispielsweise Wärmeisolierung 204 einschließen, das im Wesentlichen die Bearbeitungskammer 208 umgibt, um das Entweichen von Wärmeenergie durch die Hülle 202 zu minimieren oder zu verhindern. Das Isoliermaterial 204 kann ein beliebiges geeignetes Isoliermaterial umfassen, wie beispielsweise Keramikfasermaterial.
Als Option kann der Ofen, um Benutzer und/oder Geräte in der Nähe des Ofens 200 zu schützen, eine abnehmbare wassergekühlte Ummantelung (nicht abgebildet) oder eine ähnliche Vorrichtung umfassen, die dazu verwendet werden kann, den Ofen 200 äußerlich zu umgeben. Die wassergekühlte Ummantelung stellt sicher, dass der Ofen 200 nicht zu heiß wird, so dass er eine Gefahr für Geräte oder Personal in der Nähe darstellen würde.
In einer Ausführungsform werden eine Vielzahl von Heizelementen 220 verwendet, um einen oberen und einen unteren Abschnitt einer Bearbeitungsröhre 212 zu umgeben. In dieser Ausführungsform können Widerstandsheizelemente 220 parallel entlang und außerhalb der Prozesskammer 208 angeordnet sein. Jedes Heizelement 220 befindet sich in relativ enger Nähe zu jedem anderen Element. Beispielsweise können die Widerstandsheizelemente 220 jeweils in Abständen von zwischen ungefähr 5 mm und ungefähr 50 mm, beispielsweise zwischen ungefähr 10 mm und ungefähr 20 mm angeordnet sein. Dementsprechend sorgt die nah beieinander liegende Anordnung der Heizelemente 220 für eine gleichmäßige Heiztemperaturverteilung in der Bearbeitungsröhre 212.
Die Widerstandsheizelemente 220 können einen Widerstandsheizelementkern umfassen, der von einem Filamentdraht umgeben ist. Der Kern kann aus einem Keramikmaterial bestehen, kann aber aus jedem beliebigen hochtemperaturbeständigen nichtleitenden Material bestehen. Der Filamentdraht ist auf herkömmliche Weise um den Kern gewickelt, damit eine optimale Menge Wärmestrahlungsenergie vom Element abstrahlen kann. Der Filamentdraht kann ein beliebiger durch Widerstand heizbarer Draht sein, der aus einem Material mit großer Masse besteht, um für eine erhöhte Temperaturanstiegsgeschwindigkeit und hohe Temperaturstabilität zu sorgen, beispielsweise SiC, mit SiC beschichteter Graphit, Graphit, NiCr, AlNi und andere Legierungen. In einer Ausführungsform besteht der Widerstandsheiz-Filamentdraht aus einem kombinierten Al-Ni-Fe-Material, das üblicherweise als Kantal A-1 oder AF bekannt ist und von der Omega Corp. in Stamford, Conn. erhältlich ist.
Als Option können die Widerstandsheizelemente 220 in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden, beispielsweise in Kreis-, Zickzack-, Kreuzschraffurmustern und dergleichen. Die veränderlichen Muster können möglicherweise für eine optimalere Temperaturverteilung sorgen und die Wahrscheinlichkeit von Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des Wafers weiter verringern.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der Ofen 200 Wärme diffundierende Glieder 222, die proximal zu und zwischen den Heizelementen 220 und der Bearbeitungskammer 208 angeordnet sind. Die Wärme diffundierenden Glieder 222 absorbieren den Wärmeenergieausgang von den Heizelementen 220 und geben die Wärme gleichmäßig entlang der Prozesskammer 208 und der Röhre 212 ab. Die Wärme diffundierenden Glieder 222 können aus einem beliebigen geeigneten, Wärme diffundierenden Material bestehen, das eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorzugsweise Siliziumkarbid, Al₂O₃ oder Graphit.
In einer Ausführungsform kann der Ofen 200 bis zu einer beliebigen Zahl von Heizzonen umfassen. In der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst der Ofen 200 drei parallele Heizzonen, die eine, als Zone 2 bezeichnete, mittlere Zone und zwei daran angrenzende, als Zonen 1 und 3 bezeichnete, äußere Zonen umfassen. Jedes Heizelement 220 kann einer bestimmten Heizzone zugewiesen werden.
Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, hat jede Heizzone mindestens einen Temperatursensor 224, der eine Rückmeldung an einen Regler 226 liefert. Wenn Schwankungen der Temperatur innerhalb einer Heizzone von den Temperatursensoren erfasst werden, kann der Echtzeitregler 226 die Leistung von der Leistungsversorgung 232 veranlassen, je nach Bedarf zu steigen oder zu sinken, um den Energieausgang (Wärme) von jedem der Widerstandselemente 220 zu erhöhen bzw. zu senken. Wenn beispielsweise ein Temperaturabfall in Zone 1 erfasst wird, steigt der Wärmeenergieausgang von der Zone 1 zugewiesenen Widerstandsheizelementen 220, bis die Temperatur in Zone 1 wieder den gewünschten Wert erreicht hat. Auf diese Weise kann die Temperatur von Zone zu Zone auf der Oberfläche des Wafers 116 im Wesentlichen isotherm gehalten werden.
Die Zahl der Zonen und die Zahl der jeder Zone zugewiesenen Widerstandselemente 220 kann je nach gewünschtem Energieausgang variieren. Die Größe jeder Zone (d.h. das Heizvolumen) ist ebenfalls veränderlich. Vorteilhafterweise kann die Größe jeder Zone nach Wunsch vergrößert oder verkleinert werden. Beispielsweise kann Zone 2 zum Bearbeiten größerer Wafer vergrößert werden, indem Heizelemente 220 aus Zone 1 und Zone 3 neu Zone 2 zugewiesen werden. Das bedeutet, dass die Zahl der Zone 2 zugewiesenen Heizelemente 220 erhöht wird, während die Zahl der Zonen 1 und 3 zugewiesenen Heizelementen verringert wird. Die zu Zone 2 hinzugefügten Heizelemente werden vom Regler 226 so geregelt, dass sie auf die gleiche Weise ansprechen, wie die Heizelemente, die bereits Zone 2 zugewiesen waren.
In einer Ausführungsform sind Temperatursensoren, wie beispielsweise Thermoelemente, in den Wärme diffundierenden Gliedern 222 eingebettet. Beispielsweise können die Thermoelemente 224a, 224b und 224c so strategisch platziert werden, dass sie über die Leitungen 230 Rückmeldungen zu den Temperaturzuständen der Wärme diffundierenden Glieder 222 liefern können. Beispielsweise sind ein erstes und ein zweites Thermoelement 224a und 224c jeweils an einem Ende des Wärme diffundierenden Glieds 222 platziert. Ein drittes Thermoelement, Thermoelement 224b, ist in der Mitte des Wärme diffundierenden Glieds 222 platziert. In dieser Konfiguration kann die Temperatur einer Zone (z. B. Zone 1, Zone 2 und Zone 3) überwacht werden, wobei Rückmeldungen an den Regler 226 geliefert werden. Durch Anordnen der Thermoelemente 224a–224c in bekannten Positionen an den Wärme diffundierenden Gliedern 222 kann der Temperaturgradient für eine Position in der Prozesskammer 208 ermittelt werden. Diese Daten werden vom Regler 226 genutzt, um die Temperatur in jeder Zone genauer zu regeln. Bei den Thermoelementen 224a, 224b und 224c kann es sich um herkömmliche Thermoelemente des Typs R oder K handeln, die von der Omega Corporation in Stamford, Conn. erhältlich sind.
Ein Mikroprozessor oder Prozesssteuerungscomputer 228 steuert allgemein die Bearbeitung eines in den RTP-Reaktor platzierten Halbleiterwafers und kann zum Überwachen des Status des Systems für Diagnosezwecke genutzt werden. In einer Ausführungsform liefert der Prozesscomputer 228, als Reaktion auf von den Temperatursensoren 224 erhaltene Temperaturdaten, Regelungssignale an den Regler 226. Der Prozesscomputer 228 kann außerdem Drucksollwerte an die Pumpeneinheit 112 (1) sowie Gas- und Plasmaeinlassflusssignale an Massenstromregler in einem Gasnetz (nicht abgebildet) leiten. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Regler 226 um einen Echtzeit-Proportional-/Integral-/Differential-Mehrzonenregler (PID), der von der Omega Corporation erhältlich ist. Der Regler 226 liefert Regelungssignale an eine, auf einem Siliziumgleichrichter basierende, phasengesteuerte Leistungsversorgung 232, die Leistung an die Widerstandsheizelemente 220 liefert. Vorteilhafterweise kann eine Leitungsgleichspannung von zwischen ungefähr 100 Volt und ungefähr 500 Volt verwendet werden, um die Widerstandsheizelemente 220 zu betreiben. So wird in der vorliegenden Erfindung kein komplizierter Leistungstransformator benötigt, um den Ausgang der Widerstandsheizelemente 220 zu regeln.
Im Betrieb empfängt der Mehrzonenregler 226 über die Messleitungen 230 Temperatursensorausgänge sowie den gewünschten Wafertemperatur-Sollwert vom Computer 228 und liefert geregelte Leistungssollwerte an die Heizelement-Leistungsversorgung 232. Die Heizelemente 220 erhöhen bzw. senken ihren Energieausgang als Reaktion auf die Erhöhung bzw. Senkung der von der Leistungsversorgung 232 gelieferten Leistung.
3 ist eine vereinfachte Abbildung einer Prozesskammer 208 mit einer Bearbeitungsröhre 212 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform kann die Bearbeitungsröhre 212 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt konstruiert sein, mit einem minimalen inneren Volumen, das den Wafer 116 umgibt. In einer Ausführungsform ist das Volumen der Bearbeitungsröhre 212 normalerweise nicht größer als ungefähr 5000 cm³; vorzugsweise ist das Volumen kleiner als ungefähr 3000 cm³. Eine Folge des kleinen Volumens ist die Tatsache, dass die Gleichmäßigkeit der Temperatur leichter aufrecht erhalten wird. Außerdem ermöglicht das kleine Röhrenvolumen, das der Ofen 200 (2) kleiner gemacht werden kann und als Folge kann das System 100 kleiner gemacht werden, so dass es weniger Stellfläche im Reinraum benötigt. Die geringere Ofengröße zusammen mit der Verwendung der Roboterladevorrichtung, lässt zu, dass mehrere Öfen im System 100 verwendet werden können, in dem die Reaktoren vertikal gestapelt werden, wie in 1 gezeigt.
Um einen Prozess auszuführen, sollte die Bearbeitungsröhre 212 in der Lage sein, unter Druck gesetzt zu werden. Typischerweise sollte die Bearbeitungsröhre 212 Innendrücken von ungefähr 0,001 Torr bis 1000 Torr standhalten können, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,1 Torr und ungefähr 760 Torr. In einer Ausführungsform kann die Bearbeitungsröhre 212 aus Quarz bestehen, sie kann aber auch aus Siliziumkarbid, Al₂O₃ oder einem anderen ähnlich geeigneten Material bestehen.
Eine Wafertragvorrichtung 302 kann verwendet werden, um einen einzelnen Wafer in der Bearbeitungsröhre 212 zu tragen. Die Tragvorrichtung 302 kann aus jedem beliebigen hochtemperaturbeständigen Material, wie beispielsweise Quarz, bestehen. Die Tragvorrichtung 302 kann jede beliebige erforderliche Höhe haben, beispielsweise eine Höhe von zwischen ungefähr 50 μm und ungefähr 20 mm. In einer Ausführungsform umfasst die Tragvorrichtung 302 in der Bearbeitungsröhre 212 angeordnete Abstandhalter. Die Abstandhalter haben allgemein eine Höhe von zwischen ungefähr 50 μm und 20 mm. Die gesamte Berührungsfläche zwischen den Abstandhaltern und dem Wafer 116 kann kleiner sein als ungefähr 350 mm², vorzugsweise kleiner als ungefähr 300 mm². Die Abstandhalter 302 können aus Quarz oder einem ähnlichen Material bestehen.
An einem Ende der Bearbeitungsröhre 212 ist eine Öffnung 304 definiert, die zum Laden und Ausladen des Wafers 116 vor und nach der Bearbeitung Zugang zum Bearbeitungsbereich 310 bietet. Die Öffnung 304 kann eine relativ kleine Öffnung sein, jedoch mit einer Höhe und Breite, die groß genug sind, dass ein Wafer von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 2 mm Dicke und bis zu ungefähr 300 mm (~ 12 Zoll) Durchmesser und ein Roboterarm des Roboters 114 (1) hindurch passen. Die Höhe der Öffnung 304 ist nicht größer als zwischen ungefähr 18 mm und ungefähr 50 mm und vorzugsweise nicht größer als ungefähr 30 mm. Die relativ kleine Öffnung hilft, der Strahlungswärmeverlust von der Bearbeitungsröhre 212 zu verringern. Außerdem reduziert die kleine Öffnung die Zahl der Partikel, die in den Bearbeitungsbereich 310 der Bearbeitungsröhre 212 eindringen und sorgt für leichteres Aufrechterhalten der isothermen Temperaturumgebung.
4 zeigt einen vergrößerten Abschnitt der Bearbeitungsröhre 212 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, kann die Bearbeitungsröhre 212 mit einer hohlen Wand ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Bearbeitungsröhre 212 mit einer äußeren Wand 402 und einer inneren Wand 404 ausgebildet sein, die einen inneren Hohlraum oder Durchgang 406 einschließen. Die Dicke der äußeren Wand 402 und der inneren Wand 404 kann jede Dicke sein, die geeignet ist, um die Hochtemperaturbearbeitung von Wafern unter verschiedenen Druckbedingungen zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Wanddicke zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 5 mm betragen. Der Hohlraum 406 kann außerdem mit jedem beliebigen, zum Ermöglichen der Waferbearbeitung erforderlichen, Volumen definiert sein. Beispielsweise kann der Hohlraum 406 eine Dicke d von zwischen ungefähr 0,5 mm und ungefähr 5 mm haben.
Der Hohlraum 406 hat einen Einlass 311 (3), der ermöglicht, dass Gas aus einem Gasbehälter (nicht abgebildet) in den Hohlraum 406 zugeführt wird. Das Gas kann beispielsweise ein beliebiges Trägergas, wie He, H₂, O₂, Ar, N₂ und dergleichen und ein beliebiges Bearbeitungsgas wie NH₃, O₃, SiH₄, Si₂H₆, B₂H₆ und andere für CVD-Anwendungen geeignete Gase oder eine Kombinationen beider Gase umfassen. Nachfolgend werden das Trägergas, das Prozessgas und die Kombination der beiden hierin allgemein als "das Gas" bezeichnet.
In einer Ausführungsform sind eine Vielzahl von Löchern oder Auslässen 408 durch die innere Wand 404 gebildet, um die Umgebungen im Hohlraum 406 und im Bearbeitungsbereich 310 (3) miteinander zu verbinden. Jeder Auslass 408 kann so bemessen werden, dass die verschiedenen Gastypen sich zwischen dem Hohlraum 406 und dem Bearbeitungsbereich 310 bewegen können. In einem Beispiel können die Auslässe 408 einen Durchmesser zwischen ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 2 mm haben.
Die Auslässe 408 können sich von im Wesentlichen dem Ende 301 der Bearbeitungsröhre 212 an der Öffnung 304 zu einem Punkt 303 in einer festen Distanz 305 vom Gaseintrittsende der Bearbeitungsröhre 212 erstrecken. Die Distanz 305 ist so bemessen, dass die strömenden Gase bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit eine Mindesttemperatur erreichen, bevor sie durch die Auslasse 408 austreten.
Die Bearbeitungsröhre 212 kann unter Verwendung vieler wohl bekannter Fertigungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Bearbeitungsröhre 212 geschweißt, hartgelötet, zusammengesetzt oder gegossen werden.
Die an das strömende Gas übertragene Wärme ist eine Funktion der thermisch wirksamen Masse der Heizung, der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und des Durchmessers der Auslässe sowie des Typs des Gases, der Verweilzeit des Gases im Hohlraum 406 und der Nenntemperatur des Hohlraums 406. Jeder dieser Parameter kann eingestellt werden, bis die Temperatur des austretenden Gases für einen speziellen Prozess geeignet ist.
im Allgemeinen sind thermisch wirksame Masse, Wärmeenergieausgang und Kapazität der Heizelemente bekannt. Dementsprechend kann das Gas für einen gegebenen Wärmeenergieausgang veranlasst werden, mit einer beliebigen gewünschten Geschwindigkeit durch den Hohlraum 406 zu strömen, beispielsweise zwischen ungefähr 10 sccm und ungefähr 100 slm. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird so gewählt, dass sichergestellt ist, dass der Wafer auf den Abstandhaltern stabil bleibt und dass die Druckdifferenz zwischen der Umgebung außerhalb der Bearbeitungsröhre und dem Innern der Bearbeitungsröhre relativ gering ist.
Der Hohlraum 406 sorgt für einen Wärmeaustausch, so dass Gas erwärmt werden kann, während es vom Einlass 311 zu den Austrittsstellen der Auslässe 408 strömt. Das in den Einlass 311 eintretende Gas kann Umgebungstemperatur haben oder kann vor dem Eintreten in den Hohlraum 406 vorgewärmt werden. Bevor das Gas aus den Auslässen 408 austritt, wird es veranlasst, durch die Distanz 305 des Hohlraums 406 zu strömen. Die Länge der Distanz 305 ist veränderlich, ist jedoch mindestens lang genug, um für eine ausreichende Verweilzeit des Gases zu sorgen, so dass es eine gewünschte Mindesttemperatur erreicht, bevor es aus den Auslässen 408 in den Bearbeitungsbereich 310 austritt.
In einer Ausführungsform wird das Gas veranlasst, sich mit einer Strömungsgeschwindigkeit durch den Hohlraum 406 zu bewegen, die zulässt, dass das Gas mit einer Geschwindigkeit von zwischen ungefähr 1°C/s und ungefähr 1000°C/s auf zwischen ungefähr 100°C und 1400°C erwärmt wird.
Wie in 3 gezeigt, wird in einer funktionsfähigen Ausführungsform der Wafer 116 in der Bearbeitungsröhre 212 auf die Abstandhalter 302 platziert. Ein Gas, wie beispielsweise ein mit Prozessgasen kombiniertes Trägergas, wird durch den Hohlraum 406 geströmt. In einer Ausführungsform kann das in den Hohlraum 406 eintretende Gas vorgewärmt werden oder kann alternativ Umgebungstemperatur haben. In diesem Beispiel tritt das Gas bei ungefähr Raumtemperatur (~ 25°C), wie durch die Pfeile 312 angedeutet, in den Hohlraum 406 ein. In beiden Ausführungsformen wird das Gas jedoch durch Wärme, die von den Heizelementen 220 in das Wärmediffusionsmaterial 222 und in die Prozesskammer 208 und schließlich durch die äußere Wand 402 und die innere Wand 404 übertragen wird, auf eine Bearbeitungstemperatur erwärmt. Zunächst strömt das Gas um eine Distanz 305 im Hohlraum 406, um eine gewünschte Mindestbearbeitungstemperatur zu erreichen. Das strömende Gas erreicht dann die Auslässe 408, um in den Bearbeitungsbereich 310 einzutreten. Das strömende Gas berührt den Wafer 116 im Bearbeitungsbereich 310, um den Wafer 116 unter Nutzung des Effekts der Zwangskonvektion zu erwärmen.
Das erwärmte Gas strömt mit einer geregelten Strömungsgeschwindigkeit in den Hohlraum 406. So kann die Anstiegsgeschwindigkeitsregelung zum Erwärmen des Wafers 116 mit der Regelung der Gasströmungsgeschwindigkeit korreliert werden. Wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird, kann der Gasstrom während der Bearbeitung des Wafers 116 kontinuierlich sein, gepulst sein, nur während dem Temperaturanstieg strömen, nur während der Abkühlung strömen oder eine Kombination von beiden sein.
Wie im Graph 500 von 5 gezeigt, haben in den Ofen 200 platzierte und erwärmte Wafer zwischen einem mittleren Abschnitt und einem Randabschnitt des Wafers unterschiedliche Erwärmungsprofile und Erwärmungsgeschwindigkeiten. Beispielsweise braucht die Wafermitte 502, ohne Gasstrom durch den Hohlraum 406 der Bearbeitungsröhre 212 ungefähr 3,5 Zeiteinheiten, um eine Bearbeitungstemperatur von ungefähr 1000°C zu erreichen. Der Rand des Wafers braucht ungefähr 2,5 Zeiteinheiten, um die selbe Temperatur zu erreichen.
Ein unter Verwendung von Zwangskonvektionsunterstützung gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch Strömen von Gas durch den Hohlraum 406 und in den Bearbeitungsbereich 310 erzeugt wird, erwärmter Wafer wird an einem mittleren Abschnitt und an einem Randabschnitt des Wafers mit nahezu identischen Erwärmungsprofilen erwärmt. Beispielsweise erreichen die Wafermitte 506 und der Waferrand 508 die Bearbeitungstemperatur von ungefähr 1000°C ungefähr zur selben Zeit, in weniger als 1 Zeiteinheit.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, im Wesentlichen bruchfreies RTP eines Siliziumwafers bei geringerer Abhängigkeit vom Emissionsgrad und geringerem musterinduzierten lokalen Erwärmungseffekt durchzuführen. Weiter kann der Wafer durch Kontrollieren der Anstiegsgeschwindigkeitsregelung unter Verwendung der Gasströmungsgeschwindigkeitsregelung schnell und gleichmäßig erwärmt werden, wie in 5 gezeigt.
6 zeigt die Auswirkung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Zwangskonvektion die Zwangskühlung des Wafers ermöglicht, während sich der Wafer in der Bearbeitungsröhre 212 befindet. Wie im Graph 600 gezeigt, wird die Wafertemperatur-Anstiegsgeschwindigkeit mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Hohlraum 406 (4) erhöht. Bei einem gegebenen Wärmeausgang und einer bestimmten Gasströmungsgeschwindigkeit, wie unter 602 angedeutet, beginnt die Wafertemperatur-Anstiegsgeschwindigkeit jedoch abzunehmen. An dieser Stelle hat die Zwangskonvektion die Wirkung, dass Energie vom Wafer abgeführt wird, was bewirkt, dass sich der Wafer abkühlt. Die Zwangskühlung kühlt den Wafer nach der Behandlung auf eine Temperatur unter der kritischen Bruchbildungstemperatur ab, ohne dass die gesamte Prozesskammer 208 abgekühlt werden muss oder eine getrennte Kühlkammer benötigt wird.
Es ist zu beachten, dass der vorangehend beschriebene Wafer aus herkömmlichen Materialien bestehen kann, wie sie üblicherweise in der Branche verwendet werden, beispielsweise Silizium, Gallium, Arsenid oder einer ähnlichen Verbindung oder der Wafer kann ein Halbleiterwafer aus Quarz oder Glas sein.

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen eines Wafers (116) während der Bearbeitung, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Prozesskammer (208), eine Bearbeitungsröhre (212), die einen Bearbeitungsbereich (310) definiert, der in der Prozesskammer (208) angeordnet ist, wobei die Bearbeitungsröhre (212) eine erste Wand (402) und eine zweite Wand (404), die einen Hohlraum (406) dazwischen definieren, und einen Einlass (311) zum Einführen von einem Gas in den Hohlraum (406) aufweist, wobei die zweite Wand (404) eine Vielzahl von darauf gebildeten Löchern (408) umfasst, um das Bearbeitungsgas aus dem Hohlraum (406) in den Bearbeitungsbereich (310) zu leiten; eine Vielzahl von Widerstandsheizelementen (220), die angrenzend an die Bearbeitungsröhre (212) angeordnet ist, und einen Wärmeenergieausgang von den Widerstandsheizelementen (220), der dazu konfiguriert ist, das durch den Hohlraum (406) strömende Gas zu erwärmen, wobei das durch den Hohlraum (406) strömende Gas den Hohlraum (406) durch die Vielzahl von Löchern (408) verlässt, um die Temperatur eines in der Bearbeitungsröhre (212) angeordneten Wafers (116} konvektiv zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bearbeitungsröhre (212) zwischen den Heizelementen (220) und der Prozesskammer (310) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, so angepasst, dass das durch den Hohlraum (406) strömende Gas, das den Hohlraum (406) durch die Vielzahl von Löchern (408) verlässt, die Temperatur des in der Bearbeitungsröhre (212) angeordneten Wafers (116) konvektiv erhöht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, so angepasst, dass das durch den Hohlraum (406) strömende Gas, das den Hohlraum (406) durch die Vielzahl von Löchern (408) verlässt, die Temperatur des in der Bearbeitungsröhre (212) angeordneten Wafers (116) konvektiv senkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bearbeitungsröhre (212) ein aus der aus Quarz, Al₂O₃ und Siliziumkarbid bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bearbeitungsröhre (212) dazu konfiguriert ist, von inneren beweglichen Teilen leer zu sein.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gas ein Gas umfasst, das der aus He, H₂, O₂, Ar, N₂, NH₃, O₃, Si₂H₄, Si₂H₆, B₂H₆ und anderen für CVD-Anwendungen geeigneten Gasen und Kombinationen derselben bestehenden Gruppe entnommen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wärmeenergieausgang von jedem der Widerstandsheizelemente (220) unter Verwendung eines Reglers (226) regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Prozesskammer (208) eine Vielzahl von Heizzonen definiert, wobei jede der Vielzahl von Heizzonen mindestens eines der Vielzahl von Widerstandsheizelementen (220) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede der Vielzahl von Heizzonen eine Temperaturmessvorrichtung (224) umfasst, die dazu konfiguriert ist, Rückmeldungsinformationen an einen Mikroprozessor (228) zu senden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Wärme diffundierendes Material (222) proximal zu der Vielzahl von Widerstandsheizelementen (220), wobei das Wärme diffundierende Material (222) den Wärmeenergieausgang von jedem der Widerstandsheizelemente (220) veranlasst, das in den Hohlraum (406) strömende Gas zu erwärmen.
Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleiterwafers (116) in einer Prozesskammer (208), das Folgendes umfasst: Strömen eines Gases durch einen Hohlraum (406), der von den Wänden einer Bearbeitungsröhre (212) definiert ist; gekennzeichnet durch Erzeugen eines Wärmeausgangs von einer Vielzahl von Widerstandsheizelementen (220) zum Verändern der Temperatur des Gases, während das Gas im Hohlraum (406) und zwischen den Heizelementen (220) und der Prozesskammer (208) verweilt; und Strömen des erwärmten Gases aus dem Hohlraum (406) heraus in einen Waferbearbeitungsbereich (310), um die Temperatur eines darin angeordneten Wafers (116) zu verändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 [sic], wobei das Gas mit einer Geschwindigkeit von zwischen ungefähr 10 sccm bis ungefähr 100 slm durch den Hohlraum (406) strömt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Temperaturänderung mit einer Geschwindigkeit von zwischen ungefähr 1°C/s und ungefähr 1.000°C/s stattfindet.
Verfahren nach Ansprüchen 11 bis 13, wobei die Temperatur des Wafers zwischen ungefähr 100°C und ungefähr 1.400°C verändert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei ein Druck in der Bearbeitungsröhre (212) im Bereich zwischen ungefähr 0,01 Torr und ungefähr 1.000 Torr liegen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Strömen des erwärmten Gases aus dem Hohlraum (406) heraus in einen Waferbearbeitungsbereich (310) zum Verändern der Temperatur eines darin angeordneten Wafers (116) die Temperatur des in der Bearbeitungsröhre (212) angeordneten Wafers (116) erhöht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Strömen des erwärmten Gases aus dem Hohlraum (406) heraus in einen Waferbearbeitungsbereich (310) zum Verändern der Temperatur eines darin angeordneten Wafers (116) die Temperatur des in der Bearbeitungsröhre (212) angeordneten Wafers senkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Bearbeitungsröhre (212) ein aus der aus Metallen, Quarz, Al₂O₃ und Siliziumkarbid bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.