DE69009918T2 - Planare Heizungsvorrichtung mit einer Vielzahl von Bereichen und Betriebsweise. - Google Patents

Planare Heizungsvorrichtung mit einer Vielzahl von Bereichen und Betriebsweise.

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Description

  • Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine bei der Verarbeitung eines Substrats, beispielsweise eines Halbleiterwafers, anwendbare Heizvorrichtung und deren Betriebsweise, genauer auf eine in einer Reaktionskammer für chemische Dampfabscheidung (CVD) anwendbare Heizvorrichtung und deren Betriebsweise.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Halbleiterwaferverarbeitung, zum Beispiel mittels CVD und ähnlicher Verfahren, werden Substrate wie Silikonwafer typischerweise auf verschiedene Temperaturen aufgeheizt , um verschiedene Dünnfilmabscheidungs- oder Ätzvorgänge auszuführen. Verschiedene Verfahren werden im Stand der Technik angewandt, um diese Substrate aufzuheizen, unter anderem:
  • (1) Infraroterhitzung; (2) Erhitzung mit einer Quelle sichtbarem Lichts; (3) mit Radiofrequenzen gekoppelte Heizung; und (4) Heizung mit heißen Platten. Bei der ersten Art von Heizungen ließ man das Substrat physikalisch an einer Anordnung von Infrarotlampen vorbeirotieren, um die benötigten gleichförmigen Temperaturen im ganzen Silikonwafer zu erlangen. Der physische Rotationsschritt hatte jedoch die Tendenz, die Verteilungen des Gasflusses über und auf den Wafers zu beeinträchtigen, was zu Einschränkungen bei der Verarbeitung führte.
  • Beim zweiten Aufheizungsverfahren versuchte man, Gleichförmigkeit der Temperatur zu erreichen, indem man sehr komplexe und teure optische Reflektoren einsetzte. Stabilität und Gleichförmigkeit der Temperatur wurden durch komplexe Strahlungsinteraktionen der verschiedenen Oberflächen je nach ihrer Emissionsstärke bestimmt.
  • Die dritte Methode, obwohl auch komplex und teuer, wird gemeinhin angewandt, insbesondere für Verarbeitungstemperaturen im Bereich von 1000 - 1200 Grad Celsius (ºC). Dieses Verfahren bietet jedoch sub-optimale Temperaturgleichförmigkeit auf dem Substrat, während es gleichzeitig sehr schwierig zu handhaben ist, wenn auch nur ein sehr mäßiges Ausmaß an Temperaturgleichförmigkeit erreicht werden soll.
  • Das vierte Verfahren wurde typischerweise für Niedrigtemperaturanwendungen eingesetzt, zum Beispiel unter 500 ºC. Solche Heizungen mit heißen Platten bestehen im allgemeinen aus einem Widerstandsdraht, der in einer Keramik- oder dielektrischen Platte oder einem thermisch hochleitfähigen Metall wie z.B. Aluminium eingelassen ist. Mit diesem Verfahren wurde zwar eine zufriedenstellende Gleichförmigkeit der Temperatur erreicht, es erwies sich jedoch ungeignet beim Einsatz in der Verarbeitung bei hohen Temperaturen und zwar auf Grund von Einschränkungen, die sich durch die Schmelzpunkte der Metalle, der verwendeten Verbindungsmaterialien und infolge der Ausscheidung von Verunreinigungen durch Heizelement und Metalle, insbesondere bei solchen höheren Temperaturen, ergaben.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Entsprechend fand man, daß weiterhin Bedarf an einer verbesserten Heizvorrichtung und Betriebsweise für den Einsatz in solchen Techniken bestehe. Im allgemeinen erfordern Techniken zur Verarbeitung von Halbleiterwafers wie oben beschrieben eine Gleichförmigkeit der Temperatur, die sich über die ganze Fläche des Wafer erstreckt, wobei typischerweise die Abweichung nicht mehr als ± 2ºC betragen darf, um eine gleichförmige Filmverarbeitung auf dem Wafer oder Substrat zu erreichen (Abscheidung oder Ätzung zum Beispiel). Eine solche Gleichförmigkeit der Temperatur ist bei Prozessen erforderlich, die typischerweise in Temperaturbereichen zwischen 250 - 1250ºC ausgeführt werden können.
  • Die Verfahrensweisen für die Verarbeitung von Halbleitern werden zusätzlich noch dadurch erschwert, daß es erforderlich ist, die Wafer oder Substrate nur von einer Seite aufzuheizen, um zu ermöglichen, daß ein Gaszuführungssystem (auf der anderen Seite des Substrats) zwecks optimaler chemischer Verarbeitung eine andere Temperatur hat.
  • Ein grundlegendes Problem ergibt sich bei solchen Aufheizungstechniken daraus, daß die Wärmeverluste in zentralen Teilen des Substrats tendentiell sehr verschieden von Wärmeverlusten in Randbereichen sind. So kommt es, daß, wenn ein Substrat über die ganze Fläche gleichförmig aufgeheizt wird, die Wärmeverlustcharakteristika des Substrats dazu führen, daß es ein Temperaturprofil annimmt, welches, im Querschnitt betrachtet, an den entgegengesetzten Rändern ziemlich niedrig und zwischen diesen äußeren Extremitäten ziemlich hoch ist. Weiterhin sind die relativen Wärmeverluste und das oben erwähnte Temperaturprofil bei verschiedenen Temperaturen und bei verschiedenen Drücken unterschiedlich. So gibt es bei Erhöhung der Temperaturen für ein Substrat eine entsprechende Erhöhung im Temperaturprofil, das heißt, einen größeren Kontrast zwischen Maximal- und Minimaltemperaturen in verschiedenen Bereichen des Substrats. Des weiteren wird das Temperaturprofil auch durch den Druck bei der Verarbeitung beeinflußt. Dies liegt teilweise daran, daß bei Drücken unter 680 Pa (5 Torr) die Wärme hauptsächlich durch Strahlung übertragen wird während über 1360 Pa (10 Torr) der Wärmeübertragungsmechanismus eine Kombination von Strahlung und Konvektion umfaßt.
  • Jedenfall soll die vorhergehende Diskussion noch einmal die Schwierigkeit unterstreichen, im ganzen Substrat gleichförmige Oberflächentemperaturen aufrechtzuerhalten, insbesondere wo das Substrat bei verschiedenen Temperaturen und/oder Drücken verarbeitet wird.
  • Gegenstand dieser Erfindung ist deshalb, eine verbesserte Heizvorrichtung und Betriebsweise für die Heizvorrichtung bei der Verarbeitung von Substraten oder Wafers zur Verfügung zu stellen, um eines oder mehrere der oben diskutierten Probleme zu bewältigen.
  • Noch genauer gesagt ist es Gegenstand der Erfindung, eine bei der Halbleiterwafer-Verarbeitung anwendbare Heizvorrichtung zur Entwicklung und Aufrechterhaltung einer gleichförmig erhöhten Temperatur im ganzen Substrat mit folgenden Merkmalen zur Verfügung zu stellen:
  • die Heizvorrichtung umfaßt eine dielektrische Heizungsgrundplatte, die eine kreisförmig Oberfläche aufweist; eine Mehrzahl von Heizelementen bildet radial beabstandete, in Umfangsrichtung sich erstreckende Segmente, die im wesentlichen die kreisförmige Oberfläche der Heizungsgrundplatte bedecken; eine Heizungsabdeckung ist im Abstand von den Heizelementsegmenten angeordnet und zwar zwischen den Heizelementen und dem Substrat; getrennte Einrichtungen für den Betrieb der Mehrzahl der Heizelemente und Einrichtungen zur Aufrechterhaltung eines Polsters aus inertem Gas benachbart den Heizelementsegmenten.
  • So eine Kombination ergibt eine planare Multizonen- Heizvorrichtung und dazugehörige Betriebsweise, die Änderungen im Aufheizungsmuster für das Substrat erlaubt, um die oben diskutierten Effekte im Temperaturprofil auszuschalten oder zu minimieren. Insbesondere kann die Heizvorrichtung mit jeder beliebigen Zahl von vorzugsweise radial getrennten und sich in der Zusammenstellung in Umfangsrichtung erstreckenden Heizelementsegmenten versehen werden. Mit einer derartigen Heizungskonfiguration können die verschiedenen Heizelementsegmente so angepaßt werden, daß sie verschiedene Heiztemperaturen erreichen, um Temperaturschwankungen im ganzen Substrat entweder zu kompensieren oder im wesentlichen zu eliminieren.
  • Die Heizelemente sind vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material oder Metall hergestellt, welches die Widerstandsheizung ermöglicht. Die dielektrische Heizungsgrundplatte ist dann vorzugsweise aus einem dielektrischen Material mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Heizelementsegmente gebildet und ist auch daraufhin ausgewählt ist, sich der Trennung vom leitfähigen Material zu widersetzen und in seiner Abmessung während der raschen und extensiven Temperaturschwankungen stabil zu bleiben.. Eine besonders wünschenswerte Materialkombination ist eine aus Bornitrid gebildete Heizungsgrundplatte mit Heizelementsegmenten aus pyrolytischem Graphit.
  • In einer bevorzugten Herstellungsweise wird das leitende Material gleichförmig auf der Heizungsgrundplatte abgeschieden und dann werden die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Flächen des leitenden Materials z.B. durch maschinelle oder mechanische Bearbeitung entfernt, um die radial beabstandeten Heizelementsegmente zu definieren. Jedes Heizelementsegment wird vorzugsweise durch eine sich erstreckende Linie oder Region unterbrochen, so daß an den gegenüberliegenden Endstücken eines jeden Heizsegments ein elektrischer Kontakt gebildet werden kann, um die Widerstandsheizung zu ermöglichen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung und Betriebsweise zur Verfügung zu stellen, die eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines Polsters aus inertem Gas über den Heizelementen enthält, um zum Beispiel Oxidation usw. zu verhindern. Vorzugsweise bildet eine mittige Öffnung in der Heizungsgrundplatte einen Einlaß für das Gas, so daß es über die Heizelemente radial nach außen fließt. Das inerte Gas kann dann um einen Randbereich der Heizungsabdeckung abgelassen werden.
  • Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung für den Einsatz in einer Reaktionskammer ausgelegt, insbesondere in einer CVD Reaktionskammer.
  • Zum Beispiel wird der Einsatz der Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung bei der CVD Abscheidungsmethode erwogen, wie sie in einer anderen Europäischen Patentanmeldung 90 111 648.3 vom 20.6.90 unter dem Titel METHOD OF DEPOSITING SILIKON DIOXIDE FILM AND PRODUCT vom selben Anmelder beschrieben wird. Überdies wird der Einsatz der vorliegenden Erfindung in einer CVD Reaktionskammer des Typs, wie sie in einer anderen Europäischen Patentanmeldung 90 114 325.5 vom 26.7.80 vom selben Antragssteller unter dem Titel CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR AND METHOD OF OPERATION beschrieben wird, erwogen.
  • Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Betriebsweise für eine Heizvorrichtung wie oben zusammengefaßt. Sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Betriebsweise der Heizvorrichtung wird erwogen, daß die Vorrichtung zur Regelung des Betriebs der Mehrzahl der Heizelemente ebenso wie die Einrichtung zur Regelung des Flusses von inertem Gas verändert werden kann, um die Verarbeitung des Wafer zu erleichtern.
  • Insbesondere können durch Einstellung des Heizeffekts der verschiedenen Heizelemente quer durch das Substrat auftretende Temperaturschwankungen im wesentlichen leicht eliminiert oder auf ein erträgliches Maß reduziert werden, selbst für ein großes Spektrum von Betriebstemperaturen und oder -drücken. Des weiteren werden die Heizkapazitäten der jeweiligen Heizelemente in Hinblick darauf ausgewählt, ein schnelles Aufheizen des Substrats auf stark erhöhte Temperaturen in sehr kurzer Zeit zu erlauben. Beispielsweise ist vorgesehen, daß die Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung dafür eingesetzt werden kann, ein Substrat oder ein Halbleiterwafer in einem Zeitintervall von ungefähr einer Minute von Umgebungstemperatur auf die erwünschte Verarbeitungstemperatur, typischerweise 1000 - 1100ºC aufzuheizen.
  • Gleichzeitig erhöht die Fähigkeit, die Fließrate und/oder die Art des inerten Gases einzustellen die Vielseitigkeit der Heizvorrichtung noch zusätzlich. Zusätzlich zur Verhinderung von Oxidation kann beispielsweise der Gasstrom zwischen den Verarbeitungsschritten verstärkt werden, um sowohl die Heizvorrichtung wie auch das Substrat schneller abzukühlen und den Austausch von Substraten zu erleichtern, wo man sequentielle Operationen in Betracht zieht.
  • Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung deutlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine Ansicht der Heizvorrichtung von oben mit einem Substrat oder einem Silikonwafer in der Form einer zylindrischen Scheibe darauf.
  • Fig. 2 ist eine Ansicht der Heizvorrichtung von oben ähnlich wie Fig. 1, teilweise im Schnitt, gesehen entlang der Linie II - II von Fig. 1, um den inneren Aufbau der Heizvornrichtung besser zu veranschaulichen.
  • Fig. 3 ist eine Ansicht der Heizvorrichtung ähnlich wie Fig. 1, aber bei abgenommenem Substrat und Heizungsabdeckung, um eine Mehrzahl der Heizelementsegmente besser zu veranschaulichen.
  • Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der innerhalb eines CVD Reaktor angeordneten Heizvorrichtung, im allgemeinen in Seitenansicht.
    • Beschreibung der bevorzugten Verkörperung
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere Fig. 1-3, wird die dort gezeigte Heizvorrichtung, die gemäß vorliegender Erfindung konstruiert ist, allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die Heizvorrichtung 10 ist vorzugsweise darauf ausgerichtet, in einer CVD Reaktionskammer, wie zum Beispiel der unter 12 in Fig. 4 angegebenen, betrieben werden. Die CVD Reaktionskammer 12 kann beispielsweise von dem Typ sein, wie er in jeder der oben angegebenen Schriften vorgesehen und näher beschrieben wird.
  • Entsprechend glauben wir, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine weitere Beschreibung des CVD Reaktors oder seiner allgemeinen Betriebsweise nötig ist.
  • Mit besonderem Bezug auf Fig. 2 umfaßt die dort gezeigte Heizvorrichtung 10 einen wassergekühlten Monolithen zur Unterstützung der Heizung. Dieser kann innerhalb einer Reaktorkammer angebracht werden, wie in Fig. 4 dargestellt. Ein Steigrohr ist mittig am Monolithen befestigt und darauf ist ein Stützpunkt 18 für die Heizung angebracht. Sowohl das Steigrohr 16 als auch die Heizungsstützplatte für bestehen vorzugsweise aus mit Nickel beschichtetem rostfreien Stahl , um den zu erwartenden hohen Temperaturen zu widerstehen und um das Eindringen von Verunreinigungen zu vermeiden.
  • Eine scheibenförmige Heizungsgrundfläche 20 ist wie unten näher beschrieben, aus einem geeigneten dielektrischen Material hergestellt und wird auf der Stützplatte 18 mit einer Mehrzahl von Heizelementen angebracht, die zusammenfassend mit 22 bezeichnet und auf einer im allgemeinen kreisförmigen Oberfläche 24 der Heizungsgrundfläche angeordnet sind. Die Ausbildung der Heizungsgrundfläche 20 und der Heizelemente 22 wird unten näher beschrieben.
  • Was die Gesamtkonstruktion der Heizvorrichtung betrifft, so wird eine Abdeckung oder Ummantelung 26 vom Monolith 14 im Abstand zu den Heizelementen 22 gehalten. Die Abdeckung 26 besteht vorzugsweise aus einem Material wie Quartz und umfaßt Vorrichtungen , um ein Substrat oder ein Silikonwafer 28 an ihrer oberen Fläche, direkt über den Heizelementen 22, zu halten.
  • Die Abdeckung 26 umfaßt einen Flansch oder eine Ringwand 30, die um die Heizungsgrundplatte 20 und Stützplatte 18 herum beabstandet nach unten verläuft. Die Ringwand 30 weist auch einen Abstand von einem zylindrischen Flanschteil des Monolithen 14 auf. So dient die Abdeckung sowohl dazu, das Substrat 28 über den Heizelementen zu halten als auch einen Raum über den Heizelementen einzuschließen, um die Bildung eines Polsters aus inertem Gas über den Heizelementen sicherzustellen, wie unten näher beschrieben.
  • Mit Bezug auf Fig. 3 in Kombination mit Fig. 2, umfassen die Heizelemente 22 eine Mehrzahl von Heizelementsegmenten, die jeweils mit 22A, 22B und 22C bezeichnet sind und die voneinander leicht radial beabstandet sind, während sie sich in Umfangsrichtung erstreckend im wesentlich die ganze Fläche der Heizungsgrundplatte 20 bedecken. Obwohl der Heizungsanordnung der vorliegenden Erfindung mit drei spezifischen Heizelementsegmenten beschrieben ist, ist es offensichtlich, daß jede beliebige Zahl solcher Segmente eingesetzt werden könnte, um die Notwendigkeit einer gleichförmigen Temperaturregelung über dem Substrat 28 zu erfüllen.
  • Die Heizelementsegmente 22 A-C werden vorzugsweise aus elektrisch leitfähigem Material gebildet, noch besser aus Metall, welches direkt auf der Heizungsgrundplatte 20 abgeschieden wird. Das abgeschiedenen Material wird dann beispielsweise durch maschinelle Behandlung entfernt, um in Umfangsrichtung verlaufende Gegenden oder Lücken 34 und 36 zu bilden und einen radialen Abstand der einzelnen Heizelementsegmente 22 A-C voneinander zu gewährleisten.
  • Eine radial verlaufende Gegend oder Lücke 38 wird auch gebildet, um alle drei Heizelementsegmente zu durchschneiden. Wenn die Heizelementsegmente so auf der Heizungsgrundplatte gebildet worden sind, verlaufen Elektrodenpaare 40 A-C durch die Stützplatte 18 und die Heizungsgrundplatte 20 wie in Fig. 2 dargestellt nach oben, wo sie jeweils mit den Heizelementsegmenten 22 A-C auf gegenüberliegenden Seiten der radialen Lücken 38 verbunden werden. Die Elektrodenpaare sind mit einer geeigneten Energie- oder Stromquelle 42 gekoppelt, siehe Fig. 4, wobei die Energiequelle die Stromversorgung der jeweiligen Heizelementsegmente einzeln regeln kann, um die von den jeweiligen Segmenten entwickelten Heiztemperaturen genau und präzise einzustellen.
  • Die mittigen Teile der Heizelementsegmente 22 A-C, die den Elektrodenpaaren 40 A-C gegenüberliegen, werden mit den jeweiligen Thermoelementpaaren 44 A-C untereinander verbunden. Die Thermoelementpaare 44 A-C sind Teil eines standardmäßigen elektronischen Proportional-/Integral-/Differential- (PID) Temperaturreglers (welcher Teil der Stromquelle 42 ist und nicht dargestellt ist) und ermöglicht die indivdiuelle Regelung der jeweiligen Heizelementsegmente.
  • In jedem Fall kann durch die Fähigkeit, die abgegebene Energie bzw. Temperatur eines jeden Heizelementsegments oder der Zonen 22 A-C festzustellen, das Temperaturprofil über den Querschnitt des Heizers elektronisch beeinflußt werden, und zwar auf eine dem Fachmann wohlbekannte Art und Weise, um eine genaue Regelung und eine minimale Schwankung über dem Temperaturprofil zu erreichen.
  • In jedem Fall erlauben solche Regelungen die Aufrechterhaltung eines erwünschten Temperaturprofils unter stark schwankenden Druck- und Temperaturbedingungen, um innerhalb von ± 2ºC ein gleichförmiges Temperaturfeld über das Substrat 28 aufrechtzuerhalten.
  • Wie oben erwähnt, wird vorzugsweise eine Decke aus inertem Gas über den Heizelementsegmenten 22 A-C aufrechterhalten, um die Oxidation der Segmente zu vermeiden und auch um den Betrieb der Heizvorrichtung zu erleichtern und zu verbessern. Zu diesem Zweck wird ein inertes Gas wie z.B. Stickstoff, Helium, Argon usw.von einer Quelle 46 (siehe Fig. 4) zugeführt, und über eine Stromregelvorrichtung 48, einen axial nach oben durch den Monolith 14 verlaufenden Kanal 50, das Steigrohr 16 und die Heizungsstützplatte 18 zu einer Öffnung 52, die mittig in der Heizungsgrundplatte 20 gebildet ist. Mit der Öffnung 52 in der Heizungsgrundplatte ist die von den Heizelementsegmenten 22 A-C bedeckte Fläche 24 eigentlich ein Ring, wie in Fig. 3 am besten dargestellt ist.
  • Auf jeden Fall fließt das inerte Gas in den Raum 32 zwischen den Heizelementsegmenten und der Ummantelung 26, wenn es durch die Öffnung 52 in der Heizungsgrundplatte 20 eingeführt wird, es fließt radial nach außen und deckt alle Heizelementsegmente ab. Wenn das inerte Gas an den Heizelementsegmenten und der Heizungsgrundplatte vorbei radial nach außen gelangt ist, umfließt es anschließend einen Auslaßkanal, der durch die Ringwand 30 gebildet wird, und fentweicht in die Reaktionskammer 12, von wo es zusammmen mit anderen Gasen aus der Reaktionskammer auf konventionelle Art ausgelassen wird.
  • Innerhalb der oben beschriebenen Heizanordnung 10 werden die Heizelementsegmente 22 A-C vorzugsweise aus pyrolythischem Graphit gebildet, der besonders dafür geeignet ist, die bei der Erfindung auftretenden hohen Temperaturen auszuhalten. Gleichzeitig ist es wichtig, daß das dielektrische Material, das die Heizungsgrundplatte bildet, aus einem Material besteht, das einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie die Heizelementsegmente, damit eine Trennung der beiden vermieden wird. Weiterhin muß das dielektrische Material der Heizungsgrundplatte daraufhin ausgewählt sein, daß es in seinen Abmessungen stabil bleibt und die Emission von Verunreinigungen während der schnellen und extensiven Temperaturabweichungen vermieden wird. Am besten ist es, wenn die Heizungsgrundplatte aus Bornitrid besteht, welches die oben zusammengefaßten Anforderungen erfüllt. Des weiteren hat Bornitrid eine weiße Farbe, die dazu neigt, Wärme nach oben zum Substrat hin zu reflektieren (siehe Fig. 2-4). Ferner kann das pyrolytische Grapit mit guter Haftung auf dem Bornitrid abgeschieden werden und auch leicht wieder maschinell entfernt werden, um die in Umfangsrichtung verlaufenden Lücken 34- 38 wie oben beschrieben auszubilden.
  • Das pyrolytische Graphit wird am günstigstens in einer Stärke von 1,016 mm (0,040 Zoll) abgeschieden, um den erwünschten und benötigten Fiilmwiderstand zu erlangen. Die Heizungsgrundplatte kann mit einem typischen Durchmesser von 254 mm (10 Zoll) und einer Stärke von 6,35 mm (0,25 Zoll) geformt werden. Wie oben erwähnt stehen durch die Stromquelle 42 für die jeweiligen Heizelementsegmente 22 A-C eine Vielzahl von Leistungsstärken zur Verfügung. Beispielsweise können die äußeren Heizelementsegmente 22 A-C mit einer Leistung von bis zu ungefähr 4000 Watt konstruiert sein, die mittleren Heizelementsegmente 22 B mit einer Leistung von bis zu 3500 Watt und die inneren Heizelementsegmente mit einer Leistung von bis zu 2500 Watt. Wenn die Konfiguration und die Materialien, wie oben erwähnt, eingehalten werden, kann die Heizanordnung bei einer großen Vielzahl von Betriebsparametern, wie sie bei verschiedenen Bearbeitungstechniken in Betracht gezogen werden, betrieben werden.
  • Die Betriebsweise der Heizvorrichtung dürfte aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich sein. Dennoch soll die Betriebsweise unten kurz beschrieben werden, um ein volles Verständnis der Erfindung sicherzustellen. Anfangs wird die Heizanordnung wie oben beschrieben aufgebaut und angeordnet, vorzugsweise innerhalb einer Reaktionskammer wie in Fig. 4 dargestellt. Ein Substrat wie z.B. der mit 28 bezeichnete Silikonwafer wird dann auf die Heizungsummantelung 26 verbracht. In Betrieb gesetzt wird die Heizvorrichtung 10 durch Einschalten der Stromquelle 42 unter Berücksichtigung eines gewünschten Satzes von Betriebsparametern je nach Anwendung und durch Starten des inerten Gasflusses von der Quelle 46.
  • Wenn die Heizelementsegmente 22 A-C mit angemessen Leistungspegeln versorgt sind, heizen sie sich schnell auf die jeweiligen Temperaturen auf und sorgen für ein im allgemeinen gleichförmiges Temperaturprofil über jeden beliebigen diametrischen Querschnitt des Substrats 28.
  • Das Material der Heizelementsegmente 22 A-C wird, wie oben beschrieben, durch den inerten Gasstrom vor Oxidation bei den obwaltenden strengen Temperaturen geschützt.
  • Wenn das Substrat wie oben beschrieben gleichförmig erhitzt ist, kann innerhalb der Reaktionskammer 12 auf eine Fachleuten wohlbekannte Art und Weise das vorgesehene Ablscheidungverfahren oder der Ätzprozeß ausgeführt werden.
  • Die Heizanordnung der Erfindung erleichtert ferner solche Betriebsweisen, bei denen aufeinanderfolgende Abscheidungs- und Ätzverfahren in Betracht gezogen werden, und zwar darin, daß der Strom der Stromquelle 24 unterbrochen und der Strom inerten Gases der Quelle 46 verstärkt werden, um verschiedene Teile der Heizanordnung 10 und des Substrates 28 rasch zu kühlen. Daher ist ein schneller Austausch von Substraten bei höherem Wirkungsgrad von sowohl Heizanordnung als auch Reaktionskammer 12 möglich. Es kann auch eine stärkere Kühlung erzielt werden, indem beispielsweise ein anderes inertes Gas zugeführt wird, welches eine höhere chemische Leitfähigkeit aufweist als das während des speziellen Verfahrens verwendete inerte Gas. Wenn die Heizvorrichtung abgekühlt und das Substrat 28 abgekühlt und ersetzt worden sind, kann man die oben beschriebenen Schritte wiederholen, um auf ähnliche Weise das nachfolgende Substrat zu bearbeiten.
  • Die Heizungsvorrichtung 10 ist, wie oben erwähnt, dafür vorgesehen, Temperaturen in einem umfangreichen Bereich zu entwickeln, Beispielsweise können die typischen im Substrat entwickelten Temperaturen von etwa 200ºC bis ungefähr 1200ºC reichen, und die Heizvorrichtung ist besonders effektiv dabei, gleichförmige Temperaturen über diesen ganzen Temperaturbereich sicherzustellen.
  • Es wurde somit eine wirksame Heizeranordnung und ein Betriebsverfahren zur Entwicklung und Aufrechterhaltung gleichförmiger Temperatur in einem Substrat beschrieben.

Claims (21)

1. Bei der Halbleiterwafer-Verarbeitung und dergleichen anwendbare Heizvorrichtung zur Entwicklung und Aufrechterhaltung einer gleichförmigen erhöhten Temperatur in dem Wafer, mit folgenden Merkmalen:
Eine dielektrische Heizungsgrundplatte (20) weist eine kreisförmige Oberfläche auf;
eine Mehrzahl von Heizelementen (22) ist auf der kreisförmigen Oberfläche der Heizungsgrundplatte (20) angeordnet und bildet radial beabstandete, in Umfangsrichtung sich erstreckende Segmente, die in Kombination im wesentlichen die kreisförmige Oberfläche bedecken;
es sind getrennte Einrichtungen (42, 44) zum jeweiligen Regeln des Betriebs der Mehrzahl der Heizelemente (22) vorgesehen;
eine Heizerabdeckung (26) ist im Abstand von der Mehrzahl der Heizelemente (22) angeordnet, und zwar zwischen den Heizelementen und dem Halbleiterwafer (28);
eine Einrichtung (46, 48, 50, 52) ist zur Aufrechterhaltung eines Polsters aus inertem Gas zwischen den Heizelementen (22) und der Heizabdeckung (26) vorgesehen.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) aus leitendem Material gebildet sind, welche die Widerstandsheizung ermöglichen.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) aus pyrolytischem Graphit geformt sind.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) dadurch gebildet werden, daß das leitende Material über der kreisförmigen Fläche der dielektrischen Heizungsgrundplatte (22) abgeschieden und dann Teile (34, 36, 38) des leitenden Materials zur Bildung der Heizelemente entfernt werden.
5. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) voneinander durch in Umfangsrichtung sich erstreckende Bereiche (34, 36) getrennt sind, daß jedes Heizelement durch eine radial sich erstreckende Region (38) unterbrochen wird, um Segmente (22a, 22b, 22c) zu bilden und daß die getrennten Einrichtungen zum jeweiligen Regeln des Betriebs der Mehrzahl der Heizelemente Thermoelementpaare (44a, 44b, 44c) aufweisen, die auf Teilen des jeweiligen Heizelementsegments entgegengesetzt zu der jeweiligen radial sich erstreckenden Region (38) gebildet werden.
6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizungsgrundplatte (20) aus dielektrischem Material gebildet ist, das mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das leitfähige Material in den Heizelementen ausgewählt ist, daß das dielektrische Material auch daraufhin ausgewählt ist, daß es sich der Trennung vom leitfähigen Material widersetzt und in seiner Abmessung während der raschen und extensiven Temperaturschwankungen stabil bleibt.
7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizungsgrundplatte (20) aus Bornitrid gebildet ist und daß die Heizsegmente (22a, 22b, 22c) aus pyrolytischem Graphit bestehen.
8. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizungsabdeckung (26) eine Einrichtung zur Stützung der Wafer (28) auf der Oberseite aufweist.
9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines inerten Gaspolsters eine mittige Öffnung (52) in der Heizungsgrundplatte (20) aufweist, die einen Einlaß für das inerte Gas bildet, so daß dieses von dem mittigen Einlaß radial nach außen zwischen den Heizelementsegmenten und der Heizungsabdeckung fließt.
10. Heizvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ablassen des inerten Gases, die um einen Randbereich der Heizungsabdeckung (26) gebildet ist.
11. Heizvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48) zur Regelung des inerten Gasstroms durch die mittige Öffnung zur Erleichterung der Verarbeitung des Halbleiterwafers.
12. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (10) und der Wafer (28) in einer Reaktionskammer (12) für chemische Dampfabscheidung (CVD) angeordnet sind.
13. Verfahren der Aufheizung eines Substrats (28) während der Halbleiterwafer-Verarbeitung und dergleichen zur Entwicklung und Aufrechterhaltung einer gleichförmigen erhöhten Temperatur in dem Substrat, mit folgenden Schritten: Es wird eine Heizvorrichtung (10) geschaffen, die eine dielektrische Heizungsgrundplatte (20) mit kreisförmiger Oberfläche, eine Mehrzahl von Heizelementen (22) und eine Heizungsabdeckung (26) umfaßt, wobei die Heizungselemente auf der kreisförmigen Oberfläche der Heizungsgrundplatte angeordnet sind und im radialen Abstand zueinander und in Umfangsrichtung sich erstreckende Segmente (22a, 22b, 22c) bilden, die in Kombination im wesentlichen die kreisförmige Oberfläche bedecken, wobei ferner die Heizungsabdeckung im Abstand von der Mehrzahl der Heizelemente und zwischen den Heizelementen und dem Substrat angeordnet ist; der Betrieb der Mehrzahl der Heizelemente wird getrennt geregelt; ein Polster aus inertem Gas wird zwischen den Heizelementen und der Heizungsabdeckung während des Betriebs der Heizungsvorrichtung aufrechterhalten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) aus leitendem Material gebildet sind, das zur Widerstandsheizung ausgewählt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) aus pyrolytischem Graphit bestehen.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (22) dadurch gebildet werden, daß leitendes Material auf der kreisförmigen Oberfläche der Heizungsgrundplatte (20) abgeschieden wird und daß daraufhin Teile des Materials zur Bildung der Heizelemente selektiv entfernt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Stützung des Substrats (28) in thermisch leitfähiger Beziehung auf der Heizungsabdeckung (26).
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gaspolster dadurch aufrechterhalten wird, daß inertes Gas durch eine mittige Öffnung (52) in der Heizungsgrundplatte (20) eingeführt und daß das inerte Gas radial nach außen über die Heizelemente strömen gelassen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Abführens des radial fließenden inerten Gases um einen Randbereich der Heizungsabdeckung.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Regelung des inerten Gasstromes durch die zentrale Öffnung der Heizungsgrundplatte zur Erleichterung der Verarbeitung des Substrats.
21. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Verbringung der Heizungsvorrichtung (10) und des Substrats (28) in die Reaktionskammer (12) für chemische Dampfabscheidung (CVD) und danach Betreiben der Heizungsvorrichtung als Teil eines CVD-Verfahrens zur Behandlung des Substrats.
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