DE69025972T2 - Druckbeständige thermische Reaktoranlage für Bearbeitungen von Halbleiterbauteilen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Halbleiterbehandlung und insbesondere thermische Reaktoren für die chemische Dampfabscheidung, für eine thermische Glühbehandlung und andere Vorgänge, die eine Hochtemperaturbehandlung erfordern. Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten thermischen Reaktors für die Halbleiterbehandlung mit einem relativ gleichförmigen Reaktionsteilnehmergasstrom bei dem Umgebungsdruck nicht entsprechenden Drucken.
• Der jüngste technologische Fortschritt hängt eng mit der Steigerung der Miniaturisierung elektronischer Schaltungen zusammen, die durch Fortschritte in der Halbleiterbehandlung möglich wurde. Bestimmte fortschrittliche Behandlungstechniken erfordern, daß ein Halbleiteraufbau einem Reaktionsteilnehmergas unter sorgfältig eingestellten Bedingungen bei erhöhter Temperatur, unter dem Umgebungsdruck liegenden Drucken und einem gleichförmigen Reaktionsteilnehmergasstrom ausgesetzt wird. Beispiele für solche Prozesse sind die chemische Niederdruck-Dampfabscheidung, die chemische Dampfabscheidung bei reduziertem Druck und eine selektive epitaxiale Abscheidung. Von besonderer Bedeutung ist die Gleichförmigkeit der Temperatur und des Gasstroms, um gleichförmige Ergebnisse, beispielsweise Abscheidungsdicke über einem Wafer, zu gewährleisten.
• Ein Reaktorsystem zur Durchführung thermischer Reaktionen bei Umgebungsdruck und einem unter dem Umgebungsdruck liegenden Druck hat gewöhnlich eine Reaktionskammer, eine Gasquelle, ein Abführsystem, eine Wärmequelle und eine Kühlmittelquelle. Die Reaktionskammer sorgt für eine kontrollierte Umgebung für die gewünschte Reaktion. Die Gasquelle stellt Reinigungs- und Reaktionsteilnehmergase bereit, während das Abführsystem verbrauchte Gase entfernt und den gewünschten Druck unter dem Umgebungsdruck aufrecht erhält. Die Wärmequelle, die aus einer Anordnung von Infrarotlampen oder einer induktiven Quelle bestehen kann, überträgt insgesamt Energie durch die Kammerwand, um den Wafer zu erwärmen. Der Wafer ist im allgemeinen auf einer Tragkonstruktion angeordnet, die als Suszeptor dienen kann, um in die Kammer übertragene Energie zu absorbieren und um die sich ergebende Wärme zu dem in Behandlung befindlichen Wafer zu transportieren. Zusätzlich kann der Träger den Wafer in der Kammer drehen, um die Auswirkung räumlicher Anomalien in der Kammer auf ein Minimum zu reduzieren. Das Kühlmittel wird auf die Außenfläche der Kammer aufgebracht, um die Wärmeausdehnung und Verwindung der Kammer während der Abscheidung zu minimieren, damit eine Abscheidung an der Kammerwand auf ein Minimum reduziert wird, und um die Kühlung nach dem Abscheiden zu unterstützen.
• Als Material für die Reaktionskammerwand wird Quarz gewählt. Sein hoher Schmelzpunkt und sein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient erlauben hohe Temperaturen, beispielsweise über 1100ºC, wie sie bei einigen chemischen Dampfabscheidungs- (CVD)-Reaktionen zur Anwendung gelangen. Ein transparenter dielektrischer Quarz ist sowohl mit Infrarotheizquellen als auch mit induktiven Heizquellen kompatibel und erleichtert die Wärmeableitung nach dem Abschluß des Abscheidens. Weiter kann Quarz in sehr reiner Form erzielt werden, beispielsweise als geschmolzenes Siliziumdioxid, wodurch seine Rolle als eine Quelle für Verunreinigung bei einer thermischen Reaktion auf ein Minimum reduziert wird. Quarz ist hier definiert als natürliches oder synthetisches Glas, das zu wenigstens 90% aus Siliziumdioxid besteht.
• Reaktionskammerwände sind gewöhnlich zylindrisch, entweder über die gesamte Kammerlänge oder über einen wesentlichen Teil der Kammerlänge, beispielsweise wie bei einer Vakuumglocke. Für Einsätze bei niedrigem Druck wählt man zylindrische Behälter, da sie die Spannung aufgrund von Druckdifferenz gleichförmig verteilen und dies auch trotz Änderungen in der Wandstärke machen. Gleichförmige Spannungsverteilung reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs auf ein Minimum.
• Andererseits verhindert die zylindrische Geometrie einen gleichförmigen Reaktionsteilnehmergasstrom an einer Waferoberfläche. Da die Waferoberfläche eben ist, sind bei symmetrischer Anordnung in einer zylindrischen Kammer die von der Längsachse der Kammer am weitesten entfernten Waferränder näher an der Kammerwand als das Waferzentrum. Dadurch ergibt sich ein Reaktionsteilnehmergasvolumen über dem Waferzentrum, das größer ist als das über den Querrändern des Wafers. Dies führt zu ungleichmäßigen Abscheidungen, was die Ausbeute an integrierten Schaltungen aus einem Wafer beeinträchtigt. Während ein ungleichförmiger Strom kein Problem für diffusionsgetriebene Abscheidungen ist, die bei sehr niedrigen Drucken von etwa 1 Torr oder weniger erfolgen können, ergibt sich ein Problem bei strömungsgetriebenen Abscheidungsreaktionen, die weiter verbreitet sind.
• Die aufgrund der zylindrischen Geometrie gegebene Ungleichförmigkeit kann durch Verwendung eines großen Krümmungsradius auf ein Minimum reduziert werden. So ist beispielsweise der zylindrische AMC-7810/11-Epitaxialreaktor, hergestellt von Applied Materials Inc., zur gleichzeitigen Behandlung von Umfangsreihen von Wafern ausgelegt, die um eine mehrfach facettierte Trommel angeordnet sind. Im Maßstab der einzelnen Wafer kann die zylindrische Kammerwand relativ eben sein, so daß der Reaktionsteilnehmergasstrom über den Wafer relativ gleichförmig sein kann. Wenn jedoch größere Wafer zu behandeln sind, ist die Bemessung einer solchen Reaktorkonstruktion problematisch. Das erforderliche Hardwarevolumen nimmt viel schneller als linear mit dem Waferdurchmesser zu, wobei die größeren Volumina und Massen, die zu den größeren Systemen gehören, längere Heiz- und Kühlzeiten erfordern, was den Durchsatz beeinträchtigt. Das Problem mit der Durchsatzleistung wird weiterhin dort erschwert, wo aus experimentellen oder kundenbedingten Zielsetzungen ein einzelner Wafer behandelt werden muß, da eigentlich keine Behandlungszeit eingespart wird, wenn eine solche Kammer unterhalb ihrer Leistungskapazität eingesetzt wird.
• Wie durch die vorstehenden Ausführungen veranschaulicht wird, gibt es miteinander in Konflikt stehende Auslegungszielsetzungen bezogen auf die Kammerauslegung. Eine Behandlung bei reduziertem Druck verlangt zylindrische Geometrien und kleine Krümmungradien. Ein gleichförmiger Reaktionsteilnehmergasstrom verlangt große Krümmungsradien, entweder ebene Flächen oder Zylinder mit sehr großem Durchmesser. Außerdem kann die Krümmung der Kammerwand durch sie hindurch übertragene Strahlungsenergie verzerren, was dazu führt, daß sich ein Wafer ungleichförmig erwärmt. Eine ungleichförmige Erwärmung kann zu einer ungleichförmigen Abscheidung und Kristalltranslation führen. Eine Kammerwand mit ebenen Flächen könnte dieses Problem erleichtern. Es sind bereits bei Umgebungsdruck arbeitende thermische Reaktoren vorhanden, die rechteckige Quarzkammern verwenden, um über einem Wafer einen gleichförmigen Reaktionsteilnehmergasstrom zu erhalten. Sie sind jedoch nicht in der Lage, bei reduziertem Druck oder niedrigem Druck zu arbeiten. Die Druckdifferenz über einer ebenen Fläche würde eine lokale Spannung verursachen und sie zu einem Bruch führen.
• Der Spannungsausbildung in ebenen und anderen nichtzylindrischen Wänden aufgrund einer Druckdifferenz kann durch Verwendung größerer Wandstärken entgegengewirkt werden. Dicke Wände erfordern jedoch zu viel thermische Isolierung. Dies wurde die Wirksamkeit des externen Kühlmittels, gewöhnlich Luft, zur Verringerung der Kammerwandtemperaturen einschränken, was zu einer erhöhten chemischen Abscheidung an den Innenflächen der Wand führen würde. Die heißeren Innenflächen wurden außerdem zum Expandieren tendieren, das schneller als das der äußeren Flächen erfolgt, wodurch die Kammerwand zum Reißen gebracht würde. Zusätzliche Auslegungszielsetzungen ergeben entgegenstehende Präferenzen zwischen dünnen Kammerwänden einerseits sowohl für reduzierte thermische Spannungen als auch Wandabscheidung und dickeren Wänden andererseits, um druckbedingte Spannungen zu reduzieren.
• Das Erfordernis der Gleichförmigkeit gilt auch für die Kammerkühlung. Wie oben erwähnt, wird ein Kühlmittelfluid über die Außenfläche der Kammerwand geführt, um Abscheidungen an der Kammerwand und Verformungen aufgrund thermischer Expansion auf ein Minimum zu reduzieren. Gewöhnlich wird ein Kühlmittelfluid durch Düsen nahe oder hinter der Wärmequelle verwendet. Der Kühlmittelstrom ist an der Kammerwandfläche insgesamt nicht gesteuert, so daß sich Wirbel und andere Strömungsunregelmäßigkeiten ergeben können. Dies kann eine unterschiedliche Kühlung über der Kammerwand ergeben, was zu lokalen Abscheidungen und ungleichförmigen Spannungen führen würde, die die Kammerwand reißen lassen könnten.
• Obwohl Druckdifferenzen äußerst häufig bei Behandlungen mit unter dem Umgebungsdruck liegendem Druck auftreten, gibt es sie auch bei Behandlungen, die bei einem über dem Umgebungsdruck liegenden Druck erfolgen. So sind beispielsweise viele als Umgebungsdruckbehandlungen betrachtete Behandlungen dies nur dann, wenn der Umgebungsdruck etwa 760 Torr beträgt. Ein Labor an einer hochgelegenen Stelle, beispielsweise in Denver, könnte ein unter Druck Setzen eines Reaktionsbehälters erfordern, um eine solche Behandlung durchzuführen. Die entgegenstehenden Konstruktionszielsetzungen, die für eine Behandlung bei einem unter dem Umgebungsdruck liegenden Druck in Frage kommen, lägen auch in den Fällen vor, in denen eine Behandlung bei einem Druck über dem Umgebungsdruck durchzuführen wäre.
• Man braucht somit ein thermisches Reaktorsystem für die Halbleiterbehandlung, welches eine Behandlung bei erhöhten Temperaturen, bei Drucken, die nicht dem Umgebungsdruck entsprechen, und bei gleichförmigen Reaktionsteilnehmerströmen ermöglicht. Zusätzlich sollte ein gleichförmiges Erhitzen und Kühlen möglich sein.
• Die US-A-3 744 964 offenbart eine Hochtemperatur-Quarzröhre zur Verwendung in Diffusionsöfen, um Halbleiterwafer Temperaturen von mehr als 1200ºC unterwerfen zu können. Die Röhre hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist mit ringförmigen äußeren Wülsten versehen, die ein Stück mit der Röhre bilden, um einem Durchsenken und Verformen der Röhrenwand einen Widerstand entgegenzusetzen.
• Die JP-A-53-19181 betrifft eine Niederdruck-Reaktionsvorrichtung mit einem kreisförmigen oder elliptischen Zylinderschutzrohr, das aus Quarzglas hergestellt ist, wobei in dem Schutzrohr ein quadratisches Vierkant-Reaktionsrohr aus Quarzglas eingesetzt ist. Um die Außenseite des Reaktionsrohres ist eine Spule für eine Hochfrequenzinduktionsheizung gewickelt.
• Diese Erfindung stellt ein thermisches Hochtemperatur-Niederdruck-Reaktorsystem mit einem langgestreckten Reaktorbehälter, der einen nicht kreisförmigen Querschnitt und eine Quarzwand mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, die eine Reaktionskammer begrenzen, die in Betrieb einer Druckdifferenz ausgesetzt ist, wobei der niedrigere Druck in dem Behälter vorhanden ist, mit äußeren Verstärkungseinrichtungen, die an der Außenfläche der Wand festgelegt sind, um dem aus der Druckdifferenz resultierenden Druck auf die Wand zu widerstehen, mit Einrichtungen zum Abdichten der Enden des Behälters, mit einer Wafertrageinrichtung, die so in dem Behälter angeordnet ist, daß ein relativ ebener Abschnitt des Behälters über der Wafertrageinrichtung liegt, mit Lampeneinrichtungen, die außerhalb des Behälters angeordnet sind und Strahlungswärme durch die Wand wenigstens teilweise zur Wafertrageinrichtung richten können, mit einer Kühlmittelquelle zur Bildung eines Kühlmittelstroms gegen die Außenfläche der Wand und mit Einrichtungen zum Strömenlassen eines Gases durch den Behälter im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Behälters bei niedrigem Druck bereit.
• Bevorzugte Ausführungsformen des Reaktionssystems sind in den Ansprüchen 2 bis 12 beansprucht.
• Die vorliegende Erfindung sorgt für eine breite Vielfalt von Rohrgeometrien. Wenn das Rohr flacher als ein zylindrisches Rohr ist, ergibt sich eine verbesserte Gleichförmigkeit bei dem Reaktionsteilnehmergasstrom. Ellipsoide Rohre werden dort verwendet, wo der zu behandelnde Wafer orthogonal zur kleineren Achse eines ellipsoiden Querschnitts des Rohres ist. "Ellipsoid" bezieht sich hier auf Querschnitte, die elliptisch sind, sowie auf Formen, die als abgeplattete Kreise, wie Ovale und Linsen, charakterisiert werden können. Vorzugsweise liegt der Waferoberfläche eine ebene Rohroberfläche zum Tragen von Schaltungsvorrichtungen gegenüber. Dementsprechend wird ein Rechteckrohr favorisiert, bei dem wieder der Wafer senkrecht zum kleinen Durchmesser und das Liniensegment in der Mitte zwischen den kürzeren Seiten liegen. Alternativ kann ein Rohr mit einem ovalen Querschnitt verwendet werden, wobei das Oval zwei parallele Seiten hat. Es kann auch ein Rohr zum Einsatz gelangen, das eine ebene Fläche über einem Wafer und eine gekrümmte Fläche unter dem Wafer hat. Insgesamt sollte eine mit einem Muster zu versehende Waferfläche einem relativ großen Krümmungsradius zugewandt sein, wobei der Krümmungsradius einer ebenen Fläche unendlich ist.
• Die äußeren Verstärkungseinrichtungen können die Form von Versteifungsplatten haben, die aus Quarz vorgeformt und um das Quarzrohr positioniert werden können. Die Versteifungsplatten können unter Verwendung lokaler Erwärmung aus einem Brenner oder einer anderen Wärmequelle zum Schmelzen gebracht werden. Bei dem Schmelzverfahren können zusätzliche Quarzstücke eingesetzt werden wie Metallstücke beim Löten. Die Versteifungsplatten können monolithisch sein. Alternativ können die Versteifungsplatten aus zwei oder mehr Segmenten hergestellt sein, die Stirnseite an Stirnseite in Position an dem Quarzrohr zum Schmelzen gebracht werden. Der Behälter wird wenigstens einmal während des Befestigens der Versteifungen glühbehandelt, wodurch während des Schmelzens thermisch induzierte Spannungen abgebaut werden.
• Die Quarzversteifungsplatten ergeben eine zusätzliche Festigkeit, um zu vermeiden, daß sich das Rohr unter Druck während Behandlungen bei einem dem Umgebungsdruck nicht entsprechenden Druck verformt. Vorzugsweise sind die Versteifungsplatten als parallele Wülste angeordnet, die sich am Umfang um das Rohr so erstrecken, daß eine Kühlmittelströmungssteuerung für eine effektivere Kühlung erreicht wird. Die Lampen einer Infrarotheizquelle können bezüglich der Versteifungsplatten versetzt werden, um eine Schattenbildung durch die Versteifungsplatten auf ein Minimum zu reduzieren, damit die Vorteile der Rechtecksgeometrie zur Erzeugung einer gleichförmigeren Erwärmung beibehalten werden. Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines thermischen Reaktorsystems für die Halbleiterbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Reaktionsbehälters des Systems von Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Reaktionsbehälters des Systems von Fig. 2.
• Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Reaktionsbehälters für das System von Fig. 1.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein thermisches Reaktorsystem 100 eine Gasquelle 102, einen Reaktionsbehälter 104 und ein Absaug-Subsystem 106. In der Reaktionskammer 105, die der Innenraum des Reaktionsbehälters 104 ist, trägt ein Gestell 108 einen planaren Halbleiterwafer 91 und positioniert ihn. Der Reaktionsbehälter 104 hat ein sich in Längsrichtung erstreckendes rechteckiges Quarzrohr 110 und vierzehn Quarzversteifungsplatten, von denen fünf 111 bis 115 gezeigt sind und die mit der Außenfläche 144 des Quarzrohrs 110 verschmolzen sind.
• Die Gasquelle 102 steht mit der Reaktionskammer 105 über eine Einlaßdichtung 120 am Einlaßende 122 des Quarzrohrs 110 in Verbindung. Das Absaug-Subsystem 106 steht mit der Reaktionskammer 105 über eine Auslaßdichtung 124 an einem Auslaßende 126 des Quarzrohrs 110 in Verbindung. Das Quarzrohr 110, die Einlaßdichtung 120 und die Auslaßdichtung 124 arbeiten so zusammen, daß die Kammer 105 gegenüber Umgebungsgasen abgedichtet ist, so daß reduzierte und niedrige Drucke in ihr durch das Absaug-Subsystem 106 eingestellt werden können.
• Eine Wärmequelle 130 hat eine obere Reihe 132 und eine untere Reihe 134 von Infrarotlampen 136 mit Reflektoren 138. Die Infrarotlampen 136 befinden sich außerhalb des Reaktionsbehälters 104. Von den Infrarotlampen 136 wird durch das Quarzrohr 110 Infrarotstrahlung zur Erhitzung einers Wafers 91 übertragen. Die Infrarotlampen 136 sind in versetzter Beziehung bezüglich der Quarzversteifungsplatten 111 bis 115 angeordnet, um eine Schattenwirkung für die Infrarotstrahlung am Wafer 91 auf ein Minimum zu reduzieren.
• Eine Kühlmittelquelle 140 erzeugt einen Kühlmittelstrom 142 gegen die Außenfläche 144 des Quarzrohrs 110. Der Zweck des Kühlmittelstroms besteht darin, das Quarzrohr 110 während thermischer Reaktionen zu kühlen, um Abscheidungen auf seiner Innenfläche 146 auf ein Minimum zu reduzieren. Eine solche Abscheidung würde die Durchlässigkeit des Quarzrohrs 110 verringern und würden die von der Wärmequelle 130 zu liefernde Wärmemenge, die zur Behandlung des Wafers 91 erforderlich ist, steigern. Außdem sind Abscheidungen am Quarzrohr 110 eine potentielle Verunreinigung für nachfolgende Behandlungen, die unter Verwendung des thermischen Reaktionssystems 100 durchgeführt werden. Der Kühlmittelstrom 142 wird außerdem zum Kühlen des Reaktionsbehälters 104 und des eingeschlossenen Wafers 91 verwendet, wenn die thermische Behandlung abgeschlossen ist.
• Die gezeigte Kühlmittelquelle 140 führt zwangsweise Umgebungsluft zwischen die Infrarotlampen 136 und gegen die Außenfläche 144 des Quarzrohrs 110. Die Versteifungsplatten 111 bis 115 bilden Kühlmittelkanäle 148, die das Kühlmittel am Umfang um das Quarzrohr 110 führen, was in Fig. 2 gezeigt ist, um eine wirksamere Kühlung zu erreichen.
• Wie am besten in Fig. 2 und 3 zu sehen ist, hat das Quarzrohr 110 einen rechteckigen Querschnitt mit zwei längeren Seiten, d.h. einer Oberseite 152 und einer Unterseite 154, und zwei kürzeren Seiten 156 und 158. Der Wafer 91 wird so getragen, daß er parallel oder nahezu parallel zur Oberseite 152 liegt. Somit ist der Abstand zwischen dem Wafer 91 und der Oberseite 152 im wesentlichen konstant. Deshalb ändert sich der Reagenzgasstrom über dem Wafer 91 über der Quererstreckung des Wafers 91 nicht wesentlich. Dies wiederum sorgt für gleichförmigere Abscheidungen und alternative Reaktionen, die unter Verwendung des thermischen Reaktorsystems 100 durchgeführt werden können. Die Versteifungsplatten 111 bis 115 haben ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt in Anpassung an das Quarzrohr 110.
• Das dargestellte Quarzrohr 110 ist 19 Zoll lang (1 Zoll entspricht 2,54 cm). Der Innenraumquerschnitt ist 3,5 Zoll mal 11,5 Zoll. Die Rohrwand ist 0,16 Zoll dick. Die Versteifungsplatten sind prinzipiell rechteckig und etwa 0,25 Zoll dick. Die Versteifungsplatten sind parallel und in Längsrichtung in einem Abstand mit einer Teilung von 1,125 Zoll angeordnet.
• Die Versteifungsplatten können monolithisch ausgebildet oder aus Segmenten hergestellt sein, die an ihren Enden miteinander verschmolzen sind. Jede Versteifungsplatte kann um das Quarzrohr herum in Position gebracht und durch Verwendung eines Brenners unter lokaler Erhitzung angeschmolzen werden. Ähnlich wie beim Löten können Quarzstücke zwischen der Außenfläche des Quarzrohres und der berührenden Fläche der Versteifungsplatten angeordnet werden, um ein sicheres Verbinden zu begünstigen. Eine aus Segmenten bestehende Versteifungsplatte kann vor oder nach dem Anschmelzen an das Quarzrohr verschmolzen werden. Zum Entfernen lokaler, durch den Schmelzprozeß induzierter Spannungen kann wenigstens einmal und vorzugsweise an mehreren Stellen während des Anschmelzens der Versteifungsplatten ein thermisches Glühbehandeln ausgeführt werden. Bei einen alternativen, jedoch teuereren Verfahren werden die Versteifungsplatten monolithisch mit dem Rohr in einem Gießverfahren hergestellt.
• Während rechteckige Quarzrohre bei den thermischen Reaktorsystemen verwendet wurden, hat man sie bei Systemen vermieden, die für einen Betrieb bei einem Druck ausgelegt sind, der dem Umgebungsdruck nicht entspricht. Der Grund dafür besteht darin, daß die durch die Druckdifferenz über dem rechteckigen Quarzrohr induzierte Spannung dieses brechen lassen könnte. Es gibt viele Arten, diese Spannung zu verringern, die meisten haben jedoch sich ausgleichende Nachteile. So wäre beispielsweise ein Verringern des Drucks außerhalb des Reaktionsbehälters schwierig und teuer. Ein Verdicken des Quarzrohres würde die Menge der Abscheidung an der Innenwand des Behälters erhöhen. Außerdem wäre die dickere Wand aufgrund der Wärmeausdehnung einer größeren Bruchgefahr ausgesetzt. Alternative Materialien, die weniger bruchgefährdet sind, neigen dazu, hinsichtlich Wärmeübertragung und/oder Verunreinigung entgegengesetzte Eigenschaften zu haben.
• Die mit der Außenseite des rechteckigen Quarzrohrs verschmolzenen Quarzversteifungsplatten geben die erforderliche Festigkeit, um einer Verformung zu widerstehen, ohne daß merkliche kompensierende Nachteile auftreten. So bilden die Versteifungselemente Kühlmittelstromkanäle, die die Kühlung des Quarzrohrs steigern können. Die Staffelung der Infrarotlampen bezüglich der Versteifungsplatten minimiert die optische Verformung. Unter "Versteifungsplatten" wurde insgesamt auf starre Verstärkungselemente Bezug genommen.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch alternative Rohrgeometrien. Beispielsweise hat ein Reaktionsbehälter 404 mit einem Quarzrohr 410 und damit verschmolzenen Versteifungsplatten 412 und 414 einen ellipsoiden Querschnitt. Der ellipsoide Querschnitt des Rohrs 410 wird von zwei gegenüberliegenden Kreisbögen gebildet, an die sich Seiten anschließen. Obwohl der Reaktionsbehälter 404 nicht die Gleichförmigkeit des Reaktionsteilnehmerstroms des rechteckigen Behälters 104 hat, bietet er doch eine beträchtliche Verbesserung hinsichtlich der Stromgleichförmigkeit bezogen auf einen zylindrischen Behälter. Andererseits verteilt das ellipsoide Rohr 410 Spannungen aufgrund von Druck gleichförmiger als das rechteckige Rohr 110. Deshalb sind zur Vermeidung eines Bruchs weniger Versteifungsplatten erforderlich. Dementsprechend werden nur zwei Versteifungsplatten 412 und 414 für den Reaktionsbehälter 404 verwendet. Die Versteifungsplatten 412 und 414 sind ähnlich wie die Versteifungsplatten 112 und 114 des Behälters 104 angeordnet, so daß sie in geeigneter Weise bezüglich der Lampen 136 gestaffelt sind, wenn der Behälter 404 in das thermische Reaktorsystem 100 eingesetzt ist.
• Insgesamt kann eine verbesserte Ggleichförmigkeit des Reaktionsteilnehmerstroms erreicht werden, wenn das Reaktionsrohr über dem Wafer relativ eben ist. Für besonders geeignete Geometrien kann eine relative Ebenheit unter Verwendung eines Seitenverhältnisses eines Durchmessers senkrecht zu einem Wafer und eines Durchmessers parallel zu einem Wafer gemessen werden. Beispielsweise hat das Quarzrohr 410 einen Durchmesser 420 senkrecht zu einer Waferposition und einen Durchmesser 422, der parallel zu einer Waferposition ist. Der Durchmesser 420 ist kürzer als der Durchmesser 422, so daß das Seitenverhältnis des Rohres 410 weniger als 1 ist. Ein zylindrisches Rohr hat ein Seitenverhältnis von eins. Flachere Formen hätten kleinere Seitenverhältnisse. Die "Durchmesser" eines Rechtecks sind grundsätzlich das gleiche wie seine Seitenlängen.
• Das Seitenverhältnis ist sinnvoll, wenn das Rohr eine zum Wafer parallele Symmetrieebene hat. Man kann sich jedoch auch ein Rohr vorstellen, das eine ebene Fläche über einem Wafer und eine gekrümmte Fläche unter dem Wafer hat. Deshalb folgt eine genauere Charakterisierung der Ebenheit der interessierenden Fläche. Jedes Rohr hat eine Längsachse. Beispielsweise hat das Quarzrohr 110 eine Längsachse 160, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Von einem ausgerichteten Segment, das sich senkrecht von der Längsachse aus zu einer Stelle an der Innenfläche des Rohrs erstreckt, wird ein Radius gebildet. So erstreckt sich beispielsweise der Radius 162 senkrecht von der Längsachse 160 und zu einer Stelle 164 auf der Innenfläche 146, so daß der Radius 162 senkrecht zum Wafer 91 ist. Vorzugsweise schneidet der Radius 162 den Wafer 91 in seiner geometrischen Mitte 93.
• Der Innenflächenlagerpunkt 164 hat einen Krümmungsradius, der in einer Ebene durch den Punkt 164 und senkrecht zur Längsachse 160 des Rohrs 110 gebildet wird. Der Radius am Projektionspunkt hat auch eine Größe, d.h. seine Länge. Wenn der Radius und der einem ausgewählten Punkt zugeordnete Krümmungsradius gleich sind, ist das Rohr wenigstens lokal um den Projektionspunkt zylindrisch. Wenn der Radius größer als der Krümmungsradius ist, besteht ein Zustand für eine geringere Reaktionsteilnehmergleichförmigkeit. Eine verbesserte Gleichförmigkeit des Reaktionsteilnehmerstroms ergibt sich, wenn die Größe des Krümmungsradius an dem Projektionspunkt wesentlich größer als die Größe des Radius an dem Projektionspunkt ist. Diese Beziehung sollte tatsächlich für alle Punkte gelten, die Hochprojektionen des Wafers auf die Innenfläche des Rohres sind. Wenn die Innenfläche eben ist, ist der Krümmungsradius unendlich und somit per definitionem größer als der tatsächliche Radius.
• "Über" kann auf formellere Weise als die Richtung definiert werden, in der die Projektion bezüglich des Wafers liegen muß, so daß die interessierende Waferfläche sich zwischen dem Projektionspunkt und der anderen Waferfläche befindet. Insgesamt soll nur eine Seite eines Wafers Schaltungsvorrichtungen tragen, und es ist diese Seite, an welcher der Reaktionsteilnehmerstrom gleichförmig sein sollte. Diese Seite ist normalerweise in einem Reaktionsbehälter nach oben gewandt. Im allgemeinen weist sie von dem Träger weg, der die andere Seite kontaktiert. Beispielsweise trägt das Gestell 108 den Wafer 91, indem es die Waferbodenfläche 95 kontaktiert, während die Waferoberseitenfläche 97 die Fläche ist, in der Vorrichtungen ausgebildet werden. Wenn beide Waferseiten getragen werden, kann der Projektionspunkt entweder über oder unter dem Wafer liegen.
• Somit stellt die vorliegende Erfindung rechteckige Rohre und Rohre bereit, die "zwischen" rechteckig und zylindrisch sind, und sie stellt außerdem Geometrien bereit, bei denen eine oder mehrere Wände nach innen gekrümmt sind. Bei Verwendung der Versteifungsplatten sind auch dünnere zylindrische Rohre möglich. Die gezeigten Rohre 110 und 410 haben eine Symmetrie um eine senkrechte Ebene zum Wafer und liegen in einer Ebene parallel zu dem Wafer, wobei beide Ebenen die horizontale Achse einschließen. Die Symmetrie um die Ebene senkrecht zu dem Wafer erhöht die Gleichförmigkeit. Zur vorliegenden Erfindung gehören auch Rohre, die nicht symmetrisch um eine Ebene parallel zu dem Wafer sind.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Vielzahl von Quarzrohrmaterialien bereit. Geschmolzenes Siliziumdioxid, bei welchem es sich um 99% reines Siliziumdioxid handelt, ist ein bevorzugtes Material für das Rohr. Andere Glaszusammensetzungen können jedoch auch bestimmte Vorteile bieten, beispielsweise einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, wenn das Gleichgewicht des Quarzmaterials die thermische Reaktion nicht beeinträchtigt. Es können verschiedene Wärmequellen und Kühlmittelquellen verwendet werden. So können beispielsweise Wärmequellen, die elektromagnetische Strahlung anstelle von Infrarotstrahlung verwenden, sowie induktive oder Widerstandsheizquellen eingesetzt werden. Zur Einstellung von Druckdifferenzen zwischen den Innen- und Außenflächen eines Quarzrohrs können Einrichtungen verwendet werden, die nicht auf Vakuum basieren, beispielsweise Einrichtungen zum Aufrechterhalten eines über dem Umgebungsdruck liegenden Drucks in einer Reaktionskammer.

Claims (12)

90 300 433.1 (0 393 809)

1. Thermisches Hochtemperatur-Niederdruck-Reaktorsystem (100)

- mit einem langgestreckten Reaktorbehälter (104), der einen nicht-kreisförmigen Querschnitt und eine Quartzwand mit einer Innenfläche (146) und einer Außenfläche (144) aufweist, die eine Reaktionskammer (105) begrenzen, die in Betrieb einer Druckdifferenz ausgesetzt ist, wobei der niedrigere Druck in dem Behälter vorhanden ist,

- mit äußeren Verstärkungseinrichtungen (111 bis 115), die an der Außenfläche der Wand festgelegt sind, um dem aus der Druckdifferenz resultierenden Druck auf die Wand zu widerstehen,

- mit Einrichtungen (120, 124) zum Abdichten der Enden (122, 126) des Behälters,

- mit einer Wafertrageinrichtung (108), die so in dem Behälter angeordnet ist, daß ein relativ ebener Abschnitt (152) des Behälters über der Wafertrageinrichtung liegt,

- mit Lampeneinrichtungen (130), die außerhalb des Behälters angeordnet sind und Strahlungswärme durch die Wand wenigstens teilweise zur Wafertrageinrichtung richten können,

- mit einer Kühlmittelquelle (140) zur Bildung eines Kühlmittelstroms (142) gegen die Außenfläche der Wand und

- mit Einrichtungen (102, 106) zum Strömenlassen eines Gases durch den Behälter im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Behälters bei niedrigem Druck.

2. Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Verstärkungseinrichtungen (111 bis 115) in einem Stück mit der Wand ausgebildet oder mit der Außenfläche der Wand verschmolzen sind.

3. Reaktorsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtungen planare Versteifungsplatten (111 bis 115) einschließen, die mit der Außenfläche verbunden und parallel zueinander angeordnet sind.

4. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem wenigstens der Abschnitt der Verstärkungseinrichtungen (111 bis 115), der die Außenfläche (144) kontaktiert, aus Quartz hergestellt ist.

5. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der erwähnte Querschnitt rechteckig oder ellipsenähnlich ist.

6. Thermisches Hochtemperatur-Niederdruck-Reaktorsystem für die Halbleiterbehandlung mit einem Reaktorbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem Einrichtungen (120, 124) zum Abdichten der Enden des Behälters (104) vorgesehen sind, eine Wafertrageinrichtung (108) in der Röhre angeordnet ist, Lampeneinrichtungen (130) außerhalb der Röhre angebracht sind und Strahlungswärme durch die Wand wenigstens teilweise zu der Wafertrageinrichtung richten können, und Eirichtungen (102, 106) zum Strömenlassen eines Reaktionsteilnehmergases durch den Behälter im wesentlichen parallel zu der Längsachse unter niedrigen Drucken vorgesehen sind.

7. Reaktorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Kühlmittel durch die Verstärkungseinrichtungen (111 bis 115) am Umfang um die Außenfläche herum geführt wird.

8. Reaktorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Behälter (410) einen Längsabschnitt mit einem zur Längsachse senkrechten Querschnitt hat, der einen ersten Durchmesser (420) und einen zweiten Durchmesser (422) hat, der zu dem ersten Durchmesser senkrecht ist und der größer als der erste Durchmesser ist.

9. Reaktorsystem nach Anspruch 8, welches weiterhin eine Wafertrageinrichtung (108) für ein solches Tragen eines Wafers (91) mit planaren Flächen (95, 97) hat, daß seine planaren Flächen senkrecht zu dem ersten Durchmesser (420) sind.

10. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem die Innenfläche (146) einen im wesentlichen ebenen Abschnitt aufweist.

11. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welchem die Lampeneinrichtungen mehrere Heizelemente (132, 133) aufweisen, die in versetzter Beziehung zu den starren Elementen (111 bis 115) angeordnet sind.

12. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11

- mit einem Reaktionsbehälter (104), der eine Reaktionskammer (105) bildet, aus Quartz hergestellt ist, Quartzversteifungsplatten (111 bis 115) hat, die die Kammerwand umgeben, eine Längsachse (160) aufweist, die sich in Längsrichtung von einem Einlaß (120) des Behälters zu einem Auslaß (140) des Behälters erstreckt, einen zu seiner Längsachse senkrechten Querschnitt hat, der im wesentlichen über der Längsachse konstant ist, sowie eine Innenfläche (146) und eine Außenfläche (144) aufweist, wobei jede der Quartzversteifungsplatten eine einwärts gelegene Fläche hat, die mit der Außenfläche des Behälters verschmolzen ist, die Innenfläche einen Punkt hat, der einen Radius begrenzt, der sich senkrecht von der Längsachse zu dem Punkt erstreckt, die Innenfläche einen Krümmungsradius in einer Ebene durch den genannten Punkt senkrecht zu der Längsachse hat und die Größe des Krümmungsradius wesentlich größer als die Größe des Radius ist,

- mit einer Wafertrageinrichtung (108) für ein solches Tragen eines planaren Halbleiterwafers (91) in der Kammer, daß sich der genannte Radius senkrecht zu dem Wafer erstreckt, wobei die Trageinrichtung eine erste planare Fläche (95) des Wafers berührt, die zweite planare Fläche (97) des Wafers zwischen der ersten planaren Fläche und dem erwähnten Punkt angeordnet ist, und die Wafertrageinrichtung mechanisch mit dem Reaktorbehälter so verbunden ist, daß die Position des Wafers in der Reaktionskammer vorgegeben werden kann,

- mit Kammerabdichtungseinrichtungen (122, 126) für ein solches Abdichten der Kammer, daß zwischen der Reaktionskammer und Umgebungsgasen eine Druckdifferenz eingestellt und aufrecht erhalten werden kann, wobei die Kammerabdichtungseinrichtungen eine Einlaßabdichtungseinrichtung zur Schaffung einer Abdichtung am Einlaß und eine Auslaßabdichtungseinrichtung zur Schaffung einer Abdichtung am Auslaß aufweisen und mechanisch mit dem Behälter gekoppelt sind,

- mit einer Gasquelleneinrichtung (102) zum Einführen wenigstens einer Gasart in die Reaktionskammer, wobei die Gasquelleneinrichtung mit der Reaktionskammer über die Einlaßabdichtungseinrichtung (122) verbunden ist, und

- mit einer Vakuumeinrichtung (106) zum Einstellen und Aufrechterhalten eines unter dem Umgebungsdruck liegenden Drucks in der Kammer durch Entfernen von Gas aus der Kammer, wobei die Vakuumeinrichtung mit der Reaktionskammer über die Vakuumabdichtungseinrichtung (126) verbunden ist.