DE69132826T2

DE69132826T2 - Heizgerät für Halbleiterwafers oder Substrate

Info

Publication number: DE69132826T2
Application number: DE69132826T
Authority: DE
Inventors: James F. Gibbons; Christian M. Gronet
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: JPH0693440B2; EP1049356A3; EP0511294A4; WO1991010873A1; DE69118513D1; KR100194267B1; DE69132826D1; JPH05503570A; EP0695922A1; EP0511294B1; EP0695922B1; EP1049356A2; DE69118513T2; KR920704080A; EP0511294A1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein eine schnelle thermische Heizvorrichtung und ein Verfahren zum Heizen von Substraten, und genauer eine derartige Vorrichtung, die eine räumliche Steuerung des Substratheizens einschließt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Halbleiterindustrie ist es wünschenswert, eine Temperaturgleichförmigkeit in dem Substrat während eines Temperaturzyklus des Substrats zu erhalten. Eine Temperaturgleichförmigkeit stellt gleichförmige Prozessvariable auf dem Substrat (z. B. Schichtdicke, Widerstandsfähigkeit, Ätztiefe) für temperatur aktivierte Schritte wie etwa eine Filmabscheidung, ein Oxidwachstum und ein Ätzen bereit. Zusätzlich ist eine Temperaturgleichförmigkeit in dem Substrat notwendig, um eine thermische, spannungsinduzierte Wafer-Beschädigung wie etwa eine Wölbung, eine Defekterzeugung und einen Schlupf zu vermeiden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine schnelle thermische Heizvorrichtung vom Strahlungstyp nach dem Stand der Technik, in welcher ein Wafer 11, der in einer Kammer 12 angeordnet ist, durch eine Strahlung von einer Vielzahl von Lampen 13 geheizt wird. Dieser Typ einer Heizvorrichtung stellt nicht eine adäquate räumliche Steuerung einer Temperatur bereit. Die primäre Schwierigkeit besteht darin, daß unterschiedliche Gebiete des Wafers unterschiedliche Energieabsorptions- oder Emissivitätseigenschaften aufweisen können. Beispielsweise wird, wenn eine Strahlungsheizungsquelle (unter der Annahme einer gleichförmigen Bestrahlung über den Wafer) verwendet wird, um einen Wafer während eines schnellen thermischen Verarbeitungszyklus zu heizen, in welchem der thermisch isolierte Wafer in einer Temperatur in der Größenordnung von 10-300ºC/sec hochgefahren werden kann, die Kante eine unterschiedliche Temperatur als die Mitte aufrecht erhalten, weil die Kante eine Strahlungsenergie von einem breiteren Gesichtsfeld aufnehmen oder emittieren kann. Fig. 2 zeigt die Temperatur in dem Zentrum und an den Kanten eines Wafers als eine Funktion einer Zeit für eine Heizquelle vom Strahlungstyp. Während der Temperatur- Hochfahrabschnitte des Heizzyklus werden die Kanten heißer als die Mitte sein, während während des stationären Zustands und der Herabfahr-Abschnitte die Kanten kühler als das Zentrum sein werden. Diese Kanten-zu-Zentrum-Temperaturunterschiede schaffen radiale Spannungen in einem Wafer, die, wenn sie groß genug sind, den Wafer beschädigen können, und in vielen Prozessen, insbesondere in Hochtemperaturprozessen, in welchen die mechanische Festigkeit des Wafers beträchtlich verringert ist, nicht tolerierbar sind. Beispielsweise kann bei 1150ºC der Zentrum-zu-Kanten-Temperaturunterschied auf einem 102 mm (4")-Siliciumwafer von ungefähr 5ºC eine Versetzungsbildung und einen Schlupf induzieren. Manche herkömmliche Strahlungsheizquellen, wie etwa eine Bank von Wolfram-Halogen-Lampen oder eine einzelne Bogenlampe, können modifiziert werden, um Zentrum-zu-Kanten-Temperaturunterschiede eines Vorzeichens, beispielsweise während einem Temperatur-Hochfahren zu kompensieren. Abschattungen oder Reflektoren können verwendet werden, um mehr Lichtenergie im Zentrum des Wafers verglichen mit der Kante bereitzustellen, aber es ist unmöglich für eine derartige Heizquelle, eine Temperaturgleichförmigkeit während sämtlicher Teile des thermischen Zyklus bereitzustellen.
Temperaturgradienten können auch durch andere Quellen induziert werden. Beispielsweise kann ein Wafer eine nichtgleichförmige Emissivität wegen räumlicher Modifikationen an Oberflächengebieten oder Volumen des Wafers aufweisen. Diese Modifikationen könnten Filme, die durch eine Photolithographie strukturiert worden sind, oder lokal dotierte Bereiche wie etwa vergrabene Schichten für Bipolartransistoren einschließen. Zusätzlich können die Temperaturgradienten durch lokalisierte Gaskühlungs- oder -heizeffekte induziert werden, wie auch durch nichtgleichförmige endotherme oder exotherme Reaktionen, die auf dem Substrat während einer Oberflächenverarbeitung auftreten können.

AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte Heizquelle für eine schnelle thermische Verarbeitung von Halbleiterwafern oder Substraten bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Heizquelle bereitzustellen, die eine räumliche Steuerung der Heizenergie, die an das Substrat angelegt wird, erlaubt.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Heizquelle bereitzustellen, die eine räumliche Steuerung der Wärme ermöglicht, die an einen Wafer oder ein Substrat angelegt wird, um eine Temperaturgleichförmigkeit trotz lokalisierter Variationen in der Fähigkeit des Wafers, Heizenergie zu emittieren oder absorbieren, aufrecht zu erhalten.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Heizquelle bereitzustellen, die eine Vielzahl von unabhängig gesteuerten Heizquellen einschließt, die vorbestimmten überlappenden Gebieten eines Substrats oder Wafers Energie bereitstellen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Heizquelle einschließlich einer Vielzahl von unabhängig gesteuerten Heizquellen, wobei jede einem vorbestimmten Gebiet eines Substrats oder Wafers Energie bereitstellt, und Sensoren zum Erfassen der Temperatur in dem Gebiet bereitzustellen, um eine Steuerung der angelegten Energie zuzulassen, um eine gleichförmige Temperatur über den Wafer aufrecht zu erhalten.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Heizquelle bereitzustellen, die eine Vielzahl von Lichtröhren einschließt, wobei jede eine Energie von einer Energiequelle auf vorbestimmte überlappende Gebiete eines Wafers oder Substrats richtet.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte Lichtröhren-Heizquelle und eine Prozesskammer-Fensteranordnung bereitzustellen.
Die vorangegangenen und anderen Aufgaben dieser Erfindung werden durch eine Heizquelle gelöst, die eine Vielzahl von Quellen von Strahlungsenergie, wobei jede dazu dient, ein vorbestimmtes Gebiet des Substrats zu bestrahlen, und eine Einrichtung zum Befestigen der Quellen von Strahlungsenergie nebeneinander, so daß Abschnitte der bestrahlten Gebiete benachbarter Quellen überlappen und sich die Energieintensität an den Abschnitten von den unterschiedlichen Quellen addieren, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Intensität jeder der Quellen von Strahlungsenergie, wodurch die Strahlungsintensität in unterschiedlichen Gebieten auf dem Wafer oder Substrat gesteuert wird, einschließt
Spezifischer schließt die Erfindung eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen ein, welchen jeweils eine Lichtröhre zugeordnet ist, die neben einer weiteren Lichtröhre angeordnet ist, wobei die Lichtröhren dazu dienen, Strahlungsenergie von der zugeordneten Quelle auf das Substrat hin zu richten, um ein vorbestimmtes Gebiet des Substrats mit einem Muster einer relativen Strahlungsenergie zu bestrahlen. Die Lichtröhren sind so beabstandet, dass sich ein Abschnitt des bestrahlten Gebiets der benachbarten Lichtröhren überlappt, so daß sich die Strahlungsintensität an den Abschnitten addiert, um eine relative Intensität über den Wafer bereitzustellen, die abhängig von der Intensität einer Kombination der Strahlungsenergiequellen ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorangegangenen und anderen Aufgaben der Erfindung werden klarer aus der folgenden Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gelesen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer schnellen thermischen Heizquelle nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 die Temperatur eines Wafers als eine Funktion der Zeit in dem Zentrum und der Kante, wenn der Wafer mit einer Quelle vom Strahlungstyp bestrahlt wird;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer schnellen thermischen Heizvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung, genommen allgemein entlang der Linie 3-3 der Fig. 4;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer schnellen thermischen Heizvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, genommen entlang der Linie 4-4 der Fig. 3;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht, die eine Lichtröhre und eine Temperaturerfassungsröhre in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des in Fig. 3 gezeigten Vakuumfensters;
Fig. 7 die relative Intensität einer Strahlung von einer Lichtröhre als eine Funktion einer Entfernung über die Lichtröhre für zwei Oberflächenbearbeitungen;
Fig. 8 eine Kurve, die eine Strahlung als einer Funktion der Wellenlänge für einfallende und emittierte Energie zeigt;
Fig. 9 eine schematische Ansicht einer schnellen thermischen Heizvorrichtung einschließlich einer Infrarotkamera, die die Vorderseite eines Wafers, der verarbeitet wird, beobachtet; und
Fig. 10 ein schematisches Diagramm einer typischen Steuerschaltung, die verwendet werden kann, um die schnelle thermische Heizvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung zu steuern.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 ist die Vorrichtung dieser Erfindung einer evakuierten Prozesskammer 13 zugeordnet gezeigt. Die Wände der Kammer sind bei 14 schematisch gezeigt. Die Vorrichtung bildet eine obere Wand der Kammer und ist damit durch O-Ringe 16 abgedichtet, die mit der Fensteranordnung 17 zusammenwirken, die hierin zu beschreiben ist. Eine Strahlungsenergie-Lichtröhrenanordnung 18 ist dem Fenster 17 überlagert gezeigt. Die Strahlungsenergieanordnung schließt eine Vielzahl von Wolfram-Halogen-Lampen 19 ein, beispielsweise Sylvania-EYT-Lampen, wovon jede innerhalb einer Lichtröhre 21 befestigt ist, die aus rostfreiem Stahl, Messing, Aluminium oder einem anderen Metall sein kann. Die Enden der Röhren sind an Öffnungen in oberen und unteren Kühlkammerwänden 22 und 23 gelötet oder geschweißt. Eine zylindrische Wand 24 ist an die Umfangskante der Wände 22 und 23 gelötet oder geschweißt und definiert zusammen damit eine Kühlungskammer 26. Ein Kühlmittel, wie etwa Wasser, wird in die Kammer über den Einlass 27 eingeführt und wird bei dem Auslass 28 entfernt. Unter Bezugnahme spezifisch auf Fig. 4 läuft die Flüssigkeit in den Raum zwischen den verschiedenen Lichtröhren und dient dazu, die Lichtröhren zu kühlen. Blenden 29 können eingeschlossen werden, um eine geeignete Strömung einer Flüssigkeit durch die Kammer sicherzustellen.
Lampen 19 schließen einen Heizfaden ein, der als eine Spule mit seiner Achse parallel zu jener der Lampenhülle gewickelt ist. Das meiste Licht wird senkrecht zu dieser Achse zu den Wänden der umgebenden Lichtröhre hin emittiert. In Fig. 5 ist die bevorzugte Anordnung der Lampe 19 in der Lichtröhre 21 gezeigt. Eine obere Manschette 31 aus rostfreiem Stahl ist in der Lichtröhre plaziert, und eine untere Manschette 32 aus rostfreiem Stahl ist auch in der Lichtröhre plaziert. Die innere Oberfläche der Manschette 32 ist gold-plattiert, um zu verhindern, daß die Oberfläche oxidiert und um ein hohes Niveau einer Reflektivität aufrecht zu erhalten. Es ist gefunden worden, daß, wenn das Gold direkt auf die Manschette 32 aus rostfreiem Stahl plattiert wird, und die Manschette durch eine Strahlung von der Lampe erwärmt wird, das Gold in den rostfreien Stahl diffundiert und etwas von seiner Reflektivität verliert. Dieses Problem wurde durch ein Verwenden einer Nickeldiffusionsbarriere zwischen dem rostfreien Stahl und dem Gold gelöst. Die Nickelbarriere wurde unter Verwendung standardisierter elektrodenloser Nickelplattierungstechniken angelegt, und dann wurde das Gold hoher Reinheit durch ein Goldplattieren angelegt.
Ungefähr die Hälfte der Strahlungsenergie von der Lampe geht aus dem Ende der zugeordneten Lichtröhre nach vielen Reflexionen heraus. Die andere Hälfte wird an der Basis der Lampe absorbiert. Dies kann dazu führen, daß die Basis der Lampe viel höhere Temperaturen verglichen mit einer Lampe erreicht, die in einen offenen Raum strahlt. Wenn die Basis der Lampe zu heiß wird, kann die durchschnittliche Lampenlebensdauer beträchtlich verringert werden. Diese Lampendegradation wird durch einen Riss in der Dichtung um die Molybdänplatten 33 verursacht, die die elektrische Energie zu dem Heizfaden tragen. Über ungefähr 300ºC wird das Molybdän leicht oxidiert, und das resultierende Molybdänoxid verursacht eine Volumenexpansion, die den Quarz aufreißt oder einen Schaltungsbruch herbeiführt. Somit war es notwendig, eine Einrichtung zum Kühlen der Lampenbasis bereitzustellen. Durch ein Plazieren eines Metalls wie etwa einer Lötlegierung 36 zwischen der Manschette 31 und dem Lampenbasis 34, die leicht plaziert geschmolzen werden kann, wird eine ausgezeichnete Wärmeübertragung durch das Metall zu der umgebenden Wand 31 aus rostfreiem Stahl bereitgestellt. Dies erlaubt es, daß die Basis 34 der Lampe bei akzeptablen Temperaturen arbeitet. Das Lötzinn kann durch ein erstes Plazieren einer Keramikvergussmasse 37 angelegt werden, um einen Damm zu bilden, und dann durch ein Anlegen des Metalls in dem Raum zwischen der Basis 34 und dem Zylinder 31. Die Anordnung kann dann mit einer Keramikvergussmasse 38 vergossen werden.
Ein zweiter Lampenausfallmechanismus tritt auf, wenn die Temperatur der Hülle über 550ºC ansteigt. Bei dieser Temperatur beginnt die Quarzhülle mit den Gasspezies innerhalb der Hülle zu reagieren. Überdies weicht die Hülle genug auf, um sich aufzublähen oder Blasen zu werfen, da Wolfram-Halogen-Lampen mit einem sehr hohen internen Gasdruck arbeiten. Dieses Problem wird durch ein Einführen einer Präzisions- Grundquarzmanschette 39 zwischen der Lampenhülle und der goldplattierten reflektiven Manschette 32 abgemildert, wodurch ein besserer Wärmeleitungspfad als Luft bereitgestellt wird.
Lampenlebensdauern können auch durch ein Betreiben der Lampe bei einer geringeren als der festgesetzten Spannung verlängert werden, da die Lebensdauer im allgemeinen exponentiell von der angelegten Spannung abhängig ist. Somit kann durch ein Absenken der Spannung die Lebensdauer beträchtlich erhöht werden.
Die Lichtröhrenlänge wird gewählt, zumindest so lang wie die zugeordnete Lampe zu sein. Sie kann länger gemacht werden, vorausgesetzt, daß die Energie, die den Wafer erreicht, nicht wesentlich durch erhöhte Reflektionen abgeschwächt wird. Fig. 7 zeigt, daß für eine zylindrische Röhre eine polierte Oberfläche zu einem fokussierteren Intensitätsprofil als eine Röhre mit einer sandgestrahlten Bearbeitung führt. Die Intensitätsabtastungen der Fig. 7 wurden durch ein Abtasten eines Monitors über dem Ende einer Lichtröhre erhalten. Somit kann das Gebiet und das Intensitätsmuster der Strahlung durch eine Steuerung der Oberflächenbearbeitung gesteuert werden.
Die Röhrengeometrie, die Wirkungsquerschnittsform, die Länge, die räumliche Auslegung und die Bearbeitung können empirisch optimiert werden, um eine gleichförmige Beleuchtung oder jedwedes gewünschte Intensitätsprofil bereitzustellen. Dies kann durch ein Messen des räumlichen Intensitätsprofils einer einzelnen Lampen-Lichtröhre und dann ein Verwenden eines Computerprogramms erreicht werden, um die Intensitätsprofile mehrfacher Lampen-Lichtröhren durch eine lineare Superposition zu summieren. Somit ist man durch ein Steuern der kritischen Parameter wie etwa der Goldmanschettenbearbeitung, der Lampenbeabstandung und der Form der Lichtröhren, um den Überlapp einer Strahlung von benachbarten Lichtröhren zu steuern, in der Lage, ein gleichförmiges Intensitätsprofil zu erreichen, das dann durch ein Steuern der Lampenenergie zu individuellen Lampen moduliert werden kann, um eine dynamische Temperaturgleichförmigkeit oder einfach eine verbesserte stationäre Gleichförmigkeit bereitzustellen.
Die Strahlungsenergiequelle 18, die die Vielzahl von Lichtröhren und zugeordneten Lampen umfaßt, erlaubt die Verwendung dünner Quarzfenster, um einen optischen Zugang zum Heizen eines Substrats innerhalb der evakuierten Prozesskammer bereitzustellen. Herkömmliche Vakuum-Beleuchtungs- und -heizsysteme erfordern ein Quarzfenster, das relativ dick ist, um dem Atmosphärendruck zu widerstehen. Das Quarzfenster kann durch ein Absorbieren von Infrarotlicht von dem heißen Substrat oder von der Heizquelle selbst sehr heiß werden. Ein heißes Quarzfenster weist mehrere Nachteile für Vakuumverarbeitungskammern auf. Das Dichtmaterial des Fensters kann sich zersetzen. Substratkühlungsraten werden verringert, wodurch ein Durchsatz oder eine Produktivität der Verarbeitungsmaschine verringert werden. Reaktive Gase können sich thermisch zersetzen und auf dem Fenster plattieren, was verringerte und nichtgleichförmige Fenstertransmissionseigenschaften herbeiführt. Das heiße Quarzfenster wird Schwarzkörperstrahlung in den Bereichen des Spektrums emittieren, die verwendet werden, um die Wafertemperatur unter Verwendung optischer Pyrometer zu erfassen. Eine derartige Störung erhöht die Komplexitäten exakter Wafer-Temperaturmessungen.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird eine wassergekühlte Quarzfensteranordnung 17, die in größerem Detail in Fig. 6 gezeigt ist, eingesetzt. Die Fensteranordnung schließt kurze Lichtröhren 41 ein, die an die oberen und unteren Flanschplatten 42 und 43 gelötet sind, die ihre äußeren Kanten abgedichtet mit der Wand 44 aufweisen. Kühlwasser wird in den Raum 46 zwischen den Lichtröhren injiziert und dient dazu, die Lichtröhren und Flansche zu kühlen. Die Lichtröhren passen in die Lichtröhren 21 der Beleuchtungseinrichtung. Der wassergekühlte Flansch mit dem Lichtröhrenmuster, das in das Lampengehäuse passt, ist zwischen zwei Glasplatten 47 und 48 eingebettet. Diese Platten sind mit dem Flansch mit O-Ringen 49 und 51 in der Nähe des Umfangs des Flansches abgedichtet. Die oberen und unteren Flanschplatten 42 und 43 schließen Nuten 52 ein, die eine Verbindung zwischen den Lichtröhren bereitstellen. Ein Vakuum wird in den Röhren durch ein Pumpen durch eine Röhre 53, die mit einer der Röhren verbunden ist, die wiederum mit dem Rest der Röhren durch die sehr kleinen Aussparungen oder Nuten 52 in der Endplatte des Flansches verbunden ist, erzeugt. Somit stellen, wenn dieser eingebettete Aufbau auf eine Vakuumkammer plaziert wird, die Metallflansche, typischerweise rostfreier Stahl, der eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist, eine adäquate Aufbauhalterung bereit. Das untere Quarzfenster, das tatsächlich die Vakuumkammer abdichtet, erfährt geringe oder keine Druckdifferenz wegen des Vakuums auf jeder Seite, und kann somit sehr dünn ausgeführt werden.
Das Adapterplattenkonzept erlaubt es, daß die Quarzfenster leicht zum Reinigen oder für eine Analyse gewechselt werden. Zusätzlich stellt das Vakuum zwischen den Quarzfenstern der Adapterplatte ein extra Niveau eines Schutzes gegenüber toxischen Gasen, die aus der Reaktionskammer entweichen, bereit. Jedwede Änderungen in dem Druck dieses Vakuums werden verwendet, um einen Fensterbruch zu erfassen. Sobald er erfaßt ist, kann ein es Sicherheits-Blockiersignal veranlassen, daß der Reaktor entleert und in einen sicheren Zustand zurückverbracht wird.
Um die Strahlungsintensität der Lampen einzustellen, ist es erforderlich, daß die Temperatur des Substrats oder Wafers gemessen wird. Eine Temperaturverteilung des Wafers kann unter Verwendung von Thermopaaren aufgezeichnet werden. Es ist jedoch schwierig, viele Thermopaare an einem Wafer anzubringen, um Temperaturgleichförmigkeitsdaten mit einer guten räumlichen Auflösung zu erhalten. Zusätzlich werden Thermopaare selbst das lokale Heizen und Kühlen des Wafers ändern und können zu fehlerhaften Temperaturmessungen führen. Die Technik eines Anbringens von Thermopaaren kann nicht verwendet werden, wenn Wafer tatsächlich verarbeitet werden, und sie somit nur nützlich beim Einrichten und Kalibrieren der Ausrüstung.
Eine weitere Technik besteht darin, eine Infrarotkamera wie etwa eine von Agema hergestellte Kamera zu verwenden, die auf die Rück- oder Vorderseite des Wafers fokussiert werden kann, und verwendet wird, eine von dem Wafer emittierte Infrarotstrahlung zu erfassen. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 ist eine Kamera 51 gezeigt, die die Rückseite des Wafers 52 beobachtet, der von einer Beleuchtungseinrichtung 18 beleuchtet wird. Die Kamera erfaßt Strahlung in dem Wellenlängenbereich 8-12 Mikrometer, die von dem Wafer emittiert wird. Kein Licht von der Heizquelle wird erfaßt, weil sämtliches Licht mit Wellenlängen oberhalb ungefähr vier Mikrometer von dem Quarzfenster absorbiert wird. Die Infrarotkamera kann Unterschiede von weniger als 3ºC für Temperaturen von bis zu 1.200ºC mit einer räumlichen Auflösung besser als 2,54 mm (1/10 eines Inches) auf einem Siliziumwafer von 152,4 mm (sechs Inch) Durchmesser erfassen. Zusätzlich können farbcodierte thermische Karten der Wafertemperatur mit Raten von vielen Malen pro Sekunde gespeichert werden, und somit kann die Wafertemperaturgleichförmigkeit während schneller Temperaturrampen überwacht werden. Mit der Verwendung einer Kamera ist es möglich, eine Temperaturgleichförmigkeit durch ein einfaches manuelles Einstellen der elektrischen Energie, die an jede der einzelnen Lampen angelegt wird, zu erhalten. Alternativ kann die Kamera einem optischen Aufnehmer zugeordnet sein, der das Strahlungsmuster erfaßt und einem Computer einen Videoeingang zuführt, der dann silizium-gesteuerte Gleichrichter oder andere Energieversorgungen für jede der Lampen steuern kann, um die korrekte Temperaturgleichförmigkeit über den Wafer aufrechtzuerhalten.
Jedoch kann es in einer kommerziellen Maschine zu teuer sein, eine getrennte Infrarotkamera auf jedem Reaktor wegen der hohen Kosten zu verwenden, und auch deswegen, weil Gasinjektoren und andere Prozess-Hardware, wie etwa ein Suszeptor, den Blick auf den Wafer versperren. Es ist somit wünschenswert, die Wafertemperatur von der beleuchteten Seite her zu messen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Räume zwischen den Lichtröhren mit kleinen Hohlröhren 58 versehen, um einen Pfad für Licht bereitzustellen, das von dem Wafer emittiert wird, um einen optischen Pyrometerdetektor zu erreichen.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 5 ist ein Pyrometer oder ein Detektor 56 zusammenwirkend mit einem Adapter 57 gezeigt, der mit der Lichtröhre 58 verbunden ist, die zwischen den oberen und unteren Flanschen 22 und 23 verläuft. Ein Filter 59 wird vor dem Pyrometer eingeführt, und wird gewählt, eine Infrarotenergie des Wellenlängenbereiches 4,8-5,2 Mikrometer durchzulassen, der außerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, der von dem Quarzfenster durchgelassen wird. Somit interferiert Licht von den Lampen nicht mit der Strahlung von dem Wafer, die von dem Detektor aufgenommen wird.
In der Fensteranordnung sind die Quarzfenster 47 und 48 neben der Lichtröhre 58 als herausgeschnitten und mit Saphirfenstern 61 ausgestattet gezeigt, die Licht einer Wellenlänge herauf bis ungefähr 6,5 Mikrometer übertragen. Somit wird es zugelassen, daß Licht von dem Wafer durch die Saphirfenster herauf durch die Lichtröhre 58 durch das Filter 59 und zu dem Detektor 56 passiert, der ein Ausgangssignal bereitstellt, das anzeigend für die Oberflächentemperatur des Wafers innerhalb des Blickfelds der Lichtröhre ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 sind Lampen- und Waferstrahlungswellenlängen durch beschriftete Kurven gezeigt. Der Filter 59- Bandpass ist durch das Fenster 60 zwischen den Quarzgrenz- und Saphirgrenzwellenlängen gezeigt. Es ist zu ersehen, daß die Energie primär Waferenergie ist.
Die Dimensionen der Lichtröhre können typischerweise 0,15 Inch (3,81 mm) im Durchmesser und fünf Inch (127 mm) lang sein. Diese Geometrie stellt sicher, daß das Gebiet des Wafers, der von dem Pyrometer abgetastet wird, klein ist, einfach weil der Akzeptanzwinkel für eine derartige Lichtröhre klein ist. Viele Pyrometer können verwendet werden, um viele Gebiete auf dem Wafer abzutasten.
Unter Verwendung von Proportional-Integrations- und Differentiations-Software wird die Energie zu Gruppen von Lampen nahe bei jedem Pyrometer gesteuert, um die Energie, die an lokalisierte Gebiete angelegt wird, zu steuern. Unter Verwendung dieser Technik wird eine dynamische Wafertemperaturgleichförmigkeit automatisiert. Die Temperatur eines Substrats wird somit als eine Funktion einer Zeit und einer Position gesteuert. Ein gewünschtes Temperatur über-Zeit-Profil kann in einen Steuer-Computer eingegeben werden, und mehrfache Pyrometer- Rückführschleifen werden sicherstellen, daß die Wafertemperatur gleichförmig und durch den thermischen Zyklus hindurch aufrechterhalten wird. Ein zusätzlicher Nutzen dieser Technik besteht darin, daß eine Temperaturgleichförmigkeit trotz Änderungen in optischen Eigenschaften der Prozesskammer oder vorheriger thermischer Vorgeschichte erreicht werden kann, wodurch Kammergedächtniseffekte beseitigt werden, die so viele Reaktoren, die gewöhnlich in Gebrauch sind, heimsuchen. Ein Lampengruppieren mit Pyrometern wird durch ein Drehen der Wafer vereinfacht, weil Lampen dann Pyrometer-Steuerschleifen gemäß Radien zugeordnet werden können. Dies verringert drastisch die Anzahl von benötigten Pyrometern und Steuerschleifen. Die Waferdrehung wird auch die Gleichförmigkeit anderer Prozessparameter wie etwa einer Gasinjektion und eines Massentransports zu der Waferoberfläche verbessern.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird der Wafer 61 an seiner Kante durch beabstandete Haltefinger 62 gehalten, die auf einem Halterohr 63 befestigt sind. Der Halter 63 wird drehbar von den Wänden der Kammer 14 durch eine Lageranordnung 64 gehalten. Magnete 66 sind an der Halterung befestigt. Die Magnetfelder der Magnete verlaufen durch die Wand 14 und koppeln an Magnete 67, die an einem Antriebsring 68 befestigt ist, der geeignet angetrieben wird (nicht gezeigt). Eine Drehung des Rings führt dazu, daß sich das Waferhalterohr 63 und der Wafer drehen. Die magnetische Kopplung beseitigt den Bedarf nach einer aufwendigen vakuum-abgedichteten Antriebsanordnung.
Es wird für Durchschnittsfachleute offensichtlich sein, daß das Halterohr 63 durch einen Suszeptor (nicht gezeigt) ersetzt werden kann, und daß die vorliegende Erfindung auf eine Verarbeitung von Wafern angewandt werden kann, die auf einem Suszeptor wie auch auf einem in Fig. 3 gezeigten Halterohr gehalten werden.
Schematisch gezeigt ist ein Gasinjektionskopf 69 zum Injizieren von Verarbeitungsgasen in die Kammer 13, wodurch verschiedene Verarbeitungsschritte in der Kammer ausgeführt werden können.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 ist die Steuerschaltung für eine schnelle thermische Verarbeitungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung gezeigt. Die Temperatursensoren 56 stellen ein analoges Ausgangssignal bereit, das repräsentativ für die bezeichnete Wafertemperatur ist. Die analogen Ausgangssignale werden durch einen A-zu-D-Konverter 72 konvertiert. Die digitalen Signale werden an einem Computer 73 angelegt. Das gewünschte Temperaturzeitprofil wird in den Computer eingegeben. Der Computer stellt dann digitale Ausgangssignale in Abhängigkeit von den beiden Eingangsgleichrichtern 74 bereit, die die Energie zu den einzelnen Lampen oder einer Gruppe von Lampen, die jedem Sensor zugeordnet sind, steuern.
Wenn eine Glühbirne durchbrennt und eine neue Glühbirne installiert wird, muß die neue Glühbirne kalibriert werden, um das Bündelbeleuchtungsprofil aufrecht zu erhalten. Dies wird erreicht, indem der Lichtausgang über eine Spannungscharakteristik für jede Lampe unter Verwendung eines Kalorimeters gemessen wird. Somit wird, wenn eine Lampe ersetzt wird, eine Nachschlagtabelle von Skalierungsfaktoren in dem Computer aktualisiert, um jedweden Glühbirnenunterschieden Rechnung zu tragen. Wenn ein Energiebefehl zu jedweder Glühbirne gegeben wird, wird er zuerst unter Verwendung der Skalierungsfaktoren modifiziert, und dann gesendet, um die gesteuerten Silizium- Gleichrichter zu steuern.
Somit ist ein schneller thermischer Heizbetrieb bereitgestellt worden, in welchem das Temperaturprofil eines Wafers genau gesteuert werden kann, um eine spannungsinduzierte Waferbeschädigung während einer Waferverarbeitung zu minimieren.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Substrats, das verarbeitet wird, umfassend:

Heizen des Substrats über eine Lichtanordnung, die eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen umfaßt, wobei jede Quelle von einer Lichtröhre umgeten ist, wobei die Anordnung so angeordnet ist, daß ein vorbestimmtes definiertes und begrenztes Gebiet des Substrats durch mehr als eine Strahlungsenergiequelle beleuchtet wird, derart, daß ein definiertes und begrenztes Gebiet, das durch eine Strahlungsenergiequelle bestrahlt wird, ein definiertes und begrenztes Gebiet überlappt, das durch eine andere Strahlungsenergiequelle bestrahlt wird;

Messen der Temperatur des SubstrEts an einer Vielzahl von Orten entlang des Substrats; und

Einstellen der Intensität der Quelle, um so eine gleichförmige Temperatur über das Substrat bereitzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Substrats unter Verwendung einer Vielzahl optischer Pyrometer gemessen wird, die in eine Vielzahl von Öffnungen zwischen den Lichtröhren eingeführt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Substrats durch ein Abtasten einer Infrarotkamera entlang des Substrats gemessen wird, wobei die Oberfläche des Substrats beleuchtet wird, Unterschiede in einer Temperatur entlang des Substrats erfaßt werden und die Intensität der Strahlungsenergiequellen eingestellt wird, um die Unterschiede in einer Temperatur zu beseitigen.

4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 2, dadurch gekann zeichnet, daß das Substrat während einer Verarbeitung gedreht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch eine Lageranordnung auf einer Halterung für das Substrat gedreht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch Magnetfelder gedreht wird, die von Magneten, die auf einem Antriebsring für die Substrathalterung befestigt sind und Magneten, die auf der Substrathalterung befestigt sind, erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtröhren an Öffnungen in oberen und unteren Kühlkammerwänden gelötet sind, die verbunden sind, um so eine Kühlkammer zu bilden, die wirkt, die Lichtröhren zu kühlen und wiederum die Basis der Strahlungsenergiequellen zu kühlen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, die' zwischen den Lichtröhren läuft.