DE69209843T2 - Beheizter Fussboden zum Heizen eines darauf plazierten Körpers und chemischer Behandlungsreaktor mit diesem Boden - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizsohle zum Erwärmen eines Gegenstands wie z. B. eines Substrats, vorzugsweise dünn, angeordnet auf ihrer Oberfläche, sowie einen Reaktor zur chemischen Behandlung, der eine solche Sohle enthält.
• Die chemischen Verarbeitungsreaktoren ermöglichen vor allem das Herstellen von Materialabscheidungen auf einem Substrat, z. B. durch das bekannte CVD-Verfahren. Dieses Substrat ist im allgemeinen eine Siliciumscheibe, wie sie bei der Herstellung von elektronischen Komponenten verwendet wird.
• Diese Art von chemischer Behandlung erfordert die Erwärmung des Substrats auf Temperaturen zwischen 20 und 1000ºC.
• Die chemischen Behandlungsreaktoren weisen die Möglichkeit auf, das Substrat entweder indirekt durch von einer Lichtquelle wie z. B. Halogenlampen ausgesandte Strahlungen zu erwärmen, oder direkt durch Kontakt dieses Substrats mit einer Heizsohle (s. insbesondere den Reaktor der Firma Varian). Für den Fall, das das Substrat auf der Heizsohle angeordnet wird, entspricht die Verteilung der Temperaturen am Substrat direkt der Verteilung der Temperaturen auf der Sohle.
• Nun wird in den Reaktoren dieses Substrat manchmal durch einen Umfangs-Spannring in Kontakt mit der Sohle gehalten, der einen Druck ausübt auf den Umfang dieses Substrats. Da dieser Ring im allgemeinen ein guter Wärmeleiter ist, tritt oft örtlich ein Absinken der Temperatur des Substrats auf.
• Außerdem enthält die Sohlplatte der bekannten Sohlen der vorhergehenden Technik nur einen einzigen Heizwiderstand, angeordnet entsprechend einer besonderen räumlichen Aufteilung, die angepaßt ist an ihre Verwendung. Da dieser Heizwiderstand nur von einem einzigen bzw. einheitlichen Strom durchflossen wird, werden die einzigen möglichen Temperaturveränderungen an der Oberfläche der Sohle verursacht durch die flächenbezogene Verteilung des Heizwiderstands in der Sohle. Es ist daher aus Raumbedarfsgründen schwierig, eine genaue Zone zu überhitzen, um ein örtliches Absinken der Temperatur auszugleichen oder einen an das gewünschte Behandlungsverfahren angepaßten Temperaturgradienten herzustellen. Man kennt aus dem Dokument US-A-3 134 006 ebenfalls ein Temperaturkontrollsystem für ein Heizelement, das für drei Zonen sechs Thermistoren umfaßt, die drei Steuerschleifen bilden, nämlich eine "Master"-Schleife genannte Hauptschleife und zwei "Sklaven"-Schleifen genannte Hilfsschleifen.
• Das Dokument EP-A-0 165 114 beschreibt eine Wärmeregulierungsvorrichtung für Sohlen mit warmen Kanälen, bei der jede Heizzone einem Thermoelement zugeordnet ist.
• Es wäre folglich wünschenswert, eine Heizsohle herzustellen, deren Oberflächentemperatur genauer angepaßt werden kann und deren Wärmemenge, geliefert durch zwei Oberflächenzonen der Sohle, unterschiedlich sein kann selbst dann, wenn diese Zonen klein und aneinandergrenzend sind.
• Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Heizsohle, dazu bestimmt, einen auf ihrer Oberfläche angeordneten Gegenstand zu erwärmen und ein im voraus gewähltes Temperaturprofil herzustellen, wobei diese Sohle eine Sohlplatte umfaßt, die aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist.
• Nach den Charakteristika der Erfindung umfaßt die Sohlplatte n Zonen, wobei im Innern von jeder von ihnen ein elektrisch leitfähiges Element der Länge Ln angeordnet ist, das von einem Strom der Stärke In durchflossen wird und dazu bestimmt ist, die Erwärmung der entsprechenden Sohlplatten-Zone zu gewährleisten, n+1 Meßfühler der Oberflächentemperatur der Sohlplatte, wobei diese Meßfühler an den Enden bzw. Rändern jeder Zone angeordnet sind und n eine ganze Zahl größer als 1 ist, Einrichtungen zur paarweisen Verarbeitung der Daten, geliefert durch die Meßfühler, die die entsprechende zu heizende Zone umrahmen, Vergleichseinrichtungen der durch die Verarbeitungseinrichtungen gelieferten Werte mit wenigstens einem Bezugswert, und Regeleinrichtungen der Stärke des in jedem elektrisch leitenden Element fließenden Stroms, wobei diese Regeleinrichtungen von den Vergleichseinrichtungen abhängig sind.
• Man kann also dank der Erfindung die Oberfläche der Heizsohle in mehrere Heizzonen aufteilen. Die Anzahl der Zonen wird festgelegt in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Erwärmung und/oder der Form des Temperaturprofils, das man zu erhalten wünscht. Zwei Temperaturmeßfühler sind jeder Heizzone zugeordnet. Die durch diese Meßfühler gemessenen Werte werden an die Verarbeitungseinrichtungen übertragen, die einen berechneten Wert liefern. Dieser wird anschließend mit einem Bezugswert verglichen, der der in dieser Zone gewünschten Temperatur entspricht. Dieser Bezugswert kann für alle Zonen gleich sein oder unterschiedlich. Wenn dieser Bezugswert einheitlich ist, ist das Temperaturprofil der Sohlplatte flach. Wenn hingegen die Bezugswerte verschieden sind, erhält man ein unterschiedliches Temperaturprofil, z. B. eine aus der Mitte der Sohlplatte ansteigende Kurve. Außerdem, sogar um ein flaches Temperaturprofil aufrechtzuerhalten, können unter Berücksichtigung der örtlichen Wärmeverluste zwei aneinandergrenzende Zonen mittels leitender Elemente unterschiedliche Wärmemengen erhalten. Diese leitenden Elemente können nämlich eine unterschiedliche flächenbezogene Verteilung und eine unterschiedliche Länge Ln haben. Schließlich kann man auch mittels Regeleinrichtungen auf verschiedene Weise die Stärke der Ströme In verändern, die diese leitenden Elemente durchfließen.
• Vorzugsweise ist die Sohlplatte kreisförmig und die verschiedenen Zonen der Sohlplatte sind ringförmig und konzentrisch.
• Da die behandelten Gegenstände wie z. B. die Substrate generell kreisförmig sind, wobei es sich meistens um Siliciumscheiben handelt, sind die Kreisform der Sohlplatte und die konzentrischen Formen der Heizzonen besonders gut angepaßt an diese Art der Anwendung. Jedoch könnte man selbstverständlich für Gegenstände mit anderen Formen andere Sohlplatten- oder Zonenformen vorsehen, ohne deswegen den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Vorteilhafterweise ist das leitende Element im Innern von jeder Zone spiralförmig angeordnet. Diese besondere Anordnung ist vorteilhaft, denn wenn das leitende Element besonders steif ist, vermeidet man Winkellinien, die den Bruch dieses Elements verursachen könnten.
• Vorzugsweise umfassen die Meßfühler ein Thermoelement. Dieses ist im Handel leicht erhältlich. Jedoch könnte man auch andere Temperaturmeßfühler vorsehen, z. B. optische Pyrometer, die außerhalb der Sohlplatte angeordnet sind.
• Vorteilhafterweise ermöglichen die Einrichtungen zur Verarbeitung der Daten, die geliefert werden durch zwei Meßfühler, die eine zu heizende Zone einrahmen, den Durchschnitt aus beiden Temperaturen zu berechnen. Jedoch könnte man ebenfalls vorsehen, auf der Basis der beiden gelieferten Temperaturen eine andere Berechnung durchzuführen. Diese Berechnung hängt ab von dem auf der Sohlplatte angestrebten Temperaturprofil.
• Schließlich umfassen die Regeleinrichtungen n Einrichtungen zur variablen Stromversorgung, wobei jede von ihnen verbunden ist mit den beiden Enden von einem der elektrisch leitenden Elemente. Diese Einrichtungen sind einfach zu betreiben und kosten wenig. Abhängig von den Abweichungen der berechneten Werte vom Bezugswert, reagieren die Regeleinrichtungen, abhängig von den Vergleichseinrichtungen, indem sie die Stromstärke an den Klemmen von jedem leitenden Element verändern.
• Schließlich betrifft die Erfindung ebenfalls einen Reaktor zur chemischen Behandlung eines Substrats, der, wie oben beschrieben, eine Heizsohle zur Aufnahme des besagten Substrats auf ihrer Oberfläche umfaßt.
• Die Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
• - die Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Schema der Erfindung, wobei die Sohle in der Draufsicht dargestellt ist, und
• - die Fig. 2 ist eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Heizsohle.
• Zum besseren Verständnis der Beschreibung nimmt man als auf der Heizsohle angeordnetem Gegenstand ein Substrat.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Heizsohle bestimmt zum Erwärmen eines Substrats (nicht dargestellt), angeordnet auf der Oberfläche 2. Die Sohle umfaßt eine Sohlplatte 4 aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit. Dieses Material muß ebenfalls eine gute mechanische Festigkeit aufweisen, kompatibel mit der Benutzungstemperatur. Beispielsweise kann man bestimmt Metalle, Bornitrid oder Graphit verwenden.
• Diese Sohlplatte 4 weist innen eine Nut 6 auf, vorzugsweise kontinuierlich, in deren Innern n leitfähige Elemente 8 angeordnet und verlötet sind, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist. Diese leitfähigen Elemente 8 sind in Fig. 1 nur schematisch dargestellt.
• Bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist die Sohlplatte 4 der Heizsohle kreisförmig, da das behandelte Substrat es auch ist. Die leitenden Elemente 8 sind folglich in der Nut 6 vorzugsweise einer spiralförmigen Wicklung entsprechend angeordnet. Von den n stromleitenden Elementen 8 weist jedes eine variable Länge Ln auf. Jeder Stromleiter 8 definiert an der Oberfläche der Sohlplatte 4 eine entsprechende Zone 10. Genauer ausgedrückt wird jede Zone definiert durch den Platzbedarf und die Wicklung eines leitenden Elements 8. Folglich ist die Zone 10 in Abhängigkeit von der Länge Ln des leitenden Elements und von seiner flächenbezogenen Verteilung mehr oder weniger breit.
• Die Zonen 10 sind ringförmig und konzentrisch.
• Außerdem umfaßt die Heizsohle ebenfalls n+1 Temperatur- Meßfühler 12. Diese Meßfühler 12 werden vorzugsweise im wesentlichen in Höhe der beiden Enden jedes elektrisch leitenden Elements 8 angeordnet. Anders ausgedrückt befindet sich jeder Meßfühler 12 zwischen den Enden der beiden Wicklungen von benachbarten Elementen 8. Diese Meßfühler sind vorzugsweise Thermoelemente. Folglich, wie zu sehen in Fig. 1, kann man auch erwägen, ein Thermoelement auf dem ringförmigen Innenrand einer Zone 10 anzuordnen und das nächste Thermoelement auf dem Außenrand derselben Zone. Diese Thermoelemente sind klassisch und werden daher nicht weiter beschrieben. Wie dargestellt in Fig. 2 ermöglichen sie, die Temperatur in einem mit 13 bezeichneten Punkt zu messen, der sich an der Oberfläche 2 der Sohlplatte 4 befindet, über besagtem Thermoelement 12.
• Außerdem, wie man in Fig. 1 sehen kann, umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung Verarbeitungseinrichtungen 14 der durch die Meßfühler 12 gelieferten Daten. Diese Verarbeitungseinrichtungen 14 umfassen einen Rechner zum paarweisen verarbeiten der durch zwei Meßfühler 12 gelieferten Daten, die sich an den beiden Enden bzw. Rändern derselben Zone 10 befinden. Die Verarbeitungseinrichtungen 14 ermöglichen zum Beispiel, den Durchschnitts der beiden zu beiden Seiten der Zone 10 gemessenen Temperaturen zu ermitteln und daraus die mittlere Temperatur abzuleiten, die in dieser Zone an der Oberfläche der Sohlplatte herrscht. Die Verarbeitungseinrichtungen 14 ermöglichen z. B. ebenfalls, aus von den Thermoelementen gelieferten Daten eine mathematische Funktion zu berechnen. Es ist also möglich, ein gewogenes bzw. gewichtetes Mittel zu berechnen, um in der betreffenden Zone das im voraus gewählte Temperaturprofil zu erhalten. Es ist ebenfalls möglich, eine Berechnung des Typs (αT&sub1; + βT&sub2;)/γ durchzuführen, bei der T&sub1; und T&sub2; die Temperaturwerte der beiden benachbarten Zonen darstellen und α, β und γ reelle Variablen oder mathematische Funktionen wie z. B. die Logarithmus- oder Exponentialfunktion.
• Die Sohle umfaßt ebenfalls Vergleichseinrichtungen 16, verbunden mit den Datenverarbeitungseinrichtungen 14, die ermöglichen, den gelieferten und durch die Verarbeitungseinrichtungen 14 berechneten Wert zu vergleichen mit einem der verarbeiteten Zone entsprechenden Bezugswert 18. Schließlich sind die Vergleichseinrichtungen 16 verbunden mit den Regeleinrichtungen der Stärke des Stroms In, der in jedem leitenden Element 8 fließt, wobei diese Einrichtungen auf eine allgemeine Weise mit 20 bezeichnet sind. Diese Regeleinrichtungen 20 umfassen nämlich n variable Stromversorgungseinrichtungen 22, von denen nur eine schematisch in Fig. 1 dargestellt wurde. Jede Einrichtung 22 ist verbunden mit den beiden Enden eines leitenden Elements 8.
• Die Erfindung ermöglicht, eine Sohle herzustellen, bei der die Heiztemperaturen während ihrer Herstellung und/oder während ihres Betriebs angepaßt werden können.
• Während der Herstellung kann die Länge Ln von jedem leitenden Element 8 so angepaßt werden, daß man eine flächenbezogene Verteilung erhält, die der Wärmemenge entspricht, die man in einer bestimmte Zone haben will. Die Länge Ln von jedem leitenden Element 8 ist ebenfalls bedingt durch die Abmessungen der Sohle.
• Im Betrieb ermöglichen die Versorgungseinrichtungen 22, die Stromstärken in den leitenden Elementen 8 zu verändern, was eine Veränderung der Temperatur an der entsprechenden Oberfläche 2 der Sohlplatte 4 zur Folge hat.
• Schließlich wird die Anzahl leitender Elemente 8 festgelegt in Abhängigkeit von der Genauigkeit des an der Oberfläche der Sohlplatte 4 geforderten Temperaturprofils.
• Diese erfindungsgemäße Sohle ist insbesondere bestimmt für die Verwendung in einem Reaktor für chemische Behandlung, jedoch könnte sie ebenfalls bei einer anderen Anwendung eingesetzt werden, bei der die präzise Erwärmung eines Gegenstandes nach einem vorher erstellten Temperaturprofil erfolgen muß.

Claims (9)

1. Heizsohle, bestimmt zum Heizen eines auf ihrer Oberfläche (2) angeordneten Gegenstandes wie z. B. eines Substrats und zum Herstellen eines vorher gewählten Temperaturprofils, wobei diese Sohle eine Sohlplatte (4) umfaßt, hergestellt aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohlplatte (4) n Zonen (10) umfaßt, wobei im Innern von jeder von diesen Zonen ein elektrisch leitendes Element (8) der Lange (Ln) angeordnet ist, durchflossen von einem Strom der Starke (In) und dazu bestimmt, das Heizen der entsprechenden Sohlplattenzone (10) sicherzustellen, n+1 Meßfühler (12) der Temperatur der Oberfläche (2) der Sohlplatte (4), wobei diese Meßfühler (12) an den Enden von jeder Zone (10) angeordnet sind und n eine ganze Zahl größer als 1 ist, Einrichtungen (14) zur paarweisen Verarbeitung der Daten, geliefert durch die die entsprechende, zu heizende Zone (10) umrahmenden Meßfühler (12), Vergleichseinrichtungen (16) der durch die Verarbeitungseinrichtungen (14) gelieferten Werte mit wenigstens einem Bezugswert (18), und Regeleinrichtungen (20) für die Stärke (In) des in jedem elektrisch leitenden Element (8) fließenden Stroms, wobei diese Regeleinrichtungen (20) von den Vergleichseinrichtungen (16) abhangig sind.

2. Heizsohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohlplatte (4) kreisförmig ist und dadurch, daß die verschiedenen Sohlplattenzonen 10 kreisförmig sind und konzentrisch.

3. Heizsohle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Element (8) spiralförmig in jeder Zone angeordnet ist.

4. Heizsohle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohlplatte (4) innen eine spiralformige Hohlkehle (6) aufweist, in deren Innern die genannten leitenden Elemente verlötet sind.

5. Heizsohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Meßfühler (12) ein Thermoelement umfassen.

6. Heizsohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtungen (14) der Daten, geliefert durch zwei eine zu heizende Zone (10) umrahmende Meßfühler (12), die Durchführung einer mathematischen Berechnung auf der Basis der beiden gelieferten Temperaturen ermöglichen.

7. Heizsohle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtungen (14) der Daten, geliefert durch zwei eine zu heizende Zone (10) umrahmende Meßfühler (12), die Berechnung des Mittelwerts der beiden gelieferten Temperaturen ermöglichen.

8. Heizsohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (20) n variable Stromversorgungseinrichtungen (22) umfassen, wovon jede mit den beiden Enden eines elektrisch leitenden Elements (8) verbunden ist.

9. Chemischer Behandlungsreaktor eines Substrats, dadurch gekennzeichnet, daß er die Heizsohle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält, wobei diese Sohle dazu bestimmt ist, besagtes Substrat auf seiner Oberflache (2) aufzunehmen.