DE69332639T2

DE69332639T2 - Wagerechter diffusionsofen mit hoher leistung

Info

Publication number: DE69332639T2
Application number: DE69332639T
Authority: DE
Inventors: E. Erickson; H. Matthews; B. Peck
Original assignee: Thermtec Inc
Current assignee: Thermtec Inc
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1993-06-09
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2013-06-10
Also published as: JPH07509345A; US5517001A; US5483041A; EP0645072A4; ES2191665T3; JP2007295005A; EP0645072A1; US5481088A; US5530222A; US5461214A; EP0645072B1; WO1993026137A1; ATE231318T1; DE69332639D1; KR950702087A; KR100316069B1; JP2004006848A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochtemperatur-Diffusionsöfen, die typischerweise in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Hochtemperatur-Diffusionsöfen sind in der Halbleiterindustrie allgemein bekannt. Die Wärmebehandlung ist in vielen Hochtemperatur-Diffusionsöfen einer der vielen Schritte im Herstellungsverfahren von Siliciumwafern. Typischerweise wird Verfahrensgas in den Wärmebehandlungsprozess eingeleitet, um die Zusammensetzung der Wafer zu verändern. Beispielsweise ermöglicht die Wärmebehandlung von Wafern mit einem geeigneten Verfahrensgas das Dotieren von Elementen wie z. B. Bor; die in die Molekularstruktur des Halbleitermaterials eingebracht werden sollen.
Ein Hochtemperatur-Diffusionsofen kann mehrere Ofenmodule enthalten, die zur Wärmebehandlung mehrerer Siliciumwafer-Sätze fähig sind. Die einzelnen Diffusionsofenmodule umfassen ein Heizelement, das eine Verfahrenskammer für ein Prozessrohr enthält, das durch eine Auskleidung abgeschirmt ist. Die Verfahrenskammer besitzt ein Beschickungsende, an dem die Wafer eingeführt werden, und ein Quellenende, an dem das Verfahrensgas einströmt. Außerdem sind Spül-Aggregate vorhanden, um überschüssiges Verfahrensgas gemeinsam mit einem Energie-Satz zu entfernen. Typischerweise sind die Ofenmodule in gestapelter Ausrichtung untergebracht.
Die Heizelemente sind im Allgemeinen zylindrisch geformt und symmetrisch. Die Heizelemente besitzen ein metallenes Außengehäuse, das üblicherweise aus rostfreiem Stahl oder Aluminium besteht, und Innenschichten aus Isoliermaterialien wie etwa Keramikfaser. Eine Ofenkammer ist zwischen Heizspiralen und einer Heizelementauskleidung ausgebildet. Mehrere Heizspiralen sind aneinander befestigt, um eine fortlaufende Spirale zu bilden, wobei die mittlere Heizspirale für optimale Temperatur in der Mitte des Prozessrohrs sorgt. Die Endheizspirale wird betrieben, um für eine Temperatur im Prozessrohr zu sorgen, die ausreicht, um Verluste am Ofenende zu vermeiden und in den Ofen eingeleitete Gase vorzuwärmen. Die Heizspirale ist im Allgemeinen ein schraubenförmig gewundener Widerstandsdraht aus Chrom-Aluminium-Eisen-Legierung, und die Drähte besitzen im Allgemeinen einen Durchmesser von 0,289 bis 0,375 Zoll (0,73 bis 0,95 cm), um eine lange Lebensdauer der Heizspirale bei hoher Temperatur zu gewährleisten.
Die maximale zulässige Betriebstemperatur für die Heizspiralenlegierung beträgt 1400ºC. Da zwischen der Heizspirale und dem Inneren des Prozessrohrs eine Temperaturdifferenz besteht, werden Diffusionsöfen normalerweise bei einer I maximalen Betriebstemperatur des Prozessrohrs von 1300ºC betrieben.
Siliciumwafer werden im Mittelabschnitt des Prozessrohrs wärmebehandelt. Das Prozessrohr besteht aus Quarz, Polysilicium, Siliciumcarbid oder Keramik. Das Prozessrohr ist durch eine Auskleidung umhüllt, die die Heizspiralen vom Prozessrohr trennt, wodurch eine Ofenkammer entsteht. Die der Wärmebehandlung zuzuführenden Siliciumwafer werden an Schiffchen angebracht und entweder manuell oder automatisch vom Beschickungsende des Ofens aus in den Mittelpunkt des Prozessrohrs eingebracht. Die Schiffchen zum Halten der Wafer bestehen im Allgemeinen aus Quarz, Polysilicium, Siliciumcarbid oder Keramik.
Mehrfach-Ofenmodulkonfigurationen haben die Kapazität und Flexibilität des Wärmebehandlungsverfahrens gesteigert. Es können getrennte Wärmebehandlungen in verschiedenen Stadien in getrennten Prozessrohren durchgeführt werden. Ein System, das aber eine Konfiguration mit mehreren Ofenmodulen aufweist, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Prozess in einem Ofenmodul durch Prozesse in anderen Ofenmodulen beeinflusst wird. Außerdem kann das Versagen eines Einzelofenmoduls die Fähigkeit, Wafer in anderen Ofenmodulen zu bearbeiten, beeinflussen. Diese Beschränkungen von Mehrfach-Ofenmodulkonstruktionen sowie jene der Heizelement-Konstruktionen, die die Leistungsfähigkeit des Wärmebehandlungsverfahrens beeinträchtigen, sind die folgenden:

Ofenmaterial

Typischerweise bestehen Öfen des Stands der Technik aus lackierten Stahlrahmen mit Aluminium- oder Stahlplatten. Während die Materialien zur Konstruktion des Ofens ausreichende Festigkeits-, Gewichts- und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften besitzen, sind die Oberflächenrelativ unregelmäßig und nicht einheitlich.
Das Halbleiterfertigungsverfahren erfolgt in Umgebungen mit geringer Teilchenzahl oder in Reinräumen. Öfen können in diesen Reinräumen oder daran anschließenden Grauräumen stehen. Grauräume erfordern weniger strenge Normen bezüglich atmosphärischer Partikel als Reinräume und sind trotzdem relativ partikelfrei.
Die Materialien zur Konstruktion solcher in einem Rein- oder Grauraum untergebrachten Geräten sollten Oberflächen besitzen, die so wenige Unregelmäßigkeiten wie nur möglich aufweisen. Typischerweise sind Öfen in Grauräumen positioniert, wobei das Prozessrohr vom Reinraum aus zugänglich ist. Daher sollten die Außenflächen des Ofens mit der Umgebung eines Reinraums verträglich sein und trotzdem den Anforderungen der Ofenmaterialien entsprechen.

Ofenhöhenausgleich

Öfen des Stands der Technik verwenden einzelne Höhenausgleichshalterungen, um den Ofen auszurichten. Im Allgemeinen befinden sich diese einzelnen Höhenausgleichshalterungen im unteren Eckbereich des Ofens. Jede einzelne Halterung kann eingestellt sein, die korrespondierende Ecke des Ofens zu senken oder zu heben und ihn dadurch höhenmäßig auszurichten.
Die Verwendung einzelner Höhenausgleichshalterungen in einem Hochtemperatur- Diffusionsofen führt zu drei Problemen. Erstens: Wenn der Ofen an einen anderen Standort verschoben oder zum ersten Mal aufgebaut wird, brechen die einzelnen Höhenausgleichshalterungen sehr leicht. Wenn der Ofen über den Boden geschoben wird, kann eine übermäßig hohe seitliche Belastung an den einzelnen Höhenausgleichshalterungen wirken, was zu Verformung oder Bruch führt. Zweitens: Die einzelnen Höhenausgleichshalterungen schaffen einen offenen Bereich unterhalb des Ofens, in dem sich Bruchstücke ansammeln und der nur schwer zu reinigen ist. Drittens können die einzelnen Höhenausgleichshalterungen die Gewichtsverteilung des Ofens einschränken und seismischen Anforderungen möglicherweise nicht entsprechen. Zwar ermöglichen somit einzelne Höhenausgleichshalterungen die Positionierung des Ofens, doch sie bringen in der Ofenkonstruktion des Stands der Technik zahlreiche Nachteile mit sich.

Zugang zu den Ofenmodulen

Der Zugang zu den einzelnen Ofenmodulen für Reparatur- und Wartungszwecke ist im Allgemeinen schwierig und zeitaufwändig. Der Zugang zu den Ofenrohrmodulen erfolgt normalerweise am Beschickungsende oder Quellenende der Verfahrenskammer, was eine umfangreiche Demontage des Ofens erfordert. Es sind mehrere Trennungen und Entfernungen von Komponenten notwendig, um das Heizelement zu entfernen. Beispielsweise sind alle Stromverbindungen mit Mutter-und-Schraube- Verbindungen versehen, die man entfernen muss. Außerdem werden diese Verbindungen im Lauf der Zeit locker und müssen nachgezogen werden, um die Überhitzung infolge von Oxidation aufgrund von mangelndem elektrischem Kontakt zu vermeiden.
Der Zugang zum Ofenmodul wird durch die Größe und das Gewicht des Heizelements weiter erschwert. Ein Heizelement kann bis zu 90,7 kg (200 Pfund) wiegen. Diese komplizierte Entfernung des Heizelements erfordert eine erkleckliche Anzahl an Mannstunden, um ein individuelles Heizelement zu warten oder zu reparieren, was die Gesamtbetriebskosten des Ofens beträchtlich steigert. Außerdem ist das Wartungspersonal Gefahren ausgesetzt, da es keinen Mechanismus zur Entfernung und Positionierung des Heizelements gibt.

Schnittstelle zwischen Ofenheizelement und Verfahrenskammer

Die Wärmebehandlung der Wafer kann durch Wechselwirkung von Prozessgas mit dem Ofenheizelement beeinträchtigt werden. Typischerweise wird Prozessgas aus dem Quellenende in das Prozessrohr eingeleitet, während sich der Ofen in einem Grauraum befindet (sein Beschickungsende ist von einem Reinraum aus zugänglich). Reinräume bewirken, dass weniger unerwünschte Partikel eindringen, indem sie durch Aufrechterhaltung von höherem Druck im Reinraum eine Druckdifferenz zwischen dem Reinraum und den Nachbarräumen schaffen. Diese Druckdifferenz zwischen dem Beschickungsende und dem restlichen Ofenelement kann Luftströme durch die Zwischenräume um das Verfahrensrohr und die Vorraumblöcke in die Ofenkammer und schließlich wieder hinaus aus den Zwischenräumen am Quellenende des Ofens hinaus bewirken. Prozessgas- Nebenprodukte, die aus dem Verfahrensrohr am Beschickungsende austreten, können durch diese Luftströme in die Ofenkammer geleitet werden, wo sie mit dem Heizelementdraht reagieren und die Lebensdauer des Heizelements verkürzen können. Die aufgrund der Turbulenzen in der Ofenkammer bestehenden Temperaturschwankungen und -unregelmäßigkeiten können die Konstanz der Wärmebehandlung der Wafer beeinträchtigen.
Das Verfahrensgas kann auch mit den Heizspiralen reagieren, so dass unerwünschte Nebenprodukte entstehen, die die Verarbeitung der Halbleiterwafer beeinträchtigen können.
Zusätzlich zur unerwünschten Reaktion von Prozessgas in der Ofenkammer kann das Heizelement auch direkt die Wafer beeinträchtigen. Heizelemente des Stands der Technik verwenden schwere Siliciumcarbid-Auskleidungen, um Schutz vor Schwermetallmigration aus den Konstruktionsmaterialien des Heizelements durch das Quarzverfahrensrohr zu gewährleisten. Die Migration von Schwermetallen kann die gerade im Rohr verarbeiteten Siliciumwafer beschädigen. Die schweren Auskleidungen bestehen zur Gänze aus Siliciumcarbid und sind etwa ¹/&sub4; Zoll (6-7 mm) dick. Das Gewicht des Siliciumcarbids verlangsamt das Ansprechverhalten des Heizelements der Verfahrenskammer signifikant.

Ofenkühlung

Restwärme und Kühlung aus den Ofenmodulen kann Unregelmäßigkeiten in das Wafer-Herstellungsverfahren bringen. Beispielsweise kann ein Ofenmodul bei stabiler Temperatur in Betrieb stehen, während ein angrenzendes Ofenmodul auf hohe Temperatur aufheizt. Diese Zunahme des Energieverlusts aus der Hülle eines sich aufheizenden Ofenmoduls kann die Umgebungstemperatur benachbarter, in stabilem Zustand befindlicher Ofenmodule verändern. Dies erfordert, dass ein Steuersystem durch Einstellungen reagiert, um die erwünschte Temperatur im Prozessrohr aufrechtzuerhalten. Die Einstellungen im Steuersystem tragen jedoch zu Temperaturinstabilität bei.
Gemäß dem Stand der Technik werden Konfigurationen mit mehreren Ofenmodulen durch ein einzelnes Kühlsystem gekühlt. Im Allgemeinen wird ein einzelner Gebläseluftstrom durch an der Oberseite des Ofens positionierte Ventilatoren erzeugt. Ein einzelner Gebläseluftstrom wird aus allen Ofenmodulen und schließlich aus dem Austrittsloch an der Ofenoberseite hinaus geleitet. Dieses einzelne Kühlsystem für alle Ofenmodule erlaubt es nicht, Wärmebehandlungen in den anderen Ofenmodulen durchzuführen, wenn Reparaturen oder Wartungsarbeiten des Kühlsystems anstehen.

Thermoelement-Positionierung und -Zusammensetzung

Um die Leistungsfähigkeit des Wärmebehandlungsverfahrens zu steigern, muss die Ofenkammer auf einen Gradbruchteil genau bei sehr hohen Temperaturen gemessen werden, um die Temperatur der Ofenkammer zu regulieren. Doch die Zusammensetzung und Position von Thermoelementen zur Messung der Ofenkammer sind nur begrenzt präzise.
Aktuelle Thermoelemente werden durch die Seite des Heizelements senkrecht zu der Mittellinienachse des Prozessrohrs in die Ofenkammer eingebracht. Diese Positionierung schränkt die Fähigkeit des Thermoelements ein, die Ist-Temperaturen in der Ofenkammer abzulesen, da es nicht ausreichend in die Heizkammer eingetaucht ist. Um präzise Messungen zu erhalten, sollte das Thermoelement ausreichend in die Ofenkammer eingesetzt sein, d. h. um zumindest das Sechs- bis Achtfache des Durchmessers des Thermoelements, um Wärmeverluste oder Kühlkörpereffekte der Thermoelement-Anschlüsse und tragenden Keramikhülle zu vermeiden. Beispielsweise erfordert ein Thermoelement mit einem Durchmesser von 0,48 cm (3/16 Zoll) ein Eintauchen von zumindest 2,86 cm (1 l/8 Zoll) bis 3,81 cm (1 % Zoll) in die Ofenkammer, um Ofenkammer-Ist-Temperaturen richtig abzulesen.
Die senkrechte Positionierung des Thermoelements hat auch die Wahrscheinlichkeit erhöht, unpräzise Temperaturablesungen zu erhalten, wenn das Prozessrohr aus dem Ofenmodul entfernt ist. Wenn in Systemen des Stands der Technik das Prozessrohr zwecks Wartung oder Reparatur entfernt werden muss, ist es notwendig, dass Thermoelemente aus ihrer Betriebsposition abgezogen werden, so dass die Entfernung des Prozessrohrs die Thermoelemente nicht beschädigt. Wenn das Prozessrohr wieder eingesetzt wird, ist die Neupositionierung der Thermoelemente an ihrer ursprünglichen Position sehr schwierig. Daher muss das Heizelement ein neues Profil erhalten, um die erforderliche Gleichförmigkeit im Heizelement zu erzielen.
Auch Hochstrompulse, die das Heizelement erfordert, machen die Messung von Ofentemperaturen durch das Thermoelement unpräzise. Der schraubenförmig gewundene, im Heizelement verwendete dicke Draht erfordert für den Betrieb einen hohen Strom. Dieser hohe Strom jedoch (zwecks genauer Steuerung durch Siliciumgesteuerte Gleichrichter mit Null-Durchgang ein- und ausgeschaltet) bewirkt, dass Hochfrequenz-Störenergie (RFI) in der Thermoelement-Messschaltung auftritt. Die induzierte RFI führt zu Fehlern im Steuersignal, wodurch es schwierig ist, das gesamte Heizelement innerhalb enger Temperaturtoleranzen wie z. B. +/-0,10ºC zu regulieren, was für zahlreiche aktuelle Halbleiterverfahren erforderlich ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, die Nachteile von Öfen des Stands der Technik zu überwinden. Der Zweck der Erfindung ist die Bereitstellung eines Ofens, der hohe Prozessleistung bei gleichzeitiger verbesserter Wartungsfähigkeit bietet.
Gemäß der Erfindung ist ein Hochtemperatur-Diffusionsofen nach Anspruch 1 bereitgestellt. Der Ofen umfasst einen Rahmen, der vorzugsweise zumindest einen Abschnitt aus rostfreiem Stahl mit höherer Oberflächengleichförmigkeit und einer Vielzahl an Platten umfasst, die am Rahmen befestigt sind, wobei zumindest ein Teil der Platten aus Aluminium und Polyethylen besteht.
Der Ofen enthält ferner vorzugsweise eine Vorrichtung zur Einstellung der Position des Ofens relativ zu einem Boden, umfassend einen Sockel, der am den Ofen tragenden Rahmen befestigt ist, und eine Vielzahl an Höhenausgleichsrahmenanordnungen zur Einstellung der Entfernung zwischen dem Rahmen und dem Sockel.
Vorzugsweise enthält der Ofen eine Vorrichtung, die Zugang zu einem Ofenmodul bietet, der ein Heizelement mit gegenüberliegenden Enden enthält. Der den Ofen tragende Rahmen besitzt Freiträgerelemente, die sich von einer Hinter- zu einer Vorderseite des Ofens erstrecken, wobei ein Ziehgleitstück an den Freiträgerelementen befestigt ist. Eine Querwand, die das Ziehgleitstück mit dem Freiträgerelement und dem Heizelement verbindet, ermöglicht es dem Heizelement, sich zur Vorderseite zu erstrecken.
Der Ofen enthält vorzugsweise eine Vorrichtung zur Positionierung des Heizelements, umfassend einen mit dem Ofen verbundenen Träger, wobei sich eine Vielzahl an Kabeln vom Träger erstrecken und auch Mittel zur Befestigung dieser Vielzahl an Kabeln am Heizelement vorhanden sind. Mittel zur Bewegung der Vielzahl an Kabeln und zur Positionierung des Heizelements sind vorzugsweise ebenfalls vorhanden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Ofens enthält eine Vorrichtung zur Positionierung des Heizelements im Ofen, umfassend eine Elementkammer, die eine Elementkammerplattform mit einer Oberflächenseite geringer Reibung und einer Seite enthält. Ein erster Schlitten ist mit einem zweiten Schlitten verbunden, der sich über der Oberfläche geringer Reibung befindet und das Heizelementende trägt. Der erste Schlitten ist vorn zweiten Schlitten über einen ersten Abstand beabstandet, wobei beide Schlitten von der Elementkammerseite über einen zweiten Abstand beabstandet sind. Ein Mittel zur Einstellung des ersten Abstands zwischen den Schlitten, so dass das Heizelementende relativ zur Elementkammerplattform gehoben oder gesenkt werden kann, und ein Mittel zur Einstellung des zweiten Abstands, die es den Schlitten ermöglichen, das Heizelementende relativ zur Elementkammerseite zu positionieren, sind ebenfalls vorhanden.
Der Ofen enthält vorzugsweise eine Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmebehandlungsverfahrens im Ofen, umfassend ein zylindrisches Heizelement mit einer Ofenkammer, die eine Verfahrenskammer umgibt, wobei sich am Beschickungsende eine Öffnung befindet. Vorzugsweise befindet sich ein Prozessrohr in der Verfahrenskammer, um Verfahrensgas zu enthalten, sowie ein Gefäß im Heizelement am Beschickungsende. Vorzugsweise ist ein Mittel zur Abdichtung der Ofenkammer vom Verfahrensgas mit dem Gefäß verbunden.
Der Ofen enthält ferner vorzugsweise eine Vorrichtung zur Messung der Wärmeenergie in einem Ofen mit einem Hochfrequenz-Störenergiefeld. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl an Drahtanschlüssen, wobei Keramik einen beträchtlichen Teil der Drahtschlüsse isoliert, was ein geringfügiges Einwirken von Wärmeenergie auf die Drahtanschlüsse zulässt, so dass Wärmeenergie gemessen werden kann, während Siliciumcarbid zumindest einen Teil der Keramik überzieht, so dass Hochfrequenz-Störenergie beseitigt werden kann.
Vorzugsweise enthält der Ofen außerdem eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur im Ofen, umfassend ein zylindrisches Heizelement mit einer Ofenkammer und einer Verfahrenskammer mit einem Quellenende. Vorzugsweise besitzt die Ofenkammer eine Bohrung zum ausreichend tiefen Einsetzen eines Thermoelements in die Bohrung, was präzise Messungen der Ofenkammer gestattet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht des Hochleistungsofens.
Fig. 2 ist eine Sicht auf das Beschickungsende des Hochleistungsofens.
Fig. 3 ist eine Draufsicht des Hochleistungsofens.
Fig. 4 ist eine Sicht auf das Quellenende des Hochleistungsofens.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Höhenausgleichsrahmenanordnung.
Fig. 6A-6B sind eine Seitenansicht des Kühlsystems, wobei die Ofenmodule entfernt sind, und eine Sicht auf das Beschickungsende des Kühlsystems für die einzelnen Ofenmodule.
Fig. 7A-7B sind eine Seitenansicht eines Ofenmoduls, wobei eine Seitenplatte entfernt ist, und eine korrespondierende Sicht auf das Quellenende des Ofenmoduls.
Fig. 8 zeigt eine Wechselvorrichtung für das Heizelement.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Heizelements-Ausrichtungsmechanismus.
Fig. 10A-C sind eine Querschnittsansicht des Heizelements, eine Sicht auf das Quellenende des Heizelements und eine Querschnittsansicht des Thermoelements.
Fig. 11 zeigt die Abdichtung des Heizelements.
Fig. 12A-12B sind eine Seitenansicht und eine Sicht auf das Quellenende des Thermoelements.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht des Hochleistungsofens 10. In einer Ausführungsform umfasst der Ofen 10 vier Elementkammern 11. Jede von ihnen besitzt eine Elementkammerplatte 25. Die Elementkammerplatte 25 verfügt über Lufteintrittslöcher 16, um Kühlluft anzusaugen. In Fig. 1 wurde die Elementkammerplatte 25 für die oberste Elementkammer entfernt, um das Heizelement 12 zu zeigen. Dieses besitzt ein Beschickungsende 17 zum Einsetzen der Siliciumwafer. Das Quellenende 18 befindet sich am gegenüberliegenden Ende des Heizelements 12. Ein Schiffchen mit einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Wafern kann in das Prozessrohr 13 eingebracht werden. Gaswannen 15 regulieren die in das Verfahrensrohr einzuströmende Verfahrensgasmenge. Überschüssiges Gas und Verfahrensgasnebenprodukte werden durch die nicht dargestellten Spülleitungen gesammelt und durch den Spülauslass 20 abgeleitet. Der Ofen 10 wird während des Einbaus oder nach dem Transport durch den Höhenausgleichsrahmen 20 höhenmäßig ausgerichtet.
Alle für den Ofen 10 verwendeten Materialien eignen sich zur Nutzung in Reinräumen. Der Rahmen 60 besteht aus rostfreiem Stahl der Reihe 304, der blankpoliert ist. Die Ofenplatten bestehen entweder aus rostfreiem Stahl oder einem spulenbeschichteten Verbundstoff aus Aluminium/Polyethylen/Aluminium. In einer Ausführungsform werden 3 mm-Platten aus ALUCOBOND® der Firma Alucobond Technologies aus Benton, Kentucky, USA verwendet. Die Platten sind mittels festklebender Bänder und herkömmlicher Befestiger am Rahmen fixiert.
Der Polyethylen-Aluminium-Verbundstoff besitzt gegenüber dem in herkömmlichen Öfen verwendeten Aluminium deutliche Vorteile. Der Polyethylen-Aluminium- Verbundstoff wiegt etwa 56% von Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit ist auch nur ein Bruchteil von jener von Aluminium, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Verbundstoffs etwa 0,3% von jener von Aluminium ausmacht. Das Spulen- Oberflächenfinish ist gleichförmig und äußerst haltbar.
Fig. 2 ist eine Ansicht des Beschickungsendes des Hochleistungsofens 10, wobei die oberste Elementkammer 11 aufgebrochen ist. Das Lufteintrittsloch 16 ist vertieft und ermöglicht das Ansaugen von Luft aus der Umgebung und das Blasen der Luft über das Heizelement 12. Das Ventilatorgehäuse 24 enthält einen Ventilator für das Ansaugen von Luft z. B. aus einem Grauraum, die dann durch einen Ablaufkanal 23 abgeleitet wird. Weitere Details betreffend die Kühlung jedes einzelnen Heizelements 12 werden unten besprochen.
Ein Teil der seitlich geöffneten Anordnung 31 ist in Fig. 2 zu sehen; der Zugriff aus das Heizelement 12 ist ebenso möglich wie die Entfernung des Prozessrohrs sowie anderer Ofenmodulkomponenten in der Elementkammer 11. Das Heizelement 12 befindet sich während der Wartung oder Kontrolle auf Ziehgleitstücken 22, die sich von der Seite des Ofens erstrecken können.
Das Heizelement 12, auf das durch die seitlich geöffnete Anordnung 31 zugegriffen werden kann, ist in der Draufsicht des Hochleistungsofens 10 von Fig. 3 veranschaulicht. Die Deckplatte 32 deckt das Heizelement 12 ab, das auf der seitlich geöffneten Anordnung 31 positioniert ist. Der Spülauslass 30 zur Entfernung erhitzter Luft und Verfahrensgasnebenprodukte ist ebenfalls zu sehen. Weitere Details betreffend die seitlich geöffnete Anordnung werden weiter unten besprochen.
Fig. 4 ist eine Ansicht des Quellenendes des Hochleistungsofens 10. Einzelne Steuerplatten 40 und Gaswannen 41 regulieren den Wärmebehandlungsprozess für die verschiedenen Verfahrenskammern.
Die Höhenausgleichsrahmenanordnung 59 für den Ofen 10 ist aus Fig. 5 ersichtlich. Der Rahmen 60 ist durch den Bolzen 55 mit dem Höhenausgleichsrahmensockel 20 verbunden. Die Unterlegscheibe 54 ist zwischen dem Bolzen 55 und dem Rahmen 60 positioniert. Die Mutter 51 ist am Höhenausgleichsrahmensockel 20 angeschweißt, wobei sich der Bolzen 55 durch den Rahmen 60 und die Mutter 51 in den Höhenausgleichsrahmensockel 20 erstreckt. Die Unterlegscheibe 53 befindet sich zwischen der Mutter 52, die am Bolzen 55 angeschweißt ist.
Das Höhenniveau des Ofens 10 kann durch Zugriff auf die Höhenausgleichsrahmenanordnung 59 im unteren Abschnitt des Ofens eingestellt werden. Eine untere Ofenplatte kann entfernt werden, um die Höhenausgleichsrahmenanordnung 59 freizulegen. Der Bolzen 55 kann dann mittels Schraubenschlüssel angezogen werden, um eine Ecke des Rahmens 60 zu heben oder zu senken.
Das individuelle Heizelementkühlsystem ist aus Fig. 6A-6B ersichtlich. Es reduziert den Übergang von Wärmeenergie auf angrenzende Heizelemente. Kühlluft, die durch ein Heizelement erhitzt wird, wird nicht über ein anderes Heizelement geleitet.
Der Rahmen 60 trägt zwei Ventilatorgehäuseanordnungen 61 pro Elementkammer. Die Ventilatorgehäuseanordnungen 61 dienen zur Positionierung axialer Gebläse 65 zum Ansaugen von Umgebungskühlluft. Die Gehäuseanordnungen 61 sind durch die Rückenplatte 66 befestigt. Die Umgebungsluft wird durch die Lufteintrittslöcher 16 auf den Elementkammerplatten 25 über das Heizelement 12 angesaugt. Ein Luft- Wasser-Wärmetauscher kann zur Entfernung von Wärme aus der Luft dienen. Die erhitzte Luft wird dann durch die Ventilatoranordnung 61 durch den Kanal 23 ausgeleitet. Die Ventilatorgehäuseanordnung 61 enthält auch einen Gravitationsdämpfer 21, der geschlossen ist, wenn sich die axialen Ventilatoren 65 nicht im Betrieb befindlichen.
Die Kühlung jedes einzelnen Heizelements wird getrennt reguliert. Der Stromfluss zum axialen Ventilator 65 wird durch Trennschalter am Boden des Ofens reguliert. Das Ausschalten eines Trennschalters unterbricht die Kühlung nur eines Heizelements. Daher stört die Wartung eines einzelnen Heizelements, dessen Kühlung unterbrochen werden soll, keinesfalls die Verarbeitung in den anderen Heizelementen.
Die seitlich geäffnete Anordnung 31 des Heizelements 12 ist aus Fig. 7A-7B ersichtlich. Die Seitenansicht der seitlich geöffnete Anordnung 31 ist in Fig. 7A zu sehen, während ein Querschnitt der seitlich geöffnete Anordnung in Fig. 7B gezeigt wird. Ein Freiträger 75 ist am Rahmen 60 befestigt, um die seitlich geöffnete Anordnung 31 zu halten. Die Querwand 74a-b ist am Freiträger 75 fixiert. Befestigungsmittel 72a und 72b sind an den Querwänden 74a bzw. 74b angebracht. Die Querwände 74a und 74b werden dann am Ziehgleitstück 76a-b befestigt. Nach Entfernung der Elementkammerplatte 25 kann dann die seitlich geöffnete Anordnung durch das Ziehgleitstück 76a ausgefahren werden, um Zugriff auf das Heizelement 12 zu ermöglichen. Vier Schrauben am Boden der Leiste 90 können gelockert werden, um die Abnahme des Heizelements 12 vom Ofen zu ermöglichen.
Ein Heizelementpositionierer 85 ist aus Fig. 8 ersichtlich. Wenn das Heizelement 12 durch die Ziehgleitstücke 22 aus dem Ofen herausgefahren ist, kann ein Ösenverbinder 83 an der Querwand 74 durch die Öffnung 84 befestigt werden. Der Ösenverbinder 84 ist mit einem Kabel 82 verbunden, das an einem Elektromotor 80 angebracht sein kann. Dieser befindet sich auf dem Träger 81, der über das ausgefahrene Heizelement 12 ausgefahren (siehe Fig. 8) oder bei Nichtverwendung eingezogen werden kann. Der Elektromotor 80 oder ein anderes manuelles Mittel kann dazu dienen, das Heizelement 12 durch Einziehen oder Ausfahren des Kabels 82 zu senken oder zu heben.
Der Mechanismus zur Einstellung der Position des Heizelements 12 ist eine in Fig. 9 gezeigte Elementkammer 11. Der Ausschnittabschnitt zeigt den Ausrichtungsmechanismus für das Heizelement 12. In einer Ausführungsform ruht der Heizelementausrichtungsmechanismus auf der Leiste 90, die einstückig mit der Querwandanordnung 74 ausgebildet ist, die mit Teflon-Rutschpolsterung 91 überzogen ist. Andere Materialien mit geringer Reibung können ebenfalls verwendet werden. Die Schlitten 92a und 92b befinden sich über der Teflon-Rutschpolsterung 91. Die Schlitten 92a und 92b sind durch den Stab 93 miteinander verbunden. Die Einstellung des Bolzens 94 verkleinert oder vergrößert den Abstand zwischen den Schlitten 92a und 92b, wodurch das Heizelement 12 in vertikaler Richtung relativ zur Leiste gesenkt oder gehoben werden kann. Die untere zylindrische Oberfläche des Heizelements 12 ruht auf den Walzen 95a und 95b, die durch die Halterungen 96a und 96b positioniert sind. Die horizontale Justierschraube 97 ist am Schlitten 92b und der Stationshalterung 98 befestigt, die sich neben der Elementkammerplatte 25 befindet. Die Einstellung der horizontalen Justierschraube 97 ermöglicht das Positionieren des Heizelements 12 in horizontaler Richtung, indem die mit dem Stab 93 verbundenen Schlitten 92a-b weg von der Stationshalterung 98 oder hin zur Stationshalterung 98 verschoben werden. Das System ist ausgebildet, die vertikale oder horizontale Einstellung von ± 0,64 cm (0,25 Zoll) an beiden Ofenenden zu ermöglichen.
Eine ausführliche Darstellung des Heizelements 12 findet sich in Fig. 10A-10C. Das Heizelement 12 ist mit Isolierung 100 abgedeckt (siehe Fig. 10A). Die Keramikfaser 101 wird dann zwischen der Isolierung 101 und Heizspiralen 104 angeordnet. Hohe Strommengen werden in die Spiralen 104 geleitet, um die Temperatur der Ofenkammer 105 zu erhöhen.
Die Ofenkammer 105 wird dann durch die Auskleidung 106 von der Verfahrenskammer 109 getrennt, welche Auskleidung ein leichtes Siliciumcarbid ist, das mit Hochtemperatur-Keramikfaser imprägniert ist. Die Auskleidung 106 bietet Schutz vor Schwermetallwanderung von den Heizspiralen 104 durch das Verfahrensrohr 120, die die gerade verarbeiteten Siliciumwafer beschädigen könnte. Die Auskleidung ist sehr dünn (weniger als 3 mm dick), weshalb sie die Temperaturreaktions- Eigenschaften des Heizelements während des Betriebs nicht signifikant verlangsamt. Die Auskleidung ist ein "Schwarzer Körper"-Aufnehmer, der bei Erwärmung als Energieüberträger und bei Abkühlung als Absorber dient. Die Auskleidung dient auch als Wärmerohr, das die gleichmäßige Erwärmung der Verfahrenskammer 109 ermöglicht. In einer Ausführungsform ist die verwendete Auskleidung SICONEXW der Firma Minnesota, Mining & Manufacturing Co., St. Paul, Minnesota, USA (3M).
Der Endblock 119 befindet sich am Quellenende des Heizelements 12 entlang der Mittellinienachse 118 des Prozessrohrs. Der Endblock 119 ist in die Ofenvorkammerblöcke 103a und 103b am Quellenende eingeschoben. Eine Keramikhülle 108 befindet sich im Quellenvorkammerblock 103 für das Thermoelement der Ofenkammer. Die Thermoelementhalterung 107 ist auch am Quellenvorkammerblock 103 befestigt. Ein Steuerthermoelement kann dann in die Halterung 107 und durch die Keramikhülle 108 in die Ofenkammer 105 eingeschoben werden. Einer der vier Stromstecker in der Verbindung 110 befindet sich unter dem Quellenvorkammerblock 103b. Die Stromsteckdose 110 ermöglicht eine steckbare Stromversorgung am Quellenende, die Strom entlang des leitenenden Wegs 113 liefert, um die Spiralen 104 zu erwärmen. Die Position und Verwendung der Steckstromverbinder am Quellenende erlauben bessere Wartungsfähigkeit.
Die Quellenvorkammerblöcke 103a und 103b sowie die Vorkammerblöcke 102a und 102b am Beschickungsende weisen eine Aufnahme 111 des Ofenheizelements auf. Diese Ausnehmungen ermöglichen die Abdichtung des Heizelements 12, was seine Zuverlässigkeit erhöht und für gleichmäßige Wärmebehandlung sorgt. Die Verwendung der Aufnahme 111 und der Abdichtung des Ofenelements werden nachstehend beschrieben.
Fig. 10B ist eine Ansicht vom Quellenende des Heizelements 12. Die Thermoelementhalterungen 107 und 115 und die vier Stromstecker in der Verbindung 110 sind ebenfalls zu sehen.
Eine Querschnittsansicht der Thermoelementhalterung 107 ist in Fig. 10C zu sehen. Die Thermoelementhalterung 107 ist am Quellenvorkammerblock 103a angebracht. Die Thermoelementhalterung 107 ist mit einem Gewinde versehen, damit die Montage des Thermoelements ermöglicht wird. Der zwischen der Keramikfolie 108 und den Gewindegängen 116 entstehende Winkel ist ausgewählt, allfällige Temperaturübergänge von der Thermoelementverbindungsstelle fernzuhalten. In einer Ausführungsform beträgt dieser Winkel 37º.
Die Abdichtung des Ofenelements verhindert das Eindringen von Verfahrensgasen in die Ofenkammer und ist in Fig. 11 zu sehen. Das Ofenheizelement 12 besitzt das Gefäß 111, um den Ultradichtungsblock 122 in der Ausnehmung 111 um das Prozessrohr 120 aufzunehmen. Eine weiche Rohrmuffe 123 wird dann in den Ultradichtungsblock 122 gesteckt. Eine Nextel-Dichtung 124 sowie ein SS-Ring 125 werden dann mittels Bolzen 126 am Ultradichtungsblock 122 befestigt.
Ein Steuerthermoelement 130 für die Heizelementofenkammer ist aus Fig. 12A und 12B zu sehen. Das Thermoelement 130 umfasst sechs Thermoelementanschlüsse 137 in zehn Poren, die im Querschnitt des Thermoelements in Fig. 12B zu sehen sind. Die Thermoelementanschlüsse 137 sind in einr Keramik 140 eingeschlossen. Die Reinheit der Keramikisolierung ist für die Lebensdauer und die Oberflächeneigenschaften des Thermoelements von äußerst großer Bedeutung. Die Thermoelementisolierung sollte aus hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von zumindest 99,7% bestehen. Die Verunreinigungswerte sollten nicht die folgenden Grenzen überschreiten: CaO 0,001%; MgO 0,300%; Na&sub2;O 0,008%; SiO&sub2; 0,050%; Fe&sub2;O&sub3; 0,26%; TiO&sub2; 0,001%; Cr&sub2;O&sub3; 0,020%; und K&sub2;O 0,001%.
Keramik 140 ist in Siliciumcarbid 139 eingeschlossen. Das in SiconexTM, einem Produkt von 3M, verwendete Siliciumcarbid, ist ein leitendes Material niedriger thermisch wirksamer Masse. Die Thermoelementanschlüsse 137 liegen durch Einbuchtungen im keramischen Isolator 140 aus Siliciumcarbid 139 frei, wodurch die Thermoelement-Verbindungsstellen 132 entstehen.
Die Keramik sorgt für elektrische Isolierung der Anschlüsse des Thermoelements, so dass dieses das korrekte EMF-Signal an die Steuereinheit abgeben kann. Die Abdeckung aus Siliciumcarbid bietet eine leitende Abschirmung, die geerdet sein kann, um die Menge an RFI zu minimieren, die in die Messschaltung induziert werden kann. Die Eliminierung von Rauschen aufgrund des RFI-Felds ermöglicht die thermische Regelung innerhalb eines Zehntelgrads.
Diese Art von Verbundthermoelement kommt auch auf einem Profilthermoelement zum Einsatz, das sich im Prozessrohr befindet. Diese Thermoelemente sind kaskadenförmig mit Ofenthermoelementen verbunden, um konstante Bedingungen des Heizelements unter dynamisch veränderten Temperatur- und Beschickungsbedingungen zu gewährleisten.
Das Thermoelement enthält einen Quetschhülsenadapter 137. Dieser wird dann am eingreifenden Rohr 140 befestigt, wobei Aluminiumbuchsen 135 und die Mutter 134 die Federzugentlastung 136 halten, die am 6-Stift/3-Anschluss-Verbinder 138 mittels der Drahtanschlüsse 137 fixiert ist. Der Quetschhülsenadapter 137 kann dann in die Halterung 107 eingeschraubt werden.
Die obige Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient der Veranschaulichung; sie soll den Schutzbereich der Erfindung keinesfalls einschränken. Natürlich sind Fachleuten auf dem Gebiet zahlreiche Modifikationen und Variationen bekannt. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendbarkeit bestmöglich zu erläutern, wodurch andere Fachleute die Erfindung besser verstehen und sie auf andere Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, die für den jeweiligen Verwendungszweck geeignet erscheinen, abstimmen können. Der Schutzumfang der Erfindung ist in den nachstehenden Patentansprüchen und gleichwertigen Erläuterungen definiert.

Claims

1. Hochtemperatur-Diffusionsofen mit einer Vorrichtung zum Kühlen einer Vielzahl von Heizelementen (12), die Wärmeenergie im Ofen abstrahlen, unter Einsatz einer Luftquelle, wobei der Ofen einen Rahmen umfasst, der eine Vielzahl von Heizelementkammern (11) enthält, wobei jede Kammer einen Raum bildet, der ein jeweiliges Heizelement (12) aufnimmt, wobei jedes Heizelement eine Verfahrenskammer (109) zur Aufnahme von zu erwärmenden Wafern umfasst,

wobei jede jeweilige Heizelementkammer (11) umfasst:

eine jeweilige Platte mit einem Lufteintrittsloch,

ein jeweiliges Saugmittel (65) zum Ansaugen aus der Luftquelle durch das Lufteintrittsloch, wodurch ein Kühlungsluftstrom über das jeweilige Heizelement erzeugt wird; und

Trennmittel zum Abtrennen des Kühlungsluftstroms in dieser Heizelementkammer von den anderen Heizelementkammern, so dass der Kühlungsluftstrom über jedes Heizelement vom Kühlungsluftstrom über die Heizelemente in anderen Heizelemenikammern getrennt ist.

2. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach Anspruch 1, worin das Mittel zum Ansaugen aus der Luftquelle für jedes Heizelement umfasst:

einen Ventilator (65), der so angeordnet ist, dass er aus der Luftquelle durch das jeweilige Lufteintrittsloch absaugt, wodurch ein Luftstrom über das jeweilige Heizelement erzeugt wird; und

einen Kanal (23) zum Austritt des Luftstroms aus dem Hochtemperaturofen.

3. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach Anspruch 1 oder 2, worin der Ofen einen Rahmen (60), der zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus Edelstahl mit erhöhter Oberflächengleichförmigkeit besteht, und eine Vielzahl von Platten umfasst, die am Rahmen befestigt sind, wobei zumindest ein Abschnitt der Platten aus Aluminium und Polyethylen besteht.

4. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiters eine Vorrichtung zum Einstellen der Position des Ofens relativ zu einem Boden umfasst, wobei die Vorrichtung einen Sockel umfasst, der mit einem Rahmen (20) verbunden ist, der den Ofen trägt, und eine Vielzahl von Höhenausgleichsrahmenanordnungen (59) umfasst, um einen Abstand zwischen dem Rahmen und dem Sockel einzustellen.

5. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiters eine Vorrichtung umfasst, die Zugang zu einem Ofenmodul ermöglicht, wobei das Ofenmodul ein Heizelement mit einem Beschickungsende, einem gegenüberliegenden Ende sowie einer Vorder- und einer Rückseite enthält, umfassend:

einen Rahmen, der den Hochtemperatur-Diffusionsofen trägt, wobei der Rahmen eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, die mit der Vorder- und der Rückseite des Ofenmoduls zusammenfallen und welcher parallele Freiträgerelemente (75) aufweist, die sich von der Rück- zur Vorderseite erstrecken;

ein Ziehgleitstück (76a-b), das mit jedem Freiträgerelement gekoppelt ist; und

eine Querwand (74a-b), die das Ziehgleitstück mit dem Freiträgerelement und dem Ende des Heizelements (12) verbindet, so dass sich das Heizelement zur Vorderseite hin erstrecken kann.

6. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiters eine Vorrichtung zur Positionierung des Heizelements (12) im Ofen umfasst, umfassend:

einen Träger (81), der mit dem Hochtemperatur-Diffusionsofen verbunden ist;

eine Vielzahl von Kabeln (82), die sich vom Träger aus erstrecken;

Mittel, die mit der Vielzahl von Kabeln verbunden sind, um die Vielzahl von Kabeln am Heizelement zu befestigen; und

Mittel (80) zum Bewegen der Kabel, die es ermöglichen, das Heizelement zu positionieren.

7. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiters eine Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmebehandlungsvorgangs im Ofen umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst:

ein zylindrisches Heizelement (12) mit einem Beschickungsende, wobei das zylindrische Heizelement eine Ofenkammer (105) aufweist, die eine Verfahrenskammer (109) mit einer Öffnung am Beschickungsende umgibt; und

eine Elementauskleidung (106) zwischen der Verfahrenskammer (109) und der Ofenkammer (105), die gleichmäßige Erwärmung in der Verfahrenskammer ermöglicht.

8. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiters eine Vorrichtung zum Messen der thermischen Energie im Ofen umfasst, wobei der Ofen ein Hochfrequenz-Störenergiefeld aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst:

eine Vielzahl von Drahtanschlüssen (137);

eine Keramik-Isolationsschicht (140), die einen wesentlichen Abschnitt der Drahtanschlüsse umgibt, und die ein geringfügiges Einwirken von Wärmeenergie auf die Drahtanschlüsse zulässt; und

eine Siliziumcarbidschicht (139), die zumindest einen Abschnitt der Keramik bedeckt, wodurch Hochfrequenz-Störenergie beseitigt wird.

9. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die weiters eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur im Ofen umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst: ein zylindrisches Heizelement (12) mit einer Ofenkammer, die eine Verfahrenskammer (109) mit einem Quellende umgibt, wobei die Ofenkammer (105) eine Bohrung (108) am Quellende aufweist, um ein Thermoelement einzuführen.

10. Hochtemperatur-Diffusionsofen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin jede Heizelementkammer (11) eine Vorderseite, eine Rückseite und zwei Endseiten aufweist, wobei sich das Lufteintrittsloch in der Vorderseite befindet, und ein Auslass vorhanden ist, der sich in der Rückseite einer jeden Heizelementkammer (11) befindet, wobei das Heizelement (12) zylindrisch ist und sich parallel zur Vorder- und zur Rückseite erstreckt, wobei das Heizelement (12) so angeordnet ist, dass es für Kühlungsluft möglich ist, vollständig um seinen Umfang herum zu strömen.