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Diese
Erfindung bezieht sich insgesamt auf eine schnelle thermische Heizvorrichtung
und auf ein Verfahren zum schnellen Erhitzen eines Substrats und
insbesondere auf eine Strahlungsenergieheizquelle mit einer verbesserten
Steuerbarkeit der räumlichen
Erhitzung eines Substrats durch Reflektieren von Energie aus einer
Strahlungsenergiequelle.
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Die
Einzelwaferbehandlung von Halbleitern ist eine starke und vielseitige
Technik für
die Herstellung von sehr hoch integrierten elektronischen Schaltungen
(VLSI) sowie von ultrahochintegrierten elektronischen Schaltungen
(ULSI). Sie kombiniert eine photonengestützte schnelle Wafererhitzung
bei niedriger thermischer Masse mit einer Halbleiterbehandlung in
reaktiver Umgebung. Sowohl die Wafertemperatur als auch die Prozessumgebung
können schnell
geändert
werden (aufgrund kurzer Übergangszeiten)
und als Folge können
jeder Herstellungsschritt und seine Unterprozesse unabhängig optimiert
werden, um die Gesamtleistung der hergestellten Bauelemente zu verbessern.
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Die
schnelle thermische Behandlung (RTP) von Halbleiterwafern ermöglicht eine
bessere Prozesswiederholbarkeit von Wafer zu Wafer in einem thermischen
Behandlungsreaktor für
Einzelwafer mit Lampenerhitzung. Zahlreiche Siliziumfertigungstechnologien
benutzen RTP-Techniken,
zu denen die schnelle thermische Glühbehandlung (RTA), die schnelle
thermische Reinigung (RTC), die schnelle thermische chemische Gasphasenabscheidung (RTCVD),
die schnelle thermische Oxidation (RTO) und die schnelle thermische
Nitrierung (RTN) gehören.
Beispielsweise können
RTCVD-Prozesse zur Bildung von Dielektrika (beispielsweise Oxyde
und Nitride), Halbleitermaterialien (beispielsweise amorphes Silizium
und Polysilizium) sowie von Leitern (beispielsweise Aluminium, Kupfer,
Wolfram und Titannitrid) unter Verwendung fortgeschrittener RTP-Techniken
zur Herstellung von VLSI- und ULSI-Bauelementen durchgeführt werden.
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In
der Halbleiterindustrie möchte
man eine Temperaturgleichförmigkeit über der
Oberfläche
eines jeden Substrats während
der zyklischen Temperaturbehandlung von Substraten erreichen. Die Gleichförmigkeit
der Oberflächentemperatur
führt zu gleichförmigen Prozessvariablen
(beispielsweise Schichtdicke, spezifischer Widerstand und Ätztiefe) für verschiedene
temperaturaktivierte Schritte, wie die Filmabscheidung, das Oxydwachstum
und das Aushei zen. Zusätzlich
ist eine Temperaturgleichförmigkeit
erforderlich, um einen thermischen spannungsinduzierten Schaden,
wie Verwerfen, Defekterzeugung und Gleiten verhindern.
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Bei
der speziellen Anwendung der CMOS-Tordielektrikumsbildung durch
RTO oder RTN, sind die Dicke, die Wachstumstemperatur und die Gleichförmigkeit
der Tordielektrika kritische Parameter, die die Gesamtleistung des
Bauelements und die Fertigungsausbeute beeinflussen. Zurzeit werden CMOS-Bauelemente
mit dielektrischen Schichten hergestellt, die nur 60 bis 80 Ångstrom
dick sind und deren Dickengleichförmigkeit innerhalb +/– 2 Ångstrom
gehalten werden muss. Dieser Wert der Gleichförmigkeit erfordert, dass Temperaturänderungen über dem
Substrat während
einer Hochtemperaturbehandlung nur wenige Grad Celsius (°C) überschritten
werden können.
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Der
Wafer selbst kann häufig
auch kleine Temperaturunterschiede während der Hochtemperaturbehandlung
nicht tolerieren. Wenn man zulässt, dass
der Temperaturunterschied auf über
etwa 1 bis 2 °C
bei 1200°C
ansteigt, ist es wahrscheinlich, dass die sich ergebende Spannung
ein Gleiten in dem Siliziumkristall verursacht. Die sich ergebenden
Gleitflächen
zerstören
alle Bauelemente, durch die sie hindurch gehen.
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Die
Gerätehersteller
haben beträchtliche Konstruktionsmittel
aufgebracht, um ein gleichförmiges
Wafererhitzen in RTP-Systemen zu gewährleisten. Beispielsweise offenbart
das US-Patent 5
155 336 ('336-Patent),
das auf die Zessionarin der vorliegenden Anmeldung übertragen
ist, eine RTP-Kammer, die eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen verwendet,
die für
die Zuführung
von Wärme
zu einem Substrat angeordnet sind. Die Strahlungsenergiequellen
sind so angeordnet, dass sich die bestrahlten Bereiche des Substrats,
die benachbarten Strahlungsenergiequellen entsprechen, überlappen. Diese Überlappung
wird durch überlappende
Verteilungen der Strahlungsenergiedichte – worauf auch als Energieflussverteilungen
gemessen in Einheiten von Energie/Fläche Bezug genommen wird – jeder Strahlungsenergiequelle
verursacht. Die Überlappung
trägt dazu
bei, zu gewährleisten,
dass die gesamte Oberfläche
des Substrats gleichförmig
bestrahlt wird.
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Die
relative Strahlungsstärke über einem Substrat
hängt von
den Überlappungsverteilungen benachbarter
Strahlungsenergiequellen ab. Eine zusätzliche Strahlung wird jedoch
für Abschnitte
der Substratoberfläche
von nicht benachbarten Strahlungsenergiequellen durch Mehrfachreflexionen
von Strahlungsenergie weg von der Oberfläche des Substrats und den Oberflächen der
RTP-Kammer beigetragen. Je stärker
die Oberfläche
des Substrats reflektiert, desto mehr Energie wird von der Substratoberfläche für die Übertragung
um die RTP- Kammer herum
weg reflektiert und kommt mit der Substratoberfläche an Stellen in Kontakt,
die von der Strahlungsenergiequelle entfernt sind.
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Als
Folge der Überlappung
der Flussverteilungen und der Mehrfachreflexionen von Strahlungsenergie
tragen verschiedene Strahlungsenergiequellen zur Veränderung
des Grades der Strahlungsdichte irgendeiner Stelle auf der Substratoberfläche bei. Diese
Tatsache macht den Prozess der Steuerung des Temperaturprofils über der
Substratoberfläche durch
Manipulieren der Energie kompliziert, die verschiedenen Strahlungsenergiequellen
zugeführt wird.
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Man
hat auch erkannt, dass ein Kompromiss zwischen der Steuerbarkeit
der Temperaturgleichförmigkeit über der
Substratoberfläche
und dem Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequellen vorliegt. Wenn
beispielsweise in einer RTP-Kammer die Energieflussverteilung von
einer Strahlungsenergiequelle durch beispielsweise eine Verengung
des Auslasses des Lichtrohres der Quelle beschränkt ist, um eine bessere Steuerbarkeit
der Substratoberflächentemperatur
zu erreichen, nimmt der Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequelle
ab, da weniger Energie auf das Substrat gerichtet wird. Wenn der
Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequelle durch Vergrößern des Auslasses
und notwendigerweise die Verteilung der von der Strahlungsenergiequelle
freigegebenen Strahlungsenergie erhöht wird, nimmt umgekehrt die Steuerbarkeit
wegen der gesteigerten Mehrfachreflexionen und der Flussverteilungsüberlappungen,
wie vorstehend beschrieben, ab. Deshalb möchte man den Wirkungsgrad der
Strahlungsenergiequellen verbessern, die Steuerbarkeit der Verteilung
der Strahlungsenergie, die auf das Substrat gerichtet wird, jedoch
nicht verschlechtern.
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Es
ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Strahlungsenergie-Heizquelle
bereitzustellen, die eine verbesserte räumliche Steuerung der Strahlungsenergie ermöglicht,
die auf ein Substrat aufgebracht wird, während ein verbesserter Strahlungsenergiequellenwirkungsgrad
verwirklicht wird.
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Die
US-A-3 623 712, die
US 3 761
678 und die
US 5 332
442 offenbaren jeweils eine Substratheizvorrichtung mit
Strahlungsenergiequellen und Reflektoren, die eine lange zentrale
Achse und ein erstes Ende haben, um Strahlungsenergie aus den Strahlungsenergiequellen
aus dem ersten Ende heraus zu einem zu erhitzenden Substrat zu richten.
Die Reflektoren der
US 3 623
712 und
3 761 678 haben Spiegelreflektoroberflächen an
ihrem ersten Ende mit einem konisch zulaufenden Bereich, während der Reflektor
der
US 5 332 442 eine
Parabolform (
US 5 332 442 )
hat, um Strahlungsenergie von jeder Strahlungsenergiequelle aus
zu einem Substrat zur Bestrahlung eines begrenzten Bereichs von
ihm zu reflektieren.
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Diese
Erfindung stellt eine thermische Heizvorrichtung zum Erhitzen eines
Substrats während einer
schnellen thermischen Behandlung des Substrats mit wenigstens zwei
Strahlungsenergiequellen, die zur Zuführung von Wärme zu dem Substrat angeordnet
sind, mit einem eine lange zentrale Achse und ein erstes Ende aufweisenden
Reflektor für
jede Strahlungsenergiequelle, wobei der Reflektor so gestaltet ist,
dass er Strahlungsenergie von der Strahlungsenergiequelle aus dem
ersten Ende zu dem Substrat richtet, bereit, wobei jeder Reflektor
eine spiegelnde Reflektorfläche
an dem ersten Ende hat, das einen konisch zulaufenden Bereich mit
einem Einzelkonuswinkel aufweist, um Strahlungsenergie von der entsprechenden
Strahlungsenergiequelle zu dem Substrat zur Bestrahlung eines begrenzten
Bereichs von diesem zu reflektieren, das erste Ende des Reflektors
die Energieflussverteilung aus der Strahlungsenergiequelle auf den
begrenzten Bereich auf dem Substrat beschränkt und die Energieflussverteilungen
aus benachbarten Energiequellen zur Steuerung der Substratoberflächentemperatur
vorgegebene Überlappungen
haben.
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Vorzugsweise
reflektiert der konisch zulaufende Bereich wenigstens eines Reflektors
Strahlungsenergie von wenigstens einer Strahlungsenergiequelle im
Wesentlichen parallel zur zentralen Achse. Bei einer Anordnung nach
der Erfindung hat der eine Reflektor eine erste Länge, während der
konisch zulaufenden Bereich annähernd
100% der ersten Länge
aufweist.
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Bei
einer alternativen Anordndung hat der konisch zulaufende Bereich
des wenigstens einen Reflektors etwa 30 bis 50% der ersten Länge.
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Der
konisch zulaufende Bereich eines jeden Reflektors kann einen Konuswinkel
von etwa 1 bis 89° haben.
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Beispielsweise
kann der Konuswinkel etwa 1 bis 30° betragen.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung kann jede Strahlungsenergiequelle
eine Lampenhülle
aufweisen, die wenigstens teilweise innerhalb des entsprechenden
Reflektors angeordnet ist, wobei die Lampenhülle ein erstes Ende nahe eines Basisabschnitts
der Lampe und ein zweites Ende aufweist, und der konisch zulaufende
Bereich des Reflektors gegenüber
dem zweiten Ende der Lampenhülle
beginnt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die thermische Heizvorrichtung eine
Behandlungskammer, in der das Substrat angeordnet wird. Die Behandlungskam mer
hat ein Fenster, das zwischen den Strahlungsenergiequellen und dem
Substrat angeordnet ist. Die Strahlungsenergie wird von einem konisch
zulaufenden Bereich eines Spiegelreflektor-Lichtrohrs durch das
Fenster in die Kammer zur Bestrahlung des Substrats reflektiert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die thermische Heizvorrichtung wenigstens
einen Reflektor mit einer sich konisch erweiternden Spiegelreflektorhülse zur
Reflexion von Strahlungsenergie aus einer Strahlungsenergiequelle
und zum Lenken der Strahlungsenergie zu dem Substrat, um einen begrenzten
Bereich des Substrats zu bestrahlen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine Vorrichtung
zur schnellen thermischen Behandlung eines Substrats eine evakuierbare
Kammer mit einem Fenster und eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen,
die außerhalb der
Kammer und angrenzend an das Fenster angeordnet sind. Die Strahlungsenergiequellen
haben eine zentrale Längsachse,
die sich in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung bezüglich des Fensters
erstreckt. Den Strahlungsenergiequellen zugeordnete Reflektoren
lenken die Strahlungsenergie durch das Fenster zur Bestrahlung bestimmter Bereiche
in einem Substrat in der Kammer mit einem Strahlungsstärkenmuster.
Die Reflektoren erstrecken sich längs eines Hauptteils der Längsachse
der Strahlungsenergiequellen. Die Reflektoren haben einen konisch
zulaufenden Bereich an einem ersten Ende angrenzend an das Fenster,
um Strahlungsenergie aus der Strahlungsenergiequelle zu reflektieren und
zu dem Substrat zu richten. Die Strahlungsenergiequellen und die
Reflektoren sind so angeordnet, dass ein Teil eines vorgegebenen
Bereichs, der von einer Strahlungsenergiequelle bestrahlt wird,
einen Teil eines vorgegebenen Bereichs überlappt, der von einer benachbarten
Strahlungsenergiequelle bestrahlt wird, um über dem Substrat eine Strahlungsstärke zu erzeugen,
die von der Stärke
der benachbarten Strahlungsenergiequellen abhängt.
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Die
vorliegende Erfindung hat neben anderen den folgenden Vorteil, nämlich die
Bereitstellung einer thermischen Heizvorrichtung mit einem verbesserten
Wirkungsgrad der Strahlungsenergiequellen, wobei die Steuerbarkeit
der Verteilung der auf das Substrat gerichteten Strahlungsenergie
nicht verringert wird.
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die hier eingeschlossen sind und einen
Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen die Erfindung schematisch und
dienen zusammen mit der vorstehenden allgemeinen Beschreibung und
der nachstehenden ins Einzelne gehenden Beschreibung zur Erläuterung der
Prinzipien der Erfindung.
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines RTP-Systems gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht, die ein Lichtrohr gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist
eine schematische vergrößerte Ansicht,
die eine Fensteranordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
eine schematische Ansicht, die ein Lichtrohr gemäß einer alternativen Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5A ist
eine vergrößerte schematische Ansicht,
die ein Lichtrohr mit einem konisch zulaufenden Spiegelreflektor
an einem Licht emittierenden Ende gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist.
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5B ist
eine schematische Ansicht des Lichtrohrs von 5A mit
einem konisch zulaufenden Spiegelreflektor mit einem konisch zulaufenden Teil
gegenüber
der Lampenhülle
gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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5C ist
eine schematische Ansicht des Lichtrohrs von 5A mit
einem konisch zulaufenden Spiegelreflektor, der auf seiner ganzen
Länge konisch
zuläuft,
gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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6A ist
eine vergrößerte schematische Ansicht,
die ein Lichtrohr mit einer Strahlungsenergiequelle mit niedriger
Leistung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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6B ist
eine schematische Ansicht, die das Lichtrohr von 6A mit
einer Strahlungsenergiequelle mit niedriger Leistung zeigt, die
einen horizontalen Faden gemäß der vorliegenden
Erfindung hat.
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7 ist
eine schematische Draufsicht, die eine abwechselnde Anordnung von
Reflektoren und Strahlungsenergiequellen zeigt, mit denen die vorliegende
Erfindung in Kombination verwendet werden kann, wobei mehrere Reflektoren
mehrere Energiequellen umgeben.
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8 ist
eine schematische Draufsicht, die eine weitere abwechselnde Anordnung
von Reflektoren und Strahlungsenergiequellen zeigt, mit denen die
vorliegende Erfindung in Kombination verwendet werden kann, wobei
mehrere konzentrische Reflektoren mehrere Energiequellen umgeben.
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Die
hier beschriebene Erfindung kann in Verbindung mit einem schnellen
thermischen Heizsystem der Bauweise, wie sie in dem US-Patent 5
155 336 beschrieben ist, verwendet werden, deren gesamte Offenbarung
hier durch Referenz eingeschlossen ist. Die Behandlungskammer kann
jeweils entweder bei Atmosphärendruck
oder reduziertem Druck (Vakuum) entweder mit einem Einzelfenster oder
mit einer Doppelfensteranordnung arbeiten. Nachstehend wird nur
ein mit verringertem Druck arbeitendes System beschrieben.
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In 1 ist
die Vorrichtung dieser Erfindung in Zuordnung zu einer mit reduziertem
Druck oder Vakuum arbeitenden RTP-Kammer 20 gezeigt, die eine
evakuierbare Kammer 33, eine Fensteranordnung 37 und
eine Strahlungsenergieanordnung 38 aufweist, die über der
Fensteranordnung liegt. Die Wände
der Kammer 33 sind schematisch bei 34 gezeigt.
Die Fensteranordnung 37 bildet die obere Wand der Kammer 33 und
ist daran durch O-Ringe 36 abgedichtet. In der Kammer 33 wird
ein Substrat 81, beispielsweise ein Siliziumwafer, an seinem Rand
durch beabstandete Haltefinger 82 abgestützt, die
auf einem Trägerrohr 83 angebracht
sind. Die RTP-Kammer kann auch zur Behandlung anderer Arten von
Substraten verwendet werden, beispielsweise Kunststofftafeln, Glasplatten
oder Scheiben und Kunststoffwerkstücken.
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Das
Trägerrohr 83 ist
drehbar von Kammerwänden 34 durch
eine Lageranordnung 84 gehalten. An dem Trägerrohr 83 sind
Magnete 86 angebracht. Die Magnetfelder der Magnete 86 erstrecken
sich durch die Wände 34 und
koppeln mit Magneten 87, die an einem Antriebsring 88 angebracht
sind, der in geeigneter Weise angetrieben wird (nicht gezeigt). Die
Drehung des Rings führt
dazu, dass sich das Trägerrohr 83 und
das Substrat 81 drehen. Während einer thermischen Behandlung
dreht der Tragaufbau, der insgesamt mit 108 bezeichnet
ist, mit etwa 90 Upm. Die magnetische Koppelung beseitigt die Notwendigkeit
für einen
sorgfältig
konstruierten gegen Vakuum abgedichteten Antrieb. Für das Einblasen von
Behandlungsgasen in die Kammer 33 ist ein Gaseinblaskopf 89 vorgesehen,
wodurch verschiedene Behandlungsschritte in der Kammer ausgeführt werden
können.
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Die
Strahlungsenergieanordnung 38 hat eine Vielzahl von Strahlungsenergiequellen
oder Lampen 39, denen ein Reflektor zugeordnet ist. Bei
einer Ausführungsform
sind die Lampen 39 Wolframhalogenlampen mit 750 W und 120
V, die von Sylvania, Inc., 100 Endicott Street, Danvers, MA 01923
als Teilnummer ULS-750-QJKT hergestellt werden. Der Reflektor kann
ein Lichtrohr 41 mit einer darin montierten Lampe sein.
Das Lichtrohr kann aus rostfreiem Stahl, Messing, Aluminium oder
einem anderen Metall hergestellt sein. Bei einer Ausgestaltung können Lichtrohre
aus rostfreiem Stahl hergestellt von Luxtron Corporation-Accufiber
Divsion, 2775 Northwestern Parkway, Santa Clara, CA 95051-0903 verwendet werden.
Die Enden der Lichtrohre 41 sind an Öffnungen in einer oberen und
unteren Kühlkammerwand 41, 43 hart
angelötet,
angeschweißt
oder auf andere Weise befestigt. An dem Umfangsrand der Kühlkammerwände 42 und 43 kann
eine zylindrische Wand 44 hart angelötet, angeschweißt oder
auf andere Weise befestigt sein und bildet mit ihnen eine Kühlkammer 46.
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In
die Kammer 46 wird über
einen Einlass 47 ein Kühlmittel,
wie Wasser, eingeführt
und an einem Auslass 48 abgeführt. Das Fluid durchläuft den
Raum zwischen den verschiedenen Lichtrohren 41 und kühlt sie
dabei. Um den richtigen Durchstrom durch die Kammer 46 zu
gewährleisten,
können
Leitplatten (nicht gezeigt) vorgesehen werden.
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Gemäß 2 hat
jedes Lichtrohr 41 eine Wand 152 und einen Spiegelreflektor 159,
der an einem Ende 164 angeordnet ist, das in der Nähe der Fensteranordnung 37 liegt.
Die Wand 152 hat einen oberen Abschnitt, der ein integrales
Teil des Lichtrohrs 41 oder als eine obere Hülse 31 ausgebildet sein
kann, die in dem Lichtrohr 41 angeordnet ist. Die obere
Hülse 31 kann
aus rostfreiem Stahl hergestellt sein.
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Der
Spiegelreflektor 159 kann als Hülse ausgebildet sein, die in
dem Lichtrohr 41 angeordnet ist. Alternativ kann der Spiegelreflektor 159 ein
integrales Teil des Lichtrohrs 41 sein. Der Spiegelreflektor 159 kann
aus Aluminium hergestellt sein. Je stärker die Oberfläche des
Reflektors 159 reflektiert, desto mehr Energie wird reflektiert,
um das Substrat 81 in der Kammer 33 zu erreichen.
Deshalb ist die Fläche 160 des
Spiegelreflektors 159 zur Verbesserung des Reflexionsvermögens poliert.
Das Polieren kann dadurch erreicht werden, dass der Spiegelreflektor 159 langsam
in Bahnen bearbeitet wird, oder durch Verwendung eines polierenden
oder läppenden
Rades nach der spanenden Bearbeitung. Bei einer Ausführungsform
wird nach dem Polieren die Oberfläche 160 mit Gold plattiert,
um zu verhindern, dass die Oberfläche oxidiert, und um einen
hohen Reflexionsgrad aufrecht zu erhalten. Um eine Migration von Gold
in den Spiegelreflektor 159 zu verhindern, wird auf der
Oberfläche 160 vor
dem Goldplattieren eine Diffusionssperrschicht aus Nickel aufgebracht.
Die Nickelsperrschicht wird unter Verwendung üblicher stromloser Nickelplattiertechniken
aufgebracht und anschließend
Gold hoher Reinheit durch das Goldplattieren aufgetragen.
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Jede
Lampe 39 hat eine Basis 54, einen Faden 161,
eine Lampenhülle 162,
Zuführungsdrähte 163 und
Leiter (Molybdänplatten) 53.
Die Leiter 53 übertragen
die durch die Zuführdrähte 163 bereitgestellte
elektrische Energie zu dem Faden 161. Der Faden 161 kann
als Wendel so gewickelt sein, dass seine Achse parallel zu der langen
zentralen Achse der Lampenhülle 162 ist.
Der größte Teil
des Lichts aus den Lampen wird senkrecht zu dieser Achse zur Wand 152 des
umgebenden Lichtrohrs 41 abgegeben.
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Die
Strahlungsenergie aus der Lampe 39 wird aus dem Ende 164 ihres
zugehörigen
Lichtrohrs nach vielen Reflexionen nach außen gerichtet. Etwas von der
Energie wird jedoch an der Basis 54 absorbiert. Dies kann
dazu führen,
dass die Basis der Lampe viel höhere
Temperaturen im Vergleich zu einer Lampe erreicht, die in einen
offenen Raum abstrahlt. Wenn die Basis zu heiß wird, kann die durchschnittliche
Lampenlebensdauer merklich reduziert werden. Deshalb sind Einrichtungen
zum Kühlen
der Lampenbasis vorgesehen. Insbesondere kann zwischen der Lampenbasis
und der oberen Hülse 31 eine
Keramikmasse 58 angeordnet werden, wodurch sich ein Wärmeübergang
von der Basis 54 durch die Keramik 58 und die
obere Hülse 31 zu
der Umschließungsfront 152 ergibt.
Die Keramikmasse ist ein guter Wärmeleiter
und sorgt für
einen hervorragenden Wärmeübergang
von der Basis zu den umgebenden Wänden.
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Ein
weiterer Lampenstörungsmechanismus ergibt
sich, wenn die Temperatur der Lampenhülle über 550°C ansteigt. Bei dieser Temperatur
wird die Lampenhülle 162 weich
genug, um sich aufzublähen oder
Blasen zu bilden. Dies ist ein spezielles Problem, wenn Wolframhalogenbirnen
verwendet werden, die bei sehr hohen inneren Gasdrucken arbeiten.
Dieses Problem wird bei der vorliegenden Erfindung durch Verwendung
eines Aluminiumspiegelreflektors 159 verringert.
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In 2 ist
ein Pyrometer oder ein Detektor 86 gezeigt, der mit einem
Adapter 77 zusammenwirkt, der mit einem dünnen Lichtrohr 78 verbunden ist,
das sich zwischen der oberen und unteren Kühlkammerwand 42, 43 erstreckt.
Der Detektor 86 gibt ein Ausgangssignal, das die Oberflächentemperatur des
Substrats in dem Sichtfeld des Lichtrohrs angibt. Vor dem Detektor 86 ist
ein Filter 79 eingesetzt, das so ausgewählt ist, dass Infrarotenergie
im Wellenlängenbereich
von 4,8 bis 5,2 μm
hindurchgeht, um eine Störung
durch die Strahlungsenergie zu vermeiden, die von dem Lichtrohr 41 abgegeben
wird.
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Die
Strahlungsenergieanordnung 38 mit der Vielzahl von Lichtrohren 41 und
zugehörigen
Lampen 39 ermöglicht
die Verwendung von dünnen
Quarzfenstern zur Schaffung eines optischen Kanals zur Erhitzung
eines Substrats in der Kammer 33. Für eine mit reduziertem Druck
(Vakuum) arbeitende RTP-Kammer wird eine Wasser gekühlte Quarzfensteranordnung
verwendet, die voll in dem US-Patent 5 155 336 beschrieben und von
der ein Teil im Einzelnen in 3 gezeigt
ist. Die Fensteranordnung 37 hat kurze Lichtrohre 61,
die an einer oberen und unteren Flanschplatte 62, 63 angeschweißt oder
auf andere Weise daran befestigt sind oder ein Stück mit ihnen
bilden, deren äußere Ränder an
einer Wand 64 abgedichtet sind. Die Lichtrohre 61 decken
sich mit den Lichtrohren 41 in der Strahlungsenergieanordnung 38.
In Räume 66 zwischen
den Lichtrohren 61 und den Flanschplatten 62 und 63 wird
Kühlwasser zum
Kühlen
der Lichtrohre 61 und der Flanschplatten 62 und 63 eingestrahlt.
Die Flanschplatten und die Lichtrohre sind sandwichartig zwischen
zwei Quarzplatten 67 und 68 angeordnet. Die Quarzplatten 67 und 68 sind
an den Flanschplatten 62 und 63 durch O-Ringe 69 bzw. 71 abgedichtet.
In den Lichtrohren 61 wird durch Abpumpen durch ein Rohr 73 ein
Vakuum erzeugt, das mit einem der Lichtrohre 61 verbunden
ist, das seinerseits mit dem Rest der Lichtrohre 61 durch
schmale Vertiefungen oder Nuten 72 in der unteren Flanschplatte 62 verbunden
ist.
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In
der Fensteranordnung 37 sind Quarzfenster 67 und 68 angrenzend
an das Lichtrohr 78 ausgeschnitten und mit Saphirfenstern 80 versehen,
die Licht mit einer Wellenlänge
von etwa 6,5 μm
durchlassen. Dadurch kann Licht von dem Substrat durch die Saphirfenster 80 hindurch,
durch das Lichtrohr 78 und durch den Filter 79 zum
Detektor 86 gelangen, der ein Ausgangssignal abgibt, das
die Oberflächentemperatur
des Substrats im Sichtfeld des Lichtrohrs 78 angibt.
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Gemäß 2 wird
die Länge
des Lichtrohrs 41 so gewählt, dass es wenigstens so
lange wie seine zugehörige
Lampe 39 ist. Sie kann länger gestaltet werden, vorausgesetzt,
dass die das Substrat erreichende Leistung durch die sich ergebenden
erhöhten
Reflexionen nicht wesentlich gedämpft
wird. 4 zeigt eine Geometrie, bei der die Lampe 39 eine
Lampenhülle 162 hat,
die sich im Wesentlichen zum Lichtrohrende 14 erstreckt.
Insbesondere erstreckt sich die Lampenhülle 162 in etwa .010
Zoll über
das Ende 164. Diese Ausgestaltung führt zu einer Steigerung des
Wirkungsgrads der Strahlungsenergieheizquelle um 35% (27% Wirkungsgrad,
beispielsweise Leistung-Aus/Leistung-Ein am Austritt des Lichtrohrs 41)
gegenüber
einer ähnlich
gestalteten Strahlungsenergieheizquelle, die einen diffusen Reflektor
und eine Quarzhülle
hat.
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Alternativ
kann die Lampe 39 im Lichtrohr 41 so angebracht
werden, dass die Lampenhülle 162 sich über das
Ende des Lichtrohrs 41 hinaus erstrecken kann. Diese Art
einer verlängerten
Lampenausgestaltung kann den Wirkungsgrad der Strahlungsenergieanordnung 38 verbessern.
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Um
den Wirkungsgrad der Strahlungsenergieanordnung 38 zu erhöhen, kann,
wie in 5A gezeigt ist, das Lichtrohr 41 eine
sich konisch erweiternde Spiegelreflektorhülse 200 aufweisen.
Der sich konisch erweiternde Spiegelreflektor kann als integrales
Teil des Lichtrohrs 41 im Gegensatz zu einer gesonderten
Hülse ausgebildet
werden. Die sich konisch erweiternde Spiegelreflektorhülse 200 hat
einen obersten zylindrischen Bereich 202 gegenüber (parallel
zu) der Lampenhülle 162 und
einen unteren konisch zulaufenden Bereich 204 mit einer
Länge D. Der
untere konisch zulaufende Bereich 204 wird von einem Konuswinkel α definiert,
der etwa 1 bis 89° betragen
kann, wobei 1 bis 30° bevorzugt
werden. Der konisch zulaufende Bereich 204 kann einen wesentlichen
Teil der Länge
der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 200 bilden, wobei
30 bis 50% der Gesamtlänge
bevorzugt werden. Wenn der Konuswinkel zunimmt, nimmt die Energiemenge,
die aus dem Lichtrohr 41 entweicht, zu, wodurch der Wirkungsgrad
der Lampe 39 erhöht
wird. Der Konuswinkel α kann
empirisch optimiert werden, um eine gleichförmige Ausleuchtung irgendeines
gewünschten
räumlichen
Stärkenprofils
oder einen gewünschten
Lampenwirkungsgrad bereitzustellen.
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Der
konisch zulaufende Bereich 204 kann an einem Punktniveau
mit dem Ende der Lampenhülle 163 beginnen,
obwohl andere Ausgestaltungen möglich
sind, was von dem gewünschten
Lampenwirkungsgrad abhängt. 5B zeigt
beispielsweise einen konisch zulaufenden Bereich 204 mit
einem Konuswinkel α1
von etwa 4°,
der gegenüber
der Lampenhülle 162 beginnt,
was zu einem konisch zulaufenden Bereich mit einer Länge D1 von
etwa 30% der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 200 ergibt. Bei
dieser Ausgestaltung, die die Wolframhalogenlampe (USL-750-QJKT)
mit 750 W von Sylvania verwendet, wurde eine 60%-Steigerung des
Wirkungsgrads gemessen (32% Wirkungsgrad beispielsweise Leistung-Aus/Leistung-Ein
am Austritt des Lichtrohrs 41) gegenüber einem ähnlichen Strahlungsenergieheizsystem
mit einem diffusen Reflektor und einer Quarzhülse.
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5C zeigt
einen konisch zulaufenden Bereich 204 mit einem Konuswinkel α2 von etwa
2°, was die
gesamte Länge
D2 der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 200 einschließt. Die
vergrößerte Länge der
sich erweiternden Spiegelreflektorhülse erhöht den Wirkungsgrad der Lampen 39,
die mehr Strahlungsenergie zum Austritt des Lichtrohrs 41 reflektieren.
Wenn jedoch die Länge
des sich erweiternden Bereichs zunimmt, kann die Lampenkühlung problematisch
werden. Wenn die Länge
des konisch zulaufenden Bereichs zunimmt, wird ein größerer Luftspalt
zwischen der Lampenhülle
und der Reflektorhülse
erzeugt. Es kann sich eine Überhitzung
der Lampenbasis ergeben, da Luft kein sehr guter Leiter für Wärmeenergie
ist. Die Auswahl des Konuswinkels und die Länge des konisch zulaufenden
Bereichs sollten unter Berücksichtigung
dieser potenziellen Anomalie getroffen werden.
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6A zeigt
eine sich erweiternde Spiegelreflektorhülse 300 mit einem
ersten Ende 304, das sich in der Nähe der Basis 54 der
Lampe 39 befindet, mit einem konisch zulaufenden Bereich 306,
der am ersten Ende 304 beginnt und sich von der Lampenhülle 162 und
einem Konuswinkel β weg
erstreckt, sowie einem unteren Bereich 110. Der Konuswinkel β kann etwa
1 bis 89°,
vorzugsweise 10 bis 45° betragen.
Der konisch zulaufende Bereich 306 kann einen wesentlichen
Teil der Länge
der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse 300 bilden, wobei
30 bis 50% der Gesamtlänge
bevorzugt werden. Bei dieser Ausführungsform nimmt, wenn der
Konuswinkel vergrößert wird,
die Menge der aus dem Lichtrohr 41 entweichenden Energie
zu, wodurch der Wirkungsgrad der Strahlungsenergieheizquelle gesteigert
wird. Wenn zusätzlich
die Fadenlänge
dem konisch zulaufenden Bereich 306 gegenüber liegt,
neigt die Strahlungsenergie dazu, direkt parallel zur zentralen
Achse der Lampenhülle 162 reflektiert
zu werden. Der Teil des konisch zulaufenden Bereichs, der dem Lampenfaden
gegenüberliegt,
neigt zum Sammeln der Strahlungsenergie.
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Der
untere Bereich 310 ist in seiner Form zylindrisch und hat
bezüglich
des Endes 164 des Lichtrohrs 41 senkrechte Wände. Alternativ
kann der untere Bereich 310 mit einem gegenüber dem
Konuswinkel β anderen
Winkel konisch zulaufen. Der untere Bereich 310 bildet
eine zweite Fläche 312 zum
Reflektieren von Strahlungsenergie aus dem Ende 164 des
Lichtrohrs 41 heraus.
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Bei
einer Ausgestaltung ist der sich erweiternde Spiegelreflektor 300 aus
Aluminium hergestellt und seine Außenfläche (der Lampe 39 zugewandt)
ist mit Gold plattiert, um die Reflexionseigenschaften des sich
erweiternden Spiegelreflektors zu verbessern.
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Die
sich ergebende Steigerung des Wirkungsgrads, die dieser Art von
sich erweitender Spiegelreflektorhülse zugeordnet ist, beträgt 150%
gegenüber
einer Ausgestaltung mit einem diffusen Reflektor und einer Quarzhülse (50%
Wirkungsgrad, beispielsweise Leistung-Aus/Leistung-Ein am Auslass des Lichtrohrs 41).
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Durch
die Hinzufügung
der sich erweiternden Spiegelreflektorhülse, wie sie vorstehend in
Bezug auf die 5A, 5B, 5C und 6A beschrieben
ist, kann eine Strahlungsenergiequelle mit niedrigerer Leistung
verwendet werden, was zu einem verbesserten Energiewirkungsgrad
und einer erhöhten
Lebensdauer der Quelle führt.
Insbesondere kann bei der Ausführungsform
von 6A beispielsweise die Lampe 39 eine Wolframhalogenlampe
mit 410 W und 82 V sowie einer festen Wendel hergestellt von Sylvania
Teil Nummer ULS-AM410/82 sein. Diese Lampe hat einen relativ kurzen
Faden und einen kleineren Gesamtbirnendurch messer, der sich einer
Energiepunktquelle besser annähert,
als Lampen mit längerem
und breiterem Faden. Eine Energiepunktquelle ermöglicht eine genaue Fokussierung
von nahezu der ganzen Strahlungsenergie, die von der Quelle erzeugt
wird, in dem Lichtrohr nach unten und auf einem speziellen Teil
des Substrats, wodurch die Steuerbarkeit verbessert und die Energieverluste
minimiert werden. Zusätzlich
ermöglicht
der kleinere Birnendurchmesser mehr Raum für das Entweichen von Strahlungsenergie.
Je mehr Raum zwischen der Lampenhülle und dem Reflektor zur Verfügung steht,
desto mehr Strahlungsenergie kann aus dem Ende des Lichtrohrs austreten.
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Alternativ
kann, wie in 6B gezeigt ist, die Lampe 301 so
gestaltet werden, dass sie einen horizontalen Faden 350 hat.
Bisher konnte eine Strahlungsenergiequelle mit einem horizontalen
Faden keine ausreichende Menge von Strahlungsenergie zum Erhitzen
eines entsprechenden Teils eines Substrats bei den Beschränkungen
der Lichtrohre und der Reflexionsmöglichkeiten richten. Wie oben
beschrieben wurde, führt
eine Zunahme des Durchmessers der Lichtrohre zu einer komplizierten
Quellensteuerung und zu Reflexionsproblemen bei der Aufrechterhaltung
der Gleichförmigkeit
der Erhitzung über
der Substratoberfläche.
Durch die Zufügung
einer sich erweiternden Spiegelreflektorhülse (beispielsweise wie in
Verbindung mit den 5A, 5B, 5C und 6A gezeigt
ist) wird jedoch die Menge der Strahlungsenergie aus der Lampe (Lampe 301 in 6), die aus dem Lichtrohr 41 am Ende 164 austritt,
wesentlich gesteigert und kann den Einsatz einer Lampe mit einem
horizontalen Faden (Faden 350 in 6B) ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform
wurde eine Wolframhalogenlampe mit 230 W und 28 V sowie horizontalem
Faden, hergestellt von Sylvania, eingesetzt.
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Die
optimale Kombination (die optimalen Kombinationen) von Lampenabstand,
Form der Lichtrohre und Konuswinkel kann (können) abhängig von den gewünschten
Eigenschaften der RTP-Kammer und den Substratausleuchtungserfordernissen empirisch
bestimmt werden. Durch Steuern dieser Parameter ist man in der Lage,
ein gleichförmiges Stärkenprofil
zu erreichen, das dann durch Steuerung der Lampenleistung für einzelne
Lampen moduliert werden kann, um eine dynamische Temperaturgleichförmigkeit
oder eine einfach verbesserte stationäre Gleichförmigkeit bereitzustellen, während der Energiewirkungsgrad
der einzelnen Lampen verbessert wird.
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Obwohl
die Lichtrohre, die Strahlungsenergiequellen und die konisch zulaufenden
Spiegelreflektoren so offenbart sind, dass sie eine Entsprechung
von eins zu eins haben, kann das Reflektorkonzept bei einer alternativen
Ausgestaltung dadurch ausgeführt
werden, dass mehrere Strahlungsenergiequellen einem Reflektor in
Verbindung mit einem konisch zulaufenden Spiegelbereich umgeben
werden. Eine solche Anordnung ist in 7 gezeigt,
in der ein Reflektor 400 sieben Energiequellen 39 umgibt.
Jeder Reflektor 400 hat einen konisch zulaufenden Spiegelbereich 401 an
dem Ende, das dem Substrat am nächsten
liegt.
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Alternativ
können
die Reflektoren konzentrisch so angeordnet werden, dass zylindrische
Reflektoren mit großen
Durchmessern nicht nur mehrere Strahlungsenergiequellen sondern
auch Reflektoren mit kleineren Durchmessern umgeben. 8 zeigt
eine solche Anordnung, bei der fünf
konzentrische zylindrische Reflektoren 402, 404, 406, 408 und 410 mehrere
Energiequellen 39 umgeben. Jeder Reflektor 402, 404, 406, 408 und 410 hat
einen konisch zulaufenden Spiegelbereich 414 an einem Ende,
aus dem Strahlungsenergie zu einem Substrat hin heraus reflektiert
werden kann.
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Zusammenfassend
werden hier eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung des
Wirkungsgrads von Strahlungsenergiequellen durch Koppeln einer sich
erweiternden Spiegelreflektorhülse
um die Strahlungsenergiequelle herum beschrieben, wodurch mehr Energie
zu dem gewünschten
Teil des Substrats gerichtet wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf eine spezielle Ausführungsform
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte und
beschriebene Ausgestaltung beschränkt. Stattdessen wird der Rahmen
der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt.