DE69824227T2

DE69824227T2 - Wärmebehandlungsanlage

Info

Publication number: DE69824227T2
Application number: DE69824227T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey M. Dove Canyon Kowalski; Chistopher T. Corona del Mar Ratliff; Terry A. Laguna Hills Koble; Jon H. Norco Pack; Michael H. Cerritos Yang
Original assignee: Aviza Technology Inc
Current assignee: Aviza Technology Inc
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: DE69824227D1; US6005225A; EP0867916A2; EP0867916B1; EP0867916A3; JPH10294285A; KR19980080809A; TW463228B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Wärmebehandlungsanlage sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbleiter- und Glaswafersubstraten und dergleichen.
Wärmebehandlungsvorrichtungen werden zur Bildung von Diffusionsschichten oder zur Bildung von Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschichten auf Halbleiter- oder Glassubstraten bei der Herstellung von elektronischen Geräten verwendet. Diese Substrate sind gewöhnlich dünne Wafer aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien. Die folgende Beschreibung der Vorrichtung bezieht sich auf Wafer-Substrate, wobei die Anlage gleichermaßen für die Behandlung jeder dünnen Glas- oder Halbleiterscheibe geeignet sein kann, und die Behandlung eines der oder sämtlicher Materialien fällt in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
Diese Vorrichtungen schaffen die gewünschte Wärmebehandlung durch Erhitzen der Wafer in einer Reaktor- oder Heizkammer, während Inert- oder Reaktivgase in die Kammer eingeführt werden. Diese Heizkammern sind von Heizelementen umgeben, die von einer Isolierung umhüllt sind. Um eine große Anzahl von Wafern in einem einzigen Wärmebehandlungsvorgang behandeln zu können, werden die Wafer herkömmlicher weise in paralleler Ausrichtung übereinander in einem Wafereinsatz gehalten. Diese Kombination wird im folgenden als Waferstapel bezeichnet.
Bei senkrechten Öfen sind der Ofen und der koaxiale Wafereinsatz entlang einer senkrechten Achse ausgerichtet. Der mit zu behandelnden Wafern beladene Wafereinsatz wird vor dem Behandlungszyklus durch eine Bodenöffnung in den Ofen gehoben und nach der Behandlung herabgesenkt. Ein bevorzugter senkrechter Ofen, der entwickelt worden ist, um Schmutzpartikel durch Eliminieren von Gaswirbelbereichen in der Reaktionskammer zu reduzieren, ist im US-Patent Nr. 5,320,680 beschrieben worden.
In der US 5,679,168 und der US 5,618,351 sind Konstruktionen von Wafereinsätzen beschrieben, welche die Wafer während den Zyklen schneller Erhitzung und Abkühlung schützen und besonders wirkungsvoll bei dem Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
Die bekannten Öfen sind durch die Möglichkeiten ihrer Heizsysteme, Ofentemperaturen schnell anzuheben und senken zu können, eingeschränkt. Die japanische Patentveröffentlichung Hei 4-184923 von Nishimura et al. (1. Juli 1992) beschreibt eine Wärmebehandlungsanlage zum Reduzieren der Aufheizzeit. Die Zykluszeiten zum Aufheizen und Abkühlen für die Anlage von Nishimura et al. sind durch das Vorhandensein zusätzlicher Kühlkörpermaterialien auf das Stützen der Wafer begrenzt, da sie den Leistungsbedarf und die Zeiten für die Aufheiz- und Abkühlphasen erhöhen.
Im US-Patent Nr. 5,097,890 ist ein Kühlsystem zum Kühlen einer senkrechten Wärmebehandlungsanlage offenbart, bei der eine Kühlflüssigkeit unter Druck in Richtung einer Reaktionsröhre durch mehrere Einlassdüsen eingeführt wird, die in einer Richtung parallel zu einer Tangente der Reaktionsröhre und senkrecht zu deren Achse ausgerichtet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ofenanlage mit schneller Aufheiz- und schneller Abkühlphase zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine schnell erhitzende Ofenanlage zu schaffen, bei der dieses Ergebnis durch unmodulierten Normalnetzstrom erreicht werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ofenanlage zu schaffen, die den vorstehend genannten Aufgaben mittels eines Gasdurchflussregelungssystems nachkommt, welches Schmutz bildende Wirbelbereiche im wesentlichen eliminiert.
Der erfindungsgemäße senkrechte, sich schnell erhitzende Ofen zur Behandlung von Halbleiterwafern ist durch Anspruch 1 definiert.
Vorzugsweise umfasst ein Ende des Ofens einen zylindrischen isolierenden Heizblock, um Wärmeverlust vom durch die Heißwand-Reaktionsröhre definierten Volumen zu vermindern, wobei eine oder mehrere Siliziumkarbidscheiben vorzugsweise zwischen dem zylindrischen isolierenden Heizblock und der Heißwand-Reaktionsröhre angeordnet sind. Der obere Teil des Ofens weist vorzugsweise eine den Ofen abdichtende Fläche auf, und der Ofen enthält vorzugsweise eine Isolierungskappe mit einer die Kappe abdichtenden Oberfläche, die so dimensioniert und befestigt ist, dass sie einen abdichtenden Abschluss mit der den Ofen abdichtenden Oberfläche bildet, um den oberen Teil des Ofens während eines Heizzyklus abzudichten und zu isolieren, wenn er sich in einer ersten Stellung befindet, und um den oberen Teil des Ofens während eines Kühlzyklus zu öffnen, wenn er sich in einer zweiten Stellung befindet.
Der senkrechte, sich schnell erhitzende und abkühlende Ofen wird vorzugsweise mit einem Wärmebehandlungseinsatz kombiniert bzw. verwendet, der so angepasst ist, dass er die Wafer vor übermäßiger Wärmebeanspruchung während des schnellen Erhitzens und Abkühlens schützt. Der Wärmebehandlungseinsatz umfasst vorzugsweise mehrere kreisförmige, koaxiale, voneinander beabstandete Bänder, die im wesentlichen denselben Innendurchmesser aufweisen, wobei jedes Band eine obere Kantfläche und eine untere Kantfläche aufweist, wobei sich die untere Kantfläche des oberen Bands jedes Satzes von benachbarten Bändern gegenüber der oberen Kantfläche des unteren Bands jedes Satzes befindet und davon durch ein Band beabstandet ist, das eine Entfernung von ungefähr 3,8 bis 12,7 mm überbrückt. Jedes Band weist vorspringende Waferstützen auf, die angeordnet sind, um einen Wafer im wesentlichen gleich weit entfernt von der oberen Kantfläche und der unteren Kantfläche des jeweiligen Bands zu stützen.
Optimalerweise hat jedes Band eine Höhe, Hohe_Band, in mm gemäß der Gleichung:
wobei Höhe_Band ≥ Waferdicke ist; die Kolonnenhöhe die Gesamthöhe eines Bearbeitungseinsatzes in mm ist; Bandabstand die bandüberbrückende Entfernung zwischen benachbarten Bändern in mm ist; und Bandzahl die Gesamtzahl von Bändern im Bearbeitungseinsatz ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des senkrechten, sich schnell erhitzenden Ofens der vorliegenden Erfindung zum Behandeln von Halbleiterwafern weist eine Heißwand-Reaktionsröhre auf, die innerhalb eines Bereichs kreisförmiger Heizelemente angeordnet ist, die im wesentlichen konzentrisch dazu ist. Jedes Heizelement ist von der Heißwand-Reaktionsröhre beabstandet, und jedes Heizelement umfasst eine Spule aus elektrisch unabhängigem Widerstands-Heizleiter, wobei der Ofen eine Phasenwinkel-Leistungsregeleinrichtung zum Regeln des Stroms, der jedem der Heizelemente zugeführt wird, aufweist. Die Heizelemente sind in Gruppen vorhanden, wobei Teile davon in Reihe geschaltet sind, und jede Gruppe weist eine Phasenwinkel-Leistungsregeleinrichtung auf. Bei einer Ausführungsform umfasst die Phasenwinkel-Leistungsregeleinrichtung eine geschlossene Leistungsregeleinrichtung für eine variable Gruppierung von Heizelementen in eine Vielzahl von Elektrodensätzen, wobei die Elektroden eines jeden Satzes in Reihe geschaltet sind.
Die Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, wobei:
1 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Ofens ist, wobei ein Wafereinsatz in der Behandlungsposition innerhalb des Ofens positioniert ist;
2 eine Endansicht der alternativen Heizblockkonstruktion der vorliegenden Erfindung ist, die verwendet wird, wenn die Anlage bei Rückflussreaktionen eingesetzt ist;
3 eine Querschnittsansicht der alternativen Heizblockkonstruktion entlang der Linie 3-3 in 2 ist;
4 eine Isometrieansicht des in den 2 und 3 dargestellten alternativen Heizblocks ist;
5 eine Explosionsansicht der Wasserkühlmantelanordnung des in 1 dargestellten Ofens ist;
6 eine Querschnittsansicht der Ofenanordnung ist, welche die Aufnahmeeinrichtungen für die Heizelemente, den Sockel für die Elemente und die obere Isolierungsplatte der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine Ansicht der oberen Isolierungsplatte für die in 6 dargestellte Ofenanordnung ist;
8 eine Querschnittsansicht der in 7 dargestellten Isolierungsplatte entlang der Linie 8-8 ist;
9 eine Explosionsansicht der Gasentlüftungsanordnung für den in 1 gezeigten Ofen ist;
10 eine Querschnittsansicht der in 9 gezeigten Endplatte ist;
11 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizelementspule ist;
12 eine detaillierte Ansicht der elektrichen Anschlüsse für die in 11 dargestellte Heizspule ist;
13 eine Draufsicht auf einen Isolierungsblock der in 6 dargestellten Anordnung ist;
14 eine Querschnittsansicht des Isolierungsblocks von 13 entlang der Linie 14-14 ist;
15 eine vergrößerte Ansicht der Aussparung für die Anker der Heizelemente ist;
16 eine Isometrieansicht des Isolierungsblocks der 13–14 ist;
17 eine Draufsicht auf einen Heizelementanker ist;
18 eine Isometrieansicht des Heizelementankers von 17 ist;
19 eine Isometrieansicht des in 9 dargestellten Sockels für die Elemente ist;
20 eine Draufsicht auf die Abstandshalteranordnung in dem in 19 dargestellten Sockels für die Elemente ist;
21 eine Querschnittsansicht eines in 20 dargestellten Abstandshalters entlang der Linie 21-21 ist;
22 eine Isometrieansicht eines Teils eines bevorzugten Wafereinsatzes zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Behandlungsanlage ist;
23 eine unvollständige Isometrieansicht der Waferstützkonstruktion des Wafereinsatzes von 20 ist;
24 eine Isometrieansicht der Kühlgasentlüftungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist;
25 eine alternative Leitungsventilanordnung in der Position „offen" bzw. „Kühlzyklus" ist;
26 die alternative Leitungsventilanordnung von 25 in der Position „geschlossen" bzw. „Heizzyklus" ist.
Die Anlage der vorliegenden Erfindung wird zur Wärmebehandlung dünner Wafer oder Glassubstrate verwendet, hauptsächlich bei der Herstellung von Halbleitergeräten für die Elektronikindustrie. Diese Anlage bearbeitet die Wafer oder Substrate, wobei sie in einer Position gestützt sind, in der die Wafer eine gemeinsame senkrechte zentrale Achse und eine parallele, voneinander beabstandete Ausrichtung haben. Die Wafer sind in einem Wafereinsatz oder einem ähnlichen Gestell angeordnet, um stark verkürzte Zyklus-Behandlungszeiten zu schaffen, ohne dass die Wafer aufgrund von Wärmebeanspruchung beschädigt werden können.
Gemäß der Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Ofens umfasst der Ofen eine zentrale Heizkammer 2, bei der ein Wafereinsatz 4 in der Behandlungsposition gestützt wird und an einem herausziehbaren Sockel 6 befestigt ist. Bevorzugte Wafereinsatzkonstruktionen sind in der US 5,679,168 und in der US 5,618,351 beschrieben. Diese Wafereinsätze schützen die Wafer während der Zyklen des schnellen Erhitzens, wodurch Fehler aufgrund extremer Temperaturunterschiede über die Breite der Wafer verhindert werden.
Der Wafereinsatz 4 ist innerhalb einer doppelwandigen Heiz- und Reaktionskammer eingeschlossen, die durch die Innenwand 8, die Außenwand 10 und die gekrümmte Deckenwand 12 gebildet ist. Dieses doppelwandige System ist Gegenstand des US-Patents 5,320,680. Zwischen dem Wafereinsatz 4 und der Innenwand 8 nach oben strömendes Gas wird durch die gekrümmte Oberfläche 14 der Deckenwand 12 in eine umgekehrte Richtung zwischen der Innenwand 8 und der Außenwand 10 und nach unten zur Entfernung aus der Anlage geführt.
Die Heizblockkonfiguration der Vorrichtung gemäß 1 ist optimal für CVD-Verfahren, bei denen miteinander reagierende Gase vor dem Mischen erhitzt werden und am Boden des Wafereinsatzes unmittelbar vor ihrem Kontakt mit behandelten Wafern gemischt werden. Für derartige Verfahren werden die Reaktionsgase von einem Gaszufuhreinlass 20 in den Vorheizbereich 16 mit Heizblockplatten 18 geführt. Die Heizblockplatten 18 reduzieren Strahlungswärmeverlust vom Boden des Ofens und heizen Reaktionsgase vor, während sie zwischen den Heizblocks und der gegenüber liegenden Fläche 22 nach oben strömen.
Für Wärmebehandlungen wie z. B. die Herstellung thermischer Oxide wie Siliziumdioxid verläuft die Strömung durch die Anlage in umgekehrter Richtung, wobei die eintretenden Gase durch die Leitung 28 zwischen der Innenwand 8 und der Außenwand 10 der Reaktionskammer nach oben steigen. Die vorgeheizten Gase werden in den oberen Bereich der Reaktionskammer eingeführt, verlaufen nach unten hinter die Wafer und treten durch die Leitung 20 aus. Für derartige Wärmebehandlungen weist der Heizblock am Boden des Waferbereichs vorzugsweise die Konstruktion gemäß der 2–4 auf, was nachstehend beschrieben wird.
Der Vorheizbereich steht mit der Reaktionskammer 2 in Verbindung, wodurch die vorgeheizten Gase in den Raum 24 zwischen dem Wafereinsatz 4 und der Innenwand 8 geführt werden.
In der Reaktionskammer verbreiten sich die aufsteigenden Gase durch Schlitröffnungen oder -zwischenräume 23 im Wafereinsatz und zwischen den darin gestützten Wafern (nicht dargestellt). Im oberen Bereich der Kammer werden die verbrauchten Reaktionsgase durch den gekrümmten Bereich 14 nach unten in den Raum 26 zwischen der Innenwand 8 und der Außenwand 10 geführt. Reaktionsgasprodukte werden vom Boden des Raums 26 durch die Entlüftungsöffnung 28 entfernt.
Der Reaktionsbereich ist von einer Hülle mit einem Wasserkühlmantel 30 und einer zylindrischen Isolierungswand 32 umgeben. Die Innenfläche der Isolierung weist eine Vielzahl von kreisförmigen Aussparungen 34 auf, die Aufnahmeeinrichtungen für die Heizelemente 36 sind, was im einzelnen in 6 dargestellt ist. Widerstands-Heizungselemente 36 gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den 11 und 12 dargestellt und werden in den kreisförmigen Aussparungen 34 gehalten. Die Heizelemente 36 und die Isolierung 32 sind durch einen Raum 40 gegenüber und im Abstand zur Außenwand 10 angeordnet.
Der Wasserkühlmantel 30 weist einen Temperatur regulierenden Wassereinlass 42 und einen Auslass 44 auf, die genauer in 5 dargestellt sind. Durch den Wassermantel ist eine geregelte Temperaturumgebung für die Anlage geschaffen worden, so dass weitere reproduzierbare Verfahrensbedingungen möglich sind.
Die Heizelemente 36 werden so gehalten, dass sie einen Bereich mit zylindrischer Konfiguration bilden, so dass die Wärme in der Reaktionskammer gleichmäßig ist. Um isothermische Bedingungen erreichen und erhalten und die Temperaturrampe regeln zu können, ist jedes Heizelement 36 separat von den anderen Elementen durch ein (nicht dargestelltes) Standard-Regelungssystem mit selektiver Leistungsversorgung versehen.
Jedes Heizelement 36 ist an seinen eigenen Leistungsanschluss 46 angeschlossen. Die Elektroden sind von einem Schutzschild 48 umgeben und dadurch isoliert. Die Elektroden sind so ausgelegt, dass sie mit Normalnetzstrom, z. B. mit 440 Volt Drehstrom mit 3600 Perioden, arbeiten und keine spezielle Strommodulationseinrichtung benötigen. Nach geregelter Stromversorgung wird der Reaktionsbereich schnell auf die gewünschte Reaktionstemperatur erhitzt. Unter Verwendung der bevorzugten, in der US 5,679,169 und der US 5,618,351 beschriebenen Wafereinsätze kann die Temperatur in der Reaktionskammer gleichmäßig von 21°C auf 1100°C bei einer Geschwindigkeit von bis zu 100°C pro Minute und mehr erhöht werden.
Der obere Teil des Ofens weist eine Wärmesperre 50 auf, die mit einem Entlüftungssystem verbunden ist, welches in 24 genauer dargestellt ist. Die Sperre 50 ist in den 9 und 10 genauer dargestellt. Der Boden des Ofensystems weist Einlassöffnungen 56 für kühlende Luft um den Boden herum auf, die mit dem Raum 40 in Verbindung stehen.
Die bevorzugte Heizblockkonstruktion ist in den 2–4 dargestellt, wobei 2 eine Endansicht der erfindungsgemäßen alternativen Heizblockkonstruktion ist, die eingesetzt wird, wenn die Anlage bei Rückflussreaktionen verwendet wird, wobei 3 eine Querschnittsansicht der alternativen Heizblockkonstruktion entlang der Linie 3-3 in 2 ist und wobei 4 eine Isometrieansicht des in den 2 und 3 dargestellten alternativen Heizblocks ist. Dieser feste Heizblock weist vorzugsweise einen zentralen vakuumgeformten Aluminiumsilizium-Kernbereich 51 auf, der von Schutzquarzmänteln 53 und 55 und einer Verschlussschicht 57 umhüllt ist. Ein auf dem Mantel 55 abgestützter Quarzverschluss 59 wiederum stützt Siliziumkarbidscheiben 61. Der kreisförmige Bereich 63 stützt den Wafereinsatz. Durch die Kombination von Siliziumkarbidscheiben 61 und dem Aluminiumsiliziumkern 51 ist eine stark verbesserte Barriere gegen Wärmeverlust aus dem Reaktionsbereich geschaffen worden. Die Siliziumkarbidscheiben 61 schirmen die Tür ab, wodurch deren Temperatur reduziert und die Abdichtung geschützt wird, die organische Polymerringe enthält. Da die Emissionsfähigkeit von Siliziumkarbid wesentlich größer ist als von Quarz, absorbieren die Scheiben 61 Hitze schnell und präsentieren dem Innern des Reaktionsbereichs eine heiße Oberfläche, wodurch die Temperaturminderung in den unteren Bereichen der Reaktionskammer weiter reduziert wird.
5 ist eine Explosionszeichnung der Wasserkühlmantelanordnung des in 1 gezeigten Ofens. Die Anordnung umfasst ein Innengehäuse 52, auf das eine spiralförmig gewickelte Kühlmittelleitung 54 angebracht ist. Die Leitung 54 weist einen Einlass 42 und einen Auslass 44 für Flüssigkeit auf. Die Leitung ist von einem Außengehäuse 56 umgeben. Das Innengehäuse 52, die Leitung 54 und das Außengehäuse 56 sind vorzugsweise axial konzentrisch. Durch die Leitung wird Wärme abgeführt, so dass eine einheitliche Manteltemperatur entsteht, die so geregelt werden kann, dass sie über einen Bereich von Umgebungstemperaturen gleich bleibt. Dadurch wird der reproduzierbare Betrieb des Ofens und eine genauere Regelung des Behandlungsverfahrens erleichtert.
6 ist eine Querschnittsansicht der Ofenanordnung, in der Aufnahmebereiche für die Heizelemente, der Sockel für die Elemente und die obere Entlüftungsplatte dargestellt sind. Die Innenfläche des Zylinders der Stapelisolierung 32 definiert eine Anordnung von Aufnahmebereichen oder Ausnehmungen 34 für elektrische Heizelemente, die vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet und in parallelen Ebenen angeordnet sind. Im unteren Bereich des Stapels befindet sich der Sockel 58 für die Elemente und im oberen Bereich des Stapels befindet sich die Isolierungsplatte 60.
Innendurchmesser und Form der kreisförmigen Ausnehmungen 34 müssen so dimensioniert sein, dass sie die Heizelemente sowohl bei Umgebungstemperatur als auch bei Höchsttemperaturen, bei denen der Ofen betrieben wird, stützen und sichern können. Während des Heizzyklus dehnen sich die Heizelementschlangen aus und drücken gegen den hinteren Bereich der Fläche der Aufnahmebereiche. Eine Anordnung der Rückfläche in einem Abstand, der größer ist als die maximale Ausdehnung des Heizelements, ist vorzuziehen.
7 zeigt die obere Isolierungsplatte für die in 6 dargestellte Ofenanordnung, und 8 ist eine Querschnittsansicht der in 7 gezeigten Isolierungsplatte entlang der Linie 8-8. Die Isolierungsplatte 60 umfasst eine Scheibe 62 aus Isolierungsmaterial, die rund um ihren Außendurchmesser geformt ist, um in das obere Ende der Isolierung 32 einzugreifen. Sie ist so ausgebildet, dass sie Wärmeverlust durch den oberen Teil des Ofens auf ein Minimum reduziert. Die Scheibe 62 weist eine kreisförmige Anordnung von Durchgängen 64 für kühlendes Gas auf, durch die kühlendes Gas während der Kühlphase des Ofenbetriebs abgeführt werden kann.
9 ist eine Explosionsdarstellung der Gasentlüftungsanordnung für den in 1 gezeigten Ofen, und 10 ist eine Querschnittsansicht der in 9 gezeigten Endplatte. Die Gasentlüftungsanordnung wird oben am Ofen gegen die in 7 dargestellte Isolierungsplatte 60 befestigt. Sie umfasst eine dazwischen angeordnete Entlüftungsplatte 66 mit einer isolierten zentralen Gasauslassöffnung 68 und einer damit koaxialen oberen Platte 70, die einen zentralen mit dem Gasauslass 68 ausgerichteten Gasdurchlass 72 aufweist, dessen oberes Ende einen Anschluss 74 für ein Entlüftungsrohr hat. Die Zwischenplatte 66 weist eine verjüngte Innenfläche 76 auf, die einen kreisförmigen Gasdurchflussraum 78 (in 1 dargestellt) zwischen ihrer unteren Fläche und der Oberfläche der Isolierungsplatte 60 umfasst, damit durch die Durchgänge für kühlendes Gas in der Isolierungsplatte 60 strömende Entlüftungsgase zur zentralen Entlüftungsöffnung 68 gelangen und den Ofen verlassen können.
11 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Heizelement, und 12 ist eine detaillierte Ansicht der elektrischen Anschlüsse für das in 11 gezeigte Heizelement. Jedes der Heizelemente 36 umfasst eine kreisförmige Heizspule 80, die so dimensioniert ist, dass sie in eine kreisförmige Ausnehmung 34 in der Isolierungssäule 32 (1) passt. Die Spule kann einen Widerstand von z. B. 1–2 Ohm betragen und kann aus herkömmlichen Widerstandsheizungsdrähten wie z. B. KANTHAL Heizelementen bestehen. Der in einer Spulenform wie in 11 dargestellt gewickelte Draht liefert die große Wärmeerzeugungskapazität, die für das schnelle Erhitzen des Ofens unter Verwendung herkömmlicher Widerstandsheizungsdrähten und herkömmlicher Energieversorgung durch Strom von z. B. 480 Volt, 60 Hz, wie er gewöhnlich von Stromversorgungsanbietern erhältlich ist, erforderlich ist. Dadurch werden die Anforderungen an die Stromversorgung vereinfacht und die Größe der gesamten Anlage wird reduziert. Da die Spulen elektrisch unabhängig sind, kann die jeder Spule bzw. in Reihe geschalteter Spulenkombination zugefürte Leistung unabhängig voneinander geregelt werden, so dass sie von der den anderen Spulen zugeführten Leistung getrennt werden kann, um eine Einheitlichkeit der Temperatur während des gesamten Betriebs des Ofens zu erhöhen.
Die Enden 82 des Drahts 80 sind an die elektrischen Anschlüsse 46 angeschlossen (1 und 2).
13 ist eine Draufsicht auf einen Isolierungsblock der in 6 dargestellten Anordnung, und 14 ist eine Querschnittsansicht des Isolierungsblocks der 13 entlang der Linie 14-14. 15 ist eine Isometrieansicht des Isolierungsblocks der 13–14.
Die Isolierung 32 (6) besteht aus einem Stapel Isolierungsblöcke mit der in 13 gezeigten Konstruktion. Die Isolierung besteht vorzugsweise aus einem Siliziumaluminium-Material.
Die Isolierung hat die Form eines Rings 83, der auf seiner Oberfläche eine kreisförmigen Anordnung von Aufnahmebereichen 85 für die Anker der Heizelemente aufweist. Die obere und die untere Innenfläche 87 und 89 ist gekrümmt, um in den 1, 8 und 9 dargestellte Heizspulen 36 aufzunehmen. Nuten 91 verlaufen von der inneren gekrümmten Fläche 87 zur Kante des Rings 83 und weisen eine Form auf, die die Form der Enden 82 des Heizspule 80 aufnimmt (11 und 12).
16 ist eine vergrößerte Ansicht einer Aussparung für die Anker der Heizelemente. Die Aufnahmebereiche 85 weisen T-Form auf und haben eine radial verlaufende Nut 93 und in einem Winkel dazu eine sichernde Nut 95, die vorzugsweise senkrecht oder im rechten Winkel zur radialen Nut ist.
17 ist eine Draufsicht auf einen Heizelementanker, und 18 ist eine Isometrieansicht des Heizelementankers gemäß 17. Der T-förmige Anker 97 umfasst einen länglichen Abschnitt 99 mit einem Isolierung-Ankerquerelement 101, das so ausgebildet und dimensioniert ist, dass es in den Aufnahmebereich 85 für den Anker des Heizelements passt, sowie ein Querelement 103 für den Anker des Heizelements. Das Querelement 103 für den Anker des Heizelements weist eine schmale vertikale Größe „t" auf, die schmal genug ist, damit das Querelement 103 zwischen benachbarten spiralförmigen Bereichen 81 der Heizelementspule 80 so tief eingeführt werden kann (12), dass es im wesentlichen im Zentrum der Spirale 81 angeordnet ist, wenn es in einer Ebene ausgerichtet ist, die im wesentlichen parallel zur Spulenachse verläuft. Das Querelement 103 für den Anker des Heizelements hat eine Breite „w", die ausreicht, um das Querelement 103 in der Spirale zu arretieren, wenn es nach der Einführung zwischen benachbarten Spiralen um 90° gedreht wird.
Das Heizelement wird an der Isolierung gesichert, indem das Querelement 103 zwischen benachbarten Spiralen eingeführt, um 90° gedreht und das Querelement 101 in seine entsprechende Isolierungsnut 85 gebracht wird. Durch Stapeln der Isolierungsblöcke 83 wird ein Ausbrechen des Querelements 103 aus seinem Aufnahmebereich 85 sowie ein Drehen des Ankers zum Lösen des Querelements 103 vom Heizelement verhindert.
Die Heizelemente 80 sind während des Aufheizens und Abkühlens beträchtlichen Änderungen ihrer Ausmaße ausgesetzt, wodurch die Isolierung zerrissen und/oder die Heizelemente gelöst würden, wenn nicht genügend Raum für ihre Ausdehnung zur Verfügung stünde. Die sichernden Nuten der Heizelemente sind mit den Ankern 97 verbunden, damit sich die Heizelemente bei ihrer radialen Ausdehnung vollkommen frei bewegen können, während die Heizspulen fest an der Isolierung verankert bleiben.
19 ist eine Isometrieansicht des in 6 gezeigten Elementensockels und 20 ist eine Draufsicht auf die Abstandshalteranordnung des in 19 gezeigten Elementensockels. Der Sockel umfasst eine obere kreisförmige Platte 86 und eine dazu koaxiale untere kreisförmige Platte 88, die an der oberen Platte 86 befestigt ist. Die Platten 86 und 88 werden durch eine kreisförmige Anordnung von Abstandhaltern 90 in parallelen Ebenen gehalten. Die kreisförmigen Platten 86 und 88 definieren eine zentrale Öffnung 92, durch die der Wafereinsatz zur Waferbehandlung in den Ofen gehoben und nach Beendigung der Behandlung aus dem Ofen herabgesenkt werden kann.
21 ist eine Querschnittsansicht des in 20 gezeigten Abstandshalters entlang der Linie 21-21. Jeder der Abstandshalter weist einen U-förmigen Querschnitt auf, wobei eine parallele obere Wand 192 und eine untere Wand 94 durch eine Brücke bzw. ein Rückenteil 96 miteinander verbunden sind. Durch die Abstandshalter wird der für Wärmeverlust durch die Leitung von der Platte 88 zu Platte 86 verfügbare Querschnittsbereich reduziert und eine Öffnung zwischen den Platten 86 und 88 aufrecht erhalten, durch die kühlendes Gas für die Kühlphase in den Ofen strömen kann.
Der erfindungsgemäße senkrechte, sich schnell erhitzende und abkühlende Ofen hat eine größere Leistungsfähigkeit, da er kürzere Aufheiz- und Abkühlphasen aufweist. Da die Anlage eine Reaktionskammer umfasst, die zusammen mit dem Wafereinsatz Gaswirbelbereiche auf ein Minimum reduziert bzw. eliminiert, ist das Verfahren sauberer und weist ein Minimum an verunreinigenden Partikeln auf.
22 ist eine Isometrieansicht eines Abschnitts eines bevorzugten Wafereinsatzes zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Anlage, und 23 ist eine unvollständige Isometrieansicht der Waferstützkonstruktion des Wafereinsatzes von 22. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz ein Quarzzylinder mit einer Vielzahl von Waferschlitzen 110, deren oberen und unteren Kanten die Waferschutzbänder 112 definieren, sowie einen Effektor- bzw. Waferladeschlitz 114. Die Waferstützen sind nach innen verlaufende Streifen 116. Die obere Kante 118 jedes Vorsprungs wird durch einen einzigen Schnitt durch das jeweilige Band 120 in einer zum Zylinder im wesentlichen parallelen Ebene ausgebildet, wobei die Enden 122 und 124 des Streifens in das Band integriert sind. Kreisförmige Entspannungsöffnungen 126 und 128 sind an den Enden jedes Schnitts vorgesehen, um die Schnitte zu eliminieren, da sie als eine Ursache für Entspannungsrisse während des Aufheizens und Abkühlens des Wafereinsatzes angesehen werden. Einzelheiten darüber und andere geeignete Wafereinsätze mit Hitzeschilden sind in der US 5,679,168 und US 5,618,351 beschrieben.
Die Höhe der Hitzeschildbänder und der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Schilde sind kritisch wichtige Aspekte dieser Hitzeschild-Wafereinsätze. Durch sie werden Größe und Positionen der Waferoberflächen bestimmt, die vor direkter Aussetzung zu den Wärmequellen abgeschirmt werden, sowie jener anderen Bereiche, die von den Wärmequellen abgeschirmt werden, die dem Wafer am nächsten sind. Somit setzen sie ein Wärmeleitmuster in den Wafern fest, das sich von den inneren Waferbereichen zu den äußeren Kanten und dem Zentrum erstreckt. Mit diesem Wärmemuster werden Temperaturunterschiede zwischen dem Zentrum und den äußeren Kanten des Wafers selbst während des schnellen Aufheizens stark reduziert, wodurch die Zykluszeit stark reduziert wird, die für eine Beseitigung zerstörerischer Schäden aufgrund von Wärmeeinwirkung auf die Wafer erforderlich ist.
Vorzugsweise umfasst der Wärmebehandlungseinsatz eine Vielzahl von kreisförmigen, koaxialen, voneinander beabstandeten Bändern von im wesentlichen gleichem Durchmesser, wobei jedes Band eine obere Kantfläche und eine untere Kantfläche aufweist, wobei die untere Kantfläche des oberen Bands jedes Satzes von benachbarten Bändern gegenüber der oberen Kantfläche des unteren Bands jedes Satzes ist und davon durch ein Band beabstandet ist, das eine Entfernung von ungefähr 3,8 bis 12,7 mm überbrückt, wobei jedes Band Waferstützvorsprünge aufweist, die angeordnet sind, um einen Wafer im wesentlichen gleich weit entfernt von der oberen Kantfläche und der unteren Kantfläche des jeweiligen Bands zu stützen. Optimalerweise hat jedes Band eine Höhe, Höhe_Band, in mm gemäß der Gleichung:
wobei Höhe_Band ≥ Waferdicke ist; die Kolonnenhöhe die Gesamthöhe eines Bearbeitungseinsatzes in mm ist; Bandabstand die bandüberbrückende Entfernung zwischen benachbarten Bändern in mm ist; und Bandzahl die Gesamtzahl von Bändern im Bearbeitungseinsatz ist.
24 ist eine Isometrieansicht der Kühlgas-Entlüftungsanordnung der vorliegenden Erfindung. Der Entlüftungsanschluss 74 (9) der oberen Platte 70 ist mit dem Gasentlüftungsrohr 98 verbunden. Das Ofengehäuse 166 ist mit einem Gasentlüftungsrohr 100 verbunden. Die beiden Gasrohre 98 und 100 sind mit dem zentralen Luft-Entlüftungsrohr 102 über den Y-Anschluss 104 verbunden. Das Gasentlüftungsrohr ist an ein herkömmliches (nicht dargestelltes) Ventilationssystem angeschlossen. Eine Leitungsventilsteuerung 106 ist mit einem herkömmlichen (nicht dargestellten) Leitungsverschlusselement verbunden, das während des Aufheizzyklus des Ofens von einer offenen in eine geschlossene Stellung und während der Abkühlphase des Ofens von einer geschlossenen in eine offene Stellung gedreht werden kann.
Während der Ofen in Betrieb ist, wird Luft konstant durch das den Ofen umgebende Gehäuse durch die Rohre 100 und 102 zum Entlüftungsrohr gezogen. Während des Aufheizzyklus des Ofens wird das Rohr 98 geschlossen, um Wärmeverlust des Ofens zu verhindern. Nach dem Aufheizzyklus wird das Ventil durch die Steuerung 106 geöffnet und das Rohr 98 für den reduzierten Druck im Entlüftungsrohr 102 geöffnet, wodurch Luft mittels Luftdruck in den Boden des Ofens durch die Öffnungen im Elementensockel 56 (1) bzw. 58 (19 und 20), nach oben durch den Ofenraum 40, durch die Öffnungen 98 der Isolierungsplatte (6 und 8), durch die Öffnungen 68 und 70 in den Endplatten 66 und 70 (9) und in das Entlüftungsrohr 90 (24) gedrückt wird. Durch diesen Luftstrom werden das Innere und der Inhalt des Ofens schnell herunter gekühlt.
Das Gasentlüftungsrohr 98 kann einen (nicht dargestellten) herkömmlichen Wärmetauscher aufweisen, um während des Abkühlzyklus Wärme aus der Entlüftung zu entfernen. Dies kann bei einigen Anlagen aufgrund des Vorhandenseins von thermisch instabilen Abdichtungen oder anderen Komponenten in den Gasentlüftungsleitungen erforderlich sein.
Die 25 und 26 zeigen eine weitere Ausführungsform des Entlüftungsventilsystems. Bei dieser Ausführungsform zeigt 25 eine weitere Ventilkonstruktion in der Position „offen" bzw. „Kühlzyklus", und 26 ist die weitere Ventilkonstruktion von 25 in der Position „geschlossen" bzw. Aufheizzyklus". Bei dieser Ausführungsform definiert die zentrale Entlüftungsplatte 130 einen Entlüftungsdurchgang 132 mit der oberen Oberfläche der Scheibe 62. Der obere kreisförmige Rand 134 der zentralen Entlüftungsplatte 130 ist so bemessen, dass er in gegenüber liegende kreisförmige Ausnehmungen 136 in die drehbare Kappe 138 eingreift und damit abdichtet, wenn die Kappe, wie in 26 gezeigt, zur Position „geschlossen" gedreht wird. Die Kappe 138 besteht aus einem herkömmlichen Isolierungsmaterial wie z. B. Siliziumaluminium-Zusammensetzungen. Die drehbare Kappe 138 schwenkt um die Achse 140 zur in 25 gezeigten offenen Stellung, zur in 26 gezeigten geschlossenen Stellung und umgekehrt. Die drehbare Kappe 138 wird durch Betätigen des herkömmlichen hydraulischen Kolbens 142 aus der offenen und der geschlossenen Stellung gedreht.
Das Entlüftungssystem bei dieser Ausführungsform umfasst einen zentralen Rohrbereich 144 mit einer Entlüftungsöffnung 146, die mit dem Rohr verbunden ist, das zum Entlüftungssystem der Anlage führt, sowie eine Einlassöffnung 148, die zum Gehäuse der Wärmebehandlungseinheit zum Entlüften des Gehäuses führt.
Wenn sich die Kappe 138 in der in 25 dargestellten Position „offen" befindet, ist der Entlüftungsdurchgang 132 mit der Entlüftungsöffnung 146 in Verbindung, um kühlende Luft durch das Innere des Ofens zu ziehen. Die Oberfläche 159 der Kappe 138 stößt an die abdichtende Oberfläche 152 der Einlassöffnung 148, wodurch das Rohr zum Entlüften des Gehäuses geschlossen wird.
Wenn sich die Kappe 138 in der in 26 dargestellten geschlossenen Stellung befindet, wird der kühlende Luftstrom durch den Ofen beendet und dem Reaktionsbereich des Ofens Wärme zugeführt und darin gehalten. Gleichzeitig wird der Durchgang 148 zum Entlüften des Gehäuses geöffnet, wodurch kühlende Luft in die Entlüftung durch das Ofengehäuse gezogen wird, um Wärme und jegliches Gas wie z. B. Wasserstoff, das sich in das Gehäuse verflüchtigen könnte, zu entfernen.
Dem Fachmann werden weitere Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung angesichts der vorstehend genannten Lehre offensichtlich sein. Daher kann die Erfindung im Rahmen der anhängenden Ansprüche anders als hier beschrieben angewandt werden.

Claims

Senkrechter, sich schnell erhitzender und abkühlender Ofen zur Behandlung von Halbleiterwafern, folgendes aufweisend: eine Entlüftungsöffnung (68); eine Heißwand-Reaktionskammer (2), die innerhalb einer Anordnung von Heizelementen (26) aufgestellt ist, die davon beabstandet sind, um einen Raum zwischen der Heißwandkammer und der Anordnung von Heizelementen festzulegen, wobei der Raum ein erstes Ende, das mit dem Einlass für das kühlende Gas in Verbindung steht, und ein zweites Ende, das mit der Entlüftungsöffnung in Verbindung steht, hat, wobei das kühlende Gas, das durch den Raum vom Einlass für das kühlende Gas bis zur Entlüftungsöffnung strömt, die Hitze aus dem Ofen entfernt; eine Isolierung (32), die in der Umgebung von und in Verbindung mit der Anordnung von Heizelementen angeordnet ist, wobei die Isolierung einen Stapel von axial konzentrischen Isolierungsblöcken (83) enthält, wobei jeder Stapel eine obere und eine untere innere gekrümmte Oberfläche (87, 89) hat, die geformt sind, um eine der vielen aufnehmenden Aussparungen (34) festzulegen, um die Anordnung von Heizelementen aufzunehmen, und wenigstens einen ankerförmigen Empfänger (85), der in einem Innenraum der Isolierung ausgebildet ist, um die Anordnung von Heizelementen zu stützen; und eine Vielzahl von Ankern (97), wobei jeder Anker ein proximales Ende (101), das im ankerförmigen Empfänger im Innenraum der Isolierung angeordnet ist, und ein distales Ende (103), das mit der Anordnung von Heizelementen gekoppelt ist, um Unterstützung für die Anordnung von Heizelementen bereitzustellen und die Heizelemente in einer vorherbestimmten Position innerhalb der Isolierung zu halten, enthält.
Ofen gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung von Heizelementen eine axial konzentrische Anordnung von kreisförmigen Heizelementen aufweist und jedes Heizelement eine elektrisch unabhängige Spule ist, die von der Isolierung unterstützt wird.
Ofen gemäß Anspruch 2, wobei die Isolierungsblöcke (83) jeweils obere und untere Stapeloberflächen haben, wobei wenigstens eine der oberen und unteren Stapeloberflächen eine Vielzahl von ankerförmigen Empfängern (85) darin aufweist.
Ofen gemäß Anspruch 3, wobei jeder Empfänger (85) eine T-förmige Aussparung aufweist, und wobei das proximale Ende (101) jedes Ankers (97) eine T-form hat, die bemessen ist, um in der T-förmigen Aussparung aufgenommen zu werden.
Ofen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ofen in einem Gehäuse (166) eingeschlossen ist, wobei das Gehäuse eine Öffnung hat, die mit dem ersten Entlüftungsrohr (100) in Verbindung steht, wobei Gas aus dem Gehäuse entfernt werden kann, und wobei die Auslassöffnung (68) mit einem zweiten Entlüftungsrohr (98) in Verbindung steht, wobei das kühlende Gas aus dem zweiten Ende des Raums (40) entfernt werden kann.
Ofen gemäß Anspruch 5, ein Rohrventil aufweisend, das mit dem zweiten Entlüftungsrohr (98) verbunden ist, um die Verbindung zwischen dem zweiten Entlüftungsrohr und dem zweiten Ende des Raums (40) zu schließen, wenn der Ofen in einer Heizphase ist; und um die Verbindung zwischen dem zweiten Entlüftungsrohr und dem zweiten Ende des Raums (40) zu öffnen, wenn der Ofen in einer Kühlphase ist.
Ofen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Ofen einen darin angeordneten Einsatz (108) aufweist, der eine Vielzahl von ringförmigen koaxialen voneinander beabstandeten Bändern (112) aufweist, die im Wesentlichen dieselben Innendurchmesser haben, wobei jedes Band eine oberen Kantfläche und ein untere Kantfläche hat, wobei die untere Kantfläche des oberen Bands jedes Satzes von benachbarten Bändern gegenüber der oberen Kantfläche des unteren Bands jeder Satzes ist und davon durch ein Band beabstandet ist, das eine Entfernung von ungefähr 3,8 bis 12,7 mm überbrückt, wobei jedes Band Waferstützen (116) hat, die angeordnet sind, um einen Wafer im Wesentlichen gleich weit entfernt von der oberen Kantfläche und der unteren Kantfläche des jeweiligen Bands zu stützen, wobei jedes der Bänder ein Höhe, Hohe_Band, in mm gemäß der Gleichung:
hat, wobei Höhe_Band ≥ Waferdicke ist; die Kolonnenhöhe die Gesamthöhe eines Bearbeitungseinsatzes in mm ist; Bandabstand die bandüberbrückende Entfernung zwischen benachbarten Bändern in mm ist; und Bandzahl die Gesamtzahl von Bändern im Bearbeitungseinsatz ist.
Ofen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Ende des Ofens einen zylindrischen isolierenden Heizblock (49) aufweist, um Hitzeverlust von der Heißwand-Reaktionskammer (2) zu vermindern.
Ofen gemäß Anspruch 8, eine Silikonkarbidscheibe (61) aufweisend, die zwischen dem zylindrischen isolierenden Heizblock (49) und einem Reaktionsbereich in der Heißwand-Reaktionskammer (2) angeordnet ist.
Ofen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der obere Teil des Ofens eine den Ofen abdichtende Oberfläche enthält, und der Ofen eine Isolierungsplatte (60) enthält, die eine Scheibe (62) aus Isolierungsmaterial hat, die rund um ihren Außendurchmesser geformt ist, um einen abdichtenden Abschluss mit der den Ofen abdichtenden Oberfläche zu bilden, um das Oberteil des Ofens während eines Heizzyklus zu isolieren.
Ofen gemäß Anspruch 3, wobei jeder der Isolierungsblöcke (83) eine kreisförmige Anordnung vom Empfängern (85) darin enthält.
Ofen gemäß Anspruch 6, wobei das Rohrventil zusätzlich mit dem ersten Entlüftungsrohr (100) verbunden ist, und wobei das Rohrventil ausgebildet ist, um gleichzeitig die Verbindung mit dem zweiten Entlüftungsrohr (98) und dem zweiten Ende des Raums (40) zu schließen und die Verbindung zwischen dem ersten Entlüftungsrohr (100) und dem Gehäuse (166) zu öffnen, wenn der Ofen in einer Heizphase ist.