DE69931278T2 - Vorrichtung und verfahren zur thermischen behandlung von halbleitersubstraten - Google Patents

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James A. Livermore Givens
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft allgemein die Halbleiterbehandlung. Insbesondere bezieht sich das Gebiet der Erfindung auf ein System und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Halbleitersubstraten unter Verwendung eines Systems auf der Heißplattenbasis.
  • 2. Hintergrund
  • Diffusionsöfen wurden für die thermische Behandlung von Halbleitervorrichtungsmaterialien (wie zum Beispiel Halbleiterwafer oder andere Halbleitersubstrate) weitgehend verwendet. Die Öfen haben in typischer Weise eine große thermische Masse, die für eine relativ gleichmäßige und stabile Temperatur für die Behandlung sorgt. Um jedoch gleichmäßige Ergebnisse zu erhalten, ist es für die Bedingungen in dem Öfen notwendig, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, nachdem eine Charge von Wafern in den Ofen eingeführt wurde. Deshalb ist die Erwärmungszeit für Wafer in einem Diffusionsofen relativ lang, sie überschreitet in typischer Weise zehn Minuten.
  • Weil die Maße integrierter Schaltungen abgenommen haben, sind kürzere Wärmebehandlungsschritte für einige Prozesse, wie zum Beispiel schnelles Wärmetempern, erwünscht, um die seitliche Diffusion von Dotiersubstanzen und die zugehörige Erweiterung von Einrichtungsmaßen zu reduzieren. Die Dauer des thermischen Prozesses kann auch begrenzt werden, um die Vorwärtsdiffusion zu begrenzen, so daß sich die Schwellwertspannung der MOS-Transistoren nicht ändert. Als Folge wurden die längeren Behandlungszeiten, welche den herkömmlichen Diffusionsöfen anhaften, für viele Prozesse unerwünscht. Ferner haben zunehmend strenge Anforderungen für die Prozeßsteuerung und Wiederholbarkeit die Chargenbehandlung für viele Anwendungen unerwünscht gemacht. Als Alternative zu Diffusionsöfen sind schnelle thermische Behandlungs-(RTP)Systeme mit Einzelwafer für das schnelle Erwärmen und Kühlen der Wafer entwickelt worden. Die meisten RTP-Systeme verwenden Lampen mit hoher Intensität (gewöhnlich Wolfram-Halogenlampen oder Bogenlampen), um wahlweise einen Wafer in einem Clear-Quarz-Ofen mit kalter Wand zu erwärmen. Da die Lampen eine sehr geringe thermische Masse haben, kann der Wafer schnell erwärmt werden. Eine schnelle Waferkühlung ist auch leicht zu erreichen, weil die Wärmequelle ohne das Erfordernis einer langsamen linearen Temperaturerniedrigung unmittelbar abgeschaltet werden kann. Die Lampenerwärmung des Wafers macht die thermischen Masseneffekte der Behandlungskammer minimal und erlaubt eine schnelle Realzeitsteuerung über der Wafertemperatur. Zwar sorgen die lampengestützten RTP-Reaktoren mit Einzelwafer für eine verbesserte Prozeßsteuerung, ihr Durchsatz ist aber wesentlich geringer als bei Chargenofensystemen.
  • Während lampengestützte RTP-Systeme ein schnelles Erwärmen und Kühlen erlauben, ist es doch schwierig, reproduzierbare, gleichmäßige Waferbehandlungstemperaturen bei Verwendung derselben zu erreichen, insbesondere für größere Wafer (200 mm und größer). Die Temperaturgleichmäßigkeit spricht auf die Gleichmäßigkeit der optischen Energieabsorption sowie die Strahlungs- und Konvektionswärmeverluste des Wafers an. Temperaturungleichmäßigkeiten an Wafern erscheinen gewöhnlich nahe den Waferkanten, denn die Strahlungswärmeverluste sind an den Kanten am größten. Während der Erwärmung können die Waferkanten zeitweise einige Grade (oder sogar Dutzende von Graden) kälter sein als die Mitte des Wafers. Bei hohen Temperaturen, im allgemeinen mehr als neunhundert Grad Celsius (900°C), kann diese Ungleichmäßigkeit Kristallgleitlinien auf dem Wafer (insbesondere nahe der Kante) erzeugen. Um die Bildung von Fehler- bzw. Gleitlinien zu minimieren, werden oft Isolierringe um den Waferumfang angeordnet, um den Wafer gegen die kalten Kammerwände abzuschirmen. Ansonsten kann die Ungleichmäßigkeit der Wafertemperatur zu ungleichmäßigen Materialeigenschaften führen, wie zum Beispiel Legierungsgehalt, Korngröße und Dotiersubstanzkonzentration. Diese ungleichmäßigen Materialeigenschaften können die Schaltung zerstören und die Ausbeute selbst bei niedrigen Temperaturen (im allgemeinen weniger als 900°) verringern. Zum Beispiel ist die Temperaturungleichmäßigkeit für die Bildung von Titansilizid durch Tempern nach der Abscheidung kritisch. Die gute Legierung wird nur innerhalb eines Temperaturbereiches von einigen Graden gebildet. Tatsächlich wird die Gleichmäßigkeit des Plattenwiderstandes des sich ergebenden Titansilizids als Standardmaß für die Auswertung der Temperaturgleichmäßigkeit bei RTP-Systemen angesehen, denn es reflektiert empfindlich die genaue Temperatur, bei welcher das Silizid gebildet wurde.
  • Wafertemperatur-Niveaus und die Gleichmäßigkeit müssen deshalb in lampengestützten RTP-Systemen sorgfältig überwacht und gesteuert werden. Die optische Pyrometrie wird in typischer Weise infolge ihrer nicht invasiven Eigenschaft und der schnellen Meßgeschwindigkeit verewndet, die beim Steuern der schnellen Erwärmung und Kühlen im RTP kritisch sind. Die genaue Temperaturmessung der Wafertemperatur unter Verwendung der optischen Pyrometrie hängt jedoch von der genauen Messung der Intensität der Strahlung ab, die von dem Wafer emittiert wird, und von den Waferstrahlungs-Emissionseigenschaften oder dem Emissionsvermögen ab. Das Emissionsvermögen bzw. der Emissionsgrad ist in typischer Weise waferabhängig und hängt von einem Bereich von Parametern ab, einschließlich Temperatur, Kammerreflexionsvermögen, Wafermaterial (einschließlich Dotiersubstanzkonzentration), Oberflächenrauheit und Oberflächenschichten (einschließlich der Art und Dicke von Unterschichten) und ändert sich dynamisch während der Behandlung, wenn Schichten auf der Oberfläche des Wafers wachsen. Zusätzlich reflektiert die Strahlung von Wärmequellen, insbesondere Lampen, von der Waferoberfläche weg und beeinträchtigt die optische Pyrometrie. Diese reflektierte Strahlung erhöht irrtümlich die gemessene Intensität der Strahlung, die von der Waferfläche emittiert wird, und führt zu ungenauer Messung der Wafertemperatur. Es ist deshalb im Interesse einer verringerten Systemkompliziertheit und der Bearbeitung in einem RTP-System bevorzugt, andere Steuermittel für die Wafertemperatur zu haben als das Erfordernis, daß sie genau gemessen wird, wie es zum Beispiel bei den lampengestützten Systemen erforderlich ist. Vom Standpunkt der Kosten pro behandeltem Wafer (Vermeidung einer teuren Meßvorrichtung für das Emissionsvermögen des Wafers) ist es erwünscht, in der Lage zu sein, den Pro zeß dadurch zu steuern, daß man die Wafertemperatur innerhalb des gewünschten Behandlungsbereiches hält, ohne direkt die Wafertemperatur zu messen.
  • Um die Nachteile von lampenerhitzten RTP-Systemen zu überwinden, wurden einige Systeme vorgeschlagen, die eine widerstandsmäßig erwärmte Platte verwenden. Solche erwärmten Platten sorgen für eine relativ große thermische Masse bei einer stabilen Temperatur. Die zugehörige Temperaturgleichmäßigkeit der Wafererwärmung durch eine Platte (deren seitliche Wärmeleitfähigkeit hoch ist im Vergleich zu der des Wafers) ist der eines Wafers an sich überlegen, wie zum Beispiel für die üblichen lampengestützten RTP-Systeme charakteristisch ist. Deshalb kann bei der Verwendung einer solchen Platte oder eines Suszeptors für die Wafererwärmung, wo die Temperaturgleichmäßigkeit eines Wafers aus dem Block gemessen wird und gut innerhalb der Spezifikationen vor der Verwendung bei einer Waferbehandlungsvorrichtung vorgesehen wird, die Wafertemperatur während der Behandlung sehr gleichmäßig gemacht werden.
  • Während schnelle thermische Prozessoren mit erwärmter bzw. heißer Platte auf der erwärmten bzw. heißen Platte eine stabile Temperatur vorsehen, die unter Verwendung eines Thermoelementes gemessen werden kann, können Probleme mit Ungleichmäßigkeiten der Wafertemperatur angetroffen werden. Wafer können erwärmt werden, indem man sie nahe an die erwärmte Platte heranbringt statt auf die Platte. In solchen Systemen können die Kanten des Wafers große Wärmeverluste haben, die zu Ungleichmäßigkeiten wie bei den lampenerwärmten RTP-Systemen führen. Selbst wenn ein Wafer in Berührung mit einer erwärmten Platte angeordnet wird, kann es Ungleichmäßigkeiten geben. Die erwärmte Platte selbst kann große Kantenverluste haben, weil: 1) die Ecken und Kanten der Platte über einen weiteren Winkelbereich in die Kammer strahlen können; 2) vertikale Kamineffekte größere Konvektionswärmeverluste an den Kanten der erwärmten Platte verursachen können; und 3) die Kanten der erwärmten Platte sich dichter an den kalten Kammerwänden befinden können. Diese Kantenverluste auf der Platte können ihrerseits Temperaturungleichmäßigkeiten in einem Wafer verursachen, der auf der Platte angeordnet wird.
  • Außerdem verändern sich der Wärmeverlust und die Temperaturgleichmäßigkeit über die Waferoberfläche mit der Temperatur und dem Druck. Der Leitungswärmeübergang zwischen zwei Objekten (wie zum Beispiel dem Wafer und der kalten Kammerwand) ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen den Objekten, und der Strahlungswärmeübergang ist proportional zu der Differenz der Temperaturen, auf die vierte Potenz erhoben (T1 4 – T2 4). Somit erhöht sich die Differenz der Wärmeverluste über die Waferoberfläche (die zu Wafer-Temperaturdifferenzen führen) bei höheren Behandlungstemperaturen. Ferner kann der Druck in der Kammer das Wafertemperaturprofil beeinträchtigen, da der Wärmeübergang bei niedrigen Drücken vorherrschend durch Strahlung erfolgt, während der Wärmeübergang bei höheren Drücken eine Kombination von Strahlung, Leitung und Konvektion einschließt.
  • Ein anderer wichtiger Aspekt eines thermischen Behandlungssystems ist seine Fähigkeit, dieselbe Wafertemperatur für eine Kassette von Wafern vorzusehen unbeachtlich der Dicke und der Arten von Schichten auf der Waferrückseite. Während der Behandlung können Wafer für denselben Prozeß variierende Rückseitenbeschichtungen haben, die meistens Silizium, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid sind. Diese Beschichtungen neigen dazu, eine Veränderung des Emissionsvermögens der Waferrückseite zu verursachen, welche die Erwärmungsgeschwindigkeit des Wafers und seine Gleichgewichtstemperatur beeinflußt, wenn die Strahlung ein wichtiger Teil des Wärmeflusses in dem System ist. Es ist für Wafer nicht ungewöhnlich, bei demselben Prozeß auf der Vorderseite unterschiedliche Rückseitenbeschichtungen oder überhaupt keine zu haben. Damit also ein System kommerziell brauchbar ist, muß es diese Wafer in einer solchen Weise behandeln, daß effektiv dieselbe Wafertemperatur unbeachtlich der Rückseitenbeschichtungen erbracht wird. Wenn die Vorderseite des Wafers einer wesentlich kühleren Oberseite oder Wänden in einem System mit geheizter Platte ausgesetzt wird, kann die Wafertemperatur sich mit dem Rückseiten-Emissionsvermögen wesentlich immer dann verändern, wenn der Strahlungswärmeübergang ein wesentlicher Teil des Wärmeflusses von der Heizeinrichtung zu dem Wafer ist. In den Fällen, bei denen es möglich ist, die Temperatur der Wand dichter an die des Wafers zu bringen, würde es eine kleinere Abhängigkeit der Wafertemperatur von dem Emissionsvermögen der Waferrückseite geben.
  • Herkömmliche Behandlungssysteme mit geheizter Platte neigen auch dazu, energiemäßig uneffizient zu sein. Die erwärmte Platte wird mit konstanten Leitungs-, Konvektions- und Strahlungsverlusten zu den kalten Kammerwänden auf einer hohen Temperatur gehalten. Die Leitungs- und Konvektionsverluste können zwar bei niedrigeren Drücken verringert werden, dies hemmt aber auch den Wärmeübergang zu dem Wafer. Bei niedrigen Drücken, bei denen die Erwärmung in erster Linie Strahlungswärme ist, kann der Wafer merklich kühler sein als die erwärmte Platte, insbesondere wenn die Nachbarschaftsheizung angewendet wird. Hierdurch ist die Wafertemperatur schwierig zu steuern. Ferner kann bei niedrigen Drücken, bei denen die Strahlung der primäre Mechanismus für den Wärmeübergang ist, die Veränderung der Gleichmäßigkeit der Wafertemperatur über die Temperaturbereiche größer sein, denn der Wärmeübergang durch Strahlung ist proportional zu der Differenz zwischen den Oberflächentemperaturen, in die vierte Potenz erhoben (T1 4 – T2 4). Somit kann die Druckerniedrigung zur Erhöhung der Energieeffizienz die Wafertemperatur und die Gleichmäßigkeit schwieriger zu steuern machen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sorgt für einen thermischen Prozessor für die Behandlung eines Halbleitersubstrates gemäß Anspruch 1. Das Behandlungssystem weist eine Basis- (oder primäre) Widerstandsheizeinrichtung und eine Kanten- (oder umlaufende) Widerstandsheizeinrichtung für die Erwärmung eines oder mehrerer Blöcke mit einer großen thermischen Masse sowie isolierende Wände auf, welche die Heizeinrichtungen und den Block (die Blöcke) für das Isolieren eines thermischen Behandlungsbereiches umgeben. Die Systemmaße und Behandlungsparameter werden vorzugsweise ausgewählt, um einen wesentlichen Wärmefluß zu dem Substrat vorzusehen, während das Potential für Wärmeverluste zu der umgebenen Umwelt reduziert wird, insbesondere von den Kanten des erwärmten Blockes und des Substrates. Die Wärmequelle (mit den Widerstandsheizgeräten und dem geheizten Block) sorgt für ein Gleichmäßigkeitsprofil der Wafertemperatur, welches im wesentlichen über einen großen Temperaturbereich bei niedrigen Kammerdrücken konstant ist.
  • Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere Halbleitersubstrate gleichzeitig von einer Speicherkassette in eine Schleuse übertragen werden; von der Schleuse in eine Behandlungskammer, indem man die Substrate durch eine Öffnung in einer Wand der Behandlungskammer hindurchläßt; und von dort auf Stützstifte mit der Fähigkeit, das Substrat (die Substrate) relativ zu dem erwärmten Block anzuheben oder abzusenken. Der erwärmte Block nimmt Wärme auf von doppelten Widerstandsheizungen mit einer primären oder Basiswiderstandsheizung, die unter dem erwärmten Block angeordnet ist, und einer Umfangs- oder Kantenheizung, die im wesentlichen um die Kanten der Basisheizeinrichtung herum angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Heizeinrichtungen aus mit Siliziumkarbid beschichtetem Graphit hergestellt sein. Temperaturmeßsensoren, wie zum Beispiel ein Thermoelement und optische Pyrometer können in den erwärmten Block eingefügt oder neben diesem angeordnet werden; nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Thermoelement derart angeordnet, daß seine Spitze der eines optischen Pyrometers gegenüberliegt. Das Thermoelement kann benutzt werden, um das optische Pyrometer zu kalibrieren.
  • Vorzugsweise sind der erwärmte Block und die Widerstandsheizeinrichtungen im wesentlichen in Isolierwänden eingeschlossen, welche den thermisch isolierten Hohlraum bilden. Es ist ein Vorteil eines Aspektes der vorliegenden Erfindung, daß der isolierte Hohlraum durch Mehrfachlagen dieser isolierenden Wände gebildet ist, und die Lagen können in einer im wesentlichen konzentrischen Weise angeordnet sein. Die innersten Isolierwände oben, am Boden und an den Seiten des isolierten Hohlraums können mit Siliziumkarbid beschichtetes Graphit aufweisen, und die äußeren Wände können Opakquarz bzw. undurchsichtiges Quarz aufweisen. Bei einem Aspekt der Erfindung gibt es drei Isolationslagen oben auf dem Hohlraum und am Boden sowie zwei Isolationslagen um die Seiten herum, so daß eine kompakte Anordnung gebildet wird. Isolierende Lagen, welche den Boden des isolierten Hohlraums bilden, können durch Säulen gestützt werden, die auch dazu dienen, die Bodenisolierwände gegen die Bodenkammerwand und den Heizungsblock im Abstand zu halten. Ein Isolierverschluß kann neben die Eintrittsöffnung bewegt werden, um Wärmeverluste aus dem thermisch isolierten Hohlraum zu reduzieren, wenn Substrate nicht in die Kammer überführt oder aus dieser herausgeführt werden.
  • Das Doppelheizsystem und die Vielfachisolierlagen sorgen in der Kammer für eine thermische Gleichmäßigkeit auf hohem Niveau, und diese Gleichmäßigkeit kann über einen breiten Temperaturbereich gehalten werden.
  • Nach einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Hülsen vorgesehen, welche die Hebestifte umgeben, welche das Substrat relativ zu dem erwärmten Block anheben oder absenken. Die Hülsen unterstützen die Isoiation der Bereiche der Kammer, welche die Widerstandsheizeinrichtungen enthalten, und zwar gegen den thermischen Hohlraum oder Wärmehohlraum, in welchem die Substrate behandelt werden, und dienen dazu, im wesentlichen zu verhindern, daß Gase, die Spurenmetalle in der Dampfphase enthalten (von den Widerstandsheizgeräten herrührend), die Substrate verunreinigen. Die Hülsen können Clear-Quarz, Opakquarz, Siliziumkarbid oder eine andere Keramik aufweisen.
  • Nach einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vakuumspule oder ein Baffle oder eine Ablenkplatte in der Hochvakuumleitung (foreline) des Abführsystems vorgesehen. Die Spule hat eine große Konduktanzbahn für das Entleeren des Bereiches der Behandlungskammer, welche die Heizgeräte enthält, und eine kleine Konduktanzbahn für das Entleeren anderer Bereiche der Kammer, welche keine Heizungen enthalten. Weiterhin unterstützt die Spule den Schutz empfindlicher Bestandteile des Abführsystems, wie zum Beispiel O-Ringdichtungen, durch Absenken der Temperatur der Abführgase, bevor sie in die Vakuumpumpe (Vakuumpumpen) eintreten. Die Spule wirkt auch zur Verringerung von Wärmeverlusten aus der Kammer.
  • Aspekte der vorliegenden Erfindungslehre schließen Verfahren für die Verwendung des thermischen Behandlungssystems ein. Eine der kritischen Eigenschaften dieser Verfahren ist der Druck, bei welchem das System betrieben wird, weil der Druck hilft, die Geschwindigkeit des linearen Temperaturanstiegs bzw. des -abfalls zu bestimmen. Ein einziger Bearbeitungsschritt kann verwendet werden, wenn der Schleusendruck derselbe ist wie der Bearbeitungsdruck; ein Dreistufenprozeß kann verwendet werden, wenn der Schleusendruck sich von dem Bearbeitungsdruck unterscheidet. Typische Schleusendrücke für Schritte 1 und 3 betragen etwa 2 bis 3 Torr (1 Torr = 133,3 Pa), kann aber auch 100 Torr sein; beispielhafte Bearbeitungsdrücke in Schritt 2 liegen im Bereich von 10 bis 50 Torr und in irgendeinem Bereich darin.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen, bei denen ist:
  • 1 eine Seitenschnittansicht einer thermischen Behandlungskammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Seitenschnittansicht einer thermischen Behandlungskammer in einer Richtung senkrecht zu dem Schnitt der 1 gesehen;
  • 3 eine Seitenschnittansicht eines Teils einer beispielhaften thermischen Behandlungskammer unter Darstellung einer Hülse um einen Hebestift;
  • 4 eine beispielhafte Basis- oder primäre Heizeinrichtung;
  • 5 eine beispielsweise Kanten- oder Umfangsheizeinrichtung;
  • 6 ein Seitenschnitt eines Teils einer beispielhaften thermischen Behandlungskammer unter Darstellung eines Thermoelementes innerhalb einer Stützsäule; und eines optischen Pyrometers gegenüber der Spitze des Thermoelementes;
  • 7 ein Querschnitt einer Stützsäule;
  • 8 eine dreidimensionale Ansicht eines thermischen Isolierverschlusses;
  • 9 ein Querschnitt eines Gasinjektors mit einer Öffnung für ein optisches Pyrometer;
  • 10 ein Seitenschnitt eines Teils einer beispielhaften thermischen Behandlungskammer unter Darstellung einer Vakuumspule vorn in einem Entleerungssystem;
  • 11 eine dreidimensionale Ansicht einer Vakuumspule; und
  • 12 ein beispielhafter Dreistufenprozeß.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Als Folge der Probleme, die zu den herkömmlichen schnellen thermischen Prozessoren mit erwärmter Platte gehören, sind diese in der Industrie als brauchbare Alternative zu von Lampen erwärmten RTP-Systemen nicht weitgehend übernommen worden. Derzeit wird der RTP-Markt von lampengestützten Systemen beherrscht, und trotz der vielen mit solchen Systemen zusammenhängenden Problemen sind sie gegenüber vorgeschlagenen Lösungen mit erwärmter Platte in weitem Umfang akzeptiert worden. Trotz der Möglichkeit, daß die Lösungen mit erwärmter Platte eine stabile und reproduzierbare Wärmequelle anbieten, glaubt man, daß Probleme mit dem Energienutzwert, der Gleichmäßigkeit, Temperatur- und Heizratensteuerung und der Entwicklung fragiler, nicht verunreinigender Widerstandsheizgeräte solche Systeme auf dem Markt ohne Erfolg gemacht haben.
  • Was benötigt wird, sind ein System und ein Verfahren für das schnelle thermische Behandeln mit einer stabilen und wiederholbaren Waferheizoberfläche, durch welche ein hoher Grad an Wafertemperaturgleichmäßigkeit über einen breiten Temperaturbereich (400°C bis 1200°C) vorgesehen wird. Vorzugsweise würde die Heizoberfläche auf einer hohen Temperatur gehalten ohne die Notwendigkeit eines schnellen Erwärmens und Kühlens der Heizquelle für die Waferheizeinrichtung. Vorzugsweise könnte eine solche Wärmequelle diese Flexibilität der Steuerung über die Temperaturgleichmäßigkeit geben, die unbeachtlich der Prozeßtemperatur gesichert wird. Ferner könnte ein solches System vorzugsweise energiegünstig sein, während eine genaue Wafertemperatursteuerung vorgesehen wird, die im wesentlichen unabhängig von Veränderungen des Emissionsvermögens der Waferrückseite ist und die Verwendung einer Kammer mit kalten Wänden gestatten würde. Vorzugsweise würde ein solches System auch einen im wesentlichen verbesserten Durchsatz gegenüber konventionellen RTP-Systemen mit Einzelwafer vorsehen, während ein hohes Niveau an Prozeßtemperatursteuerung und Wafertemperaturgleichmäßigkeit gehalten werden. Ein solches System würde vorzugsweise auch eine kompakte Heizquelle vorsehen, die nicht wesentlich größer ist als die der in Erwärmung befindlichen Wafer.
  • Benötigt wird auch ein System für das thermische Behandeln eines Wafers unter Verwendung einer Heizungsplatte (deren obere Fläche Wärme zu dem Wafer vorsieht) entweder mit einer großen und thermisch stabilen Masse oder mit einer Hochleistungsheizeinrichtung mit schnellem linearen Anstieg (welche erlaubt, die Heizgeschwindigkeit schnell einzustellen), um den Wärmeverlust durch die Platte zu dem Wafer wieder aufzufüllen, um die gewünschte stabile Plattentemperatur zu erhalten. Vorzugsweise würde ein solches System erlauben, einen Wafer mit einer schnellen Geschwindigkeit zu erwärmen, bis eine gewünschte Temperatur erreicht ist, und dann erlauben, daß die Geschwindigkeit der Wafererwärmung schnell eingestellt wird, um die Temperatur auf einem relativ konstanten Niveau zu halten. Zusätzlich würde ein solches System vorzugsweise die thermische Behandlung von Wafern mit einem gewünschten Temperaturprofil, Gleichmäßigkeit und Durchsatz erlauben, was mit herkömmlichen RTP-Systemen mit Lampe wettbewerbsfähig wäre.
  • Anforderungen für zukünftige Waferprozesse werden wahrscheinlich eine Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb weniger Grad Celsius für jeden Wafer einschließen. Diese Prozesse fordern wahrscheinlich auch eine Temperaturstabilität für Wafer innerhalb einer Kassette oder von einer Kassette zu nachfolgenden Kassetten von etwa einem Grad C. Dies bedeutet, daß die Behandlungssysteme eine Wafertemperatur unabhängig von dem rückseitigen Emissionsvermögen bis innerhalb weniger Grade C haben müssen. Die Kostenverringerung für die Waferbehandlung erfordert auch eine hervorragende Wärmeeffizienz bzw. -nutzwert, um Energievergeudung und übermäßige Kosten des Kühlsystems zu vermeiden.
  • Über einer gewissen Temperatur (etwa 900°C) kann es in einigen Systemen eine erhöhte Empfindlichkeit einer Wafertemperatur auf das rückseitige Emissionsvermögen geben. Dies kann zum Teil auf einen Wärmeschild/Haube über dem Wafer zurückzuführen sein, der sich bei einer Temperatur gut unter der der Heizungsplatte oder des Wafers (wenn es eine Prozeßtemperatur ist) in Strahlungsgleichgewicht befindet. Deshalb „sieht" der Wafer einen großen Flächenbereich, der viel kälter als er ist, und folglich hängt seine Temperatur von dem Emissionsvermögen seiner Rückseite ab. Dies wird man zunehmend aus Gründen des Nutzwertes der Verwendung von RTP-Maschinen in der Fabrik der Zukunft für unakzeptabel ansehen – unterschiedliche Rezepturen für Wafer mit unterschiedlicher Prozeßhistorie komplizieren den Fabrikbetrieb bei Verwendung solcher RTP-Systeme.
  • Für den Bereich von Prozessen, bei denen man höhere Temperaturen einschließt, gibt es auch eine größere Schwierigkeit bei der Wafertemperaturgleichmäßigkeit infolge der Temperaturungleichmäßigkeit der Heizungsplatte. Diese Ungleichmäßigkeit ist auf die sich verändernde relative Wichtigkeit des Strahlungs- und Leitungskühlens der Plattenkante zurückzuführen. Diesem Effekt kann man nicht leicht für den großen Temperaturbereich abhelfen, der für die ganze Gruppe von Waferprozessen erforderlich ist, während man ein einziges Heizelement verwendet.
  • Wenn man Wafer bei hohen Temperaturen schnell behandelt, kann es passieren, daß die Wafer eine erhebliche Wärme von der Waferheizplatte wegtragen, wenn sie von der heißen Platte entfernt werden. Dies bleibt selbst dann der Fall, wenn diese Platte ein Vielfaches der Masse und Wärmekapazität des Wafers hat. In diesem Fall ist es für das Steuersystem, welches Energie zur Verfügung stellt, um die Platte zu heizen, notwendig, die Temperaturänderung schnell und genau abzufühlen und die Energie zu erhöhen, um ihre Temperatur auf dem richtigen Niveau zu halten. Selbst dann wird die Wafertemperatur auch von der Temperatur der Haube beeinflußt, welche einen Wärmeschild über dem Wafer vorsieht. Sobald der kalte Wafer in den erwärmten Hohlraum eingeführt wird, der von der Wärmeplatte und der Haube/dem Wärmeschild gebildet wird, wird die Energiemenge reduziert, welche zur Haube strahlt, und zwar durch Blockieren/Absorbieren der von der Platte kommenden Strahlung. Hierdurch fällt die Haubentemperatur, bis sie ihre Gleichgewichtstemperatur, im wesentlichen Strahlungsgleichgewichtstemperatur, findet. Die kältere Haube läßt dann die Temperatur nachfolgender Wafer kühler werden trotz der Tatsache, daß die Temperatur der Heizplatte adäquat konstant gehalten wird. Wenn Wafer mit einem hochleistungsfähigen Arbeitsablauf behandelt werden (um den Wirkungsgrad der Verwendung der Maschine zu erhöhen), ver schlimmert sich dieses Problem mit der Temperaturerhöhung des Prozesses (und der Platte), was zu einer unannehmbaren Temperaturabnahme der Wafer von dem ersten Wafer einer Charge zu den späteren Wafern führt.
  • Benutzt man ein solches Heißplattensystem, ist es wegen schnellen Temperaturveränderungen der Platte, wenn kalte Wafer eingeladen werden, notwendig, die Plattentemperatur mit sehr schnellem Zeitverhalten zu messen, um auf diese Temperaturveränderung schnell zu reagieren und diese zu kompensieren. Wenn man Thermoelemente in einem solchen System verwendet (wie traditionell verwendet wurde), ist es schwierig, ein solches schnelles Zeitverhalten zu bekommen, während gleichzeitig die Waferumgebung gegen eine Verunreinigung durch Metall von dem Thermoelement geschützt wird. Halbleiterwafer sind auf solche Metalle übermäßig empfindlich und können schon durch 10–5 einer Molekularschicht über der Waferoberfläche vergiftet sein. Derartige metallische Elemente wandern in einem solchen heißen System sehr schnell, in welchem ihr Dampfdruck nicht null ist und deshalb gegen die Waferumgebung vakuumisoliert sein muß. Diese Vakuumisolation erreicht man durch gewisse Materialien, wie zum Beispiel eine keramische Schutzschicht, welche unvermeidlich die Schnelligkeit des Ansprechens des Thermoelementes auf die Plattentemperaturveränderung reduziert. Ein solches schnelles Temperaturabfühlen kann mit einem Pyrometer erfolgen, diese Pyrometer sind aber auf die Drift ihrer Ablesungen infolge Oberflächenbeschichtung, Verunreinigung oder andere Materialwechsel anfällig. Diese Drift der Temperaturauslesungen ist für die Halbleiterherstellung unakzeptabel, bei welcher die Wafertemperatur über der Zeit oder von Charge zu Charge nicht variieren darf.
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung sehen thermische Behandlungssysteme und Verfahren vor, welche viele der mit den herkömmlichen Heißplatten-basierten RTP-Systemen zusammengehörenden Problemen angehen. Die folgenden Anwendungen sollen die Offenbarung hier ergänzen und beschreiben thermische Behandlungen betreffende Konfigurationen, Merkmale und Prozesse, die in Verbindung mit Aspekten der vorliegenden Erfindung benutzt werden können: US-A-6,002,109 mit dem Titel „Systeme und Verfahren für das thermische Behandeln eines Halbleitersubstrates (System and Method for Thermal Processing of a Semiconductor Substrate)", angemeldet am 10. Juli 1995 von Kristian E. Johnsgard, Brad S. Mattson, James McDiarmid und Vladimir J. Zeitlin; US-Patentanmeldung Nr. 08/876,788 mit dem Titel „Systeme und Verfahren für die thermische Behandlung eines Halbleitersubstrates (System and Method for Thermal Processing of a Semiconductor Substrate)", angemeldet am 16. Juni 1997 von Kristian E. Johnsgard, Brad S. Mattson, James McDiarmid und Vladimir J. Zeitlin; US-Patentanmeldung Nr. 08/923,661 mit dem Titel „System und Verfahren zur schnellen thermischen Behandlung (System and Method for Rapid Thermal Processing)", angemeldet am 4. September 1997 von Stephen E. Savas; US-B-6,647,665 mit dem Titel „Systeme und Verfahren für die Handhabung von Werkstücken für die Vakuumbehandlung mit geringer Verunreinigung und hohem Durchsatz (Systems and Methods for Low Contamination, High Throughput Handling for Workpieces for Vacuum Processing)", angemeldet am 28. November 1997 von Fred Tabrizi, Barry Kitazumi, David A. Barker, David A. Setton, Leszek Niewmierzycke und Michael J. Kulman; US-B-6,169,271 mit dem Titel „Ein modellbasiertes Verfahren für die Wafertempe ratursteuerung bei einem System für die thermische Behandlung für die Halbleiterherstellung (A Model Based Method for Wafer Termperature Control in a Thermal Processing System for Semiconductor Manufacturing)", angemeldet am 13. Juli 1998 von Stephen E. Savas, Martin L. Hammond, Robert Müller und Jean-François Daviet; US-B-6,236,023 mit dem Titel „Reinigungsprozeß für ein schnelles thermischen Behandlungssystem (Cleaning Process for Rapid Thermal Processing System)", angemeldet am 13. Juli 1998 von Stephen E. Savas, Martin L. Hammond und Jean-François Daviet; und US-Patentanmeldung Nr. 08/140,614 mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung für die thermische Behandlung von Halbleitersubstraten (Method and Apparatus for Thermal Processing of Semiconductor Substrates)", angemeldet am 26. August 1998 von Stewart K. Griffiths, Robert H. Nilson, Brad S. Mattson und Stephen E. Savas, wobei jede Anmeldung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Halbleitersubstrat-Behandlungssystem und ein Verfahren vor, welches eine stabile Heizquelle mit einem Heißplatten-basierten Waferheizsystem verwendet. Die Maße und Behandlungsparameter des Systems sind vorzugsweise ausgewählt, um einen wesentlichen Wärmefluß zu dem Wafer vorzusehen, während Wärmeverluste zu der Umgebung minimal gehalten werden (insbesondere von den Kanten der heißen Platte, heißen Quelle und dem Wafer (den Wafern)). Die heiße Platte wird meist strahlungserwärmt durch widerstandsgeheizte Elemente, die mit Strom aus einem durch ein Steuersystem gesteuerten externen Netz versehen werden. Die heiße Platte sorgt für ein Gleichmäßigkeitsprofil der Wafertemperatur mit geringer Veränderung über Temperaturbereiche bei niedrigen bis mäßigen Drücken. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann dies dadurch erreicht werden, daß man eine Isolierung vorsieht, welche die heiße Platte abdeckt mit der Ausnahme von Öffnungen in einer Gestalt zur Aufnahme des Halbleiterwafers (der Halbleiterwafer), einschließlich an seinem/ihren Kanten und Ecken. Diese Isolation erfolgt durch ein verunreinigungsfreies, teilweise durchlässiges Isolationsmaterial, welches mindestens in geringem Abstand von der Platte angeordnet ist. Somit ist die ganze Platte im wesentlichen in einem isolierten Hohlraum eingeschlossen, in welchem der Wafer (die Wafer) von der Platte erwärmt wird/werden. Ein Gebiet thermischer Isolation ist vorzugsweise zwischen der heißen Platte und dem isolierenden Material vorgesehen sowie zwischen dem isolierenden Material und der Kammerwand. Der Wärmeübergang über die Isolationsgebiete erfolgt in erster Linie durch Strahlung und in einem etwas geringen Grad durch Leitung oder Konvektion, während der Wärmeübergang durch das isolierende Material durch Leitung und in gewissem Ausmaß Strahlungsdiffusion erfolgt. Der Wafer (die Wafer) ist/sind auf oder neben der heißen Platte in dem Vakuumhohlraum für die Erwärmung durch Leitung und Strahlung angeordnet.
  • Es ist ein Vorteil dieses Aspektes der vorliegenden Erfindung, daß das Reaktorwärmeprofil eingestellt werden kann, um über einen weiteren Temperaturbereich ein hohes Niveau der Behandlungsgleichmäßigkeit des Wafers vorzusehen. Um dies zu gewährleisten, muß ein sehr gleichmäßiges und gleichbleibendes Profil der Temperaturgleichmäßigkeit des Wafers für einen großen Temperaturbereich erhältlich sein. Dies kann man mit einer Heizeinrichtung mit zwei (oder mehr) Zonen für die Platte erreichen, wobei eine Flexibilität in der räumlichen Verteilung der Wärmeaufbringung in der Platte vorgesehen wird, die erforderlich ist, um die Veränderung der räumlichen Abhängigkeit von Wärmeverlusten mit der Temperatur von der Platte auszugleichen. Das richtige Temperaturprofil der Heizplatte (welches bei jeder beliebigen Temperatur in dem Bereich für Prozesse erhalten werden kann) verursacht dann, daß die Veränderung der Temperatur über den Wafer (die Wafer) für jede beliebige Prozeßtemperatur auf annehmbare Niveaus reduziert wird. Wenn die Behandlungstemperatur sich ändert, müssen allgemein die relativen Energieniveaus der zwei oder mehrere Heizgeräte für die heiße Platte sich ändern, damit die optimale Temperaturgleichmäßigkeit auf den Wafern erhalten wird. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die zwei oder mehreren Heizgeräte die Wärmeverluste aus verschiedenen Teilen der heißen Platte ausgleichen müssen, deren relative Werte sich ändern, wenn sich die gewünschte Temperatur der heißen Platte ändert.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform weisen die zwei (oder mehr) Zonenheizgeräte ein Strahlungsgrundheizgerät auf, auch Hauptgerät genannt, und zwar auf der gegenüberliegenden Seite der Platte von dem Wafer, sowie zwei oder mehr Ergänzungsheizgeräte, welche die Kante der Platte umgeben. Das Grundheizgerät kann eine räumlich nicht gleichmäßige Strahlungsausgangsleistung haben, um bis zu gewissem Grad den größeren Wärmeverlust von der Platte an ihren Kanten auszugleichen. Die Kantenheizgeräte (das Gerät) können jedoch erforderlich sein, um die Veränderung der Kantenwärmeverluste durch die Platte zu kompensieren, welche längs der Kante variabel sein können. Diese Veränderung längs der Kante ist im allgemeinen eine Funktion der Temperatur, denn der relative Einfluß der Strahlungs- und Leitungsverluste verändert sich mit der Temperatur. Die Veränderung längs der Kante kann auch eine Funktion der Gestalt der Heizungsplatte sein, die mehr als einen Wafer auf einmal aufnehmen kann. Im Fall einer einfach gestalteten Heizungsplatte für einen einzigen Wafer, wie zum Beispiel eine scheibenförmige Platte, kann es möglich sein, eine einzige Kantenheizung zu verwenden. Es ist auch möglich, ein Kantenheizgerät mit einer Wärmeausgangsleistung zu verwenden, die entlang seiner Länge variiert, um die unterschiedliche Rate der Kantenverluste an unterschiedlichen Orten längs der Plattenkante zu kompensieren. In diesem Fall kann die Verwendung eines einzigen Kantenheizgerätes für eine Heizungsplatte ausreichen, die mehr als einen Wafer auf einmal aufnehmen kann. Solche Basis- und Kantenheizgeräte können aus Graphit oder Siliziumkarbid oder anderen reinen Widerstandsmaterialien hergestellt sein, die bezüglich der Position stabil sind, wenn sie auf hoher Temperatur erwärmt werden.
  • Solche Ergänzungsheizgeräte für verschiedene Zonen der heißen Platte sind vorzugsweise in der Lage, unabhängig von dem Primärheizgerät gesteuert zu werden, so daß mit minimaler Wirkung auf die Zentraltemperatur der heißen Platte eingestellt werden können. Dies vereinfacht die Steuerung der Temperatur, weil es die Kompliziertheit der Wechselwirkung der Heizungssteuerungssysteme reduziert, welche durch die Wärmeleitung durch die heiße Platte vermittelt wird. In dem Fall, wo solche Ergänzungsheizgeräte in der Zonen (den Zonen) nahe der Kante des Wafers angeordnet sind, damit die Kantentemperatur näherungsweise auf die Mitteltemperatur der heißen Platte angehoben wird, und wenn das Hauptheizgerät in seinem Erwärmungsmuster einigermaßen die höheren Wärmeverluste an der Kante der heißen Platte ausgleicht, gibt es wahrscheinlich eine relativ geringe Auswirkung auf die Zentraltemperatur aus einer solchen Leistungsaufnahme von Ergänzungsheizgeräten. Zum Teil ist dies auf die niedrigeren Leistungsniveaus zurückzuführen, die für die Ergänzungsheizgeräte im Vergleich zu dem Hauptheizgerät verwendet werden.
  • Falls es keine zu erhebliche Wirkung des Ergänzungsheizgerätes (der Geräte) auf die Zentraltemperatur der heißen Platte gibt, ist es möglich, den Typ des für die Temperatur der heißen Platte verwendeten Steuersystems zu vereinfachen. In diesem Fall sind Temperaturmeßsensoren möglich, die nahe der Mitte und dem Kantenbereich (Bereichen) der heißen Platte angeordnet sind und einen Steueralgorithmus auf Look-Up-Table-Basis (LUT) haben. Dies konnte das gewünschte Heißplattentemperaturprofil dadurch erbringen, daß einfache Basis- und Kantenheizgeräte genügend Wärme vorsehen, um an den unterschiedlichen Sensorstellen vorgegebene Einstelltemperaturen zu halten. Diese vorgegebenen Temperaturen für die verschiedenen Zonen können zuvor für jede beliebige, spezifische Prozeßtemperatur dadurch gefunden werden, daß man bestimmt, welche Kombination von Temperaturauslesungen der unterschiedlichen Sensoren die optimale Gleichmäßigkeit der Wafertemperatur erzeugt. Gäbe es eine wesentliche Wechselwirkung zwischen der Zentraltemperatur und der Leistung des Kantenheizgerätes, würde das Steuersystem wahrscheinlich ein schwingendes Verhalten der Temperatur der heißen Platte hervorrufen, statt der gewünschten stationären Temperatur. Hätte man das gewünschte Temperaturprofil der heißen Platte erreicht, welches für eine gegebene Temperatur der Waferbehandlung vorgegeben ist, dann würde dies während der Behandlung zu einer optimal gleichmäßigen Wafertemperatur führen.
  • Falls es erwünscht ist, die Menge elektrischer Leistung weiter zu reduzieren, welche bei einer solchen thermischen Behandlung von Wafern benutzt wird, während man leichter eine akzeptabel gleichmäßige Temperatur für die sehr erhöhten zukünftigen Erfordernisse von Halbleitervorrichtungen erreicht, kann man Mehrfachwärmeschutzlagen in den Strukturen verwenden, welche die Wafer abdecken. Solche Abdeckungen oder Hauben könnten aus opakem Material hergestellt werden, so daß sie die Strahlungsmenge von dem Wafer, welche die Wände erreicht, reduzieren. Die Verwendung von Mehrfachlagen führt zu verringertem Strahlungswärmeverlust zu den Wänden hin und damit einer Verringerung der Energiemenge, die zur Bearbeitung der Wafer notwendig ist. Dies senkt die Betriebskosten und die Kosten von Ersatzteilen, weil die Lebensdauer solcher Heizgeräteteile sich umgekehrt zu ihrer durchschnittlichen Betriebstemperatur verhält, und eine höhere Leistungsabgabe erfordert eine höhere Oberflächentemperatur der Heizeinrichtung. Die Verwendung von Mehrfachlagen hilft auch zum Erreichen der gewünschten Gleichmäßigkeit der Wafertemperatur, denn es wird eine Umgebung für den Wafer zur Verfügung gestellt, die näher an ihrer eigenen Temperatur liegt und deshalb weniger Nettoenergie von der Vorderseite des Wafers absorbiert. Die Absorption von weniger Nettoleistung von der Vorderseite des Wafers bedeutet fast immer, daß die Veränderung des Leistungsverlustes aus unterschiedlichen Teilen des Wafers kleiner ist mit der Folge einer gleichmäßigeren Wafertemperatur. Ein anderer Vorteil der mehrschichtigen Wärmeabschichtungen besteht darin, daß die höhere Oberflächentemperatur der innersten Abschirmung die Gesamtrate des Nettowärmeverlustes von der vorderen Fläche des Wafers reduziert und dadurch die Veränderung der Wafertemperatur verringert, welche durch Veränderungen des Emissionsvermögens der Rückseite des Wafers hervorgerufen wird.
  • Dieses Verfahren des Erwärmens der Heizungsplatte erlaubt die Durchführung eines Titansilizid-Temperungsprozesses praktisch ohne hinzugefügte Ungleichmäßigkeit des sich ergebenden Filmwiderstandes, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber typischen Lampensystem darstellt, selbst solchen mit mehrfachen, unabhängig gesteuerten Erwärmungszonen.
  • Es stellt einen weiteren Vorteil dar, daß kompakte Strahlungswärmequellen (eine Strahlungswärmequelle) für die Platte sich ohne wesentliche Temperaturungleichmäßigkeiten relativ dicht an kalten Kammerwänden befinden können. Zu diesem Zweck kann man eine Wärmeabschirmung (Wärmeabschirmungen) vorsehen, die zwischen den Heizgeräten und den kalten Wänden der Isolationskammer angeordnet sind, um den Strahlungswärmeverlust der Heizgeräte in Richtungen von der Heizungsplatte fort zu reduzieren. Diese Abschirmungen können aus sauberen Materialien hergestellt sein mit sehr niedrigem Metallgehalt und einer hohen Stabilität bei diesen erhöhten Temperaturen. Wegen dieser reduzierten Strahlungsverluste für die Heizeinrichtungen infolge der Abschirmungen kann der Abstand von den Heizeinrichtungen zu den kalten Wänden reduziert sein, während eine gewisse begrenzende Energiedichte der an den Wänden absorbierten Wärme noch nicht überschritten wird. Dies sorgt für eine kleinere Größe (und damit Kosten und Standfläche) für den Reaktor, ohne die Gleichmäßigkeit zu vermindern, und erlaubt eine leichte Reinigung der Kammer zur Steuerung des Druckes. Es ist ein weiterer Vorteil dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung, daß der Energiewirkungsgrad wegen der kleineren Größe des erwärmten Bereiches wesentlich verbessert ist, ohne daß die Veränderung der Temperaturgleichmäßigkeit des Wafers über die Temperaturbereich wesentlich erhöht wird. Es jedoch ein anderer Vorteil, daß die Kosten des Systems wegen der verringerten Kosten der kleineren Teile reduziert sind, einschließlich der Heizungsplatte und Wärmeabschirmungen, die zunehmend teuer herzustellen und zerbrechlich sind, wenn ihre Größe zunimmt.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur Verfügung, um schnell die Erwärmungsrate einzustellen, die von einer Wärmequelle vorgesehen wird, ohne die Temperatur der Wärmequelle wesentlich zu verändern. Dies kann bei einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß man den Behandlungsdruck zur Einstellung der Erwärmungsrate einstellt. Vorzugsweise wird ein Wafer anfänglich bei einem Druck erwärmt, der einen Leitungs- und Strahlungswärmeübergang erlaubt, Sobald man sich einer gewünschten Behandlungstemperatur nähert, kann der Druck abgesenkt werden, um die Menge des Leitungswärmeübergangs zu verringern und dadurch die Erwärmungsrate zu reduzieren. Insbesondere ist es wünschenswert, den Druck auf diese Weise über einen Bereich niedriger Drücke zu verändern, wo eine kleine Druckveränderung einen großen Effekt auf die Erwärmungsrate hat. Vorzugsweise werden Mehrfachdrücke benutzt, um einen schnellen linearen Wärmeanstieg zu einer Behandlungstemperatur vorzusehen, die dann auf einem relativ konstanten Niveau gehalten wird.
  • Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung hat die heiße Platte eine große thermische Masse relativ zu dem Wafer und ist aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt. In diesem Fall wird die Temperaturgleichmäßigkeit des Wafers leichter erreicht, denn die Wärmeleitfähigkeit der heißen Platte erlaubt es dann, daß sie die auf sie aufgebrachte Wärme schnell wieder verteilt.
  • Es ist auch ein Vorteil dieser Ausführungsform, daß die hohe Wärmekapazität der heißen Platte es ihr erlauben kann, leichter und stabil bei einer konstanten Temperatur zu bleiben, wie sie zum Beispiel für eine wirksame Halbleiterbehandlung erforderlich ist. Es ist ein weiterer Vorteil dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung, daß eine schnelle thermische Behandlung unter Verwendung einer stabilen Heizquelle ausgeführt werden kann, da die Schwankung der erforderlichen Wärmerate für die heiße Platte infolge des Wärmeballasteffektes reduziert werden kann. Dies ist für die RTP-Systeme auf Lampenbasis, welche eine solche heiße Platte nicht verwenden, entschieden nicht der Fall.
  • Temperaturveränderungen der heißen Platte werden wegen der großen Wärmekapazität der heißen Platte (oder des erwärmten Blockes) im Vergleich zu der kleineren Wärmekapazität der in Behandlung befindlichen Wafer abgeschwächt. Gleichwohl verwenden herkömmliche Verfahren der Temperatursteuerung nur die Temperatur des erwärmten Blockes, um zu regulieren, wie viel Wärme nachfolgend in die Kammer eingeführten Wafern zugeführt werden sollte, und diese Wafer können konsequenterweise eine unakzeptabel große Temperaturveränderung erfahren. In das System eingeführte kalte Wafer absorbieren große Wärmemengen und verringern daher den Wärmefluß zu den Hauben und Wärmeabschirmungen, die über den Substraten angeordnet sind, welche anderenfalls vorhanden wären, wenn die Wafer heiß wären. Die Hauben, Wärmeabschirmungen und isolierenden Wände, welche den thermischen Behandlungshohlraum einschließen (insbesondere die oben auf dem Hohlraum), erleiden dann einen großen Temperaturabfall, wenn nachfolgende Wafer behandelt werden, denn die meiste Hitze der Wafer stammt aus dem erwärmten Block. Dieser Effekt akkumuliert, und die Temperatur der Wärmeabschirmungen über dem Wafer kann irgendwo von 15 bis 90°C oder mehr abfallen, wenn die ersten 10 bis 15 Wafer (je nach der anfänglichen Temperatur des erwärmten Blockes) behandelt werden. Die Tatsache, daß die isolierenden Abschirmungen über den Wafern nun eine geringere Temperatur haben, bedeutet, daß die Wärmemenge, die sie zu dem in der Reihe nächsten Wafer zurückstrahlen können, reduziert ist. Wenn aufeinanderfolgende Wafer in dem System behandelt werden, neigt die Wafertemperatur somit trotz einer konstanten Temperatur des Blockes zum Abfallen. Beispielhafte Ergebnisse werden in der Tabelle unten angegeben.
  • Eine präzise Steuerung der Prozeßtemperatur erfordert deshalb ein Kompensieren dieses Wärmeverlustes aus den Hauben und oberen Isolierabschirmungen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berechnet eine Temperaturverschiebung, welche der gemessenen Temperatur hinzuzufügen ist, und diese kompensierte Temperatur des Suszeptors (erwärmten Blockes) kann dann dem Steuersystem zugeschickt werden. Die kompensierte Temperatur verändert sich von Wafer zu Wafer in derselben Reihe und basiert nur auf der Temperaturveränderung der innersten isolierenden Abschirmung. Die Verschiebung ist derart, daß sie ein allmähliches Anheben der heißen Platte auf eine höhere Temperatur verursacht (bei welcher sie sich sonst befinden würde) und somit mehr Wärme zu dem Wafer vorsieht, um die reduzierte Wärme zu kompensieren, die von der Abschirmung zurückgestrahlt wird. Die Größe der Temperaturverschiebung bzw. des Temperaturausgleichs kann auf der Abweichung der Temperatur der innersten Haube von ihrem Gleichgewichtswert basiert sein – d.h. ihr Wert bei Abwesenheit periodisch durchlaufender Wafer. Die Abwei chung der Haubentemperatur von ihrer Gleichgewichtsgröße kann mit der Zeit t variieren, und die Abweichung kann geschrieben werden ΔTHaube(t). Der Maximalwert dieser Abweichung, ΔTHaube, max, kann vor jeglicher Vorrichtungsbehandlung in dem System mit einem speziell mit Geräten versehenen System oder diagnostischen Wafer gemessen werden. Die kompensierte Suszeptortemperatur und die Verschiebung, aus welcher sie gefunden wurde, werden dann unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet: TSuszeptor, kompensiert(t) = ΔTSuszeptor, Verschiebung(t) + TSuszeptor(t),wobei gilt ΔTSuszeptor, Verschiebung(t) = (ΔTWafer, max/ΔTHaube, max) ΔTHaube(t)wobei TSuszeptor(t) die gemessene Suszeptortemperatur als Funktion der Zeit ist. Die kompensierte Suszeptortemperatur ist in typischer Weise kleiner als die wahre Suszeptortemperatur, denn sowohl die Hauben- als auch Waferabweichung (augenblickliche wie auch maximale Abweichungen) sind gewöhnlich negativ. Folglich nimmt das Steuersystem die kompensierte Temperatur auf und vergleicht sie mit der Sollwerttemperatur, wobei sie feststellt, daß sie niedriger ist als sie sonst auf der Basis nur der Suszeptortemperatur wäre. Selbst wenn sich der Suszeptor auf der Sollwerttemperatur befinden würde, wäre die Wirkung der Verschiebung in typischer Weise, sie niedriger erscheinen zu lassen, wodurch das Steuersystem veranlaßt wird, die Energie zu der Suszeptor-Heizeinrichtung anzuheben und damit die Suszeptortemperatur zu erhöhen. Diese erhöhte Temperatur des Suszeptors kompensiert dann die kühlere Haube und erzeugt eine gleichmäßig gesteuerte Wafertemperatur trotz der Veränderungen der Haubentemperatur. Die Verschiebung wird als Bruchteil der maximalen Temperaturabweichungen des Wafers wegen der Abweichung der der Haube (Hauben) gesehen. Wenn die Haubentemperaturabweichung ihr Maximum erreicht, erreicht die Verschiebung ein Maximum gleich der maximalen Abweichung der Wafertemperatur.
  • Die maximalen Abweichungen sowohl der Wafer- als auch Haubentemperaturen können von der Temperatur abhängen, bei welcher eine spezielle Behandlung erfolgt, und dem unterschiedlichen Emissionsvermögen dieser Wafer, die behandelt werden sollen. Typische Beispiele werden in den Tabellen unten gezeigt. Der Bruchteil, welcher von dem Verhältnis der Abweichung der Wafertemperatur, geteilt durch die Abweichung der Haubentemperatur, dargestellt wird, welche typischerweise bei der Berechnung benutzt werden, ist je nach der relativen Wichtigkeit des Strahlungs- und Leitungswärmeübergangs von der heißen Platte zu dem Wafer recht klein. Der Leitungswärmeübergang von dem Suszeptor zu dem Wafer ist oft wesentlich, wodurch der Einfluß des Suszeptors auf den Wafer stärker gemacht wird als der der Haube.
  • Tatsächlich gibt die obige Formulierung in wirksamer Weise die kompensierte Suszeptortemperatur als lineare Funktion der Hauben- und Suszeptortemperaturen. Bei dieser linearen Funktion ist die Gewichtung der Suszeptortemperatur viel größer als die der Haube wegen der festeren Verkopplung des Suszeptors als der Haube mit dem Wafer. Effektiv wirkt die kompensierte Suszeptortemperatur als Ersatz für die Wafertemperatur, denn die Wafertemperatur ist tatsächlich stärker von der Suszeptor- statt von der Haubentemperatur beeinflußt. Es ist mathematisch plausibel, daß die Veränderung der Wafertemperatur infolge dieser relativ kleinen Veränderungen der Haubentemperatur eine lineare Funktion der Veränderung der Haubentemperatur sein sollte.
  • Figure 00160001
  • Das Temperatursteuersystem für die heiße Platte kann für jedes Heizgerät Steuereinrichtungen vom PID-Typ verwenden, wobei die für jeden gegebenen Prozeß vorbestimmte Sollwerttemperatur verwendet wird und als Steuereingänge die Temperaturen genommen werden, einschließlich aus den Haubentemperaturveränderungen gerechneten Verschiebungen, und zwar für die unterschiedlichen entsprechenden Teile (Mitte und Kante) der heißen Platte. Der minimale Effekt geringer, inkrementeller Wärme von dem Kantenheizgerät (den Kantenheizgeräten) auf die Zentraltemperatur der heißen Platte erlaubt ein solches Steuersystem, bei dem es getrennte PID-Steuerungen für jedes der zentralen und Kantenheizgeräte gibt, um das Temperaturprofil der heißen Platte genau zu steuern.
  • Nach einer weiteren anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren für die gleichmäßige Erwärmung von jeweils Mehrfachwafern unter Verwendung einer festen heißen Platte vorgesehen. Bei einer Ausführungsform wird diese Eigenschaft dadurch vorgesehen, daß man eine rennbahnförmige heiße Platte und Widerstandsheizgeräte verwendet. Der Widerstand der Heizgeräte kann über den Bereich entsprechend dem der heißen Platte verändert werden, um eine nahezu gleichmäßige und wiederholbare Temperatur der oberen Fläche der heißen Platte vorzunehmen, neben welcher zwei oder mehr Wafer zur gleichen Zeit angeordnet werden können. Es ist ein Vorteil dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung, daß der Waferdurchsatz wesentlich erhöht wird ohne eine wesentliche Verringerung der Prozeßsteuerung und Gleichmäßigkeit.
  • Eine Ausführungsform des vorliegenden Systems kann ein Widerstandsheizgerät aus Graphit wie eine flache Platte einschließen (die durch einen CVD-Prozeß mit einer oder mehreren Schichten aus Siliziumkarbid beschichtet worden sein kann), welches dicht im Abstand von der heißen Platte, unter dieser und im wesentlichen parallel zu dieser angeordnet ist. Dieses Graphitheizgerät kann eine lange Bahn für die elektrische Stromleitung haben unter wirksamer Abdeckung des Oberflächenbereiches neben der heißen Platte und einen sich verändernden Querschnitt längs der Strombahn haben, um den Wärmeausgang auf das gewünschte räumliche Profil richtig auszugestalten. Dies hat den Vorteil, daß der erforderliche Leistungsausgang aus den Ergänzungsheizgeräten verringert wird, die notwendig sind, um die Ungleichmäßigkeit der heißen Platte zu kompensieren, wenn die Prozeßtemperatur verändert wird.
  • Die Sensoren, die verwendet werden, um die Temperaturen der verschiedenen Positionen der heißen Platte zu messen, können bei einer Ausführungsform dieser Erfindung optische Pyrometer sein. Solche Pyrometer können Glasfaserstangen verwenden, welche in den erwärmten Hohlraum derart eingeführt werden, daß das Gesichtsfeld jedes Pyrometers auf einen kleinen Bereich auf der Oberfläche der heißen Platte beschränkt wird. Zwei oder mehr solcher Sensoren können eine geeignete Information des Temperaturprofils für die heiße Platte zu dem Steuersystem geben, um zu gestatten, daß ihr Temperaturprofil für jeden gewünschten Prozeß richtig und präzise eingestellt wird. Diese Faseroptiksensoren können mit Hüllen verwendet werden, die aus Quarz oder einem anderen reinen Material hergestellt sind, durch welche Gas mit einer niedrigen Geschwindigkeit strömen gelassen werden kann, um den Bereich der heißen Platte, der von dem Sensor gesehen wird, zu reinigen. Dieses Reinigen ist in der Lage, die Veränderung des Oberflächenemissionsvermögens der heißen Platte zu reduzieren oder zu eliminieren, welches ansonsten durch kondensierbare Stoffe oder Reaktionsgase veranlaßt werden könnte. Somit ist das Auslesen der Temperatur der Pyrometer wegen der Umgebung der Kammer weniger auf die Drift anfällig. Andere Faktoren können die Temperaturauslesung von Pyrometern entweder über der Zeit oder bei schwerer Benutzung zu driften veranlassen, und es ist notwendig, sicherzustellen, daß man dies nicht erlaubt. Um dies zu verhindern, kann bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Thermoelement verwendet werden, welches die Temperatur der Mitte der heißen Platte während eines Betriebes der Gleichgewichtskalibrierung abfühlt. Bei diesem Betrieb werden keine Wafer behandelt, aber die heiße Platte wird auf den Behandlungstemperaturbereich erwärmt, und man liest sowohl mit dem Pyrometer, welches die Zentraltemperatur der heißen Platte abfühlt, als auch dem Thermoelement. Die zwei abgelesenen Meßwerte werden miteinander verglichen und müssen sich innerhalb einer kleinen akzeptablen Diskrepanzgrenze befinden, oder die Behandlung wird angehalten, während neue Pyrometer und/oder Thermoelemente für den Ersatz der zuvor benutzen vorgesehen werden. Hierdurch wird sichergestellt, daß Behandlungen bei gegebenen Temperatursollwerten über längere Zeit wiederholbar sind. Hierdurch wird das Problem der Pyrometerdrift stark verringert.
  • 1 ist ein Seitenquerschnitt einer Wärmebehandlungskammer, die bei 100 gezeigt ist, und zwar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise für die Verwendung in Verbindung mit dem Aspen-Waferhandhabungssystem ausgestaltet, welches von Mattson Technology Inc. erhältlich ist, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung. Das Aspen-System erlaubt die Handhabung zweier Wafer auf einmal. Gemäß dieser Ausführungsform hat die Kammer zwei Waferbehandlungsstationen, wie in 2 gezeigt ist, wo die Waferbehandlungsstationen so nebeneinander angeordnet sind, daß ihre Mittellinien senkrecht zur Papierebene der 1 liegen. Aspekte der vorliegenden Erfindung erlauben die Verwendung zweier fester Wärmequellen für die gleichzeitige, gleichmäßig Behandlung zweier Wafer. Eine der festen Wärmequellen ist das Haupt- oder Basisheizgerät 120A, und das zweite ist das Umfangs- oder Kantenheizgerät 120B. Selbstverständlich kann eine große Vielzahl von Prozessen durchgeführt werden, und alternative Ausführungsformen können für die Behandlung jeweils eines einzigen Wafers optimiert werden. Unten beschriebene Techniken können auch angewendet werden, um eine gleichmäßige Behandlung von jeweils mehr als zwei Wafern zu erlauben.
  • Gemäß 1 bilden die Kammerwände 102 bei der ersten Ausführungsform eine äußere Öffnung 104, durch welche ein Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel ein Wafer 106, in die Kammer 100 eingeführt werden kann. Ein herkömmlicher Schleusenmechanismus (wie zum Beispiel bei dem Aspen-System vorgesehen) kann für das Einführen und Entnehmen des Wafers 106 durch die äußere Öffnung 104 verwendet werden. Die Kammerwände 102 sind relativ kalt, sie werden vorzugsweise bei einer durchschnittlichen Temperatur von weniger als einhundert Grad C (100°C) gehalten. Bei der ersten Ausführungsform sind die Kammerwände 102 Aluminium und werden durch Kühlkanäle 108 gekühlt. Diese Wände können mit einer mehr inerten Art von Metall plattiert sein, wie zum Beispiel Platin oder Nickel, um chemische Reaktionen mit der Oberfläche durch heiße gasförmige Arten zu verhindern. Wasser (oder ein anderes Kühlmedium) kann durch die Kühlkanäle 108 gepumpt werden, um die Aluminiumkammerwände 102 zu kühlen.
  • Nachdem der Wafer in die Kammer eingeführt ist, wird er auf schmalen Stiften 110 angeordnet, welche Siliziumkarbid, Quarz oder Keramik bei einer Ausführungsform aufweisen. Die Stifte sind auf einer Stifthalteplatte 112 montiert, die durch einen Hebemechanismus 114 angehoben und abgesenkt werden kann, wie zum Beispiel ein pneumatischer oder elektromechanischer Lift mit einem vakuumdichten Balg. Nachdem der Wafer in die Kammer eingeladen und auf den Stiften 110 angeordnet ist, wird der Hebemechanismus 114 abgesenkt, um das Substrat 106 nahe an einer erwärmten Platte (oder Block) 116 oder auf diese für die thermische Behandlung anzuordnen. Alternativ können bei einer Ausführungsform die Stifte unter die obere Fläche der Platte zurückgezogen werden, und der Wafer kann in einem gewissen kleinen Abstand von der heißen Platte von Abstandsbolzen gehalten werden. Die Abstandsbolzen sind vorzugsweise aus sehr reinen Materialien hergestellt, wie zum Beispiel Quarz oder Saphir, und haben glatt gerundete Spitzen, um ein Halten des Wafers auf einer scharfen Kante oder Spitze zu verhindern. Gemäß 3 können die Stifte 110 von Hülsen 310 umgeben sein, um Gase daran zu hindern, welche in der Dampfphase Spuren kontaminierender Metalle enthalten, aus dem Hohlraum 320 (der Hohlraum, in welchem ein Widerstandsheizgerät 120A angeordnet ist) in Richtung 330 zu strömen und sich also auf der Bodenfläche des Wafers 106 abzuscheiden. Diese Hülsen können Clear-Quarz, opake Quarze, Siliziumkarbid oder andere Keramiken aufweisen und sind bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Clear-Quarz.
  • Die erwärmte Platte kann eine große thermische Masse haben, die eine feste und reproduzierbare bzw. wiederholbare Wärmequelle für das Erwärmen des Wafers 106 vorsieht. Vorzugsweise schafft der erwärmte Block 116 eine Wärmefläche 118 innerhalb der Kammer, die zu dem Wafer im wesentlichen parallel ist, um einen Wärmeübergang über den ganzen rückseitigen Oberflächenbereich des Wafers zu erlauben. Der erwärmte Block 116 weist ein Material auf, welches den Wafer 106 nicht zu unakzeptablen Niveaus verunreinigt, selbst wenn der Wafer in Kontakt mit dem erwärmten Block bei hohen Temperaturen (mehr als 500°C) und mäßig zu niedrigen Drücken (weniger als 100 Torr) angeordnet wird. Bei der ersten Ausführungsform weist die erwärmte Platte 116 mit Siliziumkarbid beschichtetes Graphit auf, obwohl auch andere Materialien, die bei Prozeßtemperaturen nicht mit dem Wafer reagieren, wie zum Beispiel Siliziumkarbid oder Quarz, ebenso verwendet werden können. Ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist bevorzugt, um es der Wärme zu ermöglichen, sich gleichmäßig über den Block zu verteilen. Isoliertechniken, die nachfolgend beschrieben werden, werden verwendet, um zu verhindern, daß sich scharfe Temperaturgradienten infolge Wärmeverlusten an den Kanten des Blockes in dem erwärmten Block bilden.
  • Die erwärmte Platte kann etwa ein (1) Zoll (1 Zoll = 25,4 mm) dick sein bei dieser Ausführungsform und eine thermische Masse vorsehen, die wesentlich größer ist als der Wafer mit einer Dicke von etwa fünfunddreißig Tausendstel (0,035) eines Zoll. Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, daß die erwärmte Platte 116 mindestens zehnmal dicker ist als der in Behandlung befindliche Wafer. Hierdurch wird für die thermische Behandlung des Wafers 106 ein Wärmevorrat mit stabiler Temperatur zur Verfügung gestellt.
  • Bei einer Ausführungsform erstreckt sich eine einzige erwärmte Platte 116 fast über die ganze Kammer und sieht eine im allgemeinen rechteckige Heizfläche vor, die groß genug ist, um jeweils zwei Wafer Seite an Seite mit einem Abstand zwischen den Wafern zu behandeln, der etwa in der Größenordnung des Waferradius liegt. Die ausgesetzten bzw. freigelegten Bereiche, nahe denen die Wafer behandelt werden, sind Teile derselben erwärmten Platte. Bei Verwendung einer einzigen erwärmten Platte wird ein vereinfachter und kosteneffektiver Aufbau vorgesehen. Die thermische Behandlungskammer der ersten Ausführungsform sorgt für eine außergewöhnliche Behandlungsgleichmäßigkeit selbst bei einer nicht drehenden Anordnung. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine separate drehende Heizplatte für jeden Wafer vorgesehen sein, um die Gleichmäßigkeit noch weiter zu steigern. Die Wafer könnten auch etwas über der erwärmten Platte gehalten und auf Stiften gedreht werden. Die Kammer gemäß der ersten Ausführungsform stellt jedoch eine hervorragende Gleichmäßigkeit ohne Drehung sicher, so daß eine vereinfachte und kosteneffektive Anordnung bevorzugt ist.
  • Der erwärmte Block wird von zwei Widerstandsheizgeräten 120A und 120B erwärmt, die unter dem erwärmten Block bzw. um seine Kanten herum angeordnet sind. Eine Draufsicht eines beispielhaften Heizelements 120A, welches von dem Kantenheizgerät 120B umgeben ist, ist in 4 gezeigt. Eine dreidimensionale schematische Ansicht einer beispielhaften Kantenheizung 120B ist in 5 gezeigt. Das Heizelement 120A kann in den Bereichen 410 dicker sein als in den Bereichen 420, und die Heizgerätedicke kann durch einen Übergangsbereich etwa an der Stelle 430 gehen. Beispielhafte Dicken bei 410 und 420 betragen etwa 0,25 bzw. 0,16 Zoll. Der Aufbau des beispielhaften Kantenheizgerätes 120B mit dem Muster der sich wiederholenden S-Form gemäß Darstellung in 5 ist ein Ergebnis der Handhabung des Widerstandes des Heizgerätes, um eine Anpassung der Impedanz des Heizgerätes 120B an die des Heizgerätes 120A vorzusehen: dies erlaubt die Verwendung eines üblichen Netzgerätes (was bedeutet, daß dasselbe Netzgerät für beide Heizungen verwendet werden kann). Obwohl ein festes Band benutzt werden könnte, könnte der Widerstand eines solchen Bandes mit ähnlichen Materialien niedriger sein, und das feste Band würde deshalb mehr Strom ziehen und ein bestimmtes Netzgerät erfordern. Die Höhe des Kantenheiz gerätes (Maß 510 in 5) kann sich zwischen etwa 0,2 und 2,0 Zoll und irgendeinem darin zusammengefaßten Bereich belaufen und beträgt bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung etwa 1,44 Zoll. Diese Widerstandsheizgeräte weisen vorzugsweise mit Siliziumkarbid beschichtetes Graphit auf, obgleich auch andere Materialien verwendet werden können. US-A-6,002,109, welches hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschreibt zusätzliche Aspekte eines Widerstandsheizsystems, welches in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann.
  • Heizungshaltesäulen (die in den 2 und 6 gezeigt sind) halten das Widerstandsheizgerät von dem erwärmten Block 116 in einem kurzen Abstand (etwa 0,125 Zoll). (Nicht gezeigte) Energiequellen sind mit den Heizgeräten durch Heizungsmontagemechanismen in einer separaten Heizungsmontagekammer 142 verbunden. Der Strom wird durch die Widerstandsheizungen 120A und 120B geführt, um den erwärmten Block 116 zu erwärmen, der seinerseits als eine stabile Wärmequelle für den Wafer 106 wirkt. Die auf die Widerstandsheizgeräte aufgebrachte Leistung kann zur Steuerung der Temperatur des erwärmten Blockes eingestellt werden. Dies erfolgt unter Verwendung von PID-Steuereinrichtungen, die für jedes Heizgerät separat verantwortlich sind.
  • Ein Thermoelement oder ein anderer Temperatursensor kann verwendet werden, um die Temperatur des erwärmten Blockes zu messen, und kann verwendet werden, um eine Kalibrierung oder einen Temperaturbezug ebenso für optische Pyrometer vorzusehen. Eine beispielhafte Konfiguration ist in 6 gezeigt, in welcher ein Thermoelement 610 durch die Säule 620 eingeführt ist und innerhalb des erwärmten Blockes 116 gegenüber dem optischen Pyrometer 630 endet. Die Spitze des Thermoelementes kann sich gegen eine Oberfläche innerhalb des erwärmten Blockes mit einer im wesentlichen konstanten Kraft in Widerlage befinden, die durch die Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der Kammer erzeugt wird und einen Balg 640 mit einer Federkonstanten, die ausgebildet ist, um teilweise der Druckdifferenz zu widerstehen. Bei einer Ausführungsform beträgt die Kontaktkraft etwa 7 Pfund. Das optische Pyrometer 630 kann in eine hohle Graphitkugel eingeführt werden, die als Schwarzkörperofen fungiert. Ein bekannter Temperaturgradient existiert zwischen durch den erwärmten Block zwischen der Spitze des Thermoelementes und dem Ende des Pyrometers, und dieser Temperaturgradient kann zur Kalibrierung des Pyrometers verwendet werden.
  • Die Pyrometer werden verwendet, um augenblickliche Temperaturen der heißen Platte in der Nähe ihrer Mitte und Kante zu messen und die primären Daten vorzusehen, die verwendet werden, um geeignete Ausgleichs- bzw. Verschiebungswerte an die PID-Steuergeräte zu geben. Dieses Kalibrieren erfolgt einigermaßen oft, wenn sich keine Wafer in der Behandlungskammer befinden, und die heiße Platte wird auf eine vorbestimmte Sollwerttemperatur gesteuert. Ein optisches Pyrometer oder ein Thermoelement kann auch verwendet werden, um die Wafertemperatur direkt zu messen, obwohl dies schwierig ist, wie zum Beispiel das Bestimmen des Waferemissionsvermögens. Die Temperatursensoren schicken Signale mit Hinweisen auf die Temperaturen, einschließlich berechneter Ausgleiche bzw. Verschiebungen, zu jeder Steuereinrichtung, basiert auf den Temperaturwechseln der Hauben. Das Temperatursteuersystem veranlaßt einen Transformator oder eine andere Energiequelle, eine geeignete Energiemenge auf das Widerstandsheizgerät aufzubringen, um die gewünschte Behandlungstemperatur zu erreichen. Typische Temperaturen zwischen vierhundert Grad C (400°C) und elfhundertfünfzig Grad C (1150°C) werden für die thermische Behandlung in der Kammer gemäß einer Ausführungsform verwendet.
  • Selbstverständlich können andere Mechanismen verwendet werden, um eine stabile Wärmequelle zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel könnte eine HF-Spule verwendet werden, um einen Strom in eine Leitungsplatte in der Kammer einzuführen, oder Lampen könnten verwendet werden, um die Rückseite eines leitenden Blockes zu erwärmen. Die Widerstandsheizgeräte und die erwärmte Platte dieser Ausführungsform stellen jedoch außerordentlich stabile und dauerhafte Wärmequellen zu Verfügung.
  • Um den Wärmeverlust zu reduzieren und die Gleichmäßigkeit zu erhöhen, sind der erwärmte Block 116 und der Wafer 106 in einer isolierenden Heizkammer 128 eingeschlossen. Die Heizkammer 128 wird durch isolierende Wände 130A-H gebildet, die von den Heizgeräten 120, dem erwärmten Block 116 und dem Wafer 106 im Abstand angeordnet sind. Die äußeren Isolierwände 103B und 130E-H weisen vorzugsweise Materialien auf, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit haben, welches opakes Quarz sein kann. Zusätzlich können diese Wände 130B und E-H hoch reflektierend sein und im wesentlichen für Wärmestrahlung undurchlässig sein (insbesondere im sichtbaren und infraroten Bereich). Somit verhindern die Isolierwände 130A und E-H im wesentlichen den Wärmeübergang durch direkte Strahlung von innerhalb der Heizkammer 128 zu den kalten Kammerwänden 102. Bei der ersten Ausführungsform weisen die Isolierwände 130B und E-H opakes Quarz mit einer Wärmeleitfähigkeit auf von etwa dreieinhalb Watt pro Zentimeter Kelvin (3,5 W/cmK). Opakes Quarz ist wünschenswert, denn es ist langlebig und bei praktisch allen Prozessen inert, hat ein hohes Reflexionsvermögen und niedrige Leitfähigkeit und kann verwendet werden, um eine Isolierwand unter Verwendung eines einzigen intrinsischen Materialstücks zu bilden. Opakes Quarzglas OP-1 von Nippon Silica Glass U.S.A., Inc. ist ein beispielhaftes opakes Quarz, das bei der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. Im Gegensatz zu transparentem Quarz ist opakes Quarz weiß mit einem nahezu idealen opaken Aussehen. Dies rührt von der speziellen Struktur des Materials her, die eine gut gesteuerte Verteilung von Mikroporen in der sonst dichten Matrix hat, streut Licht und Wärmestrahlung auf sehr wirksame und homogene Weise. Somit wird die direkte Übertragung von Strahlung etwas unterdrückt (weniger als 30% Übertragung über Wellenlängen von 200 bis 5000 nm für 3 mm Bahnlänge). Die Oberfläche des opaken Quarzes wird vorzugsweise behandelt, um das Abblättern bzw. Abplatzen und das Lösen von kleinen Teilchen zu hemmen. Dies wird bei der ersten Ausführungsform dadurch gewährleistet, daß man die Oberflächen des opaken Quarzes hohen Temperaturen aussetzt, welche die Oberflächen glasieren. Hierdurch wird eine seichte Lage (nahezu 1 mm tief) aus langlebigem Clear-Quarz auf den äußeren Oberflächen der Isolierwände gebildet, welche wie eine Schutzbeschichtung wirkt.
  • Selbstverständlich könnten auch andere wärmebeständige Isoliermaterialien, wie zum Beispiel Aluminiumoxid und Siliziumkarbid, für die Isolierwände verwendet werden. Zusätzlich können die Isolierwände aus einem durchlässigen Material gebildet sein, wie zum Beispiel Clear-Quarz, welches mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid. Diese Alternativen neigen jedoch dazu, weniger beständig zu sein als glasiertes opakes Quarz, platzen oft ab und splittern ab und können die Chemie einiger Prozesse störend beeinflussen. Diese Wände könnten auch aus Clear-Quarz oder einem anderen guten transparenten Wärmeisolator hergestellt sein, innerhalb dessen ein reflektierender Metallspiegel eingeschlossen war. Zusätzliche Isolierwände können auch zwischen die Heizkammer und die Kammerwände angeordnet werden, um die Isolation zu verbessern. Insbesondere kann die Heizkammer innerhalb mehrfach isolierender Gehäuse eingeschlossen sein, die ferner aus Materalien hergestellt sein können, wie zum Beispiel opakes Quarz, oder aus Materialien, wie zum Beispiel Graphit, welches mit Siliziumkarbid beschichtet wurde, wobei zwischen den Gehäusen Vakuumbereiche gebildet sind.
  • Gemäß Darstellung in 1 werden drei mit Siliziumkarbid beschichtete Graphitstückeein oberes 103A, seitliches 130C und Basisstück 130D verwendet, um die Heizkammer 128 bei der ersten Ausführungsform zu bilden. Die isolierende Basiswand 130D liegt in geringem Abstand zu dem erwärmten Block 116 und der Widerstandsheizeinrichtung 120. Bei einer Ausführungsform verkapseln die isolierenden Basiswände 130D und Seitenwände 130C wesentlich die Wärmequelle mit Ausnahme der freiliegenden Kreisbereiche der Heizfläche, die ausgestaltet ist, um die Wafer aufzunehmen. Dies hilft den Wärmefluß von der Wärmequelle durch einen kreisförmigen Bereich senkrecht zu der Waferoberfläche zu kanalisieren und reduziert seitliche Wärmegradienten. Zusätzlich erstreckt sich die Heizfläche radial von dem kreisförmigen Bereich unter der isolierenden Seitenwand 130C. Dies trägt zum Isolieren des Wafers gegen jeden Temperaturabfall an der Kante des erwärmten Blockes bei.
  • Wenden wir uns wieder 1 zu, bildet der erwärmte Block seichte Taschen, ausgenommene Bereiche in dem Block oder Hohlräume zur Aufnahme der Wafer in den kreisförmigen Bereichen, welche von der isolierenden Basiswand 130D freigelegt belassen sind. Die Taschen sind zwischen ein Sechzigstel (0,0625) und einem Achtel (0,125) eines Zolls tief bei der ersten Ausführungsform und können flach, leicht konkav sein, wobei die Mitte der Tasche leicht niedriger ist (etwa 0,003 Zoll) als der Umfang der Tasche, oder gestuft sein, wobei das Zentrum relativ zu einem Sims oder Vorsprung, der um den äußeren Radius der Tasche gebildet ist, ausgenommen ist. Ausgenommene bzw. ausgesparte oder vertiefte Taschen helfen, die Wärme an den Kanten des Wafers zurückzuhalten, und die Taschenform kann die Temperaturgleichmäßigkeit über die Waferoberfläche beeinflussen. Außerordentliche Prozeßgleichmäßigkeiten wurden bei sechshundert Grad C (600°C) und achthundert Grad C (800°C) unter Verwendung sowohl flacher als auch ausgesparter Taschengestaltungen erreicht.
  • Der niedrige Druck, isolierende Wände und andere thermische Eigenschaften erlauben die Verwendung einer sehr kompakten Kammeranordnung mit einem hohen Niveau von Gleichmäßigkeit. Bei der ersten Ausführungsform ist der erwärmte Block 316 etwa zehn (10) Zoll breit, was nur etwas breiter ist als der Wafer, und seine Kanten können innerhalb eines (1) Zolls der kalten Kammerwände sein. Die isolierende Basiswand 330D beträgt etwa fünfhundert Tausendstel (0,375) ei nes Zolls von der Kante des erwärmten Blockes 316, wobei das Umfangsheizgerät dazwischen ist, und der Abstand von der isolierenden Basiswand zu der Kammerwand (über die isolierende Kammer 534) ist kleiner als ein halber Zoll. Somit ist die Breite des erwärmten Blockes etwa achtzig Prozent (80%) der inneren Breite der Behandlungskammer. Ferner nimmt der erwärmte Block etwa zehn Prozent (10%) des inneren Volumens der Prozeßkammer ein. Die Gleichmäßigkeit der Prozeßtemperatur kann bei Verwendung dieses kompakten Aufbaus erhalten werden, obgleich der erwärmte Block auf über eintausend Grad C (1000°C) erwärmt werden kann und die Kammerwände mit Wasser oder anderen Kühlmedien auf eine Durchschnittstemperatur von weniger als einhundert Grad C (100°C) gekühlt werden können. Um jedoch einen akzeptablen Grad an Gleichmäßigkeit zu halten, sind die Kammermaße und -materialien und die Prozeßparameter bei der ersten Ausführungsform sorgfältig ausgewählt, um den Wärmeübergang über die Heizkammer 328, durch die isolierenden Wände 330A und 330C und über die isolierende Kammer 334 zu steuern.
  • Vorzugsweise haben die isolierenden Wände eine Dicke im Bereich von fünfundzwanzig Hundertstel (0,25) bis einen (1) Zoll, wenngleich die Dicke je nach der Wärmeleitfähigkeit und Weitergabe bzw. Durchlässigkeit des Materials verändert werden kann. Bei der ersten Ausführungsform sind die isolierenden Ober-, Seiten- und Basiswände etwa dreihundertfünfundsiebzig Tausendstel (0,375) eines Zoll dick, und die isolierende Bodenwand (welche sich dicht an dem Graphitheizgerät befindet) ist etwa sechshundertfünfundzwanzig Tausendstel (0,625) eines Zoll dick.
  • Die isolierende Bodenwand 130D ist von den Kammerwänden 102 durch den Stützschenkel oder die Säule 132 im Abstand angeordnet; die Säule dient auch der Beabstandung der isolierenden Wand 130D von dem Heizblock 116. Eine beispielhafte Stützsäule ist in größerer Einzelheit in den 2 und 7 gezeigt. Gemäß den 2 und 7 kann die isolierende Wand 130D an der Schulter 710 der Säule anliegen, und der erwärmte Block 116 kann auf dem oberen Bereich 720 aufliegen. Ein verengter Abschnitt 730 der Säule kann in eine Ausnehmung der Kammer 102 passen, wodurch die Notwendigkeit von Befestigungseinrichtungen an der Position 740 eliminiert ist (und wodurch eine mögliche Verunreinigungsquelle weggenommen ist). Die Säule 132 weist ein isolierendes Material auf, wie zum Beispiel opakes Quarz, um den Wärmeleitungsübergang von der isolierenden Bodenwand 130D zu den Kammerwänden 102 minimal zu machen. Während einige Stützschenkel verwendet werden können, ist es erwünscht, den Querschnitt des wärmeleitenden Weges zu minimieren, der zwischen der isolierenden Bodenwand 130D und der Bodenkammerwand gebildet ist, und zwar durch irgendwelche Stützsäulen. Bei einer Ausführungsform hat die Stützsäule 132 einen relativ kleinen Querschnitt (im wesentlichen weniger als 10% der Oberfläche der isolierenden Bodenwand), um zu verhindern, daß ein großer Leitungsweg zwischen den isolierenden Wänden und den Kammerwänden gebildet wird.
  • Die isolierenden Wände 130A und 130C schließen im wesentlichen die Heizkammer 128 ein und bilden mit 116 eine isolierende äußere Kammer 134 zwischen den isolierenden Wänden und den kalten Kammerwänden. Die isolierenden Wände bilden eine innere Öffnung 136 zwischen der Heizkammer 128 und der Isolierkammer 134, damit ein Wafer in die Heizkammer eingeführt werden kann. Ein Verschluß 141 kann verwendet werden, um während der Behandlung die innere Öffnung 136 zu bedecken und eine zusätzliche Isolation vorzusehen. Der Verschluß ist in 1 gezeigt, wie er die Öffnung an der Position 141A abdeckt. Der Verschluß ist in einer angehobenen Position 141B (gestrichelte Linien in 1) darstellt, damit ein Wafer in die Heizkammer eingeführt und aus dieser herausgenommen werden kann. Der Verschluß kann opakes Quarz, Clear-Quarz, Siliziumkarbid und andere Keramiken aufweisen. Eine dreidimensionale Ansicht des Verschlusses 141 ist in 8 gezeigt. Der Verschluß kann von einer Stützstange 810 gehaltert werden, und die Bereiche 820A und 820B, diejenigen Abschnitte des Verschlusses, welche die Öffnungen abdecken und eine Wärmeisolation vorsehen, können ausgestaltet sein, um der Form eines Wafers zu entsprechen.
  • Im allgemeinen wird bei einer Ausführungsform Wärme von der erwärmten Platte 116 über die Heizkammer 128 zu den isolierenden Wänden 130A und 130C, durch die isolierenden Wände 130B und 130F und quer über die Isolierkammer 134 zu den kalten Kammerwänden 102 übertragen. Selbstverständlich kann eine gewisse Wärme durch den Stützschenkel 132 durch Leitung und durch die innere Öffnung 136 durch direkte Strahlung (wenn nicht eine opake Abdeckung verwendet wird) übertragen werden. Eine wesentliche Majorität (mehr als 60%) der Strahlung von dem erwärmten Block 116 wird jedoch von den isolierenden Wänden 130A und 130C aufgefangen, und nur ein kleiner Abschnitt der isolierenden Bodenwand (weniger als 10%) befindet sich mit der Stützsäule in Kontakt. Somit hängt die Wärmeübergangsrate bei einer Ausführungsform im wesentlichen von dem Wärmewiderstand über die Heizkammer 128, durch die isolierenden Wände 130A und 130C und quer über die Isolierkammer 134 ab.
  • Um den Wärmeübergang bei der ersten Ausführungsform zu steuern, ist es wichtig, die Mechanismen des Wärmeübergangs in diesen drei Bereichen zu verstehen. Wärme kann über die Heizkammer und die isolierende Kammer durch Leitung, Strahlung und zu einem geringeren Grad durch Konvektion übertragen werden. Der Wärmeübergang durch die isolierende Wand erfolgt primär durch die Leitung ¥, wobei die isolierende Wand opak ist, so daß es einen geringen Strahlungswärmeübergang, wenn überhaupt, gibt, und da die isolierende Wand fest bzw. massiv ist, gibt es keine Konvektionsströme.
  • Der Wärmewiderstand über die Heizkammer und Isolierkamme kann durch Einstellen des Behandlungsdruckes eingestellt werden. Gemäß 2 stellen die Gaseinlässe 138A und 138B eine Prozeßgasströmung C2 zu den Waferbehandlungshohlräumen zur Verfügung, und der Gaseinlaß (die Gaseinlässe) 139 stellt (stellen) eine Reinigungsgasströmung C1 zu dem Restteil des Reaktors zur Verfügung; speziell zu dem thermisch isolierenden Raum 134. Die Gaseinlässe 138 und 139 sind mit konventionellen Gasquellen und (nicht gezeigten) Massenflußsteuereinrichtungen verbunden, um den Gasfluß zu liefern und zu regeln. Der Gasfluß C2 ist das eigentliche Prozeßgas. Das Reinigungsgas C1 dient dazu zu verhindern, daß Reaktionsnebenprodukte und Abflüsse auf den optischen Pyrometern, den Kammerseitenwänden und anderen empfindlichen Oberflächen innerhalb der Kammer kondensieren. Falls ein Gasinjektor 138A, 138B oder 139 über einem Bereich angeordnet ist, wo eine Temperaturmessung durch optische Pyrometrie erwünscht ist, kann für diesen Zweck eine Öffnung 910 (siehe 9) durch die Mitte eines Gasinjektors vorgesehen sein.
  • Aus 1 sieht man auch, daß eine Gasabflußöffnung 340 mit einer (nicht gezeigten) herkömmlichen Vakuumpumpe verbunden ist, welche die Steuerung des Druckes in der Kammer erlaubt. Bei einer Ausführungsform können Drücke von siebenhundertsechzig (760) Torr (Atmosphärendruck) nach unten bis zu weniger als ein Zehntel (0,1) eines Torr erreicht werden. Wie weiter unten beschrieben wird, sind kleinere Drücke als einhundert (100) Torr und insbesondere Drücke zwischen zwei (2) Torr und fünfzig (50) Torr bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
  • Eine Pumpspule oder Gasflußregulator 143 kann gemäß Darstellung in den 1 und 10 in die Entleerungsöffnung eingefügt werden. Die Pumpspule ist eine Ablenkplatte bzw. ein Baffle oder Wärmetauscher, der in der Vorvakuumleitung (foreline) der Entleerungspumpe angeordnet ist, deren Zweck es ist, die Vorleitung (jener Abschnitt des Entleerungssystems zwischen der Kammer und der Pumpe) kalt zu halten, so daß zum Beispiel die O-Ringdichtungen des Vakuumsystems nicht beschädigt werden. Die Spule dient auch dazu, im wesentlichen zu verhindern, daß Strahlungswärme aus der Reaktionskammer entweicht. Nach 10 dient die Ablenkplatte 143 auch dazu, die Möglichkeit einer Verunreinigung von Substraten zu reduzieren, insbesondere aus Spurenmetallen in der Dampfphase, die aus den Widerstandsheizgeräten stammt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist durch den Aufbau einer Spule ausgebildet, die einen großen Leitungsweg 1010 hat für das Entleeren des Bereiches der Kammer, welcher die Heizgeräte enthält (Bereich 320 in 10), und einen kleinen Leitungsweg 1020, um andere Bereiche der Prozeßkammer zu entleeren, die nicht die Heizgeräte enthalten, oder den Ausgleich des Kammerraumes, wie zum Beispiel des isolierenden Raumes 134. Eine dreidimensionale Ansicht des Baffle 143 bzw. der Umlenkung ist in 11 gezeigt, wobei besondere Aufmerksamkeit auf den durch den Auslaß 1020 vorgesehenen kleineren Leitungsweg gegeben wird.
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung schließen Verfahren zum Benutzen des thermischen Behandlungssystems ein. Zwei der Parameter, die offensichtlich für diese Verfahren kritisch sind, sind die Temperatur und der Druck, bei welchen die Prozesse ausgeführt werden. Diese Verfahren können auf eine Vielzahl von Schritten angewendet werden, die bei der Herstellung integrierter Schaltungsvorrichtungen beteiligt sind, einschließlich (aber nicht beschränkt auf): Oxidation, Verstickung, Silizierung, Temperungen von BPSG und PSG; Rückflüsse (reflows) und Verdichtung von Gläsern, Implantattemperungen, Kupfertemperungen; und Temperungen von Materialien mit niedrigen und hohen Dielektrizitätskonstanten. Silizilierungsschritte können die Erzeugung einer Metallsiliziumverbindung MSIx einschließen, wo das M, das Metall, Ti, Mo, Ta und Co einschließt.
  • Waferüberführungen erfolgen vorzugsweise bei niedrigen Drücken, wie zum Beispiel 2,0 Torr, so daß Fehler- bzw. Störstellendichten, die sich aus einer Teilchenverunreinigung ergeben, minimiert werden können. Die Teilchenverunreinigung tritt unter anderen Quellen von der Hardware auf, die zum Transport der Wafer in die Prozeßkammer benutzt wird. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung bestimmt der Druck, bei welchem der Prozeß vonstatten geht, ob der Prozeß ein einstufiges oder mehrstufiges Rezept aufweist. Im allgemeinen ist der Prozeß einstufig, wenn der Prozeßdruck im wesentlichen gleich dem Schleusendruck ist. Wenn der Behandlungsdruck nicht gleich dem Schleusendruck ist, dann kann eine mehrstufige Rezeptur notwendig sein. Thermische Prozesse, die bei niedrigen Drücken vonstatten gehen, schließen die Kontakt- und Barrierenmetallsilizidierung ein.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Prozeß einstufig; der Prozeßdruck beträgt etwa 2 bis 3 Torr; und die Behandlungszeit beläuft sich auf etwa 25 Sekunden bis eine Minute. Ein Stickstofffluß von etwa 500 sccm kann in den Reinigungsfluß für die Kammer C1 injiziert werden, und ein Fluß C2 von Behandlungsgas von etwa 1500 sccm (im wesentlichen gleich aufgeteilt zwischen den zwei Behandlungshohlräumen) kann als das Prozeßgas zugeführt werden. Das Behandlungsgas kann ebenso Stickstoff sein. Bei auf Wärmebilanz empfindlichen Anwendungen, wie zum Beispiel das Tempern einer Dotiersubstanz einer ultraflachen Sperrschicht, ist ein höherer Behandlungsdruck wünschenswert, um die Geschwindigkeit des linearen Temperaturanstiegs auf die Behandlungstemperatur zu erhöhen. Ein beispielhafter Dreistufenprozeß ist in 12 gezeigt. Bei diesem Beispiel entspricht der Druck in den Stufen 1 und 3 (von etwa 2,5 Torr) dem Druck in der Schleuse, wenn das Substrat in die Kammer überführt bzw. aus dieser heraus transportiert wird. Schritt 2 ist der Behandlungsschritt. Der beispielhafte Druck in Schritt 2 beträgt in 12 35 sccm, aber Drücke von 10 bis 50 Torr sind auch üblich. In typischer Weise ist die Niederdruckbehandlung für Silizidierungsreaktionen üblich, und Behandlungen bei höherem Druck sind für Dotiersubstanztemperungen für Quellen-/Drainübergänge zweckmäßig (wo Gleichmäßigkeiten wichtig sind). Schleusendrücke können im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 Torr liegen und in jedem dort einbeschriebenen Bereich. Behandlungsdrücke können im Bereich von etwa 10 bis etwa 760 Torr liegen oder in jedem dort einbeschriebenen Bereich.
  • Aus der vorgehenden Beschreibung erkennt der Fachmann leicht die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung. Sinn der Beschreibung ist die Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und nicht die Begrenzung oder Beschränkung auf die Beschreibung, wobei die Erfindung in den nachfolgenden Ansprüchen skizziert ist.

Claims (32)

  1. Thermischer Prozessor für die Behandlung eines Halbleitersubstrates (106), mit: einer Behandlungskammer (100); einer primären Heizung (120A) und einer Umfangsheizung (120B), welche von der primären Heizung im Abstand angeordnet ist, wobei die primäre Heizung und die Umfangsheizung innerhalb der Behandlungskammer angeordnet sind; einem geheizten Block (116), welcher in der Behandlungskammer angeordnet ist und im Abstand von der Umfangsheizung angeordnet ist und Wärme von der primären Heizung und der Umfangsheizung aufnimmt; einer Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D), die in der Behandlungskammer angeordnet sind und im wesentlichen die primäre Heizung, die Umfangsheizung und den geheizten Block einschließen, wobei mindestens ein Abschnitt der Gruppe von isolierenden Wänden die primäre Heizung und die Umfangsheizung gegen das Aussetzen zu dem Halbleitersubstrat isolieren; und wobei das Halbleitersubstrat neben dem erwärmten Block angeordnet ist, um Wärme während der Behandlung von dem erwärmten Block aufzunehmen.
  2. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, ferner mit einem Netzgerät (143), wobei die Impedanz der Umfangsheizung (120B) im wesentlichen zu der primären Heizung (120A) derart paßt, daß ein einziges Netzgerät benutzt werden kann, um die Energie sowohl der primären als auch der Umfangsheizung zuzuführen.
  3. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, wobei die primäre Heizung (120A) und die Umfangsheizung (120B) Widerstandsheizungen sind mit mit Siliziumkarbid beschichtetem Graphit.
  4. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, wobei die primäre Heizung (120A) mindestens einen ersten Bereich (410) und einen zweiten Bereich (420) sowie einen Übergangsbereich (430) zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich hat und wobei der erste Bereich wesentlich dicker ist als der zweite Bereich.
  5. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, wobei die Umfangsheizung (120B) ein Muster in Gestalt eines sich wiederholenden S hat.
  6. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, wobei der erwärmte Block (116) eine thermische Masse hat, die wesentlich größer ist als die des Halbleitersubstrates (106).
  7. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, ferner mit einer Gaseinlaßöffnung (139), die aufgebaut ist, um ein Gas zwischen die isolierenden Wände (130A, 130C, 130D) und die Kammerwände (102) einzuspritzen.
  8. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einem Hebestift (110), der in der Behandlungskammer (100) für das Anheben und Absenken des Halbleitersubstrates (106) relativ zu dem erwärmten Block (116) angeordnet ist.
  9. Thermischer Prozessor nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Hebestift (110) durch eine Hülse (310) hindurchgeht, die in dem erwärmten Block (116) angeordnet ist, um das Freilegen des Halbleitersubstrates (106) gegenüber der primären Heizung (120A) zu verhindern.
  10. Thermisches Behandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Gruppe von isolierenden Wänden aufweist: eine Gruppe von inneren isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D), die in der Behandlungskammer (100) angeordnet sind, wobei die inneren Isolierwände und ein erster Abschnitt des erwärmten Blockes (116) einen Heizungshohlraum (320) für ein wesentliches Isolieren der primären Heizung gegen das Halbleitersubstrat (106) bilden und die inneren Isolierwände und ein zweiter Abschnitt des erwärmten Blockes einen Behandlungshohlraum (116) für die Behandlung des Halbleitersubstrates bilden; und eine Gruppe von äußeren isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G), die in der Behandlungskammer angeordnet sind, wobei die äußeren isolierenden Wände die inneren isolierenden Wände im wesentlichen einschließen, um einen Vakuumbereich zwischen den äußeren isolierenden Wänden und den inneren isolierenden Wänden zu bilden.
  11. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die innere Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D) im wesentlichen nicht übertragungsfähig bzw. nicht strahlungsdurchlässig derart sind, daß die innere Gruppe von isolierenden Wänden im wesentlichen den Wärmetransfer durch Strahlung von dem erwärmten Block (116) und dem Halbleitersubstrat (106) zu der äußeren Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G) verhindert.
  12. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die äußere Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G) im wesentlichen nicht übertragungsfähig derart ist, daß die äußere Gruppe von isolierenden Wänden im wesentlichen den Wärmetransfer durch direkte Strahlung aus der inneren Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D) zu den Kammerwänden (102) verhindert.
  13. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die äußere Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G) ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 3,5 W/cmK aufweist.
  14. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die äußere Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G) undurchsichtiges bzw. opakes Quarz aufweist.
  15. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die innere Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D) mit Siliziumkarbid beschichtetes Graphit aufweist.
  16. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die innere Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D) während der Behandlung eine Durchschnittstemperatur hat, die kleiner ist als die Durchschnittstemperatur des erwärmten Blockes (116).
  17. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die äußere Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G) während der Bearbeitung eine Durchschnittstemperatur hat, die kleiner ist als die Durchschnittstemperatur der inneren Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D).
  18. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die Kammerwand (102) während der Behandlung eine Durchschnittstemperatur hat, die kleiner ist als die Durchschnittstemperatur der äußeren Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G).
  19. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, wobei die innere Gruppe von isolierenden Wänden (130A, 130C, 130D) während der Behandlung eine Durchschnittstemperatur Tiw hat und der Heizungsblock (116) während der Behandlung eine Durchschnittstemperatur Thb hat und wobei der Unterschied zwischen der Durchschnittstemperatur des Heizungsblockes und der inneren isolierenden Wände Thb – Tiw kleiner ist als die halbe Durchschnittstemperatur des Heizungsblockes Thb.
  20. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, ferner mit einer oberen Isolierplatte (130F), die zwischen einem oberen Abschnitt der äußeren Gruppe von isolierenden Wänden (130B, 130E, 130G) und der Kammerwand (102) angeordnet ist, sowie eine untere Isolierplatte (130H) aufweist, die zwischen einem unteren Abschnitt der äußeren Isolierwand und der Kammerwand (102) angeordnet ist.
  21. Thermischer Prozessor nach Anspruch 10, ferner mit einer oder mehreren Stützsäulen (132) zum Haltern der inneren (130A, 130C, 130D) und der äußeren (130B, 130E, 130G) Gruppe von isolierenden Wänden und dem Heizungsblock (116) und für die Beabstandung der inneren und äußeren isolierenden Wände von der Kammerwand (102) und von dem Heizungsblock.
  22. Thermischer Prozessor nach Anspruch 21, wobei die Stützsäulen (132) Öffnungen für einen Temperatursensor (610) enthalten.
  23. Thermischer Prozessor nach Anspruch 22, wobei der Temperatursensor (610) mindestens ein Thermoelement und/oder ein optisches Pyrometer aufweist.
  24. Thermischer Prozessor nach Anspruch 21, wobei eine oder mehrere Stützsäulen (132) einen ersten Abschnitt (720) hat/haben, welcher den erwärmten Block (116) haltert, sowie einen zweiten Abschnitt (710), welcher eine isolierende Wand haltert.
  25. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, ferner mit einem oder mehreren Gasinjektoren (138A, 138B), welche Öffnungen (910) für einen Temperatursensor enthalten.
  26. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, wobei die isolierende Wand (130A, 130C, 130D) und ein erster Abschnitt des Heizungsblockes (116) einen Heizungshohlraum (320) bilden für die wesentliche Isolation der Heizung gegen das Halbleitersubstrat und wobei die isolierende Wand und ein zweiter Abschnitt des Heizungsblockes einen Behandlungshohlraum (128) für die Behandlung des Halbleitersubstrates (106) bilden.
  27. Thermischer Prozessor nach Anspruch 26, ferner mit: einer Gaszufuhr (138, 139) und einer Abgaspumpe; einer Gasflußsteuerung (143) zwischen dem Heizungshohlraum (320) und der Abgaspumpe; und wobei die Gasflußsteuerung einen ersten Abgasweg (1010) und einen zweiten Abgasweg (1020) bildet, wobei der erste Abgasweg primär Gas aus dem Heizungshohlraum ausleert und der zweite Abgasweg primär Gas von außerhalb des Heizungshohlraumes ausleert.
  28. Thermischer Prozessor nach Anspruch 27, wobei die Gasflußsteuerung (143) ein im wesentlichen zylindrisches Teil aufweist mit einem ersten Kanal, der längs einer Achse im wesentlichen parallel zur Achse des zylindrischen Teiles für das Ausleeren der Gase über den ersten Weg (1010) und einen zweiten Kanal hat, der längs einer Achse im wesentlichen schräg zu der Achse des zylindrischen Teils für das Auslesen von Gasen über den zweiten Weg (1020) gebildet ist.
  29. Thermischer Prozessor nach Anspruch 27, wobei die Gasflußsteuerung (143) die Temperatur der Abgase reduziert.
  30. Thermischer Prozessor nach Anspruch 27, wobei die Gasflußsteuerung (143) das Wärmeverlustpotential aus der Behandlungskammer (116) reduziert.
  31. Thermischer Prozessor nach Anspruch 1, ferner mit: einem Thermoelement (610), dessen Spitze in dem erwärmten Block (116) eingebettet ist; und einem optischen Pyrometer (630), welches auch in dem erwärmten Block eingebettet ist und so positioniert ist, daß es der Spitze des Thermoelementes gegenüberliegt.
  32. Thermischer Prozessor nach Anspruch 31, wobei das Thermoelement (610) benutzt wird, um das optische Pyrometer (630) zu kalibrieren.
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