EP2198668A1 - Vorrichtung für eine bestrahlungseinheit - Google Patents

Vorrichtung für eine bestrahlungseinheit

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Publication number
EP2198668A1
EP2198668A1 EP08802533A EP08802533A EP2198668A1 EP 2198668 A1 EP2198668 A1 EP 2198668A1 EP 08802533 A EP08802533 A EP 08802533A EP 08802533 A EP08802533 A EP 08802533A EP 2198668 A1 EP2198668 A1 EP 2198668A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reflector
substrate
chamber
radiator
infrared
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP08802533A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Linow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
Heraeus Noblelight GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Noblelight GmbH filed Critical Heraeus Noblelight GmbH
Publication of EP2198668A1 publication Critical patent/EP2198668A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0038—Heating devices using lamps for industrial applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/48—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation
    • C23C16/481—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating by irradiation, e.g. photolysis, radiolysis, particle radiation by radiant heating of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Definitions

  • the invention relates to a device for the irradiation of at least one substrate, wherein the device has an irradiation device with at least one infrared radiator.
  • a variety of processes requires vacuum for optimal conditions. For this purpose, a substrate must first be introduced into the vacuum. Often a preparatory step is then inserted before the substrate is subsequently vacuum treated.
  • Typical processes are the application of coatings to various materials by means of a wide variety of processes.
  • the substrates used here are metal parts or even endless metal strips, glass panes, semiconductor substrates, etc.
  • Typical coating processes are chemical vapor deposition (CVD) plasma etching, sputtering via plasma coating methods, etc.
  • the substrate must be specially conditioned during or after the introduction into the vacuum apparatus.
  • This conditioning includes, among other things, a heating up.
  • the heating takes place, for example, to avoid the harmful for the process or the vacuum occupancy of the surface with water molecules.
  • the substrate is typically heated to temperatures between 140 0 C and 300 0 C, so that the water molecules can pass into the gas phase.
  • the achievement of a specific substrate temperature is also a prerequisite for the optimal course of the process and must be set via the conditioning.
  • Heating processes can also be used after a vacuum process.
  • heating elements which have a stainless steel tube, which is electrically heated from the inside and can reach temperatures of about 600 0 C.
  • Such metal heating elements have sufficient chemical resistance in vacuum, are inexpensive, have excellent properties for vacuum processes, but are extremely thermally inert and can not deliver high power due to the low maximum surface temperature. If oxygen is present in the vicinity of these bar heating elements at any time in the process, they start up and change their radiation behavior.
  • infrared radiator consisting of a vacuum sealed quartz tube and heating conductors therein.
  • the heating conductors are usually made of tungsten or carbon.
  • Such infrared radiators are usually very fast in their thermal reaction, that is, the power is available quickly and can be controlled quickly, and achieve considerable radiation performance.
  • To achieve these high radiant powers of each individual radiator quite high voltages are required for vacuum applications.
  • Both rod heaters, as well as infrared heaters radiate once Their performance evenly in all directions and thus achieve only an unsatisfactory process efficiency.
  • the external reflectors are usually polished sheets made of stainless steel, molybdenum or aluminum. With such external reflectors, some of the power of the radiators can be directed back to the substrate, thus increasing the efficiency. These sheets absorb some of the incident radiation and thus store large amounts of heat. Further, they often start due to residual amounts of oxygen or process gases (e.g., selenium), resulting in a great reduction of reflectivity and a strong further heating of the sheets. The consequence is also an increasing thermal inertia of the radiation source and thus of the plant, as well as a reduced efficiency.
  • Reflectors made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) powder sintered onto the emitter tube are described in the prior art. These reflectors are applied directly to the radiator tube and can not oxidize. Such reflectors made of aluminum or zirconium oxide tend to break off and are thus a source of impurities. Because they are open-pore, they can bind large amounts of gases during cyclic operation and release them again during heating. Process gases, such as selenium, readily settle in the open pores and then destroy the reflection effect of the material. Their reflection effect is limited to typical values of 30%. They are therefore not necessarily used for the described applications.
  • IR emitters with reflectors made of gold are known, but can not be used because the gold reflector decomposes in a vacuum due to the low ambient pressure and the high temperature of the quartz tube of the radiator that can not be cooled by an air flow here, in no time.
  • EP 1 228 668 A1 describes IR radiators which are introduced into additional cladding tubes of quartz glass, these cladding tubes being sealed in a vacuum-tight manner with respect to the recipient. This makes it possible for each of the individual radiators to be operated at high voltages. In principle, with sufficient cooling, a highly efficient gold reflector can also be applied to the individual radiator.
  • EP 1 071 310 A1 describes a device for the homogeneous heating of silicon wafers in a vacuum.
  • a plurality of round infrared radiators is arranged in front of an external reflector and cooled by directed air flow.
  • the radiator and the air cooling are separated by a window relative to the actual process chamber with its substrate.
  • a chamber in which the substrate is arranged together with the infrared radiator between two reflectors.
  • the reflectors consist of thin sheet metal, preferably of aluminum.
  • the cooling of the reflector is achieved in that this is blackened backwards, so that radiation can be done by a heat transfer from the reflector to the cooled wall.
  • Additional control of the temperature of the substrate is achieved by adding a heat-conducting gas, so that in addition to the heat transfer by radiation, heat transfer via heat conduction and free convection, the heat from the substrate reflector and radiator can be dissipated to the cooled chamber wall.
  • the above devices all have the disadvantage that they have a large thermal inertia and thus are not necessarily suitable for the rapid heating and holding a sample at a defined temperature.
  • the object of the invention is therefore to provide a device which avoids the disadvantages mentioned above and allows rapid heating and a subsequent long holding of the substrate at a defined temperature.
  • the device according to the invention with a chamber for the irradiation of at least one substrate comprises at least one lock for introducing and removing the substrate, a substrate holder within the chamber, a vacuum pump and at least one irradiation unit for irradiating the substrate, wherein the irradiation unit has at least one infrared radiator with an integrated reflector ,
  • Such a device enables the chamber to be made substantially smaller than the hitherto known chambers, since the infrared radiator is already provided with an integrated reflector, and thus can be dispensed with an external reflector and counter reflector, which usually take up a lot of space.
  • each chamber which is suitable for receiving and thermally treating a substrate can serve as a chamber.
  • the reflector consists of a material which, at least in the dense state, is broadband-band transparent, in particular for radiation in the near and middle infrared, but is formed as an opaque material.
  • This reflector has particularly high reflectivity and has very good properties in terms of mechanical stability and vacuum compatibility.
  • the reflector has a closed-pored structure. It is advantageous if a coating is applied to the back of the infrared radiator and the coating has a high absorption in the far infrared range. It has been shown that a coating comprising quartz glass is particularly suitable for this purpose.
  • This material has a very high temperature resistance.
  • a device according to the invention results in that, for example, the cooled vacuum chamber is designed as the only additional reflector of the device.
  • the reflector described above is thus optimally suited for use in a vacuum chamber, since it is highly efficient and suitable for vacuum. It also has a minimal tendency to emit gases, as it can absorb almost none.
  • the radiator is removable from the chamber.
  • Figure 1 shows the axial radiation behavior of a typical IR radiator with AI2O3 coating.
  • Figure 2 shows the axial radiation behavior of typical short-wave IR emitters for different types of reflectors.
  • FIG. 3 shows the axial radiation behavior of typical carbon IR radiators for different reflector types.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a further development of the device according to the invention
  • thermopile sensor broadband the entire incoming radiation power. This sensor is guided in a circle around the radiator axis and thus a measured value is recorded every 5 °. The measurements are carried out in air. From these measurements, a reflectivity R of the reflector can also be calculated during operation, which is defined as
  • D _ 1 _ * _ reflector is total groove ⁇ l e n total total total Re flektnr Nulzseite
  • n total the number of total measurements
  • n Ref the number of measurements on the reflector side.
  • iN ⁇ t z ⁇ eite is the summed intensity and n Nutzse ⁇ te the number of measuring points on the useful side.
  • FIG. 1 shows the measurement result for a commercial halogen round tube emitter with 180 ° coating of the tube with sprayed-on Al 2 O 3 powder as IR reflector.
  • the reflectivity for this data is 32% and is even lower in vacuum, where the AI 2 O 3 is hotter due to lack of convective cooling.
  • the coating is arranged in the picture above.
  • FIG. 2 a number of reflector types are compared for mechanically more stable twin-tube radiators, with tungsten always being used as the heating filament.
  • Line 21 -> a twin tube without reflector
  • Line 22 -> a stainless steel reflector
  • Line 23 -> an aluminum reflector
  • Line 24 -> a reflector according to the invention on a twin pipe line 23: -> a reflector according to the invention on a twin pipe and in front of an aluminum reflector.
  • Twin pipe refers to an IR lamp without reflector.
  • Such a spotlight was then measured before a new high-gloss stainless steel reflector and new high-gloss aluminum reflector, in which case only over 180 ° in front of the reflector could be measured.
  • an irradiation unit with a spotlight and a reflector over 360 °, as well as an irradiation unit with a spotlight and a reflector in front of a new high-gloss aluminum reflector were measured. All reflector layers are mounted in the picture above between 3 o'clock and 9 o'clock.
  • the reflectivities are 50% for the pure stainless steel 22, 61% for aluminum 23, 74% for the reflector of the irradiation unit according to the invention 24 and 87% for the reflector and aluminum irradiation unit according to the invention 25. It was in the 180 ° measurements respectively l used together from the measurement without reflector. The reflectivities of the metallic reflectors are smaller than the theoretical values, since a considerable portion of the radiation is reflected back onto the radiator.
  • FIG. 3 a number of reflector types are compared for mechanically more stable twin tube radiators, carbon being used as heating filament.
  • the lines reflect the measurement result for different reflector types:
  • Line 33 -> a reflector and aluminum reflector according to the invention.
  • Twin pipe refers to an IR lamp without reflector. Such a spotlight was then measured before a new high-gloss (stainless steel) reflector and new high-gloss (aluminum) reflector, in which case only over 180 ° in front of the reflector could be measured. Furthermore, an irradiation unit with a spotlight and with a reflector over 360 °, as well as an irradiation unit with a spotlight and with a reflector in front of a new high-gloss (aluminum) reflector was measured. All reflector layers are mounted in the picture above between 3 o'clock and 9 o'clock.
  • the reflectivities are 61% for pure stainless steel 32, 63% for aluminum 33, 64% for the reflector of the irradiation unit 34 according to the invention and 91% for the reflector and aluminum of the irradiation unit 35 according to the invention. In the case of the 180 ° measurements, the total length of the measurement without reflector was used. The reflectivities of the metallic reflectors are smaller than the theoretical values, since a considerable portion of the radiation is reflected back onto the radiator.
  • the irradiation unit with a radiator and with a reflector as described in the invention are even more effective, since they not only have a much higher efficiency, such as new external reflectors, but even limit the radiation primarily on the process-relevant angle range.
  • FIG. 4 shows a device according to the invention in cross section.
  • a substrate 2 is conveyed forward by means of suitable devices 3 on rollers perpendicular to the image plane.
  • the loading sluice, as well as other process chambers are not shown.
  • the gas pressure within the chamber 1 is controlled by means of suitable pumps 4 with closed lock to the atmosphere.
  • the irradiation unit with a radiator 5 with a reflector layer 6 are arranged above the substrate 2.
  • cooling channels 7 are introduced, which allow to keep the chamber wall at a constant temperature.
  • the interior walls of the chamber are made of bare, preferably polished metal (aluminum or stainless steel). For this purpose, the finished chamber 1 is finally processed from the inside.
  • the thus equipped chamber 1 is extremely easy to manufacture and very accessible, since only vinous components are arranged in their interior. At the same time it has a very high efficiency in the heating, since almost no radiation primarily reaches and heats the chamber wall or other built-in components.
  • the chamber wall retains its relatively high reflectivity (> 65%, depending on the material and the radiator), as it is cooled and can not start.
  • the radiator 5 itself almost no masses are present in the chamber 1, which must be heated or cooled, the entire apparatus is thermally very nimble.
  • the emitters consist almost exclusively of quartz glass, that has a mass of 2.2 g / cm 3 , or the reflector according to the invention, which has a density of approximately 1.75 g / cm 3 .
  • FIG. 5 shows a device according to the invention in which the radiation cooling between the radiator 5 and the chamber 1 as well as the substrate 2 has been optimized.
  • the two large surfaces 9 have been additionally coated with a transparent or translucent layer 8, which shows similar absorption properties, such as quartz glass.
  • the useful radiation is reflected in the range between 400 nm and 4000 nm substantially back into the chamber 1, since the layer 8 transmits the radiation to the metallically reflecting chamber wall, at the same time, however, the radiation occurring at higher wavelengths effectively from the chamber through the layer 8 absorbed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Kammer (1) für die Bestrahlung zumindest eines Substrates (2) umfassend eine Schleuse zur Einführung und Entnahme des Substrates (2), einen Substrathalter innerhalb der Kammer, eine Vakuumpumpe (4) und zumindest eine Bestrahlungseinheit (5) zur Bestrahlung des Substrates (2), wobei die Bestrahlungseinheit (5) zumindest einen Infrarotstrahler mit einem integrierten Reflektor umfasst.

Description

Vorrichtung für eine Bestrahlungseinheit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bestrahlung zumindest eines Substrates, wobei die Vorrichtung eine Bestrahlungseinrichtung mit zumindest einem Infrarotstrahler aufweist.
Eine Vielzahl von Prozessen benötigt Vakuum für optimale Bedingungen. Hierzu muss ein Substrat zuerst in das Vakuum eingeschleust werden. Häufig wird dann ein vorbereitender Schritt eingefügt, bevor dass Substrat anschließend im Vakuum behandelt wird. Typische Prozesse sind das Aufbringen von Beschichtungen auf unterschiedlichste Materialien mittels unterschiedlichster Prozesse. Als Substrate dienen hierbei Metallteile oder auch endlose Metallbänder, Glasscheiben, Halbleitersubstrate, etc. Typische Beschichtungsvorgänge sind Chemical Vapour Deposition (CVD) Plasmaätzen, Aufsputtern über Plasmabeschichtungsverfahren etc.
Sehr häufig muss hierzu das Substrat während oder nach dem Einschleusen in die Vakuumapparatur speziell konditioniert werden. Diese Konditionierung umfasst unter anderem ein Aufheizen. Das Aufheizen erfolgt z.B. um die für den Prozess oder das Vakuum schädliche Belegung der Oberfläche mit Wassermolekülen zu vermeiden. Dazu wird das Substrat typisch auf Temperaturen zwischen 140 0C und 300 0C aufgewärmt, so dass die Wassermoleküle in die Gasphase übertreten können. Für eine Reihe von Beschichtungsverfahren ist auch das Erreichen einer bestimmten Substrattemperatur selbst für den optimalen Ablauf des Prozesses Voraussetzung und muss über die Konditionierung eingestellt werden.
Heizprozesse können auch im Nachgang nach einem Vakuumprozess eingesetzt werden.
Allen diesen Anwendungen gleich ist, dass in einer zumindest zeitlich oder räumlich partiellen Vakuumumgebung eine effektive Aufheizung eines Substrates erfolgen soll, dass die Effizienz der Aufheizung durch die verwendeten Infrarotstrahlern möglichst hoch sein soll, und dass die Reflektivitäten der beteiligten Materialien und Oberflächen der Kammer und der Infrarotstrahlern entscheidend zu der Effizienz und zu den Kosten der Anlage selber beitragen.
Meist sind diese Prozesse Batchprozesse, da Material über Schleusen in den Prozessraum eingebracht werden muss, um dort die Umgebungsbedingungen konstant zu halten. Eine Zusätzliche Schwierigkeit solcher Batchprozesse ist, dass alle Substrate die Heizphase mit der gleichen Temperatur und Konditionierung verlassen müssen. Meist sind die Prozessfenster solcher Anlagen eng gesteckt, so dass bereits geringe Abweichungen dazu führen, dass ein Substrat Ausschuss geworden ist. Trotzdem muss es bei üblichen Anlagen dann noch den Prozessbereich durchlaufen, um ausgeschleust zu werden, so dass erhebliche Kosten entstehen. Ein Heizbereich in einem Vakuumprozess muss also zum einen sehr hohe Aufheizraten aufweisen, um schnelle Durchlaufzeiten zu erreichen, er muss jedoch zugleich sehr schnell reagieren können, um flexibel auf sich ändernde Heizzeiten reagieren zu können. Insbesondere ist ein Überheizen zu vermeiden, wie es z.B. aufgrund von hoher thermischer Masse, bzw. Trägheit entsteht.
Es sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt, um Substrate einer Bestrahlung und thermischen Behandlung zu unterziehen. Nur die Erwärmung mittels Strahlung kann im Vakuum und bei empfindlichen Oberflächen erfolgreich eingesetzt werden.
So gibt es beispielsweise Heiz-Elemente, welche ein Edelstahlrohr aufweisen, das von innen elektrisch beheizt ist und so Temperaturen von ca. 600 0C erreichen kann. Derartige Metallheizelemente weisen im Vakuum eine genügende chemische Beständigkeit auf, sind kostengünstig, verfügen über hervorragende Eigenschaften für Vakuumprozesse, sind jedoch thermisch extremst träge und können aufgrund der geringen maximalen Obeflächentemperatur keine hohe Leistung abgeben. Liegt zu irgendeiner Zeit im Prozess Sauerstoff im Umfeld dieser Stabheizelemente vor, so laufen diese an und verändern ihr Strahlungsverhalten.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Infrarotstrahler, bestehend aus einem vakuumdicht verschlossenen Quarzrohr und darin befindlichen Heizleitern, bekannt. Die Heizleiter bestehen üblicherweise aus Wolfram oder Kohlenstoff. Solche Infrarotstrahler sind meist sehr flink in ihrer thermischen Reaktion, das heißt die Leistung steht schnell zur Verfügung und kann schnell geregelt werden, und erreichen beachtliche Strahlungsleistungen. Zum Erreichen dieser hohen Strahlungsleistungen jedes einzelnen Strahlers sind für Vakuumanwendungen recht hohe Spannungen vonnöten. Sowohl Stabheizelemente, als auch Infrarotstrahler strahlen erst einmal ihre Leistung gleichmäßig in alle Raumrichtungen ab und erreichen dadurch nur eine unbefriedigende Prozesseffizienz.
Ferner sind aus dem Stand der Technik solche Infrarotstrahler in Kombination mit externen Reflektoren bekannt. Als externe Reflektoren dienen dabei meist polierte Bleche aus Edelstahl, aus Molybdän oder Aluminium. Mit solchen externen Reflektoren kann ein gewisser Teil der Leistung der Strahler zurück auf das Substrat gelenkt werden, so dass es zu einer Erhöhung der Effizienz kommt. Diese Bleche absorbieren einen Teil der auftreffenden Strahlung und speichern so große Mengen an Wärme. Weiter laufen sie aufgrund von Restmengen an Sauerstoff oder Prozessgasen (z.B. Selen) oftmals an, was zur starken Reduzierung der Reflektivität und zu einem starken weiteren Aufheizen der Bleche führt. Die Folge ist ebenfalls eine zunehmende thermische Trägheit der Strahlenquelle und damit der Anlage, sowie eine reduzierte Effizienz.
Im Stand der Technik sind unter anderem Reflektoren aus auf das Strahlerrohr aufgesintertem Pulver aus Aluminiumoxid (AI2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) beschrieben. Diese Reflektoren werden direkt auf das Strahlerrohr aufgebracht und können nicht oxydieren. Derartige Reflektoren aus Aluminium- oder Zirkonoxid neigen zum Abbröseln und sind damit eine Quelle von Unreinheiten. Da sie offenporig sind, können sie beim zyklischen Betrieb große Mengen an Gasen binden und beim Aufheizen wieder freisetzen. In den offenen Poren setzen sich gerne Prozessgase wie beispielsweise Selen ab und zerstören dann die Reflektionswirkung des Materials. Ihre Reflektionswirkung ist mit typischen Werten von 30 % begrenzt. Sie sind somit nicht unbedingt für die beschriebenen Anwendungen einsetzbar.
IR-Strahler mit Reflektoren aus Gold sind bekannt, können jedoch nicht eingesetzt werden, da der Goldreflektor sich im Vakuum aufgrund des niedrigen Umgebungsdruckes und der hohen Temperatur des Quarzrohres des Strahlers, dass hier nicht über eine Luftströmung gekühlt werden kann, innerhalb kürzester Zeit zersetzt.
Insbesondere im Druckbereich um 1 mbar, einem Übergangsbereich, der in jeder Vakuum- Schleuse zu einem Zeitpunkt oder an einem Ort erreicht wird, kommt es zu Spannungsüberschlägen und zerstörerischen Gasentladungen, wenn Spannungen von ca. über 100 V bei üblichen Geometrien überschritten werden. Dies begrenzt die Leistung oder die maximale Länge des Heizfilamentes von IR Strahlern. Die EP 1 228 668 A1 beschreibt IR-Strahler, welche in zusätzliche Hüllrohre aus Quarzglas eingebracht werden, wobei diese Hüllrohre gegenüber den Rezipienten vakuumdicht abgedichtet sind. Dadurch wird ermöglicht, dass jeder der einzelnen Strahler bei hohen Spannungen betrieben werden kann. Prinzipiell kann bei ausreichender Kühlung auch auf dem einzelnen Strahler ein hocheffizienter Gold-Reflektor aufgebracht werden. Nachteil dieser Vorrichtung ist jedoch, dass sich eine Kühlung der einzelnen Strahler oder des Rohres als schwierig erweist, da sich in Richtung des durchströmenden Kühlfluides (Luft) immer ein Temperaturgradient im Strahler oder im Hüllrohr einstellt. Dadurch bilden sich Temperaturgradienten im Substrat aus, welche nicht erwünscht sind und sich negativ auswirken, oder gar zum Ausschuss führen.
Der Einsatz IR transparenter Kühlfluide für eine solche Geometrie und Strahleranordnung ist in der DE 10 2004 002 357 beschrieben. Nachteilig ist der hohe technische Aufwand für die Verwirklichung eines zusätzlichen gasdichten, bei niedrigem Druck zu betreibenden Kühlkreislauf.
In der EP 1 071 310 A1 ist eine Vorrichtung zum homogenen Aufheizen von Siliziumwavern im Vakuum beschrieben. Hierbei wird eine Vielzahl von runden Infrarotstrahlern vor einem externen Reflektor angeordnet und mittels gerichteter Luftströmung gekühlt. Dabei sind die Strahler und die Luftkühlung mittels eines Fensters gegenüber der eigentlichen Prozesskammer mit ihrem Substrat abgetrennt.
In der EP 1 089 949 B1 wird eine Kammer beschrieben, bei der das Substrat zusammen mit dem Infrarotstrahler zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist. Die Reflektoren bestehen dabei aus dünnem Blech, bevorzugt aus Aluminium. Die Kühlung des Reflektors wird dadurch erreicht, dass dieser rückwärtig geschwärzt ist, so dass über Strahlung ein Wärmetransport vom Reflektor zur gekühlten Wand erfolgen kann. Eine zusätzliche Steuerung der Temperatur des Substrates erfolgt durch das Zugeben eines wärmeleitenden Gases, so dass zusätzlich zum Wärmetransport durch Strahlung ein Wärmetransport über Wärmeleitung und freie Konvektion, die Wärme von Substratreflektor und Strahler an die gekühlte Kammerwand abgeführt werden kann.
Die oben genannten Vorrichtungen haben alle den Nachteil, dass sie eine große thermische Trägheit aufweisen und somit nicht unbedingt für das schnelle Aufheizen und Halten einer Probe bei definierter Temperatur geeignet sind. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet und ein schnelles Aufheizen sowie ein anschließendes langes Halten des Substrates bei einer definierten Temperatur ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Kammer für die Bestrahlung zumindest eines Substrates umfasst zumindest eine Schleuse zur Einführung und Entnahme des Substrates, einen Substrathalter innerhalb der Kammer, eine Vakuumpumpe und zumindest eine Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Substrates wobei die Bestrahlungseinheit zumindest einen Infrarotstrahler mit einem integrierten Reflektor aufweist.
Eine derartige Vorrichtung ermöglicht, dass die Kammer gegenüber den bisher bekannten Kammern wesentlich kleiner ausgebildet werden kann, da der Infrarotstrahler bereits mit einem integrierten Reflektor versehen ist, und somit auf einen externen Reflektor und Gegenreflektor, welche meist viel Platz benötigen, verzichtet werden kann.
Es hat sich ferner gezeigt, dass der Einsatz eines derartigen Strahlers in einer solchen Kammer dazu führt, dass die Kammer hinsichtlich ihrer thermischen Reaktionsgeschwindigkeit besser ausgebildet werden kann und somit bessere Ergebnisse beim Bestrahlen des Substrates erreicht werden. Auch ist mit einem derartigen Strahler ein Heizen und Kühlen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht und gleichzeitig wird die thermische Trägheit minimiert.
Als Kammer kann hierbei jede Kammer dienen, die für die Aufnahme und thermische Behandlung eines Substrates geeignet ist, wie beispielsweise in der EP 1089 949 B1 beschrieben.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Reflektor aus einem Material besteht, dass zumindest im dichten Zustand für insbesondere Strahlung im nahen und mittleren Infrarot breit- bandig transparent ist, jedoch als opakes Material ausgebildet ist. Dieser Reflektor weist besonders hohe Reflektivität auf und verfügt über sehr gute Eigenschaften im Hinblick auf mechanische Stabilität und Vakuumtauglichkeit.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Reflektor eine geschlossenporige Struktur aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn auf der Rückseite des Infrarotstrahlers eine Beschichtung aufgebracht ist und die Beschichtung dabei eine hohe Absorption im fernen Infrarotbereich aufweist. Es hat sich gezeigt, dass hierzu eine Beschichtung, die Quarzglas umfasst, sich besonders dafür eignet.
Dieses Material weist eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung führt dazu, dass beispielsweise die gekühlte Vakuumkammer als einziger zusätzlicher Reflektor der Vorrichtung ausgebildet ist.
Dies trägt wiederum zu Materialeinsparungen und somit zu einer Kostenreduzierung bei.
Der oben beschriebene Reflektor ist somit optimal für die Anwendung in einer Vakuumkammer geeignet, da er hocheffizient und vakuumtauglich ist. Er weist ferner eine minimale Neigung zur Abgabe von Gasen auf, da er nahezu keine aufnehmen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat sich ferner gezeigt, dass Anlaufen und/oder Oxida- tion einer solchen Kammer vermieden werden kann, da keinerlei Komponenten vorliegen, die bei einer Temperatur vorliegen, bei der sie Anlaufen oder oxidieren können.
Vorteilhaft ist es, wenn der Strahler aus der Kammer entnehmbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme der beigefügten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt in schematischer Darstellung:
Figur 1 das axiale Abstrahlverhalten eines typischen IR Strahlers mit AI2O3 Beschichtung.
Figur 2 das axiale Abstrahlverhalten von typischen kurzwelligen IR Strahlern für verschiedene Reflektortypen.
Figur 3 das axiale Abstrahlverhalten von typischen Carbon IR Strahlern für verschiedene Re- flektortypen. Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Figur 5 zeigt eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Um das Abstrahlverhalten von Reflektortypen bewerten zu können, wurde eine Vorrichtung genutzt, die mittels eines Thermopile-Sensors breitbandig die gesamte eintreffende Strahlungsleistung detektiert. Dieser Sensor wird in einem Kreis um die Strahlerachse herum geführt und so alle 5° ein Messwert aufgenommen. Die Messungen werden an Luft durchgeführt. Aus diesen Messungen kann zudem eine Reflektivität R des Reflektors im Betrieb berechnet werden, die definiert ist, als
D _ 1 _ Reflektor gesamt _ * Nut∑seile n gesamt gesamt Re flektnr gesamt Nulzseite
wobei /gesam, die gesamte abgegebene Intensität ist und /«efle/ctor die von der Reflektorseite abgegebene Intensität, summiert über die jeweiligen Messungen; ngesam, ist die Anzahl der gesamten Messungen und nRef,eMor die Anzahl der Messungen auf der Reflektorseite. iNυtz∑eite ist die summierte Intensität und nNutzseιte die Zahl der Messstellen auf der Nutzseite.
In der Figur 1 ist das Messergebnis für einen handelsüblichen Halogen Rundrohrstrahler mit 180° Beschichtung des Rohres mit aufgesprühtem AI2O3 Pulver als IR Reflektor dargestellt. Die Reflektivität beträgt für diese Daten 32 % und ist im Vakuum, wo das AI2O3 aufgrund fehlender konvektiver Kühlung heisser ist, noch geringer. Die Beschichtung ist im Bild oben angeordnet.
In der Figur 2 sind für mechanisch stabilere Zwillingsrohrstrahler eine Reihe von Reflektortypen verglichen, wobei immer Wolfram als Heizfilament verwendet wurde.
Dabei geben die Linien jeweils das Messergebnis für unterschiedliche Reflektortypen wieder: Linie 21 : -> ein Zwillingsrohr ohne Reflektor Linie 22: -> ein Edelstahl-Reflektor Linie 23: -> ein Aluminium-Reflektor
Linie 24: -> einen erfindungsgemäßen Reflektor auf einem Zwillingsrohr Linie 23: -> einen erfindungsgemäßen Reflektor auf einem Zwillingsrohr und vor einem Aluminium-Reflektor. Zwillingsrohr bezeichnet einen IR Strahler ohne Reflektor. Ein solcher Strahler wurde sodann vor einem neuwertigen Hochglanz Edelstahl Reflektor und neuwertigen Hochglanz Aluminium Reflektor vermessen, wobei dann nur jeweils über 180° vor dem Reflektor gemessen werden konnte. Weiter wurde eine Bestrahlungseinheit mit einem Strahler und mit einem Reflektor über 360°, sowie eine Bestrahlungseinheit mit einem Strahler und mit einem Reflektor vor einem neuwertigen Hochglanz Aluminium Reflektor vermessen. Alle Reflektorschichten sind im Bild oben angebracht zwischen 3 Uhr und 9 Uhr.
Als Reflektivitäten ergeben sich 50 % für den reinen Edelstahl 22, 61 % für Aluminium 23, 74 % für für den Reflektor der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit 24 und 87 % für den Reflektor und Aluminium der erfindungsgemäßen Bestrahlungeeinheit 25. Es wurde bei den 180° Messungen jeweils die lgeSamt aus der Messung ohne Reflektor verwendet. Die Reflektivitäten der metallischen Reflektoren fallen geringer als die theoretischen Werte aus, da ein erheblicher Anteil der Strahlung zurück auf den Strahler reflektiert wird.
In der Figur 3 sind für mechanisch stabilere Zwillingsrohrstrahler eine Reihe von Reflektortypen verglichen, wobei Carbon als Heizfilament verwendet wurde.
Dabei geben die Linien jeweils das Messergebnis für unterschiedliche Reflektortypen wieder:
Linie 31 : -> ein Zwillingsrohr ohne Reflektor
Linie 32: -> ein Edelstahl-Reflektor
Linie 33: -> ein Aluminium-Reflektor
Linie 34: -> einen erfindungsgemäßen Reflektor auf einem Zwillingsrohr
Linie 33: ->einen erfindungsgemäßen Reflektor und Aluminium-Reflektor.
Zwillingsrohr bezeichnet einen IR Strahler ohne Reflektor. Ein solcher Strahler wurde sodann vor einem neuwertigen Hochglanz (Edelstahl) Reflektor und neuwertigen Hochglanz (Aluminium) Reflektor vermessen, wobei dann nur jeweils über 180° vor dem Reflektor gemessen werden konnte. Weiter wurde eine Bestrahlungseinheit mit einem Strahler und mit einem Reflektor über 360°, sowie eine Bestrahlungseinheit mit einem Strahler und mit einem Reflektor vor einem neuwertigen Hochglanz (Aluminium) Reflektor vermessen. Alle Reflektorschichten sind im Bild oben angebracht zwischen 3 Uhr und 9 Uhr.
Als Reflektivitäten ergeben sich 61 % für den reinen Edelstahl 32, 63 % für Aluminium 33, 64 % für den Reflektor der erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit 34 und 91 % für den Reflektor und Aluminium der erfindungsgemäßen Bestrahlungeeinheit 35. Es wurde bei den 180° Messungen jeweils die lgeSamt aus der Messung ohne Reflektor verwendet. Die Reflektivitäten der metallischen Reflektoren fallen geringer als die theoretischen Werte aus, da ein erheblicher Anteil der Strahlung zurück auf den Strahler reflektiert wird.
Da die meisten Substrate eine Winkelabhängigkeit der Reflektivität aufweisen und diese für flache Winkel zunimmt, so stehen für eine effektive Aufheizung nur die in einem Winkelbereich von ca. 45° um die Normale zum Substrat eintreffenden Beiträge zur Verfügung. Aus diesem Grunde sind die Bestrahlungseinheit mit einem Strahler und mit einem Reflektor wie in der Erfindung beschrieben noch effektiver, da sie nicht nur eine deutlich höhere Effektivität aufweisen, wie neuwertige externe Reflektoren, sondern sogar noch die Strahlung vorrangig auf den prozessrelevanten Winkelbereich beschränken.
Anwendungsbeispiel 1
In der Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt dargestellt. In einer Vakuumkammer 1 wird ein Substrat 2 mittels geeigneter Vorrichtungen 3 auf Rollen senkrecht zur Bildebene vorwärtstransportiert. Die Beladeschleuse, wie auch weitere Prozesskammern sind nicht abgebildet. Der Gasdruck innerhalb der Kammer 1 wird mittels geeigneter Pumpen 4 bei geschlossener Schleuse zur Atmosphäre geregelt. Die Bestrahlungseinheit mit einem Strahler 5 mit einer Reflektorschicht 6 sind oberhalb des Substrates 2 angeordnet. In der gesamten Wand der Kammer sind Kühlkanäle 7 eingebracht, die es erlauben, die Kammerwand auf einer konstanten Temperatur zu halten. Die Kammerinnenwände sind aus blankem, bevorzugt poliertem Metall (Aluminium oder Edelstahl) ausgeführt. Hierzu wird die fertige Kammer 1 abschließend von innen bearbeitet. Die so ausgestattete Kammer 1 ist extrem einfach in der Herstellung und sehr zugänglich, da nur weinige Komponenten in ihrem Inneren angeordnet sind. Zugleich weist sie eine sehr hohe Effizienz in der Aufheizung auf, da fast keine Strahlung primär die Kammerwand oder andere Einbauteile erreicht und erwärmt. Die Kammerwand behält ihre relativ hohe Reflektivität (je nach Material und Strahler >65 %), da sie gekühlt ist und so nicht anlaufen kann. Da außer dem Strahler 5 selber nahezu keine Massen in der Kammer 1 vorhanden sind, die aufgeheizt, oder abgekühlt werden müssen, ist die gesamte Apparatur thermisch sehr flink. Die Strahler bestehen fast ausschließlich aus Quarzglas, dass eine Masse von 2,2 g/cm3, bzw. dem erfindungsgemäßen Reflektor, der etwa eine Dichte von 1 ,75 g/cm3 aufweist. Typisch ab einer Materialstärke von 3 mm ist das Substrat 2 selbst thermisch der trägste Teil der Apparatur, dies ist so gewünscht. Die Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Strahlungskühlung zwischen Strahler 5 und Kammer 1 , sowie Substrat 2 optimiert wurde. Hierzu sind die beiden großen Flächen 9 zusätzlich mit einer durchsichtigen oder transluzenten Schicht 8 beschichtet worden, die ähnliche Absorptionseigenschaften zeigt, wie Quarzglas. Damit wird die Nutzstrahlung im Bereich zwischen 400 nm und 4000 nm im wesentlichen zurück in die Kammer 1 reflektiert, da die Schicht 8 die Strahlung auf die metallisch reflektierende Kammerwand durchlässt, zugleich wird jedoch die bei höheren Wellenlängen auftretende Strahlung effektiv von der Kammer über die Schicht 8 absorbiert.

Claims

Vorrichtung für eine Bestrahlungseinheit Patentansprüche
1. Vorrichtung mit einer Kammer für die Bestrahlung zumindest eines Substrates umfassend mindestens eine Schleuse zur Einführung und Entnahme des Substrates ein Substrathalter innerhalb der Kammer' eine Vakuumpumpe und zumindest eine Bestrahlungseinheit zur Bestrahlung des Substrates, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit zumindest einen Infrarotstrahler mit einem integrierten Reflektor umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor aus einem breitbandig im sichtbaren und infraroten transparenten, jedoch opak ausgeführtem Material ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Reflektors im nicht opakem Zustand im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 2200 nm, bevorzugt von 400 nm bis 2700 nm und besonders bevorzugt von 400 nm bis 5000 nm transparent ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite des Infrarotstrahlers eine Beschichtung aufgebracht ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine hohe Emissivität im fernen Infrarotbereich aufweist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Quarzglas umfasst.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor als vakuumtauglicher Reflektor ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler aus der Kammer entnehmbar ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer eine Wand aufweist, welche als Reflektor ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler aus der Kammer entnehmbar ist.
1 1. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der inneren Kammerwand mit einer durchsichtigen oder transluzenten Schicht versehen sind, die im fernen Infraroten oberhalb von
2200 nm, bevorzugt 2700 nm und besonders bevorzugt oberhalb von 5000 nm eine hohe Absorption aufweist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Kammerwand im Wesentlichen aus Glas, Quarzglas oder AI2O3 besteht.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in der Kammer vor oder während der Bestrahlung automatisch bewegt werden kann.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler so angeordnet sind, dass eine möglichst homogene Verteilung der in das Substrat eindringenden und das Substrat erwärmenden Strahlung über die Fläche des Substrates erreicht wird.
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