ES2929222T3 - Procedimiento y dispositivo para el tratamiento térmico de un sustrato - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un aparato (200) para el tratamiento térmico de sustratos. En este caso, una lámpara de descarga de gas (110) funciona en el llamado modo de cocción lenta en modo de espera. Se puede conectar una fuente de alimentación (280) de potencia constante a la lámpara de descarga de gas a través de un primer interruptor electrónico (290). Al menos un condensador cargado (120) puede conectarse a la lámpara de descarga de gas a través de un segundo interruptor electrónico (170). Un tratamiento térmico del lado frontal de un sustrato con una duración de entre 20 milisegundos y 500 milisegundos, por ejemplo, es posible con la ayuda del aparato (200) de una manera controlada por absorción de luz. Esta ventana de tiempo es de interés en particular para el tratamiento térmico de revestimientos que tienen un espesor de 2 a 200 micrómetros, donde la temperatura del lado posterior del sustrato puede permanecer por debajo de la del lado final. Además, la temperatura en el lado final puede aumentar significativamente conectando la lámpara de descarga de gas (110) al condensador (120) a través del segundo interruptor electrónico (170) al final de la ventana de tiempo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento térmico de un sustrato

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el tratamiento térmico de corta duración de un sustrato mediante al menos una lámpara de descarga de gas. El procedimiento encuentra aplicación en los sectores industriales más diversos tales como, por ejemplo, en la producción de semiconductores, la fabricación de módulos fotovoltaicos o la fabricación de pantallas. A los nuevos sectores de aplicación pertenecen, entre otros, la electrónica impresa o los recubrimientos de superficies con nanopartículas. Debido a la corta duración del tratamiento térmico, se minimizan, por ejemplo, los procesos de difusión y se evitan los tramos de calentamiento y enfriamiento como son habituales en los hornos de los sistemas industriales continuos.

La Figura 1 muestra la duración del tratamiento térmico de diversos procedimientos para dopar un semiconductor. A ellos pertenece el tratamiento térmico con lámparas de destello (FLA = siglas inglesas de recocido con lámpara de destello), con lámparas halógenas o bien de infrarrojos (RTA = siglas inglesas de recocidotérmico rápido) y el tratamiento térmico en hornos (FA = siglas inglesas de recocido en horno).

En el caso de experimentos y simulaciones térmicas se ha encontrado que, en función de la aplicación, uno u otro procedimiento o una combinación de los mismos es adecuado para el tratamiento térmico. Por ejemplo, en el caso del denominado "curado fotónico", una tinta que contiene cobre se imprime en una película de plástico en una primera etapa del proceso, se seca en una segunda etapa del proceso utilizando un radiador infrarrojo a una temperatura de aprox. 120 grados Celsius en el espacio de aproximadamente un segundo y en una tercera etapa del proceso con la ayuda de lámparas de destello se sinteriza a más de 800 grados centígrados durante un milisegundo. Debido a la temperatura máxima de funcionamiento del material sintético, el proceso de sinterización no se puede llevar a cabo con radiadores de infrarrojos ni en un horno convencional. El proceso de secado, por el contrario, requiere de un cierto tiempo, entre otros, en función del espesor de la película hasta que se evaporan los disolventes contenidos en la tinta impresa. Este tiempo de secado es de uno a varios órdenes de magnitud mayor que la duración del pulso de las lámparas de destello posible en la práctica. En principio, la duración de la acción del radiador de infrarrojos o bien de la lámpara halógena sobre el sustrato podría ajustarse también en el intervalo de un milisegundo en sistemas continuos mediante una alta velocidad relativa entre sí. Sin embargo, los rendimientos máximos posibles de los radiadores infrarrojos o las lámparas halógenas está varios órdenes de magnitud por debajo de los rendimientos requeridos para el rápido aumento de la temperatura a 800 grados centígrados.

En la industria de los semiconductores, RTA con la ayuda de lámparas halógenas, p. ej., para la activación de dopantes después de la implantación o para la oxidación de superficies en oxígeno, es una parte integral en la producción. En algunos casos, se emplean lámparas de destello además de las lámparas halógenas para poder alcanzar temperaturas más altas en la superficie del sustrato. Después del calentamiento completo de una oblea completa con semiconductores en el espacio, por ejemplo, de uno a unos pocos segundos a 900 grados centígrados con ayuda de las lámparas halógenas, inmediatamente después tiene lugar un tratamiento térmico con lámparas de destello para alcanzar brevemente una temperatura superficial máxima de aprox. 1300 grados centígrados. Con el calentamiento completo por las lámparas halógenas se quiere dar a entender un gradiente de temperatura despreciable dentro de toda la oblea. Sin embargo, el aumento de temperatura adicional provocado por las lámparas de destello afecta solo a los primeros pocos micrómetros del lado de la oblea iluminada por las lámparas de destello. La combinación de lámparas halógenas y lámparas de destello también se designa como "recocido de pico asistido por lámpara de destello". Un tiempo de exposición a temperaturas en el intervalo de 1300 grados centígrados mayor que con lámparas de destello tendría efectos adversos en los perfiles de difusión de una unión pn en un transistor. Calentar la oblea de la temperatura ambiente a 1300 grados centígrados mediante lámparas de destello únicamente no solo conduciría a gradientes de temperatura excesivamente altos y las tensiones termomecánicas asociadas que incluso podrían provocar la explosión de la oblea, sino que, dependiendo de la forma de realización, las potencias requeridas para ello son cercanas a o incluso están por encima del límite de explosión de las lámparas de destello.

Como se puede ver en la Figura 1, existe un vacío de tiempo en términos de tratamiento térmico entre FLA y RTA. Este vacío afecta, entre otras cosas, a los revestimientos sobre sustratos que presentan un espesor de aproximadamente 2 a aproximadamente 200 micrómetros. A ellos pertenecen, por ejemplo, películas de sol-gel con nanopartículas o pinturas. Igualmente es de gran interés encontrar un procedimiento que produzca gradientes de temperatura más bajos dentro del sustrato de acuerdo con el "recocido de pico asistido por lámpara de destello", mientras se mantiene la parte posterior del sustrato a temperatura ambiente. Idealmente, este procedimiento debería usar una sola especie en lugar de varias fuentes de energía. Por razones de espacio, en el caso del recocido de pico asistido por lámpara de destello, las lámparas halógenas se disponen habitualmente para irradiar la cara posterior de la oblea y las lámparas de destello para irradiar la cara frontal, en la que se encuentran los transistores. Esta disposición especial solo es posible debido al calentamiento completo de la oblea por las lámparas halógenas. Sin embargo, si debe evitarse un calentamiento completo del sustrato para el tratamiento térmico, es decir, la cara posterior del sustrato no debe superar una temperatura específica, ambas fuentes de energía solo pueden disponerse en la cara frontal. Esto no siempre es posible, entre otras cosas, por razones de espacio o restricciones con respecto a la óptica de la luz.

Otra desventaja de las lámparas halógenas o de las lámparas de infrarrojos es el tiempo de encendido o bien apagado relativamente largo . Por ejemplo, los filamentos de las lámparas halógenas tardan aproximadamente medio segundo en calentarse hasta alcanzar su máxima potencia radiante cuando se encienden. Por el contrario, en el caso de lámparas de destello, el tiempo de encendido puede estar en el intervalo de uno a unos pocos microsegundos. Para el procedimiento según la invención, el tiempo de encendido y apagado de la fuente de energía debería ser inferior al 10 % del tiempo total de exposición. Idealmente, esto es tan corto como con las lámparas de destello, que se encuentra en el intervalo de unos pocos microsegundos.

En principio, los láseres podrían usarse para el intervalo de tiempo entre FLA y RTP descrito en la Figura 1. Sin embargo, aparte de los costos significativamente más altos para la producción y el funcionamiento de láseres en comparación con las fuentes de energía mencionadas hasta ahora, el rendimiento que se puede alcanzar en la producción es, en la mayoría de los casos, demasiado bajo. El empleo de varios láseres para aumentar el rendimiento generalmente no es justificable por razones de costo, especialmente porque los láseres deberían estar coordinados entre sí. Además, otros perfiles de temperatura resultan de los láseres debido a su efecto puntiforme y los perfiles de temperatura resultantes sobre el sustrato, en contraste con el efecto extensivo de campos de lámparas de destello o lámparas halógenas o radiadores infrarrojos dispuestos en paralelo. Los diferentes perfiles de temperatura pueden tener diferentes efectos sobre el resultado del tratamiento térmico del sustrato.

La Figura 2 muestra el estado de la técnica de un dispositivo (100), que es habitual para el funcionamiento de lámparas de destello en la producción. Básicamente, un circuito se compone de una lámpara de destello (110), un condensador (120) como fuente de energía y una bobina de inductancia (130) para limitar la corriente. Se requiere una fuente de alimentación (140) separada para encender la lámpara de destello, que en la figura está diseñada como el denominado "encendido externo". Un encendido externo se compone, por ejemplo, de un reflector óptico de metal que está dispuesto alrededor de la lámpara de destello y está conectado eléctricamente con la fuente de alimentación del encendido. También se emplean otras variantes de encendido en función de la aplicación de las lámparas de destello.

En el caso de utilizar lámparas de destello para el bombeo óptico de láseres, se ha encontrado que la vida útil de las lámparas de destello puede aumentar si se hacen funcionar en modo de espera mediante una denominada fuente de alimentación Simmer. Simmer (en inglés, "hervir a fuego lento") son fuentes de alimentación que mantienen encendido un delgado filamento de plasma en la lámpara de destello, similar a una chispa de encendido. Por ejemplo, la corriente Simmer mediante la lámpara de destello asciende a 0,5 amperios después del encendido de la lámpara de destello. Para cambiar al modo de funcionamiento real de la lámpara de destello, primero se debe cargar el condensador (120) mediante una fuente de alimentación (150). A continuación, el condensador (120) se descarga a través de la lámpara de destello (110) a través de un interruptor electrónico (170). En el modo operativo, la corriente puede ser de varios cientos a varios miles de amperios, dependiendo de la forma de realización y de la intensidad de luz deseada de la lámpara de destello. Típicamente, la duración del pulso de la descarga en el modo operativo de las lámparas de destello está entre 50 microsegundos y 20 milisegundos, adoptando la corriente a través de la lámpara de destello la forma de una campana gaussiana con respecto al tiempo. El proceso de descarga del condensador se puede detener en este caso en cualquier momento mediante el interruptor electrónico (170).

El documento US20100111513A1 muestra en las Figuras 6 y 9 un procedimiento y un dispositivo según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 4, respectivamente.

La Figura 3 muestra una ampliación del dispositivo (100) según la invención, que se compone de un interruptor electrónico adicional 1 (290) y una fuente de alimentación (280) adicional. La fuente de alimentación (280) puede ser un transformador de campo de dispersión en el diseño más simple, que está diseñado para una tensión sin carga suficientemente alta dependiendo de la longitud del arco de la lámpara de destello (110) y presenta un cortocircuito ajustable manual y mecánicamente. Los transformadores de campo de dispersión ajustables manual y mecánicamente también se utilizan para la soldadura eléctrica de metales. La salida del transformador está conectada al interruptor electrónico y al cable de tierra a través de un rectificador. Corrientes de salida típicas para la fuente de alimentación (280) son de 10 a 100 amperios. A diferencia del condensador (120), el transformador de campo de dispersión proporciona una corriente constante, de modo que la lámpara de destello (110) puede funcionar como una lámpara de descarga de gas de combustión continua, no obstante con una potencia que es de uno a varios órdenes de magnitud inferior a la del condensador (120) o bien que es correspondiente a la intensidad de la corriente a través de la lámpara de destello. Igualmente son adecuadas fuentes de alimentación alternativas a un transformador de campo de dispersión tal como, p. ej., las fuentes conmutadas.

Para evitar demandas de rendimiento muy altas y a corto plazo en la red eléctrica pública para el suministro de energía (280), los acumuladores se pueden usar como un amortiguador. Por ejemplo, al conectar muchos acumuladores en serie, que se utilizan para arrancar un automóvil, se puede generar una tensión en el intervalo de varios cientos a varios miles de voltios con corrientes de más de 1000 amperios. El tiempo de reacción química del acumulador está típicamente en el intervalo de unos pocos microsegundos, de modo que pueden realizarse sin ningún problema tiempos de exposición de un milisegundo a varios segundos. Con un consumo continuo de energía de la red pública, los acumuladores se cargan entre dos exposiciones consecutivas que tienen un intervalo de tiempo de 30 segundos, por ejemplo.

Con el interruptor electrónico 1 (290), la lámpara (110) se puede encender y apagar con la misma rapidez que con el interruptor electrónico 2 (170), de modo que el tiempo de exposición se puede ajustar casi tan corto como se desee sin demoras significativas durante los procesos de encendido y apagado como es el caso de las lámparas halógenas o de infrarrojos.

Un factor importante y limitante es el enfriamiento de la lámpara, p. ej., con aire o agua. En ningún momento se debe fundir el cristal de cuarzo de la lámpara de destello ni los electrodos de la lámpara de destello, que se componen principalmente de tungsteno. Sin embargo, se pueden establecer corrientes durante un tiempo corto para el tratamiento térmico de un sustrato por una duración de, p. ej., 500 milisegundos, que están muy por encima de las corrientes máximas en funcionamiento continuo, similares a las lámparas de destello.

Los dos interruptores electrónicos (170), (290) pueden en principio cerrarse o abrirse en cualquier momento e independientemente uno del otro. Sin embargo, para el tratamiento térmico de un sustrato, solo las siguientes tres variantes son relevantes en la práctica: a) solo el interruptor electrónico 1 (290) se cierra durante un tiempo deseado y luego se vuelve a abrir, b) solo el interruptor electrónico 2 (170) se cierra, dependiendo el tiempo máximo de tratamiento térmico del sustrato de la capacidad del condensador, c) al finalizar un tiempo deseado de exposición del sustrato con la lámpara (110) utilizando la fuente de alimentación (280), el interruptor electrónico 2 (170) se cierra y, con ello, aproximadamente al mismo tiempo, la fuente de alimentación de la lámpara se separa de la fuente de alimentación para funcionamiento continuo (280) abriendo el interruptor electrónico 1 (290), de modo que se obtiene un perfil de temperaturas similar al "recocido de pico asistido por lámpara de destello". No obstante, el calentamiento siempre tiene lugar desde una cara, por ejemplo desde la cara frontal del sustrato.

El dispositivo en la Figura 3 ofrece tiempos de exposición adicionales en el intervalo entre FLA y RTP según la Figura 1, es decir, entre aproximadamente 20 milisegundos y aproximadamente 500 milisegundos, en comparación con lámparas de destello y/o lámparas halógenas o lámparas de infrarrojos. Además, se pueden alcanzar potencias luminosas más altas de la lámpara (110) en comparación con lámparas halógenas o infrarrojas, también para tiempos de exposición que son habituales para RTP. Además, solo se requiere un único tipo de lámpara para el tratamiento térmico del sustrato en comparación con el "recocido de pico asistido por lámpara de destello".

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento térmico de un sustrato.

Lista de símbolos de referencia

100 dispositivo según el estado de la técnica

110 lámpara de descarga de gas

120 condensador

130 bobina de inductancia

140 fuente de alimentación para el encendido

150 fuente de alimentación para cargar el condensador

160 fuente de alimentación para funcionamiento Simmer

170 interruptor electrónico 2

200 dispositivo según la invención

280 fuente de alimentación con potencia constante para funcionamiento continuo

290 interruptor electrónico 1

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para el tratamiento térmico de un sustrato con al menos una lámpara de descarga de gas (110), en el que, en un modo de funcionamiento, un condensador (120) previamente cargado a través de una fuente de alimentación (150) se descarga a través de la lámpara de descarga de gas (110), caracterizado por que la lámpara de descarga de gas (110) se hace funcionar durante un primer espacio de tiempo que dura de 20 milisegundos a 5 segundos a una potencia eléctrica constante con una potencia que es al menos un orden de magnitud menor que en el modo de funcionamiento y al final del primer espacio de tiempo se incrementa en al menos un orden de magnitud la potencia eléctrica media de la lámpara de descarga de gas durante un segundo espacio de tiempo que dura de 50 microsegundos a 20 milisegundos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el sustrato presenta un recubrimiento con un espesor de 2 a 200 micrómetros.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que el recubrimiento se compone de al menos una película sol-gel, de una pintura, de nanopartículas.

4. Dispositivo para el tratamiento térmico de un sustrato con al menos una lámpara de descarga de gas (110), que presenta un funcionamiento Simmer en modo de espera y que puede conectarse a al menos un condensador (120) cargado eléctricamente en un modo de funcionamiento a través de un primer interruptor electrónico (170), caracterizado por que la lámpara de descarga de gas puede conectarse a través de un segundo interruptor electrónico (290) a una fuente de alimentación (280) con una potencia constante que es al menos un orden de magnitud inferior al modo de funcionamiento que dura de 20 milisegundos a 5 segundos.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, en donde la primera fuente de alimentación (280) contiene un transformador de campo de dispersión y un rectificador.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, en donde la intensidad de corriente máxima del transformador de campo de dispersión es ajustable manualmente a través de un regulador mecánico.

7. Dispositivo según la reivindicación 4, en donde la primera fuente de alimentación (280) contiene al menos un acumulador.