NL1013984C2

NL1013984C2 - Werkwijze en inrichting voor het behandelen van substraten.

Info

Publication number: NL1013984C2
Application number: NL1013984A
Authority: NL
Inventors: Vladimir Ivanovich Kuznetsov; Ernst Hendrik August Granneman; Arjen Benjamin Storm; Herbert Terhorst
Original assignee: Asm Int
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2001-07-02
Also published as: EP1243020A1; JP2003519909A; US6770851B2; KR100753877B1; TW497178B; WO2001050502A1; JP4936625B2; AU3246701A; US20030092231A1; KR20020064976A

Description

Werkwijze en inrichting voor het behandelen van substraten.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het thermisch behandelen van een substraat, zoals een wafer, omvattende het inbrengen daarvan in 5 een warmtebehandelingsinrichting waarbij de warmtebehandelingsinrichting omvat twee in de hoofdzaak vlakke, aan de inbrengpositie van de wafer evenwijdige delen, waartussen de wafer wordt opgenomen waarbij het eerste deel wordt verhit en zich op een eerste hoge temperatuur bevindt en aan ieder van beide zijden van de wafer een gasstroom wordt toegevoerd teneinde de warmtebehandeling uit te voeren.

10 Een dergelijke werkwijze is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 1003538 van ASM International. Gebleken is dat bijzonder snelle opwarming mogelijk is bij het inbrengen van een wafer in een dergelijke warmtebehandelingsinrichting (floating wafer reactor) doordat een sterke thermische koppeling tussen wafer en reactordelen tot stand kan worden gberacht. Voor allerlei processen is het van belang dat snelle 15 opwarming plaatstvindt zodat het overgangsgebied waarin bepaalde reacties op ongecontroleerde wijze verlopen zo kortstondig mogelijk is.

Problemen ontstaan echter bij het einde van een bij verhoogde temperatuur uitgevoerde reactie. In de praktijk is het bijzonder moeilijk gebleken wafers op gecontroleerde wijze snel af te koelen. Het is vanzelfsprekend mogelijk deze uit de reactor te 20 brengen en aan de lucht af te laten koelen. Hoewel een dergelijke afkoeling redelijk snel verloopt is gebleken dat daarbij spanningen in de wafer kunnen ontstaan doordat aan de omtrek sneller afkoeling plaatsvindt dan in het midden van de wafer. Om dit probleem te vermijden is voorgesteld om de wafer een ring te plaatsen met behoorlijke thermische capaciteit. Daardoor wordt weliswaar een gelijkmatige afkoeling verwe-25 zenlijkt maar is een snelle daling van de temperatuur niet te verwezenlijken. Daardoor kan niet gewaarborgd worden dat bij allerlei soorten thermische/chemische behandelingen de reactie op gestuurde wijze na een bepaalde behandelingstijd stop te zetten is.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding dit nadeel te vermijden en in een nauwkeuriger regeling te voorzien waarbij het mogelijk is snel af te koelen en eveneens 30 snel op te warmen waarbij de gradiënt op gestuurde wijze beheersbaar is.

Dit doel wordt bij de hierboven beschreven werkwijze verkregen doordat tijdens die behandeling het tweede deel met behulp van koelmiddelen wordt gekoeld en zich op een temperatuur lager dan 70 0 C bevindt en dat tijdens de behandeling de 1013984 2 warmtegeleidbaarheid tussen de wafer en tenminste een van die delen wordt gestuurd zodanig dat gedurende een zekere tijd de wafer een temperatuur aanneemt die verhoudingsgewijs dichter bij de eerste, hoge temperatuur ligt en vervolgens een temperatuur aanneemt die verhoudingsgewijs dichter bij de tweede lagere temperatuur 5 ligt.

Gebleken is dat bij een floating wafer reactor en ook andere constructies waarbij de wafer via warmtegeleiding door een gas verwarmd wordt een bijzonder snelle verhitting mogelijk is doordat de reactordelen op zeer geringe afstand van het wateroppervlak gebracht kunnen worden waardoor een sterke thermische koppeling 10 tussen wafer en reactordeel ontstaat. Deze afstand bedraagt bij voorkeur minder dan 1 mm en kan meer in het bijzonder ook 0.1 mm bedragen. Doordat de warmtecapaciteit van de reactordelen vele malen groter is dan de warmtecapaciteit van de wafer, zal bij het gelijk zijn van de temperatuur van de twee reactordelen de wafer bijzonder snel de temperatuur van de reactordelen aannemen terwijl de temperatuur van de reactordelen 15 zelf daardoor niet noemenswaardig zal veranderen. De toegevoerde gasstromen zijn daarbij echter essentieel. Indien een wafer vanaf twee zijden met een gas aangestroomd wordt zal bij verschillende warmtegeleiding van de gassen en in het midden staan van de wafer tussen de beide delen waaruit het gas stroomt, de wafer sterker thermisch gekoppeld zijn aan het reactordeel waaruit het beter geleidende gas stroomt. Met een 20 floating wafer reactor is het verhoudingsgewijs eenvoudig de tegenover liggende delen een verschillende temperatuur te geven. De wafer zal dan een temperatuur aannemen die ligt tussen de temperaturen van de twee reactordelen in. Bij floating wafer reactoren wordt in het algemeen het gas door kanalen in de tegenover liggende delen waartussen de behandelingskamer begrensd wordt, geleid. Door de warmtecapaciteit van het 25 omliggende materiaal is het in de praktijk niet eenvoudig snel de temperatuur van het gas dat uit een bepaald deel stroomt gestuurd te wijzigen. Wel is het op eenvoudige wijze mogelijk het gas zelf te wijzigen. Dat wil zeggen, indien in een eerste situatie aan een zijde met lage temperatuur een goed geleidend gas gebruikt wordt en aan de andere zijde met hoge temperatuur een minder goed warmtegeleidend gas gebruikt wordt dan 30 zal het substraat een evenwichtstemperatuur aannemen die verhoudingsgewijs dicht bij de lage temperatuur ligt. Worden bij het handhaven van de temperaturen van de reactordelen de gassen verwisseld, dat wil zeggen wordt een minder goed geleidend gas via het zich op lage temperatuur bevindende reactordeel in de behandelingsruimte 1013984 3 gebracht en een goed geleidend gas via het zich op hogere temperatuur bevindende reactordeel in de behandelingsruimte gebracht dan zal de wafer bijzonder snel verwarmen De enige verandering ten opzichte van de oorspronkelijke situatie is het omschakelen van het gassoort. Deze zelfde handeling maar dan in omgekeerde richting, 5 kan gebruikt worden om uitgaande van die verhoogde temperatuur de wafer bijzonder snel af te koelen.

Gebleken is dat met de uitvinding een bijzonder steile temperatuurgradiënt verkregen kan worden. Eveneens zal begrepen worden dat vele soorten van behandeling op verhoogde temperatuur in aanmerking komen voor deze werkwijze. Deze gebruikte 10 temperatuur is afhankelijk van de behandeling en ligt in het algemeen onder 400°C. Daarbij kan elk gas gebruikt worden dat aan de gewenste eisen voldoet. Zo is het bekend dat de warmtegeleiding van stikstof wezenlijk lager is dan de warmtegeleiding van helium zodat door combinatie van deze twee inerte gassen snelle opwarming en daarop volgend snelle afkoeling plaats kunnen vinden.

15 Het is vanzelfsprekend mogelijk gassen te gebruiken die op enigerlei wijze een chemische reactie veroorzaken of beïnvloeden. In een uitvoeringsvorm van de uitvinding waarin de wafer door de vanaf de twee delen van de reactor afkomstige gasstromen zwevend op zijn plaats wordt gehouden is het bovendien mogelijk om in plaats van of in combinatie met de hierboven beschreven werkwijze de afstand van de 20 wafer tot de twee tegenover elkaar liggende delen van de floating wafer reactor te wijzigen door het sturen van de grootte van de gasstromen. Begrepen zal worden dat indien de wafer zich heel dicht bij een deel bevindt en op grotere afstand van een ander deel het effect van deze positionering vergeleken kan worden met het gebruiken van een goed of minder goed geleidend gas.

25 Afhankelijk van de verschillen in geleiding of andere warmtecapaciteit zal de wafer een temperatuur aannemen die ergens ligt tussen de temperatuur van de twee op afstand liggende delen.

De hierboven beschreven werkwijze is voor elke voorstelbare behandeling uit te voeren. Als voorbeeld wordt het kopergloeien genoemd. Daarbij wordt een koperlaag 30 na depositie gegloeid op een temperatuur van bijvoorbeeld 250°C om een lage weerstand van het koper te bereiken. Gloeitijden in het bereik van 1 -90 seconden zijn hierbij gebruikelijk. Gezien de korte behandeltijden is geforceerde afkoeling van de wafer noodzakelijk om voldoende productiecapaciteit te realiseren. Het is echter van 1013984 4 belang om de wafer in een inerte atmosfeer te houden wanneer de wafertemperatuur 100°C of meer bedraagt teneinde de oxidatie van het koper binnen aanvaardbare grenzen te houden. Daarom dient bij toepassing van een separaat afkoelstation het transport van de wafer van het gloeistation naar het afkoelstation in een inerte 5 atmosfeer te worden uitgevoerd. In de werkwijze volgens de uitvinding vindt een aanzienlijke vereenvoudiging en verkleining van de inrichting plaats doordat opwarmen en afkoelen in dezelfde reactorkamer plaatsvindt en tussentijds transport van de wafer niet nodig is. Als ander voorbeeld kan worden genoemd het gloeien van low-k dielectrische materialen op een temperatuur van 200 tot circa 400°C.

10 De uitvinding heeft eveneens betrekking op een warmtebehandelingsinrichting omvattende twee tegenoverliggende, in hoofdzaak vlakke, aan de wafer evenwijdige delen waartussen de wafer wordt opgenomen waarbij een eerste deel is voorzien van verwarmingsmiddelen om dit eerste deel op een eerst hoge temperatuur te brengen en waarbij elk van die delen voorzien is van gastoevoerkanalen zijn aangebracht die 15 uitmonden in de ruimte tussen beide delen met het kenmerk dat het tweede deel is voorzien van koelmiddelen om dit tweede deel op een tweede lage temperatuur te houden waarbij deze temperatuur lager is dan 70 C.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van schematisch afgebeelde uitvoeringsvormen verduidelijkt worden. In de figuren tonen: 20 Fig. 1 schematisch het gloeien van een koperlaag aangebracht op een wafer vol gens een eerste methode;

Fig. 2 de behandeling schematisch afgebeeld volgens een tweede methode; en

Fig. 3 het temperatuurverloop als functie van de tijd met de constructie volgens fig. 1.

25 In fig. 1 is zeer schematisch een aantal delen van een floating wafer reactor afge beeld. De tegenover elkaar liggende delen zijn met 1 en 2 aangegeven. In elk van de delen strekt zich een aantal kanalen 3 uit verbonden met een centrale verzamelruimte of kast 4. Deze is op niet nader afgebeelde wijze verbonden met tenminste twee gasbronnen waarbij het besturen van het betreffende gas met behulp van niet-afgebeelde af-30 sluiters geregeld wordt.

Het benedendeel 2 van de floating wafer reactor is voorzien van een steunorgaan 5 voor een wafer 6 die met behulp van een draagmiddel 7 zoals een ring op het steunorgaan 5 geplaatst wordt bij het op afstand liggen van de twee delen 1 en 2. Vervolgens 1013984 5 worden deze delen dichter bij elkaar gebracht bij het op gang brengen van de gasstroming als in fig. lb getoond is. Daarna vindt de warmtebehandeling plaats zoals weergegeven in fig. lb-ld. Na deze warmtebehandeling bewegen de twee delen 1 en 2 weer uit elkaar en wordt de behandelde wafer weer ondersteund door steunorgaan 5 en 5 vervolgens weer verwijderd door draagorgaan 7 zoals getoond is in fig. Ie en lf.

Bij het opnemen van de wafer zoals getoond in fig. la bevindt het bovendeel 1 van de reactor zich bijvoorbeeld op een temperatuur van 285°C. De gasstroom door kanalen 3 van deel 1 bestaat uit het verhoudingsgewijs slecht geleidende stikstof. Vanaf de onderzijde wordt eveneens een hoeveelheid stikstof ingebracht die een temperatuur 10 van 20° heeft. Dit is de temperatuur van het benedendeel 2. De wafer zelf heeft kamertemperatuur. Het koude reactordeel is voorzien van koelmiddelen om de warmte die vanaf het hete reactordeel naar het koude reactordeel wordt getransporteerd af te voeren. Deze middelen kunnen bestaan uit kanalen, een koelmedium zoals koelwater dat door deze kanalen stroomt en een aanvoer en afvoer van dit koelmedium.

15 In een voorkeursuitvoering van de uitvinding zijn de reactordelen tevens voorzien van middelen om een temperatuur van de delen op een hoofdzakelijk constante waarde te houden. De temperatuur van het koude reactordeel kan 20°C zijn maar kan ook een enigszins lagere of hogere waarde hebben tot maximaal 70 0 C om nog voldoende afkoeling van de wafer te kunnen bewerkstelligen. In een alternatieve uitvoering kan 20 het koude reactordeel ook voorzien zijn van peltier koelelementen die de temperatuur van het koude reactordeel belangrijk onder kamertemperatuur brengen, bijvoorbeeld -20°C.

Na het naar elkaar toe bewegen van de delen 1 en 2 wordt de stikstofgasstroom door het benedendeel 2 vervangen door een heliumgasstroom. Helium geleidt de 25 warmte aanzienlijk beter dan stikstof. In deze toestand wordt de wafer van boven door het slecht geleidende stikstofgas met verhoudingsgewijs hoge temperatuur omstroomd en vanaf de onderzijde door het verhoudingsgewijs goed geleidende heliumgas met lage temperatuur omstroomd. Daardoor zal de watertemperatuur ongeveer 70°C zijn.

In de behandelingstoestand getoond in fig. lc worden de gasposities omgekeerd. 30 Dat wil zeggen aan de bovenzijde wordt het goed geleidende helium toegevoerd terwijl vanaf de onderzijde het slecht geleidende stikstof toegevoerd wordt. Daardoor stijgt de temperatuur zeer snel naar ongeveer 250°C en kan de warmtebehandeling plaatsvinden.

1Q13981 6

Na deze warmtebehandeling gedurende bepaalde tijd kan zeer snelle afkoeling bereikt worden door de gasstroming weer om te keren, dat wil zeggen vanaf de bovenzijde met hoge temperatuur slecht geleidend stikstofgas toe te voegen en vanaf de onderzijde met lage temperatuur goed geleidend heliumgas. De temperatuur daalt bijzon-5 der snel tot 70°C waarna de wafer op gebruikelijke wijze verwijderd kan worden.

In fig. 3 is het temperatuurverloop weergegeven. Tijdens het inbrengen van de wafer vindt een geleidelijke temperatuurverhoging plaats van kamertemperatuur tot ongeveer 70°. Bij het omkeren van de gasstroom vindt een bijzonder snelle stijging van ongeveer 70° tot 250°C plaats. Een en ander wordt na ongeveer 45 seconden gevolgd 10 door een snelle afkoeling.

In fig. 2 is een alternatief voor deze werkwijze getoond. In deze uitvoering kan gebruik gemaakt worden van uitsluitend een gas zoals stikstofgas. Door uit de twee reactordelen ongelijke hoeveelheden gas te laten stromen, zal de wafer zich dichter naar het deel waaruit de kleinste hoeveelheid gas stroomt, bewegen. Op deze wijze kan, 15 zoals schematisch getoond is in fig. 2, een hogere respectievelijk lagere temperatuur verkregen worden. In de situaties van fig. 2 a en c kan de gasstroom uit het onderste koude reactordeel geheel afgeschakeld zijn zodat de wafer mechanisch contact maakt met dit reactordeel.

Vanzelfsprekend kan het variëren van de afstand in combinatie met de hierboven 20 beschreven methode van het wisselen van gassen gebruikt worden.

Hoewel de uitvinding hierboven aan de hand van een voorkeursuitvoering beschreven is, zal begrepen worden dat daaraan talrijke wijzigingen aangebracht kunnen worden. Verschillende gassen, gasmengsels en/of verschillende temperaturen kunnen gebruikt worden die vele malen hoger of lager liggen dan hetgeen hier getoond is. 25 Bovendien kunnen de gassen deelnemen aan de behandelingsreactie of deze bevorderen en/of remmen. Al dergelijke varianten zijn direct duidelijk voor degenen bekwaam in de stand der techniek bij het lezen van bovenstaande beschrijving liggend binnen het bereik van de bijgaande conclusies.

1013984

Claims

1. Werkwijze voor het thermisch behandelen van een substraat, zoals een wafer, omvattende het inbrengen daarvan in een warmtebehandelingsinrichting waarbij de 5 warmtebehandelingsinrichting omvat twee in de hoofdzaak vlakke, aan de inbrengpositie van de wafer evenwijdige delen, waartussen de wafer wordt opgenomen waarbij het eerste deel wordt verhit en zich op een eerste hoge temperatuur bevindt en aan ieder van beide zijden van de wafer een gasstroom wordt toegevoerd teneinde de warmtebehandeling uit te voeren met het kenmerk dat 10 het tweede deel met behulp van koelmiddelen aktief wordt gekoeld en zich op een tweede lage temperatuur bevindt waarbij deze tweede temperatuur lager is dan 70 0 C en waarbij tijdens de behandeling de warmtegeleidbaarheid tussen de wafer en tenminste een van die delen wordt gestuurd zodanig dat gedurende een zekere tijd de wafer een temperatuur aanneemt die verhoudingsgewijs dichter bij de eerste, 15 hoge temperatuur ligt en vervolgens een temperatuur aanneemt die verhoudingsgewijs dichter bij de tweede lagere temperatuur ligt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk het sturen van de warmteoverdracht door geleiding tussen de wafer en tenminste een van de die delen 20 plaatsvindt door het sturen van de eigenschappen van tenminste een van de toegevoerde gasstromen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat, althans een deel van de behandelingstijd, die wafer met die gassen in zwevende toestand wordt gehouden. 25

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies met het kenmerk dat, althans een deel van de behandelingstijd, de afstand tussen de wafer het naar de wafer toegekeerde oppervlak van tenminste een van die delen 1 mm of minder bedraagt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 t/m 3 met het kenmerk dat tijdens de behandeling de warmtegeleidingseigenschappen van tenminste een van de gasstromen wordt gestuurd door het wijzigen van de samenstelling van deze gasstroom. 1013984

6. Werkwijze volgens conclusie 5 waarbij die gassen stikstof en/of helium bevatten.

7. Werkwijze volgens conclusie 3 met het kenmerk dat tijdens de behandeling de grootte van de gasstromen zodanig wordt gestuurd dat de wafer dichter bij het ene 5 dan bij het andere deel gepositioneerd wordt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7 met het kenmerk dat tijdens de behandeling de grootte van de gasstromen zodanig wordt gestuurd dat de wafer zich aanvankelijk dichter bij het tweede deel op de tweede, lage temperatuur bevindt, vervolgens 10 dichter bij het eerste deel op de eerste, hoge temperatuur bevindt en tenslotte weer dichter bij het tweede deel op de tweede lage temperatuur.

9. Warmtebehandelingsinrichting omvattende twee tegenoverliggende, in hoofdzaak vlakke, aan de wafer evenwijdige delen waartussen de wafer wordt opgenomen 15 waarbij een eerste deel is voorzien van verwarmingsmiddelen om dit eerste deel op een eerst hoge temperatuur te brengen en waarbij in elk van die delen gastoevoerkanalen zijn aangebracht die uitmonden in de ruimte tussen beide delen met het kenmerk dat het tweede deel is voorzien van koelmiddelen om dit tweede deel op een tweede lage temperatuur te houden waarbij deze temperatuur lager is 20 dan 70 0 C.

10. Warmtebehandelingsinrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de warmtebehandelingsinrichting is voorzien van middelen om tijdens behandeling de warmtegeleidbaarheid tussen de wafer en tenminste een van die delen sturen. 25

11. Warmtebehandelingsinrichting volgens conclusie 10 met het kenmerk dat dat de middelen om tijdens behandeling de warmtegeleidbaarheid tussen de wafer en tenminste een van die delen te sturen middelen omvatten, in verbinding met tenminste een van die delen, voor het achtereenvolgens toevoeren van verschillende 30 gassen.

12. Warmtebehandelingsinrichting volgens conclusie 9, 10 of 11 met het kenmerk dat die middelen om het tweede deel te koelen een peltier koelelement omvatten. 1013984