NL8201958A - Halfgeleiderbewerkingsinrichting met een ingebouwd als stralingsbron fungerend zwart lichaam met constante planaire energieflux. - Google Patents

Description

i y < p & c

N 1609-150 Ned.M/EvF

Halfgeleiderbewerkingsinrichting met een ingebouwd als stralingsbron fungerend zwart lichaam met constante planaire energieflux.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting en werkwijze voor het behandelen van halfgeleidermaterialen en meer in het bijzonder op een inrichting en werkwijze waarbij eèn als stralingsbron fungerend zwart lichaam wordt toegepast met een donstante planaire energieflux 5 voor het uitgloeien van de kristalstructuur en het activeren van dopeer-middelen in halfgeleidermaterialen, waarbij de korrelgrootte in polykristal-lijne halfgeleidermaterialen wordt vergroot of waarbij anderszins halfgeleidermaterialen thermisch behandeld worden.

In de halfgeleiderindustrie worden plaatjes van een één-10 kristalhalfgeleidermateriaal, zoals siliciumoxide, behandeld voor het produceren van zowel discrete inrichtingen als geïntegreerde schakelingen.

In de loop van de behandeling kan het kristallijne rooster van het halfgeleidermateriaal worden beschadigd. Bijvoorbeeld tijdens de ionenimplantatie zullen de invallende energetische ionen covalente bindingen 15 tussen siliciumoxide-atomen in het kristallijne rooster verbreken. Het is dus gewenst de gebreken in het kristallijne rooster te elimineren door uitgloeiing bij een voldoend hoge temperatuur gedurende een voldoend lange tijd.

De thermische behandeling die door uitgloeien kristalbeschadiging 20 verhelpt dient eveneens om de dopeerspecies in het siliciumoxide te activeren, d.w.z. de doperende atomen zoals borium, fosfor of arsenicum, nemen substitutionle of bijna substitutionele posities in het kristallijne rooster in, zodat zij kunnen dienen als bronnen van ladingsdragers. Zie bijvoorbeeld A. Lietoila et al. "Metastable As-Concentrations in Si 25 Achieved by Ion Implantation and Rapid Thermal Annealing" Journal Applied Physics, Volume 52, bladzijde 230 (1981).

Bij de produktie van dunne films van halfgeleidermaterialen is het gewenst om de korrelgrootte te laten toenemen van polykristallijn materiaal of om amorf siliciumoxide om te zetten in een epitaxiale 30 siliciumoxidelaag. De toepassing van thermische energie op geschikte wijze kan worden gebruikt om deze doeleinden, .te vervullen. Zie bijvoorbeeld J.C.C. Fan, et al. "Lateral Epitaxy by Seeded Solidification for Growth of Single-Cristal Si Films on Insulators", Applied Physics Letter,

Volume 38, bladzijde 365 (1981).

35 De conventionele techniek voor de thermische behandeling van halfgeleidermaterialen is het uitgloeien in een oven. Bij deze techniek 8201958 * 4 t - 2 - bijvoorbeeld wordt een eerste lading van 100 tot 200 siliciumoxideplaatjes genomen en geplaatst in een drager (boot). De boot wordt langzaam in een kwartsbuis gemonteerd binnen een cilindrische holte en omgeven door weerstandsverhittingselementen. De buis wordt continu gespoeld vanuit het 5 inwendige naar het uitwendige door een inert gas. De holte en kwartsbuis zullen temperatuurzones bezitten, die geleidelijk heter worden. Door dit proces neemt de gemiddelde temperatuur, die ondervonden wordt door de plaatjes geleidelijk toe tot ongeveer 1000°C. De boot wordt dan vastgehouden in de oven bij temperaturen van ongeveer 900° tot 1100°C gedurende 10 tijdsperioden in de orde van een half uur. Het uitgloeien onder dergelijke omstandigheden is in het algemeen bevredigend, in het bijzonder voor 10 14 o in lagere doses in de orde van 10 -10 / cnr; de activering is vrijwel altijd bevredigend voor dergelijke implahtingen. Echter een uniformiteit van dopeerdistributie wordt dikwijls niet verkregen, aangezien de tijd 15 en de temperatuureigenschappen van een gegeven plaatje niet identiek zijn aan die van andere plaatjes in de partij; eveneens kunnen bij een geselecteerde ligging van een gegeven plaatje de ondervonden temperaturen met de tijd variëren. Deze ongelijkmatigheid in distributie is ongewenst bij fabrikage van complexe geïntegreerde schakelingen, aangezien daardoor 20 de opbrengsten omlaag gaan. Ook produceert het uitgloeien van plaatjes bij dergelijke temperaturen gedurende aanzienlijke tijdsperioden een ongewenste spreiding of herdistributie van het dopeermiddel zowel zijdelings als vertikaal. Dit is in het bijzonder ongewenst voor hoge 15 16 2 doses imphanteringen.in de orde van 10 -2.10 per crn zoals worden 25 gebruikt bij de fabrikage van hoge dichtheid MOS inrichtingen. De spreiding maakt tevens een ondiepe ondergang en/of VLSI inrichtingen moeilijk zo niet onmogelijk. Daar komt bij dat bij hoge doses de activering moeilijk wordt bij ovenuitglöeiing omdat de doperende atomen aan elkaar klonteren en niet individueel elektrisch aktief worden. Zie 30 bijvoorbeeld M.Y. Tsai, et al, "Shallow Junctions by High-Doses As Implants in Si: Experiments and Modelling", Journal Applied Physics,

Volume 51, bladzijde 3230 (1980). In het algemeen is het gewenst om uitgloeiing en activering te verkrijgen met minimale dopeermiddel-herdistributie. Ook is het gewenst een zo hoog mogelijte activering te 35 verkrijgen teneinde een zo laag mogelijke implanteringdosis te kunnen gebruiken; voor overigens equivalente condities geldt dat hoe lager de implanteringsdosis des te hoger is de hoeveelheid verwerkt materiaal. Ook is de conventionele ovenuitgloeiing tijdrovend en vanuit een energie- 8201958 t ï - 3 - oogpunt niet bijzonder efficiënt, hetgeen een belangrijke overweging is voor het ontwikkelen van vanuit het kostenoogpunt effectieve filmvorming voor fotocellen.

Twee technieken zijn op ruime schaal voorgesteld voor het 5 produceren van de snelle thermische behandeling van halfgeleidermaterialen. In beide gevallen wordt het oppervlak van het materiaal blootgesteld aan een energiebundel om de temperatuur van het materiaal te verhogen en het gewenste resultaat te verkrijgen, bijvoorbeeld uitgloeien activeren, een toegenomen korrelgrootte, epitaxiale hergloeiing of dergelijke.

10 Laserbundels en elektronenbundels zijn voorgesteld en experimenteel geprobeerd. Met beide bijvoorbeeld is gebleken dat snel uitgloeien in de orde van microseconden, mogelijk is. Zie bijvoorbeeld W.L. Brown,"Superfast Annealing" IEEE Spectrum, April 1981, bladzijde 50 e.v. en de daarin genoemde literatuurplaatsen. Deze technieken zijn in onderzoek op vele 15 laboratoria ofschoon zij nog niet op ruimte schaal geïncorporeerd zijn in commerciële produkten. Laserbundels zijn zeer energie-inefficiënt en vereisen een aftasting langs mechanische, elektro-optische of elekro-mechanische weg. Laserbundels kunnen eveneens interferentieëffecten ondervinden, wanneer een SiO -patroon op een siliciumoxidedrager ligt.

20 Daarenboven kan het grensvlak bijvoorkeur worden verhit waardoor de oxide-laag loskomt. Elektronenbundels zijn relatief energie-efficiënt maar produceren neutrale kuilen nabij isolator-halfgeleiderovergangen, die kunnen resulteren in ladingseffecten bij het overtijd bedrijven van dergelijke inrichtingen. Een derde aanpak, die gesuggereerd is, is het 25 gebruik van flitslampen of booglampen met een geschikte reflector teneinde de halfgeleidermaterialen thermisch te behandelen. Voor halfge-leiderplaatjes heeft deze laatste benadering het voordeel, dat het het gehele plaatje gelijktijdig verhit en thermische niet-uniformiteiten elimineert door het produceren van een planair isotropisch thermisch 30 front. De nadelen ervan zijn dat het proces niet energie-efficiënt is en complexe optische elementen kan vereisen. Het optische systeem moet eveneens in staat zijn om strooilicht te elimineren of dit op de één of andere wijze constructief' gebruiken. Zie K. Nishiyama "Radiation Annealing of Boron-Implanted Silicon With a Halogen Lamp", Japanese 35 Journal of Applied Physics, Volumne 19, October 1980, bladzijde L563 (1980).

De uitvinding beoogt het verschaffen van een inrichting en werkwijze voor het thermisch behandelen van halfgeleidermaterialen door middel van een als stralingsbron fungerend zwart lichaam, dat een constante 8201958 i · - 4 - planaire energieflux produceert.

Een ander oogmerk van de onderhavige uitvinding is het doen toenemen van de korrelgrootte in polykristallijne halfgeleidermateriaal door een inrichting en werkwijze voor het toepassen van infrarode straling 5 uit een zwartlichaambron, die een constante planaire energieflux produceert.

Nog weer een ander oogmerk van de uitvinding is het doen hergloeien van een epitaxiale halfgeleiderlaag uit amorf materiaal door een inrichting en werkwijze voor het toepassen van zwartlichaamsstraling 10 met een constante planaire energieflux karakteristiek.

Het is een verder oogmerk van de uitvinding het verschaffen van een inrichting en werkwijze voor het uitgloeien van een halfgeleider-plaatje door een zwartlichaamsstralingsbron die een constante planaire energieflux produceert. Nog weer een ander oogmerk van de uitvinding is 15 het verschaffen van een inrichting en werkwijze voor het uitgloeien van een halfgeleiderplaatje en het verkrijgen van een hoge activering van dopeermiddel species daarin door middel van een zwartlichaamsstralingsbron die een constante planaire energieflux produceert, die zeer dicht bij het plaatje geplaatst is.

20 De uitvinding zal hieronder aan de hand van enige in de figuren der bijgaande tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht.

Pig. 1 geeft een aanzicht in perspectief, gedeeltelijk weggebroken van een bewerkingsinrichting volgens de onderhavige uitvinding; 25 fig. 2 geeft een zijaanzicht van de inrichting van fig. 1? fig. 3 is een randaanzicht van een plaat voor het vasthouden van een halfgeleiderplaatje in de bewerkingsinrichting van fig. 1 en 2; fig. 4 is een vooraanzicht van een zwartlichaamsstraler, die een constante planaire energieflux produceert om geïncorporeerd te worden 30 in de bewerkingsinrichting van figuren 1 en 2; fig. 5 is in een tijdlijnkaart van de werking van de processor van figuren 1 en 2 als een uitgloeiorgaan voor een halfgeleiderplaatje; fig. 6 geeft een samengestelde kaart, waarbij de redistributie van een doteermiddel wordt weergegeven voor een uitgloeiingshandeling 35 in een conventionele oven uitgloeiorgaan en in de processor volgens de onderhavige uitvinding; fig. 7a en 7b stellen respectievelijk een boven- en een zijaanzicht voor, van een alternatieve uitvoeringsvorm van een plaat voor 8201958 *· c - 5 - gebruik in een processor volgens de onderhavige uitvinding; en fig. 8a-8b zijn respectievelijk een boven- en zijaanzicht van een alternatieve zwartlichaamstraler, die een constante planaire energie-flux produceert.

5 Aldus verschaft de uitvinding een processorinrichting, waarbij een zwartlichaamstraler met constante planaire energiefluxeigenschappen geplaatst is tegenover halfgeleidermateriaal. De zwartlichaambron produceert een constante planaire energieflux teneinde het materiaal gelijkvormig te verhitten. De bron wordt verhit tot een voldoend hoge 10 temperatuur gedurende een voldoend lange tijd voor de technische behandeling van het materiaal, bijvoorbeeld om een halfgeleiderplaatje uit te gloeien of te activeren of een dunne epitaxiale film op epitaxiale wijze opnieuw te laten gloeien.

De werkwijze volgens de uitvinding omvat het opstellen van een 15 zwartlichaamstraler tegenover een halfgeleidermateriaal voor thermische behandeling, het radio-actief verhitten van het materiaal tot een voldoend hoge temperatuur gedurende een voldoend lange tijd teneinde het gewenste resultaat van de werkwijze te bewerkstelligen. In het interval tussen het presenteren van opvolgende monsters van het materiaal aan de bron, kan 20 de bron worden afgesloten of in leeploop gezet worden teneinde energieverbruik te verminderen.

De hiervolgende beschrijving zal uitvoerig ingaan op de toepassing van de inrichting volgens de uitvinding bij het uitgloeien en activeren van halfgeleiderplaatjes. Dit is de meer belangrijke commerciële toepassing 25 van de processor op het ogenblik. Echter de behandeling van polykristal-lijne halfgeleidermaterialen voor het vergroten van de korrelgrootte, de epitaxiale verdere groei van een amorfe laag en dergelijke toepassingen kunnen worden uitgevoerd met de inrichting volgens de uitvinding. De voordelenvan snelle isothermische uitgloeiing zijn verwerkte, minimale 30 nadelige neveneffecten zoals herdistributie of beschadiging aan temperatuur-gevoelige lagen, gelijkmatige behandeling, en de mogelijkheid dat oxide-kaplagen niet nodig kunnen zijn voor geïmplanteerde doperingsmiddelen bij hoge dampdrukken. Deze voordelen zijn in het algemeen van toepassing op halfgeleidermaterialen. Door deze gehele beschrijving heen wordt de 35 uitdrukking zwartlichaamstraler: gebruikt om de thermische bron te beschrijven, die gebruikt wordt in de processor. Deze term wordt geacht ruim genoeg te zijn om het concept van een grijs lichaam te dekken, zijnde een radiator, waarvan het spectrale emissievermogen kleiner is dan één, 8201958 - 6 - maar van welk emissievermogen tenminste een gedeelte als functie van golflengte evenredig is met die van een zwartlichaam.

Ovenuitgloeiorganen maken gebruik van resistieve verhitters, die een kwartsbuis, waarin zich de siliciumoxideplaatjes bevinden, om-5 ringen. De kwartsbuis wordt continu gespoeld door een oxiderende omgeving zoals vochtige lucht of een inert gas zoals stikstof. De verhitting is gebaseerd op convectie, conductie en straling. Er zijn thermische gradiënten van plaatje tot plaatje en over individuele plaatjes. Terwijl thermische schok aan de plaatjes wordt verminderd door langzaam inbrengen 10 van de kwartsbuis in de oven., door temperatuurgradienten ingebouwd in de oven of de oventemperatuur een cyclus te laten doorlopen, is er een neiging voor plaatjes om te buigen of krom te trekken. Ovenuitgloeiorganen vergen een vermogen van 20 kilowatt en zijn duur in bedrijf.

Bij het ovenuitgloeien wordt de redistributie van dópeer- 15 middelen niet gemakkelijk geregeld aangezien de lange uitgloeitijd laterale en vertikale distributie laat optreden op belangrijke afstanden in het materiaal en wel in de orde van 0,5 micron. Dergelijke gratis distributie is niet aanvaardbaar, wanneer de grondregels van het ontwerp de 1 micron naderen. Ook is de activering niet compleet, zodat bij hoge doserings- 15 16 2 20 niveaus, bijvoorbeeld ongeveer 10 -2x10 per cm , uitzonderlijk grote doses moeten worden gebruikt, aangezien de helft van de doperende atomen geen vervangingsposities innemen in het rooster. En een deel van de activering kan van metastabiele aard zijn, zodat het niet blijft bestaan gedurende de levensduur van het produkt. De problemen van herdistributie 25 en onvolledige activering worden in toenemende mate belangrijk naarmate de afmetingen van de inrichting afnemen en aangezien inrichtingen met hun ondiepe junctie of overgang, die junctiediepten bezitten in de orde van 0,2 micron, wordengefabriceerd.

De conventionele wijsheid is geweest, dat teneinde de 30 conventionele ovenuitgloeii ngsproblemen te vermijden, een uitzonderlijk snel uitgloeien geboden was. Aldus zij laser, elektronenbundel en flitslampuitgloeiing onderzocht aangezien deze een zeer snel uitgloeien mogelijk maken in de orde van microseconden of minder. Dergelijke supersnelle uitgloeiing heeft het nadeel dat de beschermende oxidelaag 35 over de halfgeleider kan afschilferen of kapot gaan. Een uitgloeiings-techniek met een uitgloeiingstijd halverwege tussen het ovenuitgloeien en het uitgloeien in minder dan een seconde is het meest wenselijk omdat een bevredigende verwerking kan worden verkregen met enkel het hanteren 8201958 - 7 - van de plaatjes en een bevredigende activering.

De inrichting volgens de uitvinding wordt geïllustreerd door de processor van figuren 1 en 2. De processor is gevormd als een uitgloei-orgaan van een plaatje voor het opnemen, uitgloeien en ontladen van 5 halfgeleiderplaatjes. De uitgloeiinrichting voor plaatjes 10 is weergegeven in fig. 1 in een perspectivisch, gedeeltelijk weggebroken aanzicht. Elektronische regelpanelen 13 zijn opgenomen binnen het huis 11 en zijn toegankelijk via deuren 12. De inrichting maakt gebruik van een Wayflow zwaartekracht in-, zwaartekracht uit-eindstation, zoals beschreven in 10 het Amerikaanse octrooischrift 3.901.183 voor het inbrengen en verwijderen van siliciumoxideoxideplaatjes. Andere uitvoeringsvormen kunnen andere plaatjes hanteringstechnieken toepassen zoals een lucht-baan ("air track") of het cassette-naar-cassettesysteem geopenbaard in de Amerikaanse octrooiaanvrage 106.342 van 21 december 1979. In het 15 Wayflow eindstation wordt een plaatje ingebracht uit een cassette geplaatst in een cassettehouder 18 via een intreegrendel 16 (zie Amerikaans octrooischrift 3.954.191) in een vacuümkamer 24, 20. Het plaatje glijdt door zwaartekrachtsvoeding op een plaat 21, die dan georiënteerd wordt in een geschikte ontvangstpositie. Na het inbrengen 20 van het plaatje, wordt de plaat 21 geroteerd om een as 34 naar een uitgloeipositie tegenover de zwartlichaambron 22. De zwartlichaambron 22 kan worden afgesloten door een afsluitplaat 23 totdat de plaat het plaatje in tegenovergestelde stand brengt, de bron 22 kan "aan" zijn maar in leegloop totdat het plaatje op zijn plaats is of een 25 bepaalde andere overgangsverandering kan worden toegepast. De afstand tussen het plaatje en de zwarte lichaamsbron 22 kan variëren van ongeveer 6,3 mm tot zover praktisch is. De werkelijke afstand wordt bepaald door gelijkvormigheidsvereisten en de ruimte ingenomen door de afsluiter, schermen en platen. Terwille van de gelijkvormigheid is het actieve 30 gebied van de bron bijvoorkeur tenminste zo groot als het plaatje, aangezien de kijkfactor van bron tot plaatje zo hoog en zo gelijkmatig mogelijk moet zijn. Zie M. Jakov Heat Transfer, hoofdstuk 31-7 (1957).

De temperatuur van de zwartlichaamsbron zal in een typerend geval 1400°C zijn teneinde een plaatje van siliciumoxide uit te gloeien en te 35 activeren. De uitgloeiingstijd zal variëren vanaf ongeveer een seconde tot ongeveer tien seconden. Het verhitten gesdiiedt door straling, zodat het plaatje in temperatuur toeneemt totdat in evenwicht het bijna op de temperatuur van de thermische bron is. In praktische systemen met 8201958 t - 8 - cyclische tijden van één tot tien seconden echter zal het plaatje geen evenwicht bereiken aangezien het uitgloeien en het'activeren wordt bewerkstelligd alvorens het plaatje een temperatuur van bijvoorbeeld 900°C bereikt. Nadat het uitgloeien en het activeren is bewerkstelligd 5 wordt het plaatje verwijderd door een uittreegrendel 17 in een cassette van een cassettehouder 19.

Om een gelijkmatige verwarming te bevorderen is het gewenst om te verhitten door straling en niet door convectie. Bij het conventionele ovenuitgloeien wordt verhitting bewerkstelligd grotendeels door convectie 10 van de stikstof, argon of ander gasvormige omgeving; een dergelijke verhitting is niet gelijkmatig als gevolg van thermisch geïnduceerde gasstromen. In het proces of inrichting volgens de uitvinding wordt controle gehandhaafd over de druk tenminste tussen de zwartlichaamsbron en het halfgeleidermateriaal. De druk in dit gebied zal variëren van _7 15 10 torr tot omgeving en wordt zodanig geselecteerd dat de gemiddelde vrije weglengte van het gas veel groter is dan de afstand van bron tot plaatje. Een opmerkelijke verwarming door geleiding wordt daardoor geëlimineerd. Zoals te zien is in fig. 2 wordt een mechanische ruwings-pomp 33 gebruikt in serie met een diffusiepomp 32 teneinde de kamer 24 20 te evacueren via een buis 30 en een schot 31. Aldus wordt de druk in de werkkamer 24, 20 geregeld op het gewenste niveau, waarbij, zoals hierboven vermeld, het criterium is dat de gemiddelde vrije weglengte van de gasmoleculen veéLgroter dient te zijn dan de afstand tussen zwartlichaambron 35 en het plaatje 37. Dientengevolge overheerst de 25 verhitting door straling door middel van de thermische bron 35. De doelmatigheden van deze aanpak zijn hoog, zelfs nadat de kosten voor de vacuüminstallatie in overweging zijn genomen, omdat slechts het plaatje en niet de wanden van de kamer worden verhit.

Het plaatje 37 wordt verhit door een constante planaire energie-30 flux geproduceerd door de zwartlichaamstralingsbron 35. De uitdrukking constante planaire energieflux betekent dat over een planair front een constante energieflux wordt geproduceerd door deze bron. Het vermogen kan variëren als gevolg van het zaagtandprofiel van de bron, maar de energieflux over het planaire front zal constant blijven. De planaire 35 isotherm verhit het plaatje 37 op gelijkmatige wijze. Dit vindt ten dele plaats, omdat de zwartlichaamstraling zich in hoofdzaak bevindt in het infrarode en omdat siliciumoxide gedeeltelijk transparant is voor infrarood. Aldus dringt de straling binnen in een plaatje met een dikte van verscheidene honderden micron in een tijdsbestek van enige milli- 8201958 t - 9 - seconden en verhit dit op gelijkmatige wijze. Wanneer de oppervlakte-temperatuur van het plaatje 900°C is, is de gradiënt door het plaatje minder dan 50°C. Daarenboven kan de straling worden teruggekaatst van het plaatje en teruglopen door het plaatje met aanvullende absorptie 5 of kan terugstralen naar de bron en het rendement van de bron verbeteren. Naarmate de temperatuur van het siliciumoxide toeneemt, vernauwt zich de bandspleet en het gedeelte van het zwartlichaamspectrum beneden de band-spleet neemt toe teneinde absorptie te verbeteren. Ook bij zwaar gedopeerde halfgeleiders wordt de absorptie vergroot als gevolg van 10 het doperen en de beschadiging in de kristalstructuur. Zie Victor I. Fistul' "Heavily Doped Semiconductors Plenum" (1969), hoofdstuk 4; Jacques I. Pankove, "Optical Processes in Semiconductors",Prentice Hall (1971), hoofdstuk 3. Zoals te zien is in fig. 3 wordt het plaatje 37 geplaatst dicht tegenover de zwartlichaambron 35, in de orde van 2½ cm 15 en bijvoorkeur minder dan Ih cm. Aldus aangezien de verhitting door straling overheerst zal de temperatuurgelijkmatigheid van het plaatje 37 in evenwicht zijn met die van hét uitzendende oppervlak van de zwartlichaambron 35, ofschoon in de praktijk het evenwicht dikwijls niet wordt bereikt. Als consequentie van het verhitten zonder temperatuur-20 gradiënt over het vlak van het plaatje, wordt de kans op buigen, omkrullen of scheuren van het plaatje verminderd.

Het plaatje 37 wordt verhit van een temperatuur in de orde van 30°C tot een temperatuur in de orde van 900°C in een aantal seconden, in eertyperend geval van één tot tien seconden. De thermische 25 invoer naar het plaatje, d.w.z. de integraal van de energieflux over de tijd, hangt af van de massa van het plaatje, het materiaaltype, de concentratie aan dopeermiddelen en de verwerkingshistorie van het plaatje. Wanneer de thermische behandleing compleet is, is de thermische bron ofwel afgesloten door middel van een mechanische sluiter 23 weergegeven 30 in figuur 1, in leegloop gezet of uitgeschakeld. Indien het plaatje van siliciumoxide is, wordt het dan bij voorkeur gekoeld tot 700°C de benaderde grens van gloeiing (ongeveer 650 tot 700°C), of lager zodat het uit de uitgloeiingskamer kan worden verwijderd. Dit wordt bewerkstelligd door de plaat op actieve wijze te koelen of door de plaat te roteren 35 zodat het plaatje uitstraalt naar de wanden van de kamer die zich voordoen als een zwartlichaamwarmteafvoer. Zoals weergegeven in fig. 3 bestaat de plaat 21 uit een metalen blok 19, aan de achterzijde waarvan koelspiraalbuizen 40 zijn bevestigd. De koelhuizen 40 bevatten afgekoeld water (10-15°C) met een snelheid van 4,5 1 per minuut (of een ander 8201958 ( - 10 - koelmiddel) en zijn verbonden door (niet weergegeven) doorvoeren naar een uitwendige bron van de uitgloeiingskamer. Aan de voorzijde van de plaat voor het kweken van eengelijkmatige uitgloeiing is een omtreksstrook 42 aangebracht gemaakt uit vuurvast metaal. Deze strook kan worden verhit 5 teneinde een gelijkmatig temperatuurprofiel te waarborgen tussen de randenvan het plaatje en het centrum. Planaire schilden of schermen 40 en 41 zijn eveneens geplaatst tussende thermische bron 35 en de wanden van de vacuümkamer. Deze schermen verminderen de thermische verliezen in overeenstemming met de formule 1/n+l, waarin n het aantal opeenvolgende 10 schermen is, mits er eenvacuümscheiding is tussen elk scherm. In een voorkeursuitvoeringsvorm is de plaat voorzien van inwendige schermen. Zoals weergegeven in fig. 7b is een paar schermen 65 en 66 geplaatst op afstandsstukken 67 tussen het plaatje 70 en het plaatlichaam 68. Deze schermen zijn gefabriceerd uit een vuurvast materiaal zoals Ta of Mo. In 15 de weergegeven voorkeursuitvoeringsvorm bezit het scherm 65 een concave vorm, zodat het plaatje 60 er over.heen glijdt, waarbij slechts contact gemaakt wordt met de omtrek van het scherm. Dit beschermt de inrichting-zijde van het plaatje, indien de achterzijde wordt uitgegloeid en introduceert een aanvullende thermische barrière, aangezien de warmte-20 geleiding tot een minimum wordt teruggebracht. In deze voorkeursplaats 62 zijn metalen bladveren 64 van vuurvast metaal bevestigd aan houders 63 als een aanslag voor het plaatje 60.

Een uitvoeringsvorm van de zwarte lichaamstralen 35 wordt uitvoerig weergegeven in fig. 4. Teneinde gelijkmatige verhitting te 25 verkrijgen over het oppervlak van het plaatje, in overeenstemming met de onderhavige uitvinding, beschrijft de zwarte lichaamsbron een gelijkmatige thermische kaart over het oppervlak ervan. Deze gelijkmatige thermische kaart produceert een planair thermisch front, d.w.z. op evenwijdige vlakken aan de voorzijde van de bron wordt dezelfde temperatuur 30 ervaren. Dus aangezien de verhitting van het plaatje door straling geschiedt, verhit de straling het plaatje met twee dimensionale isotropie. Teneinde de isothermen te produceren wordt een planaire bron bij voorkeur gebruikt ofschoon dat niet noodzakelijk is. In theorie, zoals hieronder zal worden beschreven, kan een niet-planaire bron 35 isothermen produceren.

De voorkeurs zwarte lichaamsbron is een weerstandsmateriaal, dat kan worden gevormd of gesneden tot een planaire vorm ,die een patroon van stroken bevat. De bron met de meeste voorkeur is grafiet, 8201958 - 11 - waarvan een voorbeeld is Stackpole 2020, dat verkrijgbaar is in plaatvorm en gesneden kan worden tot het serpentinepatroon weergegeven in fig. 4.

Op alternatieve wijze kan pyrolytisch grafiet van hoge zuiverheid worden gebruikt. Een laag 50 van grafiet met een dikte van ongeveer 1,59 mm 5 tot 3,175 mm is bewerkt teneinde het serpentinepatroon te produceren bestaande uit stroken 54. De hoeken van de zwartlichaambron 55 zijn gemonteerd op een metalen freem 41 aan tegenover gelegen hoeken ervan door middel van geleidende contacttappen 52 en 53. In een voorkeursuitvoeringsvorm is de koolstofplaat "counterbored" alvorens de stroken 10 worden uitgesneden teneinde de dikte van de plaat binnen de omtrek 51 te verminderen. Als gevolg daarvan is de temperatuur het hoogst in de cirkelvormige zone binnen de omtrek 51, de zone die tegenover een in een plaat vastgehouden plaatje geplaatst is. In een typerend geval zal een dergelijke planaire serpentinestrookbron een energiebron 15 gebruiken van ca. 5 kilowatt ofschoon hoe efficiënter de schermen des te lager de vereiste vermogensinvoer. Voor de meest gelijkmatige verhitting moet de effectieve zone van de zwartlichaambron tenminste even groot zijn als het verhit wordende plaatje en dient het plaatje zo dicht mogelijk bij de bron te zijn als in de praktijk mogelijk is. In 20 een andere alternatieve uitvoeringsvorm wordt een plaat van vuurvast metaal met een dikte in de orde van ongeveer 1/8 mm gestrekt tussen twee paren staafvormige klemmen.of klembalken. Een dergelijke plaatbron bezit een lager emissievermogen dan de de voorkeur verdienende koolstof en is onderworpen aan hoge binnemdringende stromen, aangezien de variaties 25 in de soortelijke weerstand als functie van de temperatuur veel hoger zijn dan met koolstof.

Een niet planaire zwartlichaambron, die een constante planaire energieflux produceert, is weergegeven in de figuren 8a-8c. Twee cilindrische stangen 70 en 71 zijn over een vaste afstand van elkaar verwijderd 30 binnen een geschikt (niet-weergegeven) freem. Een gloeidraad van ee-vuurvast metaal, bijvoorbeeld "0,040" Ta is gewikkeld rondom de stangen teneinde het in fig. 8b volledig weergegeven patroon te weven. De segmenten tussen de stangen staan in het algemeen loodrecht op de stangen, waarbij de verplaatsing langs de lengte van de stangen plaatsvindt naarmate de 35 gloeidraad rondom elke stang wordt gewikkeld zoals weergegeven in fig. 8a.

De verplaatsing van de segmenten is gelijkmatig, zodat de onderliggende segmenten in het midden van de twee aangrenzende over elkaar heen liggende segmenten liggen, zoals te zien is in het bovenaanzicht van fig. 8b.

8201958 - 12 -

Door aldus de figuren 8a en 8b te vergelijken kan men de identiteit van het segment 72' met het segment 72 en van het segment 73' met het segment 73 zien. Het thermische effect in het front van de bron is het benaderen van een planaire bron, waarbij een constante planaire energie-5 flux wordt geproduceerd. In een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de stangen gegroefd zoals weergegeven in fig. 8c teneinde de gloeidraad 75 toe te staan zich te nestelen in de groef 69 van de stang 70, naarmate deze zich wikkelt vanaf de bovenzijde naar de onderzijde of vice versa.

Bij het uitgloeien van plaatjes in overeenstemming met de 10 werkwijze volgens de uitvinding is gebleken dat de herdistributie van dopeermiddelen op aanzienlijke wijze verminderd is. Fig. 6 vergelijkt de herverdeling van dopeermiddelen van het met borium geïmplanteerde siliciumoxide voor een ovenuitgloeiorgaan ( + merken) met het uitgloeien van een met borium geïmplanteerd siliciumoxide in de processor van de 15 onderhavige uitvinding ( 0 merken). Het in de oven uitgegloeide plaatje 14 2 ondervond een dosis van 9,6 x 10 /cm borium 11, dat bij 50 kev geïmplanteerd werd. Het plaatje werd in de oven uitgegloeid bij 1000°C gedurende 30 minuten. Het in de processor volgens de uitvinding behandelde plaatje ondervond een dosis van 1 x 10 /cm borium 11 20 geïmplanteerd bij 50 kev. De processor werd bediend bij 4,5 kw gedurende 10 seconden, waarbij de achterzijde van het plaatje blootgesteld was aan de zwartlichaambron van fig. 4. De maximumverdeling van het borium in het in de oven uitgegloeide siliciumoxide was ongeveer 0,72 /«m; de maximale distributie van het in de processor volgens de uitvinding behandelde 25 borium was ongeveer 0,55yUm. Daarnaast was de piekdistributie van borium in het in de processor volgens de uitvinding behandelde siliciumoxide hoger, hetgeen een logisch resultaat is aangezien de originele doses vergelijkbaar waren.

De werkwijze volgens de uitvinding kan worden gezien door een 30 plaatje te volgen door de component-tijdlijnkaart van fig. 5. Het plaatje 1 wordt geplaatst in de intreesluis bij de vulhandeling. De intreesluis wordt leeggepompt tot een vacuüm vein ongeveer 0,1 tor. Na ongeveer 1 sec. opent de sluis zich naar de behandelingskamer en wordt het plaatje vervolgens geplaatst op de plaat in de behandelingskamer. Wanneer eenmaal 35 de behandelingskamer is afgedicht en de plaat zich in een positie bevindt tegenover de zwartlichaamsbron, wordt een constante planaire thermische flux toegepast gedurende een tijdsperiode tussen ca. 1 seconde ; en ca. 10 seconden. Wanneer de maximumtemperatuur is bereikt, wordt de 8201958 - 13 - zwartlichaamsstraler in leegloopstand gezet of afgesloten en wordt de plaat geroteerd naar een positie waarbij het nu hete plaatje kan afkoelen gedurende ongeveer 2 seconden door het uitstralen van energie naar de wanden van de kamer. Op alternatieve wijze kan de zwartlichaams-5 straler worden geprogrammeerd door een microprocessorregelorgaan teneinde elke gewenste temperatuurcyclus te doorlopen. Het plaatje wordt dan gebracht in de uittreesluis, waar het plaatje wordt gekoeld door gasgeleiding en convectie tijdens het ventileren van de uittreesluis. Het plaatje wordt vervolgens overgebracht vanuit de uittreesluis naar het 10 uitwendige. Een tweede plaatje sleept achter het plaatje 1 aan en andere plaatjes worden in volgorde bewerkt. Bij de werkwijze volgens de uitvinding is een hoge verwerkte hoeveelheid materiaal, in de orde van van 150 tot 250 plaatjes per uur mogelijk, waarbij slechts verscheidene plaatjes op enig tijdstip gevaar lopen.

15 Bij de praktische toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding is het gewenst vervuiling van het actieve oppervlak van het plaatje te vermijden. Dit oppervlak is bijzonder kwetsbaar voor vervuiling door Na+ en zware metalen. Dus alleen zuivere warmtebehandelde, koolstof of metaalfoelie thermische bronnen kunnen worden gebruikt. Grafiet-20 bronnen moeten grondig gereinigd worden, bijvoorbeeld door stoken in vacuüm, aangezien C-V verschuivingen aangeven dat metallische verontreinigingen aanwezig kunnen zijn zonder een dergelijk stoken. Een variant in de praktijk van de werkwijze, die vervuiling vermijdt, is het plaatje te laten glijden in de plaat met van buiten toegankelijke achterzijde. Aldus 25 zal elke vervuiling vanuit de bron vallen op de achterzijde van het plaatje, ver weg van de actieve gebieden aan de voorzijde en zullen de werking van de inrichting niet hinderen. Als gevolg van de planaire constante energiefluxverhitting, hiervoor beschreven, zalde bovenzijde van het plaatje zichzelf gelijkmatig en gedurende korte tijd (enige 30 milleseconden) verhitten nadat de van buiten toegankelijke achterzijde het planaire isotropische thermische front ervaart. De gehele dikte van het plaatje wordt eveneens gelijkmatig verhit.

35 8201958

Claims (20)

1. Inrichting voor het thermisch behandelen van een halfgeleider-materiaal bevattende een behandelingskamer; middelen om de druk in de behandelingskamer te regelen; middelen voor het inleiden en verwijderen van het halfgeleidermateriaal uit de behandelingskamer; een plaat 5 gemonteerd binnen de behandelingskamer voor het opnemen van het materiaal bij de introductie ervan, waarbij het materiaal vastgehouden wordt tijdens de thermische behandeling en de . aflevering van het materiaal ter verwijdering ervan'? en een bron in de vorm van een zwartlichaam, welke bron een constante planaire energiefluxkarakteristiek bezit, en . 10 tegenover de plaat geplaatst is tijdens de thermische behandeling.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de middelen voor het regelen van de druk in de behandelingskamer middelen omvatten om een vacuüm op te wekken.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het 15 halfgeleidermateriaal een plaatje bevat van een één-kristalhalfgeleider-materiaal.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de zwartlichaambron geplaatst is op minder dan 12,7 mm van de plaat en daaraan in wezen evenwijdig gehouden wordt tijdens de thermische behandeling. 20 5. - Inrichting volgens conclusie 3, waarbij de zwartlichaambron een effectieve zone bezit van constante planaire emissie groter dan de zone van het halfgeleiderplaatje.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk,dat de plaat actieve koelmiddelen omvat teneinde het hoofdlichaam van de plaat te 25 koelen.

7. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk,dat de plaat tenminste één thermisch scherm bevat geplaatst tussen het plaatje en het hoofdlichaam.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het 30 uitwendige scherm van tenminste één thermisch scherm een concave vorm bezit, zodat het plaatje slechts rondom de omtrek daarmede in contact is.

9. Inrichting volgens conclusie 8, in combinatie met veer-aanslagen van vuurvast metaal om het plaatje op te nemen en tegen te 35 houden wanneer het in de plaat wordt ingébracht.

10. Werkwijze voor de thermische behandeling van een halfgeleidermateriaal, waarbij het materiaal geïntroduceerd wordt in een behandelingskamer; de druk in de behandelingskamer geregeld wordt; het materiaal in 8201958 t - 15 - de kamer verhit wordt door een zwartlichaambron, die een constante planaire energiefluxeigenschap bezit, waarbij het plaatje geplaatst wordt in wezen evenwijdig aan de zwartlichaambron.

11. Werkwijze, volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het 5 verhitten van het halfgeleidermateriaal wordt bewerkstelligd door een halfgeleiderplaatje te verhitten tot tenminste 700°C gedurende tenminste een tiende seconde.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het verhitten van het halfgeleiderplaatje wordt bewerkstelligd door het 10 plaatje te verhitten tot ongeveer 900°C gedurende tenminste vijf seconden.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat na het verhitten het plaatje wordt verwijderd uit de omgeving met geregelde druk.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat na het 15 verhitten van het plaatje en alvorens dit te verwijderen, het plaatje wordt afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer 700°C door stralingsafgifte.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat het koelen van het plaatje wordt bewerkstelligd door de plaat te roteren weg van de bron naar een positie, waarbij het plaatje uitstraalt naar de 20 wanden van de behandelingskamer. 16. ,: -Zwartlichaamstralingsbron voor inbouw in halfgeleiderprocessor, bevattende een zwartlichaamstralingsbron met een constante planaire energiefluxeigenschap .

17. Zwartlichaamstralingsbron volgens conclusie 16, met het kenmerk, 25 dat de bron een in hét" algemeen planaire plaat van grafiet bevat, welk grafiet gevormd is tot een serpentinestrokenpatroon.

18. Zwartlichaamstralingsbron volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de bron zodanig gevormd is, dat zij een hogere constante energiefluxeigenschap bezit over een centraal gebied dan elders rondom de omtrek.

19. Zwartlichaamstralingsbron volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat het centrale gebied cirkelvormig is.

20. Zwartlichaamstralingsbron volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat cfe grafietplaat dunner gemaakt is in het centrale gebied teneinde de hogere constante energieflux te produceren.

21. Zwartlichaamstralingsbron volgens conclusie 16, bevattende een freem; een paar isolatorpolen gemonteerd aan het freem^van elkaar verwijderd en in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar; en een gloeidraad gewikkeld tussen de polen ter vorming van een patroon zodanig dat de gloeidraad 8201958 - 16 - afwisselend ligt in het vlak beschreven door de bovenste raaklijnen aan de polen en in het vlak beschreven door de onderste raaklijnen aan de polen, welke afwisselende segmenten zodanig versprongen zijn, dat nagenoeg alle segmenten bijdragen aan de constante planaire energiefluxeigenschap.

22. Zwartlichaambron volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat spiraalvormige groeven zijn gevormd in de polen om te maken dat de gloei-draad in wezen loodrecht kan staan op de polen in de vlakken van de polen en om hun verspringing te verkrijgen in de groeven naarmate zij daaromheen gewonden worden. 10 m 8201958