WO2002095803A1 - Method and device for thermally treating substrates - Google Patents

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WO2002095803A1
WO2002095803A1 PCT/EP2002/004791 EP0204791W WO02095803A1 WO 2002095803 A1 WO2002095803 A1 WO 2002095803A1 EP 0204791 W EP0204791 W EP 0204791W WO 02095803 A1 WO02095803 A1 WO 02095803A1
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radiation
substrate
wafer
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PCT/EP2002/004791
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Markus Hauf
Christoph Striebel
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Mattson Thermal Products Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers.
  • Computer chips and other electronic components are manufactured on round semiconductor wafers. This requires many different work steps and processes, such as B. structuring, lithography, ion implantation, etching or coating. Coating processes in particular require a defined temperature profile of the wafer in a given atmosphere for successful layer growth. However, a pure temperature treatment of the wafer in a vacuum often occurs as a post-treatment process for a previous treatment step, for example after implantation of ions to heal the damage caused as a result of the implantation in the crystal lattice of the wafer.
  • RTP systems Rapid Thermal Processing
  • RTP systems Rapid Thermal Processing
  • They enable fast and well-defined thermal treatment of wafers under specified process conditions.
  • RTP systems allow the wafer to be treated to be heated up to 1200 ° C and more within a few seconds. Heating rates of up to 500 ° C / s can be achieved.
  • the decisive economic advantage of these systems compared to other thermal processing systems is their speed, which enables high throughput.
  • a rapid heating system as is known, for example, from DE-A-199 05 524, which was assigned to the applicant is heated with electromagnetic radiation.
  • the well-known rapid heating system has ne process chamber made of quartz glass for receiving a substrate. Heating lamps are arranged above and below the process chamber, which generate electromagnetic radiation for the thermal treatment of the substrate. The heating lamps and the process chamber are surrounded by a further chamber (reflector chamber) which has reflecting inner walls in order to reflect electromagnetic radiation generated by the heating lamps.
  • the quartz glass in the process chamber is essentially transparent to the spectrum of electromagnetic radiation that is generated by the heating lamps.
  • the process chamber has inflows and outflows for process gases, through which a suitable gas atmosphere can be generated within the process chamber during the thermal treatment of the substrate.
  • a pyrometer is provided as a temperature measuring device for measuring the wafer temperature.
  • the radiation from the heating lamps is modulated.
  • the radiation emitted by the substrate on the substrate can be distinguished from the reflected and transmitted radiation.
  • the emissivity of the wafer can be determined on the basis of this distinction, which is necessary for determining the temperature of the wafer on the basis of the radiation emitted by it. Details of the modulation and the temperature determination method can be found in the aforementioned DE-A-199 05 524 or US-A-5, 154, 512.
  • the pyrometer-based temperature measurement has the problem that there is a strong radiation field in the process or reflector chamber, which makes it difficult to distinguish the radiation emitted by the wafer from the residual radiation.
  • the temperature radiation emitted by the wafer and measured by the pyrometer can be superimposed by the residual radiation. This results in a very unfavorable signal (radiation emitted by the wafer) to the background (residual radiation) ratio.
  • This problem increases in particular at low wafer temperatures, as the wafer decreases from ⁇ emit radiation struck with decreasing temperature rapidly. Fertemperaturen at low Wa ⁇ therefore also reduces the signal-to-background ratio.
  • the wafer Below approximately 400 ° Celsius, the wafer emits very little radiation and, beyond this, it is more transparent to the heating radiation, so that the signal-background ratio deteriorates again. For temperatures below 400 ° Celsius, it is therefore usually no longer possible to determine the wafer temperature with a pyrometer using the conventional method.
  • the temperature radiation of the wafer can thus be determined very well.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a pyrometer-based temperature measurement of substrates in a simple and inexpensive manner, which enables an exact temperature measurement even at low temperatures.
  • this object is achieved by a device for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, which has at least one first and at least one second radiation source, at least one transparent shield between the first radiation source and the substrate, which absorbs predetermined wavelengths of radiation, at least one on the On the side of the second radiation source, the radiation detector arranged on the substrate and measuring radiation with the predetermined wavelengths has a device for modulating the radiation emitted by the radiation source and a device for determining the radiation emitted by the second radiation source.
  • the invention thus provides for filtering of certain wavelengths starting from the first radiation sources, which are in the measuring range of a radiation detector directed onto the wafer. In this way, the signal-to-background ratio of the substrate radiation to the residual radiation can be considerably improved.
  • the unfiltered lamps located on the side of the radiation detector are modulated and the radiation emanating from them is determined, as a result of which the reflectivity of the wafer can be determined, which in turn makes a conclusion about the emissivity of the wafer in the range of the measurement wavelength of the pyrometer allowed.
  • the temperature of the wafer can now be determined on the basis of the emissivity and the radiation emitted by the wafer.
  • the second radiation sources are arranged only on the side of the substrate to which the radiation detector is directed in order to measure on the pyrometer essentially only radiation emitted by the wafer and reflected on it.
  • a device for regulating the first radiation sources, which are regulated as a function of the pyrometer-based temperature determination of the wafer in order to subject the wafer to a specific temperature profile.
  • a device for controlling the second radiation sources is also provided, so that they are operated constantly or possibly also certain setpoints are controlled.
  • only the first, filtered radiation sources are used for the temperature control of the wafer. This prevents jumps in the intensity of the reflected lamp radiation, which is in the range of the measurement wavelength of the pyrometer, which facilitates the temperature determination.
  • the radiation sources are advantageously heating lamps.
  • the transparent shield which absorbs the predetermined wavelengths of the lamp radiation, is formed by the bulbs of the heating lamps.
  • the desired filter function can be achieved in a simple and inexpensive manner.
  • a simple replacement of the heating lamps in existing systems can be retrofitted.
  • the transparent shield is a process chamber wall which lies between the first radiation sources and the substrate and which absorbs the predetermined wavelength.
  • the absorbing process chamber wall is arranged on the side of the substrate facing away from the pyrometer, so that it is ensured that no radiation with the predetermined wavelength falls on the side of the substrate facing away from the radiation detector.
  • the transparent shield advantageously has at least one filter layer for absorbing the predetermined wavelengths, which according to one embodiment can be spatially separated from a further transparent material, such as a process chamber wall made of quartz glass.
  • the transparent shield preferably has OH-enriched quartz glass, which preferably absorbs wavelengths between 2.6 ⁇ m and 2.8 ⁇ m.
  • a device for cooling the same is provided.
  • the cooling device preferably has a cooling gas or a cooling liquid.
  • the radiation detector is a pyrometer.
  • the substrate is preferably a coated semiconductor wafer, in particular with a CO and / or Ti coating.
  • the wafer preferably has a low transmissivity.
  • the transmissivity of the substrate is preferably below 0.15.
  • a second radiation detector is provided, which is preferably arranged in such a way that it enables a transmissivity measurement in order to be able to determine the emissivity of the substrate even more precisely.
  • the second radiation detector measures radiation outside the predetermined wavelengths in order to be able to measure non-absorbed and modulated radiation from the radiation sources.
  • the second radiation detector preferably measures radiation below and above the predetermined wavelengths in order to be able to determine a transmissivity of the substrate in the range of the predetermined, absorbed wavelength via an interpolation, preferably a linear interpolation.
  • the second radiation detector is directed towards the side of the substrate facing away from the second radiation source and measures radiation with the predetermined wavelength. In this way, radiation emanating from the second heating lamps and passing through the wafer can be used directly for a transmissivity determination.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, with the following method steps: irradiating the substrate with at least one first and at least one second radiation, absorbing predetermined wavelengths of the first radiation between a first radiation source and the substrate, measuring a radiation coming from the substrate at the predetermined wavelengths with a radiation detector which is arranged on the same side as a second radiation source, modulating the second radiation emanating from the second radiation source and determining the second radiation emanating from the second radiation source.
  • This method enables the advantages already mentioned in relation to the device, namely the improvement of a signal-background ratio through the absorption of predetermined wavelengths of the first radiation, and the determination of the emissivity of the wafer through the modulation of the second radiation.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a rapid heating system according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic sectional view through a rapid heating system according to a second embodiment of the present invention.
  • 3 is a graphical representation of the relationship between transmissivity and reflectivity for certain wafers; 4 shows a temperature measurement curve for a wafer coated with cobalt, which is being thermally treated; 5 shows a graphical representation for the determination of the measuring range for a transmissivity measurement according to an embodiment of the present invention.
  • a process chamber 2 which receives a semiconductor wafer 3, is formed by an upper transparent plate 4 and a lower transparent plate 5, preferably quartz plates.
  • the wafer 3 to be processed is placed on a holding device 6 in the process chamber 2. Inlets and outflows for process gases, by means of which a gas atmosphere suitable for the process can be produced, are not shown.
  • Heaters in the form of lamp banks 7 and 8, are mounted above and / or below the process chamber 2.
  • the plates 4 and 5 lie between the wafer 3 and the lamp banks 7 and 8 and thus have the effect of a transparent shield to form a closed process chamber.
  • the entire arrangement is enclosed by an outer furnace chamber 9, which also forms the side walls of the process chamber 2 and whose walls can be mirrored at least in sections.
  • the lamp banks 7 and 8 each have a multiplicity of rod-shaped tungsten halogen lamps 10 and 1 arranged in parallel. Alternatively, other lamps such as point lamps can also be used.
  • the wafer 3 is heated with the electromagnetic radiation emitted by the lamps. In the embodiment according to FIG.
  • the lamp bulbs of the heating lamps 10 of the upper lamp bank 7 have lamp bulbs which absorb predetermined wavelengths of the lamp radiation.
  • the lamp bulbs are made of OH enriched quartz glass and they absorb wavelengths in the range between 2.6 ⁇ m and 2.8 ⁇ m. This ensures that radiation from the upper lamp bank has a gap in the range between 2.6 and 2.8 ⁇ m.
  • the lamp bulbs of the lamps 11 of the lower lamp bank 8 are essentially transparent to the entire spectrum of the electromagnetic radiation from the lamps, so that the entire spectrum falls on the wafer 3 in the process chamber 2.
  • the radiation from the lamps 11 of the lower lamp bank is modulated by a modulation unit (not shown in more detail) with a characteristic parameter, as is known, for example, from the aforementioned DE-A-199 05 524, which is made the subject of the present invention, by repetitions to avoid.
  • a pyrometer 13 is provided as a temperature measuring device, which is arranged on the side of the lower lamp bank and is directed toward the side of the wafer facing the lower lamp bank 8.
  • the measuring range of the pyrometer 13 lies in a wavelength range which lies in the gap of the radiation from the upper lamp bank.
  • the pyrometer 13 measures radiation with wavelengths of 2.7 ⁇ m.
  • the pyrometer 13 essentially only measures radiation that is emitted by the wafer 3 or radiation that emanates from the second unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 and is reflected on the wafer. Because the radiation from the second lamps 11 has a modulation, the radiation emitted by the wafer, which does not have this modulation, can be distinguished from the reflected lamp radiation.
  • the reflectivity of the wafer can be determined on the basis of the determined radiation intensity of the lamps 11 and the intensity of the radiation originating from the second lamps 11, measured on the pyrometer 13, which is reflected on the wafer 3 and can be distinguished from the wafer radiation on the basis of the modulation determine.
  • the reflectivity in turn allows a conclusion to be drawn about the emissivity of the wafer, which is necessary for determining the temperature of the wafer, since the measured wafer radiation alone, without knowledge of the emissivity, does not allow any conclusion to be drawn about the temperature of the wafer.
  • transmissivity i.e. the permeability of the wafer in the range of the measured wavelength.
  • transmissivity i.e. the permeability of the wafer in the range of the measured wavelength.
  • the transmissivity does not have to be determined separately, since this is negligible.
  • the transmissivity of the wafer can also be measured.
  • a second pyrometer (not shown) can be provided, which is directed, for example, towards the side of the wafer facing away from the lower lamp bank and likewise measures radiation in the range of 2.7 ⁇ m. Since the upper lamp bank does not emit any radiation in this wavelength range due to the filter function of the lamp bulbs, only the radiation from the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank, which has passed through the wafer, falls into the pyrometer in addition to the actual wafer radiation. This in turn has a modulation that enables a differentiation to the wafer radiation. Because the radiation intensity the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 is known, the transmissivity of the wafer can now be determined.
  • the emissivity of the wafer 3 can now be determined precisely.
  • the temperature of the wafer can be determined very precisely on the basis of the radiation emitted by the wafer, which can be determined either by the pyrometer 13 or the upper pyrometer (not shown). This applies in particular also at low wafer temperatures at which the intrinsic radiation of the wafer 3 is low, specifically because of the improved signal-to-background ratio between the wafer radiation and the lamp radiation.
  • the heating devices can now be regulated on the basis of the known temperature.
  • only the filtered lamps 10 of the upper lamp bank 7 and, if appropriate, filtered lamps of the lower lamp bank 8 are used for the control.
  • the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 are either operated constantly or are controlled to specific setting points. This prevents jumps in the intensity of the lamp radiation which is used for the reflectivity and, if appropriate, transmissivity measurement of the wafer.
  • a known, essentially constant lamp radiation is always available for the reflectivity or transmissivity measurement, which enables an improved temperature determination for the wafer.
  • FIG. 2 shows a rapid heating system according to an alternative embodiment of the invention. It consists of an outer chamber 20, the one Metal chamber or steel chamber with any geometric cross section can be. Both rectangular and round chambers are possible.
  • the chamber inner wall is preferably partially or completely mirrored by means of a highly reflective layer.
  • the chamber wall has a small opening 21 which allows radiation to be measured to emerge from the interior of the chamber. Through this opening, the radiation to be measured either falls directly into a radiation measuring device located behind it and not shown in the figure, preferably a pyrometer, or it is guided to the latter via a conductor arrangement such as optical fibers.
  • Heating devices in the form of an upper lamp bank 27 and a lower lamp bank 28 are provided in or on the chamber ceiling and in or on the chamber floor.
  • the lamp banks 27, 28 preferably have lamps 29 and 30, respectively, which can also shine in visible light.
  • the lamp banks each have a plurality of tungsten-halogen lamps 29 and 30 as heating lamps.
  • all the lamp bulbs of the lamps 29, 30 are made of a material which is essentially transparent to the entire radiation spectrum of the lamps. These can be rod-shaped lamps or arbitrarily arranged point-shaped lamps. It is also possible to equip the lower lamp bank 28 with rod-shaped lamps and the upper lamp bank 27 with point-shaped lamps or vice versa. Both types of lamps are also possible within a lamp bank 27, 28.
  • both lamp banks 27, 28 consist of rod-shaped lamps
  • the flashlights of the upper lamp bank 27 are arranged parallel to the flashlights of the lower lamp bank 28 or arrangements in which the flashlights of the upper lamp bank 27 are opposite the flashlights of the lower Lamp bank are crossed, preferably at right angles.
  • a substrate 33 to be treated such as. B. a disk-shaped semiconductor wafer, preferably made of silicon.
  • the wafer 33 can be uncoated, coated and / or implanted his. Coated wafers are advantageously used. Wafers with a Co or Ti layer or a combination thereof are preferred since their transmission coefficient (transmissivity) is less than 0.15 at temperatures of 350 ° C.
  • the disk-shaped wafer 33 is arranged with its upper side 35 and with its lower side 36 parallel to the lamp banks 27 and 28.
  • a plate-shaped transparent shield 38 is arranged between the upper lamp bank 27 and the upper side 35 of the wafer 33.
  • a transparent shield 39 is provided between the underside 36 of the substrate 33 and the lower lamp bank 28.
  • the shields 38 and 39 span the entire chamber 20, so that the inner volume of the chamber 20 is divided into three.
  • the shields 38 and 39 form a process chamber 42 inside the chamber 20, in which the substrate 33 is located.
  • a process atmosphere which is conducive to the desired process can be formed with partly aggressive gases and under high or low pressures without impairing or closing the lamps 29, 30 of the lamp banks 27 and 28 or the mirrored inner wall of the chamber 20 contaminate. Corresponding gas inflows and outflows are provided for this, but these are not shown in FIG. 2.
  • the upper shield 38 is designed to absorb predetermined wavelengths or wavelength ranges from the spectrum of the heating radiation emitted by the upper lamp bank 27, so that the upper side of the substrate 33 is heated by a heating radiation which has a wavelength spectrum with at least one gap.
  • Such an absorption effect can be achieved by appropriate filters in the form of one or more coatings of the shield 38 or one or more filter foils which are applied to a transparent base material, ie a transparent base plate. Quartz glass is preferably used for the transparent base material. If filter foils are used, these foils do not necessarily have to be attached to the transparent base plate or be in direct contact with it. Rather, the filter foils can be spatially separated from the transparent base plate and be closer to the upper lamp bank 27 than to the transparent base plate. Such a spatially separated arrangement of filter foils and transparent base plate is also referred to below as shield 38.
  • Such coatings and foils make it possible to remove predetermined wavelength ranges from the spectrum of the heating radiation. This can be one or more wavelength intervals and / or discrete individual wavelengths.
  • the plate-shaped transparent shield 38 is made of quartz glass enriched with OH.
  • This quartz glass has the property of absorbing infrared light in the wavelength range between 2.6 ⁇ m and 2.8 ⁇ m, which creates a gap in the wavelength spectrum of the heating radiation in this interval. Difficulties that can arise with the coating of quartz plates and the holding of filter foils are avoided by using an OH-enriched quartz plate.
  • the shield 38 Since the shield 38 is heated by the absorption of part of the heating radiation, cooling of the latter may be necessary, since a warm shield 38 itself emits thermal radiation, which can impair the desired temperature profile of the substrate 33.
  • a cooling gas can be provided which flows outside the process chamber 42 via the shields.
  • the cooling gas can flow through corresponding cooling lines, which are located inside the shields 38, 39.
  • a coolant such as an oil is also possible. If the shielding 38, for example from a transparent base plate with one or more spatially separated filter foils, so the cooling medium can flow between the foils and the transparent base plate.
  • the lower shielding 39 is transparent for these wavelengths. It is preferably a plate made of ordinary quartz glass.
  • the heating radiation is primarily emitted by the upper lamp bank 27, with which the wafer 33 is heated to a predetermined temperature.
  • This radiant heat consists of a spectrum of different wavelengths. 2 shows qualitatively two beams for two different wavelengths of this heating radiation, namely beam 44, which represents a light beam with a wavelength of 2.7 ⁇ m and beam 45, which represents a light beam with a wavelength of 2.3 ⁇ m.
  • the shield 38 which consists of an OH-enriched quartz plate, ie the beam 44 cannot penetrate the shield 38 and is swallowed by it.
  • the wavelength of the beam 45 is outside the absorption area of the shield 38 and penetrates it unhindered. According to the drawing, it also penetrates the lower shield 38 and is reflected on the mirrored inner wall of the outer chamber 20, penetrates the shield 38 again and strikes the wafer 33. Since the wafer 33 itself is highly reflective, only a part of the Beam 45 absorbed and the rest reflected. Incidentally, this is one of the reasons why the radiant heat must be so intense.
  • the beam 45 falls on the opening 21 in the chamber 20 and reaches the radiation detector.
  • the lamps 30 of the lower lamp bank 28 are controlled so that they radiate weaker than the lamps 29 of the upper lamp bank 27. Furthermore, the radiation from the lamps 30 is weakly modulated.
  • the radiation spectrum of the lamp bank 28 is advantageously the same radiation spectrum as that of the lamp bank 27.
  • the shield 39 allows the modulated radiation of the lamp bank 28 to pass through unhindered.
  • a beam 49 with a wavelength of 2.7 ⁇ m and a beam 48 for a wavelength of 2.3 ⁇ m are also shown here. Both rays pass through the shield 39 unhindered, are largely reflected by the substrate 33 and strike the opening 21 in the outer chamber 20.
  • Radiation is also emitted from the warm wafer 33.
  • the wafer radiation is shown in dashed lines, with beam 51 symbolizing a beam with a wavelength of 2.7 ⁇ m and beam 52 symbolizing a beam with a wavelength of 2.3 ⁇ m.
  • the corresponding signal background conditions for a measurement of the pyrometer at 2.3 ⁇ m and at 2.7 ⁇ m are indicated in FIG. 2.
  • the signal-background ratio for radiation of the wavelength 2.7 ⁇ m is enormously improved compared to the signal-background ratio for radiation of the wavelength 2.3 ⁇ m, since in the latter a considerable portion results from the heating radiation from the upper lamp bank and the radiation emitted by the wafer this wavelength is covered.
  • a pyrometer is used to determine the temperature of the wafer, which measures radiation with a wavelength of 2.7 ⁇ m. At this wavelength, a good signal-to-background ratio of wafer radiation and the reflected radiation at the wafer results because exclu ⁇ Lich radiation from the lower bank of lamps 28 with this wavelength falls on the pyrometer. Due to the modulation of the lamp radiation of unte ⁇ ren bank of lamps, the wafer radiation can in the above-described manner can be easily separated from the reflected radiation at the wafer.
  • the radiation intensity of the lamps of the lower lamp bank is, as described above wrote, by means of a pyrometer or in some other way, such as ⁇ example, a measurement of the electrical power consumed by the lamps, determined.
  • the reflectivity of the wafer and its emissivity can be determined again in the manner described above.
  • the temperature of the wafer can now be determined on the basis of the emissivity and the wafer radiation.
  • the use of the invention has proven to be particularly advantageous in the production and processing of wafers which are provided with a Co or Ti layer. Since CoSi 2 is a good electrical conductor, silicon wafers are coated with Co and heated to produce electrical contacts from CoSi 2 . The formation of CoSi 2 takes place in the temperature range between 400 ° C and 500 ° C, ie for the defined temperature control of the wafer it is necessary to control its temperature below 400 ° C.
  • a wafer coated with cobalt has a transmissivity which is so low and essentially constant that a separate determination is not necessary.
  • 3 shows the transmissivity of a wafer over the reflectivity.
  • the lines of constant emissivity are drawn into the diagram as dashed lines. These decrease from left to right, since transmission, reflectivity and emissivity add up to 1 at any time.
  • the diagram shows the transmission numbers for different reflectivities for different wafers: First, for an uncoated silicon wafer, a coated wafer and a cobalt-coated wafer.
  • FIG. 4 shows the temperature profile of a wafer coated with cobalt in arbitrary time units, which was thermally treated in a rapid heating system according to FIG. 2. The temperature rises to 450 ° C in order to remain at this value for a certain time and then to decrease again. The temperature profile was monitored once using temperature sensors that were in direct contact with the wafer (curve A) and once using a pyrometer (curve B), using the above method.
  • a further pyrometer is necessary, which is directed onto the wafer 33 through a corresponding opening in the chamber 20 above the upper lamp bank 27.
  • the transmission C of the OH-enriched upper quartz plate 4 is shown as line C.
  • the transmission as it is clearly seen is the micron ⁇ ser quartz plate for wavelengths from 2.7 to 2.8 .mu.m equal to zero, that is, the plate is opaque to these wavelengths. In this wave length range ⁇ but is the wavelength for which the lower radiation ⁇ y
  • tion detector measures the wafer reflectivity for emissivity determination. Strictly speaking, in order to link emissivity and transmittance to determine the temperature, the transmittance of the wafer would have to be determined at precisely this wavelength. However, this is not possible due to the opacity of the upper quartz plate 38 for light of this wavelength.
  • a filter is connected upstream of the upper pyrometer, which has a wavelength-dependent course of the transmission, as shown by curve D in FIG. 5.
  • this filter In the area of the optical opacity of the quartz plate 4, this filter has its greatest transparency. The transparency of the filter decreases towards smaller and larger light wavelengths.
  • the transmission through the wafer can be seen measure for a wavelength from the area to the left of the absorption area of the quartz and the transmission through the wafer for a wavelength from the area to the right of the absorption area of the quartz. Since the transmission of the wafer changes only weakly or approximately linearly with the wavelength, the transmission for the desired wavelength can be determined from the absorption range of the quartz by averaging or approximation.
  • NEN measurement of the reflectivity of the wafer can now exactly determine the emissivity, even for wafers whose transmittance is greater than 0.15. This enables reliable temperature control in areas below 400 ° C up to approximately 300 ° C.
  • the lamps of the lower lamp bank are modulated in such a way that the radiation from the lamps of the respective upper and lower lamp banks can be distinguished.
  • a radiation detector such as a pyrometer, for example, which is arranged below the lower lamp bank 28 for the transmission measurement. This can then be measured in the above manner from the radiation emanating from the upper lamp bank, which in turn is modulated and thus differs from the wafer radiation and the radiation from the lower lamp bank.
  • the radiation falling on the pyrometer as a result of multiple reflection can either be taken into account in a calibration of the system, or it is neglected in determining the transmissivity.
  • the first example for the transmissivity measurement is preferred because, as in the first exemplary embodiment, the upper lamp bank is used for the temperature control of the wafers, while the lower lamp bank is kept constant or is controlled to specific setting points. This results in an essentially constant or changing intensity of the lamp radiation for the reflection and transmission measurement. In the case of the lamps used for temperature control, however, the intensity of the lamp radiation can change rapidly, causing jumps that can impair the reflection and transmission measurement.
  • the radiation intensity of the lamps can be used for the determination
  • a suitable other measuring device such as a device that calculates the intensity on the basis of the electrical power consumed by the lamps, is used.
  • individual features of the above-described embodiments can be exchanged or combined with one another in any compatible manner.

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Abstract

The invention relates to a simple and economical way to measure temperature based on pyrometers, enabling temperature to be measured in a precise manner even when said temperatures are low. Disclosed is a device and a method for thermal treatment of substrates, wherein the substrate is irradiated with at least first and second rays; predefined wavelengths of the first rays are absorbed between a first radiation source and the substrate; rays coming from the substrate are measured at the predefined wavelength with a radiation detector which is disposed on the same side as a second radiation source; the second rays emitted by the second radiation source are modulated and the second rays emitted by the second radiation source are determined.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten Method and device for the thermal treatment of substrates
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern.The present invention relates to a method and an apparatus for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers.
Computerchips sowie andere elektronische, Bauteilen werden auf runden Halbleiterscheiben, sogenannten Wafem, gefertigt. Dazu sind viele verschiedene Arbeitsschritte und Prozesse notwendig, wie z. B. Strukturierung, Litho- graphie, Ionenimplantation, Ätzen oder Beschichten. Insbesondere Beschich- tungsprozesse verlangen einen definierten Temperaturverlauf des Wafers bei vorgegebener Atmosphäre zum erfolgreichen Schichtwachstum. Aber auch eine reine Temperaturbehandlung des Wafers im Vakuum tritt häufig als Nachbehandlungsprozeß zu einem vorhergegangenen Behandlungsschritt auf, beispielsweise nach erfolgter Implantation von Ionen zur Ausheilung der infolge der Implantation im Kristallgitter des Wafers hervorgerufenen Schäden.Computer chips and other electronic components are manufactured on round semiconductor wafers. This requires many different work steps and processes, such as B. structuring, lithography, ion implantation, etching or coating. Coating processes in particular require a defined temperature profile of the wafer in a given atmosphere for successful layer growth. However, a pure temperature treatment of the wafer in a vacuum often occurs as a post-treatment process for a previous treatment step, for example after implantation of ions to heal the damage caused as a result of the implantation in the crystal lattice of the wafer.
Zur Temperaturbehandlung von Wafem treten Schnellheizanlagen, auch RTP- Anlagen (Rapid Thermal Processing) genannt, immer mehr in den Vordergrund. Mit ihnen ist eine schnelle sowie wohldefinierte thermische Behandlung von Wafern unter vorgegebenen Prozeßbedingungen möglich. RTP-Anlagen erlauben eine Erwärmung des zu behandelnden Wafers auf bis zu 1200°C und mehr innerhalb weniger Sekunden. Heizraten von bis zu 500°C/s können erreicht werden. Damit ist der entscheidende wirtschaftliche Vorteil dieser Anlagen gegenüber anderen thermischen Prozessiersystemen deren Schnelligkeit, die einen hohen Durchsatz ermöglicht.For the temperature treatment of wafers, rapid heating systems, also called RTP systems (Rapid Thermal Processing), are becoming increasingly important. They enable fast and well-defined thermal treatment of wafers under specified process conditions. RTP systems allow the wafer to be treated to be heated up to 1200 ° C and more within a few seconds. Heating rates of up to 500 ° C / s can be achieved. The decisive economic advantage of these systems compared to other thermal processing systems is their speed, which enables high throughput.
Um ein Substrat, wie z.B. einen Halbleiterwafer aus Silicium, Temperaturän- derungen von bis zu einigen hundert Grad pro Sekunde unterwerfen zu können, wird der Wafer in einer Schnellheizanlage, wie sie beispielsweise aus der auf die Anmelderin zurückgehenden DE-A-199 05 524 bekannt ist, mit elektromagnetischer Strahlung geheizt. Die bekannte Schnellheizanlage weist ei- ne Prozesskammer aus Quarzglas zur Aufnahme eines Substrats auf. Oberhalb und unterhalb der Prozesskammer sind Heizlampen angeordnet, die elektromagnetische Strahlung zum thermischen Behandeln des Substrats erzeugen. Die Heizlampen und die Prozesskammer sind von einer weiteren Kammer (Reflektorkammer) umgeben, die reflektierende Innenwände aufweist, um von den Heizlampen erzeugte elektromagnetische Strahlung zu reflektieren.In order to be able to subject a substrate, such as a semiconductor wafer made of silicon, to temperature changes of up to a few hundred degrees per second, the wafer is subjected to a rapid heating system, as is known, for example, from DE-A-199 05 524, which was assigned to the applicant is heated with electromagnetic radiation. The well-known rapid heating system has ne process chamber made of quartz glass for receiving a substrate. Heating lamps are arranged above and below the process chamber, which generate electromagnetic radiation for the thermal treatment of the substrate. The heating lamps and the process chamber are surrounded by a further chamber (reflector chamber) which has reflecting inner walls in order to reflect electromagnetic radiation generated by the heating lamps.
Das Quarzglas in der Prozesskammer ist für das Spektrum der elektromagne- tischen Strahlung, das durch die Heizlampen erzeugt wird, im Wesentlichen durchsichtig. Die Prozesskammer besitzt Zu- und Abflüsse für Prozessgase, durch die eine geeignete Gasatmosphäre während der thermischen Behandlung des Substrats innerhalb der Prozesskammer erzeugt werden kann.The quartz glass in the process chamber is essentially transparent to the spectrum of electromagnetic radiation that is generated by the heating lamps. The process chamber has inflows and outflows for process gases, through which a suitable gas atmosphere can be generated within the process chamber during the thermal treatment of the substrate.
Zur Messung der Wafertemperatur ist ein Pyrometer als Temperaturmessvorrichtung vorgesehen. Um vom Wafer emittierte Strahlung, sowie am Wafer reflektierte und durch den Wafer hindurchgehende Strahlung zu unterscheiden, wird die Strahlung der Heizlampen moduliert. Durch diese Modulation kann die vom Substrat emittierte Strahlung am Substrat von der reflektierten und hindurchgehenden Strahlung unterschieden werden. Ferner lässt sich aufgrund dieser Unterscheidung die Emissivität des Wafers bestimmen, was für eine Temperaturbestimmung des Wafers aufgrund der von ihm ausgehenden Strahlung notwendig ist. Einzelheiten der Modulation und des Temperaturbestimmungsverfahrens ergeben sich aus der schon genannten DE-A-199 05 524 oder der US-A-5, 154, 512.A pyrometer is provided as a temperature measuring device for measuring the wafer temperature. In order to distinguish between radiation emitted by the wafer and radiation reflected on the wafer and passing through the wafer, the radiation from the heating lamps is modulated. By means of this modulation, the radiation emitted by the substrate on the substrate can be distinguished from the reflected and transmitted radiation. Furthermore, the emissivity of the wafer can be determined on the basis of this distinction, which is necessary for determining the temperature of the wafer on the basis of the radiation emitted by it. Details of the modulation and the temperature determination method can be found in the aforementioned DE-A-199 05 524 or US-A-5, 154, 512.
Die pyrometerbasierte Temperaturmessung besitzt jedoch das Problem, dass in der Prozess- bzw. der Reflektorkammer ein starkes Strahlungsfeld herrscht, das eine Unterscheidung der vom Wafer emittierten Strahlung von der Rest- Strahlung erschwert. Die vom Wafer emittierte und vom Pyrometer zu messende Temperaturstrahlung kann von der Reststrahlung überlagert werden. Hierdurch ergibt sich ein sehr ungünstiges Signal (vom Wafer emittierte Strahlung) zu Hintergrund (Reststrahlung)-Verhältnis. Diese Problem erhöht sich insbesondere bei geringen Wafertemperaturen, da die vom Wafer emit¬ tierte Strahlung mit sinkender Temperatur rasch abnimmt. Bei geringen Wa¬ fertemperaturen verringert sich daher auch das Signal-Hintergrund-Verhältnis. Unterhalb von ungefähr 400° Celsius emittiert der Wafer nur eine sehr geringe Strahlung und darüber hinaus ist er unterhalb dieser Temperatur für die Heizstrahlung transparenter, so dass sich das Signal-Hintergrund-Verhältnis nochmals verschlechtert. Für Temperaturen kleiner als 400° Celsius ist es daher in der Regel mit der konventionellen Art und Weise nicht mehr möglich, die Wafertemperatur mit einem Pyrometer zu bestimmen.However, the pyrometer-based temperature measurement has the problem that there is a strong radiation field in the process or reflector chamber, which makes it difficult to distinguish the radiation emitted by the wafer from the residual radiation. The temperature radiation emitted by the wafer and measured by the pyrometer can be superimposed by the residual radiation. This results in a very unfavorable signal (radiation emitted by the wafer) to the background (residual radiation) ratio. This problem increases in particular at low wafer temperatures, as the wafer decreases from ¬ emit radiation struck with decreasing temperature rapidly. Fertemperaturen at low Wa ¬ therefore also reduces the signal-to-background ratio. Below approximately 400 ° Celsius, the wafer emits very little radiation and, beyond this, it is more transparent to the heating radiation, so that the signal-background ratio deteriorates again. For temperatures below 400 ° Celsius, it is therefore usually no longer possible to determine the wafer temperature with a pyrometer using the conventional method.
Zur Verbesserung des Signal-Hintergrund-Verhältnisses bei pyrometerbasierter Temperaturmessung in RTP-Anlagen, wird in der DE-A-40 12 614 vorgeschlagen, die Prozesskammer aus einem OH-haltigen Quarzmaterial herzustellen. Ein solches Quarzmaterial hat die Eigenschaft, infrarotes Licht im Wellenlängenbereich zwischen 2,6 μm und 2,8 μm zu absorbieren. Somit wird der in der Prozesskammer befindliche Wafer von einer Strahlung geheizt, deren Spektrum zwischen 2,6 μm und 2,8 μm eine Lücke aufweist. In der Quarzkammer ist ein Sichtfenster vorgesehen, das in dem genannten Wellenlängenbereich durchsichtig ist, und durch das ein Pyrometer auf den Wafer ge- richtet ist. Das Pyrometer misst nun von dem Wafer ausgehende Infrarotstrahlung der Wellenlänge 2,7 μm. Da die von den Heizlampen ausgehende Strahlung im Wellenlängenbereich von 2,7 μm nicht in die Prozesskammer eindringen kann, misst das Pyrometer nur vom Wafer emittierte Temperaturstrahlung.To improve the signal-background ratio in pyrometer-based temperature measurement in RTP systems, it is proposed in DE-A-40 12 614 to produce the process chamber from an OH-containing quartz material. Such a quartz material has the property of absorbing infrared light in the wavelength range between 2.6 μm and 2.8 μm. The wafer located in the process chamber is thus heated by radiation, the spectrum of which has a gap between 2.6 μm and 2.8 μm. A viewing window is provided in the quartz chamber, which is transparent in the wavelength range mentioned and through which a pyrometer is aimed at the wafer. The pyrometer now measures infrared radiation from the wafer with a wavelength of 2.7 μm. Since the radiation from the heating lamps in the wavelength range of 2.7 μm cannot penetrate into the process chamber, the pyrometer only measures temperature radiation emitted by the wafer.
Bei diesem Verfahren lässt sich somit die Temperaturstrahlung des Wafers sehr gut ermitteln. Jedoch ist es für die Temperaturbestimmung des Wafers auch notwendig, dessen Reflektivität und Transmissivität bei der Wellenlänge 2,7 μm zu kennen.With this method, the temperature radiation of the wafer can thus be determined very well. However, to determine the temperature of the wafer, it is also necessary to know its reflectivity and transmissivity at the wavelength of 2.7 μm.
Das aus der DE-A-199 05 524 bekannte Verfahren zur Bestimmung der Transmissivität und Emissivität, das eine charakteristische Modulation verwendet, um reflektierte und durch den Wafer hindurchgehende Strahlung zu messen, kann hier nicht angewendet werden, da die relevante Lampenstrahlung im Bereich der Wellenlänge 2,7 μm schon an der Prozesskammerwand absorbiert wird.The method for determining the transmissivity and emissivity known from DE-A-199 05 524, which uses a characteristic modulation in order to emit reflected radiation that passes through the wafer measure, cannot be used here, since the relevant lamp radiation in the wavelength range of 2.7 μm is already absorbed on the process chamber wall.
Erfindungsgemäß liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, auf einfache, und kostengünstige Weise eine auf Pyrometern basierende Temperaturmessung von Substraten vorzusehen, die eine exakte Temperaturmessung auch bei geringen Temperaturen ermöglicht.According to the invention, the present invention is therefore based on the object of providing a pyrometer-based temperature measurement of substrates in a simple and inexpensive manner, which enables an exact temperature measurement even at low temperatures.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafem gelöst, die wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Strahlungsquelle, wenigstens eine transparente Abschirmung zwischen der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat, die vorgegebene Wellenlängen der Strahlung absorbiert, wenigstens einen auf der Seite der zweiten Strahlungsquelle angeordneten, auf das Substrat gerichteten Strahlungsdetektor, der eine Strahlung mit den vorgegebenen Wellenlängen misst, eine Einrichtung zum Modulieren der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung und eine Einrichtung zum Bestimmen der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung auf- weist. Die Erfindung sieht somit eine von den ersten Strahlungsquellen ausgehende Filterung bestimmter Wellenlängen, die im Messbereich eines auf den Wafer gerichteten Strahlungsdetektors liegen, vor. Hierdurch kann das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis der Substratstrahlung zur Restsstrahlung erheblich verbessert werden. Darüber hinaus werden wenigstens die nicht gefilterten, auf der Seite des Strahlungsdetektors liegenden Lampen moduliert und die von ihnen ausgehende Strahlung bestimmt, wodurch sich die Reflekti- vität des Wafers ermitteln lässt, was wiederum einen Rückschluss auf die Emissivität des Wafers im Bereich der Messwellenlänge des Pyrometers erlaubt. Anhand der Emissivität und der vom Wafer emittierten Strahlung lässt sich nun die Temperatur des Wafers bestimmen.According to the invention, this object is achieved by a device for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, which has at least one first and at least one second radiation source, at least one transparent shield between the first radiation source and the substrate, which absorbs predetermined wavelengths of radiation, at least one on the On the side of the second radiation source, the radiation detector arranged on the substrate and measuring radiation with the predetermined wavelengths has a device for modulating the radiation emitted by the radiation source and a device for determining the radiation emitted by the second radiation source. The invention thus provides for filtering of certain wavelengths starting from the first radiation sources, which are in the measuring range of a radiation detector directed onto the wafer. In this way, the signal-to-background ratio of the substrate radiation to the residual radiation can be considerably improved. In addition, at least the unfiltered lamps located on the side of the radiation detector are modulated and the radiation emanating from them is determined, as a result of which the reflectivity of the wafer can be determined, which in turn makes a conclusion about the emissivity of the wafer in the range of the measurement wavelength of the pyrometer allowed. The temperature of the wafer can now be determined on the basis of the emissivity and the radiation emitted by the wafer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Strah¬ lungsquellen auf entgegengesetzten Seiten des Substrats angeordnet, um eine Trennung der gefilterten und ungefilterten Strahlung zu erreichen. Dabei sind insbesondere die zweiten Strahlungsquellen nur auf der Seite des Substrats angeordnet, auf die der Strahlungsdetektor gerichtet ist, um am Pyrometer im Wesentlichen nur vom Wafer emittierte und an ihm reflektierte Strahlung zu messen.According to a preferred embodiment of the invention are lung Strah ¬ sources on opposite sides of the substrate arranged to to achieve a separation of the filtered and unfiltered radiation. In particular, the second radiation sources are arranged only on the side of the substrate to which the radiation detector is directed in order to measure on the pyrometer essentially only radiation emitted by the wafer and reflected on it.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung zum Regeln der ersten Strahlungsquellen vorgesehen, die in Abhängigkeit von der pyrometerbasierten Temperaturbestimmung des Wafers geregelt wer- den, um den Wafer einem bestimmten Temperaturverlauf zu unterwerfen. Vorteilhafterweise ist ferner eine Einrichtung zum Steuern der zweiten Strahlungsquellen vorgesehen, so dass sie konstant betrieben oder eventuell auch bestimmte Setzpunkte gesteuert werden. Somit werden ausschließlich die ersten, gefilterten Strahlungsquellen für die Temperaturregelung des Wafers verwendet. Hierdurch werden Sprünge der Intensität der reflektierten Lampenstrahlung, die im Bereich der Messwellenlänge des Pyrometers liegt, verhindert, was die Temperaturbestimmung erleichtert.According to a preferred embodiment of the invention, a device is provided for regulating the first radiation sources, which are regulated as a function of the pyrometer-based temperature determination of the wafer in order to subject the wafer to a specific temperature profile. Advantageously, a device for controlling the second radiation sources is also provided, so that they are operated constantly or possibly also certain setpoints are controlled. Thus, only the first, filtered radiation sources are used for the temperature control of the wafer. This prevents jumps in the intensity of the reflected lamp radiation, which is in the range of the measurement wavelength of the pyrometer, which facilitates the temperature determination.
Vorteilhafterweise sind die Strahlungsquellen Heizlampen. Gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung wird die transparente Abschirmung, die vorgegebene Wellenlängen der Lampenstrahlung absorbiert, durch die Kolben der Heizlampen gebildet. Hierdurch kann auf einfache und kostengünstige Weise die gewünschte Filterfunktion erreicht werden. Insbesondere kann durch einen einfachen Austausch der Heizlampen bei bestehenden Systemen eine Nach- rüstung erfolgen.The radiation sources are advantageously heating lamps. According to one embodiment of the invention, the transparent shield, which absorbs the predetermined wavelengths of the lamp radiation, is formed by the bulbs of the heating lamps. In this way, the desired filter function can be achieved in a simple and inexpensive manner. In particular, a simple replacement of the heating lamps in existing systems can be retrofitted.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die transparente Abschirmung eine zwischen den ersten Strahlungsquellen und dem Substrat liegende Prozesskammerwand, die die vorgegebene Wellenlänge absorbiert. Die absorbierende Prozesskammerwand ist auf der vom Pyrometer abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist, so dass sichergestellt wird, dass auf die vom Strahlungsdetektor abgewandte Seite des Substrats keine Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge fällt. Vorteilhafterweise weist die transparente Abschirmung wenigstens eine Filterschicht zur Absorption der vorgegebenen Wellenlängen auf, die gemäß einer Ausführungsform räumlich von einem weiteren transparenten Material, wie beispielsweise einer Prozesskammerwand aus Quarzglas, getrennt sein kann. Vorzugsweise weist die transparente Abschirmung OH-angereichertes Quarzglas auf, das vorzugsweise Wellenlängen zwischen 2,6 μm und 2,8 μm absorbiert. Um ein Überhitzen der transparenten Abschirmung, die vorgegebene Wellenlängen absorbiert, zu vermeiden, ist eine Einrichtung zum Kühlen der- selben vorgesehen. Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit auf.In an alternative embodiment of the invention, the transparent shield is a process chamber wall which lies between the first radiation sources and the substrate and which absorbs the predetermined wavelength. The absorbing process chamber wall is arranged on the side of the substrate facing away from the pyrometer, so that it is ensured that no radiation with the predetermined wavelength falls on the side of the substrate facing away from the radiation detector. The transparent shield advantageously has at least one filter layer for absorbing the predetermined wavelengths, which according to one embodiment can be spatially separated from a further transparent material, such as a process chamber wall made of quartz glass. The transparent shield preferably has OH-enriched quartz glass, which preferably absorbs wavelengths between 2.6 μm and 2.8 μm. In order to prevent the transparent shield, which absorbs predetermined wavelengths, from overheating, a device for cooling the same is provided. The cooling device preferably has a cooling gas or a cooling liquid.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Strahlungsdetektor ein Pyrometer. Vorzugsweise ist das Substrat ein beschichteter Halbleiterwafer, insbesondere mit einer CO- und/oder Ti-Beschichtung. Um eine separate Transmissivität zur Bestimmung der Emissivität überflüssig zu machen, weist der Wafer vorzugsweise eine geringe Transmissivität auf. Vorzugsweise liegt die Transmissivität des Substrats unter 0,15.According to a preferred embodiment of the invention, the radiation detector is a pyrometer. The substrate is preferably a coated semiconductor wafer, in particular with a CO and / or Ti coating. In order to make a separate transmissivity for determining the emissivity superfluous, the wafer preferably has a low transmissivity. The transmissivity of the substrate is preferably below 0.15.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist ein zweiter auf das Substrat gerichteter Strahlungsdetektor vorgesehen, der vorzugsweise derart angeordnet ist, dass er eine Transmissivitätsmessung ermöglicht, um die Emissivität des Substrats noch genauer bestimmen zu können. Bei einer Ausführungsform der Erfindung misst der zweite Strahlungsdetektor Strahlung außerhalb der vorgegebenen Wellenlängen, um nicht absorbierte und modulierte Strahlung der Strahlungsquellen messen zu können. Dabei misst der zweite Strahlungsdetektor vorzugsweise Strahlung unterhalb und oberhalb der vorgegebenen Wellenlängen, um über eine Interpolation, vorzugsweise eine lineare Interpolation, eine Transmissivität des Substrats im Bereich der vorge- gebenen, absorbierten Wellenlänge bestimmen zu können.In an alternative embodiment of the invention, a second radiation detector is provided, which is preferably arranged in such a way that it enables a transmissivity measurement in order to be able to determine the emissivity of the substrate even more precisely. In one embodiment of the invention, the second radiation detector measures radiation outside the predetermined wavelengths in order to be able to measure non-absorbed and modulated radiation from the radiation sources. The second radiation detector preferably measures radiation below and above the predetermined wavelengths in order to be able to determine a transmissivity of the substrate in the range of the predetermined, absorbed wavelength via an interpolation, preferably a linear interpolation.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere dann eingesetzt wird, wenn die Kolben der Heizlampen die Filterfunktion beinhal- ten, ist der zweite Strahlungsdetektor auf die der zweiten Strahlungsquelle abgewandte Seite des Substrats gerichtet und misst Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge. Hierdurch kann von den zweiten Heizlampen ausgehende Strahlung, die durch den Wafer hindurchgeht, direkt für eine Trans- missivitätsbestimmung verwendet werden.In an alternative embodiment of the invention, which is used in particular when the pistons of the heating lamps contain the filter function. ten, the second radiation detector is directed towards the side of the substrate facing away from the second radiation source and measures radiation with the predetermined wavelength. In this way, radiation emanating from the second heating lamps and passing through the wafer can be used directly for a transmissivity determination.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern, mit folgenden Verfahrensschritten gelöst: Bestrahlen des Substrats mit wenig- stens einer ersten und wenigstens einer zweiten Strahlung, Absorbieren vorgegebener Wellenlängen der ersten Strahlung zwischen einer ersten Strahlungsquelle und dem Substrat, Messen einer vom Substrat kommenden Strahlung an den vorgegebenen Wellenlängen mit einem Strahlungsdetektor, der auf derselben Seite wie eine zweite Strahlungsquelle angeordnet ist, Mo- dulieren der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung und Ermitteln der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung. Durch dieses Verfahren werden die schon im Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteile, nämlich die Verbesserung eines Signal- Hintergrund-Verhältnisses durch die Absorption vorgegebener Wellenlängen der ersten Strahlung, sowie die Bestimmung der Emissivität des Wafers durch die Modulation der zweiten Strahlung ermöglicht.The object on which the invention is based is also achieved by a method for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, with the following method steps: irradiating the substrate with at least one first and at least one second radiation, absorbing predetermined wavelengths of the first radiation between a first radiation source and the substrate, measuring a radiation coming from the substrate at the predetermined wavelengths with a radiation detector which is arranged on the same side as a second radiation source, modulating the second radiation emanating from the second radiation source and determining the second radiation emanating from the second radiation source. This method enables the advantages already mentioned in relation to the device, namely the improvement of a signal-background ratio through the absorption of predetermined wavelengths of the first radiation, and the determination of the emissivity of the wafer through the modulation of the second radiation.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The present invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the drawings. The drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schnellheizanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;Figure 1 is a schematic sectional view through a rapid heating system according to a first embodiment of the present invention.
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schnellheizanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;Figure 2 is a schematic sectional view through a rapid heating system according to a second embodiment of the present invention.
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Transmissivität und Reflektivität für bestimmte Wafer; Fig. 4 eine Temperaturmesskurve für einen mit Kobalt beschichteten Wafer, der thermisch behandelt wird; Fig. 5 eine graphische Darstellung für die Bestimmung des Messbereiches für eine Transmissivitätsmessung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.3 is a graphical representation of the relationship between transmissivity and reflectivity for certain wafers; 4 shows a temperature measurement curve for a wafer coated with cobalt, which is being thermally treated; 5 shows a graphical representation for the determination of the measuring range for a transmissivity measurement according to an embodiment of the present invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments of the present invention.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein Schnellheizsystem 1 zum schnellen Heizen von Halbleiterwafern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Prozeßkammer 2, die einen Halbleiterwafer 3 aufnimmt, wird durch eine obere transparente Platte 4 und eine untere transparente Platte 5, vorzugsweise Quarzplatten, gebildet. In der Prozesskammer 2 ist der zu prozessierende Wafer 3 auf einer Haltevorrichtung 6 abgelegt. Nicht eingezeichnet sind Zu- und Abflüsse für Prozeßgase, durch die eine für den Prozeß geeignete Gasatmosphäre hergestellt werden kann.1 shows in cross section a rapid heating system 1 for rapid heating of semiconductor wafers according to a first embodiment of the invention. A process chamber 2, which receives a semiconductor wafer 3, is formed by an upper transparent plate 4 and a lower transparent plate 5, preferably quartz plates. The wafer 3 to be processed is placed on a holding device 6 in the process chamber 2. Inlets and outflows for process gases, by means of which a gas atmosphere suitable for the process can be produced, are not shown.
Oberhalb und/oder unterhalb der Prozeßkammer 2 sind Heizvorrichtungen, in der Form von Lampenbänken 7 und 8 angebracht. Die Platten 4 und 5 liegen zwischen dem Wafer 3 und den Lampenbänken 7 und 8 und haben somit die Wirkung einer transparenten Abschirmung zur Bildung einer geschlossenen Prozesskammer. Die gesamte Anordnung ist von einer äußeren Ofenkammer 9 umschlossen, die auch die Seitenwände der Prozeßkammer 2 bildet und deren Wände wenigstens abschnittsweise verspiegelt sein können. Die Lampenbänken 7 und 8 weisen jeweils eine Vielzahl parallel angeordneter stab- förmiger Wolfram-Halogenlampen 10 und 1 auf. Alternativ können aber auch andere Lampen wie z.B. Punktlampen verwendet werden. Mit der von den Lampen emittierten elektromagnetischen Strahlung wird der Wafer 3, geheizt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weisen die Lampenkolben der Heizlampen 10 der oberen Lampenbänk 7 Lampenkolben auf, die vorgegebene Wellenlängen der Lampenstrahlung absorbieren. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lampenkolben aus OH- angereichertem Quarzglas hergestellt und sie absorbieren Wellenlängen im Bereich zwischen 2,6 μm und 2,8 μm. Hierdurch wird erreicht, dass von der oberen Lampenbank stammende Strahlung im Bereich zwischen 2,6 bis 2,8 μm eine Lücke aufweist. Die Lampenkolben der Lampen 11 der unteren Lam- penbank 8 sind im wesentlichen für das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung der Lampen durchlässig, so dass das gesamte Spektrum auf den Wafer 3 in der Prozesskammer 2 fällt.Heaters, in the form of lamp banks 7 and 8, are mounted above and / or below the process chamber 2. The plates 4 and 5 lie between the wafer 3 and the lamp banks 7 and 8 and thus have the effect of a transparent shield to form a closed process chamber. The entire arrangement is enclosed by an outer furnace chamber 9, which also forms the side walls of the process chamber 2 and whose walls can be mirrored at least in sections. The lamp banks 7 and 8 each have a multiplicity of rod-shaped tungsten halogen lamps 10 and 1 arranged in parallel. Alternatively, other lamps such as point lamps can also be used. The wafer 3 is heated with the electromagnetic radiation emitted by the lamps. In the embodiment according to FIG. 1, the lamp bulbs of the heating lamps 10 of the upper lamp bank 7 have lamp bulbs which absorb predetermined wavelengths of the lamp radiation. In the currently preferred embodiment of the invention, the lamp bulbs are made of OH enriched quartz glass and they absorb wavelengths in the range between 2.6 μm and 2.8 μm. This ensures that radiation from the upper lamp bank has a gap in the range between 2.6 and 2.8 μm. The lamp bulbs of the lamps 11 of the lower lamp bank 8 are essentially transparent to the entire spectrum of the electromagnetic radiation from the lamps, so that the entire spectrum falls on the wafer 3 in the process chamber 2.
Die Strahlung der Lampen 11 der unteren Lampenbank wird durch eine nicht näher dargestellte Modulationseinheit mit einem charakteristischen Parameter moduliert, wie es beispielsweise aus der schon genannten DE-A-199 05 524 bekannt ist, die insofern zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird, um Wiederholungen zu vermeiden.The radiation from the lamps 11 of the lower lamp bank is modulated by a modulation unit (not shown in more detail) with a characteristic parameter, as is known, for example, from the aforementioned DE-A-199 05 524, which is made the subject of the present invention, by repetitions to avoid.
Zur Messung der Wafertemperatur ist ein Pyrometer 13 als Temperaturmeßvorrichtung vorgesehen, der auf der Seite der unteren Lampenbank angeordnet ist und auf die zu der unteren Lampenbank 8 weisende Seite des Wafers gerichtet ist. Der Messbereich des Pyrometers 13 liegt in einem Wellenlängenbereich, der in der Lücke der Strahlung der oberen Lampenbank liegt. Beispielsweise misst das Pyrometer 13 Strahlung mit Wellenlängen von 2,7 μm. Somit misst das Pyrometer 13 im Wesentlichen nur Strahlung, die vom Wafer 3 emittiert wird oder Strahlung, die von den zweiten ungefilterten Lampen 1 1 der unteren Lampenbank 8 ausgeht und am Wafer reflektiert wird. Dadurch, dass die Strahlung der zweiten Lampen 11 eine Modulation aufweist, kann die vom Wafer emittierte Strahlung, die diese Modulation nicht aufweist, von der reflektierten Lampenstrahlung unterschieden werden. Neben der Waferstrahlung fällt nur Strahlung der ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 in den Messbereich des Pyrometers, so dass sich ein verbessertes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis gegenüber dem bekannten System ergibt, bei dem auch Strahlung der oberen Lampenbank mit Wellenlängen, die in den Messbereich des Pyrometers fallen, in diesen gelangen. Neben dem Pyrometer 13, das auf den Wafer gerichtet ist, ist ein sogenanntes Lampenpyrometer vorgesehen, das auf wenigstens eine der ungefilterten und modulierten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 gerichtet ist, um dessen Strahlungsintensität zu bestimmen. Aufgrund der ermittelten Strahlungs- intensität der Lampen 11 , sowie der am Pyrometer 13 gemessenen Intensität der von den zweiten Lampen 11 stammenden Strahlung, die am Wafer 3 reflektiert wird - und aufgrund der Modulation von der Waferstrahlung unterschieden werden kann - lässt sich die Reflektivität des Wafers ermitteln. Die Reflektivität wiederum lässt einen Rückschluss auf die Emissivität des Wafers zu, die für die Temperaturbestimmung des Wafers erforderlich ist, da die gemessene Waferstrahlung allein ohne Kenntnis der Emissivität noch keinen Rückschluss auf die Temperatur des Wafers zulässt.To measure the wafer temperature, a pyrometer 13 is provided as a temperature measuring device, which is arranged on the side of the lower lamp bank and is directed toward the side of the wafer facing the lower lamp bank 8. The measuring range of the pyrometer 13 lies in a wavelength range which lies in the gap of the radiation from the upper lamp bank. For example, the pyrometer 13 measures radiation with wavelengths of 2.7 μm. Thus, the pyrometer 13 essentially only measures radiation that is emitted by the wafer 3 or radiation that emanates from the second unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 and is reflected on the wafer. Because the radiation from the second lamps 11 has a modulation, the radiation emitted by the wafer, which does not have this modulation, can be distinguished from the reflected lamp radiation. In addition to the wafer radiation, only radiation from the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 falls into the measuring range of the pyrometer, so that there is an improved signal-to-background ratio compared to the known system, in which radiation from the upper lamp bank with wavelengths that are in fall into the measuring range of the pyrometer, enter it. In addition to the pyrometer 13, which is aimed at the wafer, a so-called lamp pyrometer is provided, which is directed at at least one of the unfiltered and modulated lamps 11 of the lower lamp bank 8 in order to determine its radiation intensity. The reflectivity of the wafer can be determined on the basis of the determined radiation intensity of the lamps 11 and the intensity of the radiation originating from the second lamps 11, measured on the pyrometer 13, which is reflected on the wafer 3 and can be distinguished from the wafer radiation on the basis of the modulation determine. The reflectivity in turn allows a conclusion to be drawn about the emissivity of the wafer, which is necessary for determining the temperature of the wafer, since the measured wafer radiation alone, without knowledge of the emissivity, does not allow any conclusion to be drawn about the temperature of the wafer.
Ein weiterer Faktor für die Bestimmung der Emissivität ist die Transmissivität, d.h. die Durchlässigkeit des Wafers im Bereich der gemessenen Wellenlänge. Bei Halbleiterwafem, die von Natur aus eine sehr geringe Transmissivität aufweisen, wie beispielsweise hochdotierte Wafer mit einer Metallschicht, muss die Transmissivität nicht separat bestimmt werden, da diese vernachlässigbar ist. Gegebenenfalls lässt sich eine Konstante für die Emissivitätsbe- Stimmung (Emissivität = 1 - Transmissivität - Reflektivität) einsetzten, so dass eine ausreichend genaue Emissivitätsbestimmung allein durch die Ermittlung der Reflektivität möglich ist.Another factor in determining emissivity is transmissivity, i.e. the permeability of the wafer in the range of the measured wavelength. In the case of semiconductor wafers which have a very low transmissivity by nature, such as, for example, highly doped wafers with a metal layer, the transmissivity does not have to be determined separately, since this is negligible. If necessary, a constant can be used for the emissivity determination (emissivity = 1 - transmissivity - reflectivity), so that a sufficiently precise determination of the emissivity is possible solely by determining the reflectivity.
Alternativ kann allerdings auch die Transmissivität des Wafers gemessen werden. Zu diesem Zweck kann ein nicht dargestelltes zweites Pyrometer vorgesehen sein, das beispielsweise auf die von der unteren Lampenbank abgewandte Seite des Wafers gerichtet ist und ebenfalls Strahlung im Bereich von 2,7 μm misst. Da die obere Lampenbank aufgrund der Filterfunktion der Lampenkolben in diesem Wellenlängenbereich keine Strahlung emittiert, fällt neben der eigentlichen Waferstrahlung nur die Strahlung der ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank in das Pyrometer, die durch den Wafer hindurchgegangen ist. Diese weist wiederum eine Modulation auf, die eine Unterscheidung zu der Waferstrahlung ermöglicht. Da die Strahlungsintensität der ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 bekannt ist, lässt sich nun die Transmissivität des Wafers bestimmen.Alternatively, the transmissivity of the wafer can also be measured. For this purpose, a second pyrometer (not shown) can be provided, which is directed, for example, towards the side of the wafer facing away from the lower lamp bank and likewise measures radiation in the range of 2.7 μm. Since the upper lamp bank does not emit any radiation in this wavelength range due to the filter function of the lamp bulbs, only the radiation from the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank, which has passed through the wafer, falls into the pyrometer in addition to the actual wafer radiation. This in turn has a modulation that enables a differentiation to the wafer radiation. Because the radiation intensity the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 is known, the transmissivity of the wafer can now be determined.
Natürlich kann auch ein geringer Anteil der von den ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 stammenden Strahlung durch Mehrfachreflektion an den verspiegelten Ofenkammerwänden und der Oberseite des Wafers in das Pyrometer fallen. Diese Strahlung ist jedoch vernachlässigbar, und kann bei einer anfänglichen Kalibration des Systems berücksichtigt werden.Of course, a small proportion of the radiation originating from the unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 can fall into the pyrometer through multiple reflection on the mirrored furnace chamber walls and the top of the wafer. However, this radiation is negligible and can be taken into account when the system is initially calibrated.
Nach Kenntnis der Reflektivität und der Transmissivität lässt sich nunmehr die Emissivität des Wafers 3 genau bestimmen. Anhand der vom Wafer emittierten Strahlung, die entweder durch das Pyrometer 13 oder das nicht dargestellte obere Pyrometer ermittelt werden kann, lässt sich die Temperatur des Wafers sehr genau bestimmen. Dies gilt insbesondere auch bei geringen Wafertemperaturen, bei denen die Eigenstrahlung des Wafers 3 gering ist, und zwar aufgrund des verbesserten Signal-zu-Hintergrund-Verhältnisses zwischen der Waferstrahlung und der Lampenstrahlung.After knowledge of the reflectivity and the transmissivity, the emissivity of the wafer 3 can now be determined precisely. The temperature of the wafer can be determined very precisely on the basis of the radiation emitted by the wafer, which can be determined either by the pyrometer 13 or the upper pyrometer (not shown). This applies in particular also at low wafer temperatures at which the intrinsic radiation of the wafer 3 is low, specifically because of the improved signal-to-background ratio between the wafer radiation and the lamp radiation.
Anhand der bekannten Temperatur können nun die Heizvorrichtungen gere- gelt werden. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden für die Regelung ausschließlich die gefilterten Lampen 10 der oberen Lampenbank 7 und gegebenenfalls gefilterte Lampen der unteren Lampenbank 8 verwendet. Die ungefilterten Lampen 11 der unteren Lampenbank 8 werden entweder konstant betrieben oder auf bestimmte Setzpunkte gesteu- ert. Hierdurch werden Sprünge in der Intensität der Lampenstrahlung, die für die Reflektivitäts- und gegebenenfalls Transmissivitätsmessung des Wafers verwendet wird, verhindert. Somit steht für die Reflektivitäts- bzw. Transmissivitätsmessung stets eine bekannte, im wesentlichen konstante Lampenstrahlung zur Verfügung, was sich eine verbesserte Temperaturbestimmung für den Wafer ermöglicht.The heating devices can now be regulated on the basis of the known temperature. In the currently preferred embodiment of the invention, only the filtered lamps 10 of the upper lamp bank 7 and, if appropriate, filtered lamps of the lower lamp bank 8 are used for the control. The unfiltered lamps 11 of the lower lamp bank 8 are either operated constantly or are controlled to specific setting points. This prevents jumps in the intensity of the lamp radiation which is used for the reflectivity and, if appropriate, transmissivity measurement of the wafer. Thus, a known, essentially constant lamp radiation is always available for the reflectivity or transmissivity measurement, which enables an improved temperature determination for the wafer.
In Fig. 2 ist eine Schnellheizanlage gemäß einer alternativen Ausführungsforrr der Erfindung dargestellt. Sie besteht aus einer äußeren Kammer 20, die eine Metallkammer oder Stahlkammer mit beliebigem geometrischen Querschnitt sein kann. Sowohl rechteckige als auch runde Kammern sind möglich. Vorzugsweise ist die Kammerinnenwand mittels einer hochreflektiven Schicht teilweise oder vollständig verspiegelt. Die Kammerwand verfügt über eine kleine Öffnung 21 , die das Austreten einer zu messenden Strahlung aus dem Kammerinneren erlaubt. Durch diese Öffnung fällt die zu messende Strahlung entweder direkt in ein dahinter befindliches und in der Figur nicht gezeigtes Strahlungsmeßgerät, vorzugsweise ein Pyrometer, oder es wird über eine Leiteranordnung wie beispielsweise optische Fasern zu diesem geführt.2 shows a rapid heating system according to an alternative embodiment of the invention. It consists of an outer chamber 20, the one Metal chamber or steel chamber with any geometric cross section can be. Both rectangular and round chambers are possible. The chamber inner wall is preferably partially or completely mirrored by means of a highly reflective layer. The chamber wall has a small opening 21 which allows radiation to be measured to emerge from the interior of the chamber. Through this opening, the radiation to be measured either falls directly into a radiation measuring device located behind it and not shown in the figure, preferably a pyrometer, or it is guided to the latter via a conductor arrangement such as optical fibers.
In oder an der Kammerdecke sowie in oder am Kammerboden sind jeweils Heizungsvorrichtungen in der Form einer oberen Lampenbank 27 und einer unteren Lampenbank 28 vorgesehen. Vorzugsweise weisen die Lampenbänke 27, 28 Lampen 29 bzw. 30 auf, die auch im sichtbaren Licht strahlen können. Insbesondere weisen die Lampenbänke jeweils mehrere Wolfram-Halogen- Lampen 29 bzw. 30 als Heizlampen auf. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind alle Lampenkolben der Lampen 29, 30 aus einem im Wesentlichen für das gesamte Strahlungsspektrum der Lampen transparenten Material. Dabei kann es sich um stabförmige Lampen handeln als auch um beliebig angeordnete punktförmige Lampen. Es ist auch möglich, die untere Lampenbank 28 mit stabförmigen Lampen zu bestücken und die obere Lampenbank 27 mit punktförmigen Lampen oder umgekehrt. Es sind auch beide Lampenarten innerhalb einer Lampenbank 27, 28 möglich. Falls beide Lampenbänke 27, 28 aus stabförmigen Lampen bestehen, so sind Anordnungen möglich, bei denen die Stablampen der oberen Lampenbank 27 parallel zu den Stablampen der unteren Lampenbank 28 angeordnet sind oder Anordnungen, bei denen die Stablampen der oberen Lampenbank 27 gegenüber den Stablampen der unteren Lampenbank gekreuzt sind, vorzugsweise im rechten Winkel.Heating devices in the form of an upper lamp bank 27 and a lower lamp bank 28 are provided in or on the chamber ceiling and in or on the chamber floor. The lamp banks 27, 28 preferably have lamps 29 and 30, respectively, which can also shine in visible light. In particular, the lamp banks each have a plurality of tungsten-halogen lamps 29 and 30 as heating lamps. In contrast to the first exemplary embodiment, all the lamp bulbs of the lamps 29, 30 are made of a material which is essentially transparent to the entire radiation spectrum of the lamps. These can be rod-shaped lamps or arbitrarily arranged point-shaped lamps. It is also possible to equip the lower lamp bank 28 with rod-shaped lamps and the upper lamp bank 27 with point-shaped lamps or vice versa. Both types of lamps are also possible within a lamp bank 27, 28. If both lamp banks 27, 28 consist of rod-shaped lamps, arrangements are possible in which the flashlights of the upper lamp bank 27 are arranged parallel to the flashlights of the lower lamp bank 28 or arrangements in which the flashlights of the upper lamp bank 27 are opposite the flashlights of the lower Lamp bank are crossed, preferably at right angles.
Zwischen den Lampenbänken 27 Und 28 ist ein zu behandelndes Substrat 33 angeordnet, wie z. B. ein scheibenförmiger Halbleiterwafer, bevorzugt aus Silicium. Der Wafer 33 kann unbeschichtet, beschichtet und/oder implantiert sein. Vorteilhafterweise werden beschichtete Wafer verwendet. Dabei werden Wafer mit einer Co- oder Ti-Schicht oder einer Kombination davon bevorzugt, da deren Transmissionskoeffizient (Transmissivität) bei Temperaturen von 350°C kleiner ist als 0,15. Der scheibenförmige Wafer 33 ist mit seiner Ober- seite 35 sowie mit seiner Unterseite 36 parallel zu den Lampenbänken 27 und 28 angeordnet.Between the lamp banks 27 and 28 is a substrate 33 to be treated, such as. B. a disk-shaped semiconductor wafer, preferably made of silicon. The wafer 33 can be uncoated, coated and / or implanted his. Coated wafers are advantageously used. Wafers with a Co or Ti layer or a combination thereof are preferred since their transmission coefficient (transmissivity) is less than 0.15 at temperatures of 350 ° C. The disk-shaped wafer 33 is arranged with its upper side 35 and with its lower side 36 parallel to the lamp banks 27 and 28.
Zwischen der oberen Lampenbank 27 und der Oberseite 35 des Wafers 33 ist eine plattenförmige transparente Abschirmung 38 angeordnet. In gleicher Weise ist zwischen der Unterseite 36 des Substrates 33 und der unteren Lampenbank 28 eine transparente Abschirmung 39 vorgesehen. Die Abschirmungen 38 und 39 überspannen die komplette Kammer 20, so daß sich eine Dreiteilung des Innenvolumens der Kammer 20 ergibt. Insbesondere wird durch die Abschirmungen 38 und 39 eine Prozeßkammer 42 im Inneren der Kammer 20 gebildet, in der sich das Substrat 33 befindet. In der inneren Prozeßkammer 42 kann eine dem gewünschten Prozeß zuträgliche Prozeßatmosphäre mit zum Teil aggressiven Gasen und unter hohen oder niedrigen Drük- ken gebildet werden, ohne die Lampen 29, 30 der Lampenbänke 27 und 28 oder die verspiegelte Innenwand der Kammer 20 zu beeinträchtigen oder zu kontaminieren. Hierfür sind entsprechende Gaszu- und abflüsse vorgesehen, die jedoch in Fig. 2 nicht gezeigt sind.A plate-shaped transparent shield 38 is arranged between the upper lamp bank 27 and the upper side 35 of the wafer 33. In the same way, a transparent shield 39 is provided between the underside 36 of the substrate 33 and the lower lamp bank 28. The shields 38 and 39 span the entire chamber 20, so that the inner volume of the chamber 20 is divided into three. In particular, the shields 38 and 39 form a process chamber 42 inside the chamber 20, in which the substrate 33 is located. In the inner process chamber 42, a process atmosphere which is conducive to the desired process can be formed with partly aggressive gases and under high or low pressures without impairing or closing the lamps 29, 30 of the lamp banks 27 and 28 or the mirrored inner wall of the chamber 20 contaminate. Corresponding gas inflows and outflows are provided for this, but these are not shown in FIG. 2.
Die obere Abschirmung 38 ist zur Absorption vorgegebener Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aus dem Spektrum der von der oberen Lampen- bank 27 emittierten Heizstrahlung ausgebildet, so daß die Oberseite des Substrats 33 von einer Heizstrahlung geheizt wird, die ein Wellenlängenspektrum mit wenigstens einer Lücke aufweist. Man kann eine solche Absorbtionswir- kung durch entsprechende Filter in Form von einer oder mehreren Beschichtungen der Abschirmung 38 oder einer oder mehrerer Filterfolien erreichen, die auf einem transparenten Grundmaterial, d.h. einer transparenten Grundplatte aufgebracht sind. Vorzugsweise wird für das transparente Grundmaterial Quarzglas verwendet. Im Falle des Einsatzes von Filterfolien müssen diese Folien nicht notwendigerweise auf der transparenten Grundplatte angebracht sein oder in direkten Kontakt mit dieser stehen. Vielmehr können die Filterfolien räumlich von der transparenten Grundplatte getrennt sein und sich näher an der oberen Lam- penbank 27 als an der transparenten Grundplatte befinden. Auch eine solche räumlich getrennten Anordnung von Filterfolien und transparenter Grundplatte wird nachfolgend nur als Abschirmung 38 bezeichnet.The upper shield 38 is designed to absorb predetermined wavelengths or wavelength ranges from the spectrum of the heating radiation emitted by the upper lamp bank 27, so that the upper side of the substrate 33 is heated by a heating radiation which has a wavelength spectrum with at least one gap. Such an absorption effect can be achieved by appropriate filters in the form of one or more coatings of the shield 38 or one or more filter foils which are applied to a transparent base material, ie a transparent base plate. Quartz glass is preferably used for the transparent base material. If filter foils are used, these foils do not necessarily have to be attached to the transparent base plate or be in direct contact with it. Rather, the filter foils can be spatially separated from the transparent base plate and be closer to the upper lamp bank 27 than to the transparent base plate. Such a spatially separated arrangement of filter foils and transparent base plate is also referred to below as shield 38.
Mittels solcher Beschichtungen und Folien ist es möglich, vorgegebene Wel- lenlängenbereich aus dem Spektrum der Heizstrahlung zu entfernen. Dabei kann es sich um einen oder mehrere Wellenlängenintervalle und/oder diskrete einzelne Wellenlängen handeln.Such coatings and foils make it possible to remove predetermined wavelength ranges from the spectrum of the heating radiation. This can be one or more wavelength intervals and / or discrete individual wavelengths.
Bei der bevorzugten und in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfin- düng ist die plattenförmige transparente Abschirmung 38 aus mit OH- angereichertem Quarzglas hergestellt. Dieses Quarzglas hat die Eigenschaft, infrarotes Licht im Wellenlängenbereich zwischen 2,6 μm und 2,8 μm zu absorbieren, wodurch eine Lücke im Wellenlängenspektrum der Heizstrahlung in diesem Intervall entsteht. Schwierigkeiten, die mit der Beschichtung von Quarzplatten und der Halterung von Filterfolien auftreten können, werden durch den Einsatz einer OH-angereicherten Quarzplatte umgangen.In the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 2, the plate-shaped transparent shield 38 is made of quartz glass enriched with OH. This quartz glass has the property of absorbing infrared light in the wavelength range between 2.6 μm and 2.8 μm, which creates a gap in the wavelength spectrum of the heating radiation in this interval. Difficulties that can arise with the coating of quartz plates and the holding of filter foils are avoided by using an OH-enriched quartz plate.
Da durch die Absorption eines Teils der Heizstrahlung die Abschirmung 38 erwärmt wird, kann eine Kühlung derselben notwendig sein, da eine warme Abschirmung 38 selbst thermische Strahlung emittiert, die den gewünschten Temperaturverlauf des Substrates 33 beeinträchtigen kann.Since the shield 38 is heated by the absorption of part of the heating radiation, cooling of the latter may be necessary, since a warm shield 38 itself emits thermal radiation, which can impair the desired temperature profile of the substrate 33.
Zur Kühlung der Abschirmungen 38 und sowie gegebenenfalls der Abschirmung 39 kann ein Kühlgas vorgesehen werden, das außerhalb der Prozeß- kammer 42 über die Abschirmungen strömt. Es ist aber auch möglich, das Kühlgas durch entsprechende Kühlleitungen strömen zu lassen, die sich im Inneren der Abschirmungen 38, 39 befinden. In einem solchen Falle ist auch der Einsatz einer Kühlflüssigkeit wie z.B. eines Öls möglich. Besteht die Ab- schirmung 38 beispielsweise aus einer transparenten Grundplatte mit einer oder mehreren räumlich davon getrennten Filterfolien, so kann das Kühlmedium zwischen den Folien und der transparenten Grundplatte strömen.To cool the shields 38 and, if appropriate, the shield 39, a cooling gas can be provided which flows outside the process chamber 42 via the shields. However, it is also possible to let the cooling gas flow through corresponding cooling lines, which are located inside the shields 38, 39. In such a case, the use of a coolant such as an oil is also possible. If the shielding 38, for example from a transparent base plate with one or more spatially separated filter foils, so the cooling medium can flow between the foils and the transparent base plate.
Während Teile mit vorgegebenen Wellenlängen aus der von der Lampenbank 27 erzeugten Heizstrahlung von der Abschirmung 38 entfernt werden, ist die untere Abschirmung 39 für diese Wellenlängen transparent. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Platte aus gewöhnlichem Quarzglas.While parts with predetermined wavelengths are removed from the shielding 38 from the heating radiation generated by the lamp bank 27, the lower shielding 39 is transparent for these wavelengths. It is preferably a plate made of ordinary quartz glass.
Im Betrieb der Anlage wird primär von der oberen Lampenbank 27 die Heizstrahlung emittiert, mit der der Wafer 33 auf eine vorgegebene Temperatur geheizt wird. Diese Heizstrahlung besteht aus einem Spektrum verschiedener Wellenlängen. In Fig. 2 sind qualitativ zwei Strahlen für zwei verschiedene Wellenlängen dieser Heizstrahlung dargestellt, und zwar Strahl 44, der einen Lichtstrahl mit der Wellenlänge 2,7 μm darstellt und Strahl 45, der einen Lichtstrahl mit der Wellenlänge 2,3 μm darstellt.During operation of the system, the heating radiation is primarily emitted by the upper lamp bank 27, with which the wafer 33 is heated to a predetermined temperature. This radiant heat consists of a spectrum of different wavelengths. 2 shows qualitatively two beams for two different wavelengths of this heating radiation, namely beam 44, which represents a light beam with a wavelength of 2.7 μm and beam 45, which represents a light beam with a wavelength of 2.3 μm.
Licht mit der Wellenlänge 2,7 μm wird von der Abschirmung 38, die aus einer mit OH-angereicherten Quarzplatte besteht, absorbiert, d.h. der Strahl 44 kann die Abschirmung 38 nicht durchdringen und wird von ihr verschluckt. Die Wellenlänge des Strahles 45 dagegen befindet sich außerhalb des Absorptionsbereiches der Abschirmung 38 und durchdringt diese ungehindert. Gemäß der Zeichnung durchdringt er auch die untere Abschirmung 38 und wird an der verspiegelten Innenwand der äußeren Kammer 20 reflektiert, durchdringt abermals die Abschirmung 38 und trifft auf den Wafer 33. Da der Wafer 33 selber hochreflektiv ist, wird am Wafer 33 nur ein Teil des Strahles 45 absorbiert und der Rest reflektiert. Dies ist übrigens einer der Gründe, weswegen die Heizstrahlung so intensiv sein muß. Wie man der Zeichnung entnehmen kann, sind mehrfache Wiederholungen der Reflektionen möglich, bei denen stets ein Teil des Strahls vom Wafer absorbiert wird. Schließlich fällt der Strahl 45 auf die Öffnung 21 in der Kammer 20 und gelangt zum Strahlungsdetektor. Die Lampen 30 der unteren Lampenbank 28 werden so angesteuert, daß sie schwächer strahlen als die Lampen 29 der oberen Lampenbank 27. Ferner wird die Strahlung der Lampen 30 schwach moduliert. Das Strahlungsspektrum der Lampenbank 28 ist vorteilhafterweise das gleiche Strahlungsspek- trum wie das der Lampenbank 27. Von der Abschirmung 39 wird die modulierte Strahlung der Lampenbank 28 ungehindert durchgelassen. Auch hier ist ein Strahl 49 mit der Wellenlänge 2,7 μm und ein Strahl 48 für die Wellenlänge 2,3 μm eingezeichnet. Beide Strahlen passieren die Abschirmung 39 ungehindert, werden vom Substrat 33 zum größten Teil reflektiert und treffen auf die Öffnung 21 in der äußeren Kammer 20.Light with a wavelength of 2.7 μm is absorbed by the shield 38, which consists of an OH-enriched quartz plate, ie the beam 44 cannot penetrate the shield 38 and is swallowed by it. The wavelength of the beam 45, on the other hand, is outside the absorption area of the shield 38 and penetrates it unhindered. According to the drawing, it also penetrates the lower shield 38 and is reflected on the mirrored inner wall of the outer chamber 20, penetrates the shield 38 again and strikes the wafer 33. Since the wafer 33 itself is highly reflective, only a part of the Beam 45 absorbed and the rest reflected. Incidentally, this is one of the reasons why the radiant heat must be so intense. As can be seen in the drawing, multiple repetitions of the reflections are possible, in which part of the beam is always absorbed by the wafer. Finally, the beam 45 falls on the opening 21 in the chamber 20 and reaches the radiation detector. The lamps 30 of the lower lamp bank 28 are controlled so that they radiate weaker than the lamps 29 of the upper lamp bank 27. Furthermore, the radiation from the lamps 30 is weakly modulated. The radiation spectrum of the lamp bank 28 is advantageously the same radiation spectrum as that of the lamp bank 27. The shield 39 allows the modulated radiation of the lamp bank 28 to pass through unhindered. A beam 49 with a wavelength of 2.7 μm and a beam 48 for a wavelength of 2.3 μm are also shown here. Both rays pass through the shield 39 unhindered, are largely reflected by the substrate 33 and strike the opening 21 in the outer chamber 20.
Vom warmen Wafer 33 wird ebenfalls Strahlung emittiert. In Fig. 2 ist die Waferstrahlung gestrichelt dargestellt, wobei Strahl 51 einen Strahl der Wellenlänge 2,7 μm und Strahl 52 einen Strahl der Wellenlänge 2,3 μm symboli- siert.Radiation is also emitted from the warm wafer 33. In FIG. 2, the wafer radiation is shown in dashed lines, with beam 51 symbolizing a beam with a wavelength of 2.7 μm and beam 52 symbolizing a beam with a wavelength of 2.3 μm.
In Fig. 2 sind die entsprechenden Signal-Hintergrundverhältnisse für eine Messung des Pyrometers bei 2,3 μm und bei 2,7 μm angedeutet. Erwartungsgemäß ist das Signal-Hintergrundverhältnis für Strahlung der Wellenlänge 2,7 μm enorm verbessert gegenüber dem Signal-Hintergrundverhältnis für Strahlung der Wellenlänge 2,3 μm, da bei letzterer ein erheblicher Anteil aus der Heizstrahlung der oberen Lampenbank resultiert und die vom Wafer emittierte Strahlung bei dieser Wellenlänge verdeckt wird.The corresponding signal background conditions for a measurement of the pyrometer at 2.3 μm and at 2.7 μm are indicated in FIG. 2. As expected, the signal-background ratio for radiation of the wavelength 2.7 μm is enormously improved compared to the signal-background ratio for radiation of the wavelength 2.3 μm, since in the latter a considerable portion results from the heating radiation from the upper lamp bank and the radiation emitted by the wafer this wavelength is covered.
Für eine Temperaturbestimmung des Wafers wird daher ein Pyrometer verwendet, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 2,7 μm misst. Bei dieser Wellenlänge ergibt sich ein gutes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zwischen der Waferstrahlung und der am Wafer reflektierten Strahlung, da ausschlie߬ lich Strahlung von der unteren Lampenbank 28 mit dieser Wellenlänge auf den Pyrometer fällt. Aufgrund der Modulation der Lampenstrahlung der unte¬ ren Lampenbank, lässt sich die Waferstrahlung in der oben beschriebenen Art und Weise leicht von der am Wafer reflektierten Strahlung trennen. Die Strahlungsintensität der Lampen der unteren Lampenbank wird, wie oben be- schrieben, mittels eines Pyrometers oder auf eine andere Art, wie beispiels¬ weise einer Messung der durch die Lampen verbrauchten elektrischen Leistung, bestimmt. Somit lässt sich wieder in der oben beschriebenen Art und Weise die Reflektivität des Wafers und daraus seine Emissivität bestimmen. Anhand der Emissivität und der Waferstrahlung kann nunmehr die Temperatur des Wafers bestimmt werden.A pyrometer is used to determine the temperature of the wafer, which measures radiation with a wavelength of 2.7 μm. At this wavelength, a good signal-to-background ratio of wafer radiation and the reflected radiation at the wafer results because exclu ¬ Lich radiation from the lower bank of lamps 28 with this wavelength falls on the pyrometer. Due to the modulation of the lamp radiation of unte ¬ ren bank of lamps, the wafer radiation can in the above-described manner can be easily separated from the reflected radiation at the wafer. The radiation intensity of the lamps of the lower lamp bank is, as described above wrote, by means of a pyrometer or in some other way, such as ¬ example, a measurement of the electrical power consumed by the lamps, determined. Thus, the reflectivity of the wafer and its emissivity can be determined again in the manner described above. The temperature of the wafer can now be determined on the basis of the emissivity and the wafer radiation.
Als besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz der Erfindung bei der Herstellung und Prozessierung von Wafern, die mit einer Co- oder Ti-Schicht ver- sehen sind. Da CoSi2 ein guter elektrischer Leiter ist, werden Silicium-Wafer mit Co beschichtet und geheizt, um elektrische Kontakte aus CoSi2 herzustellen. Die Bildung von CoSi2 findet im Temperaturbereich zwischen 400°C und 500°C statt, d.h. zur definierten Temperaturführung des Wafers ist die Kontrolle seiner Temperatur auch unterhalb von 400°C nötig.The use of the invention has proven to be particularly advantageous in the production and processing of wafers which are provided with a Co or Ti layer. Since CoSi 2 is a good electrical conductor, silicon wafers are coated with Co and heated to produce electrical contacts from CoSi 2 . The formation of CoSi 2 takes place in the temperature range between 400 ° C and 500 ° C, ie for the defined temperature control of the wafer it is necessary to control its temperature below 400 ° C.
Mit der beschriebenen Erfindung werden die spezifischen Eigenschaften von Kobalt ausgenutzt. Zu diesen gehört eine hohe Reflektivität der Oberfläche. Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, verfügt ein mit Kobalt beschichteter Wafer über eine Transmissivität, die so gering und im Wesentlichen konstant ist, daß gesonderte Bestimmung nicht notwendig ist. In Fig. 3 ist die Transmissivität eines Wafers über der Reflektivität aufgetragen. Zusätzlich sind als gestrichelte Linien die Linien konstanter Emissivität in das Diagramm eingezeichnet. Diese sind von links nach rechts abnehmend, da Transmission, Reflektivität und Emissivität addiert zu jedem Zeitpunkt 1 ergeben. In das Diagramm sind die Transmissionszahlen bei unterschiedlichen Refiektivitäten für verschiedene Wafer eingetragen: Einmal für einen unbeschichteten Siliciumwa- fer, einen beschichteten Wafer und einen mit Kobalt beschichteten Wafer. Die Transmissionszahlen des unbeschichteten Wafers sind überwiegend größer als 0,15, während die des beschichteten und des mit Kobalt beschichteten Wafers durchweg kleiner sind als 0,15. Die mit Kobalt beschichten Wafer sind somit für die obige erfindungsgemäße Temperaturkontrolle besonders geeignet, da eine gesonderte Bestimmung der Reflektivität nicht notwendig ist. In Fig. 4 ist der Temperaturverlauf eines mit Kobalt beschichteten Wafers in willkürlichen Zeiteinheiten gezeigt, der in einer Schnellheizanlage gemäß Fig. 2 thermisch behandelt wurde. Die Temperatur wächst auf 450°C an, um eine gewisse Zeit bei diesem Wert zu verbleiben und anschließend wieder abzu- sinken. Der Temperaturverlauf wurde einmal mit Temperaturfühlern überwacht, die in direktem Kontakt mit dem Wafer standen (Kurve A) und einmal mittels einer Pyrometers (Kurve B), wobei das obige Verfahren eingesetzt wurde. Bemerkenswert ist die hervorragende Koinzidenz des vom Pyrometer detektierten Temperaturverlaufes mit dem von dem Temperaturfühlern ge- messenen Temperaturverlauf. Beide Kurven sind fast deckungsgleich, selbst für Temperaturen unterhalb von 300°C. Zu Beginn zeigt die Pyrometer zwar leichte Schwankungen, doch mit Einsetzen des Heizprozesses verschwinden diese und die Pyrometerkurve korrespondiert mit der TemperaturfühlerkuiNe. Eine kurzzeitige Spitze der Pyrometerkurve beim Abkühlungsprozess ist auf einen Lampentest zurückzuführen.With the described invention, the specific properties of cobalt are exploited. These include high surface reflectivity. As can be seen in FIG. 3, a wafer coated with cobalt has a transmissivity which is so low and essentially constant that a separate determination is not necessary. 3 shows the transmissivity of a wafer over the reflectivity. In addition, the lines of constant emissivity are drawn into the diagram as dashed lines. These decrease from left to right, since transmission, reflectivity and emissivity add up to 1 at any time. The diagram shows the transmission numbers for different reflectivities for different wafers: First, for an uncoated silicon wafer, a coated wafer and a cobalt-coated wafer. The transmission numbers of the uncoated wafer are predominantly greater than 0.15, while those of the coated and cobalt-coated wafers are consistently less than 0.15. The wafers coated with cobalt are thus particularly suitable for the above-mentioned temperature control according to the invention, since a separate determination of the reflectivity is not necessary. FIG. 4 shows the temperature profile of a wafer coated with cobalt in arbitrary time units, which was thermally treated in a rapid heating system according to FIG. 2. The temperature rises to 450 ° C in order to remain at this value for a certain time and then to decrease again. The temperature profile was monitored once using temperature sensors that were in direct contact with the wafer (curve A) and once using a pyrometer (curve B), using the above method. The remarkable coincidence of the temperature curve detected by the pyrometer with the temperature curve measured by the temperature sensors is remarkable. Both curves are almost congruent, even for temperatures below 300 ° C. At the beginning, the pyrometer shows slight fluctuations, but when the heating process starts, these disappear and the pyrometer curve corresponds to the temperature sensor case. A brief peak in the pyrometer curve during the cooling process is due to a lamp test.
In der Praxis kommen jedoch auch Wafer vor, deren Transmittivität über 0,15 liegt, In Fig. 3 wäre der unbeschichtete Kalibrationswafer ein solcher Fall. Da die Summe aus Transmittivität, Emissivität und Reflektivität stets gleich 1 ist, kann man sich behelfen, indem man zusätzlich zu dem obigen Verfahren eine parallele Transmissionsmessung für den Wafer durchführt, die man zusammen mit der gemessenen Reflektivität zur Bestimmung der Emissivität und der Wafertemperatur verwendet.In practice, however, there are also wafers whose transmittance is above 0.15. In FIG. 3, the uncoated calibration wafer would be such a case. Since the sum of transmittance, emissivity and reflectivity is always equal to 1, you can help yourself by carrying out a parallel transmission measurement for the wafer in addition to the above method, which is used together with the measured reflectivity to determine the emissivity and the wafer temperature.
Zu diesem Zweck ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein weiteres Pyrometer notwendig, das durch eine entsprechende Öffnung in der Kammer 20 oberhalb der oberen Lampenbank 27 auf den Wafer 33 gerichtet ist.For this purpose, as in the first exemplary embodiment, a further pyrometer is necessary, which is directed onto the wafer 33 through a corresponding opening in the chamber 20 above the upper lamp bank 27.
In Fig. 5 ist als Linie C die Transmission der OH-angereicherten oberen Quarzpiatte 4 eingezeichnet. Wie man deutlich sieht, ist die Transmission die¬ ser Quarzplatte für Wellenlängen zwischen 2,7 μm und 2,8 μm gleich Null, d.h. die Platte ist für diese Wellenlängen undurchsichtig. In diesem Wellen¬ längenbereich befindet sich aber die Wellenlänge, für die der untere Strah- ι y5, the transmission C of the OH-enriched upper quartz plate 4 is shown as line C. The transmission as it is clearly seen is the micron ¬ ser quartz plate for wavelengths from 2.7 to 2.8 .mu.m equal to zero, that is, the plate is opaque to these wavelengths. In this wave length range ¬ but is the wavelength for which the lower radiation ι y
lungsdetektor die Waferreflektivität zur Emissivitätsbestimmung mißt. Um zur Temperaturbestimmung Emissivität und Transmittivität zu verknüpfen, müßte strenggenommen die Transmittivität des Wafers bei eben dieser Wellenlänge bestimmt werden. Das ist jedoch wegen der Undurchlässigkeit der oberen Quarzplatte 38 für Licht dieser Wellenlänge nicht möglich.tion detector measures the wafer reflectivity for emissivity determination. Strictly speaking, in order to link emissivity and transmittance to determine the temperature, the transmittance of the wafer would have to be determined at precisely this wavelength. However, this is not possible due to the opacity of the upper quartz plate 38 for light of this wavelength.
Aus diesem Grunde wird die Transmission von Licht anderer Wellenlängen gemessen und die gesuchte Transmission aus diesen Daten extrapoliert. Zu diesem Zweck wird dem oberen Pyrometer ein Filter vorgeschaltet, das einen wellenlängenabhängigen Verlauf der Transmission hat, wie ihn die Kurve D in Fig. 5 zeigt. Im Bereich der optischen Undurchsichtigkeit der Quarzplatte 4 hat dieses Filter seine größte Transparenz. Gegen kleinere sowie größere Lichtwellenlängen hin nimmt die Durchsichtigkeit des Filters ab.For this reason, the transmission of light of other wavelengths is measured and the transmission sought is extrapolated from this data. For this purpose, a filter is connected upstream of the upper pyrometer, which has a wavelength-dependent course of the transmission, as shown by curve D in FIG. 5. In the area of the optical opacity of the quartz plate 4, this filter has its greatest transparency. The transparency of the filter decreases towards smaller and larger light wavelengths.
Auf diese Weise werden aus dem Wellenlängenspektrum links und rechts des Absorptionsbereiches der Quarzplatte 38 zwei Bereiche mit Wellenlängen ausgeschnitten, die trotz OH-angereicherter Quarzplatte 38 und Filter das Pyrometer oberhalb der Lampenbank 27 erreichen können. Praktischerweise wählt man den Verlauf der Transmissionskurve für das Filter so, daß die von der Filter-Kurve und der Quarz-Kurve eingefaßten Flächen an den Flanken des Absorptionsbereiches für das Quarz ungefähr gleich groß sind.In this way, two regions with wavelengths are cut out of the wavelength spectrum to the left and right of the absorption region of the quartz plate 38, which can reach the pyrometer above the lamp bank 27 despite the OH-enriched quartz plate 38 and filter. It is practical to choose the course of the transmission curve for the filter in such a way that the areas bordered by the filter curve and the quartz curve on the flanks of the absorption region for the quartz are approximately the same size.
Hat man es mit einem Wafer zu tun, dessen Transmissionszahl sich nur schwach oder angenähert linear mit der Wellenlänge ändert, wie beispielswei- se die in Fig. 5 eingezeichnete Linie E für die Transmissivität eines Beispiels- wafers, so kann man die Transmission durch den Wafer für eine Wellenlänge aus dem Bereich links des Absorptionsbereiches des Quarzes messen sowie die Transmission durch den Wafer für eine Wellenlänge aus dem Bereich rechts des Absorptionsbereiches des Quarzes. Da sich die Transmission des Wafers nur schwach oder angenähert linear mit der Wellenlänge ändert, läßt sich die Transmission für die gesuchte Wellenlänge aus dem Absorptionsbereich des Quarzes über eine Mittelwertbildung oder Approximation bestimmen. Durch Verknüpfung dieser Transmissionsmessung mit der oben beschriebe- nen Messung der Reflektivität des Wafers kann man nun die Emissivität genau bestimmen, und zwar auch bei Wafern, deren Transmissionsgrad größer als 0,15 ist. Dies ermöglicht somit eine zuverlässige Temperaturkontrolle in Bereichen unterhalb 400°C bis zu ungefähr 300°C.If one is dealing with a wafer whose transmission number changes only weakly or approximately linearly with the wavelength, such as line E shown in FIG. 5 for the transmissivity of an example wafer, the transmission through the wafer can be seen measure for a wavelength from the area to the left of the absorption area of the quartz and the transmission through the wafer for a wavelength from the area to the right of the absorption area of the quartz. Since the transmission of the wafer changes only weakly or approximately linearly with the wavelength, the transmission for the desired wavelength can be determined from the absorption range of the quartz by averaging or approximation. By linking this transmission measurement with the one described above NEN measurement of the reflectivity of the wafer can now exactly determine the emissivity, even for wafers whose transmittance is greater than 0.15. This enables reliable temperature control in areas below 400 ° C up to approximately 300 ° C.
Für die obige Transmissionsmessung ist es notwendig, dass die Lampen der unteren Lampenbank derart moduliert werden, dass sich die Strahlung der Lampen der jeweiligen oberen und unteren Lampenbank unterscheiden lassen. Wenn eine derartige Unterscheidung durch entsprechende Modulation vorgesehen ist, ist es auch möglich, für die Transmissionsmessung einen Strahlungsdetektor, wie beispielsweise einen Pyrometer zu verwenden, der unterhalb der unteren Lampenbank 28 angeordnet ist. Diese kann dann in der obigen Art und Weise von der oberen Lampenbank ausgehende Strahlung, die wiederum moduliert ist, und sich somit von der Waferstrahlung und der Strahlung der unteren Lampenbank unterscheidet, gemessen werden. Die durch Mehrfach reflektion auf den Pyrometer fallende Strahlung kann entweder bei einer Kalibration des Systems berücksichtigt werden, oder sie wird bei der Transmissivitätsbestimmung vernachlässigt.For the above transmission measurement, it is necessary that the lamps of the lower lamp bank are modulated in such a way that the radiation from the lamps of the respective upper and lower lamp banks can be distinguished. If such a distinction is provided by appropriate modulation, it is also possible to use a radiation detector, such as a pyrometer, for example, which is arranged below the lower lamp bank 28 for the transmission measurement. This can then be measured in the above manner from the radiation emanating from the upper lamp bank, which in turn is modulated and thus differs from the wafer radiation and the radiation from the lower lamp bank. The radiation falling on the pyrometer as a result of multiple reflection can either be taken into account in a calibration of the system, or it is neglected in determining the transmissivity.
Bevorzugt wird jedoch das erste Beispiel für die Transmissivitätsmessung, da wie beim ersten Ausführungsbeispiel die obere Lampenbank für die Temperaturregelung der Wafer eingesetzt werden, während die untere Lampenbank konstant gehalten oder auf bestimmte Setzpunkte gesteuert wird. Hierdurch ergibt sich für die Reflektions- und Transmissionsmessung eine im wesentli- chen gleichbleibende bzw. sich in bekannter Weise ändernde Intensität der Lampenstrahlung. Bei den Lampen, die für die Temperaturregelung eingesetzt werden, kann sich die Intensität der Lampenstrahlung hingegen rasch ändern, sodass Sprünge entstehen, die die Reflektions- und Transmissionsmessung beeinträchtigen können.However, the first example for the transmissivity measurement is preferred because, as in the first exemplary embodiment, the upper lamp bank is used for the temperature control of the wafers, while the lower lamp bank is kept constant or is controlled to specific setting points. This results in an essentially constant or changing intensity of the lamp radiation for the reflection and transmission measurement. In the case of the lamps used for temperature control, however, the intensity of the lamp radiation can change rapidly, causing jumps that can impair the reflection and transmission measurement.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf die konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt. Bei¬ spielsweise kann für die Bestimmung der Strahlungsintensität der Lampen statt eines Lampenpyrometers eine geeignete andere Messeinrichtung, wie beispielsweise eine Einrichtung, die anhand der verbrauchten elektrischen Leistung der Lampen die Intensität berechnet, eingesetzt werden. Darüber hinaus können einzelne Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen in jeder kompatiblen Art und Weise ausgetauscht oder miteinander kombiniert werden. Although the invention has been described on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not restricted to the specific exemplary embodiments. In ¬ play, the radiation intensity of the lamps can be used for the determination Instead of a lamp pyrometer, a suitable other measuring device, such as a device that calculates the intensity on the basis of the electrical power consumed by the lamps, is used. In addition, individual features of the above-described embodiments can be exchanged or combined with one another in any compatible manner.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern, mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Strahlungsquelle, wenigstens einer transparenten Abschirmung zwischen der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat, die vorgegebene Wellenlängen der Strahlung absorbiert, wenigstens einen auf der Seite der zweiten Strahlungsquelle angeordneten, auf das Substrat gerichteten Strahlungsdetektor, der eine Strahlung mit den vorgegebenen Wellenlängen misst, eine Einrichtung zum Modulieren wenigsten der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung, und eine Einrichtung zum Bestimmen der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung.1. Device for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, with at least one first and at least one second radiation source, at least one transparent shield between the first radiation source and the substrate, which absorbs predetermined wavelengths of radiation, at least one arranged on the side of the second radiation source , radiation detector directed onto the substrate, which measures radiation with the predetermined wavelengths, a device for modulating at least the radiation emanating from the second radiation source, and a device for determining the radiation emanating from the second radiation source.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Strahlungsquellen auf entgegengesetzten Seiten des Substrats angeordnet sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the first and second radiation sources are arranged on opposite sides of the substrate.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ein- richtung zum Regeln der ersten Strahlungsquellen.3. Device according to claim 1 or 2, characterized by a device for regulating the first radiation sources.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Steuern der zweiten Strahlungsquellen.4. Device according to one of the preceding claims, characterized by a device for controlling the second radiation sources.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen Heizlampen sind.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation sources are heating lamps.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung durch die Kolben der Heizlampen gebildet wird.6. The device according to claim 5, characterized in that the transparent shield is formed by the bulbs of the heating lamps.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung eine zwischen den ersten Strahlungsquellen und dem Substrat liegende Prozesskammerwand ist. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transparent shield is a process chamber wall lying between the first radiation sources and the substrate.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung wenigstens eine Filterschicht zur Absorption der vorgegebenen Wellenlängen aufweist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent shield has at least one filter layer for absorption of the predetermined wavelengths.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht räumlich von einem weiteren transparenten Material getrennt ist.9. The device according to claim 8, characterized in that the filter layer is spatially separated from a further transparent material.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abschirmung OH-angereichertes Quarzglas aufweist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent shield has OH-enriched quartz glass.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die transparente Abschirmung Wellenlängen zwischen 2,6 μm und 2,8 μm absorbiert.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent shield absorbs wavelengths between 2.6 μm and 2.8 μm.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Kühlen der transparenten Abschirmung.12. Device according to one of the preceding claims, characterized by a device for cooling the transparent shield.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit aufweist.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the cooling device comprises a cooling gas or a cooling liquid.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor ein Pyrometer ist.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation detector is a pyrometer.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein beschichteter Halbleiterwafer ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate is a coated semiconductor wafer.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine CO- und/oder Ti-Beschichtung aufweist. 16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the coating has a CO and / or Ti coating.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Transmissivität von kleiner 0,15 aufweist.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate has a transmissivity of less than 0.15.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten auf das Substrat gerichteten Strahlungsdetektor.18. Device according to one of the preceding claims, characterized by a second radiation detector directed onto the substrate.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlungsdetektor Strahlung außerhalb der vorgegebenen19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the second radiation detector radiation outside the predetermined
Wellenlängen misst.Measures wavelengths.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlungsdetektor Strahlung unterhalb und oberhalb der vorge- gebenen Wellenlängen misst.20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the second radiation detector measures radiation below and above the predetermined wavelengths.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlungsdetektor auf die den zweiten Strahlungsquellen abgewandte Seite des Substrats gerichtet ist und Strahlung mit den vorge- gebenen Wellenlängen misst.21. The apparatus according to claim 18, characterized in that the second radiation detector is directed towards the side of the substrate facing away from the second radiation sources and measures radiation with the predetermined wavelengths.
22. Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere Halbleiterwafern, mit folgenden Verfahrensschritten:22. Process for the thermal treatment of substrates, in particular semiconductor wafers, with the following process steps:
Bestrahlen des Substrats mit wenigstens einer ersten und wenig- stens einer zweiten Strahlung, Absorbieren vorgegebener Wellenlängen der ersten Strahlung zwischen einer ersten Strahlungsquelle und dem Substrat,Irradiating the substrate with at least a first and at least a second radiation, absorbing predetermined wavelengths of the first radiation between a first radiation source and the substrate,
Messen einer vom Substrat kommenden Strahlung an den vorgegebenen Wellenlängen mit einem Strahlungsdetektor, der auf derselben Seite wie eine zweite Strahlungsquelle angeordnet ist,Measuring a radiation coming from the substrate at the predetermined wavelengths with a radiation detector which is arranged on the same side as a second radiation source,
Modulieren der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung, Ermitteln der von der zweiten Strahlungsquelle ausgehenden zweiten Strahlung.Modulating the second radiation emanating from the second radiation source, Determining the second radiation emanating from the second radiation source.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Strahlung von entgegengesetzten Seiten auf das Substrat gerichtet sind.23. The method according to claim 22, characterized in that the first and second radiation are directed from opposite sides onto the substrate.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle geregelt wird.24. The device according to claim 22 or 23, characterized in that the first radiation source is regulated.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlung gesteuert wird.25. The method according to any one of claims 22 to 24, characterized in that the second radiation is controlled.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeich- net, dass die Strahlung durch Heizlampen erzeugt wird.26. The method according to any one of claims 22 to 25, characterized in that the radiation is generated by heating lamps.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Wellenlängen der ersten Strahlung durch die Kolben der ersten Heizlampen absorbiert werden.27. The method according to claim 26, characterized in that the predetermined wavelengths of the first radiation are absorbed by the pistons of the first heating lamps.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Wellenlängen der ersten Strahlung durch eine zwischen der ersten Strahlungsquelle und dem Substrat liegenden Prozesskammerwand absorbiert wird.28. The method according to any one of claims 22 to 27, characterized in that the predetermined wavelengths of the first radiation is absorbed by a process chamber wall lying between the first radiation source and the substrate.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Wellenlängen der ersten Strahlung zwischen 2,6μm und 2,8μm absorbiert werden.29. The method according to any one of claims 22 to 28, characterized in that wavelengths of the first radiation between 2.6 microns and 2.8 microns are absorbed.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeich¬ net, dass ein die vorgegebenen Wellenlängen absorbierendes Element gekühlt wird. 2030. The method according to any one of claims 22 to 29, characterized in ¬ net that the predetermined wavelengths absorbing member is cooled. 20
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit einem Kühlgas oder einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird.31. The method according to claim 30, characterized in that the element is cooled with a cooling gas or a cooling liquid.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31 , dadurch gekennzeich- net, dass die vom Substrat kommende Strahlung mit einem Pyrometer gemessen wird.32. The method according to any one of claims 22 to 31, characterized in that the radiation coming from the substrate is measured with a pyrometer.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Substrat kommende Strahlung mit einem weiteren Strahlungsdetektor gemessen wird.33. The method according to any one of claims 22 to 32, characterized in that a radiation coming from the substrate is measured with a further radiation detector.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlungsdetektor Strahlung außerhalb der vorgegebenen Wellenlängen misst.34. The method according to claim 33, characterized in that the further radiation detector measures radiation outside the predetermined wavelengths.
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlungsdetektor Strahlung unterhalb und oberhalb der vorgegebenen Wellenlängen misst.35. The method according to claim 33 or 34, characterized in that the further radiation detector measures radiation below and above the predetermined wavelengths.
36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlungsdetektor auf die der zweiten Strahlungsquelle abgewandten Seite des Substrats gerichtet wird und Strahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge misst. 36. The method according to claim 33, characterized in that the further radiation detector is directed onto the side of the substrate facing away from the second radiation source and measures radiation with the predetermined wavelength.
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