WO2004049438A2 - Verfahren zum herstellen eines kalibrationswafers - Google Patents

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WO2004049438A2
WO2004049438A2 PCT/EP2003/012690 EP0312690W WO2004049438A2 WO 2004049438 A2 WO2004049438 A2 WO 2004049438A2 EP 0312690 W EP0312690 W EP 0312690W WO 2004049438 A2 WO2004049438 A2 WO 2004049438A2
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wafer
wafers
calibration
temperature
doping
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Christoph Merkl
Markus Hauf
Rolf Bremensdorfer
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Mattson Thermal Products Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
    • G01N21/278—Constitution of standards
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/30—Structural arrangements specially adapted for testing or measuring during manufacture or treatment, or specially adapted for reliability measurements
    • H01L22/34—Circuits for electrically characterising or monitoring manufacturing processes, e. g. whole test die, wafers filled with test structures, on-board-devices incorporated on each die, process control monitors or pad structures thereof, devices in scribe line

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a calibration wafer which has at least one predetermined optical property, in particular a predetermined emissivity.
  • Computer chips and other electronic components are manufactured on round, disk-shaped semiconductor bodies, so-called wafers.
  • the wafers are subjected to different work steps and processes. Some processes require that the wafers follow a predetermined temperature profile. For example, coating processes of the wafers often take place in that the wafers are subjected to a predetermined temperature profile while they are in a predetermined process atmosphere.
  • thermally treat the wafers in a vacuum specifically as a post-treatment process for previous treatment steps. For example, thermal treatment can heal damage in the crystal lattice of the wafer that has arisen as a result of an ion implantation.
  • RTP systems rapid thermal processing
  • rapid heating systems have recently been used increasingly for thermal treatment of the wafers.
  • Such systems enable a rapid 'thermal treatment of the wafers under specified process conditions at temperatures up to 1200 ° C.
  • the special feature of these systems is not only the high treatment temperature but also the fact that heating rates of 200 ° C / s and more can be achieved. Because of these high heating rates, which means a high throughput of the RTP Ensure plant, they have a decisive economic advantage.
  • high heating and cooling rates are particularly important for the successful treatment of very small structures, since treatment at high temperatures is possible, while at the same time the overall thermal budget of the thermal negotiation can be kept low.
  • Pyrometry has proven to be particularly useful for temperature measurement, since it does not require any contact with the wafer and, moreover, does not impair the actual heating of the wafer by radiation sources.
  • a pyrometer-based temperature measurement in RTP systems has fundamental problems due to an intensive ven radiation field within a process chamber of the RTP system.
  • the radiation field which usually emanates from heating lamps, is usually so strong that it overlaps a temperature radiation emanating from the wafer and to be measured by the pyrometer. This problem is exacerbated at low wafer temperatures because the wafers have low emissivity at low temperatures. However, due to the low emissivity of the wafers at low temperatures, the signal-to-background ratio deteriorates even more.
  • a method for measuring a wafer temperature in an RTP system is known from US Pat. No. 5,154,512, in which periodic modulation is impressed on the heating radiation. This modulation enables a distinction to be made between the heat radiation emanating from the heat sources and the heat radiation emanating from the wafer, since the modulation is not contained in the radiation from the wafer.
  • a measurement signal which is composed of the wafer thermal radiation and a portion of the heating radiation reflected on the wafer surface, is first measured with a first contactless measuring device.
  • a measurement signal of the heating radiation of the heating device is recorded with a second non-contact measuring device.
  • the thermal mass of the wafer is so large that the wafer temperature cannot follow the impressed modulation of the heating radiation.
  • the wafer temperature can be determined from the wafer temperature radiation.
  • the known method of temperature measurement has been expanded and improved by a mathematical model.
  • the model contains a set of certain parameters with which geometric and plant-specific factors are recorded. The measurement signals measured in the measuring device are included in this model and the temperature of the wafer can be determined using the parameters of the model.
  • a start calibration of the RTP system is therefore necessary, in which values for the parameters of the model are determined using a calculation algorithm that are as close as possible to reality.
  • the start calibration several calibration wafers with several different optical properties are measured at different temperatures, i.e. the temperature radiation emitted by the respective calibration wafers is measured.
  • wafers At low temperatures, especially temperatures below 600 ° C, however, wafers have an increasing transparency for the heating radiation, which leads to a strong reduction in emissivity and thus to a very low signal-to-background ratio.
  • metal-coated wafers are treated at the low temperatures, which have a much higher emissivity than conventional calibration wafers.
  • special wafers with special properties that have a similar emissivity as the wafers that are treated at these low temperatures are necessary.
  • a calibration wafer One possibility of forming such a calibration wafer is to provide the calibration wafer with a metallic layer, in a similar way to a wafer that is subsequently to be thermally treated. Thanks to the metallic layer, the emissivity of the calibration wafer can be matched to that of the wafers to be subsequently treated. However, this process has the part that the metallic layer can lead to an undesirable contamination of the system. In addition, such metallic coatings are stable only in a limited temperature range and can therefore only be used to a limited extent. If such wafers are heated to higher temperatures during the calibration process, the metal layer can flake off and lead to considerable contamination of the system. In addition, the calibration wafer would be destroyed.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a calibration wafer which has a predetermined optical property, in particular a predetermined emissivity, which is adapted to the emissivity of wafers actually to be treated and in which the risk of a simple and inexpensive manner metallic contamination of the system does not exist.
  • this object is achieved by a method for producing a calibration wafer which has at least one predetermined optical property, in particular a predetermined emissivity, and the method provides a wafer made of a semiconductor material, and processing the bulk material of the wafer to set the predetermined optical property by doping with foreign atoms and / or generating lattice defects.
  • the method according to the invention enables the production of special calibration wafers with predetermined optical properties.
  • the desired optical properties can be set by manipulating the bulk material of the wafer.
  • the transmission behavior of the wafers is changed with different properties, which in turn has a direct influence on the emissivity of the wafer.
  • the transmission behavior can be set as desired, in particular it can be achieved that the wafer has low transmissivity and high emissivity even at low process temperatures.
  • the calibration wafers can be produced inexpensively, since a complex and expensive coating can be dispensed with.
  • • manipulation of the bulk material means that the calibration wafers remain the same over a long period in terms of their optical properties, such as reflectivity, transmissivity and emissivity.
  • the layer in particular a metallic layer
  • the layer can change as a result of oxidation or partial delamination of the layer can occur due to thermal tensions between the metallic layer and the wafer underneath.
  • the previously known calibration wafers therefore tended to change their optical properties over time.
  • the doping with foreign atoms and / or the generation of lattice defects over the bulk material of the wafer takes place essentially homogeneously in order to provide uniform optical properties.
  • the doping with foreign atoms and / or the generation of lattice defects takes place in a predetermined area, in particular a layer of the wafer.
  • a surface layer of the wafer is preferably doped, since this is the easiest to dope.
  • the doping with boron, phosphorus and / or arsenic is advantageously carried out as foreign atoms. Furthermore, the setting The optical properties are preferably developed essentially exclusively via the doping and / or the adjustment of the lattice defects, in order to avoid further work steps which would increase the costs for the production of the wafer.
  • the wafer is preferably doped with a density of foreign atoms that is between 10 16 and 10 19 foreign atoms per cubic centimeter.
  • the optical properties are set at least partially via the choice of the thickness of the wafer, since wafers with different thicknesses, which have different transmissivity and emissivity, can be easily produced.
  • the emissivity is preferably set to a value between 0.25 and 0.8.
  • the reflectivity of the wafer is preferably set to a value between 0.2 and 0.8.
  • the wafers are additionally coated in order to set the desired optical property.
  • the reflectivity of the wafer can in particular be set to a desired value by means of a coating.
  • the wafer is preferably coated with cobalt.
  • a number of calibration wafers preferably calibration wafers, each with different optical properties, are subjected to a simulated thermal treatment in succession in the system. Ie the temperature of the wafer is along a predefined temperature-time curve changed.
  • the wafer radiation for all calibration wafers at all temperatures is determined using a first contactless measuring device consisting of a first and second measuring device.
  • the actual wafer temperatures for all calibration wafers are measured with a second measuring device that is in contact with the calibration wafer.
  • the last-mentioned measuring device supplies the actual wafer temperature, while the measuring signals supplied by the first contactless measuring device are included in a mathematical model.
  • the parameter set of the model is initially assigned arbitrary values, but experience has shown that they roughly reflect the real parameter values. Based on these parameter values, the model calculates a temperature value per calibration wafer and holding temperature from each of the measurement signals, which is compared in each case with the corresponding actual wafer temperature supplied by the second measuring device.
  • a computer algorithm searches for new values for the individual parameters until the temperature values calculated by the model using this new parameter set and the measurement signals correspond sufficiently with their corresponding actual temperature values for all calibration wafers and all holding temperatures.
  • the values of this parameter set are then used for the parameters of the model during normal process operation of the system in which wafers to be treated are processed.
  • the use of metal-coated calibration wafers is only possible at lower temperature ranges, which are below approximately 600 ° C. At higher temperatures, in particular at temperatures of approximately 1000 ° C. to approximately 1100 ° C., the metal layer flakes off, which leads to the destruction of the calibration wafer and to contamination of a process chamber of the RTP system.
  • the same calibration wafers can be used for calibration at low temperatures as well as at high temperatures, so that a second set of calibration wafers, as would be necessary with the metal-coated calibration wafers, is not necessary.
  • the calibration process can be shortened considerably because fewer calibration wafers have to be inserted and measured in the system.
  • Figure 1 is a schematic view of an RTP system.
  • Fig. 4 is a diagram showing the. shows measured and simulated dependence of the transmissivity of a wafer on the doping density at a selected measuring wavelength.
  • Fig. 1 shows schematically the typical structure of an RTP system 1, which is also referred to as a rapid heating system.
  • the RTP system has a housing 3, the inner walls of which are designed to be reflective.
  • the housing 3 also has an input / output opening (not shown) for loading and unloading semiconductor wafers 5.
  • a process chamber 7 made of a translucent material, such as quartz, is provided within the housing 3.
  • the process chamber 7 also has an input / output opening, not shown.
  • the process chamber 7 is arranged centrally within the housing 3 in such a way that there is space above and below the process chamber 7 for upper and lower lamp banks 8, 9.
  • the lamp banks 8, 9 are each formed from a multiplicity of lamps 10 arranged on a line.
  • the lamps 10 are preferably rod-shaped tungsten halogen lamps, although other lamps can also be used. Although upper and lower lamp banks 8, 9 are shown, it is of course also possible to use only one lamp bank, ie the upper or the lower one.
  • the housing 3 and the process chamber 7 have inflows and outflows for process gases, not shown, in order to be able to produce a desired process atmosphere within the process chamber 7.
  • Support elements 12 for the wafers 5 are provided within the process chamber 7.
  • the support elements 12 can be pin-shaped quartz elements, for example, on which a wafer can lie during a treatment or a calibration wafer during a calibration of the RTP system.
  • the support elements 12 are made of a translucent material in order to avoid shadowing effects by the support elements 12.
  • the housing 3 also has at least two openings 14 for forming viewing windows for a measuring device, consisting of two non-contact measuring devices 16, 17.
  • the measuring devices 16, 17 are two pyrometers.
  • other measuring devices such as a CCD line or other devices for measuring radiation, can also be used.
  • the pyrometer 16 is directed at at least one of the lamps 10 of the lower lamp bank 9 in order to detect the heating radiation I 0 emanating therefrom.
  • the second pyrometer is directed to one side of the wafer 5 and detects temperature radiation I w emanating from the wafer 5, and at the same time a part I r of the heating radiation I 0 emanating from the lower lamp bank 9 reflected by the wafer 5.
  • heating radiation passing through the wafer 5 from the upper lamp bank 8 can also be detected on the second pyrometer, but this is not shown in FIG. 1.
  • the lamps 10 of the upper and lower lamp banks 8, 9 are controlled in a modulated manner so that the heating radiation I 0 has a modulation.
  • the radiant heat consists of a DC component I 0 DC and an AC component I 0AC -
  • the reflected component I r of the heating radiation I 0 is composed of a DC component I rD c and an AC component I rA c.
  • the modulation of the heating radiation is chosen such that it has no influence on the radiation I w emitted by the wafer due to the large mass of the wafer 5 and thus its thermal inertia. 'The emitted radiation from the wafer w I therefore has no AC component.
  • a signal I is detected by the pyrometer 9, which is composed of a direct component I Dc and an alternating component I A c.
  • the radiation I w emitted by the wafer can be determined.
  • This is incorporated into a mathematical model that calculates the temperature of the wafer 5 from the radiation components and a set of parameters that are assigned certain values.
  • the parameters are used to record specific properties of the RTP system 1, such as, for example, geometric factors which are caused by the shape of the housing 3 or the chamber 7, or other properties, such as the reflection behavior of the housing 3, but also the Wavelength or the wavelength ranges at which pyrometers 16 and 17 operate.
  • the calibration wafers and the temperatures to which they are heated are selected such that the emissivity or reflectivity of the wafers at the temperatures are within a range in which wafers to be treated subsequently also lie.
  • the dashed area 20 denotes an area within the diagram in which wafers to be treated can be located. This means that the wafers can have a reflectivity of 0.4, for example at a temperature of 400 ° C., as shown by point 21. Another wafer to be treated could have the same reflectivity, for example, at a temperature of 800 ° C., as represented by point 22.
  • four calibration wafers with different reflectivities, as described above, are measured. For example, each of the wafers is heated to four different temperatures and held at this temperature for a certain time, the actual temperature measurement being carried out via a temperature measuring device of the contact type, such as a thermocouple.
  • the optical radiation emanating from the wafers is measured and the measurement result is entered into the mathematical model.
  • the measuring points of which are shown in the areas 24, 25, 26 and 27, there are 16 measuring points within the area 20.
  • a possible change in the reflectivities of the calibration wafers was dependent on the Temperature neglected in the diagram.
  • Each point thus stands for a calibration wafer of a certain reflectivity with a certain temperature.
  • the pyrometer signals in particular the pyrometer signals are inputted Entering the emitted radiation from the wafer in the mathematical model now that calculates a temperature for each of the '16 points.
  • these 16 calculated temperatures generally do not match their corresponding value measured by the temperature measuring device.
  • 16 is obtained temperature differences that give an 'indication of the quality of the set parameters of the model.
  • the parameters of the model are now changed using a mathematical algorithm in order to reduce the 16 temperature differences. Then 16 new temperatures are calculated with the new parameter set, with the addition of the pyrometer signals. Again, the temperature differences from the actually measured temperatures are determined in order to change the parameters of the mathematical model based on this difference. This process is repeated until a parameter set is available in which the temperatures calculated by the model on the basis of the pyrometer signals match the temperatures measured by the temperature measuring device.
  • the RTP system now has a calibrated parameter set that enables reliable temperature measurement and control within the range 20 by means of the pyrometers 16, 17.
  • the calibration wafers used here are specially manufactured calibration wafers with certain optical properties, the optical properties being manipulated by the volume material can be set.
  • the optical properties are manipulated, in particular the absorption of the bulk material by doping a conventional semiconductor wafer with foreign atoms. The doping allows the optical properties of the wafer, such as, for example, the reflectivity, the transmissivity and the emissivity, to be set to desired values.
  • FIG. 3 shows the relationship between reflectivity and transmissivity in a diagram for standardized calibration wafers, wafers coated with cobalt and covered standardized wafers.
  • the dashed lines are lines of constant emissivity, since the sum of emissivity, reflectivity and transmissivity always results in 1.
  • the diagram shows the conditions for a fixed temperature of 450 ° C.
  • the reflectivities of ordinary calibration wafers in the case shown are between 0.65 and 0.8.
  • the associated transmissivities are in the range between 0.05 and 0.35.
  • the dashed triangle 34 marks the area in which the wafers to be treated are located. It is obvious that the usual calibration wafers do not fall within this range and are therefore not suitable for calibration. On the other hand, wafers coated with cobalt and covered wafers fall in the region 34 and are therefore suitable for calibration, but also bring with them the disadvantages already mentioned. Ultimately, with conventional methods, ordinary calibration wafers are always brought into the area 34 by a speaking coating is applied. The covered wafers only cover an edge area of area 34.
  • the transmission properties or transmissivity can be set to a desired value by suitable manipulation of the bulk material of a conventional semiconductor wafer. In particular, this is done by doping with foreign atoms, such as phosphorus, boron and arsenic, with phosphorus and boron being preferred.
  • the transmissivity of a doped wafer for infrared radiation shows the dependence of the transmissivity of a doped wafer for infrared radiation on the density of doped foreign atoms, specifically for temperatures below 300 ° C.
  • the transmissivity is 1, ie the wafer is transparent to infrared radiation. If the doping density is increased, the transmissivity drops continuously until it goes to zero at a doping density of 10 19 atoms per cm 3 , ie the wafer is essentially opaque to infrared radiation at this doping density.
  • a set of calibration wafers can thus be provided which essentially completely covers the area 34 desired in FIG. 3.
  • Calibration wafers with a transmissivity of 0.3, an emissivity between 0.25 and 0.8 and a reflectivity between 0.2 and 0.8 are preferably used.
  • the calibration wafers can be doped using any method. The doping can be made homogeneous across the bulk material. However, it can also be advantageous to vary the doping density in the interior of the wafer or to dope the wafers only in regions. In particular, it is possible to dope only one or more layers of the wafer, it being simplest to provide such a doped layer on the wafer surface or directly under the wafer surface.
  • the doping can be done in any way.
  • the doping takes place in that a silicon wafer is doped from a correspondingly enriched silicon melt.
  • Doping profiles that are produced by diffusion of the dopant into the wafer are also suitable for the production of the calibration wafers according to the invention. If only one layer is to be doped within the wafer, ion implantation is particularly suitable.
  • the dopant is implanted in the wafer, its crystal structure is damaged, which can have a desired effect on the optical properties. The crystal structure can either be left in the destroyed state or can be healed by subsequent tempering, as a result of which doping atoms are also built into the crystal lattice sites and thus result in a long-term stable calibration wafer.
  • lattice defect is which include zero to three-dimensional lattice defects, zero-dimensional defects are, for example, point defects or point defects such as vacancies, self-interstitial atoms (EZG or interstitials) and chemical foreign atoms that are built into the host lattice on interstitials or lattice sites.
  • point defects or point defects such as vacancies
  • ZG or interstitials self-interstitial atoms
  • chemical foreign atoms that are built into the host lattice on interstitials or lattice sites.
  • defects are, for example, grain boundaries (two-dimensional) or the three-dimensional precipitates already mentioned (eg oxygen precipitates in silicon or metal precipitates), or the nucleation centers required for the formation of precipitates as well as local amorphous areas which arise, for example, in ion implantations, or voids.
  • Crystal-like should be understood to mean, for example, the transition area from crystalline to amorphous structure.
  • F centers color centers
  • the optical properties of the calibration wafer can also be changed by changing the thickness of the wafer.
  • a set of calibration wafers can be formed from calibration wafers with different thicknesses that are uniformly doped homogeneously.
  • the aforementioned features of the invention can be combined and modified in any compatible manner.
  • the calibration wafers according to the invention are coated in addition to manipulating the bulk material, such as with cobalt.

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Abstract

Um einen Kalibrationswafer vorzusehen, der auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine vorbestimmte optische Eigenschaft, insbesondere eine vorbestimmte Emissivität aufweist, die an die Emissivität tatsächlich zu behandelnder Wafer angepasst ist und bei denen das Risiko einer metallischen Kontamination der Anlage nicht besteht, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Kalibrationswafers, der wenigstens eine vorbestimmte optische Eigenschaft, insbesondere eine vorbestimmte Emissivität, aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten auf: Vorsehen eines Wafers aus einem Halbleitermaterial; und Bearbeiten des Volumenmaterials des Wafers zum Einstellen der vorbestimmten optischen Eigenschaft durch eine Dotierung mit Fremdatomen und/oder eine Erzeugung von Gitterdefekten.

Description

Verfahren, zum Herstellen eines Kalibrationswafers
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kalibrationswafers, der wenigstens eine vorbestimmte optische Eigenschaft, insbesondere eine vorbestimmte Emissivität, aufweist.
Computerchips sowie andere elektronische Bauteile werden auf runden, scheibenförmigen Halbleiterkörpern, sogenann- ten Wafern gefertigt. Während der Fertigung werden die Wafer unterschiedlichen Arbeitsschritten und Prozessen unterzogen. Bei einigen Prozessen ist es erforderlich, dass die Wafer einem vorgegebenen Temperaturverlauf folgen. Beispielsweise erfolgen Beschichtungsprozesse der Wafer häufig dadurch, dass die Wafer einem vorgegebenen Temperaturverlauf unterzogen werden, während sie sich in einer vorgegebenen Prozessatmosphäre befinden. Auch ist es bekannt, die Wafer in einem Vakuum thermisch zu behandeln, und zwar als Nachbehandlungsprozess zu vorhergegangenen Behandlungsschritten. Beispielsweise kann eine thermische Behandlung Schäden im Kristallgitter des Wafers, die infolge einer Ionenimplantation entstanden sind, ausheilen.
Für die thermische Behandlung der Wafer werden in letzter Zeit immer häufiger sogenannte RTP-Anlagen (Rapid Thermal Processing) , die auch als Schnellheizanlagen bezeichnet werden, eingesetzt. Derartige Anlagen ermöglichen eine rasche 'thermische Behandlung der Wafer unter vorgegebenen Prozessbedingungen bei Temperaturen bis zu 1200°C. Das Be- sondere dieser Anlagen liegt aber nicht nur in der hohen Behandlungstemperatur sondern auch darin, dass Heizraten von 200°C/s und mehr erreicht werden können. Aufgrund dieser hohen Heizraten, die einen hohen Durchsatz der RTP- Anlage gewährleisten, besitzen sie einen entscheidenden wirtschaftlichen Vorteil. Ferner sind hohe Heiz- und Kühl- raten insbesondere für eine erfolgreiche Behandlung sehr kleiner Strukturen wichtig, da eine Behandlung bei hohen Temperaturen möglich ist, während gleichzeitig das gesamte thermische Budget der thermischen Verhandlung gering gehalten werden kann.
Die schnellen Aufheizraten führen jedoch auch zu einer er- heblichen Belastung für den Wafer, wenn dieser nicht über seine gesamte Fläche hinweg homogen behandelt' wird. Hierdurch könnten Temperaturunterschiede zwischen unterschiedlichen Bereichen des Wafers auftreten, was zu einem Verbiegen des Wafers oder die Bildung von Kristallfehlern führen kann. Ein Verbiegen bzw. Kristallfehler kann die auf die Wafer aufgebrachten Strukturen oder elektrische Kontakte zerstören und den Wafer somit unbrauchbar machen. Daher ist eine homogene Temperaturverteilung über den Wafer hinweg erforderlich. Um diese zu erreichen, erfolgt während der thermischen Behandlung eine permanente Temperaturmessung zur Kontrolle, Steuerung und Regelung des Temperaturverlaufs des Wafers. Dabei erfolgt eine Temperaturmessung, insbesondere auch an unterschiedlichen Punkten des Wafers, um Temperaturinhomogenitäten auszugleichen. Eine verläßliche Temperaturmessung ist daher ein Hauptmerkmal einer RTP-Anlage.
Für die Temperaturmessung hat sich die Pyrometrie als besonders zweckmäßig erwiesen, da sie keinen Kontakt zum Wa- fer erfordert und darüber hinaus die eigentliche Beheizung des Wafers durch Strahlungsquellen nicht beeinträchtigt. Eine pyrometerbasierte Temperaturmessung in RTP-Anlagen hat jedoch grundsätzliche Probleme aufgrund eines intensi- ven Strahlungsfeldes innerhalb einer Prozesskammer der RTP-Anlage. Üblicherweise ist das Strahlungsfeld, das in der Regel von Heizlampen ausgeht, so stark, dass sie eine vom Wafer ausgehende und vom Pyrometer zu messende Tempe- raturstrahlung überlagert. Dieses Problem verstärkt sich bei geringen Wafertemperaturen, da die Wafer bei geringen Temperaturen eine geringe Emissivität besitzen. Durch die geringe Emissivität der Wafer bei niedrigen Temperaturen verschlechtert sich jedoch das Signal-zu- Hintergrundverhältnis noch mehr.
Aus dem US-Patent 5,154,512 ist ein Verfahren zum Messen einer Wafertemperatur in einer RTP-Anlage bekannt, bei der der Heizstrahlung eine periodische Modulation aufgeprägt wird. Diese Modulation ermöglicht eine Unterscheidung zwischen der von den Heizquellen ausgehenden Heizstrahlung, und der von dem Wafer ausgehenden Heizstrahlung, da die Modulation in der Strahlung des Wafers nicht enthalten ist. Bei dem bekannten Verfahren wird mit einem ersten be- rührungslosen Messgerät zunächst ein Messsignal, das sich aus der Wafer-Temperaturstrahlung und einem an der Wafer- oberfläche reflektierten Anteil der Heizstrahlung zusammensetzt, gemessen. Mit einem zweiten berührungslosen Messgerät wird ein Messsignal der Heizstrahlung der Heiz- Vorrichtung aufgenommen. Bei dem bekannten Verfahren wird angenommen, dass die thermische Masse des Wafers so groß ist, dass die Wafertemperatur der aufgeprägten Modulation der Heizstrahlung nicht folgen kann. Somit ist es möglich, die nichtmodulierte, schwache Wafer-Temperaturstrahlung von der viel stärkeren, aber modulierten Heizstrahlung messtechnisch zu trennen. Dann kann aus der Wafer- Temperaturstrahlung die Wafertemperatur bestimmt werden. Bei modernen RTP-Anlagen wurde das bekannte Verfahren der Temperaturmessung durch ein mathematisches Modell erweitert und verbessert. Bei diesem Modell werden unterschiedliche Strahlungskomponenten der Anlage, wie beispielsweise das Auftreten von Mehrfachreflektionen und anderem berücksichtigt. Daher beinhaltet das Modell einen Satz bestimmter Parameter, mit denen geometrische sowie anlagenspezifische Faktoren erfasst werden. Die in der Messvorrichtung gemessenen Messsignale gehen in dieses Modell ein und mit- tels der Parameter des Modells kann die Temperatur des Wafers bestimmt werden.
Dabei erweist sich in den allermeisten Fällen eine Vermessung der Parameter als sehr schwierig oder in der Praxis nicht durchführbar. Daher ist eine Startkalibration der RTP-Anlage notwendig, bei der Werte für die Parameter des Modells mittels eines Rechenalgorithmus ermittelt werden, die möglichst nahe an der Wirklichkeit liegen. Bei der Startkalibration werden mehrere Kalibrationswafer mit meh- reren verschiedenen optischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen vermessen, d.h. es wird die von den jeweiligen Kalibrationswafern ausgehende Temperaturstrahlung gemessen.
Bei tiefen Temperaturen, insbesondere Temperaturen unter 600°C besitzen Wafer jedoch eine zunehmende Transparenz für die Heizstrahlung, was zu einer starken Absenkung der Emissivität und damit zu einem sehr kleinen Signal-zu- Hintergrundverhältnis führt. In der Praxis werden bei den niedrigen Temperaturen insbesondere metallisch beschichtete Wafer behandelt, die gegenüber üblichen Kalibrationswa- fern eine viel höhere Emissivität aufweisen. Um eine ordnungsgemäße Kalibration auch bei tiefen Temperaturen si- cherzustellen, sind daher spezielle Wafer mit besonderen Eigenschaften notwendig, die eine ähnliche Emissivität besitzen, wie die Wafer, die bei diesen niedrigen Temperaturen behandelt werden.
Eine Möglichkeit, einen derartigen Kalibrationswafer auszubilden, besteht darin, den Kalibrationswafer mit einer metallischen Schicht zu versehen, und zwar ähnlich zu einem nachfolgend thermisch zu behandelnden Wafer. Dank der metallischen Schicht erreicht man eine Anpassung der Emissivität des Kalibrationswafers an die der nachfolgend zu behandelnden Wafer. Dieses Verfahren besitzt jedoch den Machteil, dass die metallische Schicht zu einer unerwünschten Kontamination der Anlage führen kann. Darüber hinaus sind derartige metallische Beschichtungen nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich stabil und können daher nur eingeschränkt eingesetzt werden. Wenn derartige Wafer während des Kalibrationsprozesses auf höhere Temperaturen erhitzt werden, kann es zu einem Abplatzen der Me- tallschicht und zu einer erheblichen Kontamination der Anlage führen. Darüber hinaus würde der Kalibrationswafer zerstört werden.
Für eine gute Kalibration ist es daher wichtig, Kalibrati- onswafer zur Verfügung zu stellen, welche die für die Praxis relevanten Bereiche der Temperatur und der Emissivität abdecken, d.h. dass sie eine ähnliche Emissivität wie nachfolgend zu behandelnde Wafer bei den jeweiligen eingesetzten Temperaturbereichen aufweisen. Bei hohen Tempera- turen werden die Wafer für die Heizstrahlung optisch undurchsichtig, und daher kann die Emissivität bei hohen Temperaturen lediglich über die Reflektivität der Wafer verändert werden, indem beispielsweise eine geeignete Be- Schichtung gewählt wird. Bei tiefen Temperaturen, wenn der Wafer im Wesentlichen für die Heizstrahlung optisch transparent ist, kann eine Einstellung der Emissivität sowohl über die Reflektivität als auch die Transmissivität erfol- gen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kalibrationswafer vorzusehen, der auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine vorbestimmte opti- sehe Eigenschaft, insbesondere eine vorbestimmte Emissivität aufweist, die an die Emissivität tatsächlich zu behandelnder Wafer angepasst ist und bei denen das Risiko einer metallischen Kontamination der Anlage nicht besteht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kalibrationswafers, der wenigstens eine vorbestimmte optische Eigenschaft, insbesondere eine vorbestimmte Emissivität, aufweist, und das Verfahren einen Wafer aus einem Halbleitermaterial vorsieht, sowie ein Bearbeiten des Volumenmaterials des Wafers zum Einstellen der vorbestimmten optischen Eigenschaft durch eine Dotierung mit Fremdatomen und/oder einer Erzeugung von Gitterdefekten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung spezieller Kalibrationswafer mit vorbe- stimmten optischen Eigenschaften. Bei der Herstellung lassen sich durch Manipulation des Volumenmaterials des Wafers die gewünschten optischen Eigenschaften einstellen. Dabei wird insbesondere das Transmissionsverhalten der Wafer bei unterschiedlichen Eigenschaften verändert, was wiederum einen direkten Einfluss auf die Emissivität des Wafers besitzt. Indem beispielsweise ein Wafer dotiert wird, läßt sich das Transmissionsverhalten in gewünschter Weise einstellen, insbesondere kann erreicht werden, dass der Wafer auch bei niedrigen Prozesstemperaturen eine geringe Transmissivität und eine hohe Emissivität aufweist. Durch Manipulation des Volumenmaterials kann auf eine Beschichtung der Kalibrationswafer mit einer metallischen Schicht verzichtet werden, wodurch die damit in Beziehung stehenden Probleme entfallen. Ferner lassen sich die Kalibrationswafer kostengünstig herstellen, da eine aufwendige und teure Beschichtung entfallen kann. Darüber hinaus •führt eine Manipulation des Volumenmaterials dazu, dass die Kalibrationswafer hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften, wie z.B. Reflektivität, Transmissivität und Emissivität, über lange Zeit gleich bleiben. Bei beschichteten Wafern kann sich die Schicht, insbesondere eine metallische Schicht durch Oxydation verändern oder es kann aufgrund thermischer Spannungen zwischen der metallischen Schicht und dem darunter liegenden Wafer zu einem teilweisen Ablösen der Schicht kommen. Die bisher bekannten Kalibrationswafer neigten daher dazu, ihre optischen Eigenschaften über die Zeit hinweg zu verändern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Dotierung mit Fremdatomen und/oder die Erzeugung von Gitterdefekten über das Volumenmaterial des Wafers hinweg im Wesentlichen homogen, um gleichmäßige optische Eigenschaften vorzusehen. Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Dotierung mit Fremdatomen und/oder die Erzeugung von Gitterdefekten in einem vorbestimmten Bereich, insbesondere einer Schicht des Wafers. Dabei wird vorzugsweise eine Oberflächenschicht des Wafers dotiert, da sich diese am Einfachsten dotieren läßt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Dotierung mit Bor, Phosphor und/oder Arsen als Fremdatome. Ferner erfolgt die Einstel- lung der optischen Eigenschaften vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich über die Dotierung und/oder die Einstellung der Gitterdefekte, um weitere Arbeitsschritte, welche die Kosten für die Herstellung des Wafers erhöhen würden, zu vermeiden.
Zum Erreichen gewünschter optischer Eigenschaften wird der Wafer vorzugsweise mit einer Dichte von Fremdatomen dotiert, die zwischen 1016 und 1019 Fremdatomen pro Kubikzen- timeter liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Einstellung der optischen Eigenschaften wenigstens teilweise über die Wahl der Dicke des Wafers, da sich Wa- fer mit unterschiedlichen Dicken, welche unterschiedliche Transmissivität und Emissivität besitzen, leicht herstellen lassen. Vorzugsweise wird die Emissivität auf einen Wert zwischen 0,25 und 0,8 eingestellt. Die Reflektivität des Wafers wird vorzugsweise auf einen Wert zwischen 0,2 und 0,8 eingestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Wafer zusätzlich beschichtet, um die gewünschte optische Eigenschaft einzustellen. Über eine Beschichtung läßt sich insbesondere die Reflektivität des Wafers auf einen gewünschten Wert einstellen. Dabei wird der Wafer vorzugsweise mit Kobalt beschichtet .
Bei einer Kalibration einer RTP-Anlage werden mehrere Ka- librationswafer, vorzugsweise Kalibrationswafer mit jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften nacheinander in der Anlage einer simulierten thermischen Behandlung unterzogen. D.h. die Temperatur der Wafer wird entlang einer vorgegebenen Temperatur-Zeitkurve verändert. Während dieser simulierten thermischen Behandlung wird die Wafer- strahlung für alle Kalibrationswafer bei allen Temperaturen mit einer ersten berührungslosen Messvorrichtung, be- stehend aus einem ersten und zweiten Messgerät bestimmt . Parallel dazu werden die tatsächlichen Wafertemperaturen für alle Kalibrationswafer mit einer zweiten Messvorrichtung gemessen, die in Kontakt mit dem Kalibrationswafer steht. Die zuletzt genannte MessVorrichtung liefert die tatsächliche Wafertemperatur, während die von der ersten berührungslosen Messvorrichtung gelieferten Messsignale in ein mathematisches Modell eingehen. Für die Startkalibration wird der Parametersatz des Modells mit anfänglich willkürlichen Werten belegt, von denen man aber aus Erfah- rung weiß, dass sie in etwa die realen Parameterwerte wiedergeben. Basierend auf diesen Parameterwerten berechnet das Modell aus allen Messsignalen jeweils einen Temperaturwert pro Kalibrationswafer und Haltetemperatur, der jeweils mit dem von der zweiten Messvorrichtung gelieferten korrespondierenden tatsächlichen Wafertemperatur verglichen wird.
Ausgehend von den Differenzen dieser Wertepaare werden gemäß einem Rechneralgorithmus solange neue Werte für die einzelnen Parameter gesucht, bis die mit diesem neuen Parametersatz und den Messsignalen vom Modell berechneten Temperaturwerten mit ihren korrespondierenden tatsächlichen Temperaturwerten für alle Kalibrationswafer und alle Haltetemperaturen hinreichend übereinstimmen. Die Werte dieses Parametersatzes werden dann für die Parameter des Modells während eines normalen Prozessbetriebs der Anlage, bei der man zu behandelnde Wafer prozessiert, verwendet. Wie zuvor erwähnt, ist der Einsatz metallbeschichteter Kalibrationswafer nur bei unteren Temperaturbereichen möglich, die unterhalb von ungefähr 600°C liegen. Bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen von ungefähr 1000°C bis ungefähr 1100°C platzt die Metallschicht ab, was zu einer Zerstörung des Kalibrationswafers und zu einer Kontamination einer Prozesskammer der RTP-Anlage führt. Daher sind derartige Wafer in hohen Temperaturbereichen nicht zur Kalibration einer RTP-Anlage einsetzbar. Zudem schränken metallbeschichtete Wafer die Atmosphäre ein, in der eine Kalibration erfolgen kann, da die Metalle leicht oxydieren oder reduzieren. Bei den erfindungsgemäßen Wafern kann hingegen der gesamte relevante Temperaturbereich einer RTP-Anlage kalibriert werden. Darüber hinaus sind die Wafer nicht so empfindlich hinsichtlich der Prozessatmosphäre .
Dieselben Kalibrationswafer können sowohl für eine Kalibration bei niedrigen Temperaturen als auch hohen Tempera- turen eingesetzt werden, so dass ein zweiter Satz Kalibrationswafer, wie er bei den metallbeschichteten Kalibrati- onswafern notwendig wäre, nicht erforderlich ist. Neben dem Effekt, dass derselbe Satz an Kalibrationswafern sowohl für niedrige als auch hohe Temperaturen eingesetzt werden kann, und somit weniger Kalibrationswafer notwendig sind, läßt sich der Kalibrationsvorgang zeitlich erheblich verkürzen, da weniger Kalibrationswafer in die Anlage eingesetzt und vermessen werden müssen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer RTP-Anlage;
Fig. 2 ein Temperatur-Reflektions-Diagramm, in dem für vier verschiedene Wafer die Messpunkte bei jeweils vier verschiedenen Temperaturen eingetragen sind;
Fig. 3 ein Transmissions-Reflektions-Diagramm für verschiedene Wafertypen;
Fig. 4 ein Diagramm, das die . gemessene und simulierte Abhängigkeit der Transmissivität eines Wafers von der Dotierungsdichte bei einer ausgewählten Messwellenlänge zeigt.
Fig. 1 zeigt schematisch den typischen Aufbau einer RTP- Anlage 1, die auch als Schnellheizanlage bezeichnet wird. Die RTP-Anlage besitzt ein Gehäuse 3, dessen Innenwände reflektierend ausgebildet sind. Das Gehäuse 3 weist ferner eine nicht dargestellte Eingabe-/Ausgabeδffnung zum Be- und Entladen von Halbleiterwafern 5 auf. Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 7, aus einem lichtdurch- lässigen Material, wie beispielsweise aus Quarz vorgesehen. Die Prozesskammer 7 besitzt ebenfalls eine nicht dargestellte Eingabe-/Ausgabeöffnung. Die Prozesskammer 7 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, mittig innerhalb des Gehäuses 3 derart angeordnet , dass oberhalb und unterhalb der Prozesskammer 7 Platz für obere bzw. untere Lampenbänke 8 , 9 besteht. Die Lampenbänke 8, 9 sind jeweils aus einer Vielzahl von auf einer Linie angeordneten Lampen 10 gebildet. Die Lampen 10 sind vorzugsweise stabförmige Wolfram-Halogenlampen, wobei jedoch auch andere Lampen eingesetzt werden können. Obwohl obere und untere Lampenbanken 8,9 dargestellt sind, ist es natürlich auch möglich, nur eine Lampenbank, d.h. die obere oder die untere zu verwenden. Das Gehäuse 3 sowie die Prozesskammer 7 besitzen nicht dargestellte Zu- und Abflüsse für Prozessgase, um innerhalb der Prozesskammer 7 eine gewünschte Prozessatmosphäre herstellen zu können.
Innerhalb der Prozesskammer 7 sind Auflageelemente 12 für die Wafer 5 vorgesehen. Die Auflageelemente 12 können beispielsweise stiftförmige Quarzelemente sein, auf denen ein Wafer während einer Behandlung bzw. ein Kalibrationswafer während einer Kalibration der RTP-Anlage aufliegen kann. Die Stützelemente 12 sind aus einem lichtduchlässigen Material, um Abschattungseffekte durch die Stützelemente 12 zu vermeiden.
Das Gehäuse 3 besitzt ferner wenigstens zwei Öffnungen 14 zur Bildung von Sichtfenstern für eine Messvorrichtung, bestehend aus zwei berührungslosen Messgeräten 16, 17. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Messgeräte 16, 17 zwei Pyrometer. Es können jedoch auch andere Messgeräte, wie beispielsweise eine CCD-Zeile oder andere Geräte zur Messung von Strahlung verwendet werden. Dabei ist das Pyrometer 16 auf wenigstens eine der Lampen 10 der unteren Lampenbank 9 gerichtet, um die hiervon ausgehende Heizstrahlung I0 zu detektieren. Das zweite Pyrometer ist auf eine Seite des Wafers 5 gerichtet und detektiert von dem Wafer 5 ausgehende Temperaturstrahlung Iw, sowie gleichzeitig einen vom Wafer 5 reflektierten Teil Ir der von der unteren Lampenbank 9 ausgehenden Heizstrahlung I0. Darüber hinaus kann an dem zweiten Pyrometer auch durch den Wafer 5 hindurchgehende Heizstrahlung von der oberen Lampenbank 8 detektiert werden, was in Fig. 1 jedoch nicht dargestellt ist. Die Lampen 10 der oberen und unteren Lampenbank 8,9 werden moduliert angesteuert, so dass die Heizstrahlung I0 eine Modulation aufweist. Die Heizstrahlung besteht aus einem Gleichanteil I0DC und einem Wechselanteil I0AC- Dementsprechend setzt sich der reflektierte Anteil Ir der Heizstrahlung I0 aus einem Gleichanteil IrDc und einem Wechselanteil IrAc zuzammen. Die Modulation der Heizstrahlung ist derart gewählt, dass sie aufgrund der großen Masse des Wafers 5 und somit dessen thermischer Trägheit keinen Einfluss auf die vom Wafer emittierte Strahlung Iw besitzt.' Die vom Wafer emittierte Strahlung Iw besitzt daher keinen Wechselanteil. Insgesamt wird vom Pyrometer 9 ein Signal I detektiert, das sich aus einem Gleichanteil IDc und einem Wech- selanteil IAc zusammensetzt.
Durch Vergleich der Gleich- und Wechselanteile IODC IOAC, IDC und IAC der vom Pyrometer 8 detektierten Heizstrahlung I0 und der vom Pyrometer 9 detektierten Strahlung I, läßt sich die vom Wafer emittierte Strahlung Iw ermitteln. Diese geht in ein mathematisches Modell ein, das aus den Strahlungsanteilen und einem Satz von Parametern, die mit bestimmten Werten belegt sind, die Temperatur des Wafers 5 berechnet. Mit den Parametern werden spezifische Eigen- Schäften der RTP-Anlage 1 erfaßt, wie beispielsweise geometrische Faktoren, die durch die Form des Gehäuses 3 bzw. der Kammer 7 bedingt sind, oder andere Eigenschaften, wie beispielsweise das Reflektionsverhalten des Gehäuses 3, aber auch die Wellenlänge bzw. die Wellenlängenbereiche, bei denen die Pyrometer 16 und 17 arbeiten.
In der Praxis lassen sich die Meisten dieser Parameter nicht durch eine Messung bestimmen, sondern müssen vor dem eigentlichen Betrieb der RTP-Anlage anhand von Kalibrati- onsmessungen mit einer anschließenden Anpassung der Parameter mittels eines mathematischen Algorithmus bestimmt werden.
Dies geschieht in der Regel mit einem Satz von vier Kali- brationswafern mit voneinander verschiedenen optischen Eigenschaften, wie beispielsweise unterschiedlichen Reflek- tivitäten, Emissivitäten etc. Diese vier Kalibrationswafer werden nacheinander in die Anlage 1 eingesetzt und für bestimmte Zeitspannen auf unterschiedliche Temperaturen gebracht. Dabei wird die jeweilige Temperatur der Kalibrationswafer mit einem Messgerät des Kontaktyps, wie beispielsweise einem Thermoelement gemessen. Dieses Messgerät stellt somit eine Referenztemperatur für die Kalibration zur Verfügung. Gleichzeitig erfolgt eine Messung der Wa- ferstrahlung in der oben beschriebenen Art und Weise mittels der Pyrometer 16, 17.
Die Kalibrationswafer und die Temperaturen auf welche sie geheizt werden, sind derart ausgewählt, dass die Emissivität bzw. Reflektivität der Wafer bei den Temperaturen innerhalb eines Bereichs liegen, in dem auch nachfolgend zu behandelnde Wafer liegen. D.h. es werden Kalibrationswafer eingesetzt, die eine ähnliche Reflektivität oder Emissivität besitzen, wie nachfolgend zu behandelnde Wafer, und die Kalibrationswafer werden auf Temperaturen erwärmt, auf die auch die nachfolgend zu behandelnden Wafer erwärmt werden. Dies ist notwendig, um die mathematischen Modell- parameter vorzugeben, die nachfolgend zu richtigen Temperaturangaben der zu behandelnden Wafer führen. Wenn die Emissivität oder Reflektivität des Kalibrationswafers zu weit von den tatsächlich zu behandelnden Wafern abweicht, kann hinsichtlich der nachfolgend gemessenen Temperaturen keine gesicherte Aussage gemacht werden, da die Voraussagen des mathematischen Modells für diese Parameter nicht überprüft wurde.
Fig. 2 zeigt ein Temperatur-Reflektivitäts-Diagramm. Der gestrichelte Bereich 20 kennzeichnet einen Bereich innerhalb des Diagramms, in dem sich zu behandelnde Wafer befinden können. D.h. die Wafer können beispielsweise bei einer Temperatur von 400 °C eine Reflektivität von 0,4 besitzen, wie durch den Punkt 21 dargestellt ist. Ein anderer zu behandelnder Wafer könnte beispielsweise bei einer Temperatur von 800 °C dieselbe Reflektivität besitzen, wie durch den Punkt 22 dargestellt ist. Um diesen Bereich 20 möglichst breit zu kalibrieren werden vier Kalibrationswafer mit unterschiedlichen Reflektivitäten, wie oben beschrieben wird, vermessen. Beispielsweise wird jeder der Wafer auf vier verschiedene Temperaturen erwärmt, und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten, wobei die tatsächliche Temperaturmessung über ein Temperaturmessgerät des Kontakttyps, wie beispielsweise ein Thermoelement erfolgt. Während des Haltens der Temperatur wird die jeweils von den Wafern ausgehende optische Strahlung gemessen und das Messergebnis wird in das mathematische Modell eingegeben. Bei der Vermessung der vier Kalibrationswafer, deren Messpunkte jeweils in den Bereichen 24, 25, 26 und 27 dargestellt sind, ergeben sich somit 16 Meßpunkte' innerhalb des Bereichs 20. Der besseren Übersicht halber wurde eine eventuelle Änderung der Reflektivitäten der Kalibrationswafer in Abhängigkeit von der Temperatur im Diagramm vernachlässigt. Jeder Punkt steht somit für einen Kalibrationswafer einer bestimmten Reflektivität mit einer bestimmten Temperatur. Wie erwähnt, werden nunmehr die Pyrometersignale, insbesondere die Pyrometersignale betretend die vom Wafer emittierte Strahlung in das mathematische Modell eingegeben, das für jeden der' 16 Punkte eine Temperatur berechnet. Zu Beginn der Kalibration stimmen diese 16 berechneten Temperaturen in der Regel nicht mit ihren korrespondierenden, vom Temperatur-Messgerät gemessenen Wert überein. Indem man für jede berechnete Temperatur eine Differenz mit der vom Temperatur-Messgerät gemessenen Temperatur bildet, erhält man 16 Temperaturdifferenzen, die einen ' Hinweis auf die Güte der eingestellten Parameter des Modells geben.
Mittels eines mathematischen Algorithmus werden nun die Parameter des Modells verändert, um die 16 Temperaturdifferenzen zu verkleinern. Anschließend werden mit dem neuen Parametersatz unter Hinzunahme der PyrometerSignale 16 neue Temperaturen berechnet . Wieder werden die Temperaturdifferenzen zu den tatsächlich gemessenen Temperaturen er- mittelt, um aufgrund dieser Differenz wiederum die Parameter des mathematischen Modells zu verändern. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis ein Parametersatz vorliegt, bei dem die vom Modell anhand der Pyrometersignale berechneten Temperaturen von dem Temperatur-Messgerät ge- messenen Temperaturen übereinstimmen. Die RTP-Anlage besitzt nunmehr einen kalibrierten Parametersatz, der innerhalb des Bereichs 20 eine verläßliche Temperaturmessung und Kontrolle mittels der Pyrometer 16, 17 ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die hierbei verwendeten Kalibrationswafer speziell hergestellte Kalibrationswafer mit bestimmten optischen Eigenschaften, wobei die optischen Eigenschaften durch eine Manipulation des Volu- menmaterials eingestellt werden. Bei der derzeitig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Manipulation der optischen Eigenschaften, insbesondere der Absorption des Volumenmaterials einer Dotierung eines herkömmli- ehe Halbleiterwafers mit Fremdatomen. Durch die Dotierung lassen sich die optischen Eigenschaften des Wafers, wie beispielsweise die Reflektivität , die Transmissivität und die Emissivität auf gewünschte Werte einstellen.
In Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen Reflektivität und Transmissivität in einem Diagramm für standardisierte Kalibrationswafer, mit Kobalt beschichtete Wafer und abgedeckte standardisierte Wafer dargestellt. Die gestrichelten Linien sind Linien konstanter Emissivität, da die Sum- me aus Emissivität, Reflektivität und Transmissivität stets 1 ergibt. Das Diagramm stellt die Verhältnisse für eine feste Temperatur von 450°C dar.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist liegen die Reflektivitäten gewöhnlichen Kalibrationswafer im dargestellten Fall zwischen 0,65 und 0,8. Die zugehörigen Transmissivitäten liegen im Bereich zwischen 0,05 und 0,35.
Das gestrichelte Dreieck 34 markiert den Bereich in dem üblicherweise zu behandelnde Wafer liegen. Es ist offensichtlich, dass die gewöhnlichen Kalibrationswafer nicht in diesen Bereich fallen und daher für eine Kalibration nicht' geeignet sind. Dagegen fallen mit Kobalt beschichtete Wafer sowie abgedeckte Wafer in den Bereich 34 und sind somit zur Kalibration geeignet, bringen jedoch auch die schon genannten Nachteile mit sich. Letztendlich werden bei herkömmlichen Verfahren gewöhnliche Kalibrationswafer immer dadurch in den Bereich 34 gebracht, dass eine ent- sprechende Beschichtung aufgebracht wird. Die abgedeckten Wafer decken lediglich einen Randbereich des Bereichs 34 ab.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Kalibrationswa- fern lassen sich die Transmissionseigenschaften bzw. die Transmissivität durch geeignete Manipulation des Volumenmaterials eines herkömmlichen Halbleiterwafers auf einen gewünschten Wert einstellen. Insbesondere erfolgt dies über eine Dotierung mit Fremdatomen, wie beispielsweise Phosphor, Bor und Arsen, wobei Phosphor und Bor bevorzugt werden .
In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der Transmissivität eines dotierten Wafers für Infrarotstrahlung von der Dichte dotierter Fremdatome dargestellt, und zwar für Temperaturen kleiner 300°C. Bei einer Dotierungsdichte von 1015 Atomen pro cm3 beträgt die Transmissivität 1, d.h. der Wafer ist für Infarotstrahlung Transparent. Wird die Dotierungsdich- te erhöht, so fällt die Transmissivität kontinuierlich ab, bis sie bei einer Dotierungsdichte von 1019 Atomen pro cm3 gegen Null geht, d.h. der Wafer ist für Infrarotstrahlung bei dieser Dotierungsdichte im Wesentlichen undurchsichtig.
Es ist somit möglich jede gewünschte Transmissivität für den Wafer über die Dotierungsdichte mit Fremdatomen einzustellen. Es kann somit ein Satz Kalibrationswafer bereitgestellt werden, der den in Fig. 3 gewünschten Bereich 34 im Wesentlichen vollständig abdeckt. Bevorzugt werden Kalibrationswafer mit einer Transmissivität von 0,3, einer Emissivität zwischen 0,25 und 0,8 und einer Reflektivität zwischen 0,2 und 0,8 eingesetzt. Die Kalibrationswafer können über ein beliebiges Verfahren dotiert werden. Die Dotierung kann über das Volumenmaterial hinweg homogen ausgeführt sein. Es kann aber auch vor- teilhaft sein die Dotierungsdichte im Waferinneren zu variieren oder die Wafer nur gebietsweise zu dotieren. Insbesondere ist es möglich lediglich eine oder mehrere Schichten des Wafers zu dotieren, wobei es am einfachsten ist, eine solche dotierte Schicht an der Waferoberflache oder direkt unter der Waferoberflache vorzusehen.
Wie erwähnt kann die Dotierung auf eine beliebige Art und Weise erfolgen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Dotierung dadurch, dass ein Siliziumwafer aus einer entsprechend angereicherten Silizum-Schmelze dotiert wird. Auch Dotierprofile, die mittels Diffusion des Dotierstoffs in den Wafer hinein hergestellt werden eignen sich zur erfindungsgemäßen Herstellung der Kalibrationswafer. Will man lediglich eine Schicht innerhalb des Wafers dotieren, so ist Ionenimplantation besonders geeignet. Bei der Implantation des Dotierstoffs in den Wafer wird dessen Kristallstruktur beschädigt, was eine gewünschte Beeinflussung der optischen Eigenschaften mit sich führen kann. Die Kristallstruktur kann entweder in dem zerstörten Zu- stand belassen werden oder durch eine anschließende Temperung ausgeheilt werden, wodurch auch Dotieratome auf Kristallgitterplätze eingebaut werden und sich somit eine langzeitstabiler Kalibrationswafer ergibt.
Statt einer Dotierung ist es auch möglich, die optischen Eigenschaften des Wafers durch eine Veränderung der Kristallstruktur, insbesondere das Erzeugen von Gitterdefekten einzustellen. Der Begriff Gitterdefekt soll im folgen- den null- bis dreidimensionale Gitterdefekte umfassen, Nulldimensionale Defekte sind z.B. Punktfehler oder Punkt- defekte wie Leerstellen (Vacancies) , Eigenzwischengittera- tome (EZG oder Interstitials) und chemische Fremdatome, die im Wirtsgitter auf Zwischengitter oder Gitterplätzen eingebaut sind. Abhängig davon ob die Defekte durch Wirtsgitteratome oder Fremdatome bedingt sind, spricht man von intrinsischen oder extrinsischen Punktdefekten. Wandern die die Leerstellen verursachenden Wirtsgitteratome an die Oberfläche, so entstehen Schottkydefekte, wandern diese Atome auf Zwischengitterplätze, so spricht man von Fren- keldefekten. Eine Ansammlung (Agglomeration) von Punktfehlern kann zu höherdimensionalen Fehlordnungen führen, wie z.B. Versetzungsringe oder Versetzungslinien (eindimensio- nale Defekte) , Stapelfehler (zweidimensionale Defekte) oder Prazipitate von Fremdatomen (dreidimensionale Defekte)
Weitere Defekte sind z.B. Korngrenzen (zweidimensional) oder die schon erwähnten dreidimensionalen Prazipitate, (z.B. Sauerstoffpräzipitate in Silizium oder Metallpräzi- pitate) , bzw. die zur Ausbildung von Präzipitaten erforderlichen NukleationsZentren sowie lokale amorphe Bereiche, die z.B. bei Ionenimplantationen entstehen, oder Voids. Unter kristallähnlich soll z.B. der Übergangsbereich von kristalliner zu amorpher Struktur verstanden werden. Als weiterer Defekt sei noch die Ausbildung von F- Zentren (Farbzentren) angeführt, wie sie z.B. in lonenkri- stallen vorhanden sind, bei denen sich ein Elektron in ei- ner Halogenlücke in der Nähe benachbarter Kationen aufhält. Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbei- spiele der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindungsgedanke nicht hierauf beschränkt. So können beispielsweise die optischen Eigenschaften des Kalibrations- wafers auch dadurch verändert werden, dass man die Dicke des Wafers verändert. Beispielsweise kann ein Satz Kalibrationswafer aus jeweils gleichmäßig homogen dotieren Ka- librationswafern mit unterschiedlichen Dicken gebildet werden. Darüber hinaus lassen sich die zuvor genannten Merkmale der Erfindung in jeder kompatiblen Art und Weise kombinieren und modifizieren. So ist es beispielsweise denkbar, dass die erfindungsgemäßen Kalibrationswafer zusätzlich zu einer Manipulation des Volumenmaterials beschichtet werden, wie beispielsweise mit Kobalt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Kalibrationswafers, der wenigstens eine vorbestimmte optische Eigen- schaft, insbesondere eine vorbestimmte Emissivität, aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines Wafers aus einem Halbleitermaterial; und
Bearbeiten des Volumenmaterials des Wafers zum Ein- stellen der vorbestimmten optischen Eigenschaft durch eine Dotierung mit Fremdatomen und/oder eine Erzeugung von Gitterdefekten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Dotierung mit Fremdatomen und/oder die
Erzeugung von Gitterdefekten über das Volumenmaterial des Wafers hinweg im wesentlichen homogen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekenn- zeichnet, dass die Dotierung mit Fremdatomen und/oder die Erzeugung von Gitterdefekten in einem vorbestimmten Bereich, insbesondere einer Schicht des Wafers, erfolgt .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenschicht des Wafers dotiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dotierung mit Bor, Phos- phor und/oder Arsen als Fremdatome erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung im wesentlichen ausschließlich über die Dotierung und/oder die Einstellung der Gitterdefekte erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer mit einer Dichte von
Fremdatome dotiert wird, die zwischen 1016 und 1019 Fremdatomen pro Kubikzentimeter liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung wenigstens teilweise über die Wahl der Dick,e des Wafers erfolgt.
9. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissivität auf einen Wert zwischen 0,25 und 0,8 eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflektivität des Wafers auf einen Wert zwischen 0,2 und 0,8 eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer zusätzlich beschichtet wird, um die optische Eigenschaft einzu- stellen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer mit Kobalt beschichtet wird.
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