WO2014198912A1 - Messobjekt, verfahren zur herstellung desselben und vorrichtung zum thermischen behandeln von substraten - Google Patents

Messobjekt, verfahren zur herstellung desselben und vorrichtung zum thermischen behandeln von substraten Download PDF

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measuring
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Dieter Zernickel
Steffen Mueller
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Centrotherm Photovoltaics Ag
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    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings

Definitions

  • the present invention relates in particular to a measurement object for use in a heating system for the thermal treatment of substrates and a method for producing the same, wherein the measurement object in use has a substantially known temperature relationship to be treated Substrate has and a surface with at least one surface area, which serves as a measuring surface for an optical temperature measurement. Furthermore, the present invention relates to a device for the thermal treatment of substrates which uses a measuring object of the type mentioned.
  • one known method for thermal treatment of substrates provides for heating by means of electromagnetic radiation emanating from lamps, for example tungsten halogen lamps.
  • lamps for example tungsten halogen lamps.
  • it is known to determine during the same the temperature of the substrate via a radiation meter, which is directed to the substrate or a measuring object, which has a substantially known temperature relationship to the substrate to be treated. Since, however, the radiation meter generally not only detects radiation emitted by the semiconductor wafer but also in particular also radiation reflected at the semiconductor wafer and optionally radiation passing through the semiconductor wafer, it is necessary to distinguish between these radiation components for temperature determination.
  • the emissivity of the measurement object For a temperature measurement with this technique, first the emissivity of the measurement object and then the temperature must be determined.
  • the emissivity of an object may depend on the temperature or process reactions and may change gradually or precipitously during the thermal treatment, which change may or may not be reversible. In particular, rapid changes in the emissivity result in slow or lack of determination thereof to disturbances of the temperature measurement.
  • the calibration of an emissivity measurement is often difficult because of the lack of stable references, and the emissivity of an object depends on the environment and differs significantly with respect to an in-situ / ex-situ measurement.
  • the invention is therefore based on the object to provide a measurement object that allows in a simple way a radiation-based temperature determination. According to the invention, this object is achieved by means of a measuring object according to claim 1, a method of producing the same according to claim 10 and a device for the thermal treatment of substrates according to claim 7. - -
  • a measurement object for use in a device for the thermal treatment of substrates, wherein the measurement object is the substrate to be treated, or in use has a substantially known temperature relationship with the substrate to be treated.
  • the measuring object has a surface with at least one surface area which serves as a measuring surface for an optical temperature measurement, wherein in the at least one surface area a specific structure with a multiplicity of depressions is formed in order to increase the emissivity of the measuring object in this surface area.
  • the structure allows a certain adjustment of the emissivity of the measurement object in this area, which is essentially independent of the temperature, other process conditions or even coatings that result from a process.
  • the determination of the optical properties within the structured measuring range thus becomes inherently more robust, for example in the case of thermal changes of the substrate, potential surface processes (for example deposition, recrystallization, oxidation, nitriding or the like) or changing process conditions, for example not originating from the test object Scattered radiation or the radiation background.
  • This allows a reliable optical temperature measurement that is more robust to such changes.
  • the measurement object is essentially independent of changes in the radiation background or the scattered radiation, it can be used both in situ and ex situ.
  • the method is particularly suitable for thin measuring objects in which no cavity for forming a substantially closed radiation space is possible.
  • measuring objects should have the lowest possible thermal mass (and thus be generally thin-walled) in order to allow rapid temperature changes.
  • the measurement object is a susceptor for use in a rapid heating system.
  • a susceptor is referred to as a measurement object, which is characterized by a large proximity to the substrate, so that in addition to a radiation-based heat exchange, other heat exchange mechanisms come to fruition.
  • the susceptor preferably has a (possibly) permanent invariance of its emissivity over a wide wavelength range.
  • it can absorb radiation of a first wavelength (such as a lamp radiation from heating lamps) and emit radiation of a second wavelength.
  • the test object can be a substrate carrier.
  • the recesses are arranged to form a plurality of pyramids, while in another embodiment they are arranged to form a sawtooth structure.
  • the depressions can have cross-sectionally inclined surfaces which form an opening angle of ⁇ 60 °, preferably ⁇ 40 ° and in particular ⁇ 20 ° in order to influence, in particular reduce, the reflectivity of the surface area.
  • the device for the thermal treatment of substrates has a process space for accommodating at least one substrate, a measurement object of the above type in the process space, at least one heating device and an optical temperature measurement unit which is directed onto the structure of the measurement object.
  • the device is a cold wall reactor having a plurality of heating lamps, and the measurement object is a susceptor carrying the at least one substrate.
  • the device is a hot-wall reactor and the measurement object is a substrate carrier for receiving the at least one substrate or a wall element of the hot-wall reactor.
  • a specific structure in the form of a multiplicity of depressions is introduced into a planar surface of the measurement object.
  • the object to be measured can be coated so that, for example, it also reaches a long service life under aggressive conditions.
  • a coating with pyrolytic carbon (pyC) or silicon carbide (SiC) on graphite is considered.
  • FIG. 1 shows a schematic side sectional view through an apparatus for the thermal treatment of semiconductor wafers.
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a susceptor
  • FIG. 3 (a) to (c) are schematic sectional views through a portion of different embodiments of the susceptor according to FIG. 2.
  • the device 1 shows a schematic side sectional view of a device 1 for the thermal treatment of semiconductor wafers W.
  • the device 1 has a housing 2 with an inner space which, inter alia, forms a process chamber 3.
  • the process chamber 3 is bounded on its top and bottom by wall elements 5 and 6 and laterally through the housing 2.
  • a lamp chamber 7 is provided in the housing 2, the , ,
  • a heat source in the form of a plurality of lamps 8 is provided below the wall element 6, a lamp chamber 9 similar to the chamber 7 is also provided, in which a heating source in the form of a plurality of lamps 10 is provided.
  • the side walls of the process chamber 3 can also have a certain mirror effect for at least part of the electromagnetic radiation present in the process chamber 3. Furthermore, at least one of the side walls of the process chamber 3 includes a process chamber door, not shown, to enable the insertion and removal of the semiconductor wafer W. Furthermore, gas inlets and gas outlets, not shown, may be provided for the process chamber 3.
  • a substrate holder in the form of a susceptor 12 with supports 13 is provided, on which the semiconductor wafer W is deposited.
  • the semiconductor wafer W is positioned with respect to the susceptor 12 so as to have the same temperature or to be in a substantially known temperature relationship with each other.
  • an optional further susceptor 15 is provided, so that the semiconductor wafer W, as shown, is accommodated between two susceptors 12, 15.
  • the susceptor 15 may be fixedly arranged in the process chamber or also rest on supports 16 on the susceptor 12.
  • the susceptor 15 may also be formed as a substantially closed box, in which the semiconductor wafer to be treated is accommodated.
  • the susceptors 12, 15 each have a disc-shaped configuration and may have a peripheral shape corresponding to the peripheral shape of the semiconductor wafer W.
  • the susceptor 12 has on its underside a targeted introduced into the surface structure 30.
  • the structure can - -
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) each show sectional views of different susceptors 12 in the region of the structure 30, while FIGS. 4 (a) to 4 (c) show corresponding plan views of the different structures 30.
  • the structure 30 of FIGS. 3 (a) and 4 (a) is formed by a plurality of first V-grooves 35 extending in parallel and a plurality of second V-grooves 35 extending in parallel, the second V-grooves 35 being formed in parallel.
  • Grooves 35 extend perpendicular to the first V-grooves 35.
  • the first and second V-grooves are each uniformly formed and spaced to form a plurality of pyramidal ridges (from the bottom of the respective grooves).
  • the V-grooves each have an opening angle, with a ⁇ 60 °, preferably a ⁇ 40 °.
  • the structure 30 shown in Figs. 3 (b) and 4 (b) is formed by a plurality of circular grooves 45 which are concentric with each other.
  • the grooves 45 form a sawtooth configuration in cross-section.
  • the grooves 45 each have a first sidewall 47 extending substantially perpendicular to the surface of the susceptor 12 and a second sidewall 48 intersecting the first sidewall 47 at an angle ⁇ , where ⁇ ⁇ 40 °, preferably ⁇ ⁇ 20 ° applies.
  • the grooves 45 are each uniformly formed and spaced, resulting in a uniform sawtooth configuration.
  • the structure 30 according to FIGS. 3 (c) and 4 (c) is formed by a plurality of parallel grooves 55.
  • the grooves 55 form a sawtooth configuration in cross-section.
  • the grooves 55 each have a first side wall 57 which extends substantially perpendicular to the surface of the susceptor 12 and a second side wall 58 which intersects the first side wall 57 at an angle ⁇ , where ⁇ ⁇ 40 °, preferably ⁇ ⁇ 20 ° applies.
  • the grooves 45 are each uniformly formed and spaced, resulting in a uniform sawtooth configuration.
  • the susceptor 12 can optionally be connected to a rotation mechanism (not shown) in order to rotate a picked-up semiconductor wafer W about an axis substantially perpendicular to the top side of the semiconductor wafer W.
  • the structure 30 should be formed in the susceptor 12 over the entire surface or in an annular surface area, as indicated in FIG. 2.
  • rotation as known in the art, the temperature of the susceptor 12, and thus of the semiconductor wafer W, can be homogenized.
  • a compensation ring radially surrounding the semiconductor wafer in its plane can be provided, as is known in the art in RTP systems.
  • the lamps 8 and 10 can be called flash lamps, the. usually be operated in flash mode, or be tungsten halogen lamps, which are usually operated in continuous operation. Of course, these lamps can also be arranged differently and in particular it is also possible to combine the lamp types with each other or with other lamp types. In particular, it is also possible to dispense with the lower lamp chamber 9 and the lamps 10 and provide only an upper lamp chamber 7 with lamps 8, or to dispense with the upper lamp chamber 7 and the lamps 8 and only a lower lamp chamber 9 with lamps 10th provided.
  • the device 1 further comprises a first pyrometer 20 directed at the underside of the susceptor 12.
  • a second, directed at least one of the lamps 10 pyrometer may be provided, which is hereinafter referred to as lamp pyrometer 25.
  • Susceptor 15 With upper available Susceptor 15 could be the first pyrometer 20 also directed to the top of the susceptor 15 and the lamp pyrometer 25 on one of the lamps 8.
  • the first pyrometer 20 has a viewing area 20a (see FIG. 2) which is directed to a surface area of the susceptor 12 in which the structure 30 is formed.
  • the surface area is annular, as assumed by a rotatably mounted susceptor 12.
  • the surface area may also have a shape corresponding to the viewing area 20a.
  • the emissivity can be specifically influenced and in particular increased over an unstructured surface area.
  • the emissivity of the surface area with the structure 30 can be determined and is substantially more robust to temperature changes of the susceptor 12 and process reactions on the surface thereof.
  • the emissivity in the region of the structure can be approximated to an emissivity of 1.
  • the formation of a pyramidal structure has been able to detect a significant increase in emissivity compared to the emissivity of a corresponding test object having an unstructured surface.
  • the targeted structuring of the surface area of the test object can in particular affect the reflectivity of the surface area of the test object.
  • the first substrate pyrometer 20 is shown so that it extends into the lower lamp chamber 9 and is directed perpendicularly from below onto the susceptor 12.
  • the structure 30 could also be on a side facing the semiconductor wafer W side of the susceptor 12 (or 15) may be formed.
  • the first substrate pyrometer 20 is thus able to detect radiation (essentially known, high emissivity) coming from the semiconductor wafer W in order to detect the temperature of the susceptor and thus indirectly of the semiconductor wafer W.
  • radiation essentially known, high emissivity
  • still existing components of a lamp radiation falling directly or via a reflection into the pyrometer can optionally be compensated by way of the ripple technique or variants thereof.
  • the structure 30 can be introduced in any manner into the susceptor 12 (or 15) or else another measuring object, which are suitable for carrying out a correspondingly targeted structuring.
  • the invention has been described above with reference to a concrete example of a susceptor as a measuring object in a rapid heating system, in which the substrate is heated directly or indirectly (via the susceptor) by means of lamp radiation.
  • Such systems are also often referred to as cold wall reactors, since they work without significant heating of the chamber walls.
  • the concept of introducing a targeted structure 30 into a measurement object in order to influence the emissivity of the measurement object in the region of the structure and thus to enable or simplify an optical temperature measurement can also be used in other thermal treatment plants, in particular so-called hot wall reactors. For example, it is possible to provide a corresponding structure in a surface area of any element in a hot wall reactor.
  • a corresponding structure could be formed, for example, in a substrate carrier for supporting at least one substrate, in particular a wafer boat carrying a multiplicity of substrates.
  • a corresponding structure could be formed in a wall element of a hot wall reactor, for example, to allow a reliable optical (non-contact) temperature measurement of an inner wall thereof.
  • a corresponding structuring could optionally also be formed directly in the substrate to be treated.
  • the structure should as far as possible be designed so that it does not affect the later operating properties of the substrate.

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Abstract

Es ist ein Messobjekt (12) zum Einsatz in einer Heizanlage zum thermischen Behandeln von Substraten beschrieben, wobei das Messobjekt das zu behandelnde Substrat ist oder im Einsatz eine im Wesentlichen bekannte Temperaturbeziehung zum zu behandelnden Substrat besitzt, wobei das Messobjekt eine Oberfläche mit wenigstens einem Oberflächenbereich aufweist, der als Messfläche für eine optische Temperaturmessung dient und in dem eine Struktur (30) in Form einer Vielzahl von Vertiefungen (35) ausgebildet ist, um die Emissivität des Oberflächenbereichs zu beeinflussen.

Description

Messobjekt, Verfahren zur Herstellung desselben und Vorrichtung zum thermischen behandeln von Substraten Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Messobjekt zum Einsatz in einer Heizanlage zum thermischen Behandeln von Substraten und ein Verfahren zum Herstellen desselben, wobei das Messobjekt im Einsatz eine im Wesentlichen bekannte Temperaturbeziehung zum zu behandelnden Substrat besitzt und eine Oberfläche mit wenigstens einem Oberflächenbereich, der als Messfläche für eine optische Temperaturmessung dient. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten die ein Messobjekt des eingangs genannten Typs einsetzt.
In der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zum ther- mischen Behandeln von Substraten bekannt, sowie Vorrichtungen zum Bestimmen der Temperatur eines Substrats während einer thermischen Behandlung.
Ein bekanntes Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten sieht zum Beispiel eine Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung vor, die von Lampen, beispielsweise Wolfram-Halogenlampen ausgeht. Für eine Temperaturregelung der thermischen Behandlung ist es bekannt, während derselben die Temperatur des Substrats über einen Strahlungsmesser zu bestimmen, der auf das Substrat oder ein Messobjekt, das eine im Wesentlichen be- kannte Temperaturbeziehung zum zu behandelnden Substrat besitzt, gerichtet ist. Da der Strahlungsmesser aber in der Regel nicht nur vom Halbleiterwa- fer emittierte Strahlung sondern insbesondere auch am Halbleiterwafer reflektierte Strahlung und gegebenenfalls durch den Halbleiterwafer hindurchgehende Strahlung detektiert, ist eine Unterscheidung dieser Strahlungsanteile für die Temperaturbestimmung erforderlich.
Für eine solche Unterscheidung ist in US 5,318,362 die sogenannte Ripple Technik beschrieben, bei der der Strahlungs- bzw. Heizquelle über eine ent- - -
sprechende Ansteuerung eine Modulation aufgeprägt wird. Diese bestand ursprünglich in der Netzfrequenz der Stromversorgung und über die Zeit wurde die Technik verfeinert und es wurden andere Modulationen aufgeprägt. Temperaturänderungen des Halbleiterwafers erfolgen im Vergleich zu der aufge- prägten Modulation wesentlich langsamer. Somit enthält die vom Halbleiter- wafer aufgrund seiner Eigentemperatur emittierte Strahlung vernachlässigbare Anteile der eingeprägten hinreichend schnellen Strahlungsmodulation. Der detektierte Modulationsanteil im Strahlungsmesser ist somit nur der Reflektion am Substrat zuzuschreiben und kann durch Messung bzw. Modellierung des (modulierten) Strahlungsanteils der Heizquelle und Verwendung geeigneter Algorithmen zur Berechnung der Substratreflektivität bzw. -emissivität verwendet werden.
Für eine Temperaturmessung mit dieser Technik muss ferner zunächst die Emissivität des Messobjekts und anschließend die Temperatur bestimmt werden. Der Emissionsgrad eines Objektes kann von der Temperatur oder Prozessreaktionen abhängen und sich im Laufe der thermischen Behandlung allmählich oder sprunghaft ändern, wobei die Änderung reversibel sein kann oder auch nicht. Insbesondere schnelle Änderungen des Emissionsgrades führen bei langsamer oder fehlender Bestimmung desselben zu Störungen der Temperaturmessung. Die Kalibrierung einer Emissionsgradmessung ist oft schwierig, da stabile Referenzen fehlen, auch hängt der Emissionsgrad eines Objekts von der Umgebung ab und unterscheidet sich signifikant bezüglich einer in-situ/ex-situ Messung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messobjekt bereitzustellen, das auf einfache Weise eine auf Strahlung basierende Temperaturbestimmung erlaubt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durGh ein Messobjekt nach Anspruch 1 , ein Verfahren zur Herstellung desselben nach Anspruch 10 sowie eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten nach Anspruch 7 gelöst. - -
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Insbesondere ist ein Messobjekt zum Einsatz in einer Vorrichtung zum thermi- sehen Behandeln von Substraten vorgesehen, wobei das Messobjekt das zu behandelnden Substrat ist, oder im Einsatz eine im Wesentlichen bekannte Temperaturbeziehung zum zu behandelnden Substrat besitzt. Das Messobjekt weist eine Oberfläche mit wenigstens einem Oberflächenbereich auf, der als Messfläche für eine optische Temperaturmessung dient, wobei in dem we- nigstens einen Oberflächenbereich eine gezielte Struktur mit einer Vielzahl von Vertiefungen ausgebildet ist, um die Emissivität des Messobjekts in diesem Oberflächenbereich zu erhöhen. Die Struktur ermöglicht eine bestimmte Einstellung der Emissivität des Messobjekts in diesem Bereich, die im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur, sonstigen Prozessbedingungen oder auch Beschichtungen, die sich durch einen Prozess ergeben, ist. Die Bestimmung der optischen Eigenschaften innerhalb des strukturierten Messbereichs wird hierdurch inhärent robuster, z.B. bei thermischen Änderungen des Substrats, potentiellen Oberflächenprozessen (beispielsweise einer Ab- scheidung, Rekristallisierung, Oxidierung, Nitridierung oder ähnlichem) bzw. sich ändernden Prozessbedingungen betreffend zum Beispiel nicht vom Messobjekt ausgehende Streustrahlung oder den Strahlungshintergrund. Hierdurch wird eine zuverlässige optische Temperaturmessung ermöglicht, die robuster gegenüber solchen Änderungen ist. Dadurch, dass das Messobjekt im Wesentlichen unabhängig gegenüber Änderungen des Strahlungshin- tergrundes oder der Streustrahlung ist, kann es sowohl in-situ als auch ex-situ eingesetzt werden. Das Verfahren ist insbesondere für dünne Messobjekte geeignet, in denen kein Hohlraum zur Bildung eines im Wesentlichen geschlossenen Strahlungsraums möglich ist. Insbesondere bei der raschen thermischen Behandlung sollten Messobjekte eine möglichst geringe thermi- sehe Masse besitzen (und somit in der Regel dünnwandig sein), um rasche Temperaturänderungen zu ermöglichen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Messobjekt ein Suszeptor zum Einsatz in einer Schnellheizanlage. Hierbei wird ein Suszeptor als ein Messobjekt bezeichnet, das sich durch eine große Nähe zum Substrat auszeichnet, sodass neben einem strahlungsbasiertem Wärmeaustausch auch andere Wärmeaus- tauschmechanismen zum Tragen kommen. Bevorzugt besitzt der Suszeptor über einen weiten Wellenlängenbereich eine (möglichst) dauerhafte Invarianz seiner Emissivität. Gegebenenfalls kann er Strahlung einer ersten Wellenlänge (wie zum Beispiel eine Lampenstrahlung von Heizlampen) absorbieren und eine Strahlung einer zweiten Wellenlänge abgeben. Um eine gute Tempera- turkorrelation zwischen Messobjekt und Substrat zu erreichen kann das Messobjekt ein Substratträger sein.
Bei einer Ausführungsform sind die Vertiefungen so angeordnet, dass sie eine Vielzahl von Pyramiden bilden, während sie bei einer anderen Ausführungs- form so angeordnet sind, dass sie eine Sägezahnstruktur bilden.
Die Vertiefungen können im Querschnitt schräg zueinander stehende Oberflächen aufweisen, die einen Öffnungswinkel < 60°, vorzugsweise < 40° und insbesondere < 20° bilden, um hierüber die Reflektivität des Oberflächenbereichs zu beeinflussen, insbesondere zu verringern.
Die Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten weist einen Prozessraum zur Aufnahme wenigstens eines Substrats, ein Messobjekt des obigen Typs im Prozessraum, wenigstens eine Heizeinrichtung und eine optische Temperaturmesseinheit, die auf die Struktur des Messobjekts gerichtet ist, auf. Bei einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Kaltwand reaktor mit einer Vielzahl von Heizlampen und das Messobjekt ist ein Suszeptor, der das wenigstens eine Substrat trägt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Heißwandreaktor und das Messobjekt ein Substratträger zur Aufnahme des wenigstens einen Substrats oder ein Wandelement des Heißwandreaktors. - -
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Messobjekts wird in eine ebene Oberfläche des Messobjekts eine gezielte Struktur in Form einer Vielzahl von Vertiefungen eingebracht. Vor und oder auch nach der Ausbildung der Struktur kann das Messobjekt beschichtet werden, sodass es zum Beispiel auch bei aggressiven Bedingungen hohe Standzeiten erreicht. Insbesondere wird zum Beispiel eine Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff (pyC) oder Sili- ziumcarbid (SiC) auf Graphit in betracht gezogen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht durch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Suszeptor;
Fig. 3 (a) bis (c) schematische Schnittansichten durch einen Teilbereich unterschiedlicher Ausführungsformen des Suszeptors gemäß Fig. 2.
In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Bezeichnungen wie oben, unten, links und rechts und ähnliches, beziehen sich auf die Figuren und sol- len in keiner Weise einschränkend sein, obwohl sie sich auf eine bevorzugte Ausführungsform beziehen. Die Formulierung„im Wesentlichen", bezogen auf Winkel und Anordnungen, soll Abweichungen bis maximal 10° vorzugsweise bis maximal 5° umfassen, sofern nicht andere Angaben gemacht sind. Die Formulierung „im Wesentlichen", bezogen auf andere Angaben, soll Abwei- chungen bis maximal 1 0%, vorzugsweise bis maximal 5% umfassen, sofern nicht andere Angaben gemacht sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern W. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Innenraum auf, der unter anderem eine Prozesskammer 3 bildet. Die Prozesskammer 3 ist auf ihrer Ober- und Unterseite durch Wandelemente 5 bzw. 6 begrenzt und seitlich durch das Gehäuse 2. Oberhalb des Wandelements 5 ist im Gehäuse 2 eine Lampenkammer 7 vorgesehen, die . .
verspiegeit sein kann und in der eine Heizquelle in der Form von mehreren Lampen 8 vorgesehen ist. Unterhalb des Wandelements 6 ist ebenfalls eine Lampenkammer 9 ähnlich der Kammer 7 vorgesehen, in der eine Heizquelle in der Form von mehreren Lampen 10 vorgesehen ist.
Die Seitenwände der Prozesskammer 3 können ebenfalls eine gewisse Spiegelwirkung für wenigstens einen Teil der in der Prozesskammer 3 vorhandenen elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Ferner umfasst wenigstens eine der Seitenwände der Prozesskammer 3 eine nicht dargestellte Prozess- kammertür, um das Einführen und Herausnehmen des Halbleiterwafers W zu ermöglichen. Ferner können nicht näher dargestellte Gaseinlässe und Gasauslässe für die Prozesskammer 3 vorgesehen sein.
Innerhalb der Prozesskammer 3 ist eine Substrataufnahme in Form eines Suszeptors 12 mit Auflagen 13 vorgesehen, auf denen der Halbleiterwafer W abgelegt ist. Der Halbleiterwafer W ist derart bezüglich des Suszeptors 12 positioniert, dass sie dieselbe Temperatur besitzen oder in einer im Wesentlichen bekannten Temperaturbeziehung zueinander stehen. Oberhalb des Halbleiterwafers W ist ein optionaler weiterer Suszeptor 15 vorgesehen, so- dass der Halbleiterwafer W, wie dargestellt, zwischen zwei Suszeptoren 12, 15 aufgenommen ist. Der Suszeptor 15 kann fest in der Prozesskammer angeordnet sein oder auch über Auflagen 16 auf dem Suszeptor 12 aufliegen. Alternativ ist es auch möglich nur oberhalb des Halbleiterwafers W einen Suszeptor 15 vorzusehen und den Halbleiterwafer W zum Beispiel auf einem für die Lampenstrahlung im Wesentlichen transparenten Halter aufzunehmen. Der Suszeptor 15 kann auch als eine im Wesentlichen geschlossene Box ausgebildet sein, in dem der zu behandelnde Halbleiterwafer aufgenommen ist.
Die Suszeptoren 12, 15 weisen jeweils eine scheibenförmige Konfiguration auf und können eine Umfangsform entsprechend der Umfangsform des Halbleiterwafers W besitzen. Der Suszeptor 12 weist auf seiner Unterseite eine in die Oberfläche gezielt eingebrachte Struktur 30 auf. Die Struktur kann - -
sich über die gesamte Unterseite das Suszeptors 12 erstrecken oder aber auch nur in einem begrenzten Oberflächenbereich ausgebildet sein.
Die Figuren 3(a) bis 3(c) zeigen jeweils Schnittansichten unterschiedlicher Suszeptoren 12 im Bereich der Struktur 30, während die Figuren 4(a) bis 4(c) entsprechende Draufsichten auf die unterschiedlichen Strukturen 30 zeigen.
Die Struktur 30 gemäß den Figuren 3(a) und 4(a) wird durch eine Vielzahl von sich parallel erstreckenden ersten V-Nuten 35 und eine Vielzahl von sich pa- rallel erstreckenden zweiten V-Nuten 35 gebildet, wobei sich die zweiten V- Nuten 35 senkrecht zu den ersten V-Nuten 35 erstrecken. Die ersten und zweiten V-Nuten sind jeweils gleichmäßig ausgebildet und beabstandet, sodass ein Vielzahl von pyramidenförmigen Erhöhungen (ausgehend vom Boden der jeweiligen Nuten) gebildet werden. Die V-Nuten besitzen jeweils ei- nen Öffnungswinkel , wobei a < 60°, vorzugsweise a < 40° gilt.
Die Struktur 30 gemäß den Figuren 3(b) und 4(b) wird durch eine Vielzahl von kreisförmigen Nuten 45 gebildet, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Nuten 45 bilden im Querschnitt eine Sägezahnkonfiguration. Insbe- sondere besitzen die Nuten 45 jeweils eine erste Seitenwand 47, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Suszeptors 12 erstreckt, sowie ein zweite Seitenwand 48, die die erste Seitenwand 47 unter einem Winkel ß schneidet, wobei ß < 40°, vorzugsweise ß < 20° gilt. Die Nuten 45 sind jeweils gleichmäßig ausgebildet und beabstandet, sodass sich eine Gleichmä- ßige Sägezahnkonfiguration ergibt.
Die Struktur 30 gemäß den Figuren 3(c) und 4(c) wird durch eine Vielzahl von parallelen Nuten 55 gebildet. Die Nuten 55 bilden im Querschnitt eine Sägezahnkonfiguration. Insbesondere besitzen die Nuten 55 jeweils eine erste Sei- tenwand 57, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Suszeptors 12 erstreckt, sowie ein zweite Seitenwand 58, die die erste Seitenwand 57 unter einem Winkel γ schneidet, wobei γ < 40°, vorzugsweise γ < 20° gilt. Die Nuten 45 sind jeweils gleichmäßig ausgebildet und beabstandet, sodass sich eine Gleichmäßige Sägezahnkonfiguration ergibt.
Der Suszeptor 12 kann optional mit einem nicht dargestellten Rotationsme- chanismus verbunden sein, um einen aufgenommenen Halbleiterwafer W um eine im Wesentlichen Senkrecht zur Oberseite des Halbleiterwafers W stehende Achse zu drehen. In diesem Fall sollte die Struktur 30 im Suszeptor 12 ganzflächig oder in einem ringförmigen Oberflächenbereich ausgebildet sein, wie in Fig. 2 angedeutet ist. Durch eine Rotation kann, wie es in der Technik bekannt ist, die Temperatur des Suszeptors 12 und somit des Halbleiterwafer W homogenisiert werden. In der Prozesskammer 3 kann ein den Halbleiterwafer in seiner Ebene radial umgebender Kompensationsring vorgesehen sein, wie es in der Technik bei RTP-Anlagen bekannt ist. Die Wandelemente 5 und 6, welche die Prozesskammer 3 nach oben und unten begrenzen, bestehen jeweils aus Quarz und sind für die Strahlung der Lampen 8 bzw. 10 im Wesentlichen transparent.
Die Lampen 8 und 10 können sogenannte Flash-Lampen, die. in der Regel im Blitzbetrieb betrieben werden, oder auch Wolfram-Halogenlampen sein, die üblicherweise im Dauerbetrieb betrieben werden. Diese Lampen können natürlich auch anders angeordnet sein und insbesondere ist es auch möglich, die Lampentypen miteinander oder auch mit anderen Lampentypen zu kombinieren. Insbesondere ist es auch möglich, auf die untere Lampenkammer 9 und die Lampen 10 zu verzichten und nur eine obere Lampenkammer 7 mit Lampen 8 vorzusehen, bzw. auf die obere Lampenkammer 7 und die Lampen 8 zu verzichten und nur eine untere Lampenkammer 9 mit Lampen 10 vorzusehen. Die Vorrichtung 1 weist ferner ein erstes, auf die Unterseite des Suszeptors 12 gerichtetes Pyrometer 20 auf. Optional kann auch ein zweites, auf wenigstens eine der Lampen 10 gerichtetes Pyrometer vorgesehen sein, das nachfolgend als Lampenpyrometer 25 bezeichnet wird. Bei vorhandenem oberen Suszeptor 15 könnte das erste Pyrometer 20 auch auf die Oberseite des Suszeptors 15 und das Lampenpyrometer 25 auf eine der Lampen 8 gerichtet sein. Das erste Pyrometer 20 besitzt einen Sichtbereich 20a (siehe Fig. 2), der auf einen Oberflächenbereich des Suszeptors 12 gerichtet ist, in dem die Struktur 30 ausgebildet ist. Bei der Darstellung in Figur 2 ist der Oberflächenbereich ringförmig ausgebildet, da von einem drehbar gelagerten Suszeptor 12 ausgegangen wird. Bei einem stationären Bereich kann der Oberflächenbereich aber auch eine dem Sichtbereich 20a entsprechende Form besitzen. Durch eine entsprechende gezielte Strukturierung des Oberflächenbereichs lässt sich die Emissivität gegenüber einem unstrukturierten Oberflächenbereich gezielt beeinflussen und insbesondere erhöhen. Die Emissivität des Oberflächenbereichs mit der Struktur 30 kann bestimmt werden und ist im Wesentli- chen robuster gegenüber Temperaturänderungen des Suszeptors 12 und Prozessreaktionen an der Oberfläche desselben.
Insbesondere kann die Emissivität im Bereich der Struktur an eine Emissivität von 1 angenähert werden. Bei Versuchen mit einem Messobjekt aus Graphit konnte zum Beispiel durch die Ausbildung einer Pyramidenstruktur eine signifikante Erhöhung der Emissivität im Vergleich zu der Emissivität bei einem entsprechenden Messobjekt mit einer unstrukturierten Oberfläche festgestellt werden. Durch die gezielte Strukturierung des Oberflächenbereichs des Messobjekts kann insbesondere die Reflektivität des Oberflächenbereichs des Messobjekts beeinflusst werden.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist das erste Substratpyrometer 20 so dargestellt, dass es sich in die untere Lampenkammer 9 hinein erstreckt und senkrecht von unten auf den Suszeptor 12 gerichtet ist. Es wäre aber auch möglich, das erste Substratpyrometer seitlich am Gehäuse 2 anzubringen und von der Seite her auf einen Oberflächenbereich des Suszeptors 12 (oder 15), der eine entsprechende Struktur 30 aufweist. Die Struktur 30 könnte auch auf einer zum Halbleiterwafer W weisenden Seite des Suszeptors 12 (oder 15) ausgebildet sein.
Das erste Substratpyrometer 20 ist somit in der Lage, vom Halbleiterwafer W kommende Strahlung (bei im Wesentlichen bekannter, hoher Emissivität) zu detektieren, um die Temperatur des Suszeptors und somit indirekt des Halbleiterwafers W zu detektieren. Gegebenenfalls noch vorhandene Komponenten einer direkt oder über eine Reflexion in das Pyrometer fallenden Lampenstrahlung kann gegebenenfalls im Wege der Ripple-Technik oder Varian- ten derselben kompensiert werden.
Die Struktur 30 kann in beliebiger Art und Weise in den Suszeptor 12 (oder 15) oder auch ein sonstiges Messobjekt eingebracht werden, die geeignet sind eine entsprechende gezielte Strukturierung vorzunehmen.
Die Erfindung wurde zuvor Anhand eines konkreten Beispiels eines Suszeptors als ein Messobjekt in einer Schnellheizanlage beschrieben, in der das Substrat direkt oder indirekt (über den Suszeptor) mittels Lampenstrahlung erwärmt wird. Solche Anlagen werden auch häufig als Kaltwandreaktoren be- zeichnet, da sie ohne eine wesentliche Erwärmung der Kammerwände arbeiten. Das Konzept eine gezielte Struktur 30 in ein Messobjekt einzubringen, um die Emissivität des Messobjekts in dem Bereich der Struktur zu beeinflussen und somit eine optische Temperaturmessung zu ermöglichen bzw. zu vereinfachen, ist aber auch bei anderen thermischen Behandlungsanlagen insbesondere sogenannten Heißwandreaktoren einsetzbar. So ist es zum Beispiel möglich eine entsprechende Struktur in einem Oberflächenbereich eines beliebigen Elements in einem Heißwandreaktor vorzusehen. Insbesondere könnte eine entsprechende Struktur zum Beispiel in einem Substratträger zum Tragen wenigstens eines Substrats, insbesondere einem Waferboot, das eine Vielzahl von Substraten trägt, ausgebildet sein. Auch könnte eine entsprechende Struktur in einem Wandelement eines Heißwandreaktors ausgebildet sein, um zum Beispiel eine verlässliche optische (kontaktlose) Temperaturmessung einer Innenwand desselben zu ermöglichen. Obwohl das Messobjekt - -
mit der bestimmten Strukturierung bei der obigen Ausführungsform als ein zum zu behandelnden Substrat separates Objekt beschrieben wurde, könnte eine entsprechende Strukturierung gegebenenfalls auch direkt in dem zu behandelnden Substrat ausgebildet sein. Dabei sollte die Struktur möglichst so ausgebildet sein, dass sie die späteren Betriebseigenschaften des Substrats nicht beeinträchtigt. Für den Fall eines Halbleiterwafers wäre zum Beispiel das Ausbilden einer entsprechenden Struktur als Micro- oder Nanostruktur mittels eines Lasers auf der Rückseite desselben denkbar. Statt des Einbringens einer Struktur in das Messobjekt ist es auch möglich eine entsprechende Struktur auf die Oberfläche des Messobjekts aufzubringen, beispielsweise durch ein Schichtwachstum oder eine Abscheidung.
Die Merkmale einzelner Ausführungsformen sind frei mit Merkmalen der anderen Ausführungsformen kombinierbar oder austauschbar, sofern Kompatibilität vorliegt. Statt oberer und unterer Lampenbank, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, kann auch eine Konfiguration vorgesehen sein, bei der eine oder beide der Lampenbanken durch eine Mikrowellen-Plasmaanordnung ersetzt wird, wobei in diesem Fall in der Regel die oberen und unteren Wandelemente aus Quarz entfallen würden.

Claims

Patentansprüche
1 . Messobjekt zum Einsatz in einer Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, wobei das Messobjekt das zu behandelnde Substrat ist oder im Einsatz eine im Wesentlichen bekannte Temperaturbeziehung zum zu behandelnden Substrat besitzt, wobei das Messobjekt eine Oberfläche mit wenigstens einem Oberflächenbereich aufweist, der als Messfläche für eine optische Temperaturmessung dient, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Oberflächenbereich eine gezielte Struktur mit einer Vielzahl von Vertiefungen ausgebildet ist, um die Emis- sivität des Messobjekts in diesem Oberflächenbereich zu erhöhen.
2. Messobjekt nach Anspruch 1 , wobei das Messobjekt ein Suszeptor zum Einsatz in einer Schnellheizanlage ist.
3. Messobjekt nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messobjekt ein Substratträger ist.
4. Messobjekt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vertiefungen so angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von Pyramiden bilden.
5. Messobjekt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vertiefungen so angeordnet sind, dass sie eine Sägezahnstruktur bilden.
6. Messobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Vertiefungen im Querschnitt schräg zueinander stehende Oberflächen aufweisen, die einen Öffnungswinkel < 60°, vorzugsweise < 40° und insbesondere < 20° bilden.
7. Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten die folgendes aufweist:
einen Prozessraum zur Aufnahme wenigstens eines Substrats;
ein Messobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Prozess- räum;
wenigstens eine Heizeinrichtung; und
eine optische Temperaturmesseinheit, die auf die Struktur des Messobjekts gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung ein Kaltwandreaktor mit einer Vielzahl von Heizlampen ist und wobei das Messobjekt ein Sus- zeptor ist, der das wenigstens eine Substrat trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung ein Heißwandreaktor ist und wobei das Messobjekt ein Substratträger zur Aufnahme des wenigstens einen Substrats oder ein Wandelement des Heißwandreaktors ist.
Verfahren zum Herstellen eines Messobjekts nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in eine ebene Oberfläche des Messobjekts eine gezielte Struktur in Form einer Vielzahl von Vertiefungen eingebracht wird.
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