WO2019179942A1 - Heizeinheit für horizontalofen - Google Patents

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WO2019179942A1
WO2019179942A1 PCT/EP2019/056703 EP2019056703W WO2019179942A1 WO 2019179942 A1 WO2019179942 A1 WO 2019179942A1 EP 2019056703 W EP2019056703 W EP 2019056703W WO 2019179942 A1 WO2019179942 A1 WO 2019179942A1
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heating
heating unit
process tube
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PCT/EP2019/056703
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Wilhelm Kegel
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centrotherm international AG
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    • 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
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any preceding group
    • F27B17/0016—Chamber type furnaces
    • F27B17/0025—Especially adapted for treating semiconductor wafers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/02—Ohmic resistance heating
    • 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
    • H01L21/673—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 using specially adapted carriers or holders; Fixing the workpieces on such carriers or holders
    • H01L21/67313—Horizontal boat type carrier whereby the substrates are vertically supported, e.g. comprising rod-shaped elements

Definitions

  • the present invention relates to a heating unit for a horizontal furnace with an elongated process tube for receiving a plurality of substrates for their thermal treatment.
  • the heating unit which is also referred to below as a heating cassette, is suitable for heating an elongate process tube with substrates accommodated therein, in particular semiconductor wafers, to a desired temperature.
  • the allowed temperature deviations with respect to a given process temperature in the range of 0.5 ° C or even lower.
  • the wafers are treated individually, which of course is time-consuming and time-consuming, or in one batch.
  • batch treatment two systems have prevailed, usually referred to as vertical and horizontal ovens. In the vertical furnace, the wafers are held vertically one above the other in a substantially horizontal orientation.
  • the wafers are usually upright or slightly inclined in one
  • a heating unit which is often referred to as a heating cassette.
  • the present invention relates.
  • the heating unit is typically longer than a wafer receiving area to avoid temperature variations at the ends of the wafer boat. It is also known to segment the heating unit in a longitudinal direction of the wafer boat in order, for example, to be able to provide different heating power over the length of the process pipe. This should be about a in
  • the invention has for its object to provide a heating unit for a horizontal furnace, which at least partially overcomes one or more of the disadvantages mentioned above.
  • Receiving a plurality of substrates comprises: at least two formed as a sub-tube facing each other, which are superimposed as upper and lower element in the vertical direction and which are adapted to receive the process tube in between so that they surround the process tube at least partially radially wherein the upper and lower elements each comprise at least one individually controllable heating element, which are provided both in the vertical direction one above the other and in the longitudinal direction of the process tube adjacent to each other lying heating elements; and a control unit configured to individually and or in groups drive the heating elements.
  • the heating unit enables at least partial compensation of vertical temperature gradients, which can lead to problems, especially with ever larger substrates.
  • the heating unit comprises a plurality of upper elements and a plurality of lower elements, wherein the upper and lower elements are arranged facing each other and each having at least one heating element, wherein the upper elements on the one hand and the lower elements on the other hand are arranged side by side, that they are adjacent in the longitudinal direction of a process tube when it is received between the upper and lower elements.
  • the separation into individual elements in turn reduces a crosstalk between the heating zones.
  • At least one upper element and at least one lower element may be provided, each having at least two, separately controllable heating elements adjacent to one another in the longitudinal direction of the respective element. This also makes it possible to provide different heating zones in the longitudinal direction.
  • the lower and upper elements may each be constructed substantially the same.
  • the elements can be designed as half-tubes which are suitable for radially surrounding a process tube accommodated therebetween over an angular range of at least 320 °, in particular 340 °.
  • the heating unit further comprises at least one end member extending perpendicularly to the longitudinal extent of the upper and lower members and having a heat-reflecting surface and / or a heating element, the end member being disposed at or adjacent one end of the facing assembly of upper and lower members is.
  • an end element allows over the length of
  • Process tube across a more homogeneous temperature setting without edge effects are usually compensated, inter alia, by an extension of the process tube, but this can lead to excessively long process tubes.
  • an end member having a heat-reflecting surface and / or a heating element.
  • the heating unit for a horizontal furnace with an elongated process tube for receiving a plurality of substrates comprises: at least one plurality of separately controllable first heating elements, the one form rohrformigen receiving space to receive the process tube over at least part of its length and at least partially radially surround; at least one end element having a heat-reflecting surface and / or at least one second heating element, which is substantially perpendicular to a longitudinal extension of the rohrformigen
  • Receiving space extends, and a control unit for individual and or group-wise driving the heating elements.
  • the end elements can also without a division of the radially surrounding heating elements in upper and lower heating zones to a homogenization of a temperature distribution in
  • an end member having a heat-reflecting surface and / or a second heating element.
  • a horizontal oven for the thermal treatment of substrates in particular has an elongate substantially horizontally arranged process tube for receiving a plurality of wafers; a door unit at one end of the process pipe for opening and closing the end; and a heating unit of the type described above.
  • an end member of the type described above is attached to the inside of the door unit and another end member is attached to the end of the process pipe opposite the door mechanism.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of a heating unit according to the invention
  • Figure 2 is a schematic longitudinal section through a horizontal furnace with a heating unit according to a Ausbowungsförm the invention.
  • FIG. 3 is a schematic perspective cross-sectional view of a portion of the
  • top, bottom, right and left and similar expressions refer to the orientations shown in the figures or
  • Deviations of +/- 10% or +/- 10 0 preferably + 1-5% or +/- 5 °, are permitted by the stated value.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of a
  • the heating unit 1 for a process tube 3 of a horizontal furnace 5, which is shown in Figures 2 and 3.
  • the heating unit 1 is essentially formed by a plurality of
  • part-tubular upper elements 8, a plurality of part-tubular lower elements 10, and optional end members 12 are formed, which are placed around a Proessrohr 3 of a horizontal furnace around.
  • the lower and upper elements 8, 10 each have at least one non-illustrated resistance heating element, preferably on the inside of the respective element, or the elements 8, 10 themselves form resistance heating elements.
  • the elements 8, 10 are in particular formed as identical half-tubes, which are suitable
  • the elements 8, 10 facing each other and arranged vertically one above the other so as to radially surround the process tube 3 over a predetermined length in an angular range of at least 320 °, preferably at least 340 °.
  • the upper and lower elements 8, 10 spaced from each other and held with a thermal insulation therebetween.
  • the elements are constructed and dimensioned substantially the same.
  • a modular design of an arbitrarily long heating unit is made possible from equal parts, which significantly simplifies the production.
  • five pairs of upper and lower elements 8, 10 are shown. As a result, five different heating zones are formed in the longitudinal direction, the are also divided into upper and lower heating zones. This results in ten heating zones.
  • Process tube 3 allowed.
  • Such a tubular element can in the longitudinal direction and / or in
  • Fig. 1 also end members 12 are shown, which are arranged on or adjacent to the tubular receiving space of the upper and lower elements 8, 10.
  • the end elements 12 have pointing towards the receiving space a heat radiation highly reflective surface and / or a heating element.
  • the heat radiation highly reflective surface for example, made of polished aluminum or steel or other suitable material.
  • this may for example be formed from a single heating element or as a concentric arrangement, for example, separately controllable heating elements.
  • Fig. 2 shows a horizontal furnace 5 with a process tube 3 and a heating unit 1 of the type described above.
  • the elements 8, 10 are the process tube 3 radially surrounding and arranged adjacent to each other in the longitudinal direction.
  • the elements 8, 10 are surrounded by a suitable insulation 15 and a housing member 16, as is common in the art.
  • the process tube 3 has a first closed end 17 with a domed shape and gas line spigot 18. Attached to the end 17 of the process tube 1 is an end member 12 of the heating unit 1, the end member 12 having an active heating element 19 immediately adjacent the end 17 of the process tube and insulation 20 has.
  • the other end 24 of the process tube 3 is open, but can be opened and closed via a door unit 26.
  • a door unit 26 At the inner end of the door unit 26 is an end member 12, which is is provided in a closed position of the door unit 26 extends into the process tube 3 into it.
  • the end element 12 in turn has active heating element 29 which points into the process tube 3 and an insulation 30 on the rear side of the heating element 29.
  • a wafer boat 32 with a plurality of wafers 33 is shown, which is arranged approximately centrally in the longitudinal direction of the process tube 3. At the ends 17, 24 of the process tube 3, the wafer boat 32 is arranged at a distance.
  • the middle region of the process tube which occupies approximately 50-60% of the length of the process tube, is subsequently also defined as the wafer receiving region. This area extends approximately over the longitudinal extent of the three middle of the five longitudinally adjacent heating zones, which are formed by the upper and lower elements 8, 10.
  • the most homogeneous temperature distribution is possible during operation, and
  • Fig. 3 shows a sectional view through such a heating zone in which an upper element 8 in combination with a lower element 10 form a (longitudinal) heating zone, which is also divided into an upper and lower heating zone. Furthermore, in Fig. 3 also two
  • the temperature sensor 37 is arranged in a region between mutually facing end regions of the upper and lower elements 8, 10.
  • a wafer boat 32 with wafers 33 is loaded into the wafer receiving area. Subsequently, the process pipe 3 is closed via the door unit 26. The process tube 3 and the wafers received therein are brought to a desired temperature via the heating unit 1, and a desired gas atmosphere is set in the process tube 3 to process the wafers 33, as is conventional in the art.
  • a desired gas atmosphere is set in the process tube 3 to process the wafers 33, as is conventional in the art.
  • At least one passive reflector plate or deflection plate may be provided within the process pipe adjacent to the boat and / or on / in the boat. This can compensate for any end effects occurring both on the door side and the gas inlet side of the process tube.
  • the reflector or baffle should be provided on / in the boat to be used with this and removed.
  • Waferbootes be received in corresponding receptacles adjacent to the wafers to be processed, wherein the reflector or baffle plate (s) may have a larger circumference than the wafers to be processed to provide a larger shield.
  • the reflector or baffle plate (s) may have a larger circumference than the wafers to be processed to provide a larger shield.

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Abstract

Es sind Heizeinheiten für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten sowie ein Horizontalofen mit solchen Heizeinheiten beschrieben. Eine Heizeinheit weist wenigstens zwei als Teilrohr ausgebildete zueinander weisende Elemente auf, die als oberes und unteres Element in Vertikalrichtung übereinander liegen und die geeignet sind das Prozessrohr derart dazwischen Aufzunehmen, dass sie das Prozessrohr wenigstens teilweise radial umgeben, wobei die oberen und unteren Elemente jeweils wenigstens ein individuell ansteuerbares Heizelement derart aufweisen, das sowohl in Vertikalrichtung übereinander liegende und in Längsrichtung des Prozessrohrs benachbart zueinander liegende Heizelemente vorgesehen sind. Eine andere Heizeinheit weist wenigstens eine Vielzahl von separat ansteuerbaren ersten Heizelementen, die einen rohrförmigen Aufnahmeraum bilden auf, um das Prozessrohr über wenigstens einen Teil seiner Länge aufzunehmen und wenigsten teilweise radial zu umgeben und wenigstens ein Endelement mit einer Wärme reflektierenden Oberfläche und/oder wenigstens einem zweiten Heizelement, das sich im Wesentlich senkrecht zu einer Längserstreckung des rohrförmigen Aufnahmeraums erstreckt. Beide Heizeinheiten haben ferner eine Steuereinheit die konfiguriert ist zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuern der Heizelemente.

Description

HEIZEINHEIT FÜR HORIZONTALOFEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten für deren thermische Behandlung. Die Heizeinheit, die im nachfolgenden auch als Heizkassette bezeichnet wird, ist geeignet zum Erwärmen eines langgestreckten Prozessrohrs mit darin aufgenommenen Substraten, insbesondere Halbeiterwafern auf eine gewünschte Temperatur.
In der Halbleitertechnik ist es bekannt, Wafer unterschiedlichsten Prozessschritten zu unterziehen, die häufig Prozesse aufweisen, bei der die Wafer auf eine bestimmte Temperatur gebracht und für eine vorbestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden. Dabei ist es wichtig, dass die Wafer jeden einzelnen Wafer über den Wafer hinweg gleichmäßig temperiert werden. Darüber ist es bei einer Chargenbehandlung auch erforderlich, dass jeder Wafer im Wesentlichen mit derselben Temperatur prozessiert wird. Eine gute Homogenität über jeden einzelnen Wafer hinweg aber auch über die Wafer einer Charge muss hierbei zum Teil für Prozesstemperaturen bis zu l300°C gewährleistet werden.
Zum Teil liegen die erlaubten Temperaturabweichungen bezüglich einer vorgegebenen Prozesstemperatur im Bereich von 0.5 °C oder gar darunter. Je nach Prozess werden die Wafer einzeln behandelt, was natürlich aufwändig und zeitraubend ist, oder in einer Charge. Bei der Chargenbehandlung haben sich zwei Systeme durchgesetzt, die in der Regel als Vertikalofen und Horizontalofen bezeichnet werden. Beim Vertikalofen werden die Wafer vertikal übereinander in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung gehalten. Beim
Horizontalöfen werden die Wafer in der Regel aufrecht oder leicht geneigt in einem
Waferboot stehend in einem sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Prozessrohr aufgenommen, das von einer Heizeinheit, die häufig als Heizkassette bezeichnet wird, radial umgeben ist. Auf einen solchen Horizontalofen beziehungsweise eine Heizeinheit hierfür bezieht sich die vorliegende Erfindung. Um über die Charge der in einem Waferboot stehenden Wafer hinweg eine gleichmäßige Temperatur vorzusehen ist die Heizeinheit in der Regel länger als ein Aufnahmebereich für die Wafer, um Temperaturvariationen an den Enden des Waferbootes zu vermeiden. Auch ist es bekannt, die Heizeinheit in einer Längsrichtung des Waferbootes zu segmentieren, um zum Beispiel über die Länge des Prozessrohres hinweg unterschiedliche Heizleistung zur Verfügung stellen zu können. Hierdurch soll über einen sich in
Horizontalrichtung erstreckenden Aufnahmeraum für die Wafer hinweg eine gleichmäßige Temperatur vorgesehen werden. Auch wenn sich solche System zum Teil in der
Vergangenheit als sehr robust erwiesen haben, entstehen durch immer größer werdende Wafer und erhöhte Homogenitätsanforderungen neue Herausforderungen. Desto größer die Wafer werden, desto schwieriger wird es über den Wafer hinweg eine entsprechende Homogenität vorzusehen, da in Vertikalrichtung Temperaturgradienten, die bisher nicht relevant waren nun doch relevant werden können. Aber auch über eine Charge hinweg wird es schwieriger eine Homogenität aufrecht zu erhalten. Je größer die Substrate sind desto größer ist der Bereich über den Randeffekte an den Enden des Waferbootes auftreten können. Zwar ließe sich dies gegebenenfalls über ein entsprechende Verlängerung des Prozessrohres und eine
entsprechende Verlängerung der Heizeinheit kompensieren, doch würde die einerseits zu sehr langen Prozessrohen und andererseits auch zu einer unnötig langen Heizeinheit, die entsprechend mit Leistung versorgt werden muss führen.. Ein derartiges Vorgehen hat aber unter anderem die folgenden Nachteile: Die Stellfläche der Anlage wird größer, oder die Anzahl der zu behandelnden Wafer reduziert sich, wobei auf die Gegebenheiten in gängigen Reinräumen beachtet werden müssen. Die Bruchwahrscheinlichkeit und gleichzeitig die Kosten für die Prozessrohre steigen bei immer längeren Rohren Signifikat und die Mechanik für den Transport der Waferboote müsste aufgrund der Hebelkräfte immer größer
Dimensioniert werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Heizeinheit für eine Horizontalofen vorzusehen, die ein oder mehrere der oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet. Erfindungsgemäß ist eine Heizeinheit nach Anspruch 1 oder 8 oder ein
Horizontalofen nach Anspruch 10 vorgesehen.
Die Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur
Aufnahme einer Vielzahl von Substraten, weist gemäß einer Ausführungsform folgendes auf: wenigstens zwei als Teilrohr ausgebildete zueinander weisende Elemente, die als oberes und unteres Element in Vertikalrichtung übereinander liegen und die geeignet sind das Prozessrohr derart dazwischen Aufzunehmen, dass sie das Prozessrohr wenigstens teilweise radial umgeben, wobei die oberen und unteren Elemente jeweils wenigstens ein individuell ansteuerbares Heizelement derart aufweisen, das sowohl in Vertikalrichtung übereinander liegende und in Längsrichtung des Prozessrohrs benachbart zueinander liegende Heizelemente vorgesehen sind; und eine Steuereinheit die konfiguriert ist zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuern der Heizelemente. Eine solche Ausgestaltung der Heizeinheit ermöglicht einen wenigstens teilweisen Ausgleich vertikaler Temperaturgradienten, die insbesondere bei immer größeren Substraten zu Problemen führen können. Durch die
Trennung der Elemente mit jeweils eigenen Heizelementen wird ein Crosstalk zwischen den Heizzonen reduziert.
Bevorzugt weist die Heizeinheit eine Vielzahl von oberen Elementen und eine Vielzahl von unteren Elementen auf, wobei die oberen und unteren Elemente zueinander weisend angeordnet sind und jeweils wenigstens ein Heizelement aufweisen, wobei die oberen Elemente einerseits und die unteren Elemente andererseits derart nebeneinander liegend angeordnet sind, das sie in Längsrichtung eines Prozessrohrs benachbart liegen, wenn es zwischen den oberen und unteren Elementen aufgenommen ist. Hierdurch ergibt sich zwischen der Aufteilung in obere und untere Heizzonen noch eine weitere Aufteilung von in Längsrichtung benachbarten Heizzonen, um über einen Aufnahmebereich im Prozessrohr hinweg eine homogene Temperatur einstellen zu können. Die Trennung in einzelne Elemente verringert wiederum einen Crosstalk zwischen den Heizzonen.
Statt einer Vielzahl von oberen und unteren Elementen können auch wenigstens ein oberes Element und wenigstens ein unteres Elementen vorgesehen sein, die jeweils wenigstens zwei in Längsrichtung des jeweiligen Elements nebeneinander liegende, separat ansteuerbare Heizelemente aufweisen. Auch dies ermöglich in Längsrichtung unterschiedliche Heizzonen vorsehen zu können.
Für eine Kostengünstige Herstellung können die unteren und oberen Elemente jeweils im Wesentlichen gleich aufgebaut sein. Insbesondere können die Elemente als Halbrohre ausgebildet sein, die geeignet sind ein dazwischen aufgenommenes Prozessrohr über einen Winkelbereich von wenigstens 320°, insbesondere von 340° radial zu umgeben.
Bei einer Ausführungsform weist die Heizeinheit ferner wenigstens ein sich senkrecht zur Längserstreckung der oberen und unteren Elemente erstreckendes Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem Heizelement auf, wobei das Endelement an oder benachbart zu einem Ende der zueinander weisenden Anordnung von oberen und unteren Elementen angeordnet ist. Ein solches Endelement ermöglicht über die Länge des
Prozessrohrs hinweg eine homogenere Temperatureinstellung ohne Randeffekte. Diese werden üblicherweise unter anderem durch eine Verlängerung des Prozessrohrs ausgeglichen, was aber zu übermäßig langen Prozessrohren führen kann. Bevorzugt sind an oder benachbart zu jedem Ende der Anordnung von zueinander weisenden Elementen ein Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem Heizelement aufweist.
Bei einer alternativen ausführungsform weist die Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten folgendes auf: wenigstens eine Vielzahl von separat ansteuerbaren ersten Heizelementen, die einen rohrformigen Aufnahmeraum bilden, um das Prozessrohr über wenigstens einen Teil seiner Länge aufzunehmen und wenigsten teilweise radial zu umgeben; wenigstens ein Endelement mit einer Wärme reflektierenden Oberfläche und/oder wenigstens einem zweiten Heizelement, das sich im Wesentlich senkrecht zu einer Längserstreckung des rohrformigen
Aufnahmeraums erstreckt, und eine Steuereinheit zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuem der Heizelemente.
Die Endelemente können auch ohne eine Aufteilung der radial umgebenden Heizelemente in obere und untere Heizzonen zu einer Homogenisierung einer Temperaturverteilung in
Längsrichtung der Kammer beitragen. Bevorzugt ist auch bei dieser Ausführungsform benachbart zu jedem Ende des rohrförmigen Aufhahmeraums ein Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem zweiten Heizelement vorgesehen..
Ein Horizontalofen zum thermischen Behandeln von Substraten, weist insbesondere ein langgestrecktes im Wesentlichen horizontal angeordnetes Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Wafern; eine Türeinheit an einem Ende des Prozessrohrs zum Öffnen und Schließen des Endes; und eine Heizeinheit des oben beschriebenen Typs auf. Bevorzugt ist ein Endelement des oben beschriebenen Typs an der Innenseite der Türeinheit und ein weiteres Endelement am dem Türmechanismus entgegengesetzten Ende des Prozessrohrs angebracht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Heizeinheit gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Längsschnitt durch einen Horizontalofen mit einer Heizeinheit gemäß einer Ausfuhrungsförm der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Teilbereichs des
Horizontalofens gemäß Fig. 2. In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw.
Anordnungen und dienen primär zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Diese
Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen soweit sie nicht ausdrücklich beansprucht werden. Weiter bedeuten die Ausdrücke "im Wesentlichen", "ungefähr", "etwa" und ähnliche Ausdrücke, dass
Abweichungen von +/- 10% bzw. +/-100, bevorzugt +1-5% bzw. +/-5°, vom genannten Wert zulässig sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer
Fleizeinheit 1 für ein Prozessrohr 3 eines Horizontalofens 5, der in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Die Heizeinheit 1 wird im Wesentlichen durch eine Vielzahl von
teilrohrförmigen oberen Elementen 8, eine Vielzahl von teilrohrförmigen unteren Elementen 10, sowie optionalen Endelementen 12 gebildet, die um ein Proessrohr 3 eines Horizontalofens herum platzierbar sind. Die unteren und oberen Elemente 8, 10 weisen jeweils wenigsten ein nicht näher dargestelltes Widerstands-Heizelement, bevorzugt an der Innenseite des jeweiligen Elements auf, oder die Elemente 8, 10 selbst bilden Widerstands-Heizelemente. Die Elemente 8, 10 sind insbesondere als identische Halbrohre geformt, die geeignet sind einen
rohrförmigen Aufnahmeraum für das Prozessrohr 3 dazwischen zu bilden. In einer
zusammengebauten Konfiguration sind die Elemente 8, 10 zueinander weisend und vertikal übereinanderliegend derart angeordnet, dass sie das Prozessrohr 3 über eine vorbestimmte Länge radial in einem Winkelbereich von wenigstens 320°, bevorzugt von wenigstens 340° radial umgeben. Dabei können die oberen und unteren Elemente 8, 10 beabstandet zueinander und mit einer thermischen Isolierung dazwischen gehalten werden. Bevorzugt sind die Elemente im Wesentlichen gleich aufgebaut und dimensioniert. Hierdurch wird ein modularer Aufbau einer beliebig langen Heizeinheit aus gleichen Teilen ermöglicht, was die Herstellung wesentlich vereinfacht. In der Darstellung sind fünf Paare aus oberen und unteren Elementen 8, 10 gezeigt. Dadurch werden in Längsrichtung fünf unterschiedliche Heizzonen gebildet, die in auch noch in obere und untere Heizzonen unterteilt sind. Mithin ergeben sich hier zehn Heizzonen.
Bei einer Ausführungsform ist es aber auch möglich statt separater oberer und unterer Elemente ein durchgängiges Rohrelement vorzusehen, welches die Aufnahme eines
Prozessrohrs 3 erlaubt. Ein solches Rohrelement kann in Längsrichtung und/oder in
Umfangsrichtung benachbarte und separat ansteuerbare Heizelemente aufweisen.
In Fig. 1 sind auch Endelemente 12 dargestellt, die an oder benachbarten zu dem rohrförmigen Aufhahmeraum der oberen und unteren Elemente 8, 10 angeordnet sind. Die Endelemente 12 weisen zum Aufnahmeraum weisend eine Wärmestrahlung hochreflektierende Oberfläche und/oder ein Heizelement auf. Dabei kann die Wärmestrahlung hochreflektierende Oberfläche beispielsweise aus poliertem Aluminium oder Stahl oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Bei der Ausführung mit einem Heizelement kann dieses zum Beispiel aus ein einzelnes Heizelement oder auch als eine zum Beispiel konzentrische Anordnung separat ansteuerbarer Heizelemente ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt einen Horizontalofen 5 mit einem Prozessrohr 3 und einer Heizeinheit 1 des zuvor beschriebenen Typs. Die Elemente 8, 10 sind das Prozessrohr 3 radial umgebend und in Längsrichtung benachbart zueinander angeordnet. Die Elemente 8, 10 sind von einer geeigneten Isolierung 15 und einem Gehäuseelement 16 umgeben, wie es in der Technik üblich ist. Das Prozessrohr 3 besitzt ein erstes geschlossenes Ende 17 mit einer gewölbten Form und Gasleitungsstutzen 18. Am Ende 17 des Prozessrohrs 1 ist ein Endelement 12 der Heizeinheit 1 angebracht, wobei das Endelement 12 ein aktives Heizelement 19 direkt benachbart zum Ende 17 des Prozessrohrs und eine Isolierung 20 aufweist.
Das andere Ende 24 des Prozessrohrs 3 ist offen, kann aber über eine Türeinheit 26 geöffnet und geschlossen werden. Am inneren Ende der Türeinheit 26 ist ein Endelement 12, das sich in einer geschlossenen Position der Türeinheit 26 in das Prozessrohr 3 hinein erstreckt vorgesehen ist. Das Endelement 12 weist wiederum aktives Heizelement 29 auf, das in das Prozessrohr 3 hinein weist sowie eine Isolierung 30 an der Rückseite des Heizelements 29.
Im inneren des Prozessrohrs 3 ist ein Waferboot 32 mit einer Vielzahl von Wafern 33 dargestellt, das in Längsrichtung des Prozessrohrs 3 ungefähr mittig angeordnet ist. Zu den Enden 17, 24 des Prozessrohrs 3 ist das Waferboot 32 beabstandet angeordnet. Der mittlere Bereich des Prozessrohrs der ca. 50 -60 % der Länge des Prozessrohrs einnimmt wird nachfolgend auch als Wafer-Aufnahmebereich definiert. Dieser Bereich erstreckt sich ungefähr über die Längserstreckung der drei mittleren der fünf in Längsrichtung benachbarten Heizzonen, die durch die oberen und unteren Elemente 8, 10 gebildet werden. Hier ist im Betrieb die homogenste Temperaturverteilung möglich, und
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch eine solche Heizzone, in der ein oberes Element 8 in Kombination mit einem unteren Element 10 eine (Längs-) Heizzone bilden, die auch noch in eine obere und unterer Heizzone aufgeteilt ist. Ferner sind in Fig. 3 auch noch zwei
Temperatursensoren 36, 37 dargestellt, wobei der Temperatursensor 36 innerhalb des Prozessrohrs angeordnet ist und der Temperatursensor 37 außerhalb des Prozessrohrs.
Insbesondere ist der Temperatursensor 37 in einem Bereich zwischen zueinander weisenden Endbereichen der oberen und unteren Elemente 8, 10 angeordnet.
Im Betrieb wird ein Waferboot 32 mit Wafern 33 in den Wafer-Aufnahmebereich geladen. Anschließend wird das Prozessrohr 3 über die Türeinheit 26 geschlossen. Das Prozessrohr 3 und die darin aufgenommenen Wafer werden über die Heizeinheit 1 auf eine gewünschte, Temperatur gebracht und es wird eine gewünschte Gasatmosphäre im Prozessrohr 3 eingestellt, um die Wafer 33 zu prozessieren, wie es in der Technik üblich ist. Über die Aufteilung der Heizeinheit 1 in obere und untere Heizzonen in Kombination mit in Längsrichtung benachbarten Heizzonen lässt sich die Temperatur über den Wafer- Aufnahmebereich hinweg sehr homogen einstellen. Selbst bei großen Wafern, wie zum Beispiel 30 Zoll Wafern (76,2 cm) konnten insbesondere durch die Aufteilung in oberer und untere Heizzonen vertikale Temperaturgradienten ausgeglichen werden. Durch die zusätzlichen Endelemente 12 können ferner in Längsrichtung des Prozessrohrs auftretenden Endeffekten entgegengewirkt werden, sodass die Endelemente 12 zu einer homogenen Temperaturverteilung im Wafer-Aufnahmebereich beitragen.
Für eine homogene Temperaturverteilung im Wafer- Aufnahmebereich kann optional auch wenigstens eine nicht dargestellte passive Reflektor- oder Umlenkplatte innerhalb des Prozessrohrs benachbart zum Boot und/oder am/im Boot vorgesehen sein. Diese kann gegebenenfalls auftretende Endeffekte sowohl auf der Türseite als auch der Gaseinlassseite des Prozessrohrs ausgleichen. Bevorzugt sollte die Reflektor- oder Umlenkplatte am/im Boot vorgesehen sein, um mit diesem eingesetzt und entnommen werden zu können. Beispielsweise kann eine entsprechende Reflektor- oder Umlenkplatte an den jeweiligen Enden des
Waferbootes in entsprechenden Aufnahmen benachbart zu den zu prozessierenden Wafern aufgenommen sein, wobei die Reflektor- oder Umlenkplatte(n) gegebenenfalls einen größeren Umfang besitzen als die zu prozessierenden Wafer, um eine größer Abschirmung vorzusehen. Bei solchen mobil einsetzbaren Reflektor- oder Umlenkplatten ist es insbesondere auch möglich, diese bei einer nicht vollständigen Waferbelegung des Waferbootes jeweils in einem vorbestimmten Abstand zu den äußersten Wafern vorzusehen.
Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Insbesondere können die Endelemente 12 auch ohne eine Aufteilung der radial um das Prozessrohr herum angeordneten in obere und untere Elemente eingesetzt werden. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Substraten, wobei die Heizeinheit folgendes aufweist: wenigstens zwei als Teilrohr ausgebildete zueinander weisende Elemente, die als oberes und unteres Element in Vertikalrichtung übereinander liegen und die geeignet sind das Prozessrohr derart dazwischen Aufzunehmen, dass sie das Prozessrohr wenigstens teilweise radial umgeben, wobei die oberen und unteren Elemente jeweils wenigstens ein individuell ansteuerbares Heizelement derart aufweisen, das sowohl in Vertikalrichtung übereinander liegende und in Längsrichtung des Prozessrohrs benachbart zueinander liegende Heizelemente vorgesehen sind; und
eine Steuereinheit die konfiguriert ist zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuem der Heizelemente.
2. Heizeinheit nach Anspruch 1, die eine Vielzahl von oberen Elementen und eine Vielzahl von unteren Elementen aufweist, wobei die oberen und unteren Elemente zueinander weisend angeordnet sind und jeweils wenigstens ein Heizelement aufweisen, wobei die oberen Elemente einerseits und die unteren Elemente andererseits derart nebeneinander liegend angeordnet sind, das sie in Längsrichtung eines Prozessrohrs benachbart liegen, wenn es zwischen den oberen und unteren Elementen aufgenommen ist.
3. Heizeinheit nach Anspruch 1, die wenigstens ein oberes Element und wenigstens ein unteres Elementen aufweist, die jeweils wenigstens zwei in Längsrichtung des jeweiligen Elements nebeneinander liegende, separat ansteuerbare Heizelemente aufweisen.
4. Heizeinheit nach Anspruch 2 oder 3, wobei die unteren und oberen Elemente jeweils im Wesentlichen gleich aufgebaut sind.
5. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elemente als Halbrohre ausgebildet sind, die geeignet sind ein dazwischen aufgenommenes Prozessrohr über einen Winkelbereich von wenigstens 320°, insbesondere von 340° radial zu umgeben.
6. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner wenigstens ein sich senkrecht zur Längs er Streckung der oberen und unteren Elemente erstreckendes Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder wenigstens einem Heizelement aufweist, wobei das Endelement an oder benachbart zu einem Ende der zueinander weisenden Anordnung von oberen und unteren Elementen angeordnet ist.
7. Heizeinheit nach Anspruch 6, die an oder benachbart zu jedem Ende der Anordnung von zueinander weisenden Elementen ein Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem Heizelement aufweist.
8. Heizeinheit für einen Horizontalofen mit einem langgestreckten Prozessrohr zur
Aufnahme einer Vielzahl von Substraten, wobei die Heizeinheit folgendes aufweist: wenigstens eine Vielzahl von separat ansteuerbaren ersten Heizelementen, die einen rohrförmigen Aufnahmeraum bilden, um das Prozessrohr über wenigstens einen Teil seiner Länge aufzunehmen und wenigsten teilweise radial zu umgeben;
wenigstens ein Endelement mit einer Wärme reflektierenden Oberfläche und/oder wenigstens einem zweiten Heizelement, das sich im Wesentlich senkrecht zu einer Längserstreckung des rohrförmigen Aufnahmeraums erstreckt, und
eine Steuereinheit zum individuellen und oder gruppenweisen Ansteuern der
Heizelemente.
9. Heizeinheit nach Anspruch 8, die an oder benachbart zu jedem Ende des rohrförmigen Aufnahmeraums ein Endelement mit einer Wärmereflektierenden Oberfläche und/oder einem zweiten Heizelement aufweist.
10. Horizontalofen zum thermischen Behandeln von Substraten, der folgendes aufweist: ein langgestrecktes im Wesentlichen horizontal angeordnetes Prozessrohr zur Aufnahme einer Vielzahl von Wafern;
einen Türmechanismus an einem Ende des Prozessrohrs zum Öffnen und Schließen des Endes; und
eine Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Horizontalofen nach Anspruch 10 mit einer Heizeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Endelement an der Innenseite des Türmechanismus und optional ein weiteres Endelement am dem Türmechanismus entgegengesetzten Ende des Prozessrohrs angebracht ist.
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